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Die
Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung zum Erzeugen eines homogenen
hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feld) zur Initiierung der Spinanregung
im Untersuchungsvolumen eines Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen
(MRT: Magnet Resonanz Tomograph, bzw. MRB: Magnet Resonanz Bildgebung
und MRI: magnet resonance imaging). Die Antennenvorrichtung besteht
aus zahlreichen (z. B. acht bis sechzehn) einzelnen, elektromagnetisch
weitgehend voneinander entkoppelten Resonatorsegmenten, die im Umfang
des zylindrischen Untersuchungsvolumens gleichmäßig
verteilt angebracht sind und durch eine Steuereinrichtung separat angesteuert
werden können. Die Antennenvorrichtung dient zeitlich unmittelbar
nacheinander einerseits als Nahfeld-Sendeantenne zur Initiierung
der Spinanregung der Protonen im jeweils zu untersuchenden Objekt
und andererseits als Nahfeld-Empfangsantenne zum Empfang der hochfrequenten Echosignale.
Die einzelnen Resonatorsegmente der Antennenvorrichtung verlaufen
in ihrer Längsrichtung parallel zur Längsachse
des Grundfeldmagneten. Mit Hilfe der von Leistungsgeneratoren gespeisten
Resonatorsegmente wird zur Bildaufnahme ein kurzzeitig gepulstes,
lokales, möglichst homogenes, hochfrequentes Magnetfeld
(B1-Feld) zur Auslenkung der Kernseins in den zu untersuchenden
Objekten im Inneren des Untersuchungsvolumens erzeugt. In den Pulspausen
werden die hochfrequenten elektromagnetischen Signale der wieder
in die Ausgangslage zurückkehrenden Spins mit den gleichen
Resonatorsegmenten empfangen und der rechnerbasierten Auswerteeinrichtung
des Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen zur Bildgenerierung
zugeführt.
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Neben
dem hochfrequenten Magnetfeld (B1-Feld) zur Auslenkung der Spins
(die eigentliche Signalerzeugung) sind noch weitere statische Magnetfelder
notwendig. Zur Lokalisierung der einzelnen Signale werden magnetische
Gradientenfelder verwendet und zur Ausrichtung der Spins dient ein
von den Hauptfeldspulen erzeugtes, sehr starkes, homogenes, statisches
Magnetfeld mit magnetischen Flussdichten im Bereich bis zu einigen
Tesla.
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Mit
zunehmender magnetischer Flussdichte werden feinere Strukturen darstellbar.
Allerdings steigt gleichzeitig auch der technische Aufwand zur Erzeugung
dieser hohen magnetischen Flussdichten ganz enorm an.
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Für
diagnostische Zwecke werden als Kompromiss zwischen der erzielbaren
Bildauflösung und den damit verbundenen Anschaffungs- und
Betriebskosten derzeit noch typischerweise magnetische Flussdichten
im Bereich von etwa 1,5 Tesla verwendet. Seit dem Jahr 2006 werden
bei Neuanschaffungen zunehmend Maschinen mit magnetischen Flussdichten
von 3,0 Tesla aufgestellt. Die Universität Marburg besitzt
seit 2005 ein kommerzielles 7-Tesla-Gerät (Siemens) für
experimentelle Kopfuntersuchungen. Im Forschungszentrum Jülich
soll bis 2008 eine Anlage mit 9,4 Tesla errichtet werden. In der
physikalischen Forschung werden Hochfeldgeräte mit Werten
der magnetischen Flussdichten bis zu 20 Tesla eingesetzt. In Abhängigkeit
von der magnetischen Flussdichte des statischen Hauptfeldes ändert
sich allerdings auch die Frequenz der Präzessionsbewegung
der Kernseins, die sogenannte Larmorfrequenz. Diese entspricht weitgehend
der Wechselwirkungsfrequenz des hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feldes)
zur Auslenkung der Spins der an der Bilderzeugung beteiligten Protonen.
Dabei ist der Zusammenhang linear. Bei einer Stärke der
magnetischen Flussdichte des Hauptfeldes von 7 Tesla beträgt
die Larmorfrequenz der Wasserstoffprotonen etwa 300 MHz. Dies bedeutet,
dass die Antennenvorrichtung zum Erzeugen eines homogenen hochfrequenten
Magnetfeldes (B1-Feld) zur Initiierung der Spinanregung im Untersuchungsvolumen
eines Hochfeld-Magnetresonanz-Tomographen an diese mit zunehmender
magnetischer Flussdichte ansteigende Larmorfrequenz angepasst sein
muss. Genügten bisher für Niederfeld-Geräte
noch relativ einfach herzustellende Hochfrequenzspulen als geeignete
Wechselwirkungselemente, so müssen bei Hochfeld- oder gar
Ultrahochfeld-Geräten zunehmend induktivitätsarme
Nahfeld-Antennen verwendet werden, um das erforderliche hochfrequente
Magnetfeld (B1-Feld) aufzubauen. Die spezielle Gestaltung der zum
Aufbau der Antennenvorrichtung verwendeten Resonatorsegmente hat
also einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der
mit modernen Hochfeld-Geräten erzielten Bilder. Die Resonatorsegmente
müssen nicht nur genügend intensive Hochfrequenzfelder
(Eingangsleistung pro Resonatorsegment kurzzeitig ca. 1 kW) verzögerungsfrei
erzeugen können, sie müssen diese hohe Impulsleistung
auch noch möglichst gleichmäßig im gesamten Untersuchungsvolumen
in eine hochfrequente magnetische Flussdichte umwandeln.
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Bei
sehr hohen Werten der magnetischen Flussdichte und damit sehr hohen
Larmorfrequenzen weisen herkömmliche Käfigspulen
(birdcage coils) für das Untersuchungsvolumen mit mäßig
schmalen Kupferstreifen als Sprossen eine verhältnismäßig hohe
Induktivität auf, die sehr geringe Kapazitätswerte
erfordert, um die Spulenanordnung insgesamt in den Resonanzzustand
zu bringen. Dies ist aus mehreren Gründen problematisch.
Es wird ein hohes Spannungspotential an den Kondensatoren erzeugt, welches
zu einem örtlichen elektrischen Streufeld führen
kann, das hochfrequente Energie in Form von Wärme in den
zu untersuchenden Patienten einbringen kann. Damit trägt
dieser Effekt zur Erhöhung der absorbierten SAR-Rate bei,
was in der Folge schließlich zu einer Verlängerung
der für die Bildgebung erforderlichen Zeit führt.
Außerdem kann ein beträchtlicher zu kompensierender
elektromagnetischer Strahlungsverlust auftreten, der von den speisenden Leistungsgeneratoren
zusätzlich aufgebracht werden muss, wodurch sich in der
Folge schließlich das Signal/Rausch-Verhältnis
(SNR, Signal to Noise Ratio) der empfangenen Signale und damit die
Bildqualität signifikant verschlechtert.
