DE69925561T2 - RF-Interface-Schaltkreis für die Magnetresonanzbildgebung - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Feld der Hochfrequenz-Interface-Schaltkreise. Sie findet insbesondere Anwendung als Schnittstelle zwischen der Übertragung und dem Empfang von Magnetresonanzsignalen und wird unter besonderer Bezugnahme hierauf beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass die Erfindung auch in anderen Feldern Anwendung finden kann, in denen hochenergetische Mehrfrequenzfunksignale wechselweise gesendet und über eine gewöhnliche Antenne empfangen werden.
- Bislang sind Geräte zur Magnetresonanzbildgebung allgemein dazu verwendet worden, Bilder basierend auf Wasserstoffkernen in einer Person zu erzeugen. Üblicherweise erzeugt ein HF-Generator ein Hochleistungs-HF-Signal mit der Resonanzfrequenz von Wasserstoff, das über einen Interface-Schaltkreis zu einer HF-Spule geleitet wird. Die erzeugten HF-Signale induzieren in dem Wasserstoff in einem abgebildeten Volumen magnetische Resonanz. Während die Anregungssignale weitergeleitet werden, erzeugt der Interface-Schaltkreis unter Verwendung von 1/4-Lambda-Kabeln, anderen induktiven und kapazitiven Elementen und PIN-Dioden schmale, aber wirksame Bandpassfilter mit der Resonanzfrequenz. Nach der Anregung wird die Vorspannung an den PIN-Dioden so geändert, dass der schmale Bandpassfilter zu einer niederohmigen Verbindung zwischen der HF-Spule und dem Empfänger wird.
- In der Abhandlung von L. Tropp et al. mit dem Titel „A Dual-Tuned Probe and Multiband Receiver Front End für X-Nucleus Spectroscopy with Proton Scout Imaging in Vivo", Magn. Res. Med. 11 (1989), Nr. 3, S. 405-412, in der ein Interface-Schaltkreis gemäß dem Vorwort von Anspruch 1 dargelegt wird, wird beispielsweise ein integriertes Multiband-Empfänger-Frontend mit Sonden, Diplexern und einer Empfängerschutzschaltung beschrieben, mit dem das Umschalten zwischen Protonen- und X-Kern-NMR ermöglicht werden soll. Signale von einer Dual-Tuned-Sonde werden in einem verlustarmen passiven Diplexer kombiniert und einer Schutzschaltung zugeführt, die ein 3/4-Lamda-Koxialkabel bei 1H verwendet, um eine gleichzeitige Sender/Empfänger-Isolierung bei Hochbandfrequenzen (19F bis 1H) und Tiefbandfrequenzen (13C bis 31P) zu schaffen.
- Ferner wird in der Abhandlung W.-F. Wong et al. mit dem Titel „A Passive Dual-Frequency Transmit-Receive Probe Interface", J. Magn. Res. A 104 (1993), Nr. 3, S. 331-333, ein Bandpassfilter erwähnt, den man durch Umformung eines Tiefpass-π-Filters erhält, indem der Induktor durch eine in Reihe geschaltete LC-Schaltung und die Kondensatoren durch eine parallel geschaltete LC-Schaltung ersetzt werden. Auf diese Weise wird ein Netzwerkaufbau in Form eines Bandpass- oder Bandsperrfilters für einen Doppelfrequenzbetrieb geschaffen. Dieser Filter arbeitet nur bei zwei verschiedenen Frequenzen, zum Beispiel bei Protonen-Frequenzen (100 MHz) und Phosphor-Frequenzen (40,5 MHz).
- Die vorliegende Erfindung basiert auf einem alternativen, für die Multikern-Spektroskopie nützlichen Interface-Schaltkreis, indem sie berücksichtigt, dass es zahlreiche paramagnetische Kerne von potentiell diagnostischem Interesse gibt, wie beispielsweise Helium 3, Fluor, Phosphor, Kohlenstoff und Xenon. Bei einer gegebenen Magnetfeldstärke hat jeder dieser Kerne eine deutlich andere Resonanzfrequenz.
