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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ganzkörperantenne für eine Magnetresonanzanlage,
mit einer Antennenstruktur, die mindestens einen ersten sich in
einer Längsrichtung
erstreckenden Antennenstab aufweist, wobei der erste Antennenstab
mit einem ersten Sendestrom beaufschlagbar ist, mittels dessen ein
erstes Anregungssignal emittierbar ist, mittels dessen in einem
in einem im Untersuchungsbereich angeordneten Untersuchungsobjekt
Magnetresonanzen anregbar sind.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Magnetresonanzanlage
mit einem Grundmagneten, einem Gradientenmagnetsystem, einer Ganzkörperantenne
nach der obenstehend beschriebenen Art sowie einer Steuereinrichtung
zum Ansteuern des Gradientenmagnetsystems und der Ganzkörperantenne.
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Ganzkörperantennen
der obenstehend beschriebenen Art und Magnetresonanzanlagen der obenstehend
beschriebenen Art sind allgemein bekannt.
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Bei
Magnetresonanzanlagen werden vielfach Lokalspulen verwendet, da
Lokalspulen für Empfangszwecke
ein erheblich besseres Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen als die Ganzkörperantenne.
Zum Verwerten der von den Lokalspulen empfangenen Magnetresonanzen
müssen
die Lokalspulen mit der Steuereinrichtung verbunden sein. Im einfachsten
Fall geschieht dies über
Koaxialkabel.
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Es
ist bereits bekannt, von den Lokalspulen empfangene Magnetresonanzen
auf eine Mikrowellenfrequenz umzusetzen und die Mikrowellen drahtlos
zu Empfangsantennen zu übertragen.
Ein Beispiel einer derartigen Magnetresonanzanlage findet sich in
der
DE 102 19 749
A1 bzw. der korrespondierenden
US 2003/ 0227289 A1 . Über die
Anordnung der Empfangsantennen zum Emp fangen der Mikrowellensignale
ist in diesen Schriften nichts ausgesagt.
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In
der
deutschen Patentanmeldung
10 2005 022 551.9 ist eine Magnetresonanzanlage beschrieben,
die eine Anzahl von Mikrowellen-Empfangsantennen aufweist, wobei
die Mikrowellen-Empfangsantennen
derart angeordnet sind, dass sie einen Untersuchungsbereich umgeben.
Die Mikrowellen-Empfangsantennen sind – bezogen auf eine Zentralachse
der Magnetresonanzanlage – radial
innerhalb einer Ganzkörperantenne
angeordnet.
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Die
deutsche Patentanmeldung 10
2005 022 551.9 ist am Anmeldetag der vorliegenden Erfindung noch
nicht veröffentlicht.
Sie ist daher kein allgemein zugänglicher
Stand der Technik, sondern nur im deutschen Patenterteilungsverfahren
und auch dort nur bezüglich
Neuheit zu berücksichtigen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit
zu schaffen, eine Ganzkörperantenne
und Mikrowellenelemente in einer Magnetresonanzanlage möglichst
effizient und Platz sparend anzuordnen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Ganzkörperantenne
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Magnetresonanzanlage
mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
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Erfindungsgemäß sind in
den ersten Antennenstab auf seiner dem Untersuchungsbereich zugewandten
Seite erste Mikrowellenelemente zum Aussenden von Mikrowellensignalen
in den Untersuchungsbereich und/oder zum Empfangen von Mikrowellensignalen
aus dem Untersuchungsbereich integriert.
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In
der Regel weist die Antennenstruktur mindestens einen zweiten sich
in einer Längsrichtung
erstreckenden Antennenstab auf, der mit einem zweiten Sendestrom
beaufschlagbar ist, mittels dessen ein Anregungssignal emittierbar
ist, mittels dessen in dem im Untersuchungsbereich angeordneten
Untersuchungsobjekt Magnetresonanzen anregbar sind. Vorzugswei se
sind in diesem Fall in den zweiten Antennenstab auf seiner dem Untersuchungsbereich zugewandten
Seite zweite Mikrowellenelemente zum Aussenden von Mikrowellensignalen
in den Untersuchungsbereich und/oder zum Empfangen von Mikrowellensignalen
aus dem Untersuchungsbereich integriert.
