DE102009046492B4

DE102009046492B4 - Modulares Mehrkanal-Spulen-Array für MRT

Info

Publication number: DE102009046492B4
Application number: DE200910046492
Authority: DE
Inventors: Andreas Peter; Stefan Schonhardt; Jan Korvink
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2029-11-07
Also published as: EP2496953A1; US9024637B2; WO2011054923A1; DE102009046492A1; US20120268133A1

Abstract

Mehrkanal-Spulen-Array zur Verwendung als Sende- und/oder Empfangselement in der Magnetresonanztomographie, mit einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Hochfrequenz-Spulen, wobei Vorrichtungen zur elektromagnetischen Entkopplung der Hochfrequenz-Spulen vorgesehen sind, wobei Spulenelemente auf einem flächigen Trägerelement (5) aufgebracht sind und zusammen mit dem Trägerelement (5) jeweils ein Einzelelement bilden, wobei die Trägerelemente (5) eine regelmäßige, gleichseitige polygonale Außenkontur aufweisen und wobei durch Aneinanderfügen mehrerer Einzelelemente eine flächige oder räumliche Struktur des gesamten Spulen-Arrays entsteht, wobei die Spulenelemente auf jedem Trägerelement derart angeordnet sind, dass sie jeweils eine vollständige Einzelspule (2) ergeben, und wobei die Einzelspulen (2) eine der Außenkontur des Trägerelements (5) entsprechende Form aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzelspule (2) eine schleifenförmige Struktur (1) aufweist, die bei Anordnung von mehreren Einzelelementen zu einer Entkopplung von nicht unmittelbar benachbarten Einzelspulen (2) führt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Mehrkanal-Spulen-Array zur Verwendung als Sende- und/oder Empfangselement in der Magnetresonanztomographie (MRT), mit einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Hochfrequenz-(HF-)Spulen, wobei Vorrichtungen zur elektromagnetischen Entkopplung der HF-Spulen vorgesehen sind, wobei Spulenelemente auf einem flächigen Trägerelement aufgebracht sind und zusammen mit dem Trägerelement jeweils ein Einzelelement bilden, wobei die Trägerelemente eine regelmäßige, gleichseitige polygonale Außenkontur aufweisen und wobei durch Aneinanderfügen mehrerer Einzelelemente eine flächige oder räumliche Struktur des gesamten Spulen-Arrays entsteht, wobei die Spulenelemente auf jedem Trägerelement derart angeordnet sind, dass sie jeweils eine vollständige Einzelspule ergeben, und wobei die Einzelspulen eine der Außenkontur des Trägerelements entsprechende Form aufweisen.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der WO 2008/078239 A1 bekannt.
Durch die Verwendung einer großen Anzahl von Empfangsspulen in der Magnetresonanztomographie (MRT) lässt sich ein deutlich verbesserter Rauschabstand erreichen, was sowohl zu einer besseren Auflösung führt, als auch die Erfassungszeit der Messwerte erheblich reduzieren. Elektromagnetische Kopplungen zwischen den einzelnen Spulen müssen hierbei durch geeignete Maßnahmen weitestgehend minimiert werden. Dies wird üblicherweise durch eine gezielte Überlappung benachbarter Spulenelemente, Verstärker mit hohem Eingangsreflexionsfaktoren, Transformatoren, geeigneten Kapazitäten zwischen den Spulen sowie Kombinationen der aufgeführten Möglichkeiten bewerkstelligt.
In der US 4 825 162 A wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der mehrere quadratische Spulen durch Überlappung und Verwendung von Vorverstärkern derart zu einem Array zusammengefügt werden, dass eine Interaktion von nicht direkt nebeneinander angebrachten Spulen minimiert wird. Mit einer solchen Vorrichtung lassen sich räumliche Strukturen jedoch schlecht realisieren.
