DE102008047350A1

DE102008047350A1 - Spulenanordnung für einen Magnetresonanztomographen

Info

Publication number: DE102008047350A1
Application number: DE200810047350
Authority: DE
Inventors: Klaus Solbach
Original assignee: Universitaet Duisburg Essen
Current assignee: Universitaet Duisburg Essen
Priority date: 2008-09-15
Filing date: 2008-09-15
Publication date: 2010-04-15
Also published as: WO2010028853A1

Abstract

Zur Erzeugung eines in einer Hauptrichtung zumindest im wesentlichen räumlich homogen, magnetischen Wechselfelds wird zwei zumindest im wesentlichen parallel zueinander und zur Hauptrichtung verlaufenden, eng nebeneinander liegenden Leitungen an entgegengesetzten Enden hochfrequenter Wechselstrom mit einer Phasenverschiebung von zumindest im wesentlichen 90° zugeführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds, einen Magnetresonanztomographen mit einer derartigen Spulenanordnung sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines in eine Hauptrichtung zumindest im wesentlichen räumlich homogenen, magnetischen Wechselfelds.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Spulenanordnung zur Erzeugung insbesondere sehr starker und/oder hochfrequenter Magnetfelder, wie sie beispielsweise bei der Untersuchung eines Patienten, insbesondere in einem Magnetresonanztomographen, eingesetzt werden. Jedoch kann die vorliegende Erfindung grundsätzlich auch bei der Erzeugung von Magnetfeldern für sonstige Zwecke eingesetzt werden.
Bei Magnetresonanztomographen können Microstreifenleiter bzw. sogenannte Microstrip-Leitungen eingesetzt werden, die über einer leitenden Fläche bzw. Grundplatte angeordnet werden. Die Magnetfelder oberhalb der Streifenleiter, also auf der der Fläche bzw. Grundplatte abgewandten Seite, werden zur Untersuchung ausgenutzt. Die Streifenleitungen bilden Leitungsresonatoren, die mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist werden.
Die DE 20 2007 015 G 20 U1 beschreibt eine Spulenanordnung mit Leitungsresonatoren bzw. Streifenleitungen von etwa einer halben Wellenlänge oder mehr des Wechselstroms. Die Stromverteilung und damit die Stärke des erzeugten Magnetfelds verlaufen dabei nicht konstant entlang der Leitung, sondern etwa sinusförmig in einer halben Periode. Zur Vergleichmäßigung der Stromverteilung und damit Homogenisierung des Magnetfelds räumlich parallel zur Längserstreckung der jeweiligen Leitung ist es bekannt, serielle Kondensatoren in die Leitung einzubauen, wodurch die Stromverteilung weniger stark gekrümmt verläuft. Es gibt verschiedene Formen der Modifikation der Streifenleitungen durch solche Elemente sowie unterschiedliche Konzepte zur Einspeisung bzw. Anpassung der Speiseleitung an die jeweilige Streifenleitung. Die bekannten Ansätze sind jedoch relativ aufwendig und/oder gestatten keine optimale Homogenesierung des Magnetfeld längs bzw. parallel zu der jeweiligen Leitung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfelds, einen Magnetresonanztomographen mit einer derartigen Spulenanordnung sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines in einer Hauptrichtung zumindest im wesentlichen räumlich homogenen, magnetischen Wechselfelds anzugeben, wobei bei einfachem Aufbau bzw. geringem Aufwand eine verbesserte räumliche Homogenisierung des Magnetfelds in einer Hauptrichtung bzw. zu einer Leitung ermöglicht wird.
Die obige Aufgabe wird durch eine Spulenanordnung gemäß Anspruch 1, durch einen Magnetresonanztomographen gemäß Anspruch 14 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorschlagsgemäß werden statt einer einzigen Leitung zwei parallel verlaufende, eng nebeneinander liegende Leitungen eingesetzt, die getrennt an gegenüberliegenden Seiten mit Wechselstrom gespeist werden und jeweils am anderen Ende elektrisch kurzgeschlossen sind, insbesondere mit einer elektrisch leitenden Fläche bzw. Grundplatte, über der die Leitungen angeordnet sind. Die Länge der Leitungen beträgt vorzugsweise etwa ¼ der Wellenlänge des Wechselstroms. Die Wechselstromeinspeisung erfolgt vorzugsweise mit 90° Phasenverschiebung, insbesondere so daß die Summe der Magnetfelder über den Leitungen entlang der Längserstreckung (insbesondere in einer Hauptrichtung parallel zur Längserstreckung der Leitungen auf der der Fläche bzw. Grundplatte abgewandten Seite der Leitungen) zumindest im wesentlich konstant ist. Dies ist dadurch möglich, daß sich die Sinusfunktion und die Kosinusfunktion der beiden Stromverteilungen aufgrund der Phasenverschiebung zumindest im wesentlichen überall zu etwa eins addieren. So ist auf sehr einfache Weise eine gute Homogenisierung des Magnetfelds erreichbar.
