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Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanzantenne und ein Verfahren.
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Aus
DE 10 2007 016 312 A1 ,
DE 103 14 215 A1 ,
EP 0 276 509 A1 ,
JP 2004-105 753 A1 ,
US 6 414 488 B1 sind MRT-Antennen bekannt. Moderne Magnetresonanzanlagen arbeiten in der Regel mit mehreren verschiedenen Antennen (im Folgenden auch Spulen genannt) zum Aussenden von Hochfrequenzpulsen zur Kernresonanzanregung und/oder zum Empfang der induzierten Magnetresonanzsignale. Üblicherweise besitzt eine Magnetresonanzanlage eine größere, in der Regel fest im Gerät eingebaute sogenannte Ganzkörperspule, auch Bodycoil oder BC genannt, sowie mehrere kleine Lokalspulen, auch Oberflächenspulen oder LC genannt. Die Lokalspulen dienen im Gegensatz zu der Ganzkörperspule dazu, detaillierte Abbildungen von Körperteilen bzw. Organen eines Patienten aufzunehmen, die sich verhältnismäßig nah an der Körperoberfläche befinden. Zu diesem Zweck werden die Lokalspulen direkt an der Stelle des Patienten appliziert, an der sich der zu untersuchende Bereich befindet. Bei einem Einsatz einer solchen Lokalspule wird in vielen Fällen mit der in der Magnetresonanzanlage fest eingebauten Ganzkörperspule (als Sendespule) gesendet und mit der Lokalspule (als Empfangsspule) werden die induzierten Magnetresonanzsignale empfangen. Damit die Spulen nicht miteinander Wechselwirken, kann die Empfangsspule in der Sendephase und die Sendespule in der Empfangsphase zu verstimmt werden. Beim Verstimmen wird die Eigenresonanzfrequenz der jeweiligen Antenne verstellt.
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Als Ganzkörperspule werden vielfach Magnetresonanzantennen verwendet, die eine sogenannte Birdcage-Struktur aufweisen. Eine solche Antenne weist eine Mehrzahl von auf einer zylinderartigen Oberfläche angeordneten, parallel laufenden Antennen-Längsstäben auf, die endseitig jeweils durch Antennen-Endringe hochfrequenzmäßig untereinander verbunden sind. Die Antennen-Längsstäbe und Antennen-Endringe können prinzipiell in beliebiger Form ausgebildet sein. In vielen Fällen handelt es sich um Leiterbahnen, welche auf einer flexiblen Leiterbahnfolie aufgebracht sind, die zylinderförmig um den Messraum, in dem sich das Untersuchungsobjekt während der Untersuchung befindet, gewickelt sind. Bei einer Ganzkörperspule verläuft die Birdcage-Struktur um den Patientenaufnahmeraum, in welchem der Patient während der Messung gelagert wird. Bei Lokalspulen in Form einer Birdcage-Struktur dient der Messraum zur Aufnahme des Kopfes oder anderer Extremitäten eines Patienten, um genau diesen Bereich zu untersuchen.
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Zur Verstimmung solcher Magnetresonanzantennen mit einer Birdcage-Struktur gibt es prinzipiell verschiedene Möglichkeiten.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetresonanzantenne mit einer Birdcage-Struktur zu schaffen, deren Eigenresonanzfrequenz möglichst einfach, kostengünstig und effizient segmentweise verstimmt werden kann. Außerdem soll ein entsprechendes Verfahren zur segmentweisen Verstimmung der Eigenresonanzfrequenz einer solchen Antenne angegeben werden.
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Diese Aufgabe wird jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Erfindungsgemäß kann effizient eine Verstimmung für zu untersuchende Personen unterschiedlichen Gewichts oder um unterschiedliche Atomkerne anzuregen im Bodycoil vorgesehen werden.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Möglichkeit, die Funktion des Resonators an einer wechselnden Last optimal anzupassen. Dies gilt sowohl für einen Ganzkörperresonator als auch für eine Lokalspule.
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Die abhängigen Ansprüche enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein Hochfrequenz-Schaltelement parallel zu einer der Induktivitäten oder Kapazitäten angeordnet ist, was effizient und gezielt deren Überbrückung erlaubt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein Hochfrequenz-Schaltelement in Serie zu einer der Induktivitäten oder Kapazitäten angeordnet, was gezielt erlaubt, diese zu einzuschalten oder abzuschalten. Induktivitäten oder Kapazitäten können auch nur ein Teil des Querschnitts eines Antennen-Endrings oder eines Antennen-Längsstabs sein; sie können beispielsweise in einer Ausnehmung der leitenden Fläche angeordnet sein.
