DE3629356A1

DE3629356A1 - Abstimmschaltung fuer ein kernmagnetresonanz-sende- und empfangssystem

Info

Publication number: DE3629356A1
Application number: DE19863629356
Authority: DE
Inventors: Motoji Haragashira
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-08-30
Filing date: 1986-08-28
Publication date: 1987-03-05
Also published as: JPS6252443A; US4691164A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Kernmagnetresonanzsystem und zwar ein verbessertes Kernmagnetresonanz-Sende und Empfangssystem, das an eine Kermagnetresonanz-Signalaufnahmesonde angeschlossen ist.

Alle Magnetresonanz-Abbildeverfahren, die bislang bekannt sind, erfordern im wesentlichen die folgenden Elemente:
1)  ein gleichmäßiges Magnetfeld,
2)  steuerbare Magnetfeldgradienten,
3)  ein Sende/Empfangs-Spulensystem,
4)  ein Kernmagnetresonanz-Spektrometer,
5)  einen Datenspeicher und einen Datenprozessor,
6)  ein Bildanzeigesystem, und
7)  eine Zentralsteuerung.

Das Sende/Empfangs-Spulensystem, das häufig als "Sonde" bezeichnet wird, ist das Mittel, durch das HF-Energie an das Spin-System übertragen wird und durch welches die HF-Antwort des Spin-Systems gemessen wird. In vielen Anwendungsfällen kann eine einzige Spule mit richtigem Anschluß beide Funktionen durchführen. Das Abstimmen dieser Spule ist sowohl für die Sendefunktion, als auch für die Empfangsfunktion erforderlich. Derart abgestimmte Spulensysteme werden durch ihre Geometrie, einen Qualitätsfaktor Q, die Impedanz und die Größe gekennzeichnet.

Es ist erwünscht, das Signal/Rausch-Verhältnis des KMR-Signals in jeder möglichen Weise zu maximieren. Das erreichbare S/R-Verhältnis verändert sich mit einer abgestimmten Spule nach Q ^1/2. Wenn dies die einzigen Überlegungen wären, müßte man Q so groß wie möglich machen. Für eine Empfängerspule ist die andere wesentliche Überlegung die Impedanzanpassung an den Empfänger. Das Anpassen der Empfängerspule an den Vorverstärker im Empfänger hängt von der optimalen Rauschimpedanz des Vorverstärkers ab, die so gewählt werden sollte, daß sie an die vorhandene Leitungsimpadanz angepaßt ist. In der Praxis erwartet man die Kabellänge so groß wie möglich in einem KMR-System, um die Anordnung der Sende-/ Empfangs-Spule an die anderen Elemente leichter anzupassen. Die Kabellänge ist jedoch dadurch begrenzt, daß ihre Impedanz an die Empfängerspule angepaßt sein muß.

Eine bekannte Abstimmschaltung für ein Sende-/Empfangs-Spulensystem ist in Fig. 1 dargestellt und besteht aus einer Impedanzspule 2 und einem Widerstand 4, welche die Induktanz und den Widerstand der Spule bedeuten. Die Wirkung der Anpassungskondensatoren 6 und 8 besteht darin, die Signal- und Rauschspannungen zu verändern, wie sie an den Ausgangsklemmen der Sonde 2 auftreten.

Das erste Ende der Spule 2 läuft durch eine Abschirmung 10 und schließt an den nicht-invertierenden Eingang eines Vorverstärkers 12 an. Das zweite Ende der Spule 2 ist über einen Kondensator 6 an die Abschirmung 10 angeschlossen, die mit dem invertierenden Eingang des Vorverstärkers 12 verbunden ist. Eine positive Spannungsquelle steuert die Vorspannung gegenüber dem veränderlichen Kondensator 8 und ist über einen Widerstand 14 parallel zum nicht-invertierenden Eingang des Vorverstärkers 12 geschaltet. Die Ausgabe des Empfängerteils einschließlich des Vorverstärkers 12, der Sonde 2 und der Abstimmschaltung 16, nämlich ein Analogsignal des zusammengesetzten KMR-Signals, wird in ein Digitalsignal umgewandelt und von einem nicht dargestellten Computer aufgenommen, um die KMR-Abbildung eines Gegenstandes unter Verwendung einer Fourier-Transformation durchzuführen.

