专利名称：用于磁共振断层造影设备的高频接收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于磁共振断层造影设备的高频接收装置，其具有至少一 个接收磁共振信号的接收天线和将接收到的磁共振信号进行放大的放大装置。
背景技术：
众所周知，为了检查人身体部分要将待检查的身体部分置于被称为基本磁 场的均匀磁场内。该磁场影响身体中原子核尤其是约束于水的氢原子核(质子) 的核自旋的对齐。借助于高频激励脉冲，这些原子核被激励为进动运动。在激 励脉冲结束后，原子核以取决于基本磁场强度的频率而进动，然后由于其自旋 而在预定的弛豫时间后重新在由基本^ 兹场给出的从优方向上趋于稳定。此时原 子核便发射了称之为磁共振信号的高频信号。通过对完整的磁共振信号进行计 算分析或测量技术的分析，可以由空间自旋密度或弛豫时间的分布产生身体层 的图像。通过应用线性场梯度，将由于进动运动而产生的可探测的磁共振信号 与其各自的形成位置进行对应。此外，将相应的梯度场叠加到基本场并且这样
控制，使得仅在待成像的层中进行核激励。基于该物理效应的图像显示在磁共
振断层造影(MRT)或NMR(核》兹共振)断层造影中是公知的。
图3中粗略地示意性示出了这样的磁共振断层造影设备的接收系统的已知 构造。存在这样的设备，其具有多个其他部件的，例如在接收天线上设置的失 谐单元，以在使用第二天线的情况下将天线互相解耦，正如在DE29804339U1 中所描述，或者是匹配电路，以补偿由患者身体造成的天线失配，例如 DE4035994A1中所提出的。但是为了更清楚起见，在图3中仅示出了对以下解 释本发明来说是重要的部件。
为了接收待检查对象的磁共振信号，目前大多使用局部的表面线圏(局部 线圏)、所谓的"环状天线(Loopantennen )"或在其上构造的阵列装置作为接 收天线31。
通过所激励的原子核产生的磁共振信号在接收天线31中感应出电压Uind，然后该电压在接收天线31内的低噪声前置放大器32 (LNA,低噪声放大器) 中作为接收到的磁共振信号被放大，并且经过水平电缆33被引导到另 一个放大 器装置34。经过这样两级放大后的磁共振信号由另一条导线35传送到接收电 路36,并由其进一步处理。
为了改善信噪比，同时尤其是为了产生高分辨率的剖面图，使用所谓的高 磁场设备，其基本磁场强度目前为3特斯拉或更高。
理论上说，通过基本磁场强度增倍，可以得到可接收的磁共振信号的功率 的四倍。例如在强度为1.5特斯拉的基本磁场情况下，在前置放大器的输入端 上典型地出现-27dBm的最大信号功率，而与此相对应的是，对于强度为3特斯 拉的基本磁场，在前置放大器的输入端，最大信号功率典型地为-21dBm。
因此通过增加最大使用的基本磁场强度，增加了在前置放大器的输入端施 加的接收的磁共振信号的信号功率的取值范围或接收的磁共振信号的幅度。
由于增加了前置放大器的输入端上施加的信号功率的取值范围，也提高了 对前置放大器的要求。因为前置放大器应该对于在整个可能的信号功率的取值 范围内，即，从热噪声到最大信号功率的磁共振信号都能够尽可能无失真地工 作。这在现代的高磁场设备中，在高的最大磁场以及与此相关的高的最大信号 功率情况下不能得到使人满意的保证。
为了緩解该问题，尤其为了增加接收系统的动态范围，已知通过控制信号 可开断地运行图3所示的另一个放大装置34,使得具有较小信号功率、尤其是 较小最大功率的磁共振信号相比起具有相对较大的信号功率、尤其是较大的最 大功率的磁共振信号，被放大得更多(高增益)。
