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Die
Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät mit
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Baugruppe aus einem ersten Magnetsystem zum Erzeugen eines statischen
Hauptmagnetfeldes, einem zweiten Magnetsystem zum Erzeugen magnetischer
Gradientenfelder und einem HF-Spulensystem zum Erzeugen eines HF-Feldes
- – einem
Faraday-Käfig,
der zur HF-Abschirmung die Baugruppe umschließt und der eine Wandung aufweist,
- – Übertragungsmitteln
zum Übertragen
von Datensignalen von der Baugruppe zu einer elektrischen Anlage
zum Empfangen und Verarbeiten von Empfangssignalen,
- – wobei
ein erster Teil der Übertragungsmittel
innerhalb des Faraday-Käfigs
und ein zweiter Teil der Übertragungsmittel
außerhalb
des Faraday-Käfigs
untergebracht ist,
- – wobei
der erste und der zweite Teil über
Verbindungsleitungen, die mittels eines Durchführfilter enthaltenden Durchführsystems
durch die Wandung für
den Faraday-Käfig
geführt
werden, miteinander verbunden sind
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Ein
derartiges Gerät
ist aus DE-A-195-27 150 bekannt. Die Verwendung separater Durchführfilter
für HF-Kabel
und Kabel für
Gradientenspulen ist auch in US-A-5 573 000 offenbart. EP-A-0 132
785 offenbart eine Durchführeinrichtung
zum Übertragen von
EKG-Signalen durch einen Faraday-Käfig hindurch, wobei mehrere
Filter in einem gemeinsamen Metallgehäuse enthalten sind.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Durchführeinrichtung zum Durchführen von
Verbindungsleitungen durch eine Wandung eines Faraday-Käfigs.
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Eine
Durchführeinrichtung
zum Durchführen von
Verbindungsleitungen durch eine Wandung eines Faraday-Käfigs mit
Hilfe von Durchführfiltern
ist aus der veröffentlichten
britischen Patentanmeldung Nr.
GB
2 184 293 bekannt.
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Allgemein
gesagt enthält
ein Magnetresonanzbildgebungsgerät
ein Spulensystem zum Erzeugen eines Dauermagnetfeldes in einem Messraum des
Gerätes,
ein Gra dientenspulensystem zum Erzeugen eines magnetischen Gradientenfeldes
in dem genanten Messraum und HF-Spulen zum Erzeugen eines HF-Wechselmagnetfeldes.
Weil einige dieser Spulensysteme (insbesondere das Gradientenspulensystem)
verhältnismäßig große Ströme (in der
Größenordnung
von mehreren hundert A) und hohe Spannungen (in der Größenordnung
von mehreren hundert V bis kV) mit sich bringen und weil darüber hinaus
in einem solchen Gerät
sehr schwache und rauschempfindliche Signale detektiert werden müssen, sind
der Messraum des Gerätes
und die zugehörige
Spulen in einem Faraday-Käfig
untergebracht, um äußere Störfelder
abzuschirmen und dem Auftreten von durch das MRI-Gerät
selbst erzeugten elektromagnetischen Feldern entgegenzuwirken. Ein Teil
der Apparatur des MRI-Gerätes
ist jedoch außerhalb
des Faraday-Käfigs
untergebracht. Dies gilt beispielsweise für die Verstärker zum Steuern des Gradientenspulensystems,
für den
Datenverarbeitungscomputer, der dazu dient, das gewünschte Bild
aus den erhaltenen Messdaten zu rekonstruieren, für den Steuercomputer,
der dazu dient, den Transport der zum Erzeugen der verschiedene
Messdaten erforderlichen Steuersignale zu steuern, und für verschiedene
Speiseeinheiten, die dazu dienen, die Apparatur innerhalb des Faraday-Käfigs mit
Energie zu speisen.
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Um
die notwendigen Verbindungen zwischen der Apparatur innerhalb des
Faraday-Käfigs und
derjenigen außerhalb
dieses Käfigs
herzustellen, kann eine Durchführeinrichtung
vorgesehen sein, die in der Wandung des Faraday-Käfigs angeordnet
ist und mit Durchführfiltern
versehen ist. Je nach der Art der hindurch zu führenden Verbindung können diese Durchführfilter
verschiedene Formen annehmen.
