DE102004027026A1

DE102004027026A1 - Verfahren und Vorrichtung für magnetresonanzbildgebende Systeme sehr hoher Feldstärke

Info

Publication number: DE102004027026A1
Application number: DE102004027026A
Authority: DE
Inventors: Akira Hino Nabetani; Ronald Dean Watkins
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2004-12-23
Also published as: JP2004358259A; US6791328B1; JP4768235B2; NL1026328A1; NL1026328C2

Abstract

Eine Hochfrequenz(HF)-Spulenanordnung (100) zur Bildgabe eines Subjektvolumens unter Verwendung eines Magnetresonanzbildgebung(MRI)-Systems (10) hoher Feldstärke, die bei im Wesentlichen hohen Frequenzen betrieben werden kann, verfügt über eine Anzahl Leiter (104), die zylindrisch angeordnet und rings um ein Patiententunnel (106) des MRI-Systems vorgesehen sind, über eine Anzahl kapazitiver Elemente (108), die zwischen den jeweiligen Enden der Leiter und diese miteinander verbindend angeordnet sind, wobei die mehreren Leitern und die mehreren kapazitiven Elemente eine Hochpass-Birdcage-Konfiguration bilden und über eine Anzahl dynamischer Trennschalter (110), wobei jeder dynamische Trennschalter unter Ausbildung eines Parallelresonanzkreises parallel zu einem zugeordneten kapazitiven Element liegend elektrisch angekoppelt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetresonanzbildgebendes System (MRI). Mehr im Einzelnen betrifft die Erfindung Hochfrequenz(HF)-Spulen, die bei MRI-Systemen zum Senden und/oder Empfangen von HF-Signalen verwendet werden.
MRI-Scanner, die auf verschiedenen Gebieten, wie dem der medizinischen Diagnose, eingesetzt werden, benutzen typischerweise einen Computer, um basierend auf der Wirkung eines Magneten, einer Gradientenspulenanordnung und wenigstens einer Hochfrequenzspule Bilder zu erzeugen. Der Magnet erzeugt ein gleichmäßiges magnetisches Hauptfeld, das Kerne (Nuklei) wie Wasserstoffatomkerne auf eine Hochfrequenzanregung ansprechen lässt. Die Gradientenspulenanordnung drückt dem magnetischen Hauptfeld eine Folge von Pulsen örtlicher Magnetfelder auf, um jedem Punkt in dem bildgebenden Volumen eine örtliche Identität zu geben, die dem speziellen Satz von Magnetfeldern während der bildgebenden Pulssequenz entspricht. Die Hochfrequenzspule(n) erzeugt einen Anregungsfrequenzimpuls, der zeitweilig eine oszillierende Quermagnetisierung erzeugt, die von der Hochfrequenzspule erfasst und von dem Computer zur Erzeugung des Bildes verwendet wird.
Allgemein gilt, dass eine sehr hohe magnetische Feldstärke dadurch gekennzeichnet ist, dass sie größer als zwei Tesla (2T) ist. Eine höhere magnetische Feldstärke stellt besondere Anforderungen an die HF-Spule, wie etwa Abgleich von Induktivität und Kapazität bei verhältnismäßig höheren Frequenzen, d.h. höher als 64 Megahertz (MHz). Bei sehr hohen magnetischen Feldern und damit sehr hohen Larmorfrequenzen weisen gebräuchliche Käfigspulen (birdcage coils) mit mäßig schmalen Kupferstreifen als Sprossen eine verhältnismäßig hohe Induktivität auf, die sehr niedrige Kapazitätswerte erfordert, um die Spule in den Resonanzzustand zu bringen. Dies ist aus mehreren Gründen problematisch. Zunächst geben hohe Ströme durch kleinwertige Kondensatoren ein sehr hohes Spannungspotential an diesen, das zu einem örtlichen elektrischen Streufeld führen kann, welches HF-Energie in Gestalt von Wärme in ein bildgebendes Subjekt einbringt.
Im Zusammenhang mit der MRI gibt es zwei Arten elektrischer Felder. Die erste rührt von dem zeitlich veränderlichen magnetischen B1-Feld her, das in dem bildgebenden Subjekt auftritt und die zweite rührt von elektrischen Ladungen auf den Kondensatoren des HF-Spulenaufbaus her. Wenn ein NMR-System in einem verhältnismäßig hohen Frequenzbereich, bspw. oberhalb von 100 MHz arbeitet, kann ein beträchtlicher Strahlungsverlust auftreten. Dieser erhöhte Strahlungsverlust in den Hochfrequenzbereichen führt zu einer Zunahme der HF-Energie, die zur Erzeugung der Anregung verwendet werden muss und einer sich daraus ergebenden Abnahme des Signal/Rauschabstands (SNR, Signal-to-Noise) der empfangenen Signale.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Unter einem Aspekt wird eine Hochfrequenz(HF)-Spulen anordnung zur Bildgebung eines Subjektvolumens bei Verwendung von Magnetresonanzbildgebungssystemen (MRI) sehr hoher Feldstärke geschaffen, die bei beträchtlich hohen Frequenzen betrieben werden kann. Das MRI-System beinhaltet eine Anzahl von Leitern, die zylindrisch angeordnet und rings um ein Patiententunnel des MRI-Systems angeordnet sind, eine Anzahl von kapazitiven Elementen, die zwischen den jeweiligen Enden der Leiter und diese miteinander verbindend angeordnet sind, wobei die mehreren Leitern und die mehreren kapazitiven Elemente eine Hochpass-Birdcage-Konfiguration bilden und eine Anzahl dynamischer Sperrtrennschalter, wobei jeder dynamische Trennschalter zur Ausbildung eines Parallelresonanzkreises parallel zu einem jeweiligen kapazitiven Element liegend elektrisch angekoppelt ist.