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In
vielen Fällen
weist die Antennenstruktur zusätzlich
mindestens zwei weitere sich in einer Längsrichtung erstreckende Antennenstäbe auf,
wobei alle Antennenstäbe
zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Zentralachse verlaufen
und um die Zentralachse herum verteilt angeordnet sind, so dass der
Untersuchungsbereich dem Inneren der Antennenstruktur entspricht,
und jeder der weiteren Antennenstäbe mit einem jeweiligen weiteren
Sendestrom beaufschlagbar ist, mittels dessen ein Anregungssignal
emittierbar ist, mittels dessen in dem im Untersuchungsbereich angeordneten
Untersuchungsobjekt Magnetresonanzen anregbar sind. Diese Ausgestaltung
findet sich insbesondere dann, wenn die Antennenstruktur als Sattelspule,
als Birdcage-Resonator oder ähnliche
Antennenstruktur ausgebildet ist.
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Vorzugsweise
sind in die weiteren Antennenstäbe
auf ihren dem Untersuchungsbereich zugewandten Seiten weitere Mikrowellenelemente
zum Aussenden von Mikrowellensignalen in den Untersuchungsbereich
und/oder zum Empfangen von Mikrowellensignalen aus dem Untersuchungsbereich
integriert.
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In
der Regel wirken die Antennenstäbe
in zwei in Richtung der Zentralachse gesehen voneinander beabstandeten
und orthogonal zur Zentralachse verlaufenden Abschlussebenen in
Umfangsrichtung der Zentralachse gesehen miteinander zusammen. Im
Unterschied zum üblichen
Stand der Technik können
sich zumindest einige der Antennenstäbe in Richtung der Zentralachse
gesehen axial über
mindestens eine der Abschlussebenen hinaus erstrecken. Die Mikrowellenelemente
sind in diesem Fall vorzugsweise in den Antennenstäben zwischen
den Abschlussebenen angeordnet.
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Die
Antennenstäbe
können
hohl ausgebildet sein. Die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung
werden aus den nachfolgenden Ausführungen ersichtlich werden.
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Die
Mikrowellenelemente weisen in der Regel Antennenelemente und den
Antennenelementen zugeordnete Beschaltungselektroniken auf. Die
Antennenelemente sind in diesem Fall vorzugsweise auf der dem Untersuchungsbereich
zugewandten Seite der Antennenstäbe
angeordnet. Die Beschaltungselektroniken sind sowohl auf ihrer dem
Untersuchungsbereich zugewandten Seite als auch auf ihrer dem Untersuchungsbereich
abgewandten Seite von den Antennenstäben umgeben.
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Leitungen
zu den Beschaltungselektroniken können im Inneren der Antennenstäbe verlaufen,
sofern diese hohl ausgebildet sind. Die Leitungen sind vorzugsweise
als geschirmte Leitungen ausgebildet. Sie ragen in Längsrichtung
der Antennenstäbe
gesehen aus den Antennenstäben
heraus. In der Nähe der
Enden der Antennenstäbe
sind die Leitungen mit Mantelwellensperren versehen.
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Alternativ
können
die Leitungen zu den Beschaltungselektroniken außerhalb der Antennenstäbe verlaufen.
In diesem Fall sind die Leitungen als geschirmte Koaxialkabel ausgebildet.
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Die
Beschaltungselektroniken weisen vorzugsweise Filter auf, mittels
derer Signale sperrbar sind, deren Frequenz im Bereich der Frequenz
der Anregungssignale liegt. Hierdurch können unerwünschte Einkopplungen unterdrückt bzw.
zumindest reduziert werden.
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Die
Antennenelemente können
eigenständige
Elemente sein. Vorzugsweise sind sie jedoch Bestandteile der Antennenstäbe.
