CN104367323A - 热稳定化用于磁共振断层成像的天线装置 - Google Patents

热稳定化用于磁共振断层成像的天线装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种将用于磁共振断层成像的天线装置的第一电特性热稳定化的设备，以及一种具有根据本发明的设备的磁共振断层成像仪。该设备具有用于将该设备的构件与热源热耦合的机构。此外，该设备具有取决于温度的第二电特性，其被设计为在与天线装置的预先给出的接线中在预定温度范围中补偿天线装置的第一电特性的取决于温度的变化的影响。

Description

热稳定化用于磁共振断层成像的天线装置
技术领域
本发明涉及一种用于将用于磁共振断层成像的天线装置的第一电特性热稳定化的设备以及一种天线系统和一种具有这种设备的磁共振断层成像仪。
背景技术
在磁共振测量中，检查原子核的磁矩或核自旋与外部磁场的相互作用。核自旋在外部磁场中对齐并且在通过外部电磁交变场激励时以拉莫尔频率围绕磁场中的对齐的轴线进动，该拉莫尔频率与原子核的磁矩值和外部磁场有关。在此，原子核产生具有拉莫尔频率的电磁交变场。
用于激励核自旋的外部电磁交变场经过一个或多个天线装置入射到受检者或者患者中。可能的天线装置在此是所谓的身体线圈，其围绕患者或者受检者。然而直接布置在患者或受检者处的局部线圈也是可能的。由核自旋产生的电磁交变场同样由该天线装置接收。在此相同的天线装置接收所产生的信号是可能的，或者也可以以一种天线类型激励核自旋并且由另一种天线类型接收由核自旋产生的电磁交变场。
在发射时的效率以及在接收时的灵敏度取决于天线装置的多个特性，尤其取决于其电特性。这种特性可以是谐振频率或者阻抗。在此，这些特性也取决于天线装置或者其器件的温度。于是，可以通过热膨胀来改变线圈的电感或者电容器的电容。
因此，通常将对于机械或电特性具有等于或接近0的温度系数的元件用于构造天线装置。
也通过调节机制补偿变化的结果，其方式是，例如在谐振频率变化时较低的接收灵敏度和/或发送效率通过较高的发送功率或输入放大来补偿。
然而并非总是能够借助具有小温度系数的器件来将电特性保持恒定，因为天线装置的特性还取决于环境。
例如常见的是，在同心地布置在患者或受检者与梯度线圈之间的圆柱体上实施身体线圈，从而梯度线圈并不阻止到患者上的电磁交变场发射。为了向外减小与梯度线圈的相互作用，尤其是减小梯度线圈中高频能量的入射和吸收，在用于梯度线圈的支承体内侧布置有高频屏蔽部，使得其在梯度线圈与身体线圈之间延伸。在此，身体线圈与屏蔽部相互作用，例如方法是身体线圈和屏蔽部的彼此对置的金属面引起电容性耦合，并且由天线装置所发出的电磁波在屏蔽部中感应出涡流。因为身体线圈与屏蔽部之间的距离在具有支承体和位于其上的屏蔽部的梯度线圈加热时变化，所以身体线圈的电特性改变，即使该身体线圈具有恒定的温度或者由具有等于0的温度系数的元件构造。
发明内容
本发明的要解决的技术问题是提供一种磁共振断层成像仪，其中减小对天线装置的温度引起的影响。
上述技术问题通过根据本发明的、用于将天线装置的第一电特性热稳定化的设备，以及具有根据本发明的设备的天线系统和具有根据本发明的磁共振断层成像仪来解决。
根据本发明的、用于将用于磁共振断层成像仪的天线装置的第一电特性热稳定化的设备具有用于将设备的构件与热源或天线装置热耦合的机构。在本发明的意义下所有能够实现在热源与设备的构件之间的热传输的机构都被看做用于热耦合的机构，例如嵌入有该构件的紧固机构、浇注掩膜、结构元件，或者还有热源的与该构件热交换的冷却装置。此外，该设备具有取决于温度的第二电特性，其被设计为，在与天线装置的预先给出的接线中，在预定的温度范围中补偿天线装置的第一电特性的由热源引起的取决于温度的变化的影响。在本发明的意义下，还可以将由多个器件构成的电路的第二电特性视作取决于温度的第二电特性。