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Für
die dazu erforderlichen Hochfeld- bzw. Ultrahochfeld-Antennenvorrichtungen
sind zahlreiche Varianten verfügbar. Eine geeignete Hochfrequenz-Spulenanordnung
zur Bildgabe eines Subjektvolumens unter Verwendung eines Magnetresonanz-Tomographen
mit hoher magnetischer Flussdichte, die bei im Wesentlichen hohen
Frequenzen betrieben werden kann, ist in der
DE 10 2004 027 026 A1 (Verfahren
und Vorrichtung für magnetresonanzbildgebende Systeme sehr
hoher Feldstärke) beschrieben.
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Die
dort verwendete Spulenanordnung verfügt über eine
Anzahl von Leitern, die zylindrisch angeordnet und rings um einen
Patiententunnel des MRB-Systems vorgesehen sind, über eine
Anzahl kapazitiver Elemente, die zwischen den jeweiligen Enden der
Leiter (und diese miteinander verbindend) angeordnet sind, wobei
die mehreren Leiter und die mehreren kapazitiven Elemente eine Hochpass-Birdcage-Konfiguration
bilden und über eine Anzahl dynamischer Trennschalter,
wobei jeder dynamische Trennschalter unter Ausbildung eines Parallelresonanzkreises
parallel zu einem zugeordneten kapazitiven Element liegend elektrisch
angekoppelt ist.
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Die
geschilderte Vorrichtung ist eine deutliche Verbesserung im Vergleich
zu den herkömmlichen Systemen und soll die Anregung bei
Larmorfrequenzen bis zu 300 MHz ermöglichen. Nachteilig
an dieser Erfindung ist jedoch die Notwendigkeit von Trennschaltern
für jedes Resonatorelement, die an den Enden kapazitiv
miteinander verkoppelten Resonatoren, die dadurch nur schwer unabhängig
voneinander einzeln erregt werden können und die Verwendung
von resonanten TEM-Leitungen in Form von freischwebenden Leiterstreifen
ohne metallene Masseebene (es wird nur eine virtuelle Masselinie
verwendet). Die Verwendung von Halbleiterbauelementen (PIN-Dioden)
zum Aufbau der hier notwendigen zahlreichen Trennschalter (für
jede Resonanzleitung einen) kann die Zuverlässigkeit nachhaltig
einschränken, da typischerweise mit Hochfrequenzimpulsen sehr
hoher Puls-Leistung (im kW-Bereich) gearbeitet wird, was für
Halbleiterbauelemente im Laufe der Zeit zunehmend schädlicher
wird (Degradation durch lokale Überlastungen im Kristallgitter).
Insgesamt scheint die Realisierung gemäß der
DE 10 2004 027 026
A1 für den gewünschten Zweck zu kompliziert, dadurch
zu teuer und zu störungsanfällig.
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Durch
die resonanzbedingte ungleichmäßige Stromverteilung über
den transversalen Verlauf der jeweils in viertel Wellenlängen
betriebenen Resonanzleitungen ist das aus dieser Vorrichtung resultierende
hochfrequente Magnetfeld zudem relativ inhomogen, was unerwünschte
Artefakte bei der Bildgebung verursachen kann.
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Ein über
das Untersuchungsvolumen homogen verteiltes B1-Feld würde
hingegen ungestörte Bilder ohne aufwendige Korrekturrechnungen
ermöglichen.
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Ein
Verfahren zur Homogenisierung eines B1-Feldes und Magnetresonanzsystem
wird in der
DE
10 2004 013 422 A1 beschrieben. Dazu wird die Messung in
verschiedenen Iterationsschritten durchgeführt.
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In
einem ersten Iterationsschritt werden zunächst Messdaten
erfasst, welche eine B1-Feldverteilung in zumindest einem Teil des
Untersuchungsvolumens eines MRB-Systems repräsentieren.
Dann wird mit Hilfe eines Computers eine automatische B1-Homogenitätsanalyse,
basierend auf den erfassten Messdaten, durchgeführt. Dann
wird automatisch aus einer Anzahl von möglichen Homogenisierungsaktionen
eine bestimmte Homogenisierungsaktion auf Basis der B1-Homogenisierungsanalyse
durchgeführt. Die Iteration wird beendet, wenn die diagnostizierte
Homogenität für eine vorgesehene Magnetresonanz-Messung
ausreichend ist. Mit diesem Verfahren soll insbesondere auch die
vom zu untersuchenden Objekt verursachte Feldverzerrung kompensiert werden.
Hierzu ist es gemäß der
DE 10 2004 013 422 A1 erforderlich,
dass das MRB-System eine geeignete Speichereinrichtung mit zahlreiche
Homogenisierungsaktionen aufweist, welche bestimmten Homogenisierungs-Abweichungsklassen
zugeordnet sind. Zur Steuerung der Homogenisierungsaktion wird die Hilfe
einer Homogenisierungs-Steuereinrichtung benötigt.
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Die
Homogenisierungsaktion soll durch eine passende Einstellung bzw.
Justage der Parameter der verschiedenen Komponenten des MRB-Systems durchgeführt
werden. So können gezielt mitschwingende Antennenstrukturen
geschaltet werden, um eine bestimmte B1-Feld-Vorverzerrung zu erreichen. Ebenso
sollen Änderungen im B1-Feld durch Einstellungen der Messsequenz-Parameter
erreicht werden können. Darüber hinaus soll eine
gezielte Veränderung der dielektrischen Umgebung des Körpers
mittels Wasserkissen oder anderer dielektrischer Elemente durch
ein die dielektrische Umgebung modifizierendes Eingreifen des Bedienpersonals
erfolgen. So soll zur Durchführung der Homogenisierungsaktion
durch eine spezielle Homogenisierungsaktion-Steuereinrichtung und über
eine Ausgabeeinrichtung (beispielsweise eine Promptgenerierungs-Einheit)
Angaben über Kissengröße oder über
bestimmte Typen der dielektrischen Kissen und die genauen Positionierdaten
derselben an das Personal weitergegeben werden.
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Das
Verfahren ist zwar interessant, aber es ist zu personalintensiv
und benötigt für die jeweiligen Iterationsschritte
insgesamt zuviel Zeit. Außerdem ist der Aufwand zur Vorratshaltung
der individuell anpassbaren dielektrischen Kissen praxisfremd, insbesondere
im Hinblick auf die damit erzielbaren Vorteile an stückweise
verbesserter Homogenität, die sehr lokaler Natur ist und
die sich auch auf andere Weise erzielen lässt. Für
das physikalische Labor mag dieses Verfahren Vorteile bringen, für
die klinische Praxis ist jedoch alles schädlich, was die
für die Untersuchung benötigte Zeit auch noch
verlängert. Der Schlüssel zur raschen Erzielung
gestochen scharfer Bilder mit Hilfe von Hochfeld- oder Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen
liegt in der Bereitstellung geeigneter Antennen für das
Untersuchungsvolumen. Damit lassen sich bereits im Vorfeld viele
Probleme vermeiden, die ansonsten mit trickreichen Verfahren wieder
bereinigt werden müssten.
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Eine
schon recht brauchbare Anordnung zum Erzeugen von Hochfrequenz-B1-Feldern
in der MRB mit Flächenstromantennen ist in der
DE 103 34 170 B3 gegeben.
Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung und/oder Detektion
von Hochfrequenz-Bl-Feldern in einem Untersuchungsvolumen eines
Magnetresonanz-Tomographen, wobei die Anordnung eine Oberflächenspule
umfasst, welche röhrenförmig aus einem leitfähigen
Band aufgebaut ist, das an mindestens zwei aneinander angrenzenden
Enden kapazitiv geschlossen ist, wobei das Verhältnis von
Länge zu Breite des Bandes kleiner oder gleich 30 beträgt
und wobei das Untersuchungsvolumen außerhalb des vom Band
umschlossenen Raumgebiets anschließend an eine Außenfläche
der Oberflächenspule angeordnet ist, so dass die von der Oberflächenspule
erzeugten B1-Feldlinien im Untersuchungsvolumen im Wesentlichen
parallel zu dieser Außenfläche verlaufen. Dadurch
wird eine MRB-Sende- und Empfangs-Anordnung mit verbesserten Eigenschaften
geschaffen, insbesondere bei der die Verteilung des B1-Feldes beeinflussbar
ist.
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Die
in der
DE 103 34 170
B3 vorgestellte Flächenstromantenne kommt in der
physikalischen Wirkungsweise den hier weiter unten vorgestellten
Resonatorsegmenten schon recht nahe. Es sind jedoch einige Nachteile
erkennbar, wodurch die Flächenstromantenne in der
DE 103 34 170 B3 als
nicht besser geeignet erscheint. Die Flächenstromantenne verwendet
keine planare, sondern eine recht voluminöse Bauform. Ober-
und Unterseite befinden sich in einem relativ großen Abstand
voneinander. Das Band ist einmal komplett herumgeführt,
an zwei aneinander angrenzenden Enden kapazitiv geschlossen und
wird in Resonanz betrieben.
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Durch
diese spezielle Formgebung ist der für das Untersuchungsvolumen
zur Erzeugung des hochfrequenten Magnetfeldes maßgebliche
Teil der Flächenstromantenne außerordentlich kurz.
Die Gesamtlänge des Bandes ist signifikant kürzer
als eine halbe Wellenlänge, wenn man zur groben Abschätzung
die auseinander gefaltete Struktur betrachtet, die einem an den
Enden kapazitiv belastetem Dipol entspricht. Nach dem Falten wird
diese Länge nicht nur halbiert, da die Oberseite und die
Unterseite etwa gleichlang sind, sondern der relativ große
Abstand zwischen Oberseite und Unterseite führt zu einer
weiteren Verkürzung der zur Felderzeugung im Untersuchungsvolumen
wirksamen Länge. Zwar kann auch diese Flächenstromantenne
sicherlich prinzipiell in Hochfeld-Magnetresonanz-Tomographen verwendet werden,
das von dieser Antenne erfasste Untersuchungsvolumen wird wegen
der durch die Bauform verschenkten Längenausdehnung allerdings
bei noch höheren Larmorfrequenzen zu klein. Daher ist diese
Bauform für Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen sicherlich
nicht geeignet.
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Weiterhin
muss bedacht werden, dass im Untersuchungsvolumen normalerweise
ohnehin schon sehr beengte Raumverhältnisse herrschen. Die
Flächenstromantenne muss mit ihrer Rückseite innerhalb
des Untersuchungsvolumens weit genug vom Metall der Magnetresonanz-Tomographen
entfernt sein, weil sonst das Streufeld der kapazitiv gekoppelten
Enden über das Metall stark bedämpft oder die
Resonanzfrequenz zu sehr verstimmt wird. Es kommt zum Abstand der
Ober- und der Unterseite nun also noch der Abstand von den metallenen
Teilen des Untersuchungsvolumens hinzu.
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Zum
Untersuchungsobjekt hin muss noch eine (relativ dünne)
Isolierschicht angebracht werden, da die Haut des Patienten keinen
unmittelbaren Kontakt mit dem Metall der Flächenantenne
haben darf. Allerdings werden die betrachteten räumlichen Abstände
in einem zylinderförmigen Untersuchungsvolumen sowohl oben
und unten als auch rechts und links wirksam, d. h. das für
das zu untersuchende Objekt zur Verfügung stehende Untersuchungsvolumen wird
noch weiter eingeschränkt. Die in der
DE 103 34 170 B3 beschriebene
Flächenstromantenne ist trotz zweckdienlicher hochfrequenter
magnetischer Eigenschaften durch ihre voluminöse Bauform
insgesamt zu kurz und zu dick, um zwei wesentliche Nachteile zu
benennen.
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Der
im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde,
verbesserte Nahfeldantennen für Betriebsfrequenzen im Dezimeterbereich
(0,3 GHz bis 3 GHz), konstruiert als im Verbund (Array) oder einzeln
zu betreibende, voneinander elektromagnetisch weitgehend entkoppelte Resonatorsegmente
mit möglichst geringer Bauhöhe für eine
Antennenvorrichtung zur Erzeugung eines möglichst homogenen,
d. h. trotz vorhandener, das Magnetfeld beeinflussender Objekte, über
nahezu das gesamte Untersuchungsvolumen in seiner Intensität
möglichst gleichmäßig verteilten, hochfrequenten
Magnetfeldes einer Hochfeld- bzw. Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen
mit magnetischen Flussdichten von 7 Tesla und mehr, zur Verfügung
zu stellen.
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Dieses
Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten
Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die Resonatorsegmente über nahezu den gesamten, für
die Wechselwirkung mit dem hochfrequenten Magnetfeld wirksamen Verlauf
eine das Magnetfeld erzeugende Stromdichte mit nahezu gleichgroßer
Intensität aufweisen. Dadurch wird ohne weitere technische
Maßnahmen ein im Untersuchungsvolumen weitestgehend homogenes
hochfrequentes Magnetfeld erzeugt. Dadurch kann gleichzeitig sowohl
die Qualität der Bilder verbessert als auch die für
die Herstellung dieser Bilder benötigte Zeit verkürzt
werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente eine
geringe Bauhöhe aufweisen. Dadurch kann das vorhandene
Untersuchungsvolumen großzügig gestaltet werden, ohne
den technischen Aufwand zur Erzeugung des statischen Grundfeldes
zu erhöhen.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente im Vergleich zum
Freiraumwellenwiderstand niederohmig fehlangepasst sind und daher, ähnlich
wie bei magnetischen Schleifenantennen (magnetic loop antennas),
ein von den benachbarten Objekten wenig beeinflussbares Strahlungsnahfeld besitzen.
Es treten somit signifikant weniger Feldverzerrungen auf, die durch
die Patienten bzw. inhomogenen Unersuchungsobjekte verursacht werden.
Dadurch können zusätzliche zeitaufwendige und
personalintensive Homogenisierungsmaßnahmen entfallen.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente durch die niederohmige
Fehlanpassung auch untereinander nur sehr gering (typischerweise weniger
als – 15 dB) verkoppelt sind. Ein weiterer Vorteil ist,
dass die Resonatorsegmente hinsichtlich des Fernfeldes zu niederohmig
und damit fehlangepasst sind. Dies bedeutet, dass die von den Resonatorsegmenten
im Betrieb ausgehende elektromagnetische Störstrahlung
mit der Entfernung sehr rasch abklingt.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente durch ihre Ausführungsform
als modifizierte unsymmetrische Streifenleitungen (microstrip line) bereits
von der Konstruktion her eine relativ große Massemetallisierung
aufweisen, welche die von den Resonatorsegmenten im Betrieb ausgehende
elektromagnetische Störstrahlung, ähnlich wie
ein Farradaykäfig, nach außen weitgehend abschirmt.
