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1 *DE A * (19) Bundesrepublik Deutschland Deutsches Patent- und Markenamt (10) DE A (12) Offenlegungsschrift (21) Aktenzeichen: (22) Anmeldetag: (43) Offenlegungstag: (71) Anmelder: Siemens AG, München, DE (72) Erfinder: Friedrich, Axel, Nürnberg, DE (51) Int Cl. 8 : G01R 33/32 ( ) G01R 33/36 ( ) A61B 5/055 ( ) (56) Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht gezogene Druckschriften: US A Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen Prüfungsantrag gemäß 44 PatG ist gestellt. (54) Bezeichnung: Vorrichtung zur Erzeugung eines modulierten elektrischen Hochfrequenzsignals für eine Magnetresonanzanwendung (57) Zusammenfassung: Es wird eine verbesserte Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines modulierten elektrischen Hochfrequenzsignals (U A ) für eine Magnetresonanz-Anwendung angegeben. Die Vorrichtung (1) umfasst einen Phasenmodulator (3) zur Erzeugung eines phasenmodulierten Hochfrequenz-Grundsignals ( '), einen Amplitudenmodulator (5) zur Erzeugung einer amplitudenmodulierten Versorgungsspannung ( ') und eine nicht-lineare Sendeendstufe (2). Die Sendeendstufe (2) ist zur Zuführung des Hochfrequenz-Grundsignals ( ') über einen Signaleingang (7) mit dem Phasenmodulator (3) und zur Zuführung der Versorgungsspannung (U A ') über einen Versorgungsspannungseingang (8) mit dem Amplitudenmodulator (5) verbunden. Der Amplitudenmodulator (5) umfasst mindestens zwei parallelgeschaltete, zueinander phasenversetzt getaktete Schaltnetzteile ( ). 1/5

2 Beschreibung [0001] In messtechnischen Anwendungen, die auf Magnetresonanzeffekten von Atomkernen beruhen, insbesondere in der (medizinischen und nicht-medizinischen) Magnetresonanztomographie, einschließlich Bildgebung und der kernmagnetischen Resonanzspektroskopie (NMR), wird ein moduliertes elektrisches Hochfrequenzsignal zur Erzeugung eines elektromagnetischen Radiofrequenzfeldes verwendet, mit denen bestimmte Atomkerne eines Untersuchungsobjekts magnetisch angeregt werden. Als Hochfrequenzsignal wird häufig eine amplituden- und phasenmodulierte elektrische Wechselspannung mit Frequenzen in der Größenordnung von MHz herangezogen. Diese Spannung muss mit vergleichsweise hoher Leistung zur Verfügung gestellt werden. Beispielsweise wird in der modernen Magnetresonanztomographie ein Hochfrequenzsignal mit einer Spitzenleistung von 40 kw und einer mittleren Leistung von ca. 2 kw benötigt. Die Frequenz der Amplitudenmodulation liegt hierbei typischerweise in der Größenordnung von etwa 10 khz. Vorrichtungen zur Erzeugung dieses Hochfrequenzsignals werden auch als Magnetresonanz(MR)-Sender bezeichnet. [0002] Ein herkömmlicher MR-Sender umfasst einen Modulator, der ein amplituden- und phasenmoduliertes Grundsignal im Nieder- oder Subwattbereich erzeugt. Dieses Grundsignal wird zunächst in einem Treiberverstärker auf typischerweise etwa eine Leistung von 100 W vorverstärkt. Das vorverstärkte Signal wird dann in einer Sendeendstufe auf die gewünschte Endleistung, beispielsweise also auf 30 kw verstärkt. [0003] Als Sendeendstufe wird herkömmlicherweise eine Linear-Endstufe, d. h. ein elektronischer Verstärker der Klassen A oder AB herangezogen. Eine solche Linear-Endstufe zeichnet sich nachteiligerweise durch eine hohe Verlustleistung aus, die als Verlustwärme anfällt und durch aufwändige Kühleinrichtungen abgeführt werden muss. Entsprechend fordert der Betrieb eines solchen MR-Senders eine hohe Netzleistung. Eine hinreichend leistungsstarke Linear-Endstufe ist zudem vergleichsweise groß und teuer. [0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine diesbezüglich verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Hochfrequenzsignals für eine MR-Anwendung anzugeben. [0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst die Vorrichtung einen Phasenmodulator zur Erzeugung eines phasenmodulierten Hochfrequenz-Grundsignals sowie einen hiervon getrennten Amplitudenmodulator zur Erzeugung einer amplitudenmodulierten Versorgungsspannung. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine nicht-lineare Sendeendstufe. Die Sendeendstufe ist über einen Signaleingang zur Zuführung des Hochfrequenz-Grundsignals (mittelbar oder umittelbar) mit dem Phasenmodulator verbunden. Der Amplitudenmodulator ist dagegen zur Zuführung der Versorgungsspannung mit einem Versorgungsspannungseingang der Sendeendstufe verbunden. Der Amplitudenmodulator ist hierbei aus mindestens zwei parallelgeschalteten getakteten Schaltnetzteilen gebildet, die zueinander phasenversetzt betrieben sind. [0006] Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass die Effizienz des MR-Senders signifikant gesteigert werden kann, indem anstelle einer linearen Sendeendstufe eine nicht-lineare Sendeendstufe eingesetzt wird. Als nicht-lineare Sendeendstufe wird insbesondere ein elektronischer Leistungsverstärker der Klassen B, C, D, E oder F bezeichnet. Erkanntermaßen kann aber bei einem herkömmlichen Senderdesign, wie vorstehend beschrieben, die dortige Linear-Endstufe nicht ohne weiteres durch eine nicht-lineare Endstufe ersetzt werden, zumal in diesem Fall die Amplitudenmodulation des zugeführten Hochfrequenz-Grundsignals ganz oder teilweise verloren ginge. Der Einsatz der nicht-linearen Sendeendstufe wird erkanntermaßen aber möglich, in dem abweichend von dem herkömmlichen Senderdesign die Amplitudenmodulation nicht bereits auf das Grundsignal vielmehr auf die Versorgungsspannung der Sendeendstufe aufgeprägt wird. [0007] Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass die Amplitudenmodulation grundsätzlich entweder mittels eines leistungsstarken Linearreglers oder mittels eines Schaltnetzteils auf die Versorgungsspannung aufgebracht werden kann, dass beide Varianten aber grundsätzlich spezifische Nachteile haben. So würde der Einsatz eines Linearreglers zur Erzeugung der amplitudenmodulierten Versorgungsspannung die mit der Erfindung bezweckten Vorteile zumindest teilweise wieder zunichte machen, zumal ein solcher Linearregler ähnlich wie die herkömmlicherweise verwendete Linear-Endstufe verlustreich, groß und vergleichsweise teuer wäre. Bei Einsatz eines herkömmlichen Schaltnetzteils würde erkanntermaßen zwar eine viel geringere Verlustleistung und eine entsprechend erniedrigte Netzleistung anfallen. Ein hinreichend leistungsstarkes Schaltnetzteil wäre in der Regel auch wesentlich kleiner und billiger als ein entsprechender Linearregler. Durch die Schaltvorgänge im Netzteil würde aber erkanntermaßen eine hochfrequente Spannungsfluktuation auf die Versorgungsspannung aufmoduliert, die sich der beabsichtigten Amplitudenmodulation der Versorgungsspannung überlagern würde. Diese Rippel-Spannung würde bei Verwendung üblicher Schaltnetzteile in einem ähnlichen Frequenzbereich liegen wie die aufzubringende Amplitudenmodulation. Die Rippel-Spannung würde daher das von der 2/5

3 Sendeendstufe zu erzeugende Hochfrequenzsignal empfindlich stören, und in der MR-Bildgebung z. B. zu Bildartifakten und sonstigen Qualitätseinbußen der zu erzeugenden Bilddaten führen. [0008] In diesem Zwiespalt wird durch den Einsatz mehrerer parallelgeschalteter und zueinander phasenversetzt getakteter Schaltnetzteile erfindungsgemäß eine Synthese gefunden. Durch die phasenversetzte Taktung vervielfachen sich nämlich die charakteristischen Frequenzen der Rippel-Spannung mit der Anzahl der eingesetzten Schaltnetzteile. Die Phasenspannung kann so spektral hinreichend von der Amplitudenmodulation der Versorgungsspannung separiert werden, so dass die Rippel-Spannung die messtechnisch relevante kernmagnetische Anregung oder/und das Bild nicht nennenswert