Unter einem anderen Aspekt wird ein magnetresonanzbildgebendes System (MRI) geschaffen. Das MRI-System beinhaltet eine Hochfrequenz(HF)-Spulenanordnung zur Bildgabe eines Subjektvolumens unter Verwendung von beträchtlich hohen Frequenzen. Die HF-Spule beinhaltet eine Anzahl Leiter, die zylindrisch angeordnet und rings um ein Patiententunnel des MRI-Systems vorgesehen sind, eine Anzahl kapazitiver Elemente, die zwischen den jeweiligen Enden der Leiter, diese miteinander verbindend angeordnet sind, wobei die mehreren Leiter und die mehreren kapazitiven Elemente eine Hochpass-Birdcage-Konfiguration ausbilden und eine Anzahl dynamischer Sperrschalter, wobei jeder dynamische Sperrschalter unter Ausbildung eines Parallelresonanzkreises parallel zu einem jeweiligen kapazitiven Element liegend elektrisch angekoppelt ist.
Unter einem weiteren Aspekt wird ein TEM-Resonator geschaffen. Der TEM-Resonator beinhaltet eine Anzahl von Leitern die zylindrisch angeordnet und rings um ein Patiententunnel vorgesehen sind, eine Anzahl kapazitiver Elemente, die zwischen den jeweiligen Enden der Leiter, diese miteinander verbindend angeordnet sind, wobei die mehreren Leiter und die mehreren kapazitiven Elemente eine TEM-Resonator-Konfiguration bilden und eine Anzahl dynamischer Sperrschalter, wobei jeder dynamische Sperrschalter unter Ausbildung eines Parallelresonanzkreises parallel zu einem jeweiligen kapazitiven Element liegend elektrisch angekoppelt ist.
Unter einem noch anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb einer Hochfrequenzspule in einem Magnetresonanzbildgebungssystem (MRI) mit sehr hoher Feldstärke, das mit verhältnismäßig hohen Frequenzen arbeitet, geschaffen. Das Verfahren beinhaltet die zylindrische Anordnung einer Anzahl Leiter rings um ein Patiententunnel des MRI-Systems, das Einfügen einer Anzahl kapazitiver Elemente zwischen den jeweiligen Enden der Leiter, wobei die mehreren Leiter und die mehreren kapazitiven Elemente eine Hochpass-Birdcage-Konfiguration bilden, das Anfügen von mehreren dynamischen Sperrschaltern parallel zu einem jeweiligen kapazitiven Element zur Ausbildung eines Parallelresonanzkreises, wobei jeder dynamische Sperrschalter eine Diode enthält und das Anlegen einer Schaltvorspannung an ein zweites Ende des dynamischen Sperrschalters, wobei die Schaltvorspannung so konfiguriert ist, dass sie die Diode jeweils in Durchlass- und in Sperrrichtung vorspannen kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Magnetresonanzbildgebungssystems (MRI),
2 ist eine beispielhafte Hochfrequenz (HF)-Spule, die bei dem in 1 dargestellten MRI-System verwendet werden kann,
3 ist ein erster beispielhafter dynamischer Sperrschalter, der bei der in 2 dargestellten HF-Spule verwendet werden kann,
4 ist ein Teil des in 3 dargestellten dynamischen Sperrschalters,
5A ist ein beispielhaftes, vereinfachtes, elektrisches Schaltschema des in 3 dargestellten Schalters,
5B ist ein beispielhaftes, vereinfachtes elektrisches Schaltschema des in 3 dargestellten Schalters,
6 ist ein betriebsmäßig äquivalentes Schema des in 3 dargestellten Schalters,
7 ist ein betriebsmäßig äquivalentes Schema des in 3 dargestellten Schalters,
8 ist der in 3 dargestellte dynamische Sperrschalter mit einem offenen Ende,
9 ist eine graphische Darstellung der elektrischen Kennlinie des in 8 dargestellten Schalters,
10 ist der in 3 dargestellte dynamische Sperrschalter mit einem kurzgeschlossenen Ende,
11 ist eine graphische Darstellung der elektrischen Kennlinie des in 10 dargestellten Schalters,
12 ist ein zweiter beispielhafter dynamischer Sperrschalter, der bei der in 2 dargestellten HF- spule verwendet werden kann,
13 ist ein Teil des in 12 dargestellten dynamischen Sperrschalters,
14 ist ein Teil des in 12 dargestellten dynamischen Sperrschalters,
15A ist ein beispielhaftes vereinfachtes elektrisches Schema des in 12 dargestellten Schalters,
15B ist ein beispielshaftes vereinfachtes elektrisches Schema des in 12 dargestellten Schalters,
16 ist ein betriebsmäßig äquivalentes Schema des in 12 dargestellten Schalters,
17 ist ein betriebsmäßig äquivalentes Schema des in 12 dargestellten Schalters,
18 ist eine beispielhafte Birdcage-Spule mit wenigstens einem dynamischen Sperrschalter, wie er in den 3 und 12 dargestellt ist,
19 ist eine Schnittsdarstellung der Birdcage-Spule mit wenigstens einem dynamischen Sperrschalter nach 18,
20 ist ein beispielhafter TEM-Resonator mit wenigstens einem dynamischen Sperrschalter, wie er in den 3, 12 dargestellt ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
So wie hier verwendet, ist ein Element oder Schritt, das bzw. der im Singular angegeben ist und dem das Wort "ein" oder "eine" vorangeht so zu verstehen, dass damit nicht mehrere solche Elemente oder Schritte ausgeschlossen sind, es sei denn, dass diese Ausschließung explizit angegeben sei. Außerdem ist die Bezugnahme auf "eine Ausführungsform" der vorliegenden Erfindung nicht so zu verstehen, dass damit das Vorhandensein weiterer Ausführungsformen ausgeschlossen wäre, die die aufgeführten Merkmale ebenfalls enthalten.