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Die Hochfrequenz-Schaltelemente können Dioden sein, die einfach durch Gleichstrom schaltbar sind.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist erste Arbeits-Magnetresonanzfrequenz die Frequenz zur Anregung von Wasserstoffkernen und dass die zweite Arbeits-Magnetresonanzfrequenz die Frequenz zur Anregung von eines anderen Kerns als eines Wasserstoffkerns.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung eine Arbeits-Magnetresonanzfrequenz auf eine Person anderen Gewichts abgestimmt ist als eine zweite Arbeits-Magnetresonanzfrequenz.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist durch jeweils ein Hochfrequenz-Schaltelement alleine zumindest eines der Antennenschwingkreiselemente hochfrequenzmäßig zwischen den Zuständen durchlässig oder undurchlässig schaltbar.
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Weitere mögliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
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Dort zeigt:
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1 eine perspektivische schematische Darstellung eines dreidimensionalen Drahtmodells einer bekannten Antenne mit einer Birdcage-Struktur mit acht Längsstäben,
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2 als schematisches Schaltbild ein Beispiel einer erfindungsmäßen Schaltung,
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3 als schematisches Schaltbild ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Schaltelements.
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1 zeigt in Form eines einfachen dreidimensionalen Drahtmodells den typischen Aufbau einer Birdcage-Struktur. Eine solche Birdcage-Struktur besteht aus einer Anzahl von auf einer zylinderartigen Oberfläche angeordneten, äquidistanten, parallel laufenden Antennen-Längsstäben. Diese Längsstäbe sind endseitig jeweils durch Antennen-Endringe 3, 4 hochfrequenzmäßig untereinander verbunden. ”Hochfrequenzmäßig verbunden” heißt in diesem Zusammenhang, dass nicht zwingend eine galvanische Verbindung, sondern lediglich eine für Hochfrequenzströme transparente Verbindung bestehen muss. Wie in 1 dargestellt – und wie dies üblicherweise bei Magnetresonanzantennen nach der Birdcage-Struktur der Fall ist – befinden sich in den Antennen-Endringen jeweils zwischen zwei Anschlussstellen benachbarter Antennen-Längsstäbe 2 Resonanzkondensatoren 5. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind hier sämtliche Strukturen nur von der Außenseite eines imaginären Zylinders, um welchen sich das Drahtmodell erstreckt, gezeigt.
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In dem in 1 dargestellten bekannten Beispiel sind die Endringe 3, 4 jeweils rund. Alternativ könnten die Endringe 3, 4 aber auch aus jeweils zwischen zwei Antennen-Längsstäben 2 verlaufenden, geraden Abschnitten bestehen. Die Antenne wurde dann beispielsweise bei einem Ausführungsbeispiel mit acht Längsstäben einen achteckigen Querschnitt aufweisen.
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Eine solche Birdcage-Struktur kann grundsätzlich eine beliebige Anzahl von Längsstäben 2 aufweisen. So kann eine kleinere Antenne beispielsweise nur 6 Längsstäbe aufweisen. Bei einem derzeit entwickelten, in den Figuren der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Birdcage-Struktur 16 Längsstäbe auf.
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Die Magnetresonanzantenne 1 ist über Speiseleitungen 6 an einen Hochfrequenzpulsgenerator 7 angeschlossen. Die Speiseleitungen 6 sind dabei jeweils rechts und links neben einem Resonanzkondensator 5 an einem der Endringe 4 angeschlossen. über diese Speiseleitung 6 erfolgt nicht nur die Einspeisung der Hochfrequenzpulse im Sendebetrieb, sondern auch der Abgriff der aufgefangenen Magnetresonanzsignale im Empfangsbetrieb.
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Bei diesem Aufbau handelt es sich um eine linear polarisierte HF-Speisung, d. h. dass das von den Hochfrequenzpulsen erzeugte Hochfrequenzfeld (auch B1-Feld genannt) innerhalb der Magnetresonanzantenne 1 linear polarisiert ist. Die Anordnung ist aber unabhängig von der Einspeisung und kann bei beliebigen Polarisationen des B1-Felds eingesetzt werden. So ist beispielsweise auch eine Speisung möglich, bei der eine Speiseleitung an einen Resonanzkondensator und eine weitere an ein Masseschild angeschlossen ist.
