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Die
Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät mit einer HF-Antenneneinheit,
einer Gradientenspuleneinheit und einem HF-Schirm, deren Leiterstrukturen unabhängig voneinander
ausgebildet sind, wobei der HF-Schirm zwischen der HF-Antenneneinheit
und der Gradientenspuleneinheit angeordnet ist, wobei zwischen HF-Antenneneinheit
und Gradientenspuleneinheit ein erster HF-Feldrückflussraum angeordnet ist,
der zum Schließen
von HF-Magnetfeldlinien der HF-Antenneneinheit ausgebildet ist und der
durch den HF-Schirm auf der Seite der Gradientenspuleneinheit begrenzt
wird, und wobei die Leiterstruktur der Gradientenspuleneinheit einen
ersten Bereich einnimmt.
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Die
Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zur Untersuchung
von Objekten, unter anderem zum Gewinnen von Bildern des Objektinneren.
Dabei werden in einem Aufnahmebereich eines Magnetresonanzgerätes (MR-Geräts, z.B.
zur MR-Tomographie oder MR-Spektroskopie) einem statischen Grundmagnetfeld,
das von einem Grundfeldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete
Gradientenfelder überlagert,
die von einem Gradientenspulensystem erzeugt werden und der Ortskodierung dienen.
Ferner umfasst das MR-Gerät
eine oder mehrere Hochfrequenzantennen (HF-Antennen), von denen
eine zum Anregen von MR-Signalen HF-Signale in das Untersuchungsobjekt
einstrahlt (meist eine Ganzkörper-HF-Antenne)
und von denen eine oder mehrere die emittierten MR-Signale aufnehmen (meist
so genannte Lokalantennen). Auf Basis der MR-Signale werden ein
oder mehrere Magnetresonanzbilder erstellt.
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Aus
US 4,864,241 ist ein MR-Gerät bekannt, bei
dem Wirbelströme
kompensiert werden. Dies erfolgt mithilfe zweigeteilter Gradientenspulen,
die üblicherweise
eine hohlzylinderförmige
Einheit bilden. Zur HF-Felderzeugung wird eine ebenfalls hohlzylinderförmig ausgebildete
HF-Antenne mit kleinerem Radius in die Gradientenspuleneinheit eingebracht.
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Aus
DE 44 14 371 A1 ist
ein MR-Gerät
bekannt, bei dem zwischen einer Hochfrequenzantenne und einem Gradientenspulensystem
ein Hochfrequenzschirm angeordnet ist, der so ausgebildet ist, dass
er für
die vom Gradientenspulensystem erzeugten elektromagnetischen Felder
im Niederfrequenzbereich durchlässig
und für
die von der Hochfrequenzantenne erzeugten Felder im Hochfrequenzbereich undurchlässig ist.
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Ein
derartig ausgebildeter und zugeordneter HF-Schirm bewirkt, dass
der zwischen HF-Schirm und Hochfrequenzantenneneinheit liegende
Raum als HF-Feldrückflussraum,
d.h. zum Schließen
von HF-Magnetfeldlinien, ausgebildet ist; somit verlaufen die HF-Magnetfeldlinien
einerseits möglichst
homogen im Aufnahmebereich des MR-Geräts und schließen sich
andererseits durch den HF-Feldrückflussraum.
Eine zu hohe magnetische Energiedichte im HF-Feldrückflussraum
führt zu
nachteiligen Wechselwirkungen mit z.B. dem HF-Schirm und erhöht die abgestrahlte
Verlustleistung der HF-Antenneneinheit.
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Eine
Hochfrequenzantenne eines MR-Geräts
ist beispielsweise als eine so genannte Birdcage-Antenne ausgebildet.
Dabei ist eine Birdcage-Antenne zum Erzeugen eines homogenen Hochfrequenzfeldes
innerhalb eines von ihr umschlossenen Volumens in der Regel derart
gestaltet, dass auf einem Zylindermantel zueinander parallel und
gleich beabstandete Längsleiter
angeordnet sind, die durch Endringe miteinander verbunden sind.
Dabei erfolgt eine Abstimmung in Hoch- und Tiefpassfilterbereiche,
indem Festkapazitäten
in jedem der Leiter oder in den Endringen zwischen den Leitern eingebracht
sind, so dass bei resonanter Anregung ein homogenes Hochfrequenzfeld
resultiert. Ausführungsformen
einer solchen Birdcage-Antenne finden sich beispielsweise in
US 4 680 548 . Die Hochfrequenzantenne
kann auch als so genannte Arrayantenne ausgebildet sein. Dabei ist
die Arrayantenne durch mehrere, im Wesentli chen glückestige,
sich gegenseitig überlappende
Leiterschleifen gekennzeichnet. Ausführungsformen einer solchen Arrayantenne
finden sich beispielsweise in
US
4 825 162 . Derartige Antennen können auch mehrstufig ausgebildet
sein, d.h., es können
mehrere Antennen aneinander angrenzend nebeneinander angeordnet werden.
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Aus
DE 42 30 145 A1 ist
ein MR-Gerät
bekannt, dass einen Grundfeldmagneten aufweist, der einen transversalen
Zugriff zum Messvolumen erlaubt. Das MR-Gerät weist ein Gradientenspulensystem
mit axial beabstandeten Segmenten auf. Zur Erzeugung eines im Messvolumen
im Wesentlichen homogenen HF-Feldes
wird ein axial in eine axiale Bohrung eines Tragekörpers oder
transversal in die Lücke
des Grundfeldmagneten einführbares
HF-Spulensystem verwendet. Das MR-Gerät, bzw. seine Komponenten wie
Grundfeldmagnet, Gradientenspulensystem und HF-Spulensystem, sind
in Hinblick auf einen möglichst
großen
seitlichen Zugang zum Messvolumen zur einfachen Durchführung von
Therapiemaßnahmen
wie mikrochirurgische Eingriffe etc. ausgebildet.