Die Funktion der Schaltung 16 besteht in der Anpassung der Aufnahmespule 2 an den Vorverstärker mit hoher Eingangsimpedanzamplitude und für die wirksame Übertragung des Signals von der Aufnahmespule 2 zum Vorverstärker 12, wobei es notwendig ist, die Eingangsimpedanz der Spule 2 an die charakteristische Impedanz Zc des Koaxialkabels 10 anzupassen. Die Impedanzanpassung gewährleistet eine maximale Übertragung jedes KMR-Signals von der Aufnahmespule 2 zum Vorverstärker 12. Der Kondensator 6 dient zur Impedanzanpassung, während der Kondensator 8 die Resonanzfrequenz abstimmt, die demnach über das interessierende Band geschwenkt wird, jedoch kaum Einfluß auf die Eingangsimpedanz hat. Damit die Kombination der Kondensatoren 6 und 8 einen sehr hohen Qualitätsfaktor haben, werden die Kondensatoren 6 und 8 so eingestellt, daß ihre Kapazitäten etwa gleich werden, was die Abstimmung erleichtert.

Das Abstimmen ist jedoch schwierig, da auf das Kabel 10 Streukapazitäten einwirken, und die Möglichkeit der Abstimmung bei auf die Länge des Kabels 10 einwirkenden Streukapazitäten ist als Folge der praktischen Anforderungen an die Kabellänge begrenzt.

Der Versuch, Q groß zu machen, indem man die Kondensatoren 6 und 8 in der zuvor erwähnten Weise einstellt, ist ebenfalls unzureichend, da eine elektrische Kopplung zwischen der Aufnahmespule 2 und dem Patienten vorliegt, so daß Q absinkt und außerdem stehen die Anforderungen hinsichtlich der Eingangsimpedanz des Vorverstärkers 12 und der elektrischen Verbindung miteinander in Konflikt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Abstimmschaltung für ein Kernmagnetresonanz-Sende- und Empfangssystem zu schaffen, bei dem keine Verluste hinsichtlich des Qualitätsfaktors Q auftreten und das auch keine engen Beschränkungen hinsichtlich der Kabellänge hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.

Dadurch kann außerdem die Aufnahmespulenimpedanz an die Eingangsimpedanz des Sender-Vorverstärkers in optimaler Weise angepaßt werden. Somit kann ein längeres Kabel zur Verbindung zwischen der Aufnahmesonde und dem Empfänger- Vorverstärker verwendet werden, obgleich es eine hohe Streukapazität hat, während das Empfängersystem bestehend aus der Kombination von Aufnahmespule, Abstimmschaltung, Abschirmkabel und Empfänger-Vorverstärker ein hohes Q hat. Zweckmäßigerweise wird dabei das Signal/Rausch-Verhältnis des Kernmagnetresonanzsignals maximiert.

Die erfindungsgemäße Abstimmschaltung mit verlustarmen, langen Signalwegen zur Bestimmung und Übertragung von KMR-Signalenergie an einen Vorverstärker eines KMR-Abbildungsempfängers besteht aus einer Spule und aus Kondensatoren, wobei die Abstimmung des Signalpfades an die richtige Erkennungsfrequenz dadurch erreicht wird, daß man den Wert des Kondensators einstellt, der an einem Ende über einen Widerstand mit der Spule und an seinem anderen Ende mit einem Abschirmkabel verbunden ist, und zwar entsprechend dem Wert des anderen Kondensators, dessen Kapazität an die Streukapazität eines Kabels angeschlossen ist, welches die Aufnahmespule mit dem Empfänger-Vorverstärker verbindet.

Es ist also Ziel der Erfindung, eine Abstimmschaltung mit verlustarmen, langen Signalpfaden für ein KMR-Empfängersystem zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung einer Abstimmschaltung, die lange Kabel-Signalpfade zuläßt.

Es ist auch Ziel der Erfindung, eine verbesserte Abstimmschaltung zu schaffen, die aus einem Paar von Kondensatoren besteht, welche zusammenwirken, um den Q-Faktor der Aufnahmespule hochzuhalten, ohne daß Streukapazitäten des Kabels auftreten, und um weiterhin eine Resonanz aufrechtzuhalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Schemaschaltbild eines bekannten KMR-Sende- und Empfangs-System;

Fig. 2 ein Schemaschaltbild eines Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 eine Diagramm der äquivalenten Schaltung des Ausführungsbeispiels zur Erläuterung des Prinizips der Erfindung; und