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Die
Antennenelemente weisen vorzugsweise sich in Längsrichtung des jeweiligen
Antennenstabes erstreckende Schlitze auf, deren Länge in etwa die
Hälfte
der Wellenlänge
der Mikrowellen ist. Im Falle dieser Ausgestaltung sind die Beschaltungs elektroniken
quer zur Längsrichtung
der Antennenstäbe
gesehen mit den Antennenstäben
vorzugsweise beidseits der Schlitze verbunden.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Magnetresonanzanlage,
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2 eine
Ganzkörperantenne,
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3 und 4 je
einen Ausschnitt der Ganzkörperantenne
von 2 in abgerollter Darstellung,
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5 und 6 je
einen Querschnitt durch zwei Antennenstäbe der Ganzkörperantenne
von 2,
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7 einen
Ausschnitt eines Antennenstabes,
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8 eine
schematische Darstellung einer zweiten Magnetresonanzanlage und
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9 einen
Polschuh mit einer Antennenstruktur.
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Gemäß 1 weist
eine Magnetresonanzanlage einen Grundmagneten 1 auf. Der
Grundmagnet 1 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet,
so dass er um eine Zentralachse 2 umläuft.
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Soweit
nachfolgend die Begriffe „axial", „radial" und „tangential" verwendet werden,
beziehen sie sich stets auf eine Achse, beispielsweise auf die Zentralachse 2.
Der Begriff „axial" bedeutet eine Richtung
parallel zur jeweiligen Achse. Die Begriffe „radial" und „tangential" bedeuten Richtungen
in einer zur jeweiligen Achse orthogonalen Ebene. Der Begriff „radial" bezieht sich auf
eine Richtung in dieser Ebene, die auf die jeweilige Achse zu bzw.
von ihr weg gerichtet ist.
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Der
Begriff „tangential" bezeichnet eine
Richtung in der zur Achse orthogonalen Ebene um die Achse herum.
Wenn die Begriffe „axial", „radial" und „tangential" ohne explizite Bezugnahme
auf eine Achse verwendet werden, beziehen sie sich auf die Zentralachse 2.
Sollen sie sich auf eine andere Achse beziehen, wird hinzugefügt, um welche
Achse es sich handelt.
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Radial
innerhalb des Grundmagneten 1 ist ein Gradientenmagnetsystem 3 angeordnet.
Radial innerhalb des Gradientenmagnetsystems 3 ist eine Ganzkörperantenne 4 angeordnet.
Die Ganzkörperantenne 4 erstreckt
sich – ebenso
wie das Gradientenmagnetsystem 3 und der Grundmagnet 1 – tangential
um die Zentralachse 2 herum.
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Die
Magnetresonanzanlage weist eine Steuereinrichtung 5 auf.
Mittels der Steuereinrichtung 5 werden das Gradientenmagnetsystem 3 und
die Ganzkörperantenne 4 angesteuert.
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Die
Ganzkörperantenne 4 ist – siehe 2 – in der
Regel als Birdcage-Resonator ausgebildet. Insbesondere im Falle
der Ausbildung als Birdcage-Resonator – aber auch bei anderen Ausgestaltungen,
beispielsweise als Sattelspule – weist
die Ganzkörperantenne 4 eine
Antennenstruktur 6 auf, die sich in einem radialen Abstand
r um die Zentralachse 2 herum erstreckt. Die Antennenstruktur 6 weist
eine Mehrzahl von Antennenstäben 7 auf.
Die Anzahl an Antennenstäben 7 beträgt minimal 4.
In der Regel beträgt
sie 16 oder 32. Es sind jedoch auch andere Zahlen
von Antennenstäben 7 möglich, beispielsweise 6, 8, 12, 24 oder 40 Antennenstäbe 7. Die
Antennenstäbe 7 erstrecken
sich ihrerseits in Richtung von Stabachsen 8. Sie erstrecken
sich also in einer jeweiligen Längsrichtung.
