CN110161437A - 用于磁共振设备的发送天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于磁共振设备(1)的发送天线，其具有围绕中心线(48)在圆周方向上彼此间隔地布置的、平行于中心线(48)延伸的多个天线导体(8‑23)和平行于中心线(48)延伸的、包围天线导体(8‑23)的屏蔽元件(6，45)，其中对于至少一对天线导体(8‑23)，该对中的第一天线导体(8‑23)与屏蔽元件(6，45)之间的径向距离(25，26，27)小于该对中的第二天线导体(8‑23)与屏蔽元件(6，45)之间的径向距离(25，26，27)，其中第一天线导体(8‑23)在圆周方向上的宽度小于第二天线导体(8‑23)在圆周方向上的宽度和/或第一天线导体(8‑23)的轴向端部(42，43)经由比第二天线导体(8‑23)的轴向端部(42，43)更大的电容(38‑40)相互耦合。

Description

用于磁共振设备的发送天线

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振设备的发送天线，其具有围绕中心线在圆周方向上彼此间隔地布置的、平行于中心线延伸的多个天线导体以及平行于中心线延伸的、在圆周方向上包围天线导体的屏蔽元件，其中对于至少一对天线导体，该对中的第一天线导体与屏蔽元件之间的径向距离小于该对中的第二天线导体与屏蔽元件之间的径向距离。

背景技术

磁共振断层成像已经成为用于三维成像的常用方法，特别是在医学成像中。在此，在对象中、例如在患者中由高频的电磁波激励核自旋并且在该激励衰减时接收发射的电磁波并且为了成像而进行分析。入射相应的高频波的一种可能性是圆柱形的天线，其在其内部空间中容纳检查对象或者检查对象的一部分。在此使用多个平行的天线导体，其特别是沿着圆柱体的外罩表面布置。为了避免干扰测量范围之外的其他设备，这些天线导体被屏蔽元件、例如圆柱形的屏蔽包围。这种发送天线通常经由间隔的接头点馈送具有90°相位偏移的相同的激励信号，以便提供圆极化B1场以激励核自旋。根据文献DE 10 2008 006 117A1，通过调整激励或者天线几何形状还可以实现发射波的椭圆极化。

为了改善磁共振断层成像的可用性，尽可能便宜且小型地实现磁共振断层成像是有利的。将其实现一种方法是减小在磁共振断层成像设备中使用的全身天线的内部空间的高度。为了仍然能够实现用于容纳检查对象、特别是患者的足够宽度，在此可以要求在布置天线导体时或者在塑造所使用的屏蔽元件时偏离通常的圆柱面形状。在此，迄今的问题在于，B1场的均匀性以及由此通常能够达到的测量质量随着与圆柱体外罩表面形状的偏差的增加而降低。此外，这种偏差还会导致电流不均匀地分布到不同的天线导体上，这一方面导致更高的组件负荷，并且另一方面增加了检查对象的接近高电流天线导体的部段的比吸收率。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题是，至少部分地补偿在发送天线的成本或者结构空间优化的结构形式中提到的缺点。

根据本发明该技术问题如下解决：在前面提到的类型的发送天线中，第一天线导体在圆周方向上的宽度小于第二天线导体在圆周方向上的宽度和/或第一天线导体的轴向端部经由比第二天线导体的轴向端部更大的电容相互耦合。

在本发明的范围中已经认识到，开头解释的在天线导体的布置或者屏蔽元件的形状偏离理想的圆柱形状情况下的缺点主要是如下引起的：由于天线导体距屏蔽元件的不同的径向距离，各个天线导体的电感并且因此针对所使用的高频信号的交流电阻在天线导体之间发生变化。在天线导体的相同设计的情况下，各个天线导体的电感并且因此其交流电阻随着距屏蔽元件的径向距离的增加而增加。由此，对于距屏蔽元件的径向距离相对小的天线导体形成相对大的电流，反之亦然。