1 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Magnetresonanzbildgebungssystems (MRI) 10, bei dem die hier beschriebenen Systeme und Verfahren implementiert sind. Das MRI 10 beinhaltet eine Bedienerkonsole 12, die eine Tastatur und ein Steuerpanel 14 sowie einen Bildschirm 16 aufweist. Die Bedienerkonsole 12 kommuniziert über ein Link 18 mit einem getrennten Computersystem 20, wodurch ein Bediener in die Lage versetzt wird, die Erzeugung und die Darstellung von Bildern auf dem Bildschirm 16 zu steuern. Das Computersystem 20 enthält eine Anzahl Module 22, die über eine rückwärtige Verdrahtungsebene (back plane) miteinander kommunizieren. Bei der beispielhaften Ausführungsform gehören zu den Modulen 22 ein Bildverarbeitungsmodul 24, ein CPU-Modul 26 und ein Speichermodul 28, das hier auch als Bildpufferspeicher zum speichern von Bilddatenfeldern bezeichnet wird. Das Computersystem 20 ist mit einem Diskspeicher 30 und einem Bandlaufwerk 32 verlinkt, um die Speicherung von Bilddaten und Programmen zu erleichtern. Das Computersystem 20 kommuniziert über ein serielles Hochgeschwindigkeitslink 36 mit einer getrennten Systemsteuerung 34.
Die Systemsteuerung 34 beinhaltet eine Anzahl Module 38, die unter Verwendung einer (nicht dargestellten) rückwärtigen Verdrahtungsebene (back plane) elektrisch miteinander gekoppelt sind. Bei der beispielhaften Ausführungsform gehören zu den Modulen 38 ein CPU-Modul 40 und ein Pulsgeneratormodul 42, das unter Verwendung eines seriellen Links 44 mit der Bedienerkonsole 12 elektrisch gekoppelt ist. Das Link 44 erlaubt die Übermittlung und den Empfang von Befehlen zwischen der Bedienerkonsole 12 und der Systemsteuerung 34, wodurch der Bediener in die Lage versetzt wird, eine Scannsequenz einzugeben, die das MRI-System 10 ausführen soll. Das Impulsgeneratormodul 42 steuert die Systemkomponenten derart an, dass diese die jeweils gewünschte Scannsequenz ausführen und erzeugt Daten, die für die zeitliche Aufeinanderfolge (timing), Stärke und Gestalt der zu erzeugenden HF-Impulse und für das Timing und die Dauer eines Datenagkuisitionsfensters kennzeichnend sind. Das Impulsgeneratormodul 42 ist an ein Gradientenverstärkersystem 46 elektrisch angekoppelt und liefert dem Gradientenverstärkersystem 46 ein Signal das für das Timing und die Gestalt der während des Scans zu erzeugenden Gradientenimpulse kennzeichnend ist. Das Impulsgeneratormodul 42 ist außerdem so konfiguriert, dass es von einer physiologischen Akquisitionssteuereinrichtung 48 Patientendaten empfängt. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die physiologische Akquisitionssteuereinrichtung 48 so ausgelegt, dass sie von einer Anzahl Sensoren Eingangsdaten empfängt, die für den physiologischen Zustand eines Patienten kennzeichnend sind, wie etwa, aber ohne darauf beschränkt zu sein, EKG-Daten von an dem Patienten angelegten Elektroden. Das Impulsgeneratormodul 42 ist mit einer Scan-Raum-Interface-Schaltung 50 elektrisch gekoppelt, die so aufgebaut ist, dass sie von verschiedene Sensoren Signale empfängt, die für den Patientenzustand und das Magnetsystem kennzeichnend sind. Die Scan-Raum-Interface-Schaltung 50 ist außerdem so ausgelegt, dass sie Befehlssignale übermittelt, etwa – ohne darauf beschränkt zu sein – ein Befehlssignal für ein Patientenpositioniersystem 52, um den Patienten in die jeweils gewünschte Lage zu bewegen. Die von dem Impulsgeneratormodul 42 erzeugten Gradientenwellenformen werden dem Gradientenwerstärkersystem 46 eingegeben, das einen G_x Verstärker 54, einen G_y Verstärker 56 und einen G_z-Verstärker 58 aufweist. Die Verstärker 54, 56, 58 erregen jeweils eine entsprechende Gradientenspule der Gradientenspulenanordnung 60, um eine Anzahl magnetischer Feldgradienten zu erzeugen, die für die Positionskodierung akquirierter Signale verwendet werden. Bei der beispielhaften Ausführungsform beinhaltet die Gradientenspulenanordnung 60 eine Magnetanordnung 62, die einen Polarisierungsmagnet 64 und eine Ganzkörper HF-Spule 66 aufweist.
Bei Benutzung erzeugt ein in der Systemsteuerung 34 angeordnetes Transceiver-Modul 70 eine Anzahl elektrischer Impulse, die durch einen HF-Verstärker 72 verstärkt werden, der unter Verwendung eines Sende-/Empfangschalters 74 an die HF-Spule 66 elektrisch angekoppelt ist. Die sich ergebenden, von den angeregten Kernen (Nuklei) in dem Patienten abgestrahlten Signale werden von der HF-Spule 66 erfasst und über den Sende-/Empfangsschalter 74 einem Vorverstärker 76 zugeführt. Die verstärkten NMR(Nukleare Magnetresonanz-)Signale werden sodann in einer Empfängerstufe des Transceivers 70 demoduliert, gefiltert und digitalisiert. Der Sende-/Empfangschalter 74 ist durch ein Signal von dem Impulsgeneratormodul 42 so gesteuert, dass er während des Sendemodus den HF-Verstärker 72 mit der Spule 66 verbindet und während des Empfangsmodus den Vorverstärker 76 an diese anschließt. Der Sende-/Empfangsschalter 74 setzt außerdem eine getrennte HF-Spule (z.B. eine Oberflächenspule) in den Stand, entweder im Sende- oder im Empfangsmodus verwendet zu werden.