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Aus
DE 44 22 782 C2 ist
eine transversale Gradientenspulenanordnung bekannt, bei der in
axialer Richtung der Gradientenspulenanordnung weiter vom Zentrum
entfernte Windungen der Primär-
und Sekundärspule
einen kleineren radialen Abstand zueinander aufweisen als nahe am
Zentrum liegende Windungen. Durch diese Anordnung soll erreicht werden,
dass eine verbesserte Homogenität
des Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen bei gleichzeitiger Möglichkeit
einer Spulenverkürzung
erreicht wird. Zusätzlich
beschreibt
DE 44 22
782 C2 eine Methode zur Berechnung des Leiterverlaufs einer
derartigen Gradientenspule.
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Aus
WO 97/35214 A1 ist eine unterteilte Gradientenspuleneinheit für ein Magnetresonanzgerät bekannt.
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Aus
DE 102 46 308 A1 ist
ein Magnetresonanzgerät
bekannt, in dessen Höhlung
zum Erzeugen von Gradientenfeldern ein zweigeteiltes Gradientenspulensystem
angebracht ist, das zwei hohl zylinderförmige Hälften umfasst, zwischen denen
zum Senden von Hochfrequenzsignalen und Empfangen von Magnetresonanzsignalen
ein speziell ausgebildetes Antennensystem angeordnet ist.
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DE 198 51 584 C1 beschreibt
eine Gradientenspuleneinheit, bei der Leiter einer primären Gradientenspule
mit Leitern der sekundären
Gradientenspule elektrisch verbunden sind.
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Die
technologische Entwicklung von MR-Geräten ist bei einem Reifegrad
angelangt, der als nächsten
Schritt kompaktere Systeme bei reduzierten Kosten in den Vordergrund
stellt. Das größte Potential
bei der Kostenminderung liegt in einer Volumenreduzierung (Durchmesserreduzierung)
der aufwendigsten Komponente des Systems, dem Grundfeldmagneten.
Um dies bei einem gleich großem
Aufnahmevolumen zu ermöglichen
ist es erforderlich, die angesprochenen dynamischen Felder des MR-Geräts (Gradienten-
und HF-Felder) auf kleinstmöglichem
Raum zu erzeugen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein MR-Gerät zu schaffen, bei dem ein
Gerätevolumen, das
einen Aufnahmebereich eines Untersuchungsobjekts umgibt, möglichst
klein dimensioniert gehalten werden kann.
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Die
Aufgabe bezogen auf das eingangs erwähnte MR-Gerät wird dadurch gelöst, dass
innerhalb des ersten Bereichs auf der der HF-Antenneneinheit zugewandten
Seite ein zweiter leiterfreier Bereich zwischen einer primären Gradientenspuleneinheit
und einer sekundären
Gradientenspuleneinheit der Gradientenspuleneinheit angeordnet ist,
der zumindest teilweise von der Leiterstruktur der Gradientenspuleneinheit
umgeben und als ein zweiter mit dem ersten HF-Feldrückflussraum
in Verbindung stehender HF-Feldrückflussraum
ausgebildet ist, dass die HF-Antenneneinheit näher als die Gradientenspuleneinheit
an einem Aufnahmebereich des Magnetresonanzgeräts angeordnet ist, indem der HF-Schirm
zwischen den HF- Feldrückflussräumen und
der Leiterstruktur der Gradientenspuleneinheit verläuft, und
dass die HF-Antenneneinheit näher
als die Gradientenspuleneinheit an einem Aufnahmebereich des Magnetresonanzgeräts angeordnet
ist.
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Erfindungsgemäß wird ein
leiterfreier Raum im Bereich der Gradientenspuleneinheit hochfrequenzmäßig aus
dieser herausgelöst
und als Erweiterung des HF-Feldrückflussraums
ausgebildet. Dies geschieht dadurch, dass der HF-Schirm zwischen der
Leiterstruktur und dem zweiten Bereich verläuft. Das heißt, er weicht
beispielsweise von seiner zylindermantelförmigen Ausbildung im Fall einer
hohlzylinderförmigen
Gradientenspuleneinheit oder von seiner ebenen, flächig ausgebildeten
Form im Fall einer plattenförmig
ausgebildeten Gradientenspuleneinheit eines offenen MR-Geräts ab. Diese
Abweichungen sind dergestalt, dass sich der HF-Schirm in die Gradientenspuleneinheit
beispielsweise hineinwölbt, um
den dort vorhandenen leiterfreien zweiten Bereich hochfrequenzmäßig zu erschließen. Der HF-Schirm
umgibt somit im Fall des hohlzylinderförmigen MR-Geräts den Aufnahmebereich
auf der gesamten Länge
des Hohlzylinders und im Fall des offenen MR-Geräts
liegt er als geschlossene Lage zwischen HF-Antenneneinheit und Gradientenspuleneinheit.
Allgemein bedeutet das, dass der HF-Schirm keine Öffnungen
aufweist, durch die das HF-Feld z.B. durch die Gradientenspuleneinheit
treten kann, sondern er stellt eine als Fläche geschlossene Grenze des
HF-Feldrückflussraums
dar. Entsprechend ist durch die Gradientenspule kein (z.B. seitlicher)
Zugang zum Aufnahmebereich für
operative Eingriffe möglich.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass durch die Nutzung eines zusätzlichen
leiterfreien Bereichs für den
Feldrückfluss
insgesamt der Abstand zwischen HF-Antenneneinheit und Gradientenspuleneinheit verringert
werden kann, ohne nachteilig den für den HF-Feldrückfluss
zur Verfügung
stehenden Raum wesentlich zu reduzieren. Dies bedingt, dass die
im Grundfeldmagneten einzubringenden Einheiten (HF-Antenneneinheit
und Gradientenspuleneinheit) Platz sparend ausgeführt werden
können
und somit bei gleichem Patientenaufnahmevolumen der Grundfeldmagnet
und damit das Gerätevolumen
kleiner dimensioniert werden können,
als es bei einer üblichen Ausführungsform
nach dem Stand der Technik der Fall ist.
