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Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanzanordnung mit einer Mehrzahl von um einen Messraum angeordneten Antennenelementen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Magnetresonanzgerät mit einer solchen Antennenanordnung sowie ein Verfahren zur Akquisition von Magnetresonanzsignalen mit einem derartigen Magnetresonanzgerät.
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In einem Magnetresonanzgerät wird üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundmagnetfeldsystems einem relativ hohen Grundmagnetfeld, beispielsweise von 3 oder 7 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Gradientensystems ein Magnetfeldgradient angelegt. Über ein Hochfrequenz-Sendesystem werden dann mittels geeigneter Antennen hochfrequente Magnetresonanz-Anregungssignale (HF-Signale) ausgesendet, was dazu führen soll, dass die Kernspins bestimmter, durch dieses Hochfrequenzfeld resonant angeregter Atome um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Diese Hochfrequenzanregung bzw. die resultierende Flipwinkelverteilung wird auch als Kernmagnetisierung bezeichnet. Bei der Relaxation der Kernspins werden wieder Hochfrequenzsignale, so genannte Magnetresonanzsignale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden. Die Aussendung der Hochfrequenzsignale zur Kernspin-Magnetisierung erfolgt meist mittels einer so genannten „Ganzkörperspule” oder „Bodycoil”. Ein typischer Aufbau hierfür ist eine Käfig-antenne (Birdcage-Antenne), welche aus mehreren Sendestäben besteht, die parallel zur Längsachse verlaufend um einen Patientenraum des Tomographen herum angeordnet sind, in dem sich ein Patient bei der Untersuchung befindet. Stirnseitig sind die Antennenstäbe jeweils ringförmig miteinander verbunden. Eine solche Birdcage-Antenne wird beispielsweise in der
US 2006/0 033 497 A1 beschrieben.
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In der Regel bestehen die einzelnen Antennenstäbe aus Leiterbahnen, welche mit Reaktanzen, beispielsweise kapazitiven Elementen, bestimmter vorgegebener Werte ausgestattet sind. Ebenso sind die Ringsegmente, die die Antennenstäbe untereinander verbinden, als Leiterbahnen mit bestimmten Reaktanzen aufgebaut. Außer einer stirnseitigen ringförmigen Verbindung ist es bei längeren Käfigantennen auch möglich, die Antennenstäbe zusätzlich an einen oder mehreren Stellen in einem mittleren Bereich ringförmig zu verbinden.
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Zum Empfang der Magnetresonanzsignale werden häufig so genannte Lokalspulen eingesetzt, welche direkt an den Körper des Patienten angelegt werden. Meist bestehen solche Lokalspulen aus einer Gruppe von Leiterschleifen, d. h. einem Antennenarray, wobei die Antennen-Leiterschleifen einzeln betreibbar sind. Ein solches Antennenarray kann eine relativ große Oberflächenantenne auf dem Körper des Untersuchungsobjekts bzw. Patienten bilden. In der
DE 10 2006 055 136 A1 wird beispielsweise eine Spulendecke beschrieben, die über einen Patienten gelegt werden kann. Die Antennenelemente sind meist so aufgebaut, dass sie besonders empfindlich auch geringe Signale empfangen können, die dann verstärkt und als Rohdaten verwendet werden können. Ein Vorteil eines solchen Antennenarrays mit mehreren einzeln betreibbaren Leiterschleifen besteht u. a. darin, dass hiermit im Rahmen so genannter paralleler Bildgebungsverfahren die Bildakquisition erheblich beschleunigt und somit die Belastung für den Patienten reduziert werden kann. Andererseits wird eine Belegung des Körpers mit größeren Lokalspulenarrays von vielen Patienten als unangenehm empfunden. Insbesondere gilt dies für klaustrophobisch veranlagte Patienten, die sich innerhalb des Patiententunnels ohnehin schon eingesperrt fühlen. Weiterhin gibt es auch Lokalspulen, die in Form einer kleinen Birdcage-Antenne aufgebaut sind. Z.B. wird in der bereits oben erwähnten
US 2006/0 033 497 A1 zusätzlich eine Kopfspule in Form einer degenerierten Birdcage-Antenne beschrieben, die von einem Sendemodus in einen Empfangsmodus umgeschaltet werden kann. Auch bei einer solchen Lokalspule besteht aber das Problem des Engegefühls für den Patienten.