Die von der HF-Spule 66 empfangenen NMR-Signale werden von dem Transceiver-Modul 70 digitalisiert und einem Speichermodul 78 in der Systemsteuerung 34 übermittelt. Beim Abschluss des Scans ist in dem Speichermodul 78 ein Feld von K-Raum-Rohdaten akquiriert. Die K-Raum-Rohdaten werden in getrennte K-Raum-Datenfelder für jedes zu rekonstruierendes Herzphasenbild umsortiert, und jedes dieser K-Raum-Datenfelder wird einem Array im Prozessor 80 eingegeben, der so ausgelegt ist, dass er die Daten in ein Array von Bilddatenfouriertransformiert. Diese Bilddaten werden sodann über das serielle Link 36 dem Computersystem 20 übermittelt, wo sie in dem Discspeicher 30 gespeichert werden. In Abhängigkeit von von der Bedienerkonsole 12 erhaltenen Befehlen können diese Bilddaten auf dem Bandlaufwerk 32 archiviert werden oder sie können durch den Bildprozessor 24 weiter verarbeitet und der Bedienerkonsole 12 zugeführt und sodann auf dem Bildschirm 16 dargestellt werden.
2 ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften HF-Spule 100, die bei dem in 1 veranschaulichten MRI-System 10 verwendet werden kann. Die HF-Spule 100 enthält zwei leitende Stirn- oder Endschleifen 102 oder -ringe und eine Anzahl Leiter 104, die an die Stirnschleifen 102 angekoppelt und die im Westenlichen zylindrisch ringsum eine Mittelachse oder ein Patiententunnel 106 derart angeordnet sind, dass sie einen gemeinhin als "Birdcage" (Vogelkäfig) bezeichneten Spulenaufbau bilden. Die Endschleifen 102 und die Leiter 104 definieren eine im Wesentlichen zylindrisches bildgebendes Volumen in dem ein zu untersuchendes Subjekt einem von der HF-Spule 100 erzeugten HF-Feld ausgesetzt ist. Die HF-Spule 100 enthält auch eine Anzahl Kondensatoren 108, wie etwa – ohne darauf beschränkt zu sein – Stirnringkondensatoren niedriger Induktivität, die an die Leiter 104 seriell angekoppelt und so konfiguriert sind, dass sie an jedem Ende des jeweiligen Leiters 104 elektrische Leiter 104 elektrisch miteinander verbinden. Das MRI-System 10 beinhaltet auch wenigstens einen dynamischen Trennschalter 110, der mit der HF-Spule 100 elektrisch gekoppelt ist.
3. zeigt einen beispielhaften dynamischen Trennschalter 120, der bei der (in 2 dargestellten) HF-Spule 100 oder der (in 10 dargestellten) HF-Spule 66 verwendet werden kann.
4 zeigt einen Teil des in 3 veranschaulichten Schalters 120. Bei einer Ausführungsform ist der Schalter 120 unter Verwendung eines halbsteifen Koaxialkabels 122 hergestellt. Bei einer anderen Ausführungsform ist der Schalter 120 unter Verwendung von konzentrierten Einzelelementen hergestellt, wie dies in 5A veranschaulicht ist. Das Koaxialkabel 122 enthält einen Mittelleiter 124, der aus einem metallischen Material hergestellt ist, ein den Mittelleiter 124 umgebendes mittleres Teil 126 und einen aus einem metallischen Material hergestellten Außenleiter 128, der das mittlere Teil 126 umschließt. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Schalter 120 unter Verwendung von Einzelelementen aufgebaut sein. Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Schalter 120 unter Verwendung von konzentrierten Einzelelementen aufgebaut, wie dies in 5A dargestellt ist. Bei der beispielshaften Ausführungsform ist das mittlere Teil 126 ein Isolator, der aus einem Material wie, – ohne darauf beschränkt zu sein – Polytetraethylen (PTFE), d.h. Teflon, hergestellt ist. Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform ist das mittlere Teil 126 aus irgend einem geeigneten Material hergestellt, das niedrige Verlustwerte aufweist, so dass der Signalverlust in der HF-Spule 100 vermindert wird.
Der Schalter 120 verfügt über eine Öffnung 130, die eine Länge 132 aufweist und sich von der Außenfläche 134 des Außenleiters zu der Außenfläche 136 des Innenleiters erstreckt. Mehr im Einzelnen betrachtet, ist ein Teil des mittleren Teils 126 entfernt, so dass der Innenleiter 124 freigelegt ist. Eine Diode 138 ist in die Öffnung 130 einge setzt und mit dem Innenleiter 124 und dem Außenleiter 128 elektrisch gekoppelt. Der Schalter 120 weist eine erste Länge 140, die sich von einem ersten Ende 142 des Schalters 120 zu einem zweiten Ende 144 des Schalters 120 erstreckt und eine zweite Länge 146 auf, die sich von dem ersten Ende 142 bis zu einem ersten Ende 148 der Öffnung erstreckt. Die Diode 138 ist elektrisch so angekoppelt, dass, wenn die Diode 138 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, Strom von dem Außenleiter 128 zu dem Innenleiter 124 fließt. Alternativ fließt, wenn die Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, kein Strom zwischen dem Innenleiter 124 und dem Außenleiter 128.