以有利方式，根据本发明的设备能够在与预定的天线装置的合适接线中以及在与天线装置本身或造成天线装置的第一电特性的取决于温度的变化的对象的热耦合中，通过第二电特性的取决于温度的变化经由与天线装置的接线来补偿第一电特性的变化。以该方式，用于由天线装置和根据本发明的设备构成的系统的第一电特性在预先给出的温度范围中基本上保持不变。在此，“基本上”被理解为第一电特性的值仅微小地、即最高以1％、2％、5％或10％变化。根据本发明的温度范围可以包括在20和30、20和40、15和50摄氏度之间的温度。
上述技术问题也通过根据本发明的天线系统来解决，其中，天线系统具有根据本发明的设备和天线装置。该设备经由用于热耦合的机构与天线装置热耦合。在此，该设备与天线装置电接线为使得天线系统关于第一电特性在预定的温度范围中具有基本上不变的第一电特性。
根据本发明的天线系统允许以有利的方式通过在天线装置与设备之间的热耦合提供这样的天线系统，即，该天线系统对于第一电特性而言在预先给出的温度范围中基本上具有与温度无关的行为。
根据本发明的技术问题还通过根据本发明的磁共振断层成像仪来解决，其具有根据本发明的设备、天线装置和热源。热源与第一电特性的取决于温度的变化具有影响关系。此外，磁共振断层成像仪具有在设备经由用于热耦合的机构与热源之间的第一热耦合。该设备与天线装置电接线为使得天线装置的第一电特性的取决于温度的变化的影响在预定的温度范围中基本上被补偿。
具有根据本发明的设备的根据本发明的磁共振断层成像仪于是也允许：当天线装置的第一电特性的变化并非直接取决于天线装置本身的温度，而是间接地通过对天线装置的取决于温度的物理效果而造成时，将由天线装置和设备构成的系统的第一电特性在预先给出的温度范围中保持不变。
本发明的有利扩展在从属权利要求中说明。
在根据本发明的设备的一个可能的实施方式中，该设备仅具有无源器件。无源器件在本发明的意义下是这样的器件，其对于其符合应用的功能除了待处理的信号之外不需要其它能量供给或控制信号。无源器件尤其是电阻器、线圈和电容器。
通过根据本发明的设备仅具有无源器件，该设备可以以有利的方式容易地嵌入到现有系统中。
在设备的一个可能的实施方式中，第一电特性是天线装置的谐振频率。
发出电磁波时的效率和接收电磁波时的灵敏度在谐振的天线装置中强烈地取决于在天线装置的谐振频率与电磁波的频率之间的一致性。通过将根据本发明的设备设计为在与天线装置的预先给出的接线中在预定的温度范围中补偿天线装置的谐振频率的取决于温度的变化，可以将根据本发明的设备有利地用于减小或克服该依赖性。
在根据本发明的设备的一个可能的实施形式中，第一电特性是天线装置的阻抗。
发出电磁波时的效率和接收电磁波时的灵敏度还主要依赖于天线装置的阻抗与馈电线的阻抗的匹配度。如果两个阻抗不一致，则通过电信号在从天线装置到馈电线的过渡点上的反射而出现损耗。通过将根据本发明的设备设计为在与天线装置的预先给出的接线中在预定的温度范围中补偿天线装置的阻抗的取决于温度的变化，可以将根据本发明的设备有利地用于减小或克服该依赖性。
在根据本发明的设备的一个可能的实施方式中，第二电特性是设备的电容。
可变的电容能够以有利方式通过不同接线将不同的第一电特性在其温度行为方面予以补偿。尤其，电容还可以在小的空间体积中实现。
在根据本发明的设备的一个可能的实施方式中，用于热耦合的机构是金属接触面。
金属接触面以有利的方式具有良好的导热能力。
在根据本发明的设备的一个可能的实施方式中，用于热耦合的机构是用于冷却流体的通道。
该通道能够以有利的方式提供与根据本发明的设备的热耦合，其不要求直接接近并且能够实现与热源的电分离。
在根据本发明的磁共振断层成像仪的一个可能的实施方式中，热源是梯度线圈。
与梯度线圈的热耦合能够以有利的方式补偿天线装置的第一电特性中的、通过如梯度线圈的膨胀那样的热效果造成的变化，即使天线装置本身并未加热。