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Ein
weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente separate, selbständige
Einheiten sind, wodurch die gesamte Antennenvorrichtung modular aufgebaut
sein kann und die einzelnen Resonatorsegmente bei Bedarf leicht
ausgetauscht werden können. So kann bei einem anders gewählten
Wert der Grundmagnetisierung z. B. die gleiche Grundkonstruktion
der Antennenvorrichtung beibehalten werden und es werden dann an
die veränderte Larmorfrequenz angepasste Resonatorsegmente
verwendet.
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Zur
Erläuterung der Erfindung sind Zeichnungen gegeben, die
im Folgenden näher beschrieben werden. Es zeigt
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1 schematisch
den typischen Aufbau eines Magnetresonanz-Tomographen,
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2 schematisch
und beispielhaft die typische Anordnung der Resonatorsegmente im
Untersuchungsvolumen,
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3 schematisch
den Querschnitt einer Resonanzleitung in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik
in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators,
die einer halben Wellenlänge entspricht,
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4 schematisch
den Querschnitt einer Resonanzleitung in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik
in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators,
die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht,
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5 schematisch
den Querschnitt eines erfindungsgemäßen verteilten
Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik
in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die
hier etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht,
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6 schematisch
die räumliche Darstellung eines verteilten Resonatorsegmentes
in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung
mit einer Länge des Resonators, die hier etwa dreiviertel
der Wellenlänge entspricht,
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7 schematisch
den Querschnitt eines erfindungsgemäßen verteilten
Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik
in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die
etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, mit zur Feinabstimmung
verwendeten Kondensatoren zwischen Leiterstreifen und Massefläche,
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8 schematisch
die räumliche Darstellung eines verteilten Resonatorsegmentes
in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung
mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der
Wellenlänge entspricht, mit zur Feinabstimmung verwendeten
Kondensatoren zwischen Leiterstreifen und Massefläche,
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9 schematisch
den Querschnitt eines erfindungsgemäßen verteilten
Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik
in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die
etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, mit zur Feinabstimmung
verwendeten Kondensatoren zwischen jeweils dem Ende und der Unterseite
des Leiterstreifens,
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10 schematisch
die räumliche Darstellung eines verteilten Resonatorsegmentes
in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung
mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der
Wellenlänge entspricht, mit zur Feinabstimmung verwendeten
Kondensatoren zwischen jeweils dem Ende und der Unterseite des Leiterstreifens,
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11 schematisch
den Querschnitt eines erfindungsgemäßen konzentrierten
Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik
in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators,
die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, wobei
zur elektrischen Verlängerung der Resonanzleitung zusätzliche
Spulen zwischen dem Ende der jeweiligen Resonanzleitung und der
Massefläche geschaltet sind,
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12 schematisch
die räumliche Darstellung eines konzentrierten Resonatorsegmentes
in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung
mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der
Wellenlänge entspricht, wobei zur elektrischen Verlängerung
der Resonanzleitung zusätzliche Spulen zwischen dem Ende
der jeweiligen Resonanzleitung und der Massefläche geschaltet
sind,
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13 schematisch
den Querschnitt eines erfindungsgemäßen konzentrierten
Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik
in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators,
die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, wobei
zur elektrischen Verlängerung der Resonanzleitung zusätzliche
Spulen zwischen dem Ende der jeweiligen Resonanzleitung und zu den
zur Feinabstimmung verwendeten Kondensatoren zwischen Spulen und
Massefläche geschaltet sind,
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14 schematisch
die räumliche Darstellung eines konzentrierten Resonatorsegmentes
in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung
mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der
Wellenlänge entspricht, wobei zur elektrischen Verlängerung
der Resonanzleitung zusätzliche Spulen zwischen dem Ende
der jeweiligen Resonanzleitung und zu den zur Feinabstimmung verwendeten
Kondensatoren zwischen Spulen und Massefläche geschaltet
sind.
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Zur
Erläuterung der Erfindung müssen zunächst
die wichtigsten Komponenten eines Magnetresonanz-Tomographen grob
lokalisiert werden. Der typische Aufbau eines Magnetresonanz-Tomographen
ist in 1 gezeigt. Das Gehäuse (101)
des Magnetresonanz-Tomographen umschließt im wesentlichen
die zylinderförmigen, mit hohem technischen Aufwand gekühlten
(supraleitenden) Hauptfeldspulen (102), die zur Erzeugung
eines homogenen statischen magnetischen Feldes auf der Basis von
massiven Helmholtz-Spulenanordnungen aufgebaut und um kleinere Hilfsspulen
zur Kompensation von Feldverzerrungen erweitert sind. Weiterhin
sind Spulenanordnungen zur Erzeugung von magnetischen Gradientenfeldern
(103) vorhanden, die magnetische Felder mit linear zunehmendem
Intensitätsverlauf in den drei Raumkoordinatenrichtungen
erzeugen können, um eine lokale Zuordnung der jeweiligen
Raumkoordinaten der einzelnen Spin-Impuls-Signale bzw. Echosignale
zu erhalten. Der Patient (106) bzw. das zu untersuchende
Objekt befinden sich auf einem verschiebbaren Schlitten (107)
und werden zur untersuchenden Bildgebung durch eine meist etwa zylinderförmige Öffnung
(105) so tief in den Magnetresonanz- Tomographen hineingeschoben,
dass die zu untersuchende Körperstelle bzw. die zu untersuchende
Objektstelle sich vorzugsweise in der Mitte des eigentlichen Untersuchungsvolumens (108)
befindet, welches nur einen geringen Teil des Gesamtvolumens des
Gehäuses (101) des Magnetresonanz-Tomographen
ausmacht.
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Innerhalb
des Untersuchungsvolumens befindet sich in der unmittelbaren Nähe
zum Patienten (106) die Antennenvorrichtung mit den einzelnen
Resonatorsegmenten (109) zur Erzeugung des hochfrequenten
B1-Feldes und zum Empfang der mit etwa der Larmorfrequenz abgestrahlten
Echosignale der in die Ausgangslage zurück präzisierenden
Protonen-Spins.
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In 2 ist
schematisch und beispielhaft die typische zylinderförmige
Anordnung der einzeln ansteuerbaren modularen Resonatorsegmente
(109) im Untersuchungsvolumen (108) im Querschnitt
der Zylinderachse zu erkennen. In dieser Darstellung wird auch deutlich,
dass die hier erfindungsgemäß verwendeten Resonatorsegmente
(109) durch ihren Aufbau in modifizierter unsymmetrischer
Streifenleitungstechnik relativ flach sind. Wären die Resonatorsegmente
deutlich dicker, wie es z. B. bei den oben erwähnten Flächenstrom-Antennen-Konstruktionen der
Fall ist, dann wird der für den Patienten zur Verfügung
stehende Teil des Untersuchungsvolumens von allen Seiten gleichzeitig
stark verringert, was die ohnehin oft schon vorhandenen Klaustrophobie-Ängste
signifikant fördern dürfte.