5A ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltschema des in 3 dargestellten dynamischen Trennschalters 120.
5B ist ein anderes, vereinfachtes elektrisches Schaltschema des in 3 dargestellten dynamischen Trennschalters 120, bei dem anstelle des Koaxialkabels einzelne konzentrierte Schaltelemente verwendet sind.
6 ist eine schematische Darstellung einer betriebsmäßig äquivalenten Schaltung (Ersatzschaltung), die die Diode 138 in einem in Durchlassrichtung vorgespannten Zustand wiedergibt. 7 ist eine schematischen Darstellung einer betriebsmäßig äquivalenten Schaltung, die die Diode 138 in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand darstellt.
Im Betrieb ist der Schalter 120 parallel zu wenigstens einem Stirnringkondensator 108 elektrisch dadurch angekoppelt, dass der Innenleiter 124 an eine erste Seite 150 des Kondensators 108 und in der Außenleiter 128 an eine zweite Seite 152 des Kondensators 108 angeschlossen ist. Ein Teil des Außenleiters ist entfernt, um eine Öffnung 130 auszu bilden. Die Diode 138 ist dann zwischen dem Innenleiter 124 und dem Außenleiter 128 elektrisch eingekoppelt. Wie in 6 dargestellt, sind, wenn die Diode 138 in der Durchlassrichtung vorgespannt ist, der Schalter 120 und der Kondensator 108 äquivalent dem Kondensator 108. Wie 7 veranschaulicht, kann, wenn die Diode 138 in Sperrrichtung vorgespannt ist, der Schalter 120 als ein zu dem Kondensator 108 parallel liegender Induktor (Drossel- oder induktives Bauelement) 154 betrachtet werden. Die Länge 146 ist demgemäß so gewählt, dass die Länge 146 näherungsweise äquivalent einer viertel Wellenlänge (λ/4) der Arbeitsfrequenz der HF-Spule 100 ist. Die Länge 146 wird in der Weise gewählt, dass der Schalter 120 als Induktor 154 nachgebildet oder betrachtet wird. Die Größe des Induktors 154 ist so gewählt, dass, wenn der Induktor 154, d.h. der Schalter 120, parallel zu dem Kondensator 108 liegend elektrisch angekoppelt ist, die Kombination des Kondensators 108 und des Induktors 154 einen Resonanzkreis bilden. Genau betrachtet macht die Eigenfrequenz ω₀ der Schaltung den Imaginärteil der komplexen Impedanz gleich Null.
Wenn ω₀ als eine Betriebskreisfrequenz der HF-Spule 100 definiert ist, kann der Induktor 154 definiert werden entsprechend:
wobei C der Kondensator 108 und L der Induktor 154 ist.
Wenn beispielsweise f gleich 298 MHz festgelegt ist, kann die Länge 140 zwischen etwa einer viertel Wellenlänge und etwa einer halben Wellenlänge der Betriebskreisfrequenz der HF-Spule 100 gewählt werden.
8 veranschaulicht den dynamischen Trennschalter 120 mit einem offenen Ende. 9 zeigt die elektrische Kennlinie des in 8 dargestellten Schalters 120. 10 stellt einen dynamischen Trennschalter 120 mit einem kurzgeschlossenen Ende dar. 11 zeigt die elektrische Kennlinie des in 10 dargestellten Schalters 120. Beim Betrieb ist der dynamische Trennschalter 120, wenn die Diode 138 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, gedanklich äquivalent einem offenen Schaltkreis bei einer vorbestimmten Betriebsfrequenz, d.h., wie in 11 dargestellt, einer unendlich großen Impedanz, so dass Strom durch den Kondensator 108 fließt und damit das Wirksamwerden der HF-Spule 100 ermöglicht. Um die HF-Spule 100 unwirksam zu machen, wird die Diode 138 in Sperrrichtung vorgespannt. Wenn die Diode 138 in Sperrrichtung vorgespannt ist, wirken der Kondensator 108 und der dynamische Trennschalter 120 als Parallelresonanzkreis in der Nähe der Betriebsfrequenz der HF-Spule 100, wie dies in den 9, 10 veranschaulicht ist. Die Impedanz des Parallelresonanzkreises ist so hoch, dass der Stromfluss durch den Kondensator 108 unterbrochen wird, womit die HF-Spule 100 abgeschaltet wird. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind eine Anzahl dynamischer Trennschalter 120 an die HF-Spule 100 elektrisch angekoppelt, um die HF-Spule 100 außer Betrieb zu setzen, wenn die dynamischen Trennschalter 120 in Sperrrichtung vorgespannt werden. An die dynamische Trennschaltung 120 ist eine Schaltvorspannung 156 über einen Induktor (induktives Bauelement) 158 angelegt, wobei ein Induktor 160 als Tiefpassfilter wirkt. Im Betrieb beinhalten die Induktoren 158, 160 eine Induktanz etwa von – ohne darauf beschränkt zu sein – mehr als 500 nH bei 298 MHz, die in der Lage ist, den HF-Signalweg bei der Betriebsfrequenz der HF-Spule 100 zu sperren.