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Die Bodycoil in der Birdcage-Ausführung besteht im Allgemeinen aus einer Anzahl von HF-Strom durchflossenen, flach gestreckten Leiterbahnen, die zusammen mit Kondensatoren unterschiedlicher Kapazität ein elektrisches Netzwerk darstellen. Das dadurch resultierende Netzwerk hat eine oder mehrere Resonanzfrequenzen, bei denen die applizierte Hochfrequenz mit maximalem Wirkungsgrad in für eine Magnetresonanz (MR) wirksame Anregung umgesetzt werden kann. Nach außen hin, gesehen durch die Hochfrequenz HF führenden Speisepunkte der Magnetresonanzantenne 1, stellt sich das System im Zustand der Resonanz als eine rein ohmsche Last dar (Resonanz).
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Im Zustand der Resonanz sind die Verluste bei der HF-Energieübertragung durch die Speisekabel wegen fehlender Reflexion minimal, der Wirkungsgrad bei der Umsetzung der HF-Leistung in MR-wirksame Arbeit (Spin-Anregung) maximal und nicht zuletzt die Homogenität der HF-Leistungsverteilung im Resonator optimal.
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In der Praxis hängt aber die Resonanzfrequenz nicht nur von den intrinsischen Eigenschaften des Resonators ab, sondern auch von dessen Beladung. Die Last eines (Ganz-)Körperresonators besteht wie der Name auch sagt, aus dem zu untersuchenden menschlichen Körper. Im Idealfall ist der Resonator (umfassend insbesondere die Magnetresonanzantenne 1 und den Patienten darin) so voreingestellt, dass er bei maximaler Beladung seine natürliche Resonanz erreicht und in diesem Zustand optimal arbeitet, dies entspricht je nach System und Definition z. B. einem 80 oder 120 kg schweren Patienten in Bauchlage, mit dem Kopf voraus in der Magnetresonanzantenne 1. Für alle anderen Lastsituationen ist der Resonator mehr oder weniger fehlangepasst.
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Im Prinzip könnte man eine durch die Last bedingte Fehlanpassung am Fußpunkt der Antenne nach dem früher üblichen Konzept einer externen „Body-Tune-Box” reaktiv kompensieren und auf 500 hm transformieren. Dies würde zwar die Probleme der Effizienz der Leistungserzeugung und des Leistungstransportes entlang der Speiseleitungen abmildern, die Homogenität der Leistungsverteilung innerhalb des Resonators 1 würde aber nach wie vor durch die Last gestört bleiben.
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Die vorliegende Erfindungsmeldung zeigt gute Maßnahmen zur ferngesteuerten Anpassung eines Resonators für Patienten unterschiedlichen Gewichts und/oder unterschiedliche Kerne. Durch die dadurch bewirkte Anpassung kann zum einen eine gute Impedanzanpassung seines Speisepunktes erreicht werden, zum anderen soll die Stromverteilung entlang der elektrischen Strukturen des Resonators in gewissen Grenzen der jeweiligen Messsituation angepasst werden.
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Zur Anpassung des Resonators an die jeweilige Beladung wurde bisher wurde beispielsweise intern eine Body-Tune-Box eingesetzt oder durch ein Notuneverfahren (also keine Verstimmung in Abhängigkeit vom Patienten) die Abstimmungsfrage explizit für den Fall der Maximallast optimiert. Das Notuneverfahren ist interner aktueller Stand der Technik sowohl für Ganzkörperresonatoren als auch für Lokalspulen.
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Eine erfindungsgemäße von außen, auf elektrischem Wege einstellbare Abstimmung des Resonators kann für Zwecke der Optimierung der Homogenität oder eventuell auch um das Antennenprofil gezielt für eine spezielle Aufgabe anzupassen verwendet werden.
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Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, durch geschaltete Halbleiterelemente (insbesondere PIN-Dioden, aber auch andere Schaltelemente sind denkbar) die Geometrie und die Struktur des Resonators dynamisch anzupassen und auf dieser Weise seine Resonanzfrequenz bzw. Stromverteilung zu beeinflussen.
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Insbesondere folgende in 2 ersichtliche Varianten sind möglich:
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„Geschaltete Kapazität(en)”:
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Z. B. kann (mindestens) ein Kondensator CER-a in Serie mit einem Schaltelement DER 1-a geschaltet werden.
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In einer in Schaltstellung „offen” (Position OFF, nichtleitend) des Schalterelements DER 1-a ist der Einfluss des geschalteten Kondensators auf die Resonanzfrequenz und auf die lokale Stromverteilung minimal. Die Resonanzfrequenz des (Gesamt-)Systems wird nach oben, zu höheren Frequenzen hin verschoben. Der Stromfluss an dieser Stelle wird eingeengt und die Phase des Stromes wird verschoben.