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Bei
MR-Geräten
nach dem Stand der Technik werden HF- und Gradientenspuleneinheiten
unabhängig
voneinander optimiert. Aus den geometrischen Anforderungen für eine optimale
Felderzeugung wird dabei für
beide Einheiten im Design ein Kompromiss gewählt, der die Systemanforderungen zwar
erfüllt,
aber einen entsprechend großen
Platz für
den HF-Feldrückflussraum
bedingt. Beispielsweise ergibt sich für ein zylindersymmetrisches
MR-Gerät
ein größerer radialer
Abstand zwischen HF-Antenneneinheit und Hochfrequenzschirm, als
es bei einem erfindungsgemäßen MR-Gerät der Fall
ist.
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Gegenüber in der
Entwicklung befindlichen integrierten Ganzkörperantennen-/Gradientenspuleneinheiten
(siehe beispielsweise die nachveröffentlichte Patentanmeldung
DE 10 2004 012 058
A1 ) weist die Erfindung als weiteren Vorteil auf, dass
die Leiterstrukturen von HF-Antenneneinheit, Gradientenspuleneinheit
und HF-Schirm unabhängig
voneinander ausgebildet sind. Unter einer unabhängigen Ausbildung der Leiterstrukturen
ist dabei zu verstehen, dass keine Doppelbenutzung von elektrischen Leitern
vorliegt, wie es im Fall der integrierten Gesamteinheit ist, bei
der der HF-Schirm als Leiter der HF-Antenne wirkt. Entsprechend
leicht kann eine bauliche Untergliederung in HF-Antenneneinheit
und Gradientenspuleneinheit mit HF-Schirm vorgenommen werden, so
dass bei einem Defekt einer der Einheiten diese einzeln ausgetauscht
werden kann. Somit entfällt
im Vergleich zur integrierten Lösung
ein aufwändiger
und kostspieliger Tausch der integrierten Gesamteinheit.
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Bei
der Integration von Ganzkörperantenneneinheit
und Gradientenspuleneinheit treten zusätzlich Nachteile bezüglich der
mechanischen Stabilität
auf. Dies ist in der erfindungsgemäßen Ausführung nicht der Fall, da die
schwingungsempfindlichen Einheiten z.B. auf eigenen Trägern angeordnet
sind. Die Vibrationsbelastung der HF-Antenneneinheit durch die Schwingungen
der Gradientenspuleneinheit während
der MR-Bildgewinnung ist aufgrund der weitgehenden mechanischen
Entkopplung reduziert. Dadurch entfällt zusätzlich die Verwendung aufwändiger Verbindungstechniken
beim Einfügen
von als Festkapazitäten
wirkenden Kondensatoren in die Leiterstruktur der HF-Antenneneinheit.
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Die
Verwertung des ersten Bereichs für
den Rückfluss
des HF-Feldes erweitert
die Flexibilität
in der HF-Feldformung im Aufnahmebereich mit z.B. den Zielen, um
z.B. den Homogenitätsbereich
zu optimieren oder die in einem Patienten deponierte HF-Leistung
zu minimieren. Dies ist sowohl im Bezug zum Stand der Technik nach 1 als
auch im Vergleich zur oben erwähnten
integrierten Ganzkörperantennen-/Gradientenspuleneinheiten
von Vorteil, da beide im für
den HF-Feldrückflussraum
zur Verfügung
stehenden Raum eingeschränkt
sind.
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Besonders
vorteilhaft ist es, den durch den zweiten Bereich gegebenen zusätzlichen
Feldrückflussraum
möglichst
nahe am Aufnahmebereich anzuordnen. Dazu wird beispielsweise hinsichtlich
einer axialen Ausdehnung des ersten Bereichs der zweite Bereich
in einem Mittenbereich des ersten Bereichs angeordnet. Dies ist
beispielsweise in einem hohlzylinderförmigen MR-Gerät aufgrund
der Verwendung von mehreren Teilspulen in Richtung der Zylinderachse
realisierbar, da diese Spulen das Bereitstellen eines leiterfreien
Bereichs in der Symmetrieebene in axialer Richtung ermöglichen.
Im Fall einer plattenförmigen
Gradientenspuleneinheit kann der zweite Bereich rinnenförmig in
der Symmetrieebene der Spulen oder auch als Vertiefung im Zentrum
der Platte ausgebildet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verjüngt sich
der zweite Bereich entlang einer Zylinderachse konusförmig vom
Rand hin zur Mitte des ersten Bereichs. Dies hat den Vorteil, dass
Leiter der Leiterstruktur der Gradientenspuleneinheit mit der größten Gradientenfeldeffizienz
einen minimalen Abstand zum Aufnahmevolumen aufweisen. Weiter entfernt
angeordnete Leiterabschnitte der Gradientenspuleneinheit werden
bei einer Zylindersymmetrie beispielsweise radial von der HF-Antenneneinheit abgerückt und
ermöglichen
so die Ausbildung des zusätzlichen
HF-Feldrückflussraums.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Magnetresonanzgeräts ist der
zweite leiterfreie Bereich als ein Hohlraum mit mindestens einer Öffnung ausgebildet.
Bei dieser Ausführungsform
kann ein leiterfreier Bereich genützt werden, der beispielsweise
im Raum zwischen der primären
Gradientenspuleneinheit und der sekundären Gradientenspu leneinheit
vorhanden ist. Der zuvor angesprochene leiterfreie Bereich aufgrund
der Verwendung mehrerer Spulen in axialer Richtung kann den Zugang
zu diesem hohlraumartigen Bereich bilden. Im Fall eines zylinderförmigen MR-Geräts ergibt
sich somit ein ringförmiger
leiterfreier Bereich, der den Zugang zu einem eine Hinterschneidung
bildenden Bereich innerhalb der Gradientenspuleneinheit bildet. Im
Fall eines offenen MR-Geräts kann
ein leiterfreier Bereich der Z-Gradientenspule als ringförmiger Spalt zwischen
zwei kreisförmig
verlaufenden Leitern ausgebildet sein. Für die X- und Y- Gradientenspule
können
Leiterverläufe,
wie sie in der oben erwähnten nachveröffentlichten
Patentanmeldung
DE
10 2004 012 058 A1 beschrieben sind, zu leiterfreien Bereichen
führen.