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Zur
Erläuterung der besonderen Wirkungsweise der hier vorgestellten
neuen Resonatorsegmente wird zunächst ein klassischer Leitungsdipol mit
einer Gesamtlänge von einer halben Wellenlänge betrachtet.
Die 3 zeigt schematisch den Querschnitt einer solchen
Resonanzleitung in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung
mit einer Länge des Resonators, die einer halben Wellenlänge
entspricht.
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Microstrip-Technik
bzw. Mikrostreifenleitungstechnik oder unsymmetrische Streifenleitungstechnik
sind einige der zahlreichen verschiedenen Bezeichnungen für
ein und dieselbe Leitungstechnik mit planarer Struktur und bedeutet,
dass sich ein Leiterstreifen mit einer bestimmten Breite in einem
bestimmten Abstand über einer ausgedehnten Grundmetallisierung
als Massefläche befindet. Dabei bestimmt das Verhältnis
der Breite des Leiterstreifens zum Abstand von der Massefläche
den Wellenwiderstand dieser Leitung. Je breiter der Leiterstreifen
und je geringer der Abstand dieses Leiterstreifens von der Massefläche,
umso geringer ist der Wellenwiderstand der Leitung.
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Zwischen
dem Leiterstreifen und der Massefläche befindet sich in
der Regel ein beide Metallisierungen tragendes Substratmaterial
oder Dielektrikum mit einer bestimmten Permittivitätszahl.
Auch diese Permittivitätszahl hat einen Einfluss auf den
Wellenwiderstand. Mit zunehmender Permittivitätszahl verringert
sich der Wert des Wellenwiderstandes der unsymmetrischen Streifenleitung.
Im Grenzfall kann dieses Dielektrikum auch überwiegend
Luft sein, dann muss die Anordnung wegen des Fortfalls der Stützfunktion
des Substratmaterials allerdings einige zusätzliche dielektrische
Hilfsstützen verwenden. Die 2 zeigt
schematisch den Querschnitt durch solche Resonatorsegmente (109)
in der geschilderten unsymmetrischen Streifenleitungstechnik, die
selbsttragend auf einem Substratmaterial mit vorgegebener Gesamtbreite
als selbständige modulare Einheiten aufgebaut sind. Die
jeweiligen Metallisierungen für die Leiterstreifen (es
sind nur die Hauptresonanzleitungen skizziert) und die Massefläche
sind als dicke schwarze Streifen im Querschnitt dargestellt.
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Die
in 3 gezeigte Darstellung zeigt ein Resonatorsegment
in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik im Querschnitt der Längsachse,
also im Vergleich zur Darstellung in 2 um 90
Grad gedreht. Die jeweiligen Leiterstreifen (14) und (15)
befinden sich auf der Oberseite eines Substrates (12) mit
der Höhe (H3). Die Metallisierung der Massefläche
(11) hat also von den eigentlichen Leiterstreifen (14)
und (15) den Abstand dieser Höhe (H3). Die Leiterstreifen
(14) und (15) sind am Speisepunkt (16) benachbart,
aber nicht unmittelbar miteinander verbunden. Sie sind jeweils mit
einer abgestimmten Speiseleitung aus zwei Leitern (17)
verbunden, die beispielsweise von den inneren Leitungen einer Twinaxialleitung
gebildet werden, welche die Massefläche unterhalb des Einspeisepunktes
(16) durchbricht und deren abschirmender Außenmantel
(18) an der Durchbruchstelle mit der Massefläche
(11) der unsymmetrischen Streifenleitung elektrisch leitend
verbunden ist. Recktanz-Elemente, die, wie der Fachmann weiß,
zur Impedanz-Anpassung notwendigerweise verwendet werden müssen,
sind aus Gründen der besseren Übersicht hier nicht
zusätzlich in den schematischen Bildern eingezeichnet!
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Die
beiden Leiterstreifen (14) und (15) bilden die
eigentlichen Resonanzleitungen. Sie sind gleichlang und verlaufen
vom Speisepunkt (16) bis zum abrupten Ende des Substrates.
Da an den Enden kein metallener Leiterstreifen mehr ist, weil auch
die Leiterstreifen (14) und (15) dort enden, kann
dort auch keine hochfrequente Stromstärke mehr vorliegen. Das
jeweils abrupte mechanische Ende der Leiterstreifen (14)
und (15) legt somit die elektrischen Randbedingungen für
das resonanzfähige Gebilde fest. Wird im Speisepunkt (16)
nun eine hochfrequente Wechselspannung zugeführt, deren
Frequenz genau der halben Wellenlänge (oder ein Vielfaches
davon) der von der Gesamtlänge der beiden Leiterstreifen
(14) und (15) gebildeten Resonanzleitung entspricht,
so bildet die in 3 gezeigte Anordnung den bekannten
klassischen Halbwellen-Dipol in unmodifizierter unsymmetrischer
Streifenleitungstechnik.
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Führen
wir bei dieser Anordnung nun eine geeignete Hochfrequenz-Magnetfeld-Sonde
(S) im gleichmäßigen Abstand (D) parallel zur
Substratoberfläche in x-Richtung und detektieren wir den
ortsabhängigen Wert des Absolutbetrages der von der Resonanzleitung
insgesamt erzeugten magnetischen Flussdichte (A) in diesem Abstand,
so ergibt sich der allgemein bekannte ortsabhängige Verlauf des
Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte eines Halbwellen-Dipols
(A1), der gleichzeitig auch den verteilten Verlauf der im Leiterstreifen
fließenden hochfrequenten Stromstärke widerspiegelt,
weil die vom stromdurchflossenen Leiterstreifen erzeugte magnetische
Flussdichte direkt proportional zur Stromstärke im Leiterstreifen
ist.
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Würde
man nun ein solches Resonatorsegment direkt und unmodifiziert zur
Bilderzeugung im MRT verwenden, so wären die Probleme vorprogrammiert.
Nur im mittleren Bereich der Längsachse (in x-Richtung),
also in der Nähe des Einspeisepunktes (16), ist
der Wert des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte (A1) einigermaßen
gleich hoch. Dann fällt der Wert des Absolutbetrages der magnetischen
Flussdichte (A1) gemäß dem Verlauf einer Kosinusfunktion
entsprechend zu den offenen Enden der Leiterbahnen (14)
und (15) hin rasch ab. Der sinnvoll nutzbare Bereich im
Untersuchungsvolumen ist stark eingeschränkt. Trotzdem
wird in vielen Fällen bisher genau so verfahren, weil man
es nicht besser weiß.