Fig. 4 und 5 Äquivalenzschaltbilder betreffend die Resonanzfrequenzkomponente.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels, wobei die Zusammenwirkung der wesentlichen Bauteile dargestellt ist. Im Gegensatz zu dem zuvor dargestellten Stand der Technik nach Fig. 1 sind der unveränderliche Kondensator 18 und der veränderliche Kondensator 20 mit der Spule 2 in umgekehrter Weise in Reihe geschaltet. Die übrigen Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein Ende der Spule 2 an den unveränderlichen Kondensator 18 angeschlossen, während ihr anderes Ende über einen Summenwiderstand 4, der den ohmschen Widerstand der Spule 2 und den Widerstand eines Patienten darstellt, an einen veränderlichen Kondensator 20 angeschlossen ist. Der Verbindungspunkt von unveränderlichem Kondensator 18 und veränderlichem Kondensator 20 ist an die Abschirmung 10 angeschlossen, die an den invertierenden Eingang des Vorverstärkers 12 angeschlossen ist. Die Spule 2 ist mit ihrem ersten Ende durch die Abschirmung 10 hindurch an den nicht-invertierenden Eingang des Vorverstärkers 12 angeschlossen. Eine positive Spannungsquelle mit einem festen Widerstand 14 liegt am Signalpfad von der Aufnahmespule 2 zum nicht-invertierenden Eingang des Vorverstärkers 12 und dient dazu, die an den unveränderlichen Kondensator 18 gelegte Vorspannung einzustellen. Der Empfänger schließt den Vorverstärker 12 sowie bestimmte Filter und Demodulatoren ein und ist über einen Analog/Digital-Umsetzer an einen nicht dargestellten Computer angeschlossen, der diskrete Fourier- Transformationen mit den digitalisierten Ausgaben des Vorverstärkers 12 durchführt, um Phasenkorrekturen vorzunehmen und um KMR-Bilder zu erzeugen. Eine gleichmäßige und vorhersagbare Gesamtkapazität Ct, die mit der Kapazität des unveränderlichen Kondensators 18 und der Streukapazität des Kabels 10 kombiniert wird, wird vorher ermittelt, um die bestmögliche Anpassung und die bestmögliche Abstimmung zu erreichen, vorausgesetzt, daß die Betriebs- bzw. Resonanzfrequenz durch Einstellung des veränderlichen Kondensators 20 ausgewählt wurde.

Die Äquivalenzschaltbilder von Fig. 3 und 4 dienen zur Erleichterung des Verständnisses der Wirkung der Abstimmschaltung.

In Fig. 3 hängt die Induktivität L der Spule 2 von der Anzahl der Wicklungen und dem Durchmesser ab. Der effektive Widerstand Re folgt aus drei Quellen: Dem Skin-Effekt-Widerstand der Spule 2, der Leckage aufgrund nicht idealer Dielektrika der Abstimmkondensatoren 18 und 20 und dem Widerstand, der den Verlusten entspricht, die durch vom Patienten induzierte Wirbelströme erzeugt werden, wobei der Patient nicht gezeigt ist. C 1 ist die Kapazität des veränderlichen Kondensators 20 und R 2 ist Widerstandkomponente der Eingangsimpedanz Zin des Vorverstärkers bei der Betriebsfrequenz.

Der Q-Faktor der Spule läßt sich allgemein als

definieren, wobei angenommen wird, daß R 2 = 00 ist.

Bei Resonanzbedingungen in der Abstimmschaltung einschließlich der Induktivität L, dem effektiven Widerstand Re, dem variablen Kondensator C 1 und dem unveränderlichen Kondensator Ct, der dem Koaxialkabel 10 zugeordnet ist und als Streukapazität wirkt, gilt bei der abgestimmten Betriebsfrequenz:

In den Fig. 4 und 5 wirken L, C 1 und Re als Reihenwiderstand Z _RS (Fig. 5), während die Reaktanz Z _XS der Aufnahmespule 2 ist, so daß gilt:

In ähnlicher Weise sind der Parallelwiderstand Z _RP und die Reaktanz Z _XP bei der Parallelschaltung, die von der vorherberechenbaren Gesamtkapazität Ct gebildet ist und die parallel zu dem Widerstand R 2 des Vorverstärkers 12 geschaltet ist:

Wenn andererseits der Widerstand R 2 endlich ist, dann gilt für den Qualitätsfaktor Q′ der Aufnahmespule 2:

Dies läßt sich für die Spule 2 folgendermaßen umschreiben,

Da die Induktivität L konstant ist und da man ferner weiß, daß 1/Cc = 1/C 1 + 1/Ct ist, kann Q′ durch eine der drei folgenden Maßnahmen groß gemacht werden:
a) durch Verringerung des Wertes für den Widerstand Re,
b) durch Erzielung eines höheren Werts für die Eingangsimpedanz des Vorverstärkes, also dadurch, daß man den Widerstand R 2 groß macht, und
c) durch Ermittlung der großen Gesamtkapazität Ct, die der Streukapazität des Koaxialkabels 10 entspricht.

Die Maßnahmen a) und b) sind jedoch für eine Herabsetzung der Begrenzung der Kabellänge, die die Sonde mit dem Empfänger-Vorverstärker ohne Störung der Impedanzangleichung und der Resonanzanpassung verbindet, unzureichend.