根据本发明，现在建议偏离天线导体的相同设计，其中天线导体的宽度或者集成到天线导体中的电容大小发生变化。通过对于靠近屏蔽元件延伸的天线导体，将天线导体在圆周方向上的宽度减小，和/或通过相比于更远离的天线导体更大地选择连接到该天线导体上的电容，可以至少部分地补偿上面描述的交流电阻的变化并且因此至少部分地补偿天线导体之间的电流的变化。由此，当要发射圆极化B1场时，可以改善其均匀性。此外，由于天线导体上的平均的电流分布，可以减少或者避免发送天线的最大组件负荷和比吸收率的局部最大值。

通过考虑靠近导电壁的直电线的电感的理论方程，可以估计有利的宽度。例如，如果屏蔽元件近似为理想的导电壁并且天线导体近似为直电线，则电感与由相应天线导体距屏蔽元件的两倍距离和电线直径形成的系数的对数成比例。因此在第一近似中，可以分别选择天线导体的宽度，使得由距离和宽度形成的系数近似恒定。更好的近似可以通过更复杂的模型计算确定，并且特别是通过使用三维的场仿真确定。

随着距离的增加使用越来越小的电容可以作为补充或替换用于平衡天线导体的交流电阻。在此，天线导体可以视为是寄生电感与另外连接到天线导体的电容的串联电路。这对应于具有取决于频率的交流电阻的串联振荡电路，其中从导电电线、即近似无穷大的电容出发，交流电阻随着下降的电容首先下降直至低于对应于当前频率下的纯谐振回路的谐振情况的电容阈值。如果不使用过小的电容，则随着相应的天线导体距屏蔽元件的距离的增加使用更小的电容导致至少部分地补偿通过距离变化形成的交流电阻的变化。所使用的电容又可以利用发送天线的相应模型和近似来计算，或者例如在使用三维的场仿真的优化问题的解决方案的范围中确定。

所描述的用于补偿交流电阻的方法，即天线导体的宽度的变化或其电容的变化，可以仅用于一对天线导体。然而，上述关于天线导体的宽度或者其集成电容的关系特别适用于距屏蔽元件具有不同的径向距离的任意对的天线导体。由此可以部分地补偿由于天线导体分布或屏蔽元件的形状偏离圆柱形状而导致的不同天线导体之间的电感或者交流电阻的偏差。

发送天线的基本结构可以对应于笼天线的已知结构。天线导体可以由例如导体轨道形式的条形天线，或者由电线形成。在轴的端侧可以分别设置端环，经由该端环耦合不同的天线导体。特别是能够与天线导体导电连接的各个端环部分可以导电地或者通过容性耦合、特别是通过屏蔽元件与相邻的端部导体部分耦合。此外，发送天线可以近似具有圆柱形状，其中例如可以通过略微椭圆形的变形或者削平、即所谓的D形来偏离圆柱形状。术语轴向，即在中心线的方向上、径向和在圆周方向上，是从该基本形状中导出的。

在迄今的天线导体宽度变化的讨论中忽略了，这种变化也可能导致由于变化的导线直径引起的电阻变化。然而，由于用于磁共振设备的发送天线以高的发送频率发送，因此与由宽度变化引起的交流电阻(即阻抗的虚部)的变化相比，通常可以忽略阻抗的实部中的这种变化。然而，在发送天线的更复杂的优化过程中，例如通过使用三维的场仿真，当然可以考虑阻抗的实部的这种变化，例如以便实现对场均匀性的进一步改善。

天线导体可以沿着垂直于中心线的椭圆或者沿着一侧削平的圆形布置和/或垂直于中心线的屏蔽元件的横截面可以是椭圆形的或者具有一侧削平的圆形的形状。因为例如安置在患者卧榻上的患者的高度远小于该患者卧榻的侧向延伸，通过椭圆形状或者这种类型的削平，发送天线可以以较小的高度构造实现。削平的圆形形状在此特别是理解为圆形一部分中的圆半径的放大或者完全的展平。具有较大的弯曲半径的部段或者削平的部段特别是可以在患者卧榻的下方延伸或者在用于安置检查对象的另一个设备的下方延伸。发送天线的这种形状也称为D形。