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Vorzugsweise
erstreckt sich der HF-Schirm über
die gesamte Länge
der Gradientenspuleneinheit. Beispielsweise folgt er im äußeren Bereich
eines hohlzylinderförmigen
MR-Geräts
der Innenseite der hohlzylinderförmigen
ausgebildeten Gradientenspuleneinheit und im inneren Bereich kleidet
er zur Schaffung des zusätzlichen
HF-Feldrückflussraums eine
Innenseite eines oder mehrere leiterfreier Bereiche aus.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein
Leiter der Leiterstruktur der HF-Antenneneinheit, beispielsweise
ein Längsleiter einer
Birdcage-Antenne, zur Erzeugung einer vom Abstand zwischen HF-Antenneneinheit
und HF-Schirm abhängigen
Korrekturkapazität
verbreitert ausgebildet. Alternativ kann zur Erzeugung einer vom
Abstand zwischen HF-Antenneneinheit und HF-Schirm abhängigen Korrekturkapazität ein flächiges,
im Wesentlichen parallel zum Schirm ausgerichtetes Leiterelement
mit der Leiterstruktur der HF-Antenneneinheit verbunden werden.
Beide Ausführungsformen
bewirken, dass die parasitäre,
vom Abstand abhängige
Kapazität
des durch die HF-Antenneneinheit gebildeten HF-Resonators im Verhältnis zur
Festkapazität
steigt. Die Erhöhung
derartiger parasitärer
Kapazitäten
führt zu
einer ausgleichenden Wirkung der abstandsabhängigen Kapazität und der abstandsabhängigen Induktivität auf die
Frequenzeigenschaften des HF-Resonators, wie Zentralfrequenz und
Bandbreite des HF-Feldes.
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Vorzugsweise
werden die zusätzlichen
parasitären
Korrekturkapazitäten
in Bereichen mit einer hohen, an den Leiter anliegenden Spannung
angebracht. Des Weiteren ist dabei die Phase der lokalen Schwingung
der Gradientenspuleneinheit bzw. allgemein die Ausbildung der Schwingungsmoden
der Gradientenspuleneinheit zu berücksichtigen, da die Amplitude
der Abstandsänderung
auch ortsabhängig sein
kann.
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Die
hier vorgestellte Korrektur von abstandsabhängigen nachteiligen Einflüssen bei
der parallelen Anordnung von HF-Antenneneinheiten
und Gradientenspuleneinheiten ist nicht auf die eingangs beschriebene
erfindungsgemäße Ausführungsform
des Magnetresonanzgeräts
beschränkt,
sondern kann vielmehr bei jeder Art von mechanisch schwingungsgekoppelten
HF-Antenneneinheiten mit einem Leiter verwendet werden, um die Abhängigkeit
der HF-Antenneneinheit von Abstandsänderungen zu reduzieren.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Es
folgt die Erläuterung
von mehreren Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der 1 bis 8. Es zeigen
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1 eine
Skizze eines Schnitts durch eine HF-Antenneneinheit und eine Gradientenspuleneinheit
nach dem Stand der Technik,
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2 einen
Schnitt durch ein hohlzylinderförmiges
Magnetresonanzgerät,
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3 eine
schematische Darstellung eines offenen MR-Geräts,
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4A, 4B, 4C, 4D beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung dargestellt anhand von schematischen Schnittbildern
durch HF-Antenneneinheiten und Gradientenspuleneinheiten,
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5 eine
abgewickelte Gradientenspuleneinheit für ein hohlzylinderförmiges MR-Gerät, mit einem
Schnittbild gemäß 4A,
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6 eine
Aufsicht auf eine plattenförmige Gradientenspuleneinheit,
mit einem Schnittbild gemäß 4A,
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7 eine
Projektion einer dreidimensionalen Leiterstruktur einer Gradientenspuleneinheit
mit konischer Innenwand und zentrischem Ringspalt mit einem Schnittbild
gemäß 4B und
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8 eine
beispielhafte Leiterstruktur einer HF-Antenneneinheit in Form eines Birdcage-Resonators
mit Korrekturkapazitäten
in Form von verbreiterten Leitern und elektrisch verbundenen Leiterplättchen.
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1 verdeutlicht
in einem Schnittbild die im Stand der Technik übliche Anordnung und Ausbildung
einer HF-Antenneneinheit 1 und einer Gradientenspuleneinheit 3.
Aus Stabilitätsgründen wird
die HF-Antenneneinheit 1 üblicherweise auf einer als Träger wirkenden
Innenverkleidung 5 aufgebracht. Ein HF-Resonator der HF-Antenneneinheit 1 wird durch
einen Kondensator 7 verdeutlicht. Die Gradientenspuleneinheit 3 umfasst
Leiterstrukturen der primären
Gradientenspule 9 und der sekundären Gradientenspule 11 zur
Abschirmung (Schirm-Spule). Die Dicke der Gradientenspuleneinheit 3 liegt
in der Größenordnung
von 10 cm. Im Stand der Technik werden üblicherweise die HF- und Gradientenfelder
erzeugenden Einheiten unabhängig
voneinander optimiert. Aus den geometrischen Anforderungen für eine optimale
Felderzeugung wird für
beide Einheiten ein Kompromiss gewählt, der die Systemanforderungen erfüllt. Beispielsweise
ergibt sich für
ein hohlzylinderförmiges
MR-Gerät
ein radialer Abstand von 3,5 cm zwischen der HF-Antenneneinheit 1 und
der Gradientenspuleneinheit 3. Zur Unterdrückung von
Wirbelströmen
und Störfeldern
aufgrund des HF-Feldes in den Gradientenspulen 9, 11 ist
die Gradientenspuleneinheit 3 an der der HF-Antenneneinheit 1 zugewandten
Seite durch einen HF-Schirm 13 vor dem Eintritt von HF-Feldern
geschützt.
Somit ist ein HF-Feldrückflussraum 15 auf
den Bereich zwischen der HF-Antenneneinheit 1 und dem HF-Schirm 13 beschränkt.