12 zeigt einen anderen beispielhaften dynamischen Trennschalter 220, der bei der (in 1 dargestellten) HF-Spule 66 oder der (in 2 dargestellten) HF-Spule 100 verwendet werden kann. 13 stellt einen Teil des in 12 veranschaulichten Schalters 220 dar. 14 zeigt einen anderen Teil des in 12 dargestellten Schalters 220. Der Schalter 220 ist unter Verwendung eines halbsteifen Koaxialkabels 222 hergestellt, das einen aus einem metallischen Material erzeugten Mittelleiter 224, ein den Mittelleiter 224 umschließendes mittleres Teil 226 und einen das mittlere Teil 226 umschließenden Außenleiter 228 aufweist, der aus einem metallischen Material hergestellt ist. Bei der beispielhaften Ausführungsform ist das mittlere Teil 224 ein Isolator, der aus einem Material wie etwa Polytetrafluoräthylen (PTFE), d. h. Teflon hergestellt ist, ohne darauf beschränkt zu sein. Bei einer beispielhaften Ausführungsform ist das mittlere Teil 226 aus irgendeinem beliebigen geeigneten Material hergestellt, das eine niedrige Verlustkennlinie aufweist, so dass der Signalverlust in der HF-Spule 100 vermindert wird.
Der Schalter 220 weist eine Öffnung 230 auf, die eine Weite 232 hat und erstreckt sich von der Außenfläche 234 des Außenleiters zu der Außenfläche 236 des Innenleiters. Genauer betrachtet, ist ein Teil des mittleren Teils 226 entfernt, so dass der Innenleiter 224 freigelegt ist. Eine Diode 238 ist in die Öffnung 230 eingesetzt und dann sowohl mit dem Innenleiter 224 als auch dem Außenleiter 228 elektrisch gekoppelt. Der Schalter 220 weist eine erste Länge 240, die sich von einem ersten Ende 242 des Schalters 220 zu einem zweiten Ende 244 des Schalters 220 und ein zweite Länge 246 auf, die sich von dem ersten Ende 242 zu dem ersten Öffnungsrand erstreckt. Die Diode 238 ist elektrisch derart angekoppelt, dass, wenn die Diode 238 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, Strom von dem Außenleiter 228 zu dem Innenleiter 224 fließt. Alternativ gilt, dass, wenn die Diode 238 in Sperrrichtung vorgespannt ist, kein Strom zwischen dem Innenleiter 224 und dem Außenleiter 228 fließt.
15A ist ein vereinfachtes elektrisches Schaltschema des in 12 dargestellten dynamischen Trennschalters 220. 15B ist ein anderes vereinfachtes elektrisches Schaltschema des in 12 dargestellten dynamischen Trennschalters 220, wobei anstelle des Koaxialkabels konzentrierte Schaltelemente verwendet sind. 16 ist eine schematische Darstellung einer betriebsmäßig äquivalenten Schaltung, in der die Diode 238 in einem in Durchlassrichtung vorgespannten Zustand abgebildet ist. 17 ist eine schematische Darstellung einer betriebsmäßig äquivalenten Schaltung, in der die Diode 238 in einem in Sperrrichtung vorgespannten Zustand veranschaulicht ist.
Im Betrieb ist wenigstens ein Ende des Schalters 220 parallel zu wenigstens einem Stirnringkondensator 208 elektrisch in der Weise angekoppelt, dass der Innenleiter 224 an eine erste Seite 250 des Kondensators 208 und der Außenleiter 228 an eine zweite Seite 252 des Kondensators 208 angeschlossen ist. Ein Teil des Außenleiters ist entfernt, um die Öffnung 230 auszubilden. Die Diode 238 ist sodann zwischen dem Innenleiter 224 und dem Außenleiter 228 elektrisch angekoppelt. Wie in 16 dargestellt, sind, wenn die Diode 238 in Sperrrichtung vorgespannt ist, der Schalter 220 und der Kondensator 208 äquivalent zu dem Kondensator 208. Wie aus 17 zu entnehmen, kann, wenn die Diode 238 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, der Schalter 220 als ein zu dem Kondensator 208 parallel liegender Induktor 254 betrachtet werden. Demgemäß ist die Gesamtlänge von dem ersten Ende 242 zu dem zweiten Ende 244 näherungsweise äquivalent einer viertel Wellenlänge in der Nähe der Arbeitsfrequenz der HF-Spule 100. Ein Kondensator 209 ist an das zweite Ende 244 zwischen dem Innenleiter 224 und dem Außenleiter 222 elektrisch so angekoppelt, dass die Impedanz zwischen dem Innenleiter 224 und dem Außenleiter 222 verhältnismäßig klein ist, d.h. weniger als etwa 0,6 Ohm bei der Arbeitsfrequenz der HF-Spule 100, so dass der Schalter einem kurzgeschlossenen Koaxialkabel nahe kommt. Bei der beispielhaften Ausführungsform hat der Schalter 220 eine Kapazität, die größer als etwa 1000 Picofarad (pF) ist, wenn die HF-Spule 100 bei etwa 100 MHz arbeitet. Der Kondensator 209 ermöglicht die Unterbrechung eines Gleichstromweges zwischen dem Innenleiter 224 und dem Außenleiter 228, so dass eine Gleichschaltspannung über den Induktor 260 und den Induktor 261 auf die Diode 238 einwirkt. Eine Länge 240 bzw. 246 ist variabel so gewählt, dass der Induktor 254 mit dem Kondensator 208 einen Parallelresonanzkreis bildet, wenn die Diode 238 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, d.h. es ergibt sich ein idealer Kurzschluss.
Wenn ω₀ als Betriebskreisfrequenz der HF-Spule 100 definiert ist, kann der Induktor 254 entsprechend der Formel definiert werden:
wobei C der Kondensator 208 und L der Induktor 254 ist.
Wenn z.B. f gleich 298 MHz festgelegt ist, kann die Länge 240 zwischen etwa einer viertel Wellenlänge und etwa einer halben Wellenlänge der Betriebskreisfrequenz der HF-spule 100 gewählt werden.