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Für die Realisierung eines Magnetresonanzgeräts mit einem möglichst geringen Aufwand an Lokalspulen bietet sich die Antennenarchitektur eines so genannten „Remote-Body-Arrays” (im Folgenden auch kurz RBA genannt) an. Ein RBA besteht aus einem Array von einzelnen Antennen-Leiterschleifen, die in einem Abstand vom Patienten innerhalb des Messraums angeordnet sind. Üblicherweise wird ein solches RBA im Messraum innerhalb der Ganzkörperspule aufgebaut, wobei man dabei versucht, das RBA möglichst nah an den Wänden des Messraums zu positionieren, damit dem Patienten möglichst viel freier Raum zur Verfügung bleibt. Dennoch schränkt auch eine solche RBA innerhalb des Messraums den freien Raum für den Patienten ein.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetresonanz-Antennenanordnung für ein Magnetresonanzgerät sowie ein Verfahren zur Akquisition von Magnetresonanzsignalen zu schaffen, welche bei möglichst geringem Raumbedarf einen flexiblen Einsatz der Magnetresonanz-Antennenanordnung sowohl beim Senden von Magnetresonanz-Anregungssignalen als auch beim Empfangen von Magnetresonanzsignalen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird zum einen durch eine Magnetresonanz-Antennenanordnung gemäß Patentanspruch 1 und ein Magnetresonanzgerät gemäß Patentanspruch 7 und zum anderen durch ein Verfahren zur Akquisition von Magnetresonanzsignalen gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Magnetresonanz-Antennenanordnung weist neben der Mehrzahl von um den Messraum angeordneten Antennenelementen auch eine Mehrzahl von Schaltelementen auf. Bei den Antennenelementen handelt es sich um einzelne Elemente einer Antenne, welche in geeigneter Weise zur Bildung der Antenne verkoppelt sind, beispielsweise um Leiterbahnen, Leiterbahnkonfigurationen etc. sowie gegebenenfalls mit diesen Leiterbahnen verbundene bzw. in diesen Leiterbahnen angeordnete Reaktanzen wie kapazitive und/oder induktive Bauteile oder auch durch die Antennenelemente selber gebildete Kapazitäten oder Induktivitäten. Die Schaltelemente dienen dabei dazu, je nach ihrem Schaltzustand zwei oder gegebenenfalls auch mehrere Antennenelemente untereinander elektrisch miteinander zu verbinden bzw. voneinander zu trennen. Dabei sind die Antennenelemente und die Schaltelemente erfindungsgemäß so angeordnet und untereinander verbunden, dass die Antennenelemente in einer ersten Schaltkonfiguration bzw. Schaltsituation der Schaltelemente eine erste Antennenarchitektur bilden und dass die Antennenelemente in einer zweiten Schaltkonfiguration der Schaltelemente eine zweite Antennenarchitektur bilden.
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Das heißt, mit der erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Antennenanordnung ist es möglich, durch geeignete Ansteuerung der Schaltelemente die gesamte Magnetresonanz-Antennenanordnung zwischen unterschiedlichen Antennenarchitekturen hin- und herzuschalten. Unter dem Begriff „Antennenarchitektur” ist hierbei ein bestimmter Typus einer Antenne, beispielsweise eine Birdcage-Antenne, eine Sattelspulenantenne, ein RBA etc. zu verstehen, nicht aber unterschiedliche Skalierungen desselben Antennentyps, beispielsweise eine Birdcage-Antenne, die einfach nur durch Zuschaltung zusätzlicher Antennenelemente verlängert bzw. durch Abkoppeln von Antennenelementen verkürzt wird, wobei aber die Architektur als solche identisch bleibt. Erfindungsgemäß umfasst dabei zumindest eine der Antennenarchitekturen eine Birdcage-Antenne oder eine Sattelspulenantenne und zumindest eine der Antennenarchitekturen ein Remote Body Array mit einer Mehrzahl von Antennen-Leiterschleifen.
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Ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät ist mit einer entsprechenden Antennenanordnung ausgestattet.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Akquisition von Magnetresonanzsignalen mit einem solchen Magnetresonanzgerät werden zum Aussenden von Magnetresonanz-Anregungssignalen in den Messraum bzw. in das Untersuchungsobjekt die Antennenelemente mittels der Schaltelemente so untereinander verbunden, dass sie eine entsprechende erste Antennenarchitektur bilden. Zum Empfang von Magnetresonanzsignalen aus dem Untersuchungsobjekt werden die Antennenelemente dann mittels der Schaltelemente so untereinander verbunden, dass sie eine entsprechende zweite Antennenarchitektur bilden.
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Die Erfindung ermöglicht es also, ein und dieselbe Magnetresonanz-Antennenanordnung in vollkommen unterschiedlicher Weise zu nutzen und durch Verschaltung der einzelnen Antennenelemente zu unterschiedlichen Antennenarchitekturen auch unterschiedliche Sende- und/oder Empfangscharakteristiken zu nutzen. Somit ist es auch möglich, mit von der Antennenarchitektur abhängigen unterschiedlichen Verfahren Magnetresonanz-Anregungssignale auszusenden bzw. Magnetresonanzsignale zu empfangen. Da für die unterschiedlichen Antennenarchitekturen zumindest teilweise dieselben Antennenelemente verwenden werden und somit die unterschiedlichen Antennenarchitekturen quasi ineinander integriert sind, wird nur ein geringer Bauraum benötigt.
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Die abhängigen Ansprüche und die weitere Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die Ansprüche einer Kategorie auch analog den Ansprüchen einer der anderen Kategorien weitergebildet sein können.