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Die
mit Z gekennzeichnete Schnittrichtung entspricht im Fall eines hohlzylinderförmigen MR-Geräts der Richtung
entlang der Zylinderachse und im Fall eines plattenförmigen MR-Geräts einem
Schnitt durch das Zentrum der plattenförmigen Einheiten.
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2 zeigt
beispielhaft ein erfindungsgemäßes hohlzylinderförmiges MR-Gerät 21 mit
folgenden von radial außen
nach innen angeordneten Komponenten: Ein supraleitender Grundfeldmagnet 23 in
einem Vakuumbehälter,
eine Gradientenspuleneinheit 25, ein HF-Feldrückflussraum 27,
eine HF-Antenneneinheit 29, deren Innenseite von einer
Innenverkleidung 31 gebildet wird. Im Inneren dieser hohlzylinderförmig ausgebildeten
Komponenten befindet sich ein Aufnahmebereich 33, in den
ein zu untersuchender Patient zur Bildaufnahme eingebracht wird.
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Grundvoraussetzung
für die
MR-Anregung ist ein möglichst
homogenes vom Grundfeldmagneten 23 erzeugtes Grundmagnetfeld
im Aufnahmebereich 33. Zur Anregung von MR-Antwortsignalen
werden mithilfe der HF-Antenneneinheit 29 HF-Felder in den
Aufnahmebereich 33 eingestrahlt. Eine Ortskodierung der
resultierenden MR-Signale aus dem Aufnahmebereich 33 erfolgt
mithilfe der von Gradientenspulen der Gradientenspuleneinheit 25 erzeugten Gradientenfelder
im Aufnahmebereich 33.
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In 2 sind
verschiedene mögliche
Ausführungsformen
von leiterfreien Bereichen in der Gradientenspuleneinheit 25 an gedeutet.
Ein Bereich 35 liegt zwischen axial getrennten Gradientenspulen der
Gradientenspuleneinheit 25 und ist ringförmig in der
Mitte der Gradientenspuleneinheit 25 ausgebildet. Ein asymmetrisch
angeordneter leiterfreier Bereich 37 sowie ein sich konisch
von außen
zur Mitte hin verjüngende
Bereich 39 sind ebenfalls angedeutet. Ersterer umringt
vorzugsweise einen Endring der HF-Antenneneinheit 29. Eine
weitere mögliche
Ausbildungsform des leiterfreien Bereichs ist durch einen zwischen
Primär-
und Sekundärgradientenspulen
liegenden Bereich 41 gegeben. Zur Erweiterung des Hochfrequenzraumes
sind die angedeuteten Bereiche 35, ... 41 auf
ihrer Innenseite von einem Hochfrequenzschirm 43 ausgekleidet.
Der zusätzlich
gewonnene Feldrückflussraum
in den Bereichen 35, ... 41 ermöglicht eine
kompakte Anordnung von Gradientenspuleneinheit 25 und HF-Antenneneinheit 29,
so dass im Vergleich zum Stand der Technik bei gleich großem Aufnahmebereich 33 der
Grundfeldmagnet 23 kleiner und damit z.B. kostengünstiger
ausgeführt werden
kann. In einer alternativen Sichtweise kann bei gleich großem Grundfeldmagnet 23 der
Aufnahmebereich 33 größer ausgeführt werden.
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3 zeigt
ein offenes MR-Gerät 50 mit
zwei gegenüberliegenden,
plattenförmig
ausgebildeten Gradientenspuleneinheiten 51A, 51B,
die oberhalb und unterhalb eines Aufnahmebereichs 53 angeordnet
sind. Parallel zu den Gradientenspuleneinheiten 51A, 51B sind
plattenförmige
HF-Antenneneinheiten 55A, 55B angeordnet. Abgesehen
von der anderen Geometrie entsprechen der Aufbau und die Funktionsweise
im Wesentlichen denen des MR-Geräts aus 2.
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Die
untere HF-Antenneneinheit 55B ist gestrichelt angedeutet,
um die Oberflächenmodulation der
der HF-Antenneneinheit 55B zugewandten Seite der Gradientenspuleneinheit 51B sichtbar
zu machen. Man erkennt einen scheibenförmigen leiterfreien Bereich 57 im
Zentrum der Gradientenspuleneinheit 51B. Ein auf der Gradientenspuleneinheit 51A aufgebrachter
HF-Schirm 59 kleidet den Bereich 57 aus, so dass
der zwischen der HF-An tenneneinheit 55B und der Gradientenspuleneinheit 51B liegende Feldrückflussraum
trotz eines geringen Abstandes der beiden Einheiten ein ausreichendes
Volumen aufweist.
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Die
in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele
lösen die
eingangs beschriebene Aufgabe einer kompakten Geometrie eines MR-Geräts, das
HF- und Gradientenfelder mit unabhängig gelagerten Leiterstrukturen
erzeugt. Aufgrund einer gemeinsam durchgeführten Optimierung der Leiterstrukturen
weisen sie einen geringeren Abstand voneinander auf, als es bei
einer getrennten Optimierung von Gradientenspuleneinheit und HF-Antenneneinheit
der Fall ist. Die gemeinsam durchgeführte Optimierung ermöglicht es
eine Art geometrischen Abdruck der HF-Felder auf einem HF-Schirm,
der in seinem Verlauf noch nicht an die leiterfreien Bereiche optimiert
und angepasst ist, vorzunehmen. Bei der Optimierung wird die der
HF-Antenneneinheit zugewandte Seite der Gradientenspuleneinheit
optimiert. Dabei entstehen leiterfreie Bereiche an Orten, die als
HF-Feldrückflussraum
genutzt werden können
und dadurch bewirken, dass dem Rückfluss
des HF-Feldes ein möglichst
geringer magnetischer Widerstand entgegengebracht wird. Optimierungsparameter
für einen
geringen Leistungsbedarf sind typischerweise die charakteristischen
Größen Homogenitätsvolumen
sowie Spuleneffizienz. Zusätzlich
wird die mechanische Stabilität
der erforderlichen Geometrie berücksichtigt;
dies kann beispielsweise durch eine vergleichende harmonische Schwingungsanalyse
geschehen. Des Weiteren werden die benötigte Spulenresonanzfrequenz
und die damit verknüpfte
nutzbare axiale Ausdehnung des Rückflussvolumens
berücksichtigt.