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Im
Regelfall verlaufen die Antennenstäbe 7 parallel zur
Zentralachse 2. Es sind jedoch alternative Ausgestaltungen
möglich,
bei denen die Stabachsen 8 eine Richtung definieren, die
nur im Wesentlichen parallel zur Zentralachse 2 ist. In
diesem letztgenannten Fall weist die jeweiligen Stabachse 8 eine
Richtung auf, die eine erste Teilkomponente und eine zweite Teilkomponente
aufweist. Die beiden Teilkomponenten ergänzen sich zur Richtung der
jeweiligen Stabachse 8. Die erste Teilkomponente ist (exakt)
parallel zur Zentralachse 2. Die zweite Teilkomponente ist
orthogonal zur Zentralachse 2. Solange die erste Teilkomponente
größer als
die zweite Teilkomponente ist, ist die Richtung der Stabachse 8 im
Wesentlichen parallel zur Zentralachse 2. Ein Verlauf der
Stabachsen 8 nur im Wesentlichen parallel zur Zentralachse 2 kann
sich beispielsweise dadurch ergeben, dass die Antennenstruktur 6 leicht
konisch ausgebildet ist und/oder dass die Antennenstäbe 7 ähnlich den
Feldern und Zügen
des Laufes einer Feuerwaffe leicht helixartig um die Zentralachse 2 umlaufen.
Auch eine Kombination dieser beiden Maßnahmen ist möglich.
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Die
Ganzkörperantenne 4 ist
in der Regel sowohl als Sendeantenne als auch als Empfangsantenne
betreibbar. Zumindest der Sendebetrieb ist stets möglich. Im
Sendebetrieb werden die Antennenstäbe 7 von der Steuereinrichtung 5 über entsprechende Verstärker mit
hochfrequenten Sendeströmen
I beaufschlagt. Auf Grund der Beaufschlagung mit den Sendeströmen I emittieren
die Antennenstäbe 7 Anregungssignale,
mittels derer ein Untersuchungsobjekt 9 zu Magnetresonanzen
anregbar ist. Das Untersuchungsobjekt 9 muss hierzu im
Inneren 10 der Antennenstruktur 6 angeordnet sein.
Das Innere 10 der Antennenstruktur 6 entspricht
somit einem Untersuchungsbereich 10.
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Die
Antennenstäbe 7 wirken
in zwei Abschlussebenen 11 in Umfangsrichtung der Zentralachse 2 gesehen
(also tangential) zusammen. Die Abschlussebenen 11 sind
in Richtung der Zentralachse 2 gesehen (also axial) voneinander
beabstandet. Sie verlaufen orthogonal zur Zentralachse 2. Im
Falle der Ausgestaltung der Ganzkörperantenne 4 als
Birdcage-Resonator sind in den Abschlussebenen 11 beispielsweise
Endringe 11' angeordnet,
welche entsprechend den 3 und 4 die Antennenstäbe 7 galvanisch
und/oder kapazitiv miteinander koppeln.
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Gemäß den 5 bis 7,
die nachfolgend noch näher
erläutert
werden, sind in die Antennenstäbe 7 auf
ihren dem Untersuchungsbereich 10 zugewandten Seiten Mikrowellenelemente 12 integriert.
Die Mikrowellenelemente 12 dienen dazu, in das Innere 10 der
Antennenstruktur 6 Mikrowellensignale auszusenden. Alternativ
oder zusätzlich
ist es möglich,
dass mittels der Mikrowellenelemente 12 Mikrowellensignale
aus dem Inneren 10 der Antennenstruktur 6 empfangen
werden. Die Mikrowellenelemente 12 werden – ebenso
wie das Gradientenmagnetsystem 3 und die Ganzkörperantenne 4 von
der Steuereinrichtung 5 angesteuert. Dies gilt sowohl für den Sende-
als auch für
den Empfangsbetrieb der Mikrowellenelemente 12. Im Empfangsbetrieb
können die
von den Mikrowellenelementen 12 empfangenen Mikrowellensignale
insbesondere von der Steuereinrichtung 5 auch entgegen
genommen werden.
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Die
Anregungssignale und die hierdurch angeregten Magnetresonanzsignale
weisen eine Magnetresonanzfrequenz auf, die in der Regel zwischen 8
und 200 MHz liegt. Beispielsweise liegt die Magnetresonanzfrequenz
(Larmorfrequenz) für
Wasserstoff bei einer 3 Tesla-Magnetresonanzanlage bei ca. 127 MHz.