Im Betrieb ist, wenn die Diode 238 in Sperrrichtung vorgespannt ist, der dynamische Trennschalter 220 gedanklich einem offenen Schaltkreis äquivalent, d.h. einer unendlichen Impedanz, wie dies in 16 dargestellt ist, so dass Strom durch den Kondensator 208 fliest und damit das Wirksamwerden der HF-Spule 100 ermöglicht. Um die HF-Spule 100 unwirksam zu machen, wird die Diode 238 in Durchlassrichtung vorgespannt. Wenn die Diode 238 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, wirken der Kondensator 208 und der dynamische Trennschalter 220 als Parallelresonanzkreis in der Nähe der Betriebsfrequenz der HF-Spule 100. Die Impedanz des Parallelresonanzkreises ist so hoch, dass der Stromfluss durch den Kondensator 208 unterbrochen wird, womit die HF-Spule 100 abgespaltet wird. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform sind eine Anzahl dynamischer Trennschalter 220 an die HF-Spule 100 elektrisch angekoppelt, um die HF-Spule 100 außer Betrieb zu setzen, wenn die dynamischen Trennschalter 220 in Durchlassrichtung vorgespannt werden. An die dynamische Trennschaltung 220 ist eine Schaltvorspannung 256 über einen Induktor 260 und einen Induktor 261 angelegt. Im Betrieb beinhalten die Induktoren 260, 261 eine Induktanz etwa von – ohne darauf beschränkt zu sein – von mehr als 500 nH bei 298 MHz, die in der Lage ist, den HF-Signalweg bei der Betriebsfrequenz der HF-Spule 100 zu sperren.
18 veranschaulicht wenigstens einen dynamischen Trennschalter 120 oder dynamischen Trennschalter 220, der in der Birdcage-Spule 300 implementiert ist, welche etwa 16 Elemente 302 aufweist. 19 zeigt eine Querschnittsdarstellung in der in 18 angegebenen Ebene ABCD. Bei der beispielshaften Ausführungsform ist der dynamische Trennschalter, wie im Vorstehenden beschrieben, parallel zu wenigstens einem Stirnringkondensator der Birdcage-Spule 100 elektrisch angekoppelt. Eine (nicht dargestellte) äußere Abschirmung des Koaxialkabels des dynamischen Trennschalters 120 oder 122 ist an das Element 302 zwischen dem Stirnring 304 und dem Stirnring 306 an einem mittleren Punkt 308 elektrisch angekoppelt, der etwa auf halbem Weg zwischen dem Stirnring 304 und dem Stirnring 306 liegt und in dem das elektrische Potential Idealerweise auf dem Erdungspunkt liegt, d.h. einer virtuellen Masse. Das Koaxialkabel des dynamischen Trennschalters 120 oder 122 ist um näherungsweise 90° zu einer HF-Abschirmung 310 hin abgebogen und aus die HF-Abschirmung 310 durch die HF-Abschirmung 310 hindurch herausgeführt. Das Koaxialkabel des dynamischen Trennschalters 120 oder 220 ist sodann wiederum um 90° zu der HF-Abschirmung 310 hin abgebogen und an die HF-Abschirmung 310 elektrisch angeschlossen. Bei der beispielhaften Ausführungsform kann der dynamische Trennschalter 120 oder 220 an die Abschirmung 310 ohne irgendeine Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften der Birdcage-Spule 300 elektrisch angekuppelt sein. Die Verdrahtung der Schaltvorspannung für den dynamischen Trennschalter 120 oder 220 kann ohne spezielle Rücksicht auf eine etwaige Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften der Birdcage-Spule 300 ausgeführt werden, weil das gegenüberliegende Ende des Koaxialkabels außerhalb der HF-Abschirmung 310 liegt.
Bei der beispielhaften Ausführungsform ist die dynamische Trennschaltung unter Verwendung eines Koaxialkabels hergestellt, was es schwierig macht, einen Kondensator mit großen Kapazitätswerten in die Schaltung des dynamischen Trennschalters 120 oder 220 zur Hochpassfilterung bei Gleichspannungstrennung einzusetzen. Eine Anzahl dynamischer Trennschalter sind an dem Birdcage 300, basierend auf einer vorhergehenden elektrischen Analyse der Birdcage-Spule 300, installiert. So sind z.B. bei der exemplarischen Ausführungsform 16 dynamische Trennschalter bei einer 32 Elemente aufweisenden Birdcage-Spule verwendet, die bei etwa 7T arbeitet.
20 veranschaulicht einen TEM-Resonator 400, der eine Anzahl dynamischer Trennschalter 402, etwa nach Art der Schalter 120 oder Schalter 220 aufweist. Jeder dynamische Trennschalter 402 weist ein erstes Ende 404 auf, das um einen Stirnringkondensator 406 herum elektrisch angekuppelt ist. Da der dynamische Trennschalter 402 nach dem Anschluss seines ersten Endes 404 bereits außerhalb einer HF-Abschirmung 408 liegt, kann eine Außenabschirmung des Koaxialkabels des dynamischen Trennschalters 402 an irgendeiner Stelle an die HF-Abschirmung 408 elektrisch angeschlossen werden.
Bei einer Ausführungsform weist der Schalter 402 bei Verwendung für eine 7T-Protonenbildgabe eine Länge von etwa 250 mm für einen Schalter 120 und von etwa 160 mm für einen Schalter 220 auf. Bei einer 3T-Protonenbildgabe ist die Länge des Schalters 120 bzw. 220 etwa 2,3 mal größer als bei Verwendung für eine 7T-Protonenbildgabe, d.h. etwa 575 mm für den Schalter 120 und etwa 370 mm für den Schalter 220.
