CN1975455A

CN1975455A - 用于磁共振应用的谐振器

Info

Publication number: CN1975455A
Application number: CNA2006101435627A
Authority: CN
Inventors: 威尔弗里德·施内尔; 马库斯·维斯特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers AG
Priority date: 2005-11-28
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: JP4354981B2; US7579835B2; CN1975455B; KR20070055969A; JP2007147624A; DE102005056602A1; DE102005056602B4; US20070120629A1; KR101326638B1

Abstract

一种用于磁共振应用的谐振器，具有一个从第一导体端(2)延伸到第二导体端(3)的导体元件(1)。在该导体元件(1)按照共振频率(f)的运行中，共振电流(I)在该导体元件(1)中在第一导体端(2)至第二导体端(3)之间来回地振荡。所述导体端(2，3)通过线路(4)相互耦合，借助于该线路所述导体元件(1)被调谐到所述共振频率(f)上。所述导体元件(1)构成为带有多个层(5)的多层导体，这些层具有在所述导体端(2，3)上的层末端(6，7)。所述线路(4)这样构成，使得在所述导体元件(1)按照所述共振频率(f)的运行时，在所述层(5)中流动彼此大小相等的层电流(I1，I2，I3)。

Description

用于磁共振应用的谐振器

技术领域

本发明涉及一种用于磁共振应用的谐振器，其具有一个从第一导体端延伸到第二导体端的导体元件。

背景技术

这种谐振器是一般地公知的。例如，DE 10314215A1(以及对应的US6943551B)公开了一种用于磁共振应用的谐振器，其具有一个从第一导体端延伸到第二导体端的导体元件。在该导体元件的运行中，共振电流按照共振频率在该导体元件中在第一导体端至第二导体端之间来回地振荡。该导体元件通过对应的线路调谐到该共振频率上。在DE 10314215A1(以及对应的美国专利)中，导体元件是鸟笼形谐振器的天线杆，该鸟笼形谐振器具有其它的天线杆、端环、轴向上居中地环绕该鸟笼形谐振器的环形导线以及至这些环形导线的连接导线。上面提到的元件可以是一个多层印刷线路薄膜的组成部分。

如同许多其它谐振器一样，用于磁共振应用的谐振器具有一个从第一导体端延伸到第二导体端的导体元件。如同其它谐振器一样，在该导体元件的运行中，共振电流按照共振频率在该导体元件中在第一导体端至第二导体端之间来回地振荡。在此，如果将导体元件调谐到共振频率上，那么共振电流就特别高。

在磁共振应用中，磁共振装置的运行所依照的拉莫尔频率，一方面取决于磁共振装置的基本磁场的强度，另一方面取决于应该检测其受激自旋的元件。对于(作为最经常的应用情形的)氢来说，旋磁系数例如为大约42.2MHz/T。

通常，以介于0.2至1.5T之间的基本磁场运行磁共振装置。最近还公开了具有较强基本磁场的磁共振装置，特别是3T、在某些情况下甚至直到5T以及更高的基本磁场。与此对应地，磁共振装置的拉莫尔频率通常在约8.5MHz和约63.5MHz之间，在个别情况下还更高。

拉莫尔频率是在磁共振应用中谐振器必须调谐到的频率。也就是说，在理想情况下其对应于谐振器的共振频率。

如一般地公知的那样，如果导体元件的长度是共振频率波长的一半，则在没有其它措施的条件下该导体元件在该共振频率下共振。如通过简单的验算给出的那样，由此，λ/2杆的长度在具有1.5T的基本磁场的磁共振装置中为约2.5cm。这种长度在用于磁共振应用的谐振器中完全是不可实现的。例如，整体天线的天线杆具有通常为40cm的长度，而在实践中不超过60cm。局部线圈经常甚至更小。出于这种原因，在用于磁共振应用的谐振器中如果没有其它措施的话，不可能通过对导体元件的对应的尺寸参数设置而实现调谐到拉莫尔频率上。而是一般地常见地是，将导体端通过对应的线路相互耦合，其中，该线路起到将导体元件调谐到共振频率上的作用。本发明就是以这种构造的谐振器为出发点的。

即使在用于磁共振应用的谐振器中导体元件比在该导体元件中振荡的共振电流的半个波长显著地更短，该共振电流仍然是高频的。不过，在高频电流的条件下出现了所谓的趋肤效应：共振电流不再在导体元件的整个横截面上流动，而是仅仅还在边沿区域流动。在此，该边沿区域具有一个由组成导体元件的材料的共振频率确定的趋肤深度(Skintiefe)。也就是说，由于趋肤效应共振电流仅仅还在导体元件横截面的一小部分中流动，由此提高了导体元件的有效电阻。在此，测量给出了一个与共振频率的平方成正比的增加。