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In einer Schaltstellung „geschlossen” (Position ON, leitend) des Schalterelements DER 1-a ist der Einfluss des geschalteten Kondensators CER-a auf die Resonanzfrequenz und auf die lokale Stromverteilung maximal. Die Resonanzfrequenz des (Gesamt-)Systems 1 wird nach unten, zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben, entsprechend der nun voll wirksamen Kapazität des zugeschalteten Kondensators CER a. Die Strombahn wird an dieser Stelle breiter. Der Phasensprung des Stromes ist geringer, entsprechend der nun kleineren wirksamen Reaktanz.
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„Geschaltete Induktivität”:
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Alternativ oder zusätzlich zu einer oder mehreren geschalteten Kapazitäten CER-a kann an einer, vorzugsweise aber an mehreren Stellen im Resonator mindestens ein Teil seiner stromleitenden Struktur streifenförmig, parallel zur Hauptflußrichtung des HF-Stromes geschlitzt werden. Die dadurch entstandene Streifen können an geeigneter Stelle quer zur Stromrichtung unterbrochen werden. In die Unterbrechungen kann man Schaltelemente DER 2 umfassend DER 2-d, DER 2-e, DER 2-f positionieren, die einzeln von außen elektrisch ein- und ausgeschaltet werden können.
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In einer Schaltstellung „offen” (Position OFF, nichtleitend) mindestens eines der Schaltelemente DER 2-d, DER 2-e, DER 2-f wird dadurch, dass ein Streifen der Strombahn durch das offene Schaltelement unterbrochen wird, an der jeweiligen Stelle die Fläche, die dem HF-Strom zur Verfügung steht, verringert. Das entspricht einer lokalen Erhöhung der Induktivität. Demzufolge ändert sich lokal die Amplitude und Phase des HF-Stromes und global die Resonanzfrequenz des Resonators, die zu geringeren Werten hin verschoben wird.
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In einer Schaltstellung „geschlossen” (Position ON, leitend) mindestens eines der Schaltelemente DER 2 (umfassend DER 2-d, DER 2-e, DER 2-f) ist ein Schalterelement geschlossen (leitend), somit kann ihn der HF-Strom ungehindert passieren. Dadurch wird die Gesamtinduktivität des Streifens reduziert, die Stromstärke ist maximal und die Resonanzfrequenz des (Gesamt-)Systems steigt.
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Ebenfalls denkbar ist die Verschaltung eines Schalterelements nicht seriell sondern parallel zu den jeweiligen Reaktanzen, zu einer diskreten Kapazität oder zu einem Teil der induktiven Leiterbahn des Resonators. Dadurch ergeben sich entsprechend spiegelverkehrte Verhältnisse im Vergleich zu den bereits geschilderten.
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In 2 ist der Anwendungsfall an einem Birdcage Resonator in Bandpassstruktur als Beispiel dargestellt. Die Zeichnung zeigt nur einen Teil eines Birdcage Resonators, nämlich einen Stab 2 (von mehreren üblicherweise vorhandenen) in der Mitte und links und rechts vertikal verlaufend Ausschnitte aus der Endringstruktur 3 und 4.
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Die Grundidee der elektrisch variablen Geometrie kann an einer jeglichen HF-Struktur Anwendung finden, z. B. bei einem Aldeman-Grant-Resonator, bei einem TEM-Resonator, oder bei einer einfachen HF-Loop, unabhängig davon, ob es sich dabei um ein Ganzkörper- oder Lokalresonator handelt.
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In 2 deuten die Flächen (F1, F2, F3 usw.) mit den Kondensatoren die Grundstruktur eines Birdcage Resonators an.
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Die Dioden DD K, DST K und die Dioden DER 1-a/DER 1-b/ DER 1-c, DER 2-d/DER 2-e/DER 2-f, DST 3-g/DST 3-h/DST 3-i der Diodengruppen DER 1, DER 2, DST 1, DST 2, DST 3 die alle stellvertretend für beliebig andere Schaltelemente an dieser Stelle gezeichnet worden sind, können einzeln von außen ein- und ausgeschaltet werden gemäß 3:
In 3 links ist eine Spannung –U an ein Schaltelement 8a angelegt und damit der „Schalter offen”, also das Schaltelement 8a nicht durchlässig für HF-Ströme (also hochfrequenzmäßig undurchlässig).