对于预先给定的发送频率，所有天线导体的阻抗或者阻抗的虚部可以基本相同。在此，基本相同的阻抗应理解为在天线导体之间最大变化10％、优选最大变化5％、1％或0.5％的阻抗。换言之，对于相同施加的电压，基本上有相同的天线电流流过天线导体。如果发送天线现在通过两条馈电线发送具有相同幅度和90°相位偏移的发射信号，则可以发射基本上均匀的圆极化B1场。

天线导体在其端部可以具有端环部段，其中在发送天线的圆周方向上，相邻的端环部段容性地或者导电地耦合，其中，一对天线导体的端环部段在发送天线的轴向方向和/或圆周方向上的延伸是彼此不同的。特别是可以如下选择端环部段的尺寸，使得由相应的端环部段和径向相对的屏蔽元件的部段形成的电容和/或由这些部段的相互作用形成的电感对于所有端环部段基本相同。这使得不仅可以补偿天线导体本身对所形成的交流电阻的影响，而且还可以补偿端环部段的影响，由此可以进一步改善所产生的B1场的均匀性。

除了根据本发明的发送天线之外，本发明还涉及一种磁共振设备，其包括发送天线和信号发生器，信号发生器被设计为用于向发送天线提供至少一个高频信号，其中发送天线是根据本发明的发送天线。优选地，信号发生器或者连接在信号发生器和发送天线之间的信号分配器可以提供两个高频信号，这两个高频信号输送到发送天线的单独的接头，其中高频信号具有90°的相位偏移和/或相同的振幅。因此对于根据本发明的天线导体和屏蔽元件之间的距离发生变化的发送天线可以使用如同用于天线导体和屏蔽元件之间的距离对于所有天线导体相同的发送天线的简单的控制方法。通过调节天线导体的宽度或者改变天线导体的电容可以避免形成圆极化B1场的不均匀性或者可以至少最大程度上减小这种不均匀性。

一方面，天线导体可以沿着垂直于纵向轴线的椭圆布置或者沿着一侧削平的圆形布置，或者另一方面，垂直于中心线的屏蔽元件的横截面可以是椭圆形的或者具有一侧削平的圆形的形状，其中，在两种情况下，椭圆的主轴平行于检查对象的安置平面、特别是平行于患者卧榻延伸，或者圆形的相应的削平的部段在安置平面下方延伸。通过所描述的方法可以减小发送天线的结构高度，并且因此特别是在发送天线作为容纳检查对象的全身天线使用的情况下可以减小磁共振设备的总的结构高度。

本发明还涉及一种用于制造用于磁共振设备的发送天线的方法，其中发送天线由围绕纵向轴线在圆周方向上彼此间隔地布置的、平行于纵向轴线延伸的多个天线导体和平行于其纵向轴线延伸的、包围天线导体的屏蔽元件构成，其中至少一对天线导体被布置为，使得该对的第一天线导体和屏蔽元件之间的径向距离小于该对的第二天线导体和屏蔽元件之间的径向距离，其中，选择第一天线导体在圆周方向上的宽度小于第二天线导体在圆周方向上的宽度和/或第一天线导体的轴向端部经由比第二天线导体的轴向端部更大的电容相互耦合。根据本发明的方法可以利用关于根据本发明的发送天线或者根据本发明的磁共振设备阐述的具有在那里提及的优点的特征来扩展，反之亦然。

天线导体的宽度和/或耦合各个天线导体的端部的电容可以通过用于优化圆极化B1场的场均匀性的优化问题的解决方案在发送天线的给定的激励的情况下确定。优化可以迭代地执行，其中可以执行预先给定数量的优化步骤或者重复优化步骤直到该方法收敛，即特别是保持与理想的均匀性的预先给定的最大偏差。在优化的过程中，特别地可以使用三维的场仿真。