尽管可以考虑通过冷却或者通过采用超导材料来减小导体元件的有效电阻。不过，这种措施意味着巨大的技术开销，并且此外还形成了对于在磁共振装置中接受检查的患者的安全风险。因此，它们在实践中的磁共振装置中一般不被采用。

同样，在实践中还排除了高频绞合线的使用。因为绞合线导体仅仅在直到数兆赫兹、典型地为2至4MHz的频率的条件下才减小了电阻。

已经公开了构成为带有多个层的多层导体的导体元件。这点例如参见US-A-2769148和US-A-6148221。在这种情况下，如果单个的层具有比趋肤深度更小的层厚度，则可以利用这种导体元件显著地降低在共振频率下的有效电阻。在此，这些层可以或者是相互地同心的(所谓的Clogston导体，见US-A-2769148)，或者是平面的(见例如US-A-6148221)。如果这种导体元件可以应用到用于磁共振应用的谐振器，则具有优点。不过，使用多层导体作为导体元件不会容易地实现有效电阻的期望的减小。

更精确的检查说明，问题在于：在一个从实心导体(Massivleiter)或外部线路至多层导体的过渡之后，只有以一个大于与共振频率对应的波长的长度才可以实现共振电流在该多层导体的单个层上的最佳分配。如上所述，因为用于磁共振应用的谐振器具有一个明显小于共振频率的波长的长度，因此不能调整该电流分布。此外，多层导体的微小的不均匀性就已经导致可能得到的电阻减小的显著的减小。因此，将多层导体应用到用于磁共振应用的谐振器在实践中被视为没有意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，实现一种用于磁共振应用的谐振器，其中有效电阻明显地比在实心导体中更小。

上述技术问题是通过本发明开始部分提到类型的谐振器如下地解决的：

-所述导体元件构成为带有多个层的多层导体，这些层具有在所述导体端上的层末端，以及

-所述线路这样构成，使得在所述导体元件按照所述共振频率的运行条件下，在所述层中流动彼此相等大小的层电流。

因为将导体元件作为多层导体构成，因而尤其产生了将导体元件的有效电阻相对于实心导体显著地降低的可能性。由于起到在多个层中均匀电流分布的作用的线路的结构，这种可能性也可以实际地被利用。

所述线路可以直接将两个导体端相互耦合。通常，在环形构成的谐振器中采用这种方式，即特别是在局部线圈中采用。不过，所述线路也可以通过一个接地表面(Massenflche)将两个导体端相互耦合。通常，在杆形结构的谐振器中采用这种方式，即特别是在整体线圈中采用。

就这种线路的实施方式而言，可以有不同的方式方法。

例如，所述线路可以将所述层末端以使所述层相互串联的方式相互连接。

由于由此延长了导体元件的有效长度，因而可能出现：导体元件的有效长度与在所述共振电流的电流流动方向的第一个串联的层和在所述共振电流的电流流动方向的最后一个串联的层的固有的、不可避免的寄生电容耦合相结合，恰好形成了至运行频率所需要的调谐。在这种特殊情况下，这两个层不借助于电气部件直接相互连接。

不过，单个层的简单依次连接通常不形成至运行频率所需要的调谐。因此，在所述共振电流的电流流动方向的第一个串联的层和在所述共振电流的电流流动方向的最后一个串联的层，通常借助于第一电容器直接相互连接。

导体元件至共振频率的调谐可以仅仅借助于该第一电容器进行。不过，该调谐也可以借助于多个电容器实现。在这种情况下，所述线路具有至少一个与所述第一电容器串联的第二电容器。在此，在共振电流的电流流动方向上，在所述第一电容器和第二电容器之间设置至少一个层。在这种实施方式下，尤其可以在每两个在共振电流的电流流动方向相互相邻的层之间分别设置一个电容器。

作为对层的串联的替换，所述线路也可以将所述层末端以使所述层相互并联的方式相互连接。在这种情况下，对于每个层所述线路具有一个专门对应于该层的阻抗匹配电路，该阻抗匹配电路直接地与专门与其相对应的层的层末端之一连接。在此，该阻抗匹配电路优选地分别具有电容器和/或线圈。