在根据本发明的磁共振断层成像仪的一个可能的实施方式中，磁共振断层成像仪还具有用于冷却热源的冷却剂循环，其中，用于热耦合的机构与冷却剂循环热接触。
冷却剂循环能够以有利的方式提供热源与根据本发明的设备的热耦合，其不要求直接接近并且还能够实现与热源的电分离。
在根据本发明的磁共振断层成像仪的一个可能的实施方式中，第一热耦合具有用于在热源与设备之间的第一热传输的第一时间常数，并且在天线装置与热源之间的第二热耦合具有第二时间常数。在此，第一热耦合被设计为使得对于磁共振断层成像仪的预定的工作模式，天线装置具有基本上不变的第一电特性。
在热源与设备之间的热传输以及第一电特性的依据热源的温度变化的变化可以具有不同的特性。通过如下方法，即将时间常数通过诸如导热路径的长度、冷却剂的速度、器件的热容量或电特性的结构特征来彼此协调，也可以在磁共振断层成像仪的一个工作模式中的动态温度曲线情况下以有利方式保证对于第一电特性的补偿。
附图说明
上面描述的本发明的特性、特征和优点以及如何实现其的方式结合下面对结合附图阐述的实施例的描述而变得更为清楚和可以更明确地理解。附图中：
图1示出了根据本发明的磁共振断层成像仪的示意图；
图2示出了根据本发明的设备的示意图；以及
图3示出了根据本发明的天线系统的示意图。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明的设备50的根据本发明的磁共振断层成像仪1的示意图。
磁共振断层成像仪1具有带有场磁体11的磁体单元10，该场磁体产生用于将受检容积中的受检者或患者40的核自旋对齐的静态磁场B0。受检容积布置在穿通部16中，该穿通部沿着纵向方向2延伸穿过磁体单元10。通常场磁体11是超导磁体，其可以提供具有直至3T(在新设备中甚至更高)的磁通密度的磁场。然而，对于较小的场强，也可以使用具有常导线圈的永磁体或电磁体。
此外，磁体单元10具有梯度线圈12，该梯度线圈被设计为为了在空间上区分受检容积中所采集的成像区域而在三个空间方向上为磁场B0叠加可变磁场。梯度线圈12是由常导缆线构成的常见线圈，其可以在受检容积中产生彼此正交的场。
在梯度线圈12内侧上朝着受检容积16布置有屏蔽部13，其具有导电性并且大部分地阻止高频电磁波在梯度线圈12与位于屏蔽部13内部的空间之间传播。这尤其涉及具有高于1MHz的频率范围的波，如其在磁共振断层成像仪中被使用那样。屏蔽部13布置在梯度线圈上或者在共同的支承体上。
磁体单元10还具有身体线圈14和局部线圈15。身体线圈14和局部线圈15在下面的描述中统称为天线装置14、15，因为其适于将高频电磁交变场发射到其环境中。当应该通过大的容积产生尽可能均匀的电磁激励场时，身体线圈14除了别的之外用作发送线圈。
局部线圈15优选布置为二维或三维矩阵并且覆盖患者40的身体的部分。局部线圈15除了别的之外用作发送线圈，以便分别将电磁波入射到身体的基本上空间受限的容积中。在此，局部线圈15例如可以是圆形或多边形的线圈，其彼此部分交叠。以该方式实现，相邻线圈的场部分同向和反向地交叠，从而相邻的线圈基本上不互相影响。发送线圈15的交叠布置也使得在整个待检查的、由线圈覆盖的区域中，可以入射电磁交变场。
通过身体线圈14或局部线圈15的电磁交变场和静态磁场B0在患者中激励的磁共振信号可以又由局部线圈15接收或者还由单独的身体线圈14接收，其可以接收来自整个检查区域的信号。
控制单元20为磁体单元10供给用于梯度线圈12和身体线圈14或局部线圈15的不同信号，并且评估所接收的信号。
于是，控制单元20具有梯度控制部21，其被设计为通过引线为梯度线圈12供给可变电流，其以时间编码的方式提供受检容积中所希望的梯度场。