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Wie oben bereits erwähnt, umfasst vorzugsweise zumindest eine der Antennenarchitekturen, beispielsweise die erste Antennenarchitektur, eine Birdcage-Antenne, d. h. dass zumindest in einer der Schaltkonfigurationen der Schaltelemente die Antennenelemente zu einer Birdcage-Antenne zusammengeschaltet sind. Weiterhin umfasst zumindest eine der Antennenarchitekturen, beispielsweise die zweite Antennenarchitektur, ein Antennenarray bzw. RBA mit einer Mehrzahl von einzeln betreibbaren Antennen-Leiterschleifen. Dies bedeutet, dass zumindest in einer weiteren Schaltkonfiguration der Schaltelemente die Antennenelemente zu einem solchen Antennenarray zusammengeschaltet sind.
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Grundsätzlich ist es aber möglich, dass die Antennenanordnung so ausgebildet ist, dass sie auch zwischen anderen Antennenarchitekturen, insbesondere auch mehr als zwei verschiedenen Antennenarchitekturen, umschaltbar ist. Typische weitere Antennenarchitekturen könnten beispielsweise Sattelspulenanordnungen, verschiedene Loop-Antennen mit und ohne überlappenden Leiterstrukturen, Schmetterling-Antennen (Butterfly- Antennen), Kleeblatt-Antennen (Clover-Antennen), Spiralantennen, V-Förmige-Antennen, Patch-Antennen (Microstrip-Antennen) oder Reihen von günstig um den Patientenraum angeordnete elektrische Dipole sein, um neben der magnetischen Komponente auch die elektrische Feldstärke des Empfangssignals zur Bildgebung in der Sende- und/oder Empfangsphase verwenden zu können.
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Die Antennenelemente umfassen, wie bereits eingangs erwähnt, vorzugsweise ein Recktanz-Bauelement. Bei einem solchen Recktanz-Bauelement, im Folgenden auch kurz „Reaktanz” genannt, handelt es sich um ein Bauelement mit einem bestimmten kapazitiven und/oder induktiven Wert. Diese Reaktanzen werden in der Antenne benötigt, um eine bestimmte elektrische Antennenstruktur mit einer definierten Arbeitsfrequenz zu realisieren.
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Besonders bevorzugt weist zumindest ein Antennenelement, vorzugsweise mehrere oder sogar alle Antennenelemente, jeweils zumindest ein Reaktanz-Bauelement mit einem einstellbaren bzw. umschaltbaren Wert auf. Dies ermöglicht es, innerhalb der Antennenelemente auch die Reaktanzen an die Antennenarchitektur anzupassen. Üblicherweise ist es nämlich so, dass in einer bestimmten Antennenarchitektur die einzelnen Antennenelemente jeweils für die gewünschte Funktion bestimmte notwendige Reaktanzwerte, in der Regel kapazitive Werte, aufweisen müssen. Gemeinsam mit den Schaltelementen, welche die einzelnen Antennenelemente miteinander verkoppeln, können dann passend zur jeweiligen Antennenarchitektur auch die Werte der Reaktanzen umgestellt werden.
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Bei einer bevorzugten Variante umfasst ein solches Reaktanz-Bauelement mit einem einstellbaren Wert eine Baugruppe aus kapazitiven und/oder induktiven Bauteilen und zumindest einem Baugruppen-Schaltelement. Innerhalb einer solchen Baugruppe können dann mittels der Baugruppen-Schaltelemente die kapazitiven und/oder induktiven Bauteile je nach Bedarf, d. h. je nach den für die Antennenarchitektur erforderlichen Reaktanzwerten, unterschiedlich verschaltet werden. Insbesondere können durch ein Baugruppen-Schaltelement kapazitive und/oder induktive Bauteile überbrückt oder zugeschaltet werden. Auf diese Weise lassen sich Reaktanzen zwischen verschiedenen Werten umschalten.
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Sowohl die Schaltelemente zum Zusammenschalten bzw. Trennen der Antennenelemente als auch die Baugruppen-Schaltelemente sind vorzugsweise hochfrequenzfähige Halbleiter-Schaltelemente. Bevorzugt werden hierzu Dioden, besonders bevorzugt PIN-Dioden, eingesetzt, die sich in der Antennentechnik allgemein für Hochfrequenz-Schaltaufgaben bewährt haben. Ebenso können aber auch geeignete Transistoren, insbesondere bipolare oder Feldeffekttransistoren, oder sonstige elektromechanische Bauteile eingesetzt werden, wie relaisähnliche Bauteile, die vorzugsweise elektrostatisch arbeiten, da diese anders als elektromagnetisch arbeitende Relais das Magnetfeld im Magnetresonanztomographen nicht beeinflussen bzw. durch das Magnetfeld des Magnetresonanzgeräts nicht beeinflusst werden.
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Die Schaltelemente und/oder die Baugruppen-Schaltelemente sind vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung verbunden, um die Schaltelemente und gegebenenfalls auch die Baugruppen-Schaltelemente zwischen zumindest einer ersten Schaltkonfiguration und einer zweiten Schaltkonfiguration umzuschalten. Eine solche zentrale Steuereinrichtung kann beispielsweise einen Steuereingang haben, über den vom Bediener bzw. von anderen Einheiten des Magnetresonanzgeräts, beispielsweise vorgegeben durch ein Messprotokoll, ein Konfigurationsbefehl übergeben wird. Auf Basis dieses Konfigurationsbefehls gibt die Steuereinrichtung entsprechende Schaltbefehle an die einzelnen Schaltelemente bzw. Baugruppen-Schaltelemente aus.