在层的并联中，每个所述阻抗匹配电路也可以还直接地与专门与该阻抗匹配电路相对应的层的另一个层末端连接。也就是说，在这种情况下所述层被相互独立地调谐至共振频率。

每个所述阻抗匹配电路还可以通过这些阻抗匹配电路共同的连接区域与专门与该阻抗匹配电路相对应的层的另一个层末端连接。在这种情况下，尤其在所述共同连接区域中设置有剩余线路(Restbeschaltung)。在此，与阻抗匹配电路类似，所述剩余线路优选具有电容器和/或线圈。

可以将所述层构成为在横截面中看起来是完整的。不过，所述层也可以分别具有多个条纹。在后一种情况下，所述线路优选地这样构成，使得在所述导体元件按照所述共振频率的运行条件下，在所述条纹中流动每个层中彼此相等大小的条纹电流。因此，由此可以对电阻的减小进行优化。在此，为了实现相等大小的条纹电流，可以采用上面解释的用于实现相等大小的层电流的类似措施。

在多层导体的情况下，将单个层分割成多个条纹本身已经是公知的。不过，与公知的方式方法不同，在本发明的范围中，所述条纹可以具有大于组成该条纹的材料在所述共振频率下的趋肤深度的条纹宽度。

附图说明

本发明的其它优点和细节由下面结合附图对实施方式的描述给出。

在此，以原理图示出：

图1表示用于磁共振应用的谐振器的原理性结构，

图2和图3表示图1的谐振器的可能的横截面，

图4表示另一种用于磁共振应用的谐振器的原理性结构，

图5和图6表示图4的谐振器的可能的横截面，

图7至图12表示用于图1至图6的谐振器的可能的线路，

图13表示图1的谐振器的另一种可能的横截面，

图14表示图1或者图4的谐振器的另一种可能的横截面。

具体实施方式

根据图1，用于磁共振应用的谐振器具有一个从第一导体端2延伸到第二导体端3的导体元件1。在该导体元件1按照共振频率f的运行中，共振电流I在该导体元件1中在第一导体端2至第二导体端3之间来回地振荡。

在磁共振应用中，共振频率f对应于磁共振装置的拉莫尔频率fL。因此，导体元件1在一个明显地小于与共振频率f对应的波长的一半的长度1上延伸。导体端2、3通过线路4相互耦合，其中，借助于该线路4导体元件1被调谐到共振频率f上。

图1的导体元件1基本上环形地延伸。因此，线路4可以将两个导体端2、3直接地相互耦合。这种实施方式一般地出现在局部线圈中。

根据图2和图3，导体元件1作为多层导体构成。也就是说，其具有多个带有在导体端2、3上的层末端6、7的层5。在此，单个的层5具有小于组成层5的材料在共振频率f的条件下的趋肤深度的层厚度d。

根据图2，单个的层5相互同心地设置。根据图3，单个的层5平行于接地表面8延伸。就本发明的方式方法来说，两种实施方式是等价值的。因此，实际上采用哪种实施方式取决于超出本发明的范围的、特别是具体的应用的具体情况。

图4示出了一种用于磁共振应用的谐振器，其具有一个从第一导体端2延伸到第二导体端3的导体元件1。在此，在该导体元件1按照共振频率f的运行中，共振电流I同样在该导体元件1中在第一导体端2至第二导体端3之间来回地振荡。此外，在这里也有线路4，导体端2、3由其相互耦合。该线路4再次将导体元件1调谐到共振频率f上。但是，因为在图4的实施方式中导体元件1是杆形延伸的，因此需要有一个接地表面8。因为只有借助于该接地表面8线路4才可以将导体端2、3相互耦合。

如从图5和图6中看出的那样，图4的导体元件1也构成为多层导体。也就是说，其同样具有多个带有在导体端2、3上的层末端6、7的层5。在此，图5和图6之间的区别在于，在按照图5的实施方式中接地表面8同样是构成多层导体，而在图6的实施方式中接地表面8构成为单层或者实心的。在这里，层厚度d同样小于趋肤深度。

在图2、图3、图5和图6中分别示出了具有三个层5的导体元件1。在下面结合图7至图12对本发明的描述中，保持层的该数目。不过，三个层5的数目是纯粹示例性的和仅仅用于解释的。也可以容易地采用层5的其它数目，特别是显著更大的数目。此外，需要指出的是，在图7至图12中示出的导体元件1既可以是图1至3的导体元件1，也可以是图4至图6的导体元件1。必要时，在图7至12中示出的层末端6、7的连接是通过图4至图6的接地表面8进行的。