In der US 6 084 411 A und der US 2008/0007250 A1 werden eine Vielzahl von kreisförmigen Spulen durch Überlappung voneinander entkoppelt und zu einer räumlichen Struktur zusammengefügt.
In der US 2008/0007250 A1 werden die kreisförmigen Spulen auf Trägerelemente verschiedener äußerlicher Konturen aufgebracht, wobei auf jedem Trägerelement nur Teilelemente einer Spule aufgebracht sind. Dies hat den Nachteil, dass für das Hinzufügen einer Spule eine Vielzahl von Trägerelementen notwendig ist, auf welchen sich jeweils weitere, nicht benötigte, Spurenelemente befinden. Außerdem ist die Entkopplung der Einzelspulen bei dieser Vorrichtung empfindlich gegenüber Verschiebungen, weshalb sie sich für die Montage auf flexible Trägerelemente nicht eignet.
EP 1 521 094 A1 stellt rechteckige Spulenelemente vor, die sich zu einem Array zusammensetzen lassen.
Die Spulen aus US 2005/0253582 weisen im Vergleich dazu abgeflachte Ecken auf.
Die WO 2005/076029 A1 stellt runde und sechseckige Spulenelemente vor, die sich zu einer ebenen Fläche zusammensetzen lassen.
Bei den bekannten Mehrkanal-Spulen-Arrays werden die Einzelspulen zunächst grob geometrisch zueinander orientiert und manuell nacheinander durch geringfügige Modifikationen der einzelnen Spulenformen elektrisch voneinander entkoppelt. Bei bisher publizierten Mehrkanalspulenarrays von teilweise mehr als 128 Einzelspulen ist dieser Prozess extrem langwierig und somit kostenintensiv. Die Abstimmung der einzelnen Spulen aufeinander muss für jede neue Geometrie aufs Neue realisiert werden, was eine Kommerzialisierung deutlich erschwert.
WO 2008/078239 A1 stellt dazu quadratische Spulenelemente vor, die sich zu einem Array zusammenfügen lassen und die Bauelemente aufweisen, mit denen sich direkt benachbarte Elemente kapazitiv und induktiv entkoppeln lassen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Mehrkanal-Spulen-Array der beschriebenen Art auf technisch möglichst einfache Weise so zu modifizieren, dass eine langwierige und kostenintensive Abstimmung der Spulen aufeinander entfallen kann und möglichst viele Spulenelemente voneinander entkoppelt werden Zusätzlich soll der Platzbedarf für das Hinzufügen neuer Spulen reduziert werden. Durch modulare Bauweise soll jede beliebige Raum- oder Flächenform auf einfache Weise realisierbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung auf überraschend einfache, aber wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, dass eine Einzelspule eine schleifenförmige Struktur aufweist, die bei Anordnung von mehreren Einzelelementen zu einer Entkopplung von nicht unmittelbar benachbarten Einzelspulen führt.
Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung muss kein neues Design für jede neue Geometrie erstellt werden. Es können auf einfache Weise weitere Spulenelemente angehängt werden, wobei jeweils nur ein Einzelelement nötig ist. Gegenüber dem Stand der Technik sind bei einer aus erfindungsgemäßen Einzelelementen aufgebauten Flächen- oder Raumstrukturen keine nicht benötigten Spulenelemente vorhanden.
Durch die schleifenförmige Struktur wird eine als störend empfundene Einflussnahme durch nicht direkt benachbarte Einzelspulen minimiert.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays weisen die Trägerelemente und Einzelspulen eine hexagonale Form auf. Dies erlaubt eine besonders dichte Abdeckung flächiger Strukturen.
Bei einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays weisen Trägerelemente und Einzelspulen eine pentagonale Form auf. Dies ist in Kombination mit den hexagonalen Trägerelementen und Einzelspulen besonders vorteilhaft, um räumliche Strukturen, wie etwa Kugeln, zu erhalten.
Weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays weisen Trägerelemente und Einzelspulen mit dreieckigen oder quadratischen Formen auf. Dies ist vorteilhaft um weitere Flächen- oder Raumformen, wie etwa Pyramiden oder Würfel, aufzubauen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays ist dadurch gekennzeichnet, dass sich einzelne Spulenelemente benachbarter Spulen überlappen, was die gegenseitige Beeinflussung nebeneinander liegender Spulen minimiert.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der alle Einzelelemente des erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays, deren Trägerelemente die gleiche Außenkontur aufweisen, untereinander baugleich sind. Dies führt zu einer Vereinfachung der Handhabung und Produktion, und somit auch zu einer wesentlichen Reduktion der Kosten.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays ist jedes Trägerelement und jede Einzelspule mechanisch, insbesondere durch Löcher für Schrauben, Nocken oder Passstifte, so aufgebaut, dass sich, insbesondere durch die Schrauben, Nocken oder Passstifte, die Einzelelemente kraft- und formschlüssig mit geringstem Aufwand zusammenfügen lassen und somit eine Anordnung beliebiger Größe entsteht, bei dem alle benachbarten Einzelelemente und ggf. alle nicht unmittelbar benachbarten Einzelelemente automatisch voneinander entkoppelt sind. Diese vorteilhafte Bauweise erlaubt es, die Mehrkanal-Spulen-Arrays jeder Bedarfssituation anzupassen, wobei diese Anpassung auch durch fachfremdes Personal nach kurzer Einweisung erfolgen kann.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform lassen sich durch die Schrauben, Nocken oder Passstifte die Winkel der Einzelspulen zueinander fixieren. Dadurch bleiben die Winkel der Einzelspulen zueinander im Unterschied zum Stand der Technik auch bei Biegung des Arrays konstant.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays weisen die Trägerelemente Öffnungen auf, durch die zusätzliche Kondensatoren und Transformatoren an die Einzelspulen angeschlossen werden können.
Vorteilhafterweise können Trägerelemente eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays aus starrem oder flexiblem Basismaterial hergestellt sein. Dies ermöglicht entweder die Herstellung einer stabilen, steifen Struktur oder wahlweise die Montage auf gekrümmten Flächen. Im üblichen Anwendungsbereich gattungsgemäßer Systeme erweist sich die flexible Ausführungsform als besonders vorteilhaft, da diese an beliebige Körperteile angepasst werden kann. Zusätzlich ermöglicht die flexible Ausführung auch die Integration des Systems in Kleidungsstücke oder Tücher oder die Auffaltung mittels Origami-Falttechniken zur Erstellung bestimmter Strukturen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays besitzt jedes Einzelelement eine Anpassungsschaltung, mit der eine oder mehrere Resonanzfrequenzen eingestellt und/oder Impedanztransformationen durchgeführt werden können. Dies erleichtert die Abstimmung der Spulen aufeinander und minimiert störende Interaktionen der Spulen untereinander.
Diese Anpassungsschaltung kann entweder passiv oder aktiv ausgeführt sein und bei verschiedenen Ausführungsvarianten entweder direkt auf der Einzelspule oder getrennt von der Einzelspule angeordnet sein. Je nach Bedarf der Anwendung wird so eine große Flexibilität hinsichtlich des Aufwandes und des Platzbedarfs erreicht.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays überlappt mindestens eine Einzelspule mit allen seinen direkten Nachbarn, wobei gleichzeitig zusätzliche schleifenförmige Strukturen vorgesehen sind, welche nicht unmittelbar benachbarte Einzelspulen voneinander entkoppeln. Durch wiederholtes Aneinanderfügen einer so aufgebauten Basisfläche kann eine beliebige Fläche auf einfache Weise abgedeckt werden.