此外，控制单元20具有发送-接收装置22，其被设计为对于天线装置14、15产生用于激励患者40中的核自旋的磁共振的高频脉冲，该高频脉冲具有预先给出的时间曲线、幅值、相位和谱功率分布。在此，可以实现在千瓦范围中的脉冲功率。
发送-接收单元22还被设计为关于幅值和相位评估由身体线圈14或者一个或多个局部线圈15接收的和经由发送-接收单元22的信号导线33输送的高频信号。在此，尤其涉及高频信号，其是患者40中的核自旋作为对于通过在磁场B0中或者在所得出的由B0和梯度场的叠加构成的磁场中的高频脉冲进行的激励的响应而发出的。
此外，控制单元20具有控制部23，其被设计为，为了借助磁共振断层成像进行图像采集而进行梯度控制部21和发送-接收单元22的动作的时间协调。为此，控制部23与其它单元21、22经由信号总线25连接并且交换信号。控制部23被设计为取得和处理由发送-接收单元22评估的来自患者40的信号，或者将脉冲和信号形状预先给出到梯度控制部21和发送-接收单元22并且将其在时间上协调。
患者40布置在患者卧榻30上。该患者卧榻30已经从磁共振断层成像中已知。患者卧榻30具有第一支座36，其布置在患者卧榻30的第一端部31下方。为了支座36可以将患者卧榻30保持在水平位置上，该支座通常具有沿着患者卧榻30延伸的足部。为了移动患者卧榻30，足部也可以具有用于移动的机构，例如滚轮。在地板与患者卧榻之间除了在第一端部31上的支座36之外没有布置结构性元件，从而患者卧榻可以直至第一端部31地引入到场磁体11的穿通部16中。在图1中示出了线性轨道系统34，其将支座36与患者卧榻30可移动地连接，从而患者卧榻可以沿着纵向方向2行驶。为此，线性轨道系统具有驱动器37，其能够以受操作人员或者也受控制部23控制的方式将患者卧榻30沿着纵向方向2移动，从而也可能的是，在穿通部16中检查患者身体的比受检容积的尺寸还大的区域。
此外，磁体装置10具有冷却系统70，其将冷却剂通过冷却剂管道71输送给梯度线圈以用于冷却并且经由冷却剂管道71又返回给冷却系统70，在那里冷却剂经由热交换器72发出热能。
在图1中，还示出了两个根据本发明的、用于将天线装置14、15的第一电特性热稳定化的设备50、60。所示的设备是例如两个示例性的设备，其以两个可能的类型与根据本发明的磁共振断层成像仪1连接。然而其它类型的连接也是可能的，尤其同时示出两个设备50、60仅是示例性的。
设备50一方面经由信号导线33与发送-接收单元22连接，另一方面经由冷却剂管道71与冷却系统70连接。在此，设备50在冷却剂循环中布置为使得由梯度线圈12加热的冷却剂流过设备50并且具有如下温度，该温度给出对于梯度线圈12和屏蔽部13的温度的度量。在最简单的情况下，冷却剂的温度等于梯度线圈12的温度。在另一情况下可能的是，设备50中的冷却剂的温度差与梯度线圈12与环境温度的温度差成比例。其它情况也是可能的。
图2说明了设备50的详细细节。
设备60与局部线圈15直接热接触。此外，设备60这样连接至信号导线33，使得来自或至局部线圈15的发送或接收信号必须经过设备60。图3说明了设备60的详细细节。
对于设备60也可能的是，该设备与身体线圈15直接热接触地布置并且相应地被连接到在发送-接收单元22与身体线圈14之间的信号导线33中。
也可能的是，在根据本发明磁共振断层成像仪中使用多个局部线圈15并且每个单个的局部线圈设有设备60。
在实施方式中也可能的是，分别设有单独的设备50、60用于发送和接收，从而发送利用身体线圈14进行并且接收利用局部线圈15进行，或者反之，其中，天线装置14、15分别与设备50、60对应。
图2示意性示出了根据本发明的设备50的可能的实施方式。
设备50具有在热交换器52中的通道51，到其上可以连接有冷却系统70的冷却剂管道71，从而冷却剂可以通过通道51循环，并且热交换器52作为用于热耦合的机构52可以获得冷却剂的温度。