- Gemäß vorliegender Erfindung leitet ein Hochleistungs-Mehrfrequenz-Sende- und -Empfangs-Interface-Schaltkreis Sendesignale mit entweder mindestens einer ersten ausgewählten Frequenz oder einer zweiten ausgewählten Frequenz vom Eingang einer HF-Quelle zum Knotenpunkt einer HF-Spule, während der Verbindungspunkt eines HF-Empfängers isoliert wird. Der Interface-Schaltkreis beinhaltet einen ersten Isolationsschaltkreis, der mit der HF-Spule verbunden ist, um in einem Sendebetrieb selektiv eine hohe Impedanz gegenüber der ersten Frequenz zu bieten, und in einem Empfangsbetrieb eine niedrige Impedanz gegenüber der ersten und der zweiten Frequenz zu bieten. Ferner beinhaltet der Interface-Schaltkreis einen zweiten Isolationsschaltkreis, der zwischen den ersten Isolationsschaltkreis und den Verbindungspunkt des mit dem ersten Isolationsschaltkreis in Reihe liegenden HF-Empfängers geschaltet ist, um im Sendebetrieb selektiv eine hohe Impedanz gegenüber der zweiten Frequenz zu erzeugen, und in einem Empfangsbetrieb eine niedrige Impedanz gegenüber der ersten und der zweiten Frequenz zu bieten.
- Gemäß vorliegender Erfindung wird in Anspruch 8 ein Verfahren zur Magnetresonanzbildgebung definiert, bei dem Hochfrequenzresonanzanregungssignale mit mindestens einer ersten und einer zweiten Frequenz erzeugt werden.
- Die Erfindung schafft einen Mehrfrequenz-Sende-Empfangs-Schalter.
- Im Folgenden werden Möglichkeiten zur Ausführung der Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Gerätes zur Magnetresonanzbildgebung gemäß vorliegender Erfindung; -
2 einen Schaltplan eines Interface-Schalkreises gemäß vorliegender Erfindung; -
3 einen Schaltplan eines Ersatzschaltkreises, wenn die PIN-Dioden in Durchlassrichtung vorgespannt sind; und -
4 einen Ersatschaltplan des Interface-Schaltkreises, wenn die PIN-Dioden in Sperrrichtung vorgespannt sind. - Bezug nehmend auf
1 enthält ein Gerät zur Magnetresonanzbildgebung einen Hauptmagnetfeldgenerator A zur Erzeugung eines zeitlich konstanten Hauptmagnetfeldes in Längsrichtung durch eine Untersuchungsregion. Eine Gradientenmagnetfeldsteuerschaltung und Spulen B erzeugen selektiv Magnetfeldgradienten quer über das Hauptmagnetfeld der Untersuchungsregion. Ein Magnetresonanzanregungsgenerator, insbesondere ein HF-Sender C, sendet während eines Sendeabschnitts jedes Sende/Empfangszyklus selektiv hochfrequente Anregungs- und Manipulationsimpulse. Basierend auf einem gewünschten abzubildenden paramagnetischen Kern, der an einer Bedienerschnittstelle und Steuerung D eingegeben wurde, wählt der HF-Sender C eine geeignete Sendefrequenz aus. Die erzeugten HF-Impulse werden durch einen Sende-Empfangs-Umschalt-Schaltkreis (Interface-Schaltkreis) E an eine HF-Spule oder Antenne F weitergeleitet. Es ist zu beachten, dass die Antenne F eine Birdcage-Spule sein könnte, von der einige Elemente lediglich aus Darstellungsgründen weggelassen wurden. - Während eines Empfangsabschnitts jedes Sende/Empfangszyklus empfängt die HF-Spule F Magnetresonanzsignale von in Resonanz schwingenden Kernen in einem abgebildeten Volumen einer Person oder einer Probe innerhalb der Untersuchungsregion. Der Interface-Schaltkreis E, der während Sendeabschnitten des Zyklus den Durchlass der HF-Signale zum Empfänger bei den Resonanzfrequenzen aller abgebildeten Kerne blockiert, leitet während Empfangsabschnitten des Zyklus die von der Antenne F empfangenen HF-Signale an den Empfänger G weiter. Ein Bildgeber H, zum Beispiel ein zweidimensionaler