Die Mikrowellenfrequenz ist hingegen erheblich größer. Insbesondere
liegt sie bei mindestens 1 GHz, in der Regel sogar bei 3 GHz oder
höher,
beispielsweise bei 5 bis 12 GHz.
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Gemäß den 5 und 6 sind
die Antennenstäbe 7 hohl
ausgebildet. Im Inneren 13 der Antennenstäbe 7 sind
Beschaltungselektroniken 14 angeordnet. Auf der dem Untersuchungsbereich 10 zugewandten
Seite, also auf der radial innen angeordneten Seite, der Antennenstäbe 7 sind
Antennenelemente 15 angeordnet. Die Beschaltungselektroniken 14 sind
den Antennenelementen 15 zugeordnet. Die Beschaltungselektroniken 14 und
die Antennenelemente 15 bilden zusammen je eines der Mikrowellenelemente 12.
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Auf
Grund der Anordnung der Beschaltungselektroniken 14 im
Inneren 13 der hohlen Antennenstäbe 7 sind die Beschaltungselektroniken 14 in
einer zur Zentralachse 2 orthogonalen Ebe ne 16 allseitig von
den Antennenstäben 7 umgeben.
Prinzipiell ist es jedoch ausreichend, wenn die Beschaltungselektroniken 14 radial
innen und radial außen
(also radial beidseitig bzw. sowohl auf der dem Untersuchungsbereich 10 zugewandten
Seite als auch auf der dem Untersuchungsbereich 10 abgewandten
Seite) von den Antennenstäben 7 umgeben
sind. In diesem Fall ist lediglich erforderlich, dass ein Spalt,
der in Tangentialrichtung gesehen verbleibt, klein genug ist.
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Die
Beschaltungselektroniken 14 sind mit der Steuereinrichtung 6 über Leitungen 17 verbunden.
Die Leitungen 17 verlaufen bei den Ausgestaltungen der 5 und 6 – siehe
auch die 3 und 4 – im Inneren
der Antennenstäbe 7.
Sie sind vorzugsweise als geschirmte Leitungen ausgebildet, insbesondere
als Koaxialkabel.
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Die
Leitungen 17 treten – siehe
die 3 und 4 – an den Enden 18 der
Antennenstäbe 7 aus
den Antennenstäben 7 aus.
Sie ragen daher in Richtung der Zentralachse 2 gesehen
aus den Antennenstäben 7 heraus.
Zur Unterdrückung
von Mantelwellen sind die Leitungen 17 in der Nähe der Enden 18 der
Antennenstäbe 7 mit
Mantelwellensperren 19 versehen.
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Die
Antennenstäbe 7 können sich
gemäß den 3 und 4 axial
einseitig oder axial beidseitig über
die Abschlussebenen 11 hinaus erstrecken. Wenn dies der
Fall ist, sind die Mikrowellenelemente 12 vorzugsweise
in einem Kernbereich 20 der Antennenstäbe 7 angeordnet. Der
Kernbereich 20 ist hierbei dadurch definiert, dass er zwischen
den Abschlussebenen 11 angeordnet ist.
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Die
Antennenelemente 15 der Mikrowellenelemente 12 können – siehe 5 – als so
genannte Patch-Antennen ausgebildet sein. In diesem Fall erstrecken
sich die Antennenelemente 15 in Tangentialrichtung gesehen über einen
nennenswerten Teil der Breite der Antennenstäbe 7. Dies ist jedoch
unkritisch.
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Alternativ
können
die Antennenelemente 15 der Mikrowellenelemente 12 – siehe
die 6 und 7 – als Schlitzantennen ausgebildet
sein. In diesem Fall – siehe
insbesondere 7 – weisen die Antennenelemente 15 Schlitze 21 auf.
Die Schlitze 21 erstrecken sich hierbei vorzugsweise in
Richtung der jeweiligen Stabachse 8.