设备50还具有第一电容器53和第三电容器56，其与热交换器52热接触并且呈现热交换器52的温度。第一电容器53和第三电容器56具有取决于温度的电容作为第二电特性。与第二电容器55和线圈54一起，电容器53、55、56形成匹配环节，其将身体线圈14的阻抗与至发送接收单元22的信号导线33匹配。在图2中，在虚线的圈中示出了用于身体线圈14的等效电路图，其具有与天线电容57串联的天线阻抗56。
通过合适地选择第一电容器53与第三电容器56的温度系数而可能的是，在此补偿身体线圈14的、例如由屏蔽部13的膨胀造成的变化的第一电特性。
在一个示例性实施方式中，身体线圈14具有60Ohm的天线阻抗57和20pF的天线电容58。引线具有50Ohm的阻抗。第一电容器53以10pF的电容定尺寸，第二电容器55具有26.6pF的电容，第三电容器56具有10pF的电容并且线圈54具有265nH的电感。线圈54和第二电容器55具有基本上等于0和/或被保持在恒定温度上的温度梯度，方法是将其例如与热交换器52热绝缘。
在一个示例性的磁共振断层成像仪1中，在运行中梯度线圈12升温30摄氏度，由此屏蔽部的温度上升25摄氏度。身体线圈14本身升温20摄氏度。身体线圈的谐振频率由此下降250kHz，这对应于身体线圈14的等效电路图中的天线电容58从20pF到20.1pF的增大。
为了补偿该变化而需要的是，第一电容器53的电容通过加热上升至10.18pF，第三电容器56相反地下降至9.97pF。当冷却水的温度等于电容器53、56的温度时，这对应于用于第一电容器53的为6*10-41/K的和用于第三电容器56的为-1*10-41/K的温度系数。
这种电容器例如以具有较低介电常数的介电质(NDK电容器)制成。例如使用特殊滑石(Sondersteatite)或者含有金红石的物质(TiO2)。这种类型的介电质用于制造温度系数导向的电容器。可以通过附加材料将TiO2的大约为-800*10-6/K的负温度系数移向0和甚至移到正范围中。通过其它掺杂物实现了进一步向负范围中移动。以该方式获得具有+100、±0、-33、-75、-150、-470和-1500*10-6/K的温度系数的材料。其称作P100、NP0、N033、N075、N150、N470和N 1500。
较高的正温度系数例如可以以作为基质的介电质钛酸钡BaTiO3实现。钛酸钡在大约120℃的温度中具有为数千的相对介电常数(DK)。在该温度点、即所谓的居里点上方和下方，DK下降，其中，在20℃的温度下还给出值1500。
图3示出了根据本发明的设备60的另一可能的实施方式。该实施方式与图2的实施方式的区别在于，用于热耦合的机构不具有冷却通道，而是热交换通过直接接触进行。与图2相同的元件具有相同的附图标记。
在图3中热交换器52与既可以是身体线圈14也可以是局部线圈15的线圈直接热接触。然而热交换器52可以直接布置在梯度线圈12上。
优选地，与线圈14、15的接触面是平坦的面，其金属地实施并且抵靠在线圈14、15的对应表面上。替代平坦的面，在热交换器和线圈上的彼此对应的面是可能的，其可以彼此全表面地接触。例如在一个实施方式中也可能的是，热交换器52具有螺栓，其旋入线圈上的对应的螺纹中。
然而在根据本发明的设备的一个实施方式中也可能的是，热交换器52或者用于热耦合的机构通过线圈14、15或者梯度线圈12或其屏蔽部13的构件构建。于是，电容器53、56例如可以嵌入到形成梯度线圈12或者线圈14、15的结构的环氧树脂中。
通过直接接近热源，甚至借助热绝缘也几乎不能阻止线圈54和第二电容器55加热。因此，在图3的实施方式中所需的是，元件54、55本身具有基本上为0的温度系数。因此也可能的是，元件54、55在所设的电路中的协作中将其电学值的热学变化恰好相互补偿。