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Die Antennenelemente können in vorteilhafter Weise an einem den Messraum umgebenden Tragrohr angeordnet sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um Leiterbahnen handeln, die außen auf diesem Tragrohr angebracht sind und an denen jeweils an den passenden Stellen die Reaktanzen angeordnet sind.
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Ganz besonders bevorzugt umfassen die Reaktanz-Bauelemente, beispielsweise in Form von Baugruppen, für die verschiedenen Antennenarchitekturen auch verschiedene kapazitive und/oder induktive Bauteile, die für unterschiedliche Hochfrequenzleistungen ausgelegt sind. Beispielsweise kann eine der Antennenarchitekturen, insbesondere eine Birdcage-Antenne, vorzugsweise zum Aussenden der Magnetresonanz-Anregungssignale dienen. Eine solche Antennenarchitektur muss dann für relativ hohe Leistungen ausgelegt sein. Ist z. B. die andere Antennenarchitektur eine RBA, die im Wesentlichen zum Empfang der Magnetresonanzsignale eingesetzt werden soll, so ist es vorteilhaft, wenn die zugehörigen Komponenten nicht auf eine hohe Leistung ausgelegt sind, sondern darauf, möglichst sensibel auch geringste Signale sicher zu erfassen. Dementsprechend können für diese zweite Antennenarchitektur die Reaktanzen bzw. die darin verwendeten kapazitiven und/oder induktiven Bauteile entsprechend empfindlich ausgelegt sein.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzgeräts mit einer Magnetresonanz-Antennenanordnung,
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2 eine abgerollte Darstellung eines Teils der Magnetresonanz-Antennenanordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1,
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3 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Reaktanz-Bauelements,
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4 ein Ersatz-Schaltbild der Magnetresonanz-Antennenanordnung gemäß 1 in einer ersten Schaltkonfiguration zur Bildung einer Birdcage-Antenne,
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5 ein Ersatz-Schaltbild der Magnetresonanz-Antennenanordnung gemäß 1 in einer zweiten Schaltkonfiguration zur Bildung eines Antennearrays.
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1 zeigt einen Messraum 2, üblicherweise „Patiententunnel” genannt, in einem Magnetresonanzgerät 1, von dem hier nur schematisch das Gehäuse angedeutet ist. Ein solcher Patiententunnel 2 besteht meist aus einem zylindrischen Tragrohr 4, beispielsweise aus Fiberglas. Im Inneren dieses Tragrohrs 4 befindet sich eine Liege 3, auf der ein Patient oder ein sonstiges Untersuchungsobjekt für eine Magnetresonanzaufnahme positioniert werden kann. Die Liege 3 ist innerhalb des Messraums 2 motorisch verfahrbar bzw. auch aus dem Messraum 2 zur Lagerung des Untersuchungsobjekts herausfahrbar.
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Auf der Außenseite des Tragrohrs 4 ist eine Magnetresonanz-Antennenanordnung 10 aufgebracht, wobei diese aus einer Vielzahl von einzelnen Leiterbahnenabschnitten besteht. Die Leiterbahnenabschnitte weisen an bestimmten Stellen Reaktanzen (in 1 nicht dargestellt) auf und sind hierzu beispielsweise durch Kondensatoren unterbrochen, wobei die Werte der Reaktanzen bzw. die Kapazitätswerte so gewählt werden, dass sich eine bestimmte elektrische Struktur der Antennenanordnung ausbildet. Mit Hilfe dieser Antennenanordnung können Hochfrequenzsignale in den Messraum 2 ausgesendet werden, um in einem darin befindlichen Untersuchungsobjekt die Kernspins anzuregen.
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Ein solches Magnetresonanzgerät 1 weist abgesehen von den hier dargestellten Bauteilen noch eine Vielzahl weiterer Komponenten auf, beispielsweise einen Grundfeldmagneten, um im Messraum das magnetische Grundfeld anzulegen, sowie Gradientenspulen, um in allen drei Raumrichtungen einen beliebigen Magnetfeldgradienten anlegen zu können. Weitere Komponenten eines derartigen Magnetresonanzgeräts 1 sind entsprechende Steuereinrichtungen, um den Grundfeldmagneten und die Magnetfeldgradienten ansteuern zu können, sowie Hochfrequenz-Sendeeinrichtungen zur Erzeugung und Verstärkung der Hochfrequenzpulse, um diese über die Antennenanordnung 10 auszusenden, sowie Empfangseinrichtungen, um über die Antennenanordnung 10 Magnetresonanzsignale aus dem Messraum 2 bzw. dem Untersuchungsobjekt empfangen, verstärken und weiterverarbeiten zu können. Die Sende- und Empfangseinrichtungen weisen darüber hinaus meistens auch Anschlüsse auf, um externe Lokalspulen anschließen zu können, die auf, unter oder an das Untersuchungsobjekt gelegt werden und mit in den Messraum 2 des Magnetresonanzgeräts 1 hineingefahren werden können.