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Vorzugsweise
werden bei der Formgebung der Gradientenspuleneinheit Leiterbereiche
maximaler Gradientenfeldeffizienz in einem minimalen Abstand zum
Aufnahmebereich angeordnet. Die Stromdichteverteilung auf der Gradientenspulenoberfläche wird
dazu mathematisch so formuliert, dass ihr resultierendes Gradientenmagnetfeld
entweder als Funktion ihrer Fourierkoeffi zienten oder als Funktion
von magnetischen Dipolen auf der Stromdichteoberfläche dargestellt
werden kann. Für
ein gegebenes Zielfeld an geeigneten Punkten im Spulenvolumen wird diese
Funktion mit einem Variationsverfahren optimiert, wobei als Randbedingungen
z.B. eine minimale Gradientenstärke
und Gradienteninduktivität
gefordert werden. So gewonnene Höhenlinien
der resultierenden optimierten Stromdichteverteilung werden zur Generierung
des Leiterbahnlayouts verwendet. Eine ausführliche Beschreibung eines
derartigen Rechenverfahrens wird z.B. in der eingangs zitierten
Patentschrift
DE 44
22 782 C2 gegeben.
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Die
Bestimmung einer den Anforderungen genügenden Oberflächengeometrie
kann iterativ geschehen, d.h., eine aus HF-Sicht optimale Struktur wird als Eingangsgröße für die Gradientenspulenoptimierung
verwendet. Aus den Ergebnissen der ersten Iteration wird eine geänderte Geometrie
abgeleitet, welche auf ihren Einfluss auf die HF-Antenneneinheit
hin untersucht wird. Die Iterationsschleife wird beendet, sobald
ein den Anforderungen genügender Parametersatz
für beide
beteiligten Komponenten gefunden wurde.
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Wird
beispielsweise bei einem Birdcage-Resonator im Bereich der Endringe
zusätzlicher
ringförmiger
HF-Feldrückflussraum
(ähnlich
dem leiterfreien Bereich 37 in 2) geschaffen,
kann als Startpunkt einer iterativen Berechnung eine geringe Zahl von
leiterführenden
Stegen durch den HF-Feldrückflussraum
gewählt
werden. Diese Stege ermöglichen ein
effizienteres Design der Stromdichte für die transversalen Gradientenachsen.
Im Verlauf des iterativen Verfahrens kann die Anzahl von zwischen
den Stegen liegenden „Rückflusstaschen
RFT's" z.B. von einem Minimum
von 4 bis zu einem Maximum von 32 variieren. Die Anzahl der RFT's bedingt im Prinzip
die Anzahl der Längsleiter
der sich innerhalb der Gradientenspule befindlichen Birdcage-Antenne.
Eine höhere
Anzahl von Längsleitern
ist allgemein mit einer höheren
HF-Feld-Homogenität
verbunden. Mit steigender Spulenresonanzfrequenz sinkt die nutz bare axiale
Ausdehnung des (ersten) HF-Feldrückflussraums,
so dass zusätzlicher
(zweiter) HF-Feldrückflussraum
besonders bei Hochfeld-MR-Geräten
an Bedeutung gewinnt.
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Aufgrund
des unabdingbar erforderlichen Innenverkleidungsrohres als "Abstandshalter" zwischen Patient
und HF-Struktur zur Begrenzung der spezifischen Absorptionsrate
kann mit einem erfindungsgemäßen MR-Gerät der gleiche
Raumgewinn erzielt werden wie mit einer integrierten Ganzkörperantennen-/Gradientenspuleneinheit,
d.h., der Abstand zwischen HF-Antenneneinheit und Gradientenspuleneinheit
kann z.B. von ca. 4 cm auf ca. 1 cm reduziert werden.
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Vorteile
der beispielsweise nach der soeben beschriebenen Methode gewonnenen
erfindungsgemäßen Ausführungsformen
sind die Vermeidung der Belastung der HF-Antenneneinheit durch Vibrationen der
Gradientenspuleneinheit, eine geringe Schwächung der mechanischen Stabilität der Gradientenspuleneinheit
(im Vergleich zur integrierten Ausführungsform von HF-Antenneneinheit
und Gradientenspuleneinheit), eine einfache Austauschbarkeit der HF-Antenneneinheit
bzw. Gradientenspuleneinheit im Fehler- oder Upgrade-Fall, sowie
eine Vermeidung zusätzlicher
Komplexität
des HF-Resonators bei höheren
Grundfeldstärken
bzw. HF-Frequenzen.
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Die 4A,
bis 4D zeigen Schnittbildskizzen verschiedener Ausführungsvarianten
einer erfindungsgemäßen Anordnung
und Ausbildung von HF-Antenneneinheit, HF-Schirm und Gradientenspuleneinheit.
Die dargestellten Schnittbilder können sowohl hohlzylinderförmigen MR-Geräten (Schnitt durch
eine Hohlzylinderwand) als auch offenen MR-Geräten (Schnitt durch eine plattenförmige Anordnung)
zugeordnet werden.
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4A zeigt
eine Gradientenspuleneinheit 3A, deren primäre Gradientenspule 9A sowohl
im Zentrum einen leiterfreien Bereich 35A aufweist, als auch
kleinere leiterfreie Bereiche 37A, die zwischen dem mittleren
leiterfreien Bereich 35A und dem Rand der Gradientenspuleneinheit 9A z.B.
im Bereich der Endringe der HF-Antenneneinheit 1A angeordnet sind.
Ein HF-Schirm 13A kleidet
die leiterfreien Bereiche 35A, 37A aus, die zumindest
teilweise in den Zwischenbereich zwischen der primären Gradientenspule 9A und
der sekundären
Gradientenspule 11A hineinragen. Die Dicke der Gradientenspuleneinheit 3A liegt
beispielsweise in der Größenordnung
von 10 cm und der Abstand zwischen der HF-Antenneneinheit 1A und
der Gradientenspuleneinheit 3A beträgt ca. 1 cm. Für eine effizientere
Gradientenfelderzeugung können
periodische Stege mit Gradientenspulenleitern innerhalb des zusätzlichen
HF-Feldrückflussraums 37A beispielsweise
in Umfangsrichtung angeordnet werden.