在该前提下，在根据本发明的设备的一个实施中也可能的是，将该设备构建为线圈14、15的构件。例如，该设备可以完全嵌入到浇注树脂中，其同时形成身体线圈14或者局部线圈15的线圈体。
虽然通过优选实施例详细示出和描述了本发明，但是本发明并不受所公开的示例限制并且本领域技术人员可以从中导出其它变型，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于将用于磁共振断层成像的天线装置(14，15)的第一电特性热稳定化的设备，
其中，所述设备(50，60)具有用于将所述设备的构件与热源或天线装置热耦合的机构(52)，并且其中，所述设备(50，60)具有取决于温度的第二电特性，其中，所述设备被设计为在与天线装置(14，15)的预先给出的接线中在预定的温度范围中补偿天线装置(14，15)的第一电特性的、由热源造成的取决于温度的变化的影响。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备(50，60)仅具有无源的器件(53，54，55，56)。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一电特性是天线装置(14，15)的谐振频率。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一电特性是天线装置(14，15)的阻抗。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述第二电特性是所述设备(50，60)的电容。
6.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述用于热耦合的机构(52)是金属接触面。
7.根据上述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述用于热耦合的机构是用于冷却流体的通道(51)。
8.一种天线系统，其中，该天线系统具有：
根据权利要求1至7中任一项所述的设备，
天线装置(14，15)，
其中，所述设备(50，60)经由用于热耦合的机构(52)与天线装置(14，15)热耦合，以及
其中，所述设备(50，60)与天线装置(14，15)电接线为使得在预定的温度范围中天线装置(14，15)的第一电特性的取决于温度的变化的影响基本上被补偿。
9.一种磁共振断层成像仪，其中，该磁共振断层成像仪1具有：
根据权利要求1至7中任一项所述的设备(50，60)，
天线装置(14，15)和热源(12)，其中，所述热源(12)与第一电特性的取决于温度的变化具有影响关系，
在所述设备经由用于热耦合的机构(52)与热源(12)之间的第一热耦合，
其中，所述设备与天线装置(14，15)电接线为使得在预定的温度范围中天线装置(14，15)的第一电特性的取决于温度的变化的影响基本上被补偿。
10.根据权利要求9所述的磁共振断层成像仪，其中，所述热源(12)是梯度线圈(12)。
11.根据权利要求10所述的磁共振断层成像仪，其中，所述磁共振断层成像仪(1)还具有用于冷却热源(12)的冷却剂循环(51，70，71，72)，其中，用于热耦合的机构(52)与冷却剂循环(51，70，71，72)热接触。
12.根据上述权利要求中任一项所述的磁共振断层成像仪，其中，所述第一热耦合具有用于在热源(12)与所述设备(50，60)之间的第一热传输的第一时间常数，在天线装置(14，15)与热源(12)之间的第二热耦合具有第二时间常数，其中，所述第一热耦合被设计为使得对于磁共振断层成像仪(1)的预定工作模式，天线装置(14，15)具有基本上不变的第一电特性。
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