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Die Erfmdung betrifft ein Kernspinresonanzgerät mit einem Magnetsystem
zum Generieren eines stationären Magnetfeldes, einem Spulensystem zum Generieren
von Gradientenfeldern und zumindest einer HF-Spule, die einen Kreis mit zumindest
einer Seibstinduktivität und einem Abstimmkondensator umfaßt, welcher Kreis auf eine
vorgegebene Frequenz abgestimmt ist und mit ersten und zweiten Eingangsklemmen
einer Eingangsverstärkerschaltung einer Empfangseinrichtung für HF-Signale verbunden
ist.
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Ein Gerät (MR-Gerät) dieser Art ist aus beispielsweise US-A-4 737 718
bekannt. Geräte dieser Art werden üblicherweise zusammen mit einem Satz Phantome
geliefert, die zum Überprüfen der Abbildungsqualität der HF-Spulen und der gesamten
MR-Kette verwendet werden können. Die Phantome dienen zur Simulation des
Vorhandenseins eines zu untersuchenden Objekts, beispielsweise eines Patienten. Sie werden
bei der Installation des Geräts verwendet, bei der Fehlersuche in der MR-Kette, bei der
Einstellung der HF-Spulen und der MR-Kette und bei regelmäßig auszuführenden
Bildqualitätstests. Ein Phantom besteht üblicherweise aus zwei Segmenten, das heißt
einerseits einem Segment mit Elementen, die von dem MR-Gerät abgebildet werden können
und die zur Messung von Parametern dienen können, die hinsichtlich der Bildqualität
entscheidend sind (beispielsweise Rauschabstand und Homogenität), und andererseits
einem Segment, das die Belastung der HF-Spule durch den Patienten simuliert. Die
genannten Parameter werden nämlich auch von der Spulenqualität Q bestimmt, die sich
aus der HF-Spule selbst ergibt, und der Spulenbelastung, die vom Patienten verursacht
wird. Bisher wird das Lastsegment üblicherweise als ringförmiges Gefäß ausgeführt, das
mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllt ist (beispielsweise einer Salzlösung)
oder als geschlossener Kreis, der induktiv mit der HF-Spule gekoppelt werden kann und
der beispielsweise eine Spule, einen Widerstand und einen Kondensator enthalten kann.
Beispiele für solche Lastphantome werden in The British Journal of Radiology, 59, S.
1031-1034 beschrieben. Allgemein gesagt, ist für jede zu dem MR-Gerät gehörende HF-
Spule ein gesondertes Lastphantom erforderlich. Die bekannten Phantome der
beschriebenen Konstruktionen sind häufig verhältnismäßig umfangreich, komplex und schwierig
zu handhaben. Außerdem können sie anfällig und teuer sein.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, ein
Kernspinresonanzgerät zu verschaffen, das die Lieferung von Lastphantomen für die verschiedenen
HF-Spulen nicht erfordert. Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Gerät
dadurch gekennzeichnet, daß der von der HF-Spule und der
Eingangsverstärkerschaltung gebildete Schaltkreis ein Lastnetz enthält, das zumindest einen Schalter und einen
Widerstand, der mit Hilfe des genannten Schalters mit der HF-Spule gekoppelt werden
kann, umfaßt.
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In einem Gerät dieser Art kann die Belastung durch den Patienten sehr
einfach durch Schließen des Schalters simuliert werden, so daß der Widerstand parallel
zum Eingang des Eingangsverstärkers geschaltet wird. Das Lastnetz kann Teil der HF-
Spule sein, so daß, wenn eine neue HF-Spule angebracht wird, das zugehörige Lastnetz
automatisch vorhanden ist. Somit ist es nicht erforderlich, umfangreiche und teure
Lastphantome mit den HF-Spulen zu liefern und das Anbringen solcher Phantome in den
Spulen kann auch entfallen. Daher kann ein solches Anbringen nicht mehr vergessen
werden und zudem können bei der Montage keine Positionierungsfehler mehr auftreten.
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Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Geräts ist dadurch
gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Eingangsklemmen der
Eingangsverstärkerschaltung über das Lastnetz miteinander verbunden sind, wobei das Lastnetz zumindest
eine erste Reihenschaltung aus einem ersten Schalter und einem ersten Widerstand
umfaßt. Der erste Schalter wird vorzugsweise von einer ersten Diode gebildet, von der
eine Elektrode mit einer der Eingangsklemmen der Eingangsverstärkerschaltung
verbunden ist, wobei ihre andere Elektrode mit einem Ende des ersten Widerstandes
verbunden ist, dessen anderes Ende über einen ersten Kondensator mit der anderen
Eingangsklemme verbunden ist, wobei der Verbindungspunkt des ersten Widerstandes und
des ersten Kondensators auch mit einer Steuerklemme verbunden ist, an der wahlweise
eine relativ zur ersten Eingangsklemme positive oder negative Gleichspannung angelegt
werden kann. Das Lastnetz kann somit durch Wahl der an die Steuerklemme zu
legenden Steuerspannung ein- oder ausgeschaltet werden. Die Diode ist vorzugsweise eine
sogenannte PIN-Diode, wie sie üblicherweise zum Ein- und Ausschalten von Elementen
von HF-Spulen in MR-Geräten verwendet wird.