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4B zeigt
einen Aufbau, bei dem der zweite HF-Feldrückflussraum durch einen zentralen leiterfreien
Bereich 35B gewonnen wird, der sich relativ weit in den
Zwischenbereich von Primär-
und Sekundärgradientenspulen 9B bzw. 11B fortsetzt. Um
eine zumindest abschnittsweise „ebene" Gradientenspulenleiterstruktur beibehalten
zu können, wurde
die Primärspule
zweiteilig konisch ausgeführt, d.h.,
sie nähert
sich vom Rand der Gradientenspuleneinheit 3B in Richtung
Zentrum der Gradientenspuleneinheit 3B an die HF-Antenneneinheit 1B an.
Der Unterschied in der Form der Gradientenspuleneinheit 3B im
Vergleich zu einer beispielsweise rein hohlzylinderförmigen Ausführungsform
stellt einen weiteren leiterfreien Bereich 37B dar, der
sich konisch zur Mitte hin verjüngt.
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Ein
einfaches Kriterium zur Bestimmung einer geeigneten Oberflächenstruktur
einer Gradientenspule einer Gradientenspuleneinheit ist der verfügbare HF-Feldrückflussraum
der HF-Antenneneinheit. Im konventionellen Fall ergibt sich für das in 1 dargestellte
Beispiel eine Querschnittsfläche von
z.B. 0,028 m2. Bei einem radialen Gewinn
von 3 cm weist die Ausführung
nach 4B mit einem zentralen Ringspalt der Breite von
12 cm und einer Radiusdifferenz des Konus von 4 cm eine nur um ca.
30% geringere Querschnittsfläche
auf.
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Eine
weitere Ausführungsform
erkennt man in 4C. Die Gradientenspuleneinheit 3C ist
im Inneren leiterfrei ausgebildet und der zentrale leiterfreie Bereich 35C stellt
eine Öffnung
zum Inneren der Gradientenspuleneinheit 3C dar. Der zusätzlich gewonnene
Feldrückflussraum
entspricht somit einem Hohlraum 37C mit einer Öffnung.
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Die
Gradientenspuleneinheiten 3A und 3B der 4A und 4B haben
den Vorteil einer kraftschlüssigen
Verbindung in radialer Richtung zwischen Primär- und Sekundärspulen 9A, 11A und 9B, 11B,
so dass relative Schwingungen im Betrieb unterbunden sind. Die Optimierung
des HF-Rückflussraums
kann derart erfolgen, dass mechanische und HF-Anforderungen erfüllt werden.
Das Schwingungsverhalten der Gradientenspuleneinheit 3C nach 4C kann
durch Einbringen eines HF-Feld verträglichen Füllmaterials stabilisiert werden.
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4D ist
eine Weiterbildung, bei der ein zentraler leiterfreier Bereich 35D als
Durchbruch durch die Gradientenspuleneinheit 3D in einen
weiteren leiterfreien Bereich, den Feldrückflussraum 41D, ausgebildet
ist. Der Feldrückflussraum 41D wird
im Wesentlichen durch die Gradientenspuleneinheit 3D und
einen Grundfeldmagneten 23D/50D begrenzt und ist
bis auf den Durchbruch hochfrequenzmäßig durch die beiden Teile
des HF-Schirms 13DA und 13DB geschlossen. Der HF-Schirm 13DB am Grundfeldmagneten 23D/50D kann
auch durch dessen metallische Wand gebildet werden, die sich dem HF-Schirm 13DA so weit annähert, dass eine hochfrequenzmäßige Abdichtung
bewirkt wird. In einer besonderen Ausführungsform weist der Grundfeldmagnet 23D/50D eine
fassmantelförmige
oder kugelabschnittförmige
Aussparung auf, so dass aufgrund von vom Gradientenfeld induzierten
Strömen
in der metallischen Wand eine Gradientenfeldhomogenisierung im Aufnahmevolumen
bewirkt wird und somit auf eine sekundäre Gradientenspule zur Shimung verzichtet
werden kann.
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Die 5 und 6 zeigen
beispielhafte Aufsichten auf eine abgerollte hohlzylinderförmige (5)
bzw. auf eine plattenförmige
Gradientenspuleneinheit (6). In den dargestellten Ausführungsformen
mit Schnittbildern ähnlich 4A erkennt man,
dass die zusätzlich
gewonnenen Feldrückflussräume 37A', 37A'' durch Stege 61', 61'' unterbrochen werden, um einen
flexibleren Leiterbahnenverlauf 63', 63'' der
Gradientenspulenleiterstruktur zu ermöglichen.
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7 zeigt
in Bezug zur 4B eine Projektion einer dreidimensionalen
Leiterstruktur einer Gradientenspuleneinheit mit einem konischen
Verlauf der primären
Gradientenspule 67 und einem zentrischen Ringspalt sowie
einer zylinderförmigen
sekundären
Gradientenspule 68. Bei einer Zielfeldabweichung von kleiner
10% erreicht eine derartige Gradientenspuleneinheit in einem ellipsoiden
Aufnahmebereich von 19 × 19 × 14 cm3 eine Feldeffizienz von 125 μT/A/m. Die
Diskretisierung der kontinuierlichen Stromdichte erlaubt eine Leiterbahnbreite
von 5 mm. Die Gradientenspuleneinheit weist bei einem Gleichstromwiderstand
von 180 mΩ eine
Induktivität
von 950 μH
auf.