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Die
Länge der
Schlitze 21 beträgt – in Richtung
der jeweiligen Stabachse 8 gesehen – in etwa die Hälfte der
Wellenlänge
der Mikrowellen. Die Wellenlänge
ergibt sich hierbei aus der bekannten Beziehung λ = c/fwobei λ die gesuchte
Wellenlänge,
c die Lichtgeschwindigkeit und f die Frequenz der Mikrowellen ist. Bei
einer Mikrowellenfrequenz f von beispielsweise 3 GHz beträgt die Wellenlänge λ somit ca.
10 cm.
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Gemäß den 6 und 7 sind
die Beschaltungselektroniken 14 mit den Antennenstäben 7 tangential
zur Zentralachse 2 bzw. quer zur Längsrichtung der Antennenstäbe 7 gesehen
beidseits der Schlitze 21 verbunden. Diese Ausgestaltung
ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Antennenelemente 15 der
Mikrowellenelemente 12 Bestandteile der Antennenstäbe 7 sind.
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Gemäß den 5 und 6 – dies kann auch
bei der Ausgestaltung gemäß 7 der
Fall sein – weisen
die Beschaltungselektroniken 14 Filterelemente 22 auf.
Mittels der Filterelemente 22 sind Signale sperrbar, deren
Frequenz im Bereich der Frequenz der Anregungssignale liegt. Es
kann sich bei den Filterelementen 22 beispielsweise um
geeignet ausgelegte Hochpässe,
Bandpässe
oder Bandsperren handeln.
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Die
Anordnung der Leitungen 17 mit der Beschaltungselektroniken 14 in
den Antennenstäben 7 ist
zwar möglich
und bevorzugt, aber nicht zwingend. Gemäß 7 sind beispielsweise
die Leitungen 17 außerhalb
der Antennenstäbe 7 angeordnet, und zwar
auf der radial inneren Seite der Antennenstäbe 7. Sie sind in
diesem Fall als geschirmte Koaxialkabel ausgebildet. Auch die Beschaltungselektroniken 14 sind
gemäß 7 nicht
in den Antennenstäben 7 angeordnet.
Gemäß 7 sind
beispielsweise Schirmgehäuse 23 vorhanden,
welche radial innen auf die Antennenstäbe 7 aufgesetzt sind.
Im Inneren der Schirmgehäuse 23 sind
in diesem Fall die Beschaltungselektroniken 14 angeordnet.
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Obenstehend
wurde die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer so genannten
Horizontalfeldanlage beschrieben, bei der sich das stationäre Grundmagnetfeld
in Richtung der Zentralachse 2 erstreckt. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch auch bei so genannten Vertikalfeldsystemen
anwendbar.
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Ein
Vertikalfeldsystem weist gemäß 8 in der
Regel ein Joch 24 auf, über
das zwei Polschuhe 25, 25' magnetisch miteinander zusammenwirken. Zwischen
den Polschuhen 25, 25' befindet sich der Untersuchungsbereich 10.
In der Regel ist auf den Polschuhen 25, 25' ein Gradientenmagnetsystem
angeordnet. Das Gradientenmagnetsystem ist in 8 (und
auch in 9) jedoch nicht mit dargestellt.
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Auf
den Polschuhen 25, 25' – sichtbar ist dies in 8 nur
für den
unteren Polschuh 25 – ist
eine Antennenstruktur 6 mit Antennenstäben 7 angeordnet.
Die Ausgestaltung der einzelnen Antennenstäbe 7 entspricht den
obenstehend in Verbindung mit den 5 bis 7 beschriebenen
Ausgestaltungen.
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Gemäß 9 kann
auf den Polschuhen 25, 25' alternativ eine Antennenstruktur 6 angeordnet sein,
deren Antennenstäbe 7 sich
orthogonal kreuzen. In diesem Fall können mittels der Antennenstruktur 6 zirkular
polarisierte Hochfrequenzfelder generiert werden. Die übrigen Ausführungen
(insbesondere die Ausgestaltung der Antennenstäbe 7 entsprechend
den 5 bis 7) bleiben weiterhin gültig.
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Die
obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung
der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
soll hingegen ausschließlich
durch die beigefügten
Ansprüche bestimmt
sein.