beeinflusst oder zumindest mit einfachen Frequenzfiltern ohne Beeinträchtigung der Amplitudenmodulation eliminiert werden kann. [0009] Der Einsatz von Schaltnetzteilen zur Erzeugung der amplitudenmodulierten Versorgungsspannung ermöglicht gleichzeitig die Realisierung eines kompakten und preisgünstigen und besonders effektiven Amplitudenmodulators, der zur Spannungsversorgung der nicht-linearen Sendeendstufe geeignet ist. [0010] In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind die Schaltnetzteile zyklisch zueinander um je gleiche Schaltphasendifferenzen phasenversetzt. Die Schaltnetzteile sind somit jeweils um eine Schaltphasendifferenz von 2 π/n phasenversetzt, wobei N für die Anzahl der Schaltnetzteile steht. Die Schaltvorgänge der Schaltnetzteile werden hierdurch besonders gleichmäßig über die Zeit verteilt, wodurch niederfrequente Anteile der durch diese Schaltvorgänge erzeugten Rippel-Spannung besonders effektiv unterdrückt werden. [0011] In einfacher und preisgünstiger Ausbildung sind die Schaltnetzteile insbesondere als sogenannte Tiefsetzsteller (auch: Abwärtswandler) ausgebildet. [0012] Zweckmäßigerweise ist ferner dem Phasenmodulator und der Sendeendstufe analog zu herkömmlichen Senderdesigns ein Treiberverstärker zwischengeschaltet. [0013] Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die einzige Figur eine Vorrichtung zur Erzeugung eines modulierten elektrischen Hochfrequenzsignals U A für eine Magnetresonanzanwendung (nachfolgend als MR-Sender 1 bezeichnet). [0014] Der dargestellte MR-Sender 1 umfasst eine nicht-lineare Sendeendstufe 2, einen Phasenmodulator 3, einen Treiberverstärker 4 sowie einen Amplitudenmodulator 5. [0015] Bei der Sendeendstufe 2 handelt es sich um einen elektronischen Verstärker der Klassen B, C, D, E oder F. Die Sendeendstufe 2 weist einen Signaleingang 7 für ein zu verstärkendes Eingangssignal auf, an den der Phasenmodulator 3 mittelbar über den Treiberverstärker 4 angeschlossen ist. Die Sendeendstufe 2 umfasst weiterhin einen Versorgungsspannungseingang 8, an den der Amplitudenmodulator 5 angeschlossen ist. Die Sendeendstufe 2 weist schließlich zur Ausgabe des Hochfrequenzsignals U A einen Signalausgang 9 auf. [0016] Im Betrieb des MR-Senders 1 erzeugt der Phasenmodulator 3 ein Hochfrequenz(HF)-Grundsignal, bei dem es sich um eine elektrische Wechselspannung im Subwattbereich mit einer Trägerfrequenz von beispielsweise 120 MHz handelt. Das HF-Grundsignal wird durch den Phasenmodulator 3 nach Maßgabe eines zugeführten, zeitabhängig variierenden Phasensollwertes ϕ mod = ϕ mod phasenmoduliert: (t) = 0 sin(2πf 0 t + ϕ mod (t)), wobei 0 für eine konstante Spannungsamplitude, z. B. von etwa 5 V, f 0 für die Trägerfrequenz und t für die Zeit stehen. Das HF-Grundsignal wird im Treiberverstärker 4 linear auf eine Leistung von etwa 100 W vorverstärkt und als vorverstärktes HF-Grundsignal ' auf den Signaleingang 7 der Sendeendstufe 2 gegeben. [0017] Dem in den Spannungsversorgungspfad der Sendeendstufe 2 geschalteten Amplitudenmodulator 5 wird von einem nicht näher dargestellten Gleichrichter (auch: Leistungsnetzteil) eine konstante Versorgungsspannung von beispielsweise 200 V zugeführt. Dem Amplitudenmodulator 5 wird zudem ein zeitlich variierender Amplitudensollwert A = A(t) zugeführt, nach Maßgabe von welchem der Amplitudenmodulator 5 aus der zugeführten konstanten Versorgungsspannung eine amplitudenmodulierte Versorgungsspannung ' ableitet. [0018] In einer für die Magnetresonanztomographie charakteristische Anwendung handelt es sich bei der amplitudenmodulierten Versorgungsspannung ' um eine zeitlich variable Spannung der Form '(t) = 160 V sin(2πft)/(2πft), wobei t wiederum für die Zeit und f für eine typische Frequenz der Amplitudenmodulation stehen. Die Frequenz f liegt typischerweise in der Größenordnung von 10 khz. [0019] Die amplitudenmodulierte Versorgungsspannung ' wird auf den Versorgungsspannungsein- 3/5