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Der
Kern der Erfindung besteht nun darin, die Resonanzleitungen in einem
ersten Schritt zunächst signifikant zu verlängern
und eine Resonanzleitung bei einer Länge zu betreiben,
die mehr als der halben Wellenlänge und weniger als einer
ganzen Wellenlänge entspricht und dann in einem zweiten Schritt
denjenigen Teil der Resonanzleitung, der die kosinusförmig
abfallende Intensitätswerte der magnetischen Flussdichte
bewirkt, mechanisch oder elektrisch so von dem zu erzeugenden B1-Feld
zu separieren, dass nur die Bereiche der Streifenleitungen als Resonanzleitungen
mit dem Untersuchungsvolumen (108) Wechselwirken können,
die annähernd gleichhohe Werte des Absolutbetrages der hochfrequenten
magnetischen Flussdichte (B1-Feld) im Feldraum erzeugen.
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4 Zeigt
eine Resonanzleitung gemäß den Erläuterungen
zu 3, allerdings jetzt erfindungsgemäß mit
signifikant längeren als Resonanzleitung dienenden Leiterstreifen
(24) und (25), wobei die Gesamtlänge
beider Leitungen mehr als der halben Wellenlänge und weniger
als einer ganzen Wellenlänge entspricht. Diese sind jeweils
mit einer abgestimmten Speiseleitung aus zwei Leitern (27)
verbunden, die beispielsweise von den inneren Leitungen einer Twinaxialleitung
gebildet werden, welche die Massefläche unterhalb des Einspeisepunktes (26)
durchbricht und deren abschirmender Außenmantel (28)
an der Durchbruchstelle mit der Massefläche (21)
der unsymmetrischen Streifenleitung elektrisch leitend verbunden
ist. Mit Hilfe entsprechend angepasster Speiseleitungen (27),
welche die als Resonanzleitungen betriebenen Leiterstreifen (24)
und (25) im Speisepunkt (26) mit elektromagnetischer
Energie versorgen, ergibt sich der ortsabhängige Verlauf
des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte eines Mehr-als-Halbwellen-und-weniger-als-Vollwellen-Dipols
(A2), der gleichzeitig auch den verteilten Verlauf der in diesen
Leiterstreifen fließenden hochfrequenten Stromstärke
widerspiegelt, weil die vom jeweiligen stromdurchflossenen Leiterstreifen
erzeugte magnetische Flussdichte direkt proportional zur Stromstärke
im Leiterstreifen ist. Der Absolutbetrag der hochfrequenten magnetischen Flussdichte
besitzt nun über einen weiten Bereich einen ausreichend
hohen Wert und ist bis auf eine kleine Einbuchtung der Intensität
im Bereich des Speisepunktes (26) im Mittel betragsmäßig
weitgehend gleichgroß. Der für die Bildgebung
nutzbare Bereich ist signifikant vergrößert. Allerdings
fällt auch bei der in 4 gezeigten
Anordnung der Wert der magnetischen Flussdichte gemäß dem
Verlauf einer Kosinusfunktion entsprechend zu den offenen Enden
der als Resonanzleitungen betriebenen Leiterbahnen (24)
und (25) hin rasch ab. Diese Bereiche lassen sich im Untersuchungsvolumen
nur sehr stark eingeschränkt nutzen.
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Erfindungsgemäß wird
nun der Teil der Resonanzleitung, der die kosinusförmig
abfallende Intensitätswerte des Absolutbetrages der magnetischen
Flussdichte bewirkt, zunächst mechanisch von dem zu erzeugenden
B1-Feld separiert. Dadurch können nur die Bereiche der
Streifenleitungen als Resonanzleitungen mit dem Untersuchungsvolumen (108)
Wechselwirken, welche annähernd die gleichen Werte des
Absolutbetrages der hochfrequenten magnetischen Flussdichte im betrachteten
Feldraum erzeugen.
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Die 5 zeigt
den Querschnitt einer so modifizierten Anordnung des erfindungsgemäßen
Resonatorsegmentes in damit gleichzeitig auch modifizierter unsymmetrischer
Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer mechanischen
Länge der Resonanzleitung, die in etwa der Gesamtlänge
der in 4 gezeigten Resonanzleitung entspricht. Wie hier
deutlich zu erkennen ist, wird der Teil der Resonanzleitung, der
die kosinusförmig abfallende Intensitätswerte
der magnetischen Flussdichte bewirkt, erfindungsgemäß unterhalb
der Hauptresonanzleitungen (4) und (5) angeordnet.
Es ergibt sich entlang des Resonatorsegmentes (in x-Richtung) der
ortsabhängige Verlauf des Absolutbetrages der hochfrequenten
magnetischen Flussdichte des erfindungsgemäßen
Dipols (A3). Der Absolutbetrag der hochfrequenten magnetischen Flussdichte
besitzt nun über einen weiten Bereich einen ausreichend
hohen Wert und ist bis auf eine kleine Einbuchtung der Intensität
im Bereich des Speisepunktes (6) und unmittelbar an den
jeweiligen Enden im Mittel weitgehend gleich. Der für die
Bildgebung nutzbare Bereich des Resonatorsegmentes ist durch diese
Maßnahme signifikant vergrößert. An den
Enden des Resonatorsegmentes bleibt der Absolutbetrag der hochfrequenten
magnetischen Flussdichte zunächst noch auf hohem Niveau
und fällt dann relativ abrupt ab.
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Man
kann sich den Verlauf des Absolutbetrages der hochfrequenten magnetischen
Flussdichte des erfindungsgemäßen Dipols (A3)
sehr anschaulich näherungsweise so erklären, dass
sich die jeweiligen Werte der zu den Enden hin kosinusförmig
abfallenden Beträge der magnetischen Flussdichte insgesamt
so überlagern, als wären sie jeweils ab der Länge
(L1) der Hauptresonanzleitungen (4) bzw. (5) über
den Verlauf der Länge (L2) der leerlaufenden Leiterbahnenden
gespiegelt. Dies bedeutet, zu dem relativ hohen Wert des Betrages
der magnetischen Flussdichte in etwa der Mitte der Länge
(L1) der Hauptresonanzleitungen (4) bzw. (5) überlagert
sich additiv der verschwindend geringe Wert des Betrages der magnetischen
Flussdichte am Ende der leerlaufenden Leiterbahn und verändert
den Gesamtwert dort nicht. Anders sieht es an der Stelle aus, bei
der die Hauptresonanzleitungen (4) bzw. (5) nach
unten abgeknickt werden. Da überlagern sich die entsprechenden
Felder mit signifikanten Werten und homogenisieren dadurch noch
zusätzlich den Gesamtverlauf der hochfrequenten magnetischen
Flussdichte über die Länge des gesamten Resonatorsegmentes.
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Die
in der 5 gezeigte Darstellung ist schematisch und nicht
maßstäblich. Das Bild dient der Erläuterung
und der Bezeichnung der charakteristischen Größen.
In der Praxis ist dieses Resonatorsegment keineswegs so klobig,
sondern ein schlankes, robustes und elegantes Gebilde.