Vorzugsweise sind die Leitungen flach oder stegartig bzw. als Streifenleiter ausgebildet. Dies gestattet einen niedrigen Wellenwiderstand.
Die Flachseiten der Leitungen liegen vorzugsweise in einer Ebene und/oder verlaufen zumindest im wesentlichen parallel zu der Fläche bzw. Grundplatte. Dies gestattet einen flachen Aufbau und/oder eine gewünschte Magnetfeldverteilung.
Die Leitungen sind vorzugsweise unterbrechungsfrei ausgebildet. Dies gestattet eine einfache Herstellung und/oder geringe Widerstände.
Besonders bevorzugt sind die Leitungen bügelartig, insbesondere als durchgehende Metallbügel ausgebildet. Dies gestattet einen einfachen, kostengünstigen und insbesondere auch robusten Aufbau.
Der Spulenanordnung ist vorzugsweise eine Versorgungseinrichtung, insbesondere ein 3 dB-Richtkoppler, Leistungsteiler oder Hybrid, zugeordnet, um den beiden Leitungen die Wechselströme mit einer Phasenverschiebung von zumindest im wesentlichen 90° zuzuführen. Insbesondere bildet diese Versorgungseinrichtung ein Teil der Spulenanordnung. Jedoch können die phasenversetzten Wechselströme auch durch separate Schaltungen, Versorgungseinrichtungen oder dergleichen erzeugt, modifiziert bzw. bereitgestellt werden.
Weitere Aspekte, Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer vorschlagsgemäßen Spulenanordnung mit einer zugeordneten Versorgungseinrichtung und dazwischen geschalteten Anpaßeinrichtungen;
2 eine Draufsicht der Spulenanordnung;
3 einen schematischen Schnitt der Spulenanordnung gemäß 2 entlang Linie III–III; und
4 ein schematisches Diagramm der Stromverteilungen längs der Leitungen.
1 zeigt in einer schematischen, blockschaltbildartigen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform der vorschlagsgemäßen Spulenanordnung 1 mit einer zugeordneten Versorgungseinrichtung 2 und zugeordneten Anspaßeinrichtungen 3.
2 zeigt in einer schematischen, teilgeschnittenen Draufsicht die Spulenanordnung 1. 3 zeigt in einem schematischen Schnitt entlang Linie III-III von 2 die Spulenanordnung 1.
Die Spulenanordnung 1 weist zwei zumindest im wesentlichen parallel verlaufende, eng nebeneinander liegende Leitungen 4 auf, die hier über – also beabstandet zu und insbesondere parallel zu – einer elektrisch leitenden Fläche oder Grundplatte 5 der Spulenanordnung 1 verlaufen.
Die Leitungen 4 sind an entgegengesetzten Enden zur Zuführung von hochfrequentem Wechselstrom unabhängig voneinander elektrisch angeschlossen bzw. anschließbar, beim Darstellungsbeispiel insbesondere jeweils über eine Koaxialverbindung 6 oder eine sonstige geeignete Verbindung, wie in 2 und 3 schematisch angedeutet. Insbesondere sind die Leitungen 4 mittels Durchkontaktierungen durch die zugeordnete Fläche bzw. Grundplatte 5 hindurch angeschlossen.
An den der Stromeinspeisung jeweils entgegengesetzten Enden sind die beiden Leitungen 4 elektrisch kurzgeschlossen, insbesondere elektrisch und bevorzugt auch mechanisch fest mit der Fläche bzw. Grundplatte 5 verbunden, wie insbesondere für die in 3 sichtbare Leitung 4 angedeutet.
Die Leitungen 4 sind vorzugsweise flach oder stegartig bzw. als Streifenleiter ausgebildet. Die Flachseiten der Leitungen 4 liegen vorzugsweise in einer Ebene und/oder zum verlaufen zumindest im wesentlichen parallel zu der Fläche bzw. Grundplatte 5.
Die Leitungen 4 sind vorzugsweise unterbrechungsfrei ausgebildet.
Vorzugsweise sind die Leitungen 4 bügelartig, insbesondere als durchgehende Metallbügel ausgebildet.