Fourier-Transformations-Bildgebungsprozessor, rekonstruiert anhand der empfangenen Hochfrequenzresonanzsignale von den abgebildeten Kernen bei zwei oder mehr Resonanzfrequenzen eine oder mehrere elektronische Bilddarstellungen . Üblicherweise repräsentieren die elektronischen Bilder Dichte, Position, Relaxationszeit sowie weitere Merk male der Resonanzkerne in jedem Voxel des Bildvolumens. Ein Videomonitor oder andere Anzeigemittel I wandeln die elektronischen Bilddarstellungen in visuell lesbare Bilder um. Bezug nehmend nun auf
2 tritt das Sendesignal vom HF-Signalgenerator C an dem Verbindungspunkt10 in den Interface-Schaltkreis E ein. Zu den Komponenten im Weg zwischen dem Eingangsverbindungspunkt10 und dem HF-Spulenverbindungspunkt12 gehört ein Sender-zu-Spulen-Weg. Eine PIN-Diode14 und eine PIN-Diode16 sind während der Sendezyklusabschnitte eingeschaltet, oder in Durchlassrichtung vorgespannt, und während der Empfangszyklusabschnitte ausgeschaltet, oder in Sperrrichtung vorgespannt. Wenn die Dioden14 ,16 während des Sendezyklus eingeschaltet sind, bilden sie zusammen mit einem Induktor18 , einem Kondensator20 und einem Induktor22 einen VHF-Tiefpassfilter J und leiten alle Frequenzen bis zur Grenzfrequenz mit geringer oder keiner Abschwächung weiter. Andererseits sind die Dioden14 ,16 , wenn sie während der Empfangszyklusabschnitte ausgeschaltet sind, äquivalent mit einem kleinen Kapazitätswert. In diesem Fall wird eine Spannung zwischen der Diode14 und dem Kondensator20 sowie zwischen der Diode16 und der niedrigohmigen Last an dem Verbindungspunkt12 aufgeteilt, was eine hohe Abschwächung für jedes leistungsarme Breitbandrauschen bietet, das vom HF-Sender C kommen könnte. - Die Komponenten im Weg zwischen dem Verbindungspunkt
12 und einem Verbindungspunkt24 definieren eine Spule zum Empfängerweg. Wie oben sind PIN-Dioden30 ,32 ,34 während des Sendezyklusabschnitts eingeschaltet, oder in Durchlassrichtung vorgespannt, und während des Empfangszyklusabschnitts ausgeschaltet, oder in Sperrrichtung vorgespannt. Wenn im Sendezyklusabschnitt eingeschaltet, bilden die Diode30 , ein Induktor36 und ein Kondensator38 einen hochohmigen parallelen Resonanzschaltkreis K bei einer ersten ausgewählten Frequenz, die einer der Frequenzen des HF-Senders C entspricht. Diese hohe Impedanz verhindert, dass bei der ersten Sendefrequenz Sendeleistung zum Empfänger G fließt. In ähnlicher Weise bildet die Diode32 , wenn sie eingeschaltet oder in Durchlassrichtung vorgespannt ist, zusammen mit einem Kondensator40 und einem Induktor42 einen zweiten parallelen Resonanzschaltkreis L bei einer zweiten ausgewählten Sendefrequenz des HF-Signalgenerators C. Der von der Diode30 , dem Induktor36 und dem Kondensator38 gebildete erste Schaltkreis K ist mit dem von der Diode32 , dem Kondensator40 und dem Induktor42 gebildeten zweiten Schaltkreis L elektrisch in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung stellt bei beiden Sendefrequenzen eine hohen Impedanz gegenüber dem Spulenknotenpunkt oder Verbindungspunkt12 dar. Damit wird verhindert, dass Sendeleistung zum Empfängeranschluss oder zum Verbindungspunkt12 geliefert wird. Die Diode34 bietet einen zusätzlichen Empfängerschutz, indem sie jede kleine Sendeleistung, die die beiden abgestimmten Schaltkreise durchlaufen haben könnte, an Masse ableitet. In3 ist ein Ersatzschaltkreis dargestellt, der den in Durchlassrichtung vorgespannten Dioden entspricht, wobei gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen sind. - Wenn sich die Dioden während eines Empfangszyklus im ausgeschalteten Zustand befinden, entfernt die Diode