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Beispielsweise
kann eine Glasfaser, die an sich elektrisch isolierend ist, durch
eine leitfähige Röhre geführt werden,
die ein Längen/Seiten-Verhältnis von
größer als
vier hat. Die Dämpfung
(in dB gemessen) einer solchen Röhre
ist bis zu 32 mal so groß wie
das Längen/Seiten-Verhältnis. Bei
Wahl der richtigen Länge
wird dann in einer solchen Röhre
adäquate
Dämpfung
externer Störsignale
erreicht.
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Um
zu verhindern, dass elektrisch leitfähige Zuleitungen die außerhalb
des Faraday-Käfigs
generierten Störsignale
zu der innerhalb des Faraday-Käfigs
angeordneten Apparatur transportieren, sollte die Durchführeinrichtung
vielfältigen
Anforderungen in Bezug auf elektromagnetische Abschirmung genügen. Beispielsweise
sollte ein Leiter zum Transportieren von HF-Signalen als Koaxialleiter
ausgeführt sein,
der mit einer elektromagnetisch gut abgedichteten Ummantelung versehen
ist. Dies wird erreicht, indem die Ummantelung als eine mechanisch
geeignet dichte Röhre
ausgeführt
wird; dieser Koaxialleiter wird dann starr und somit schwierig hantierbar.
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Für die Verbindungsleitungen
zur Übertragung
von Datensignalen (die keine Signale mit einem Frequenzinhalt oberhalb
von 100 kHz zu transportieren brauchen) gilt die Forderung, dass
die Durchführfilter
Tiefpassfilter sein müssen
und wird bei 10 MHz eine Dämpfung
von 100 dB gefordert, entsprechend 18 dB pro Oktave. Gewöhnlich wird
hierzu ein sogenanntes Π-Filter
verwendet, d.h. ein Tiefpassfilter, das aus einem parallel zum Eingang
des Filters geschalteten ersten Kondensator, einer Selbstinduktion zwischen
einem Eingangsleiter und einem Ausgangsleiter und einem parallel
zum Ausgang des Filters geschalteten zweiten Kondensator besteht.
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Die
genannte Patentanmeldung
GB 2
184 293 offenbart eine Durchführeinrichtung, bei der eine Anzahl
Verbindungsleitungen mittels einer mit Durchführfiltern versehenen Durchführeinrichtung
durch eine Wandung des Faraday-Käfigs
geführt
wird. Die darin beschriebenen Durchführfilter sind Filterelemente,
von denen jedes ein Π-Filter
enthält,
sodass diese Filter eine geeignete Dämpfung für verhältnismäßig hohe Frequenzen bieten.
Wenn diese Filter jedoch zur Verwendung in einem MRI-Gerät ausgeführt wären, müssten sie
sehr große
Ströme
führen (in
der Größenordnung
von einigen hundert A), sodass sie sehr umfangreich und teuer würden. Der Umfang
dieser Filter würde
wegen der genannten geforderten Dämpfung von 18 dB/Oktave bei
hohen Frequenzen weiter erhöht
werden, sodass sie rotationssymmetrisch ausgeführt werden müssten, was wiederum
zu zusätzlichen
Anforderungen in Bezug auf die Konstruktion und einer weiteren Zunahme
des Umfangs der Filter führen
würde.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Magnetresonanzbildgebungsgerät der dargelegten
Art zu schaffen, in dem der Umfang der Durchführeinrichtung deutlich kleiner
ist als der Umfang der bekannten Durchführeinrichtung, sodass ihre
Herstellung preiswerter ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Magnetresonanzbildgebungsgerät dadurch
gekennzeichnet, dass es die in Anspruch 1 dargelegten Merkmale hat.
Eine entsprechende Durchführeinrichtung
ist in Anspruch 6 dargelegt. Beispiele für Ströme und Spannungen mit verhältnismäßig niedrigem
Pegel sind Ströme,
die weniger als ungefähr
100 mA betragen, und Spannungen von weniger als ungefähr 15 V.