In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays, bei welchem die optimale Überlappung zwischen den Einzelspulen und die Form der schleifenförmigen Struktur numerisch bestimmt wird, wobei die Abmessung der schleifenförmigen Struktur von der Kantenlänge der Einzelspule abhängig ist. Da im modularen Ansatz identische Spulenformen verwendet werden, kann die optimale Überlappfläche der Einzelspulen numerisch berechnet werden. Passstifte garantieren die richtige Ausrichtung der Einzelspulen zueinander. In bisherigen Ansätzen werden die Spulen zunächst grob aufgebracht und durch Verbiegen der Spulenform seriell voneinander entkoppelt.
Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur numerischen Optimierung ein virtuelles Modell mit den geometrischen Abmessungen einer Einzelspule generiert, und mehrere dieser virtuellen Einzelspulen werden zu einem minimalen Mehrkanal-Spulen-Array zusammengefügt. Auf diese Weise wird der Rechenaufwand zur Berechnung der optimalen Überlappung minimiert.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Zeichnungen und detaillierte Beschreibung der Erfindung
Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht von oben auf ein erfindungsgemäßes Mehrkanal-Spulen-Array mit sieben sechseckigen, sich überlappenden Einzelelementen und Schleifen zur Entkopplung übernächster Elemente;
2 ein Foto eines erfindungsgemäßen Mehrkanal-Spulen-Arrays aus sieben sechseckigen Einzelelementen mit Überlappung und Schleifen zur Entkopplung übernächster Elemente und Platine mit Anpassungsschaltung; und
3 Eine Tabelle der Kopplungswerte der Einzelelemente aus 1.
In 1 ist ein aus 7 Einzelspulen 2 zusammengesetztes Mehrkanal-Spulen-Array dargestellt. Jede Einzelspule 2 weist eine Überlappnase 1 auf, die eine schleifenförmige Struktur enthält, mit der nicht unmittelbar benachbarte Einzelspulen voneinander entkoppelt werden können. In jeder Einzelspule ist zudem ein Loch 3 für einen Passstift, Nocken oder eine Schraube 4 (siehe 2) vorhanden.
Die Einzelspulen 2 sind so konstruiert, dass bei einem Zusammenfügen mehrerer Einzelspulen benachbarte Einzelspulen 2 eine Überlappfläche 8 bilden, durch welche die überlappenden Einzelspulen 2 voneinander entkoppelt werden.
Bei nicht unmittelbar benachbarten Einzelspulen 2 bilden die Überlappnasen 1 eine weitere Überlappfläche 9. Durch die in den Überlappnasen befindliche schleifenförmige Struktur werden die nicht unmittelbar benachbarten Einzelspulen 2 entkoppelt.
Auf dem Foto in 2 ist das Mehrkanal-Spulen-Array aus 1 auf ein flexibles Trägermaterial 5 aufgebracht. Über der mittleren Einzelspule 2 ist eine sogenannte FR4 Platine angebracht, auf welcher Anpass- und Justierschaltungen 6 untergebracht sind. Das Trägermaterial 5 weist Öffnungen 7 auf, durch die Kondensatoren und Transformatoren an die Einzelspulen 2 angeschlossen werden können.
Mit dem in 2 gezeigten Mehrkanal-Spulen-Array wurden Messungen zur Entkopplung der Spulen in dem Array durchgeführt. Die Messwerte sind in der Tabelle in 3 dargestellt. Kleinere Werte weisen dabei auf eine bessere Entkopplung hin. Eine bessere Entkopplung bedeutet weniger als störend empfundene Einflüsse benachbarter Spulen. Spulen-Arrays mit Werten oberhalb von –20 dB gelten in der Praxis als schlecht entkoppelt und würden bei MRT-Messungen zu deutlichen Störsignalen führen.