30 den Induktor36 gewissermaßen aus dem ersten Filterschaltkreis K, und die Diode32 entfernt den Kondensator40 gewissermaßen aus dem zweiten Filterschaltkreis L. Bei dem unter Bezugnahme auf4 dargestellen Ersatzschaltkreis bleiben der Kondensator38 und der Induktor42 in Reihe geschaltet, um mit einer Frequenz in Resonanz zu schwingen, die zwischen den beiden parallelen Resonanzfrequenzen des Sendezyklusabschnitts liegt. Signale mit oder nahe an dieser Zwischenfrequenz können mit geringer Abschwächung passieren (d.h. von der Spule F zum Empfänger G). Der Gütefaktor Q dieses Schaltkreises E kann im Betrieb ziemlich gering sein, wobei ein Breitbandbetrieb möglich ist. In den Schaltkreisen jenseits des Verbindungspunkts24 können durch Niederpegel-PIN-Schaltdioden von herkömmlicher Bauart frequenzselektive Vorverstärker (nicht abgebildet) gewählt werden. - Bezug nehmend auf die
2 und4 können die in Reihe abgestimmten ersten und zweiten Filterschaltkreise L, K in schmalbandigen Anwendungen verwendet werden, indem sie an dem Verstärkerverbindungspunkt24 direkt mit einem Vorverstärker verbunden werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden der erste und de zweite Filterschaltkreis L, K als Eingangsstufe zu einem dritten, durch einen Kondensator50 , einen Induktor52 , einen Induktor54 und einen Kondensator56 definierten Bandpassfilter M eingesetzt. Dies ermöglicht eine viel breitere Frequenzspreizung, ohne dass der Kondensator38 und der Induktor42 einen sehr geringen Blindwiderstandswert definieren müssen. - Dieser Interface-Schaltkreis E kann so modifiziert werden, dass er über drei oder mehr separate Sendefrequenzen arbeitet, indem diese drei oder mehr parallel abgestimmten Filterschaltkreise in Reihe eingesetzt werden. Es ist zu beachten, dass sich der Interface-Schaltkreis E während des Empfangszyklus zu einem einzelnen abgestimmten Schaltkreis als Eingang zum Empfänger G reduziert. Zur effizienten Nutzung eines Vorelektrisierungsgleichstroms sind alle PIN-Dioden entlang eines Gleichstromweges in Reihe geschaltet. Für einen korrekten Betrieb des Schaltkreises ist dies jedoch nicht erforderlich, und alternative Dioden-Gleichstromansteuerungsschaltkreise möglich sind.
- Der oben beschriebene und dargestellte Hochleistungs-Mehrfrequenz-Sende-Empfangs-Schalter weist eine Reihe von Vorteilen auf. Ein Vorteil besteht in dem Mehrfrequenzbetrieb des Schalters. Ein anderer Vorteil ist der Einsatz diskreter Bauelementen an Stelle von Übertragungsleitungen abgestimmter Länge. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Senderleistung während des Sendezyklus vom Empfänger isoliert ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass er die Multikern-Spektroskopie vereinfacht. Text in der Zeichnung Figur 1
Magnetic field control Magnetfeldsteuerung Grad. field control Gradientenfeldsteuerung Transmit Senden Receiver Empfänger Imager Bildgeber Operator interface controls Bedienerschnittstellen-Steuerung Display Anzeige
Claims (10)
- Hochleistungs-Sende- und -Empfangs-Interface-Schaltkreis (E), der Sendesignale mit entweder mindestens einer ersten ausgewählten Frequenz oder einer zweiten ausgewählten Frequenz von einem Eingang einer HF-Quelle (