Die letztgenannten Durchführfilter
können
somit als verhältnismäßig klein
ausgeführt
werden und sie können
wirtschaftlich zu einem Filterelement kombiniert werden, das eine
Vielzahl Filter enthält,
von denen jedes zu einer jeweiligen Verbindungsleitung gehört.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Verwendung von im Handel erhältlichen
Steckverbindern, die mit Kondensatoren versehen sind, sodass die
Montagekosten deutlich verringert sind.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Anschlussleiter der Steckverbinder in dem
Magnetresonanzbildgebungsgerät
als streifenförmige
Flachstifte ausgeführt
und sind die Eingangskondensatoren und die Ausgangskondensatoren
als Chip-Kondensatoren
ausgeführt.
Es wäre möglich, die
Durchführfilter
für die
niedrigen Ströme und
Spannungen als Filter mit an die niedrigen Ströme und Spannungen angepassten
Abmessungen auszuführen,
welches aus diskreten Bauelementen aufgebaut ist. Bei derartigen
Durchführfiltern
können jedoch
Probleme auftreten, da wegen des Skin-Effektes die HF-Energie ungenügend über die
Kondensatoren abgeführt
wird; es besteht die Gefahr, dass die gewünschte Filterdämpfung bei
ungünstigen
Bedingungen nicht gewährleistet
ist. Die erfindungsgemäßen Schritte
sorgen für
große
Kontaktflächen
zwischen den Anschlussstiften und den Kondensatoren, sodass genügende Abfuhr
von HF-Energie erreicht wird.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist das zweite separate Filterelement in dem Magnetresonanzbildgebungsgerät mit einer
Leiterplatte versehen und sind die Steckverbinder, die als Bauelement
ausgeführt
sind, auf der Leiterplatte montiert. Darüber hinaus können die
Durchführfilter des
zweiten separaten Filterelementes mit einem Selbstinduktionselement
versehen sein, das zwischen einem zugehörigen Eingangskondensator und einem
zugehörigen
Ausgangskondensator auf der Leiterplatte angeordnet ist und mit
den zugehörigen Kondensatoren über Leiterbahnen
auf der Leiterplatte verbunden ist. Somit kann die Montage des zweiten
Filterelement weiter vereinfacht werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die Steckverbinder in dem Magnetresonanzbildgebungsgerät, die als
Bauelemente ausgeführt
sind, als D-sub-Steckverbinder
gebildet. Hiermit wird ein weiterer, wirtschaftlicher Standardaufbau des
zweiten Filterelementes erhalten.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher beschrieben,
wobei gleiche Bezugszeichen die gleichen Elemente bezeichnen. Es
zeigen:
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1 schematisch
den allgemeinen Aufbau eines Magnetresonanzbildgebungsgerätes, in
dem die Erfindung verwendet werden kann;
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2 schematisch
eine Durchführeinrichtung
nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einem MRI-Gerät;
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3 schematisch
eine Durchführeinrichtung;
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4 schematisch
ein separates Filterelement in Form einer Leiterplatte mit Steckverbindern, wobei
das Element eine Vielzahl von Durchführfiltern gemäß der Erfindung
enthält.
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Das
Magnetresonanzbildgebungsgerät,
das in 1 schematisch gezeigt ist, enthält ein erstes Magnetsystem 1 zum
Erzeugen eines Dauermagnetfeldes B, ein zweites Magnetsystem 3 zum
Erzeugen magnetischer Gradientenfelder, eine Speisequelle 5 für das erste
Magnetsystem 1 und eine Speisequelle 7 für das zweite
Magnetsystem 3. Eine HF-Spule 9 dient
dazu, ein HF-Wechselmagnetfeld zu erzeugen; hierzu ist sie mit einer
HF-Sendeeinrichtung
verbunden, die eine HF-Quelle 11 enthält. Die HF-Spule 9 kann
auch zum Detektieren von Spinresonanzsignalen verwendet werden,
die von dem HF-Sendefeld in einem zu untersuchenden Objekt (nicht
abgebildet) generiert werden; hierzu ist die HF-Spule mit einer HF-Empfangseinrichtung
verbunden, die einen Signalverstärker 13 enthält. Der
Ausgang des Signalverstärkers 13 ist
mit einer Detektorschaltung 15 verbunden, die mit einer
zentralen Steuerungseinrichtung 17 verbunden ist. Die zentrale
Steuerungseinrichtung 17 steuert auch einen Modulator 19 für die HF-Quelle 11,
die Speisequelle 7 und einen Monitor 21 für die Bilddarstellung.