4 gang 8 der Sendeendstufe 2 gegeben. Aus dem phasenverstärkten HF-Grundsignal ' und der phasenmodulierten Versorgungsspannung ' erzeugt die Sendeendstufe 2 das Phasen- und amplitudenmodulierte Ausgangssignal U A. [0020] Der Amplitudenmodulator 5 umfasst eine Anzahl N (N = 2, 3,...; z. B. N = 10) von gleich aufgebauten Schaltnetzteilen (i = 1, 2,..., N). Die Schaltnetzteile sind zueinander parallel in den Spannungsversorgungspfad geschaltet. Jedem Schaltnetzteil ist zudem der Amplitudensollwert A zugeführt. [0021] Jedes der Schaltnetzteile ist mit derselben Schaltfrequenz getaktet, wobei die einzelnen Schaltnetzteile um einen äquidistanten ϕ phasenversetzt getaktet sind. D. h., jedes Schaltnetzteil schaltet bezüglich der zyklisch benachbarten Schaltnetzteile mit einem Phasenversatz ϕ von ϕ = 2π/N bezüglich des Taktzyklus der Schaltnetzteile. Für jedes Schaltnetzteil ergibt sich somit eine zugeordnete Schaltphase ϕ i zu ϕ i = 2πi/N mit i = 1, 2,..., N. [0022] Durch die phasenversetzte Taktung eines jeden Schaltnetzteil wird in Folge der Schaltvorgänge aller Schaltteile eine Rippel-Spannung auf die Versorgungsspannung ' aufmoduliert, deren Frequenzanteile gegenüber der durch ein einzelnes Schaltnetzteil erzeugten Rippel-Spannung im Wesentlichen um einen Faktor N zu höheren Frequenzen verschoben sind. Bei einer Schaltfrequenz eines einzelnen Schaltnetzteils von beispielsweise 200 khz und N = 10 Schaltnetzteilen liegen die typischen Frequenzen der Rippel-Spannung somit etwa auf der Größenordnung von ca. 2 MHz. Die von dem Amplitudenmodulator 5 insgesamt erzeugte Rippel-Spannung ist somit zu den typischen Frequenzen der Amplitudenmodulation spektral deutlich beabstandet. [0023] Falls dies für die konkrete MR-Anwendung erforderlich oder sinnvoll ist, sind zur Unterdrückung der Rippel-Spannung im Rahmen des MR-Senders 1 zusätzlich ein oder mehrere nicht dargestellte Frequenzfilter vorgesehen, die wahlweise im Versorgungsspannungspfad dem Amplitudenmodulation 5 und der Sendeendstufe 2 zwischengeschaltet und/oder der Sendeendstufe 2 ausgangsseitig nachgeschaltet sind. 7 Signaleingang 8 Versorgungsspannungseingang 9 Signalausgang Schaltnetzteil (i = 1, 2,..., N) φ mod Phasensollwert A Amplitudensollwert N Anzahl U A Hochfrequenz(HF)-Signal ' Hochfrequenz(HF)-Grundsignal, ' Versorgungsspannung Patentansprüche 1. Vorrichtung (1) zur Erzeugung eines modulierten elektrischen Hochfrequenzsignals (U A ) für eine Magnetresonanz-Anwendung, mit einem Phasenmodulator (3) zur Erzeugung eines phasenmodulierten Hochfrequenz-Grundsignals ( '), mit einem Amplitudenmodulator (5) zur Erzeugung einer amplitudenmodulierten Versorgungsspannung ( ') und mit einer nicht-linearen Sendeendstufe (2), die zur Zuführung des Hochfrequenz-Grundsignals ( ') über einen Signaleingang (7) mit dem Phasenmodulator (3), und zur Zuführung der Versorgungsspannung (U A ') über einen Versorgungsspannungseingang (8) mit dem Amplitudenmodulator (5) verbunden ist, wobei der Amplitudenmodulator (5) mindestens zwei parallelgeschaltete, zueinander phasenversetzt getaktete Schaltnetzteile ( ) umfasst. 2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Schaltnetzteile ( ) um jeweils eine Schaltphasendifferenz von 2π/N phasenversetzt sind, wobei N die Anzahl der Schaltnetzteile ( ) ist. 3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltnetzteile ( ) als Tiefsetzsteller ausgebildet sind. 4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei dem Phasenmodulator (3) und der Sendeendstufe (2) ein Treiberverstärker (4) zwischengeschaltet ist. Es folgt ein Blatt Zeichnungen Bezugszeichenliste 1 MR-Sender 2 Sendeendstufe 3 Phasenmodulator 4 Treiberverstärker 5 Amplitudenmodulator 4/5

5 Anhängende Zeichnungen 5/5