10 ) zu einem Knotenpunkt einer HF-Spule (12 ) leitet, während in einem Sendebetrieb der Verbindungspunkt eines HF-Empfängers sowohl vom Knotenpunkt der HF-Spule (12 ) als auch vom Eingang einer HF-Quelle (10 ) isoliert wird; und der in einem Empfangsbetrieb Signale im Bereich von mindestens der ersten und zweiten Frequenz vom Knotenpunkt der HF-Spule (12 ) zum Ausgang des Empfängers (24 ) leitet, dadurch gekennzeichnet, dass der Interface-Schaltkreis Folgendes umfasst: einen ersten Isolationsschaltkreis (K), der mit dem Knotenpunkt der HF-Spule (12 ) verbunden ist, um im Sendebetrieb selektiv eine hohe Impedanz gegenüber der ersten Frequenz zu bieten, und einen zweiten Isolationsschaltkreis (L), der zwischen den ersten Isolationsschaltkreis (K) und den Verbindungspunkt des mit dem ersten Isolationsschaltkreis in Reihe liegenden HF-Empfängers (24 ) geschaltet ist, um im Sendebetrieb selektiv eine hohe Impedanz gegenüber der zweiten Frequenz zu bieten, wobei der erste und der zweite Isolationsschaltkreis (K, L) im Empfangsbetrieb eine niedrige Impedanz gegenüber der ersten und zweiten Frequenz bietet. - Sende- und -Empfangs-Interface-Schaltkreis (E) nach Anspruch 1, der weiterhin Folgendes umfasst: einen zwischen dem zweiten Isolationsschaltkreis (L) und den Verbindungspunkt des HF-Empfängers (
24 ) geschalteten Bandpassfilter (M). - Sende- und -Empfangs-Interface-Schaltkreis (E) nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin Folgendes umfasst: eine erdende PIN-Diode (
34 ), die an einem Ende zwischen den zweiten Isolationsschaltkreis (L) und den Verbindungspunkt des HF-Empfängers (24 ) geschaltet ist und am anderen Ende mit Masse verbunden ist, um in Reaktion auf eine Durchlassvorspannung einen wirksamen Kurzschluss gegen Masse herzustellen, wobei die Durchlassvorspannung im Sendebetrieb angelegt wird. - Sende- und -Empfangs-Interface-Schaltkreis (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, de weiterhin Folgendes umfasst: einen Quelleneingangs-Isolationsschaltkreis (J), der zwischen den Eingang der HF-Quelle (
10 ) und den Knotenpunkt der HF-Spule (12 ) geschaltet ist, um im Empfangsbetrieb selektiv eine hohe Impedanz gegenüber Rauschsignalen zu bieten. - Sende- und -Empfangs-Interface-Schaltkreis (E) nach Anspruch 4, wobei der Quelleneingangs-Isolationsschaltkreis (J) Folgendes umfasst: in Reihe über einen Kondensator (
20 ) an Masse geschaltete PIN-Dioden (14 ,16 ), die selektiv einen im Wesentlichen nicht leitenden Zustand und einen im Wesentlichen leitenden Zustand haben; sowie einen mit den PIN-Dioden (14 ,16 ) in Reihe geschalteten Induktor (22 ); wobei im leitenden Zustand der PIN-Dioden die PIN-Dioden (14 ,16 ), der Induktor (22 ) und der Kondensator (20 ) einen Tiefpassfilter bilden, und im nicht leitenden Zustand der PIN-Dioden die PIN-Dioden (14 ,16 ), der Induktor (22 ) und der Kondensator (20 ) einen Spannungsteiler zwischen (a) einer der Dioden (14 ) und dem Kondensator (20 ) und (b) der anderen Diode (16 ) und dem Knotenpunkt der HF-Spule (12 ) bilden; wobei die Spannungsteilung eine hohe Abschwächung für ein Breitbandrauschsignal von der HF-Quelle (C) darstellt. - Sende- und -Empfangs-Interface-Schaltkreis (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Isolationsschaltkreis (K) Folgendes enthält: eine erste PIN-Diode (