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All diese Komponenten und ihre Funktionsweise sind dem Fachmann aber bekannt und daher in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt. Es wird an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht nur bei Magnetresonanzgeräten eingesetzt werden kann, welche einen zylinderförmigen Patiententunnel aufweisen, sondern auch an anders aufgebauten Magnetresonanzgeräten, beispielsweise mit dreiseitig offenem Messraum. Dementsprechend muss dann die Antennenanordnung angepasst sein.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Teils der abgerollten Antennenanordnung 10 aus dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Die Struktur dieser Magnetresonanz-Antennenanordnung 10 gemäß den 1 und 2 ist so gewählt, dass die einzelnen Antennenelemente L1 1, L1 2, L1 3, L1 4, L2 1, L2 2, L2 3, L3 1, L3 2, L3 3 mit Hilfe von Schaltelementen S12 1, S12 2 so untereinander verschaltet werden können, dass sie entweder eine erste Antennenarchitektur A1 entsprechend einer Birdcage-Antenne oder eine zweite Antennenarchitektur A2 entsprechend einem Antennenarray mit mehreren einzeln betreibbaren Antennen-Leiterschleifen bilden. Die genauen Funktionsweisen dieser Antennenarchitekturen A1, A2 werden später noch anhand der 4 und 5 erläutert.
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Wie 2 zeigt, besteht die Magnetresonanz-Antennenanordnung 10 hier aus einer Vielzahl von einzelnen Antennenelementen L1 1, L1 2, L1 3, L1 4, L2 1, L2 2, L2 3, L3 1, L3 2, L3 3 die jeweils durch einzelne Leiterbahnabschnitte gebildet sind. In diesen Leiterbahnenabschnitten befinden sich jeweils Reaktanzen X1 1, X1 2, X1 3, X1 4, X2 1, X2 2, X2 3, X3 1, X3 2, X3 3, üblicherweise Kapazitäten, mit einem bestimmten Wert. In 2 sind die Reaktanzen X1 1, X1 2, X1 3, X1 4, X2 1, X2 2, X2 3, X3 1, X3 2, X3 3 als rechteckige Symbole (Zwei-Tore) dargestellt. Es handelt sich hierbei um umschaltbare Reaktanzen X1 1, X1 2, X1 3, X1 4, X2 1, X2 2, X2 3, X3 1, X3 2, X3 3, d. h. um Reaktanz-Bauelemente X1 1, X1 2, X1 3, X1 4, X2 1, X2 2, X2 3, X3 1, X3 2, X3 3, die durch Schaltbefehle einer Steuereinrichtung 11 zwischen verschiedenen Reaktanzwerten umgeschaltet werden können, wie dies später noch anhand von 4 erläutert wird.
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Außerdem weist die Antennenanordnung 10 erfindungsgemäß mehrere Schaltelemente S12 1, S12 2 auf, welche bestimmte Antennenelemente L2 1, L3 1, L2 3, L3 3 je nach Schaltzustand untereinander verbinden oder voneinander trennen. Bei den Schaltelementen S12 1, S12 2 handelt es sich jeweils um HF-taugliche PIN-Dioden. Je nach Schaltzustand dieser Schaltelemente S12 1, S12 2 können die Antennenelemente L1 1, L1 2, L1 3, L1 4, L2 1, L2 2, L2 3, L3 1, L3 2, L3 3 zu unterschiedlichen Antennenarchitekturen verschaltet werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel in 2 bilden die in der Figur vertikal verlaufenden Antennenelemente L1 4, L1 2, L2 2, L3 2 jeweils die Längsstäbe einer Birdcage-Struktur und die horizontal verlaufenden Antennenelemente L1 3, L2 3, L3 3, L1 1, L2 1, L3 1 jeweils die Endringe einer Birdcage-Struktur.
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Das Schaltelement S12 1 ist so angeordnet, dass es in dem in 2 dargestellten Schaltzustand (Schaltstellung A) die Antennenelemente L2 1, L3 1 des unteren Endrings untereinander verbindet, aber in einer anderen Schaltstellung (Schaltstellung B) diese Antennenelemente L2 1, L3 1 voneinander trennt und stattdessen über Kreuz das mittlere Antennenelement L2 1 des unteren Endrings mit dem in 2 ganz rechts dargestellten Antennenelement L3 3 des oberen Endrings verbindet. In gleicher Weise sorgt ein anderes Schaltelement S12 2 dafür, dass wahlweise das mittlere Antennenelement L2 3 des oberen Endrings mit dem rechten Antennenelement L3 3 des oberen Endrings oder dem rechten Antennenelement L3 1 des unteren Endrings verbunden werden kann.