附图说明

根据下面描述的实施例和相关联的附图给出本发明的其他优点和细节。附图中示意性地：

图1示出了根据本发明的磁共振设备的实施例，其包括根据本发明的发送天线的实施例，

图2和图3示出了根据本发明的发送天线的实施例的展开的细节图示，和

图4示出了根据本发明的发送天线的另一个实施例。

具体实施方式

图1示出了磁共振设备1的实施例，为清楚起见仅示出了对于本发明重要的部件。信号发生器2产生高频信号4、5，这些高频信号经由发送天线24的信号分配器3馈送，以便将圆极化B1场入射到检查体积中。通过该B1场可以激励检查对象49的组织以执行磁共振断层成像。为了清楚起见没有示出用于提供主磁场以及梯度磁场的设备，以及没有示出接收天线、处理设备或者磁共振设备1的不直接用于提供B1场的其他部件。

信号分配器3将幅值相同但相位偏移90°的高频信号4、5馈送到发送天线24的两个接头点。如果发送天线24是圆柱对称的并且具有沿着圆柱表面分布的相同的天线导体，则由此导致发射均匀的圆极化B1场。

然而，在所示的实施例中，天线导体8至10固定在椭圆形的支撑元件7上、例如固定在塑料支撑件上，而屏蔽元件6还基本上是圆柱形的。这种布置可以是有利的，因为安置平面32(在实施例中是患者卧榻)以及在其上安置的检查对象49(即患者)在图像的横向方向上比在垂直方向上具有明显更多的空间需求。因此，为了减小磁共振设备1的空间需求并且为了降低其成本，有利的是，垂直于图像平面并且平行于发送天线24的中心线48延伸的天线导体8沿着椭圆形状布置，而屏蔽元件仍然是圆形的或者反之。在此，椭圆的主轴31优选地平行于安置平面32。

在这种布置中，天线导体8至10距屏蔽元件6的径向距离25至27发生变化。屏蔽元件6是处于限定电位、特别是地电位的导体。由于天线导体8至10距屏蔽元件6的不同的距离25至27，在天线导体8至10的相同设计的情况下对于天线导体10形成最小的电感，并且由此形成最小的交流电阻，而对于天线导体8形成最大的电感，并且由此形成最大的交流电阻。因此，通过天线导体10流过比天线导体8明显更大的电流，由此可能形成不均匀的B1场以及高的部件负荷和通过检查对象49的局部较高的比吸收。为了将其抵消，对于相对接近屏蔽元件6的天线导体10选择比相对远离屏蔽元件6的天线导体8的宽度28更小的宽度30。对于具有中等距离26的天线导体9选择中等宽度29。

为了进一步说明该原理，在图2中示出了另一个发送天线37的展开详细视图，其仅示出了发送天线的天线导体11至14以及用于耦合天线导体11至14的环部段33至36。发送天线37包括十六个天线导体11至14，其中仅示出了布置在发送天线37的上半部分中的八个天线导体11至14。在图像中心示出的天线导体11与未示出的屏蔽间隔很远，并且因此被设计地特别宽。朝着一侧，对于天线导体12、13和14，距未示出的屏蔽元件的距离越来越小，因此天线导体12、13、14的宽度逐渐减小。由此可以实现天线导体11至14基本上具有相同的电感，因此这些天线导体也基本上可以具有相同的交流电阻。由此形成均匀的电流分布，并且因此产生均匀的B1场。

各个天线导体11至14的耦合，如对于根据现有技术已知的相应的发送天线那样，通过与各个天线导体11至14相关联的端环部分33至36实现。在图1中示出的用于高频信号4、5的馈电线例如可以与端环部段33至36中的两个连接。不同的端环部段33至36分别电容性地与直接相邻的端环部段33至36耦合。这可以通过中间连接的电容器来实现，但是优选地，耦合以如下方式实现，即，两个相邻的端环部段33至36容性地通过未示出的屏蔽耦合。替换地，还可以将端环部段33至36导电连接。

除了天线导体11至14的电感之外，端环部段33至36的设计也影响流过各个天线导体11至14的电流。如图2所示，因此可以有利的是，端环部段在发送天线37的轴向方向上和/或在圆周方向上的延伸依据相应的天线导体11至14以及其端环部段33至36距未示出的屏蔽元件的距离进行调节。