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Es
werden zum Aufbau dieses Resonatorsegmentes mit dem erfindungsgemäß hier
verteilten Dipol (d. h. der Dipol besteht primär vollständig
aus – über den Raum verteilten – Leiterstreifen,
zusätzliche Kondensatoren werden nur zur Feinabstimmung
der Resonanzfrequenz verwendet – im Gegensatz zum weiter
unten beschriebenen konzentrierten Dipol, bei dem Teile der Resonanzleitung
durch konzentrierte Bauteile wie Spulen ersetzt werden) zunächst
eine metallene (z. B. versilbertes oder vergoldetes Kupfer) Bodenplatte
(1) zur Realisierung der erforderlichen Massefläche
verwendet, auf die eine erste dielektrische Platte (2)
mit einer bestimmten Permittivitätszahl und der Plattenhöhe
(H1) angebracht ist. Darüber befindet sich eine zweite
dielektrische Platte (3) mit einer bestimmten Permittivitätszahl
und einer geeigneten Plattenhöhe (H2), die keineswegs gleich der
Plattenhöhe (H1) sein muss, sondern unabhängig
davon entsprechend geeignet gewählt (z. B. nur halb so
hoch) werden kann. Auf der Oberseite, auf den Seitenwänden
und auf der Unterseite dieser zweiten dielektrischen Platte sind
die Resonanzleiterstrukturen angebracht. Dies kann z. B. eine versilberte
Kupferfolie sein, die in eingefräste Vertiefungen der zweiten
dielektrischen Platte eingelassen ist und somit die Hauptresonanzleitungen
(4) bzw. (5) mit jeweils der Länge (L1),
die seitlichen Leiterbahnen mit jeweils der gleichen Länge
wie die Höhe (H2) und die an der Unterseite der zweiten
dielektrischen Platte verlaufenden leerlaufenden Leiterbahnenden
mit jeweils der Länge (L2) bilden. Der Außenmantel
(8) der twinaxialen Speiseleitung (7) ist mit
der Bodenplatte (1) verlötet. Durch eine durch
Bodenplatte und Substrate durchgehende Bohrung (in der Zeichnung nicht
dargestellt) gelangen die angepassten (Anpassungselemente in der
Zeichnung nicht dargestellt) Speiseleitungen (7) zum Speisepunkt
(6) der beiden Hauptresonanzleitungen (4) und
(5). Wie leicht zu erkennen ist, sind die Resonanzleitungen
nur im Bereich vom Speisepunkt bis zu den jeweiligen Abständen
(L1–L2) vom Ende der Substratplatten unsymmetrische Streifenleitungen,
wie sie aus der Literatur bekannt sind. Für den darüber
hinausgehenden Bereich muss von einer modifizierten unsymmetrischen Doppelstreifenleitung
gesprochen werden, weil eine solche Streifenleitung mit zwei Leiterstreifen
in zwei dielektrischen Ebenen ein (hier erforderlicher) Sonderfall
ist.
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Eine
anschauliche, schematische räumliche Darstellung des erfindungsgemäßen
Resonatorsegmentes ist in 6 gegeben.
Diese Darstellung zeigt das erfindungsgemäße unmodifizierte
Grundelement des verteilten Resonatorsegmentes. Praktische Versuche
haben jedoch ergeben, dass es wünschenswert ist, die starre,
mechanisch vorgegeben Länge der Resonanzleitungen des verteilten
Resonatorsegmentes elektrisch zu verändern, um eine möglichst optimale
Abstimmung der Resonanzfrequenz des Resonatorsegmentes mit der jeweiligen
Larmorfrequenz des MRT zu ermöglichen. Dazu werden zusätzliche
spannungsfeste Kondensatoren (CS1) verwendet, die sowohl mit den
freilaufenden Enden der jeweiligen Resonanzleitungen, als auch mit
der Bodenplatte elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dadurch
lässt sich die Resonanzfrequenz des Resonatorsegmentes
in Abhängigkeit vom Kapazitätswert der spannungsfesten
Kondensatoren (CS1) reduzieren. Die 7 zeigt
schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen
verteilten Resonatorsegmentes in teilweise modifizierter und teilweise unmodifizierter
unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung
mit zur Feinabstimmung verwendeten spannungsfesten Kondensatoren (CS1)
zwischen Leiterstreifen und Massefläche.
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In
der 8 ist schematisch die zugehörige räumliche
Darstellung der Anordnung wiedergegeben. Durch diese räumliche
Darstellung wird auch das Problem des erhöhten herstellungstechnischen Aufwandes
bei dieser Vorgehensweise deutlich. Zur Platzierung der spannungsfesten
Kondensatoren (CS1) sind jedoch zwei durch die erste Substratplatte (2)
durchgehende Ausfräsungen oder Ausstanzungen zur Aufnahme der
spannungsfesten Kondensatoren (CS1) notwendig, was einen zusätzlichen
technischen Aufwand erfordert.
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Alternativ
kann auch die Vorgehensweise gemäß 9 gewählt
werden. Dort sind zur Feinabstimmung zwei Kondensatoren (CS2) zwischen
den leerlaufenden Enden der Resonanzleitungen und der Unterseite
der Hauptresonanzleitungen (4) und (5) angebracht.
Diese auf den ersten Blick zunächst ungewöhnliche
Vorgehensweise funktioniert tatsächlich. Zwischen den jeweils
leerlaufenden Leitungsenden und der jeweiligen Unterseite der Hauptresonanzleitungen
(4) und (5) herrscht im Resonanzfall eine signifikante
hochfrequente Potentialdifferenz, die einen Stromfluss durch die
Kondensatoren (CS2) bewirkt und damit hinsichtlich der Variation
der Resonanzfrequenz des Resonatorsegmentes wirksam wird. Die Spannungsfestigkeit
der Kondensatoren kann geringer gewählt werden und die
Möglichkeit zur Abstimmung ist bei diskreten vorgegebenen
Kapazitätswerten genauer, weil der Einfluss der Kondensatoren
auf die Resonanzfrequenz der Resonatorsegmente bei dieser Variante
(wegen der kleineren Differenzspannung) geringer ist.
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In
der 10 ist schematisch die zugehörige räumliche
Darstellung dieser Anordnung wiedergegeben. Durch diese räumliche
Darstellung wird ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion deutlich,
die eine weitere Variante einer Konstruktion eines preiswerten aber
hochzweckmäßigen Resonatorsegmentes ermöglicht.
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Es
werden zum Aufbau dieser neuen Variante des Resonatorsegmentes mit
dem erfindungsgemäß verteilten Dipol zunächst
wieder eine metallene Bodenplatte (1) zur Realisierung
der erforderlichen Massefläche verwendet. Auf diese Bodenplatte
(1) wird, wie bereits beschrieben, eine erste dielektrische
Platte (2) mit einer bestimmten Permittivitätszahl
und der Plattenhöhe (H1) angebracht. Darüber befindet
sich nun – und das ist neu – keine zweite dielektrische
Platte (3) mit einer bestimmten Permittivitätszahl
und einer geeigneten Plattenhöhe (H2), sondern diese zweite
dielektrische Platte (3) wird durch Luft als Dielektrikum
mit der Permittivitätszahl 1 ersetzt. Die Resonanzleiterstrukturen
werden aus gebogenen bzw. abgewinkelten versilberten oder vergoldeten
Kupferplatten hergestellt. Die zur Feinabstimmung verwendeten, angelöteten
Kondensatoren (CS2) dienen gleichzeitig als mechanische Stütze und
stabilisieren die gesamte Konstruktion noch zusätzlich.