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Der
schon erwähnte
alternative Ansatz aus
DE
44 22 782 C2 realisiert die HF- und Gradientenleiterstrukturen
auf einem gemeinsamen Spulenkörper
(integriertes Konzept). Dabei wurde gezeigt, dass ein radialsymmetrischer
Spalt im Zentrum der zylindrischen Trägerstruktur bei bestimmten
Randbedingungen keinen negativen Einfluss auf die Gradientenfeldeffizienz
hat. Problematisch ist hier die negative Beeinflussung der mechanischen
Stabilität
des Spulenträgers
durch Aushöhlung
bzw. Auftrennung. Durch die Schwingungen der Gradientenleiter im Bildgebungsbetrieb
wird zusätzlich
die Vibrationsbelastung der am gleichen Spulenkörper angeordneten HF-Leiterstruktur
erhöht.
Aufgrund der prinzipiell erforderlichen Einfügung von Kondensatoren in die HF-Leiterstruktur
sind deswegen entsprechend aufwendige Verbindungstechniken erforderlich,
um eine Dauerfestigkeit sicherzustellen. Im Fehlerfall ist der (im Vergleich
zur separat ausgebildeten HF-Antenneneinheit) aufwendige Tausch
der Gesamteinheit erforderlich. Des Weiteren erfordert das Prinzip
des Hohlraumresonators (verbunden mit Aushöhlungen im Spulenkörper) komplexere
HF-Hohlraumgeometrien, welche nur aufwendig zu realisieren sind.
Im Vergleich dazu ist der erfindungsgemäße Aufbau erheblich flexibler,
insbesondere in Hinblick auf die Ausbildung von HF-Antenneneinheiten
bei Hochfeld-MR-Geräten
(> 3T).
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Im
erfindungsgemäßen MR-Gerät kann beispielsweise
ein ein- oder mehrstufig
ausgeführter Birdcage-Resonator
als HF-Leiterstruktur
der HF-Antenneneinheit genutzt werden. Eine leicht modifizierte
derartige HF-Antenneneinheit 71 ist in 8 dargestellt:
Die
Birdcageantenne 71 mit Längsleitern 72A und Endringen 72B ist
von einem HF-Schirm 73 umgeben. Im Fall einer mechanischen
Schwingung des HF-Schirms 73 oder der HF-Antenne 71 ändert sich der
Abstand von Leitern der Birdcageantenne 71 zum HF-Schirm 73.
Dies bewirkt eine Änderung
der parasitären
Kapazität
und Induktivität
eines derartigen Antennenaufbaus. Kapazität und Induktivität werden gegenläufig beeinflusst:
Bei einer Verringerung der Spaltdicke wird z.B. die Induktivität kleiner,
eine parasitäre
Kapazität
zwischen Leitern und Schirm jedoch größer. Der Einfluss ist umgekehrt
proportional zum Abstand, so dass er besonders bei der erfindungsgemäßen Ausbildung
von MR-Geräten
zum Tragen kommt, da diese einen sehr engen Aufbau von getrennt
gelagerten Leiterstrukturen von HF-Schirm und HF-Antenneneinheit
ermöglichen.
Die zeitliche Änderung
von Induktivität
und Kapazität
wirken sich auf die Resonanzfrequenz aus, beispielsweise treten vibrationsabhängige Störungen der
Phase der ausgesendeten HF-Signale und der empfangenen MR-Signale
auf. Eine derartige Vibrationsempfindlichkeit von HF-Schwingkreisen
ist als "Mikrofonie" bekannt.
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Die
im Folgenden beschriebene Weiterbildung der HF-Antenneneinheit des
MR-Geräts
hat zum Ziel, Störungen
aufgrund derartiger Abstandsänderungen
zu kompensieren.
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Mithilfe
einer gezielten Aufteilung der Kapazität des HF-Resonators auf in
Festkondensatoren konzentrierte Kapazitäten einerseits und gezielt
angebrachte parasitäre
Kapazitäten
(Korrekturkapazitäten)
andererseits kann die Empfindlichkeit gegenüber kleinen Abstandsänderungen
reduziert werden. Dadurch kann unter anderem auch die Frequenzbandbreite
vergrößert werden.
Dazu wird in einem ersten Schritt das magnetische Design des HF-Resonators
(Abstand und Länge)
vorgegeben. In einem zweiten Schritt wird durch Variation der Breite
von beispielsweise den Längsleitern 72A (siehe
z.B. Leiterbahnverbreiterungen 73) oder durch Anschließen zusätzlicher
kapazitiver flächiger
Leiterelemente 75, z.B. aus Kupferplättchen, die möglichst
parallel zum HF-Schirm 73 ausgerichtet sind, die parasitäre abstandsabhängige Kapazität des HF-Resonators
auf den zur Kompensation der Mikrofonie erforderlichen Wert gebracht.
Das heißt,
der abstandsabhängige Einfluss
der Induktivität
auf die Frequenzcharakteristik der HF-Antenneneinheit wird durch
den abstandsabhängigen
Einfluss der parasitären
Kapazität
kompensiert. Dazu werden vorzugsweise die Leiterverbreiterungen
oder Korrekturkapazitäten
in Bereichen von Spannungsbäuchen,
d.h. in der Nähe
von Festkondensatoren, angebracht, an denen die elektrische Feldstärke am stärksten ausgeprägt ist.
In einem dritten Schritt wird dann die noch zur HF-Resonanz fehlende
Restkapazität
in Form eines oder mehrerer Festkondensatoren eingefügt.
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Bei
der Verteilung der Korrekturkapazität kann zusätzlich berücksichtigt werden, dass (z.B.
bei höheren
mechanischen Schwingungsmoden der Gradientenspuleneinheit) die Amplitude
der Abstandsänderung
ortsabhängig
ist. Ist z.B. die Auslenkung unter dem HF-Spannungsbauch größer als
unter dem Strombauch, müssen
die Korrekturkapazitäten
entsprechend kleiner ausgeführt
werden.
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Diese
Maßnahmen
sind wie schon erwähnt nicht
auf die Verwendung einer HF-Antenneneinheit in einem erfindungsgemäßen MR-Gerät beschränkt, sondern
können
bei jeder HF-Antenneneinheit eines MR-Geräts mit vibrationsbedingten
Störungen
der Frequenzcharakteristik aufgrund von Induktions- und Kapazitätsänderungen
verwendet werden.