该传输到前置放大器的解决方案迄今为止被认为不是很理想。如图4所示， 在前置放大器42的输入级，接收天线41的源阻抗Z,。。p通过转换装置47被转 换为与前置放大器42的输入晶体管49匹配的源阻抗。Zin是放大器输入阻抗。
转换装置47包括电容C和电感L。前置放大器42的放大单元48除了包 括输入晶体管49,还可以包括其他元件，尤其是晶体管。
接收天线41的源阻抗Zlc)。p通过转换装置47特别地被转换成对低噪声输入 晶体管49来说最佳的源阻抗Z丰。在这个边界条件下，在给定的源功率的情况 下在输入晶体管49的栅极-源极距离间的电压偏差(Spannungshub ) Ugs和由此 来自接收天线的最大允许源功率都固定了 。
目前为了提高前置放大器的动态范围，可以提高低噪声输入晶体管、通常是GaAs场效应晶体管中的偏置电流。但是这种措施碰到限制，即，通过功率 消耗的显著增加使得输入晶体管被损坏，或者热增加对患者的舒适感产生明显 影响。尽管可以通过采用多个独立半导体来防止输入晶体管的可能出现的损坏， 但是热增加带给病人的负担仍然存在。
作为替换，接收到的磁共振信号在接收天线和前置放大器之间可能会被衰 减元件衰减。而这会导致接收链的噪声系数产生不希望的显著增加。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提出 一种用于磁共振断层造影设备的高频接 收装置，通过该高频接收装置在大的信号功率范围内低噪声地接收并且放大》兹 共振信号。
本发明基于如下思想，放大装置、尤其是放大装置的转换装置根据接收的 或者待放大的磁共振信号在至少两个不同的转换比率之间进行切换。因此在放 大器装置的输入端上可能的信号功率的较大取值范围(放大装置的接收功率范 围)被转换成在放大器装置的输入晶体管上的可能的信号功率的相对小的取值 范围(输入晶体管的接收功率范围)。
本发明尤其基于如下思想，前置放大器、尤其是在前置放大器的输入级内 的转换装置，通过适当的控制装置根据接收的或待放大的磁共振信号、特别是 接收的磁共振信号的信号功率，在至少两个不同的转换比率之间切换。
优选的用于磁共振断层造影设备的高频接收装置包含至少一个接收磁共 振信号(接收信号)的接收天线。接收到的磁共振信号由放大器装置进行放大， 其中放大器装置包括至少一个输入晶体管和一个转换装置，该转换装置用于把 接收天线的源阻抗转换成与输入晶体管匹配的源阻抗。转换装置可以在至少两 个转换比率(转换率)之间切换，尤其是可以在第一 (较小)和第二 (较大) 转换比率之间切换。
放大装置包含低噪声前置放大器(LNA)或者放大装置优选地是低噪声前
置放大器。显然，除了输入晶体管之外，放大装置还可以包括其他的元件、尤
其是其他的晶体管。
如果转换装置转换到小的转换比率，则通过放大器装置产生较小的放大率
(低增益)。反之，如果转换装置被转换到大的转换比率，则通过放大装置产生 较大的放大率(高增益)。由此具有较大信号功率的磁共振信号在较小的转换比率下可以被转换成 具有如下信号电压的磁共振信号，该信号电压小于或等于输入晶体管的最大允
许输入电压。因此，对放大器装置来说能够获得高的最大允许输入功率。
控制装置、例如用编程技术、被这样构造并且这样与转换装置耦接根据 接收到的磁共振信号在两个转换比率之间进行间接或直接切换。
为此，例如当前磁共振信号的信号功率的测量值或与此相关的值被提供给 控制装置。例如，如果接收到的或者放大后的磁共振信号的信号功率超过或低 于给定的边界值，可以自动进行转换。但是也可以在测量开始前，根据经验确 定是否能够以高增益模式处理预期的电平，或者是否必须切换为低增益模式。 同样，也可以在MR拍^聂的短"静止期(Ruhephasen)"中进行切换，该静止期 通常总是由多个发送和接收周期组成。