Ein HF-Oszillator 23 steuert den Modulator 19 sowie
den Detektor 15, der Messsignale verarbeitet. Der hingehende
und der zurückgehende HF-Signalverkehr sind
durch eine Trennschaltung 14 voneinander getrennt. Eine
Kühleinrichtung 25,
die Kühlleitungen 27 enthält, dient
dazu, die Magnetspulen des ersten Magnetsystems 1 zu kühlen. Die
in den Magnetsystemen 1 und 3 angeordnete HF-Spule 9 umschließt einen
Messraum 29, der groß genug
ist, um einen zu untersuchenden Patienten oder einen Teil eines
zu untersuchenden Patienten, beispielsweise den Kopf und den Hals,
in einem Gerät
für medizinische
diagnostische Messungen aufzunehmen. In dem Messraum 29 können so
ein Dauermagnetfeld B, Gradientenfelder zum Auswählen von Objektschichten und
ein räumlich
gleichförmiges
HF-Wechselfeld erzeugt werden. Die HF-Spule 9 kann die Funktionen
einer Sendespule und einer Messspule kombinieren. Für die zwei
Funktionen können
auch separate Spulen verwendet werden, beispielsweise Oberflächenspulen
als Messspulen. Die vom Spulensystem 1, der Spule 9 und
dem zweiten Magnetsystem (Gradientenspulen) 3 gebildete
Baugruppe wird von einem ein HF-Feld abschirmenden Faraday-Käfig 31 umschlossen.
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Von
der Speisequelle 7 verläuft
eine Speiseleitung 50-1 zur Durchführeinrichtung 30;
darüber
hinaus verläuft
eine Speiseleitung 50-2 von der Speisequelle 5 zu
der Durchführeinrichtung 30.
Die zentrale Steuerungseinrichtung 17 und die verschiedenen
zu steuernden Teile (nicht abgebildet) des MRI-Gerätes, die
innerhalb des Faraday-Käfigs 31 angeordnet sind,
sind miteinander über
Verbindungsleitungen 32 verbunden, die mit den betreffenden
zu steuernden Teilen über
die Durchführeinrichtung 30 verbunden sind.
Weiterhin ist eine HF-Verbindungsleitung 34 zwischen der
Trennschaltung 14 und der Durchführeinrichtung vorgesehen. Innerhalb
des Faraday-Käfigs
setzt sich die Speiseleitung 50-1 als Verbindungsleitung 46-1 und
die Speiseleitung 50-2 als Verbindungsleitung 46-2 fort.
Das Bündel
von Verbindungsleitungen 32 setzt sich als Bündel von
Verbindungsleitungen 56 innerhalb des Faraday-Käfigs fort.
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2 zeigt
eine Durchführeinrichtung
nach dem Stand der Technik zur Verwendung in einem MRI-Gerät, wie anhand
von 1 beschrieben. Die dargestellte Durchführeinrichtung
ist in der Wandung 40 des Faraday-Käfigs 31 montiert,
in dem das MRI-Gerät
angeordnet ist. Die Durchführeinrichtung enthält ein Gehäuse 42,
das HF-Signale abschirmt und
eine Anzahl (typischerweise ungefähr 70) zueinander
identischer Durchführfilter 44 aufnimmt.
Die Filter haben Zylinderform mit einem Durchmesser von ungefähr 4 cm
und einer Höhe
von ungefähr
20 cm. Die von der Durchführeinrichtung
zum MRI-Gerät verlaufenden
Verbindungsleitungen sind mit dem Gehäuse 42 über einen
(schematisch dargestellten) Steckverbinder 48 gekoppelt,
der beispielsweise als Koaxialsteckverbinder ausgeführt ist.
Die von der Durchführeinrichtung
zu dem außerhalb
des Faraday-Käfigs
untergebrachten Teil der Apparatur verlaufenden Verbindungsleitungen 50 sind
mit dem Gehäuse 42 über einen
(schematisch dargestellten) Steckverbinder 52 gekoppelt,
der auch als Koaxialsteckverbinder ausgeführt sein kann. Die oben erwähnten Durchführfilter
sind so dimensioniert, dass sie Ströme in der Größenordnung
von mehreren hundert A und Spannungen in der Größenordnung von mehreren hundert
kV führen,
sodass diese Durchführfilter
umfangreich und teuer sind.