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Eine weitere Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das
Lastnetz auch eine zweite Reihenschaltung aus emem zweiten Schalter und einem zweiten
Widerstand umfaßt, die zumindest für HF-Signale parallel zur ersten Reihenschaltung
geschaltet ist. In dieser Ausführungsform können durch Wählen der Steuerspannung
beide Widerstande gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet werden.
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In vielen Fällen bewirkt ein mit der HF-Spule gekoppeltes, zu messendes
Objekt nicht nur eine Abnahme der Spulenqualität, wie sie mit den obengenannten
ersten und zweiten Widerständen simuliert werden kann, sondern auch eine
Frequenzverschiebung. Diese Frequenzverschiebung kann in einer weiteren Ausführungsform
simuliert werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Impedanz kapazitiver oder
induktiver Art zumindest zu einem der ersten und zweiten Widerstande parallel
geschaltet ist.
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Eine zweite Ausführungsform des erfmdungsgemaßen Geräts ist dadurch
gekennzeichnet, daß das Lastnetz eine Parallelschaltung aus einem Schalter und einem
Widerstand umfaßt, welche Parallelschaltung in dem die HF-Spule bildenden Kreis
enthalten ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kernspinresonanzgeräts,
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Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild eines Teils einer ersten Ausführungsform
des Geräts von Fig. 1, und
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Fig. 3 ein elektrisches Schaltbild eines Teils einer zweiten
Ausführungsform des Geräts von Fig. 1.
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Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Kernspinresonanzgerät umfaßt ein
erstes Magnetsystem 1 zum Generieren eines stationären Magnetfeldes H, ein zweites
Magnetsystem 3 zum Generieren magnetischer Gradientenfelder und erste und zweite
Speisequellen 5 und 7 für das erste Magnetsystem 1 bzw. das zweite Magnetsystem 3.
Eine HF-Spule 9 dient zum Generieren eines hochfrequenten magnetischen
Wechselfeldes; hierzu ist es mit einer HF-Quelle 11 verbunden. Zur Detektion von
Kernspinresonanzsignalen,
die in einem zu untersuchenden Objekt (nicht abgebildet) von dem
gesendeten HF-Feld generiert worden sind, kann die HF-Spule 9 ebenfalls genutzt werden;
hierzu ist diese Spule mit einer Empfangseinrichtung 13 für HF-Signale verbunden. Der
Ausgang der Empfangseinrichtung 13 ist mit einem Detektorkreis 15 verbunden, der mit
einer zentralen Steuerungseinrichtung 17 verbunden ist. Die zentrale
Steuerungseinrichtung 17 steuert auch einen Modulator 19 für die HF-Quelle 11, die zweite Speisequelle
7 und einen Monitor 21 zur Bildwiedergabe. Ein HF-Oszillator 23 steuert den
Modulator 19 sowie den die Meßsignale verarbeitenden Detektor 15. Zur eventuellen Kühlung
der Magnetspulen des ersten Magnetsystems 1 gibt es eine Kühleinrichtung 25 mit
Kühlleitungen 27. Eine solche Kühleinrichtung kann als Wasserkühlsystem für
Widerstandsspulen oder, wie für die im vorliegenden Fall erforderlichen hohen Feldstärken,
beispielsweise als Kühlsystem mit flüssigem Helium für supraleitende Magnetspulen
ausgeführt sein. Die in den Magnetsystemen 1 und 3 angeordnete HF-Spule 9 umgibt
einen Meßraum 29, der groß genug ist, um den zu untersuchenden Patienten oder einen
Teil des zu untersuchenden Patienten, beispielsweise den Kopf und den Hals, in einem
Gerät für medizinische diagnostische Untersuchungen aufzunehmen. Somit können in
dem Meßraum 29 ein stationäres Magnetfeld H, Gradientenfelder zum Selektieren von
Objektscheiben und ein räumlich homogenes HF-Wechselfeld generiert werden. Die
HF-Spule 9 kann die Funktionen von Senderspule und Meßspule kombinieren.