特别对于信号功率较小的磁共振信号，尤其当信号功率低于给定边界值 时，转换为较大的、噪声最优的转换比率。这导致通过放大器装置更强的放大； 与使用较小的转换比率相比，较大信号电压的磁共振信号被提供给输入晶体管。 所述边界值(从该边界值起信号被认为是小的或者大的)，既取决于系统的、尤 其是前置放大器的结构，也取决于系统制造商的规定或者一般适用的标准。众 所周知，放大器仅在达到特定边界值以前无失真地工作。例如放大器的增益压 缩尚低于给定的边界值时的信号被认为是小信号，其中，该边界值例如被设置 为0.1dB。高于该边界值的信号被认为是强烈失真的，因此被认为太大了。
根据另 一个特别优选实施例，通过控制设备控制另 一个在已经提到的放大 器装置之后连接的、可开断的放大器装置。为此这样构造控制设备，用第一放 大器装置的转换装置的切换、特别是通过同一个控制信号，使得第二放大器装 置也被切换，尤其在两个放大率之间切换。在此，第二放大器装置不是一定要 与第一放大器装置(LNA)在空间上分离，而是可以作为第二级设置在第一放 大器装置的内部。
优选如下进行转换经过两个放大器装置，在较小信号功率的接收或者放 大磁共振信号的情况下比在较大信号功率的接收或者放大磁共振信号的情况下 获得更大的放大。
优选地如下实施转换装置就放大器输入阻抗的相位而言，在转换比率之 间的转换是中性的。因此能够确保接收天线的单个环路之间的解耦合，尤其当 该接收天线被实施为阵列接收天线时。转换装置优选如下实施通过转换装置、尤其通过欧姆电阻产生的损耗， 基本上仅在转换装置的产生小的转换比率的开关位置中是起作用的，即至少在 产生小的转换比率的开关位置中比在产生大的转换比率的开关位置中更起作 用。因为在这种情况下出现具有较大信号功率的磁共振信号，该磁共振信号在 转换装置内低损耗的情况下在放大之后，仍能够以足够的质量被进一步处理。 与此相反，具有较小信号功率的磁共振信号也能在转换装置内低损耗的情况下 被大大减退，以便还可以进行可接受的进一步处理。
优选地如下实施转换装置在转换比率之间的转换基于至少一个开关二极 管、尤其是优选地为PIN二极管(正负之间夹有本征层的二极管)的电路。
如果转换装置例如是基于高通共振转换电路，则为了转换为小转换比率， 将电容通过第一开关二极管、尤其是PIN 二极管与高通共振转换电路的电容并 联连接，并且通过第二开关二极管、特别是PIN二极管将电感与高通共振转换 电路的电感并联连接。
特别优选地如下实施转换装置在小转换比率下通过转换装置产生的与输 入晶体管匹配的源阻抗比在大转换比率下通过转换装置产生的与输入晶体管匹 配的源阻抗更多地偏离输入晶体管的最佳源阻抗。特别地在大转换比率的情况 下通过转换装置产生的与输入晶体管匹配的源阻抗基本上相当于对输入晶体管 来说最佳的源阻抗，或者与输入晶体管匹配的源阻抗等于对输入晶体管来说最 佳的源阻抗。因为在小信号功率的磁共振信号情况下以及由此在大转换比率情 况下特别重要的是，接收天线的源阻抗基本上被转换为输入晶体管的最佳源阻 抗。只有这样输入晶体管的噪声匹配才是最佳的。与此相反，在大信号功率的 磁共振信号情况下接收天线的源阻抗被转换为其值小于输入晶体管的最佳源阻 抗的源阻抗。最佳的噪声匹配在这种情况下不是绝对必要的。因此在较大信号 功率的情况下能够为放大器装置的低失真运行增加最大允许输入功率，其代价 是输入晶体管的非最佳噪声匹配。
通过转换比率的转换，能够在通过输入晶体管的相同的损耗功率条件下显 著增加放大器装置的允许输入功率。由于输入晶体管的噪声失配，在具有较大 信号功率的磁共振信号情况下或者在小转换比率的情况下噪声系数的变差很 小，并且在具有较大信号功率的磁共振信号情况下还能够被容许。