Bei der Maßnahme a) besteht eine Begrenzung hinsichtlich der Verringerung des Widerstandes Re, da dieser einen extremen Effekt auf den Widerstand hat, der den Verlusten durch Wirbelströme zuzurechnen ist, die von einem Patienten induziert werden, und nicht hinsichtlich der Spule.

Die Maßnahme b) unterliegt deswegen Beschränkungen hinsichtlich einer Veränderung ihres Wertes, da die Eingangsimpedanz des Vorverstärkers von der Schaltungsanordnung abhängt, die aus bestimmten Komponenten und/oder Elementen aufgebaut ist.

Fig. 2 zeigt ein Verfahren, wie gemäß Erfindung der veränderliche Kondensator und der feste Kondensator anzuordnen sind, deren Kapazität in vorgegebener Weise bestimmt werden. Bei diesem Verfahren wird gemäß der dritten, zuvor erwähnten Maßnahme c) ein hoher Q-Faktor für die Spule 2 dadurch erhalten, daß man den Wert der Kapazität Ct unter der Bedingunge erhöht, daß der Wert der Kapazität C 1 den Anforderungen 1/C 1 + 1/Ct = konstant genügt.

Bei der Abstimmschaltung, die dieses Verfahren anwendet, kann man den Wert der Gesamtkapazität Ct verändern, ohne daß das Koaxialkabel verlängert werden muß, da der Wert des unveränderlichen Kondensators 18 so gewählt wird, daß er die Eigenimpedanz des Koaxialkabels an die Eingangsimpedanz des Vorverstärkers anpaßt. Aufgrund der Impedanzanpassung der Schaltungsbelastung mit einem geeigneten Kapazitätswert liefert der erzielte hohe Q-Faktor der Spule 2 ein günstiges Verhältnis von Abgabeenergie zu Eingangsenergie, welche das effektive Signal/Rausch-Verhältnis des KMR-Signals verbessert.

Eine Resonanzbedingung verändert sich in Abhängigkeit von den Veränderungen der Kabellänge des Kabels 10 und die wünschenswerte Resonanzbedingung wird dadurch erhalten, daß man Kapazität des veränderlichen Kondensators 20 einstellt.

Die Größe des gemessenen KMR-Signals an der Aufnahmespule 2 wird zum Vorverstärker 12 im Verhältnis von C 1/(C 1 + Ct) übertragen und der zum Vorverstärker 12 übertragene Wert wird vom Wert der Kapazität Ct beeinflußt. Wenn die Kapazität zu groß ist, dann wird der Eingangswert für den Vorverstärker 12 niedrig, dieses Problem wird jedoch durch einen Vorverstärker mit geringem Rauschen gelöst.

Claims

1. Abstimmschaltung für ein Kernmagnetresonanz-Sende- und Empfangssystem zum Feststellen und Koppeln eines Kernmagnetresonanzsignals auf einen Vorverstärker, gekennzeichnet durch:
- eine Aufnahmespule (L; 2);
- einen ersten Kondensator (Ct, 18) der parallel zu der Aufnahmespule (L; 2) liegt, und dessen Kapazität einer Kabel-Abschirmung (10) entspricht, durch die das an der Aufnahmespule (L; 2) aufgenommene Kernmagnetresonanzsignal dem Vorverstärker (12) zugeleitet wird;
- einen zweiten Kondensator (C 1; 20), der an die Aufnahmespule (L; 2) angeschlossen ist, um einen Resonanzkreis zu bilden, der mit der Aufnahmespule (L; 2) und dem ersten Kondensator (Ct; 18) verbunden ist, um eine Resonanzfrequenz abzustimmen, die von dem Wert des ersten Kondensators (Ct; 18) abhängt; und
- wobei die Kondensatoren der folgenden Bedingung genügen: 1/C 1 + 1/Ct = konstant.

2. Abstimmschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kondensator (Ct; 18) ein unveränderlicher Kondensator und der zweite Kondensator (C 1; 20) ein veränderlicher Kondensator ist.

3. Abstimmschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren (18; 20) mit der Abschirmung (b) der Verbindungsleitung und mit dem invertierenden Eingang des Vorverstärkers (12) verbunden ist.

4. Abstimmschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unveränderliche Kondensator (18) parallel zu der Aufnahmespule (2) und zu der Verbindungsleitung geschaltet ist und so arbeitet, daß er die Eingangsimpedanz der Spule an die Impedanz der Verbindungsleitung anpaßt.

5. Abstimmschaltung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine posititve Spannungsquelle (+V), die an den Signalkanal von der Aufnahmespule (2) zu dem Vorverstärker (12) angeschlossen ist, um die an den unveränderlichen Kondensator (18) angelegte Vorspannung zu steuern.