如果仅仅要求将导体元件1调谐至共振频率f上，则对应于图7构造的线路4就足够了。根据图7，线路4仅仅具有一个与所有层5直接连接的唯一的阻抗匹配电路9。在这种情况下，阻抗匹配电路9仅仅需要具有电容器10和/或线圈11。通常，甚至只要存在两个元件10、11之一(即或者电容器10或者线圈11)就足够了。这样，在各层5流动着层电流I1、I2、I3，它们相加构成共振电流I。不过，在各层5流动的层电流I1、I2、I3总是大小不相等的。其原因在于，总是不可避免的各层5相互间的加工造成的公差。不过，按照本发明，线路4这样构成，使得在导体元件1按照共振频率f的运行下，层电流I1、I2、I3彼此大小相等。下面将结合图8至图12更详细地说明如何在图1至图6的谐振器中实现这点。

根据图8、图9和图10，线路4将层末端6、7这样相互错接，使得层5相互串联。这种结构可以结合图1至图5实现，但是不能结合根据图6的实施方式实现。

根据图8，在共振电流I的电流流动方向上的第一个串联的层5和在共振电流I的电流流动方向上的最后一个串联的层5，不借助于线路4的电气部件相互连接。在这种情况下，在两个不相互连接的层5之间的电容耦合仅仅通过一个(或多个)不可避免的寄生电容而构成。

根据图8的线路在下列个别情况下是有意义的，如果由于层5的厚度、层5相互间的距离以及在层5之间设置的绝缘材料12(见图2、3、5和6)的介电常数而给出了至共振频率f所需要的调谐。不过，在一般的情况下，要求对应于图9和图10采用进一步的措施。

例如，根据图9，在共振电流I的电流流动方向上的第一个串联的层5和在共振电流I的电流流动方向上的最后一个串联的层5借助于线路4的电容器13相互连接。在此，下面将该电容器13称为第一电容器13。

在根据图8和图9的实施方式中，在单个的层5之间可能形成相对大的电位差。因此，通常优选的是具有对应于图10的其它电容器14，下面称为第二电容器14。第二电容器14与第一电容器13串联。在此，按照共振电流I的电流流动方向在第一电容器13和第二电容器14之间总是设置至少一个层5。同样，在第二电容器14相互之间也分别设置至少一个层5。由此，可以避免或者至少减小否则会出现的损耗。

根据图10，线路4同样具有与层5的数目一样多的多个电容器13、14。这种结构是尤其优化的。

与图8至图10不同，在图11和图12中线路4将层末端6、7这样相互错接，使得各层5相互并联。在这种情况下，对于每个层5线路4具有一个专门与该层相对应的阻抗匹配电路15。在此，每个阻抗匹配电路15优选地具有电容器16和/或线圈17。阻抗匹配电路15直接地与专门与该阻抗匹配电路相对应的层5的层末端6、7之一连接。

根据图11和图12，阻抗匹配电路15具有电容器16和线圈17。不过，通常只要存在两个元件16、17之一(即或者电容器16或者线圈17)就足够了。

根据图11，每个阻抗匹配电路15还直接地与专门与该阻抗匹配电路相对应的层5的另一个层末端6、7连接。也就是说，在这种情况下，每个层5借助于其相应的阻抗匹配电路15被独立于其它层地调谐至共振频率f。

根据图11的结构可以在图1至图5的每个实施方式中实现，但是不能在图6的实施方式中实现。

与此相对，在根据图12的实施方式中，每个阻抗匹配电路15通过这些阻抗匹配电路15共同的连接区域18与专门与该阻抗匹配电路相对应的层5的另一个层末端6、7连接。

连接区域18可以是一种简单的连接。在这种情况下(同样如在图11中)，仅仅通过阻抗匹配电路15将层5调谐至共振频率f上。不过，也可以如图12所示的那样，在连接区域18中设置一个剩余线路19。在此该剩余线路19同样具有电容器20和/或线圈21。在此，通常只要存在两个元件20、21之一，即或者电容器20或者线圈21。不过，也可以存在两个元件20、21。

在上面描述的实施方式中始终的前提是，在每个层5中横穿电流流动方向来看出现均匀的电流分布。不过，该前提并不总是出现。为了在每个层5的内部也实现均匀的电流分布，对应于图13和图14，可以将层5分成多个条纹22。在此，条纹22可以具有大于组成条纹22或层5的材料在共振频率f的条件下的趋肤深度的条纹宽度b。

通过线路4的一种对应的实施方式可以实现，在导体元件1按照共振频率f的运行条件下，在条纹22中流动每个层5中彼此大小相等的条纹电流I1a至I1e、I2a至I2e、I3a至I3e。在此，线路4可能的实施方式完全类似于上面结合图8至图12已经解释过的线路4的实施方式。仅仅需要考虑的是，在这种情况下图8至图12的线路4不必连接层5，而是连接条纹22。