Alternativ können zwei unterschiedliche Spulen für die beiden Funktionen verwendet werden;
beispielsweise können die Meßspulen als Oberflächenspulen oder Schmetterlingsspulen,
siehe US-A-4 816 765, oder als "bird cage"-Spulen, siehe US-A-4 737 718, ausgeführt
sein. Im weiteren soll die HF-Spule 9 nur als Meßspule bezeichnet werden. Falls
erwünscht kann die Spule 9 von einem die HF-Felder abschirmenden Faraday-Käfig 31
umgeben sein.
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Fig. 2 zeigt ein Schaltbild der HF-Spule 9 und einen Teil der
Empfangseinrichtung 13. Wie üblich, umfaßt die HF-Spule 9 einen auf eine vorgegebene
Frequenz abgestimmten Kreis mit einer reinen Selbstinduktivität 33, einem
Abstimmkondensator 35 und einem Verlustwiderstand 37. Über zwei in Reihe geschaltete
Kopplungskondensatoren 39 und 41 ist die HF-Spule 9 mit einer Eingangsverstärkerschaltung
43 der Empfangseinrichtung 13 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform
umfaßt die Eingangsverstärkerschaltung 43 einen Operationsverstärker 45, der mit Hilfe
von (sehr hochohmigen) Widerständen 47, 49 und 51 eingestellt wird. Die
Eingangsverstärkerschaltung 43 kann auch andere Elemente umfassen, die an sich bekannt sind,
beispielsweise ein Netzwerk aus Spulen und Kondensatoren. Sie umfaßt erste und zweite
Eingangsklemmen 53 und 55 und eine Ausgangsklemme 57. Die erste Eingangsklemme
53 ist über die beiden Kopplungskondensatoren 39 und 41 mit einem ersten Ende der
HF-Spule 9 verbunden, und die zweite Eingangsklemme 55 ist mit dem anderen Ende
der HF-Spule und einem Bezugspunkt 59 auffestem Potential verbunden. Die
Ausgangsklemme 57 ist mit weiteren Teilen der Empfangseinrichtung 13 oder direkt mit
dem Detektor 15 verbunden.
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Zwischen den Verbindungspunkt der beiden Kopplungskondensatoren 39
und 41 einerseits und den Bezugspunkt 59 andererseits ist ein Lastnetz 61 geschaltet,
das somit eine Verbindung zwischen den ersten und zweiten Eingangsklemmen 53 und
55 des Eingangsverstärkers 43 bildet. Das Lastnetz 61 umfaßt eine erste
Reihenschaltung aus einem ersten Schalter 63 und einem ersten Widerstand 65 und auch eine zweite
Reihenschaltung aus einem zweiten Schalter 67 und einem zweiten Widerstand 69. In
der vorliegenden Ausführungsform werden die ersten und die zweiten Schalter 63 und
67 von ersten und zweiten Dioden, vorzugsweise PIN-Dioden, gebildet. Die Anode der
ersten Diode 63 und die Kathode der zweiten Diode 67 werden (über den
Kopplungskondensator 41) mit der ersten Eingangsklemme 53 verbunden, wobei die anderen
Elektroden dieser Dioden mit einem Ende des ersten Widerstandes 65 bzw. des zweiten
Widerstandes 69 verbunden sind. Das andere Ende des ersten Widerstandes 65 ist mit
einer Steuerklemme 71 und mit einer Elektrode eines Kondensators 73 verbunden,
dessen andere Elektrode mit dem Bezugspunkt 59 verbunden ist. Das andere Ende des
zweiten Widerstandes 69 ist direkt mit dem Bezugspunkt 59 verbunden. Eine relativ
zum Bezugspunkt 59 positive oder negative Gleichspannung kann, falls erwünscht, über
(nicht abgebildete) Schaltmittel an die Steuerklemme 71 gelegt werden. Wenn die
angelegte Gleichspannung (im weiteren als Steuerspannung bezeichnet) positiv ist,
beispielsweise +300 V, werden beide Dioden 63, 65 gesperrt, so daß das Lastnetz 61 auf die
Qualität Q der HF-Spule 9 keinen Einfluß hat. Dies ist der Zustand, der eintritt, wenn
das Gerät für eine normale Messung verwendet wird. Beim Testen des Geräts,
beispielsweise bei der Installation oder nach Austausch von Spulen und anderen Teilen der MR-
Kette, wird eine negative Steuerspannung von beispielsweise -10 V angelegt, so daß
beide Dioden 63, 67 leitend werden. Die Dioden wirken somit als Schalter, die im
Leitungszustand ein Ende der ersten und der zweiten Widerstände 65, 69 mit der ersten
Eingangsklemme 53 und damit auch der HF-Spule 9 verbinden. Das andere Ende des
ersten Widerstandes 65 ist über den Kondensator 73 mit der zweiten Eingangsklemme
55 verbunden, während das andere Ende des zweiten Widerstandes 69 unmittelbar mit
der zweiten Eingangsklemme verbunden ist, so daß für HF-Signale diese beiden
Widerstände parallel geschaltet sind und die beiden Eingangsklemmen miteinander verbinden.