Die wirksame bzw. effektive Länge L der Leitungen 4 entspricht zumindest im wesentlichen der Längserstreckung der Leitungen 4 parallel zur Fläche bzw. Grundplatte 5 bzw. dem Leitungssegment, das beabstandet und parallel zur Fläche bzw. Grundplatte 5 verläuft, wie in 3 angedeutet. An diese Länge L schließen sich vorzugsweise abgewinkelt Endbereiche der Leitungen 4 an, um die Leitung 4 zu halten und/oder elektrisch anzuschließen, insbesondere jeweils an einem Ende elektrisch über die Koaxialverbindung 6 oder dergleichen und am anderen Ende an die Fläche bzw. Grundplatte 5.
Die Leitungen 4, die Fläche bzw. Grundplatte 5, die Versorgungseinrichtung 2 und/oder die Anpassungseinrichtungen 3 bilden vorzugsweise eine Baugruppe. Jedoch sind auch andere konstruktive Lösungen möglich.
Die Versorgungseinrichtung 2 ist vorzugsweise an eine Stromversorgung bzw. einen Sender/Empfänger 7 angeschlossen bzw. anschließbar und dient insbesondere dazu, die beiden Leitungen 4 der Spulenanordnung 1 mit hochfrequentem Wechselstrom zu speisen, und zwar insbesondere mit einer Phasenverschiebung von im wesentlichen 90°. Die Versorgungseinrichtung 2 ist hierzu vorzugsweise als 3-dB-Richtkoppler, Leistungsteiler oder Hybrid ausgebildet. Besonders bevorzugt teilt die Versorgungseinrichtung 2 einen von dem Sender/Empfänger 7 oder dergleichen empfangenen Wechselstrom auf die beiden Leitungen 4 mit der gewünschten Phasenverschiebung auf und sorgt dafür, daß eventuelle Reflektionen nicht an den Sender/Empfänger 7 oder dergleichen bzw. nicht an den Eingang der Versorgungseinrichtung 2 zurückgeleitet, sondern über einen weiteren Ausgang an einen Absorber bzw. über einen optionalen Widerstand 8 an Masse abgeleitet werden.
Anstelle einer gemeinsamen Stromversorgung bzw. Versorgungseinrichtung 2 können die beiden Leitungen 4 auch von getrennten Stomversorgungen bzw. Versorgungseinrichtungen mit entsprechenden, phasenversetzten Wechselströmen gespeist werden.
Die optionalen Anpaßeinrichtungen 3 dienen insbesondere einer Widerstandsanpassung. Diese können beispielsweise als Anpassungstransformatoren in Microstrip-Technik, vorzugsweise Leiterbahnen auf der Grundplatte 5, insbesondere auf der den Leitungen 4 abgewandten Seite, gebildet sein. Jedoch sind hier auch andere konstruktive bzw. schaltungstechnische Lösungen möglich.
Die Spulenanordnung 1 ist bevorzugt für Magnetresonanztomographen vorgesehen. Diese arbeiten mit Magnetfeldstärken von mehreren T teilweise bereits mit 7 T. Die Frequenz des Wechselstroms und damit des von der Spulenanordnung 1 erzeugten Magnetfelds hängt bei einem Magnetresonanztomographen von der Magnetfeldstärke ab, bei der gearbeitet wird. Insbesondere beträgt die Frequenz etwa 100 bis 500 MHz, im Falle eines 7 T-Magnetresonanztomographen etwa 300 MHz. Die Spulenanordnung 1 ist gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere bei einer Frequenz aus diesem Frequenzbereich betreibbar.
Die Spulenanordnung 1 bzw. die Länge L der Leitungen 4 ist vorzugsweise derart auf die gewünschte Arbeitsfrequenz derart abgestimmt, daß die Länge L im wesentlichen etwa ¼ der Wellenlänge beträgt, also bei 300 MHz etwa 25 cm. Bei einer solchen Längenanpassung und unter Berücksichtigung der bevorzugten Phasenverschiebung von etwa 90° kann dann eine Stromüberlagerung und damit Magnetfeldüberlagerung erreicht werden, wie schematisch in dem Diagramm gemäß 4 angedeutet.
Das Diagramm zeigt beispielhaft zu einem bestimmten Zeitpunkt den Verlauf des Stroms I₁ in eine Leitung 4 und den Verlauf des Stroms I₂ in der anderen Leitung 4 über die Länge L der beiden Leitungen 4. Aufgrund der entgegengesetzten und phasenversetzten Einspeisung wird erreicht, daß sich die beiden Ströme I₁ und I₂, genauer gesagt die dargestellte Beträge der Ströme, zu im wesentlichen 1 bzw. zu einem im wesentlichen konstanten Wert addieren. Dementsprechend kann eine wesentliche Homogenisierung bzw. Vergleichmäßigung über die gesamte Länge L des insgesamt von den beiden Leitungen 4 erzeugten Magnetfelds erreicht werden. Wesentlich ist insbesondere das sich auf der der Fläche bzw. Grundplatte 5 abgewandten Seite der Leitungen 4 und beabstandet zu den Leitungen 4 ergebene Magnetfeld, da dieses bei der Untersuchung von Patienten in einem Magnetresonanztomographen relevant ist.