对此需要指出的是，就条纹22的连接或者层5的连接而言，可以将不同的措施进行组合。例如，可以(对应于图8、图9和图10)将层5相互串联，而在每个层5中与图11和图12类似地将其条纹22相互并联。自然，也可以采用同样类型的连接，例如将所有层5的所有条纹22完全相互并联。

由此，借助于按照本发明的方式方法，多层导体不仅原理上可以用在用于磁共振应用的谐振器中，而且也更可以实现多层导体的所希望的优点，即，在共振频率下显著的电阻减小。

Claims

1.一种用于磁共振应用的谐振器，其具有一个从第一导体端(2)延伸到第二导体端(3)的导体元件(1)，其中，

-在该导体元件(1)按照共振频率(f)的运行中，共振电流(I)在该导体元件(1)中在第一导体端(2)至第二导体端(3)之间来回地振荡，

-所述导体端(2，3)通过一个线路(4)相互耦合，借助于该线路所述导体元件(1)被调谐到所述共振频率(f)上，

其特征在于，

-所述导体元件(1)被构成为带有多个层(5)的多层导体，这些层具有在所述导体端(2，3)上的层末端(6，7)，以及

-所述线路(4)这样构成，使得在所述导体元件(1)按照所述共振频率(f)的运行时，在所述层(5)中流动彼此大小相等的层电流(I1，I2，I3)。

2.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述线路(4)直接将两个导体端(2，3)相互耦合。

3.根据权利要求1所述的谐振器，其特征在于，所述线路(4)通过一个接地表面(8)将两个导体端(2，3)相互耦合。

4.根据权利要求1、2或3所述的谐振器，其特征在于，所述线路(4)将所述层末端(6，7)这样地相互连接，使得所述层(5)相互串联。

5.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，在所述共振电流(I)的电流流动方向上看的第一个串联的层(5)和在所述共振电流(I)的电流流动方向上看的最后一个串联的层(5)不借助于所述线路(4)的电气部件相互连接。

6.根据权利要求4所述的谐振器，其特征在于，在所述共振电流(I)的电流流动方向上看的第一个串联的层(5)和在所述共振电流(I)的电流流动方向上看的最后一个串联的层(5)借助于所述线路(4)的第一电容器(13)相互连接。

7.根据权利要求6所述的谐振器，其特征在于，所述线路(4)具有至少一个与所述第一电容器(13)串联的第二电容器(14)，并且，在所述共振电流(I)的电流流动方向上看在所述第一电容器(13)和第二电容器(14)之间设置至少一个层(5)。

8.根据权利要求1、2或3所述的谐振器，其特征在于，所述线路(4)将所述层末端(6，7)这样相互连接，使得所述层(5)相互并联，并且对于每个层(5)所述线路(4)具有一个专门对应于该层(5)的阻抗匹配电路(15)，该阻抗匹配电路直接地与专门与相对应的该层(5)的层末端(6，7)之一连接。

9.根据权利要求8所述的谐振器，其特征在于，所述阻抗匹配电路(15)分别具有电容器(16)和/或线圈(17)。

10.根据权利要求8或9所述的谐振器，其特征在于，每个所述阻抗匹配电路(15)还直接地与专门与其相对应的层(5)的另一个层末端(6，7)连接。

11.根据权利要求8或9所述的谐振器，其特征在于，每个所述阻抗匹配电路(15)通过这些阻抗匹配电路(15)共同的连接区域(18)与专门与该阻抗匹配电路相对应的层(5)的另一个层末端(6，7)连接。

12.根据权利要求11所述的谐振器，其特征在于，在所述连接区域(18)中设置有剩余线路(19)。

13.根据权利要求12所述的谐振器，其特征在于，所述剩余线路(19)具有电容器(20)和/或线圈(21)。

14.根据上述权利要求中任一项所述的谐振器，其特征在于，所述层(5)分别具有多个条纹(22)，并且所述线路(4)这样构成，使得在所述导体元件(1)按照所述共振频率(f)的运行条件下，在所述条纹(22)中流动每个层(5)中彼此大小相等的条纹电流(I1a-I1e，I2a-I2e，I3a-I3e)。

15.根据权利要求14所述的用户谐振器，其特征在于，所述条纹(22)具有大于组成该条纹(22)的材料在所述共振频率(f)的条件下的趋肤深度的条纹宽度(b)。