在一些情况下，参考图1和图2讨论的天线导体8至14的宽度的变化可能不是期望的或者不足以实现均匀电流流过天线导体8至14。作为宽度调节的补充或者替换，如图3中示意性示出的，在天线导体15至17中使用附加的电容，以便相互平衡不同的天线导体15至18的总的交流电阻。在图3中示出的发送天线41的图示和基本结构对应于在图2中示出的发送天线37的图示和结构。因此，在图3中，未示出的屏蔽元件与中心所示的天线导体15之间的距离最大，而天线导体16、17、18的距离逐渐减小并且对于天线导体18达到距离的最小值。

在所示实施例中，对于最靠近屏蔽安置的天线导体18，没有使用在天线导体18的轴向端部42、43之间连接的电容。因此，天线导体18的交流电阻基本上仅取决于其电感。如之前所描述的，在天线导体15至17的相同设计的情况下，电感将随着距屏蔽的距离的增加而逐步增加。为了补偿电感的这种增加并且实现天线导体15至18的基本上相同的交流电阻，在天线导体15至17中使用电容38至40，其中电容38是最小的容量，电容40是最大的容量。原则上，在天线导体18中同样可以使用附加的电容，其甚至大于电容40。然而，由于直导体具有近似无穷大的电容，因此不需要使用这种电容。

通过设置电容38至40，天线导体15至17作为串联振荡电路起作用。这意味着，对于预先给定的频率，随着电容的减小，天线导体的交流电阻的值首先减小，直至其达到谐振调节之后再次增加。如果天线导体欠谐振地(unterresonant)运行，则天线导体15中的最小的电容38由此导致交流电阻最强的减小。这使得可以选择电容38至40，使得基于距屏蔽的距离的增加而增加的天线导体15至17的电感通过设置这种附加的电容来精确地或者至少近似地补偿。

图4示出了发送天线46的另一个实施例，其与图1所示的发送天线24的区别在于，支承天线导体19至22的支承元件44不是椭圆形的，而是具有削平的圆形的形状或者D形。通过具有较大的曲率半径的圆形的支承元件44的削平的部段47在安置平面32的下方延伸，支承元件44对于用于检查对象49的相同的空间供应可以达到总共更小的结构高度。

此外，如果使用圆形横截面的屏蔽元件45，则在这种情况下也形成天线导体19至23与屏蔽元件45的径向距离的变化。天线导体19和20具有距屏蔽元件45的最大距离。为了将其补偿，天线导体19和20也具有最大的宽度。作为替换或者补充，如前面所述，可以在天线导体19和20的端部之间连接相对小的电容。天线导体21和22靠近屏蔽元件45的壁布置，并且因此设计得相对较窄或者具有相对大的电容或者没有电容。天线导体23具有中等的距离，因此也具有中等的宽度或者中等的电容。

因此，之前所述的方法还可以用于将天线导体19至23布置在削平的圆形或者D形中的情况，从而实现天线导体19至23之间的电流的均匀分布，并且由此还实现高的场均匀性。仿真已经表明，在与图4所示的结构类似的结构中，对于相同的条宽度(Stabbreite)电流在不同条之间变化超过50％，而对于优化的条宽度，变化能够减小到大约10％。通过所述方法由此可以实现场均匀性的显着改善以及检查对象负荷的减小或者发送天线的部件负荷的减小。

所示示例假设天线导体8至23的布置偏离圆形形状，而屏蔽元件保持圆形形状。当然，屏蔽元件还可以附加地或者替换地偏离圆形形状。在这种情况下，对于不同的天线导体形成距屏蔽元件的不同距离。由此形成的电流分布或者B1场的不均匀性可以如上所阐述地进行补偿。