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Solche Schaltelemente S12 1, S12 2 befinden sich in jedem zweiten Antennenelement der Endringe. D. h. die sich in den Endringen an die in 2 randseitig dargestellten Antennenelemente jeweils anschließenden (nicht dargestellten) Antennenelemente sind wieder mit entsprechenden Schaltelementen verbunden. Alle Schaltelemente S12 1, S12 2 werden durch Schaltbefehle von einer Steuereinrichtung 11 angesteuert, um sie synchron zwischen den Schaltzuständen A und B umzuschalten.
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Wie bereits oben erwähnt, ist es für die unterschiedlichen Antennenarchitekturen wichtig, dass die einzelnen Antennenelemente L1 1, L1 2, L1 3, L1 4, L2 1, L2 2, L2 3, L3 1, L3 2, L3 3 auch entsprechende Werte der Reaktanzen X1 1, X1 2, X1 3, X1 4, X2 1, X2 2, X2 3, X3 1, X3 2, X3 3 aufweisen. In 3 ist ein möglicher Aufbau der schaltbaren Reaktanzen X1 1, X1 2, X1 3, X1 4, X2 1, X2 2, X2 3, X3 1, X3 2, X3 3 am Beispiel einer Reaktanz X dargestellt. Das Reaktanz-Bauelement X besteht hier beispielsweise aus einer Baugruppe mit mehreren Kapazitäten CP, CS 1, CS 2 sowie mehreren Baugruppen-Schaltelementen S1, S2, S3. Anstelle von Kapazitäten oder zusätzlich dazu können auch Induktivitäten verwendet werden. Der Einfachheit halber sind jedoch in 3 nur Kapazitäten dargestellt und es wird auch im Folgenden davon ausgegangen, dass es sich bei den Reaktanzen um reine Kapazitäten bzw. Kondensatoren handelt, ohne die Erfindung hierauf zu beschränken.
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Wie aus 3 zu ersehen ist, weist die Baugruppe hier zwei in Serie geschaltete Kapazitäten CS 1, CS 2 sowie eine parallel dazu geschaltete Kapazität CP auf. Die beiden in Serie geschalteten Kapazitäten CS 1, CS 2 sind jeweils einzeln durch einen der Schalter S1, S2 (welche parallel zu diesen Kapazitäten CS 1, CS 2 in Serie geschaltet sind, wobei die Verbindungsstrecke zwischen den Schaltern S1, S2 wiederum mit der Verbindung zwischen den Kapazitäten CS 1, CS 2 verbunden ist) überbrückbar. Werden die Schalter S1, S2 geöffnet, so werden die zugehörigen Kapazitäten CS 1, CS 2 aktiviert. Beim Schließen der Schalter S1, S2 werden die Kapazitäten CS 1, CS 2 jeweils deaktiviert. Vor der parallel geschalteten Kapazität CP ist in Serie ein weiterer Schalter S3 geschaltet. Ist dieser geschlossen, wird die parallel geschaltete Kapazität CP aktiviert, bei geöffnetem Schalter S3 deaktiviert. Je nach Beschaltung der Baugruppen-Schaltelemente S1, S2, S3 können so unterschiedliche kapazitive Werte des gesamten Reaktanz-Bauelements X eingeschaltet werden.
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Diese Umschaltmöglichkeit ist sinnvoll, weil im Allgemeinen die Kondensatorbestückung einer bestimmten Antennenarchitektur nicht mit der Kondensatorbestückung einer anderen Antennenarchitektur übereinstimmt, sondern die Kondensatoren dann andere Werte annehmen müssen. Dies gilt insbesondere dann, wenn komplett unterschiedliche Antennenarchitekturen (wie einerseits eine Birdcage-Antenne und andererseits ein RBA) realisiert werden sollen. Auch die Baugruppen-Schaltelemente können jeweils als HF-fähige PIN-Dioden ausgebildet sein.
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Bei der in 2 dargestellten Schaltkonfiguration, bei der die Schaltelemente S12 1, S12 2 jeweils in der Schaltstellung A sind, und bei entsprechender Einstellung der Werte der Reaktanz-Bauelemente X1 1, X1 2, X1 3, X1 4, X2 1, X2 2, X2 3, X3 1, X3 2, X3 3 ist die Antennenanordnung so geschaltet, dass sie eine Birdcage-Antennenstruktur A1 bildet. Die kapazitiven Werte der Reaktanzen betragen hier beispielsweise für eine Antenne, die mit 120 MHz (in einem 3T-Magnetfeld) sendet etwa 30 pF und für Antenne, die mit 60 MHz (in einem 1,5 T-Magnetfeld) sendet etwa 120 pF.
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Ein Ersatzschaltbild für eine solche Antennenarchitektur ist in 4 dargestellt, wobei auch hier die Reaktanzen jeweils als Kapazitäten dargestellt sind. Eine solche Birdcage besteht wie erwähnt aus zwei Endringen, die durch eine bestimmte Anzahl von Antennenstäben miteinander verbunden sind. Die Stäbe sind in 4 jeweils vertikal dargestellt und die zugehörigen Kapazitäten CSB 1, CSB 2, CSB 3, CSB 4 in den Stäben sind jeweils mit dem unteren Index SB bezeichnet. Oben in 4 sind diese Stäbe über einen Endring, beispielsweise den Endring auf der Patientenseite, an welcher der Patient in den Messraum gefahren wird, verbunden, wobei sich in dem Endring zwischen zwei Stäben jeweils wieder Kapazitäten CEP 1, CEP 2, CEP 3 befinden. Ebenso sind in den einzelnen Segmenten des Endrings auf der gegenüberliegenden, so genannten Serviceseite (in 4 der untere Endring) Kapazitäten CES 1, CES 2, CES 3 angeordnet.