Sie bilden somit einen Lastwiderstand für die HF-Spule 9, der eine von einem Patienten
bewirkte Spulenbelastung simuliert. Für Gleichspannungen sind der erste Widerstand
65, die beiden Dioden 63, 67 und der zweite Widerstand 69 zwischen der Steuerklemme
71 und dem Bezugspunkt 59 in Reihe geschaltet. Um bei einer positiven Steuerspannung
die Sperrspannung gleichmäßig zwischen den beiden Dioden 63, 67 zu verteilen, ist ein
Widerstand 75, 77 zu jeder dieser Dioden parallel geschaltet. Die Werte dieser
Widerstände sind vorzugsweise gleich und sehr hoch.
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Falls erwünscht kann, wie in der gezeigten Ausführungsform, eine durch
die Anwesenheit des Patienten verursachte Frequenzverschiebung auch simuliert
werden, indem eine Impedanz 79 parallel zum zweiten Widerstand 69 geschaltet wird. Im
vorliegenden Beispiel besteht die Impedanz 79 einfach aus einem Kondensator, so daß
die Impedanz von kapazitiver Art ist. Damit wird eine Verschiebung zu einer
niedrigeren Frequenz hin simuliert, was, wie sich gezeigt hat, in der Praxis am häufigsten
vorkommt. Ein Frequenzverschiebung zu höheren Werten hin könnte durch eine Impedanz
79 von induktiver Art simuliert werden, beispielsweise durch Ersetzen des Kondensators
durch eine Spule.
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Für die beschriebenen Ausführungsformen sind verschiedene Varianten
möglich. Es kann beispielsweise genügen, nur eine einzige Reihenschaltung aus einem
Schalter und einem Widerstand zu verwenden. Hierzu kann beispielsweise die zweite
Reihenschaltung (aus der zweiten Diode 67 und dem zweiten Widerstand 69)
weggelassen werden, wobei die Anode der ersten Diode dann über einen hochohmigen
Widerstand mit dem Bezugspunkt 59 verbunden wird, um einen geschlossenen Kreis für das
über die Steuerklemme 71 anzulegende Steuersignal zu realisieren. Es ist auch möglich,
die erste Diode 63 zwischen ein Ende des ersten Widerstandes 65 und die zweite
Eingangsklemme 55 zu schalten und die Steuerspannung über das andere Ende des
genannten
Widerstandes anzulegen. Das genannte andere Ende sollte dann über einen
Kondensator, wie den Kondensator 73, mit der ersten Eingangsklemme 53 verbunden
werden, um dafür zu sorgen, daß für HF-Signale der Widerstand parallel zum Eingang des
Verstarkers 43 geschaltet werden kann. Die Schalter 63 und 67 können auch von
anderen, bekannten Schaltelementen gebildet werden, beispielsweise Transistoren, statt von
PIN-Dioden. Falls erwünscht, können die ersten und zweiten Widerstände 65, 69 und
die Impedanz 79 einstellbar ausgeführt werden. Der Lastkreis 69 kann mit der HF-Spule
9 kombihiert werden, um eine einzige strukturelle Einheit zu bilden.
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Falls erwünscht, kann die Steuerspannung über eine hohe
Selbstinduktivität oder ein HF-Sperrfilter zugeführt werden, das eine Parallelschaltung aus einer
Seibstinduktivität und einem Kondensator umfaßt. In diesem Fall gibt es für die HF-
Signale eine vollständige Trennung zwischen der Steuerspannungsquelle und dem
Lastnetz 61.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, in der das Lastnetz 61' eine
Parallelschaltung aus einem Schalter 63' und einem Widerstand 65' umfaßt. Diese
Parallelschaltung ist in dem die HF-Spule 9 bildenden Kreis enthalten. Der Schalter 61' kann
durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung an die Steuerklemme 71' geöffnet oder
geschlossen werden. Wenn der Schalter geöffnet ist, ist der Widerstand 65' mit dem
Verlustwiderstand 37 in Reihe geschaltet, und wenn der Schalter geschlossen ist, ist der
Widerstand kurzgeschlossen. Somit kann, wie in der ersten Ausführungsform, der
Widerstand 65' mit Hilfe des Schalters 63' mit der HF-Spule 9 gekoppelt werden.
Verschiedene Ausführungsformen sind für den Schalter 63' und den Widerstand 65'
möglich, analog zu der anhand von Fig. 2 gegebenen Beschreibung.