虽然通过优选的实施例详细地说明和描述了本发明，但是本发明不限于所公开的示例并且本领域技术人员可以从中导出其它方案，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于磁共振设备(1)的发送天线，所述发送天线具有围绕中心线(48)在圆周方向上彼此间隔地布置的、平行于中心线(48)延伸的多个天线导体(8-23)和平行于中心线(48)延伸的、包围天线导体(8-23)的屏蔽元件(6，45)，其中对于至少一对天线导体(8-23)，该对中的第一天线导体(8-23)与屏蔽元件(6，45)之间的径向距离(25，26，27)小于该对中的第二天线导体(8-23)与屏蔽元件(6，45)之间的径向距离(25，26，27)，其特征在于，第一天线导体(8-23)在圆周方向上的宽度小于第二天线导体(8-23)在圆周方向上的宽度和/或第一天线导体(8-23)的轴向端部(42，43)经由比第二天线导体(8-23)的轴向端部(42，43)更大的电容(38-40)相互耦合。

2.根据权利要求1所述的发送天线，其特征在于，所述天线导体(8-23)沿着垂直于中心线(48)的椭圆或者沿着一侧削平的圆形布置和/或垂直于中心线(48)的屏蔽元件(6，46)的横截面是椭圆形的或者具有一侧削平的圆形的形状。

3.根据权利要求1或2所述的发送天线，其特征在于，对于预先给定的发送频率，所有天线导体(8-23)的阻抗或者阻抗的虚部基本相等。

4.根据上述权利要求中任一项所述的发送天线，其特征在于，所述天线导体(8-23)在其端部具有端环部段(33-36)，其中在发送天线(24，37，41，46)的圆周方向上，相邻的端环部段(33-36)容性地或者导电地耦合，其中，一对天线导体(8-23)的端环部段(33-36)在发送天线(24，37，41，46)的轴向方向和/或圆周方向上的延伸是彼此不同的。

5.一种磁共振设备，其包括发送天线(24，37，41，46)和信号发生器(2)，所述信号发生器被设计为用于向发送天线(24，37，41，46)提供至少一个高频信号(4，5)，其特征在于，所述发送天线(24，37，41，46)是根据上述权利要求中任一项所述的发送天线(24，37，41，46)。

6.根据权利要求5所述的磁共振设备，其特征在于，所述信号发生器(2)或者在信号发生器(2)和发送天线(24，37，41，46)之间连接的信号分配器(3)提供两个高频信号(4，5)，所述两个高频信号被输送到发送天线(24，37，41，46)的单独的接头，其中所述高频信号具有90°的相位偏移和/或相同的振幅。

7.根据权利要求5或6所述的磁共振设备，其特征在于，一方面，所述天线导体(8-23)沿着垂直于中心线(48)的椭圆布置或者沿着一侧削平的圆形布置，或者另一方面，垂直于中心线(48)的屏蔽元件(6，45)的横截面是椭圆形的或者具有一侧削平的圆形的形状，其中在所述两种情况下，椭圆的主轴(31)平行于检查对象(49)的安置平面(32)、特别是平行于患者卧榻延伸，或者圆形的相应的削平的部段(47)在安置平面(32)下方延伸。

8.一种用于制造用于磁共振设备(1)的发送天线(24，37，41，46)的方法，其中所述发送天线(24，37，41，46)由围绕中心线(48)在圆周方向上彼此间隔地布置的、平行于中心线(48)延伸的多个天线导体(8-23)和平行于中心线(48)延伸的、包围天线导体(8-23)的屏蔽元件(6，45)构成，其中至少一对天线导体(8-23)被布置为，使得该对中的第一天线导体(8-23)与屏蔽元件(6，45)之间的径向距离(25，26，27)小于该对中的第二天线导体(8-23)与屏蔽元件(6，45)之间的径向距离(25，26，27)，其特征在于，选择第一天线导体(8-23)在圆周方向上的宽度(28，29，30)小于第二天线导体(8-23)在圆周方向上的宽度(28，29，30)和/或第一天线导体(8-23)的轴向端部(42，43)经由比第二天线导体(8-23)的轴向端部(42，43)更大的电容(38-40)相互耦合。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过用于优化圆极化B1场的场均匀性的优化问题的解决方案在发送天线(24，37，41，46)的给定的激励的情况下确定所述天线导体(8-23)的宽度和/或耦合各个天线导体(8-23)的端部(42，43)的电容(38，39，40)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在优化的过程中使用三维的场仿真。