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In 3 rechts ist keine Spannung –U an das Schaltelement 8a angelegt, sondern es fließt in Durchlassrichtung der Diode 8a ein Strom +I, und damit ist der „Schalter geschlossen”, also das Schaltelement 8a durchlässig für HF-Ströme (also hochfrequenzmäßig durchlässig).
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Durch Schalten z. B. der Dioden DD K und der Dioden DER 1-a bis DER 1c der Diodengruppe DER 1 können Kondensatoren aus einem oder beiden Endringen 3, 4 ein- und ausgeschaltet werden.
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Durch das Schalten der Dioden der Diodengruppe DST 1 können die Kondensatoren CST aus einem oder mehreren der Stäbe 2 ein- und ausgeschaltet werden.
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Dabei wird im gezeigten Beispiel beim Schalten eines Kondensators, auch die gesamt für den HF-Strom zur Verfügung stehende Fläche geändert. In einer weiteren möglichen Ausführung, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, könnten an einer Kondensatorposition mehrere, parallel verbundene Kondensatoren zusammen mit den dazugehörigen Schaltelementen diskret, eng aneinander angeordnet sein. Bei der Schaltung einer solchen Kombination mehreren eng liegenden Kondensatoren würde man explizit nur die Gesamtkapazität der Anordnung ändern, ohne die Stromfläche (F2 oder F5) neben den Kondensatoren CST beim Schalten implizit zu verändern.
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Die Dioden DER 2-d und DER 2-e und DER 2-f der Diodengruppe DER 2 würden dagegen nur die Fläche der HF-Strombahn F1 beeinflussen. Dies würde eine Erhöhung der Induktivität des Resonators bedeuten. Dadurch würde zum einen die Resonanzfrequenz global verändert werden, zum anderen würde die Magnitude (Höhe) und Phase des HF-Stromes lokal beeinflusst werden.
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Die Dioden DST 2, DST 3 verändern lokal die Breite (für DST 2 die Breite zwischen den F2 und F3) einer Flächen des Stabes 2, mit der Konsequenz dass auf dieser Weise die Induktivität des Stabes gesteuert werden kann. Dies bedeutet, dass zum einen die Resonanzfrequenz des Resonators verändert wird, zum anderen verändert sich dadurch die lokale Stromstärke und -Phase, was wiederum ein Einfluss auf die bildgebende Eigenschaft des Resonators hat.
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Vollständigkeitshalber soll wiederholt werden, dass die Schaltelemente nicht nur seriell mit den Reaktanzen des Resonators verbunden, sondern auch parallel zu diesen geschaltet werden können.
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Beispielhaft sind im rechten Teil der Skizze stellvertretend für beliebige Schaltelemente die Dioden DST K und, DD K und DER K eingezeichnet. Die Diode DD K ersetzt im geschlossenen Zustand den Kondensator CER mit ihrer (kleinen) Induktivität, die sich aus der Schleife ergibt, die das Schaltelement zusammen mit seiner Zuleitung selbst darstellt.
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Die Dioden DST K und DER K schalten eine Parallelinduktivität der Leiterbahninduktivität hinzu und verkleinern die Gesamtreaktanz der Strecke entsprechend. Dadurch erfährt der durchfließende HF-Strom eine Verbreiterung seines Pfades wodurch seine Amplitude und Phase beeinflusst werden.
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Durch beliebige Kombinationen der seriellen und parallelen Anschlussmöglichkeit der Schaltelemente zu den Reaktanzen kann eine größtmögliche Flexibilität der elektrischen Einstellbarkeit eines Resonators erreicht werden, wodurch allerdings auch die Komplexität des Aufbaus zunehmen kann.
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Ferner soll angemerkt werden, dass die hier angemeldeten Möglichkeiten, die zur Fernsteuerung der internen Parameter einer MR-Antenne dienen, sich auch für eine sehr effektive Verstimmung eines Resonators eignen, Verstimmung die für das Zusammenspiel und für die Wechselwirkung einzelner Elemente untereinander in einem MR-Antennenverbund von großer Bedeutung ist. Für spektroskopische Anwendungen im Speziellen und bei hohen und sehr hohen Feldstärken im Allgemeinen ist es vorteilhaft, die resonanten Strukturen einzelner Antennen wirksam und gezielt verstimmen zu können. Zu diesem Zweck eignet sich die hier dargelegte Verstimmung durch Steuerung der „elektrischen Geometrie”, also der Gesamtanordnung 1 durch Schalten ihrer Kapazitäten und/oder Induktivitäten gut.