通过放大器装置的可开断性可以在放大器单元内使用低输入噪声系数的 晶体管，而不必承受整个系统动态性的降低。在小转换比率下(低增益)，可以在上端扩展对于大的输入功率的动态范围，而在大转换比率下(高增益)，可以 进一步降低放大器装置的输入噪声系数，并且由此可以改善接收链的总灵敏度。 本发明的高频接收装置可被用于不同类型的磁共振断层造影设备中。如前 所述，其特别的优点在于所谓高磁场设备，在该高场设备中以三特斯拉或者更 高的特别高的基本^ 兹场工作。
下面参照附图根据优选实施例来具体描述本发明。其中
图1示出了具有可开断前置放大器的磁共振断层造影接收链的简化电路
框图，
图2示出了具有可开断前置放大器的高频接收装置的简化图， 图3示出了磁共振断层造影接收链的简化电路框图(现有技术)， 图4示出了高频接收装置的简化图(现有技术)，
具体实施例方式
图1示出了一种磁共振断层造影接收链，其与图3所示的磁共振断层造影 接收链的区别在于，通过与另一个放大器14的相同的控制信号或者并行输出的 控制信号，该前置放大器12可开断地运行。
通过该控制信号或多个控制信号，放大器装置12、 14被同时转换成"高 增益"或"低增益"。
为了接收检查对象的磁共振信号，使用阵列天线作为接收天线11。接收到 的磁共振信号通过前置放大器12被放大，并通过水平电缆13被传输到另一个 放大器装置14 (此处是在放大中可开断的放大器)。这样放大后的磁共振信号 最终通过另一条导线15被继续传输到接收电路16。
图2再次示出了用于接收;f兹共振信号的接收天线21,其源阻抗为Zto。p。接 收天线21的源阻抗Z,。。p通过转换装置27在前置放大器22的输入级被转换为 与前置放大器22的放大单元28的输入晶体管29匹配的源阻抗。
转换装置27可以在两个转换比率之间转换。为了实现较大的转换比率(在 较小信号功率的磁共振信号情况下)，转换装置27包括电路C (串联C)和电 感L (并联L )。
由于在PIN二极管P!、 P2上施加了截止电压，因此另一个电容Cp和另一个电感Lp不起作用。而且在这种情况下，PIN 二极管P,、 P2不会对转换装置 27产生负面影响。这样构造电容C和电感L，使得接收天线21的源阻抗Z,。。p 被转换成对输入晶体管29来说的最佳源阻抗。
如果现在通过测量装置(未示出)的相应设置的控制装置例如在接收电路 中确定，接收了较大信号功率的》兹共振信号，则通过该控制装置输出控制信号 或者转换信号。在此例如经过控制导线SL施加10mA的电流。该电流使两个 PIN二极管P。 P2互连并导通。因此接通与电容C并联的另一个电容Cp以及 与电感L并联的另一个电感Lp。因此，高通共振转换电路的串联电容增加，而 高通共振转换电路的并联电感减小，从而降低了转换装置27的转换比率。通过 该转换装置27,接收天线21的源阻抗Z,。。p被转换成小于输入晶体管29的最佳 源阻抗的源阻抗值。
同样示出的另一个电容DCB以及另一个电感HFB仅仅作为转换装置27 与干扰信号解耦的"DC块"DCB以及"HF块，，HFB,该干护C/(言号会在经过控 制导线提供转换信号或者电流的控制装置中产生。
此处需要再次强调的一点是这些附图仅是示例性的。转换装置还可以通过 其他元件或者以其他配置在两个转换比率之间进行转换。
权利要求