Die hier beschriebenen dynamischen Trennschalter können für Hochfrequenzanwendungen eingesetzt werden und ermöglichen die Verwendung einer lediglich zum Empfang dienenden Spule einschließlich einer Phased-Array-Spule. Deshalb erlauben sie eine höhere SNR-Bildgabe in einem System hoher Freqenz. Dynamische Trennschalterschaltungen und deren Implementieungsverfahren in HF-Volumenspulen, wie Birdcage-Spulen oder in einen TEM-Resonator für ein MRI-System hoher Feldstärke erlauben es, die Volumenspule zwischen einem wirksamen und einem unwirksamen Modus hin und her zu schalten. Die Erfindung macht eine lediglich zum Empfang dienende Spule für ein MRI-System hoher Feldstärke möglich. Der Strahlungsverlust durch das Anfügen dieser Art von Schalter -Schaltung an die HF-Spule, der bei den höheren Frequenzen typischerweise schwerwiegender ist, wird durch die Erfindung verringert, weil sie als Konstruktionsgrundlage ein halbsteifes Koaxialkabel (Verteilungsstromkreis) benutzt. Die Erfindung ist typischerweise auf eine etwa viertel Wellen länge eines halbsteifen Koaxialkabels bei etwa der jeweils gewünschten Frequenz ausgelegt. Die Länge dieser Schalter-Schaltung ist bei einer HF-Spule hoher Feldstärke, wie einer 3T-Protonenkörperspule oder einer 7T-Protonenkopfspule, etc. von Bedeutung. Die Erfindung ist bei einem stärkeren Feld dadurch einsetzbar, indem zusätzlich eine oder mehrere halbe Wellenlängen hinzugefügt werden. Die Erfindung kann auch bei schwächeren Feldern verwendet werden, indem sie zickzackförmig in die HF-Spule implementiert wird.
Wenngleich die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, so versteht sich für den Fachmann doch, dass die Erfindung mit Abwandlungen im Rahmen des Schutzbereichs der Patentansprüche ausgeführt werden kann.
Teileliste

Claims

Hochfrequenz(HF)-Spulenanordnung (100) zur Bildgabe eines Subjektvolumens unter Verwendung eines Magnetresonanzbildgebungs(MRI)-Systems (10) hoher Feldstärke, die bei im Wesentlichen hohen Frequenzen betreibbar ist, wobei das System aufweist: – eine Anzahl Leiter (104), die zylindrisch angeordnet und rings um ein Patiententunnel (106) des MRI-Systems vorgesehen sind; – mehrere kapazitive Elemente (108), die zwischen jeweiligen Enden der Leiter diese miteinander verbindend angeordnet sind, wobei die mehreren Leiter und die mehreren kapazitiven Elemente eine Hochpass-Birdcage-Konfiguration ausbilden; und – eine Anzahl dynamischer Trennschalter (110), von denen jeder dynamische Trennschalter unter Ausbildung eines Parallelresonanzkreises parallel zu einem jeweiligen kapazitiven Element elektrisch angekoppelt ist.
HF-Spule (100) nach Anspruch 1, bei der die dynamischen Trennschalter (110) so ausgelegt sind, dass sie die HF-Spule (100) wirksam machen, wenn die dynamischen Trennschalter in Durchlassrichtung vorgespannt sind und dass sie die HF-Spule unwirksam machen, wenn die dynamischen Trennschalter in Sperrrichtung vorgespannt sind.
HF-Spule (100) nach Anspruch 1, bei der die dynamischen Trennschalter (110) so ausgelegt sind, dass sie die HF-Spule wirksam machen, wenn die dynamischen Trennschalter in Sperrrichtung vorgespannt sind und die HF-Spule unwirksam machen, wenn die dynamischen Trennschalter in Durchlassrichtung vorgespannt sind.
HF-Spule (100) nach Anspruch 1, bei der die kapazitiven Elemente (108) Stirnringkondensatoren geringer Induktanz und die dynamischen Trennschalter (110) ein halbsteifes Koaxialkabel (122) aufweisen.
HF-Spule (100) nach Anspruch 4, bei der das Koaxialkabel (122) aufweist: – einen Innenleiter (124), der an eine erste Seite (150) des kapazitiven Elements (108) elektrisch angekoppelt ist; – ein mittleres Isolierteil (126), das einen Teil des Innenleiters umschließt; – einen Außenleiter (128), der an eine zweite Seite (152) des kapazitiven Elements elektrisch angekoppelt ist, wobei der Außenleiter einen Teil des mittleren Isolierteils umschließt.
HF-Spule (100) nach Anspruch 5, bei der das Koaxialkabel (122) aufweist: – eine Öffnung (130), die sich zwischen einer Außenfläche (134) des Außenleiters (128) und der Außenfläche (136) des Innenleiters (124) erstreckt; und – eine Diode (138), die in der Öffnung angeordnet und mit dem Innenleiter und dem Außenleiter elektrisch gekoppelt ist.
HF-Spule (100) nach Anspruch 6, die außerdem eine Schaltvorspannung (156) aufweist, die an ein zweites Ende (144) des dynamischen Trennschalters (110) elektrisch angekoppelt ist, wobei die Schaltvorspannung dazu ausgelegt ist, die Diode (138) in Durchlass- und in Sperrrichtung vorzuspannen.
HF-Spule (100) nach Anspruch 1, bei der der dynamische Trennschalter (110) eine Länge (140) aufweist, die so gewählt ist, dass diese Länge näherungsweise einer viertel Wellenlänge einer Arbeitsfrequenz der HF-Spule äquivalent ist.
HF-Spule 100 nach Anspruch 1, bei der das MRI-System (10) sehr hoher Feldstärke ein magnetisches Feld erzeugt, das stärker ist als etwa 3 Tesla (3T).
HF-Spule (100) nach Anspruch 1, bei der die im Wesentlichen hohen Frequenzen in einem Bereich zwischen etwa 64 MHz bis etwa 500 MHz liegen.