Durch die Wahl selbsttragender versilberter oder vergoldeter Kupferplatten
für die Resonanzleitungen und die Wahl von Luft als Dielektrikum
steigt die Güte der Resonanzleitungen der Resonatorsegmente
außerordentlich an, was sowohl die für die Bildgebung
erforderliche Generatorleistung reduziert, als auch das Signal/Rausch-Verhältnis
positiv beeinflusst und damit die Bildqualität verbessert
bzw. die für die Bildaufnahme notwendige Gesamtzeit verkürzt.
Da die Permittivitätszahl von Luft den geringsten möglichen
Wert von 1 besitzt, wird die für die betreffende Resonanzfrequenz
optimal wirksame Länge der Resonatorsegmente auf den maximal
möglichen Wert vergrößert. Dies bedeutet
eine noch weiter mögliche Vergrößerung
des Untersuchungsvolumens (108). Herstellungstechnisch
entfällt zudem die für die Aufnahme der Kondensatoren
(CS2) in der Substratplatte erforderliche Fräsung oder
Stanzung, da die zweite Substratplatte ersatzlos entfällt,
was wiederum Materialkosten spart. Ein gemäß 10 mit
Luft als Dielektrikum konstruiertes Resonatorsegment (109)
stellt hinsichtlich der charakteristischen elektrischen Eigenschaften
sicherlich das Optimum dar.
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Vernachlässigbar
geringfügig schlechtere elektrische Eigenschaften weist
die Konstruktion des Resonatorsegmentes gemäß 11 auf.
Es handelt sich hierbei um den bereits oben erwähnten konzentrierten
Dipol, bei dem ein Teil der Resonanzleitung durch konzentrierte
Bauteile (Spulen) ersetzt wird. Anstelle der abgeknickten, am Ende
leerlaufenden Leitungen werden nun jeweils zwei Spulen (SP) einerseits
an der gleichen Stelle der Hauptresonanzleitungen (4) und
(5) angebracht, wo bei den Konstruktionen zuvor die Leiterbahn
im rechten Winkel abgeknickt worden ist und andererseits mit dem
Massepotential, also der Bodenplatte (1) verbunden. Dabei sind
die Induktivitätswerte der Spulen (SP) so dimensioniert,
dass sich exakt die gleichen Impedanzverhältnisse wie zuvor
bei den am Ende leerlaufenden Resonanzleitungen an dieser Verbindungsstelle
einfinden. Dabei sind zwei Dinge zu beachten: zum einen muss der
Induktivitätswert der Spulen (SP) die elektrische Länge
der zuvor um die seitliche Länge (H2) und um die Länge
(L2) verlängerten Resonanzleitungen kompensieren, weil
diese ja nicht mehr vorhanden sind und zum anderen haben sich die
Randbedingungen verändert, d. h. anstelle einer am Ende leerlaufenden
Leitung findet sich nun eine am Ende kurzgeschlossenen Leitung.
Dies bedeutet, das jeder der Spulen (SP) noch zusätzlich
zu den Längen (H2) und (L2) jeweils die Länge
einer Resonanzleitung kompensieren muss, die einer viertel Wellenlänge entspricht
(Viertel-Wellenlängen-Resonanztransformation: der Kurzschluss
wird in einen Leerlauf gewandelt). Da in diesem Fall keine von außen
beeinflussbare Streufelder am Ende einer leerlaufenden Leitung existieren
ist das hochfrequente elektrische Verhalten einer solchen Konstruktion
außerordentlich stabil. In der 12 ist
schematisch die zugehörige räumliche Darstellung
dieser Anordnung wiedergegeben. Die Induktivität ist hier
schematisch als planare mäanderförmige Struktur
skizziert, die auch hohe Impulsstromstärken zu verarbeiten
vermag. Während die für die Resonanzleitungen
verwendeten Leiterstreifen (4) und (5) in bekannter
unsymmetrischer Streifenleitertechnik gefertigt sind, entspricht
die Anbringung der mäanderförmigen Spulen (9)
nicht der bekannten Standarttechnik zur Herstellung von unsymmetrischen
Streifenleitern, da diese seitlich auf der Stirnkante der Substrate
aufgebracht sind. Somit handelt es sich auch hierbei wieder um eine
modifizierte unsymmetrische Streifenleitungstechnik.
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Nachteilig
bei den in 11 bzw. 12 Konstruktionen
ist, dass der relativ hohe Induktivitätswert in planarer
Technik nur relativ aufwendig herstellbar ist und mögliche
Fertigungstoleranzen die Resonanzfrequenzen der Resonatorsegmente
nachteilig beeinflussen könnten. Eine Möglichkeit
zur nachträglichen Feinabstimmung der Resonatorsegmente
mit Hilfe geeigneter Kondensatoren erscheint wünschenswert.
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Die
Realisation einer solchen Möglichkeit ist in 13 gezeigt.
Dieses Bild zeigt schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen
konzentrierten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer
Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge
des Resonators, die in etwa dreiviertel der Wellenlänge
entspricht. Dabei sind zur elektrischen Verlängerung der
Resonanzleitungen zusätzliche Spulen (SP) jeweils zwischen
dem Ende der jeweiligen Leiterstreifen (4) und (5)
als Resonanzleitungen in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik und
zu (zur Feinabstimmung verwendeten) Kondensatoren (C) zwischen dem
jeweiligen Spulenende und der Massefläche geschaltet. In
der 14 ist schematisch die zugehörige räumliche
Darstellung dieser Anordnung wiedergegeben. Die Induktivitätswerte
der auf den Stirnseiten in modifizierter Streifenleitungstechnik
angebrachten mäanderförmigen Spulen (9),
können für diese Konstruktion wieder deutlich
geringer gewählt werden, weil es sich nun wieder in elektrischer
Hinsicht um ein kapazitiv belastetes offenes Ende einer Resonanzleitung
handelt, d. h. die ursprünglich zusätzlich zu
kompensierende Resonanzleitungslänge von einer viertel
Wellenlänge kann nun wieder entfallen. Dadurch können
mäanderförmige Spulen (9) sehr leicht
in robuster, impulsfester planarer Form hergestellt werden. Die
zur Feinabstimmung notwendigen Kondensatoren können beispielsweise
als impulsfeste sogenannte MIM-Kondensatoren (10) (MIM:
metal-isolator-metal) in Schichtenstruktur hergestellt werden, die
sich durch ein lokales Wegbrechen der oberen Metallisierung leicht
(allerdings nur in einer Richtung zu geringeren Kapazitätswerten
hin) abstimmen lassen. Dadurch kann mit Hilfe eines Stehwellenmessgerätes auch
leicht noch ein Feinabgleich nach dem Einbau des Resonatorsegmentes
direkt am Einsatzort erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004027026
A1 [0006, 0008]
- - DE 102004013422 A1 [0011, 0012]
- - DE 10334170 B3 [0015, 0016, 0016, 0019]