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Sowohl die Abstände zwischen den Kapazitäten als auch die Werte der verwendeten Kondensatoren sind maßgebend für die Arbeitsfrequenz und Funktion der Birdcage-Antennenarchitektur A1. Üblicherweise besteht heutzutage eine Birdcage-Antennenarchitektur aus einer Anordnung von 8, 16 oder 32 Stäben. Meist wird an einem der Endringe, in der Regel dem serviceseitigen Endring, die gesamte Antennenarchitektur an eine elektrische Speiseleitung angeschlossen, über die die von einem Hochfrequenzverstärker kommenden definierten Hochfrequenzsignale in die Antennenanordnung eingespeist werden. Der Anschluss solcher Speiseleitungen, welcher in der Regel über Kondensatoren erfolgt, sind dem Fachmann aber bekannt, so dass auf die Darstellung hier verzichtet werden kann.
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Werden bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Schaltelemente S12 1, S12 2 jeweils von dem Schaltzustand A in den Schaltzustand B und zudem die Reaktanz-Bauteile X1 1, X1 2, X1 3, X1 4, X2 1, X2 2, X2 3, X3 1, X3 2, X3 3 auf geeignete Werte umgeschaltet, so bildet die gesamte Antennenanordnung eine zweite Antennenarchitektur A2 in Form eines Antennenarrays bzw. Remote-Body-Arrays RBA.
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Die Funktionalität einer solchen RBA-Antennenarchitektur A2 ist in 5 anhand eines Ersatzschaltbilds dargestellt. Hier wird wieder davon ausgegangen, dass die Reaktanzen reine Kapazitäten sind, jedoch mit anderen Kapazitätswerten, so dass folglich die entsprechenden Kapazitäten mit anderen Bezugsziffern als in 4 versehen wurden, auch wenn sie durch die gleichen umschaltbaren Reaktanz-Bauelemente realisiert werden. Das RBA besteht hier wie üblich aus einer Reihe von einzelnen Antennen-Leiterschleifen L1, L2 (im Folgenden auch Loop-Antennen genannt), die untereinander zusätzlich durch Entkopplungselemente verbunden sind. Der Durchmesser der Loop-Antennen L1, L2 beträgt z. B. zwischen 100 mm und 400 mm. Beispielsweise können die Loop-Antennen L1, L2 zwischen 300 mm und 400 mm lang und zwischen 100 mm und 150 mm breit sein. Auch in 5 wird auf die zeichnerische Darstellung der Speiseleitungen aller Elemente verzichtet. Im Allgemeinen wird jede Loop-Antenne L1, L2 an eine eigene Speiseleitung angeschlossen.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 bzw. dem in 5 hierzu dargestellten Ersatzschaltbild besteht die eine Loop-Antenne L1 aus den einzelnen Antennen-Leiterbahnen mit den Kapazitäten CL1 1, CL1 2, CL1 3 und CL1 4. Entsprechend besteht die zweite Loop-Antenne L2 aus den Leiterbahnenabschnitten mit den Kapazitäten CL2 1, CL2 2, CL2 3, CL2 4.
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Da die einzelnen Loop-Antennen L1, L2 separat betrieben werden können, müssen sie sinnvollerweise voneinander entkoppelt werden, damit nicht die Signale einer Loop-Antenne L1 die benachbarte Loop-Antenne L2 stört oder umgekehrt. Eine Möglichkeit zur Entkopplung benachbarter Loop-Antennen innerhalb eines Antennenarrays ist es, dass sich die einzelnen Loop-Antennen in einem Grenzbereich überlappen, um so eine induktive Entkopplung zu erreichen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden stattdessen kapazitive Verbindungen zwischen benachbarten Loop-Antennen L1, L2 hergestellt. Dies wird dadurch erreicht, dass über Kreuz das in den 2 und 5 obere Antennenelement L1 3 der linken Loop-Antenne L1 mit dem entsprechenden unteren Antennenelement L3 1 der benachbarten (rechten) Loop-Antenne L2 über eine Kapazität C12 2 verbunden wird und umgekehrt das obere Antennenelement L3 3 der zweiten (rechten) Loop-Antenne L2 mit dem unteren Antennenelement L1 1 der ersten (linken) Loop-Antenne L1 über eine Kapazität C12 1 verbunden wird. Diese Über-Kreuz-Verbindung erfolgt, wie in 2 dargestellt, mit Hilfe der besagten Schaltelemente S12 1, S12 2 jeweils im zweiten Schaltzustand B sowie zusätzlicher Leiterbahnenabschnitte B12 1, B12 2, welche sich an einer Stelle überkreuzen. Diese Kreuzung ist wegen der Phasenlage der Entkopplungsspannung notwendig. Prinzipiell könnte anstelle einer Überkreuzung aber auch eine transformatorische bzw. induktive Kopplung erfolgen.