Die beiden Leitungen 4 zeigen aufgrund der engen Nachbarschaft eine starke elektromagnetische Verkoppelung, die zu unterschiedlichen Impedanzen der beiden von den Leitungen 4 gebildeten Spulen führt und damit die Ströme I₁ und I₂ unterschiedlich stark werden und die Anpassung der Gesamtschaltung massiv beeinträchtigen kann. Diese Verkopplung kann vorzugsweise durch eine oder mehrere Induktivitäten bzw. Spulen 9 zwischen den beiden Leitungen 4 kompensiert werden. Besonders bevorzugt ist nur eine Spule 4 in der Mitte zwischen den beiden Leitungen 4 angeordnet, wie insbesondere in 2 angedeutet.
Die Kompensationsinduktivität hängt von verschiedenen Faktoren, wie Dimensionierung und Abstand der Leitungen 4, Arbeitsfrequenz und dergleichen, ab. Die Induktivität beträgt vorzugsweise im wesentlichen 30 bis 250 nH, insbesondere etwa 50 bis 100 nH.
Beispielsweise kommt bei Streifenleitungen 4 mit einer Breite von etwa 20 mm, einer Höhe über der leitenden Grundplatte 5 von etwa 15 mm und einem Abstand (Kante zu Kante) der Streifen von etwa 10 mm bei 300 MHz (7 Tesla) eine Induktivität von etwa 75 nH heraus. Werden die Streifenleitungen 4 enger gesetzt, steigt die Verkopplung und die Kompensations-Induktivität muß kleiner werden. Bei halber Frequenz (doppelte Länge der Streifenleitungen 4, um wieder 1/4 der Wellenlänge zu erreichen) und sonst gleichen Geometrieverhältnissen wird die Induktivität verdoppelt.
Es ist anzumerken, daß die Leitungen 4 und gegebenenfalls auch die Fläche bzw. Grundplatte 5 nicht im wesentlichen gradlinig bzw. eben ausgebildet sein müssen, sondern auch gekrümmt sein können. Die Krümmung kann in Längsrichtung der Leitungen 4 und/oder quer dazu verlaufen.
Bei der beschriebenen Ausführungsform ist vorgesehen, die Leitungen 4 in Luft über der elektrisch leitenden Fläche 5 bzw. Grundplatte 5 zu führen. Es ist jedoch auch möglich, den Zwischenraum teilweise oder vollständig mit einem dielektrischen Material zu füllen, insbesondere die Leitungen 4 in einem dielektrischen Material einzubetten. Dann wird die Länge L proportional zur Quadratwurzel der Dielektrizitätszahl verkürzt. Diese Art der Modifizierung der Länge L durch Einsatz von dielektrischem Material kann auch unabhängig von der vorschlagsgemäßen Spulenanordnung 1 realisiert werden.
Die Erfindung gestattet es insbesondere, ein in Leiterlängserstreckung räumlich weitgehend homogenes magnetisches Wechselfeld durch zwei parallel verlaufende, eng nebeneinander liegende Leitungen 4 zu erzeugen, die an den entgegengesetzten Enden mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist werden. Die Wechselströme sind dabei vorzugsweise zumindest im wesentlichen um 90 Grad phasenverschoben. Die Leitungen sind an ihren der Stromzufuhr entgegengesetzten Enden jeweils elektrisch kurzgeschlossen. So ergibt sich ein sehr einfacher, kostengünstiger und robuster Aufbau.
Grundsätzlich ist bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen, daß die beiden Leitungen 4 jeweils mit zumindest im wesentlichen sinusförmigen Wechselströmen I₁ und I₂ gespeist werden. Insbesondere in diesem Fall beträgt die vorgesehene Phasendifferenz im wesentlichen 90 Grad. In diesem Fall ergänzen sich der Sinus und Kosinus bzw. die Ströme bzw. Stromverteilungen längs der beiden Leitungen 4 auf etwa 1 oder einen sonstigen zumindest im wesentlichen konstanten Wert. Jedoch können grundsätzlich auch sonstige Ströme bzw. Stromverteilungen eingesetzt bzw. erzeugt werden. Die vorliegende Erfindung soll sich vorzugsweise auch auf diesen Fall erstrecken. Insbesondere ist auch bei von der Sinusform abweichenden Wechselströmen dann vorzugsweise vorgesehen, daß sich die Ströme bzw. Stromverteilungen längs der beiden Leitungen 4 zumindest im wesentlichen auf einen konstanten Wert ergänzen.