Bezugszeichenliste

1: Überlappnase mit schleifenförmiger Struktur
2: Einzelspule
3: Loch für Passstift, Nocke oder Schraube
4: Nylonschraube
5: Trägerelement
6: FR4 Platine mit Anpass- und Justierschaltung
7: Öffnungen zur Montage von Kondensatoren
8: Überlappfläche der Einzelspulen
9: Überlappfläche der Überlappnasen

Claims

Mehrkanal-Spulen-Array zur Verwendung als Sende- und/oder Empfangselement in der Magnetresonanztomographie, mit einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Hochfrequenz-Spulen, wobei Vorrichtungen zur elektromagnetischen Entkopplung der Hochfrequenz-Spulen vorgesehen sind, wobei Spulenelemente auf einem flächigen Trägerelement (5) aufgebracht sind und zusammen mit dem Trägerelement (5) jeweils ein Einzelelement bilden, wobei die Trägerelemente (5) eine regelmäßige, gleichseitige polygonale Außenkontur aufweisen und wobei durch Aneinanderfügen mehrerer Einzelelemente eine flächige oder räumliche Struktur des gesamten Spulen-Arrays entsteht, wobei die Spulenelemente auf jedem Trägerelement derart angeordnet sind, dass sie jeweils eine vollständige Einzelspule (2) ergeben, und wobei die Einzelspulen (2) eine der Außenkontur des Trägerelements (5) entsprechende Form aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einzelspule (2) eine schleifenförmige Struktur (1) aufweist, die bei Anordnung von mehreren Einzelelementen zu einer Entkopplung von nicht unmittelbar benachbarten Einzelspulen (2) führt.
Mehrkanal-Spulen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5) und Einzelspulen (2) eine hexagonale Form haben.
Mehrkanal-Spulen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5) und Einzelspulen (2) eine pentagonale Form haben.
Mehrkanal-Spulen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5) und Einzelspulen (2) eine dreieckige Form haben.
Mehrkanal-Spulen-Array nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5) und Einzelspulen (2) eine quadratische Form haben.
Mehrkanal-Spulen-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich einzelne Spulenelemente benachbarter Einzelspulen (2) überlappen (8).
Mehrkanal-Spulen-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Einzelelemente des Mehrkanal-Spulen-Arrays, deren Trägerelemente (5) die gleiche Außenkontur aufweisen, untereinander baugleich sind.
Mehrkanal-Spulen-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5) und die Einzelspulen (2) mechanisch, insbesondere durch Löcher (3) für Schrauben (4), Nocken oder Passstifte, so aufgebaut sind, dass sich, insbesondere durch die Schrauben (4), Nocken oder Passstifte, die Einzelelemente kraft- und formschlüssig zusammenfügen lassen.
Mehrkanal-Spulen-Array nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch die Passstifte, Nocken oder Schrauben (4) die Winkel der Einzelspulen (2) zueinander fixieren lassen.
Mehrkanal-Spulen-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerelemente (5) Öffnungen (7) aufweisen, durch die zusätzliche Kondensatoren und Transformatoren an die Einzelspulen (2) angeschlossen werden können.
Mehrkanal-Spulen-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Einzelelement eine Anpassungsschaltung (6) besitzt, mit der eine oder mehrere Resonanzfrequenzen eingestellt werden können und/oder eine Impedanztransformation durchgeführt werden kann.
Ein Mehrkanal-Spulen-Array nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einzelspule (2) mit allen seinen direkten Nachbarn überlappt (8), wobei gleichzeitig zusätzliche schleifenförmige Strukturen (1) vorgesehen sind, welche nicht unmittelbar benachbarte Einzelspulen (2) voneinander entkoppeln.
Verfahren zur Herstellung eines Mehrkanal-Spulen-Arrays nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optimale Überlappung zwischen den Einzelspulen (2) und die Form der schleifenförmigen Struktur (1) numerisch bestimmt wird, wobei die Abmessung der schleifenförmigen Struktur (1) von der Kantenlänge der Einzelspule (2) abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur numerischen Optimierung ein virtuelles Modell mit den geometrischen Abmessungen einer Einzelspule (2) generiert wird, und dass mehrere dieser virtuellen Einzelspulen zu einem minimalen Mehrkanal-Spulen-Array zusammengefügt werden.