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Da die einzelnen Antennenarchitekturen nur abwechselnd betrieben werden, ist auch die Speisung unproblematisch. Es ist lediglich erforderlich, dass jede Speiseleitung entweder aktiv, beispielsweise über Halbleiterschalter wie PIN-Dioden, oder auch passiv durch antiparallele Diodenpaare von der Antennenanordnung entkoppelbar ist. Ebenso können aber auch Kombinationen von aktiven oder passiven Schaltern, beispielsweise selbstbestromende PIN-Dioden-Schalter, verwendet werden.
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Ebenso können Vorverstärker in oder an der Antennenanordnung, beispielsweise an den einzelnen Schleifen des RBA, angeschlossen werden, wobei es lediglich erforderlich ist, dass sie durch entsprechende Schaltelemente von der Antennenanordnung getrennt werden können, wenn sie nicht benötigt werden. Wird beispielsweise die Antennenanordnung zum Senden immer in der Form der Birdcage-Antennenarchitektur A1 genutzt und ein Empfang erfolgt immer in der RBA-Antennenarchitektur A2, so kann ein Vorverstärker in oder an jede Loop-Antenne L1, L2 des RBA angeschlossen werden, der im Sendefall durch geeignete Schaltelemente von der dann realisierten Birdcage-Antennenarchitektur abgetrennt wird.
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Das oben dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt also eine Magnetresonanz-Antennenanordnung mit einer Struktur, bei der auf der gleichen Oberfläche auf einem Tragrohr und unter Verwendung möglichst vieler gemeinsamer Komponenten zwei vollkommen unterschiedliche Antennenarchitekturen A1, A2 funktionell realisiert werden können, nämlich zum einen eine Birdcage-Antennenarchitektur A1 und zum anderen eine RBA-Antennenarchitektur A2. Diese Strukturen sind in radialer Richtung, d. h. zum Zentrum des Patiententunnels hin, sehr platzsparend ausgeführt, so dass für den Patienten ein möglichst großer Freiraum im Patiententunnel verbleibt.
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Letztlich wird also eine sehr schlanke, dünne Antenne mit einer vielseitig anwendbaren Geometrie realisiert. Die bei getrenntem Aufbau einer Birdcage mit einem im Inneren der Birdcage, beispielsweise an der Innenwand des Patiententunnels, angeordneten RBA auftretende Verkopplungsproblematik, dass die Birdcage-Antennenstruktur auf das RBA wirkt und umgekehrt, kann durch die integrative Bauweise innerhalb einer Antennenanordnung optimal und mit geringem Aufwand gelöst werden.
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Wie bereits erläutert, wird vorzugsweise die Birdcage-Antennenarchitektur A1 als Bodycoil zum Senden und die RBA-Antennenarchitektur A2 zum Empfangen der Resonanzsignale verwendet. Prinzipiell sind aber auch andere Möglichkeiten zum Senden und Empfangen gegeben. Beispielsweise kann mit der Bodycoil sowohl gesendet als auch empfangen werden, wobei die RBA-Funktion dauerhaft deaktiviert wird. Ebenso kann mit der Bodycoil gesendet und mit einer weiteren separaten, üblichen Lokalspule empfangen werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, in einem erfindungsgemäßen Magnetresonanzgerät nur mit Lokalspulen zu senden und zu empfangen und die erfindungsgemäße Antennenanordnung während dieses Vorgangs dauerhaft zu verstimmen und zu deaktivieren, d. h. dass weder die RBA-Funktionalität noch die Birdcage-Funktionalität genutzt wird. Weiterhin ist es auch möglich, für eine Messung die Birdcage-Funktionalität vollkommen zu deaktivieren und sowohl mit dem RBA zu senden als auch zu empfangen, beispielsweise um im parallelen Bildgebungsverfahren sowohl parallel über die einzelnen Loop-Antennen senden als auch empfangen zu können.
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Insbesondere, wenn vorgesehen ist, die Birdcage als Sendeantenne und das RBA als Empfangsantenne zu verwenden, sind vorteilhafterweise die Reaktanzen sowie evtl. angeschlossene Vorverstärker etc. so ausgebildet, dass die Antennenanordnung zumindest in der Birdcage-Funktionalität als Leistungsspule ausgebildet ist, wogegen in der Verschaltung als RBA alle ausschließlich für das RBA verwendeten Komponenten nicht für hohe Leistung, sondern stattdessen für einen empfindlicheren Empfang ausgebildet sind, d. h. feingliedrigere Strukturen aufweisen.
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Es wird an dieser Stelle noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem konkret in den Figuren dargestellten Aufbau lediglich um ein Ausführungsbeispiel handelt und dass das Grundprinzip der erfindungemäß ausgestalteten Antennenanordnung auch variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