Weiter ist anzumerken, daß die vorschlagsgemäße Spulenanordnung 1 zusätzlich oder alternativ zur Erzeugung eines Magnetfelds auch zum Empfang insbesondere hochfrequenter Signale, insbesondere in einem Magnetresonanztomographen, einsetzbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 20200701520 U1 [0004]

Claims

Spulenanordnung (1) zur Erzeugung eines Magnetfelds, insbesondere für einen Magnetresonanztomographen, mit zwei zumindest im wesentlichen parallel verlaufenden, eng nebeneinander liegenden Leitungen (4) über einer elektrisch leitenden Fläche oder Grundplatte (5), wobei die Leitungen (4) an entgegensetzten Enden zur Zuführung von hochfrequentem Wechselstrom (I₁, I₂) angeschlossen und am anderen Ende jeweils elektrisch mit der Fläche bzw. Grundplatte (5) kurzgeschlossen sind, wobei die Leitungen (4) jeweils eine Länge (L) aufweisen, die im wesentlichen ¼ der Wellenlänge des zuführbaren Wechselstroms (I₁, I₂) beträgt.
Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (4) flach oder stegartig bzw. als Streifenleitungen ausgebildet sind.
Spulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachseiten der Leitungen (4) in einer Ebene liegen und/oder zumindest im wesentlichen parallel zu der Fläche bzw. Grundplatte (5) verlaufen.
Spulenanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (4) unterbrechungsfrei ausgebildet sind.
Spulenanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (4) bügelartig, insbesondere als durchgehende Metallbügel ausgebildet sind.
Spulenanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (4) jeweils über eine Koaxialverbindung (6) elektrisch angeschlossen oder anschließbar sind.
Spulenanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (1) bzw. Leitungen (4) für eine Wechselstromfrequenz aus dem Bereich von 100 bis 500 MHz ausgelegt bzw. mit Wechselströmen (I₁, I₂) dieses Frequenzbereichs versorgbar ist bzw. sind.
Spulenanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenanordnung (1) eine Versorgungseinrichtung (2), insbesondere ein 3 dB-Richtkoppler, Leistungsteiler oder Hybrid, zugeordnet ist, um den beiden Leitungen (4) Wechselströme (I₁, I₂) mit einer Phasenverschiebung von im wesentlichen 90 Grad zuzuführen.
Spulenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Anpassungseinrichtungen (3) zwischen die Versorgungseinrichtung (2) und den Leitungen (4) geschaltet sind.
Spulenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (4), die Grundplatte (5), die Versorgungseinrichtung (2) und/oder die Anpassungseinrichtungen (3) eine Baugruppe bilden.
Spulenanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung (1) zur Kompensation der Verkoppelung der beiden Leitungen (4) eine Induktivität bzw. Spule (9) aufweist, die vorzugsweise zwischen die Leitungen (4) geschaltet ist.
Spulenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (9) in der Mitte zwischen den Leitungen (4) angeordnet und/oder an diese angeschlossen ist.
Spulenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität im wesentlichen 30 bis 250 nH beträgt.
Magnetresonanztomograph mit einer Spulenanordnung (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche zur Erzeugung eines Magnetfelds, das auf der der Fläche bzw. Grundplatte (5) der Spulenanordnung (1) abgewandten Seite parallel zur Längserstreckung der Leitungen (4) zumindest im wesentlichen räumlich homogen ist.
Verfahren zur Erzeugung eines in einer Hauptrichtung zumindest im wesentlichen räumlich homogenen, magnetischen Wechselfelds, wobei zwei zumindest im wesentlichen parallel zueinander und parallel zur Hauptrichtung verlaufenden, eng nebeneinander liegenden Leitungen (4) an entgegensetzten Enden hochfrequenter Wechselstrom (I₁, I₂) mit einer Phasenverschiebung von im wesentlichen 90 Grad und/oder derart zugeführt wird, daß sich die Ströme bzw. Stromverteilungen längs der beiden Leitungen (4) zumindest im wesentlichen auf einen konstanten Wert ergänzen, insbesondere wobei die Leitungen (4) an ihren der Stromzuführung entgegengesetzten Enden jeweils elektrisch kurzgeschlossen bzw. an Masse angeschlossen sind.