30 ), die selektiv einen im Wesentlichen nicht leitenden Zustand und einen im Wesentlichen leitenden Zustand hat, ein kapazitives Element (38 ) und ein induktives Element (36 ); wobei der erste Isolationsschaltkreis (K) äquivalent mit einem Kondensator (38 ) ist, wenn die PIN-Diode (30 ) für den im Wesentlichen nicht leitenden Zustand vorgespannt ist, und elektrisch äquivalent mit einem kapazitiv-induktiven (38 ,36 ) Schwingkreis ist, der eine hohe Impedanz gegenüber der ersten Frequenz darstellt, wenn sich die PIN-Diode (30 ) in einem im Wesentlichen leitenden Zustand befindet. - Sende- und -Empfangs-Interface-Schaltkreis (E) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Isolationsschaltkreis (L) Folgendes enthält: eine zweite PIN-Diode (
32 ), die selektiv einen im Wesentlichen nicht leitenden Zustand und einen im Wesentlichen leitenden Zustand hat, ein kapazitives Element (40 ) und ein induktives Element (42 ); wobei der zweite Isolationsschaltkreis (L) äquivalent mit einem Induktor (42 ) ist, wenn sich die PIN-Diode (32 ) in einem im Wesentlichen nicht leitenden Zustand befindet, und elektrisch äquivalent mit einem kapazitiv-induktiven (40 ,42 ) Schwingkreis ist, der eine hohe Impedanz gegenüber der zweiten Frequenz darstellt, wenn sich die PIN-Diode (32 ) in einem im Wesentlichen leitenden Zustand befindet. - Verfahren zur Magnetresonanzbildgebung, bei dem ein zeitlich konstantes Magnetfeld durch eine Untersuchungsregion erzeugt wird, HF-Resonanzanregungssignale mit mindestens ersten und zweiten Frequenzen erzeugt werden, die Signale mit der ersten Frequenz in eine Untersuchungsregion gesendet werden, um in einer ersten Spezies von Kernen Magnetresonanz zu induzieren, die nach Beendigung der Signale mit der ersten Frequenz erste Magnetresonanzsignale im Bereich der ersten Frequenz erzeugen, und die Signale mit der zweiten Frequenz in die Untersuchungsregion gesendet werden, um in einer zweiten Spezies von Kernen Resonanz zu induzieren und zweite Magnetresonanzsignale im Bereich der zweiten Frequenz zu erzeugen, die Signale der ersten und der zweiten Frequenz zu einem Knotenpunkt (
12 ) einer HF-Spule geleitet werden, und die induzierten ersten und zweiten Magnetresonanzsignale von der genannten HF-Spule (F) empfangen und zu mindestens einer elektronischen Bilddarstellung verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass (a) im Sendebetrieb durch einen ersten, mit dem Knotenpunkt der HF-Spule (12 ) verbundenen Isolationsschaltkreis (K) selektiv eine hohe Impedanz gegenüber der ersten Frequenz und durch einen zweiten, zwischen dem ersten Isolationsschaltkreis (K) und einem mit dem ersten Isolationsschaltkreis (K) in Reihe geschalteten Empfänger (G) selektiv eine hohe Impedanz gegenüber der zweiten Frequenz dargestellt wird, und (b) im Empfangsbetrieb durch den ersten und zweiten Isolationsschaltkreis (K, L) eine niedrige Impedanz gegenüber der ersten und der zweiten Frequenz dargestellt wird. - Verfahren zur Magnetresonanzbildgebung nach Anspruch 8, das weiterhin Folgendes umfasst: während des Empfangs der Magnetresonanz durch die HF-Spule wird (a) jedes Breitbandrauschsignal vom Signalgenerator (C) elektrisch vom Empfänger (G) isoliert und (b) das empfangene Magnetresonanzsignal im Wesentlichen ungedämpft von der HF-Spule (F) zum Empfänger (G) weitergeleitet.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, das weiterhin Folgendes umfasst: Verkettung einer Vorspannung bei PIN-Dioden (
14 ,16 ,30 ,32 ,34 ), um (1) zwischen der Weiterleitung von Resonanzsignalen im Bereich der ersten und der zweiten Frequenz zum Empfänger (G) während des Empfangs von Magnetresonanzsignalen und (2) der Isolierung des Empfängers (G) vom Empfangen der Signale mit der ersten und der zweiten Frequenz während der Resonanzanregung zu wechseln.
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