1. 一种用于磁共振断层造影设备的高频接收装置，具有至少一个接收天线(11，21)，用于接收磁共振信号；放大装置(12，22)，用于放大接收到的磁共振信号；其中所述放大装置(12，22)包括输入晶体管(29)和转换装置(27)，该转换装置(27)用于把所述接收天线(11，21)的源阻抗转换成与所述输入晶体管(29)匹配的源阻抗；以及其中所述转换装置(27)可以在至少两个转换比率之间转换；以及控制装置，该控制装置被这样构成并且这样与所述转换装置(27)耦合，使得根据接收到的磁共振信号在至少两个转换比率之间进行转换。
2. 如权利要求1所述的高频接收装置，其中，所述控制装置被这样构造并 且这样与所述转换装置(27)耦合，使得在接收到较小信号功率的磁共振信号 时，转换到所述至少两个转换比率中较大的一个。
3. 如权利要求1或2所述的高频接收装置，其中，所述放大装置U2， 22) 包括噪声特别低的前置放大器或者所述放大装置(12, 11)是噪声特别低的前置放大器。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的高频接收装置，其中，通过所述控制 装置控制可开断第二放大器装置(14)，其中这样构造所述控制装置，用所述第 一放大器装置(12, 22)的转换装置(27)的转换也能够转换所述第二放大器 装置(14)。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的高频接收装置，其中，这样实施所述 转换装置(27)，使得在所述转换比率之间的转换就放大器输入阻抗(Zin)的 相位而言是中性的。
6. 如权利要求1至5中任一项所述的高频接收装置，其中，如下实施所述 转换装置(27)，使得通过所述转换装置(27)产生的损耗基本上仅在所述转换 装置(27)在小转换比率起作用的开关位置上起作用。
7. 如权利要求1至6中任一项所述的高频接收装置，其中，这样实施所述 转换装置(27 )，使得所述在转换比率之间的转换基于至少一个开关二极管(P!, P2)电路。
8. 如权利要求1至7中任一项所述的高频接收装置，其中，所述转换装置 (27)基于高通共振转换电路。
9. 如权利要求8所述的高频接收装置，其中，为了转换到小转换比率，通 过第一开关二极管(P。并行于所述高通共振转换电路的电容(C)连接电容 (Cp),并且其中，通过第二开关二极管(P2)并行于所述高通共振转换电路的 电感(L)连接电感(Lp)。
10. 如权利要求1至9中任一项所述的高频接收装置，其中，这样实施所 述转换装置(27),使得在小转换比率下通过所述转换装置(27)起作用的、与 所述输入晶体管(29)匹配的源阻抗比在大转换比率下由所述转换装置(27) 起作用的、与所述输入晶体管(29)匹配的源阻抗更多地偏离所述输入晶体管 (29)的最佳源阻抗(Z。pt)。
11. 如权利要求1至10中任一项所述的高频接收装置，其中，在大的转换 比率下由所述转换装置(27)起作用的、与所述输入晶体管(29)匹配的源阻 抗基本上相当于对所述输入晶体管(29)来说的最佳源阻抗(Z。pt)。
12. —种磁共振断层造影设备，具有如权利要求1至11中任一项所述的高 频接收装置。
全文摘要
本发明涉及一种用于磁共振断层造影设备的高频接收装置，其包括至少一个用于接收磁共振信号的接收天线(11，21)，用于放大接收到的磁共振信号的放大器装置(12，22)，其中所述放大装置(12，22)包括输入晶体管(29)和用于将接收天线(11，21)的源阻抗转换为与输入晶体管(29)匹配的源阻抗的转换装置(27)，并且所述转换装置(27)可在至少两个转换比率之间转换。
文档编号A61B5/055GK101424727SQ20081017788
公开日2009年5月6日 申请日期2008年7月24日 优先权日2007年7月24日
发明者克劳斯·休伯, 斯蒂芬·比伯 申请人:西门子公司