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3 zeigt
eine andere Durchführeinrichtung.
Diese Durchführeinrichtung
enthält
eine Anzahl separater Filterelemente 44, von denen jedes
aus nur einem Durchführfilter
besteht, und eine Anzahl separater Filterelemente 54, von
denen jedes mehrere Durchführfilter
enthält.
Auch wenn für
jedes der Filterelemente 44 und 54 nur zwei dargestellt
sind, versteht sich, dass jede beliebige Anzahl solcher Filterelemente
Teil der erfindungsgemäßen Durchführeinrichtung
sein kann. Wie in 2 ist das Filterelement 44 in
einem abschirmenden Gehäuse 42 untergebracht.
Die Filterelemente 54 können
auch in diesem abschirmenden Gehäuse
untergebracht sein, aber es ist auch möglich, jedes dieser Elemente
mit einem jeweiligen abschirmenden Gehäuse (einem sogenannten "EMC-dichten" Gehäuse) zu
versehen. Jedes der Filterelemente 54 ist mit einem oder
mehreren Eingangssteckverbindern 62 versehen, die mit damit
zu koppelnden Steckverbindern zusammenwirken, welche mit den Verbindungsleitungen 56 verbunden
sind, die von der Durchführeinrichtung
zu dem Teil der Apparatur verlaufen, der außerhalb des Faraday-Käfigs untergebracht
ist. Darüber
hinaus ist jedes der Filterelemente 54 mit einem oder mehreren Ausgangssteckverbindern 64 versehen,
die mit den damit zu koppelnden Steckverbindern 66 zusammenwirken,
die mit den Verbindungsleitungen 58 verbunden sind, die
von der Durchführeinrichtung
zu dem Teil der Apparatur verlaufen, der in dem Faraday-Käfig untergebracht
ist.
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4 zeigt
ein separates Filterelement in Form einer mit Steckverbindern versehenen
Leiterplatte, welches Filterelement eine Vielzahl von Durchführfiltern
gemäß der Erfindung
enthält.
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Auch
wenn 4 nur den Aufbau des separaten Filterelementes
zeigt, versteht sich, dass es auch möglich ist, dieses Filterelement
mit einem eigenen EMC-dichten Gehäuse auszuführen. An den Rändern einer
Leiterplatte 68 sind zwei aufrechte Ränder 70 und 72 vorgesehen,
in denen die Eingangssteckverbinder 62 und die Ausgangssteckverbinder 64 montiert
sind. Diese Steckverbinder sind im Handel erhältliche Steckverbinder vom
D-Subtyp, beispielsweise dem Typ FCC 17, der von Amphenol Canada
Corp. vertrieben wird. Diese Steckverbinder sind so ausgeführt, dass
sie eingebaute Chip-Kondensatoren und Anschlussleiter in Form von
streifenförmigen
Flachstiften enthalten. Die Stifte 74 der Steckverbinder
sind mit den Leiterbahnen 76 verbunden, die auf der Leiterplatte 68 angebracht
sind und von denen jede ein jeweiliges Selbstinduktionselement 78 enthält, das
so ausgeführt
ist, das es zum Montieren auf einer Leiterplatte geeignet ist. Um eventuelles
Nebensprechen zwischen diesen Elementen zu begrenzen, sind sie relativ
zueinander versetzt montiert, sodass sie nicht direkt nebeneinander
auf der Leiterplatte montiert sind. Typische Werte für die verschiedenen
Bauelemente sind: 47 nF für die
Kondensatoren und 1 μH
für die
Selbstinduktionselemente. Bei Verwendung dieser Elemente kann ein Filterelement
für 36
Durchführfilter
mit den Abmessungen 10 cm × 20
cm konstruiert werden. Während einer
Simulation eines solchen Filterelementes wurde eine Dämpfung von
mehr als 100 dB bei einer Frequenz von 10 MHz gemessen, was aufzeigt,
dass das so konstruierte Filterelement den gestellten Dämpfungsanforderungen
genügt.