DE102011006573B4 - Verfahren zur Ermittlung einer optimalen Struktur eines Hochfrequenzschirms einer Hochfrequenzantenne einer Magnetresonanzanordnung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung einer optimalen Struktur eines Hochfrequenzschirms (6) einer Hochfrequenzantenne (5) einer Magnetresonanzeinrichtung (2), welcher Hochfrequenzschirm (6) die Hochfrequenzantenne (5) gegen eine Gradientenspulenanordnung (7) abschirmt, wobei eine dreidimensionale anfängliche Struktur des Hochfrequenzschirms (6), beschrieben durch Strukturparameter, gemeinsam mit der Hochfrequenzantenne (5) und/oder der Gradientenspulenanordnung (7) definiert wird, woraufhin im Rahmen eines Optimierungsverfahrens bezüglich wenigstens eines Optimierungskriteriums die Strukturparameter optimiert werden, wobei im Rahmen des Optimierungsverfahrens basierend auf der Struktur für wenigstens eine Frequenz eine dreidimensionale Feldsimulation durchgeführt wird, die das Verhalten der Struktur bei der Frequenz beschreibende Größen liefert, bezüglich welcher das Optimierungskriterium ausgewertet wird und wobei der Hochfrequenzschirm (6) und/oder die Hochfrequenzantenne (5) und/oder die Gradientenspulenanordnung (7) als ein durch Streuparameter beschriebenes Netzwerk verschiedener gleicher Netzwerkelemente (13) beschrieben werden, wobei benachbarte Netzwerkelemente (13) jeweils durch ein Tor (15) gekoppelt sind.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer optimalen Struktur eines Hochfrequenzschirms einer Hochfrequenzantenne einer Magnetresonanzeinrichtung, welcher Hochfrequenzschirm die Hochfrequenzantenne gegen eine Gradientenspulenanordnung abschirmt.
• In Magnetresonanzeinrichtungen werden üblicherweise Hochfrequenzschirme eingesetzt, um die Hochfrequenzantenne, beispielsweise eine Körperantenne, nach außen abzuschirmen, insbesondere gegen eine benachbart angeordnete Gradientenspulenanordnung. Dabei liegen im Falle von Schirmstrukturen bei Hochfrequenzantennen in Magnetresonanzeinrichtungen bestimmte Anforderungen vor, die möglichst alle zu berücksichtigen sind.
• So muss eine gute Leitfähigkeit für die gesamte Hochfrequenzantennenanordnung erhalten bleiben, um die Antenneneffizienz möglichst nicht zu beeinflussen. Als zweites ist eine hohe Hochfrequenzschirmdichtigkeit gewünscht, um die Einkopplung von Störungen in die Hochfrequenzantenne zu vermeiden und gleichzeitig eine verlustbehaftete Verkopplung der Hochfrequenzantenne mit Komponenten hinter dem Schirm, in der Regel die Gradientenspule oder PET-Elemente, zu vermeiden. Eine dritte Anforderung ist, dass Gradientenwirbelströme hinreichend unterdrückt werden, um eine zu große Aufheizung des Schirmes zu vermeiden und einen Einfluss auf die Bildgebung zu verhindern, nachdem Wirbelströme zu Artefakten bei bestimmten Magnetresonanzsequenzen führen können.
• Die ersten beiden genannten Anforderungen können idealerweise gleichzeitig durch eine geschlossene, leitfähige Fläche, beispielsweise sehr dünne Kupferfolien, erreicht werden, womit jedoch die dritte Anforderung in keiner Weise erfüllt ist.
• Um die genannten Anforderungen insgesamt erfüllen zu können, wurde vorgeschlagen, dünne Kupferfolien zu verwenden, die eine Schlitzstruktur aufweisen, um die Wirbelströme zu unterdrücken. Gleichzeitig kann vorgesehen sein, wenigstens zwei Lagen von Kupferfolie zu verwenden, wobei die weiteren Lagen ebenfalls geschlitzt und leitfähig sind, um eine ausreichende Schirmdämpfung und eine hohe Effizienz der Antenne zu erzielen. Die Kupferlagen werden dabei durch ein dünnes Dieelektrikum, beispielsweise eine Schicht von 0,1 mm Dicke, getrennt.
• Entscheidend für die Erfüllung der oben genannten Anforderungen ist dabei die Wahl der Schlitzung und des Dielektrikums. Diese werden nach heute bekannten Entwicklungsverfahren bzw. bei der Herstellung von Hochfrequenzantennen empirisch gewählt, beispielsweise basierend auf Erfahrung oder aufwendigen, teuren Versuchen.
• DE 10 2007 014 135 A1 offenbart eine Magnetresonanzanlage mit einem Hochfrequenzschirm mit frequenzabhängiger Schirmwirkung. Darin wird vorgeschlagen, einen Hochfrequenzschirm mit einer Vielzahl von Zellen auszubilden, wobei die Zellen eine Struktur bilden, die sich vorzugsweise zweidimensional wiederholt. Jede Zelle kann dabei mit jeder an sie angrenzenden Zelle über je eine Impedanz gekoppelt sein, wobei die Impedanzen als diskrete Bauelemente ausgebildet sein können. Ersichtlich ergibt sich daraus eine hochgradig komplexe Struktur, die nur empirisch bestimmt werden kann und bei geringen Abweichungen bereits ein völlig anderes Verhalten aufzeigen kann.
• DE 10 2005 033 989 A1 betrifft eine Kernspinresonanzapparatur mit Gradientenabschirmanordnung mit reduzierter Kopplung zum Resonatorsystem. Die Abschirmanordnung umfasst mindestens eine elektrisch leitende Schicht mit mindestens einem durchgehenden Schlitz. Es wird eine spezielle Anordnung vorgeschlagen, damit nur wenig oder keine Energie in die Abschirmanordnung gekoppelt wird. Die genaue Ausgestaltung soll durch Optimierung und Simulationsrechnung festgelegt werden, ohne dass dies näher erläutert wird.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Entwicklung, Überprüfung und/oder Herstellung von Hochfrequenzantennen zu schaffen.
• Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
• Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, ein Optimierungsverfahren zu verwenden, welches anhand von Optimierungskriterien, insbesondere umfassend eine Zielfunktion, die Struktur der Hochfrequenzantenne zur Ermittlung wenigstens eines optimalen Strukturparameterdatensatzes variiert, so dass ohne aufwendige Versuche und/oder empirische Erkenntnisse eine Entwicklung oder Herstellung einer Hochfrequenzantenne erfolgen kann. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bereits kleinste Abweichungen in der Struktur der Hochfrequenzantenne starke Verschlechterungen in deren Qualität zur Folge haben können. Beispielsweise kann eine bestimmte Schichtstruktur der Hochfrequenzantenne in einer bestimmten Winkelstellung hervorragende Ergebnisse liefern, während in einer nur leicht verschobenen Stellung die Qualität stark abnimmt. Mithin sind empirische Ergebnisse nicht immer geeignet, neue, verbesserte Hochfrequenzantennen zu schaffen. Dabei kann das erfindungsgemäße Verfahren im Übrigen auch in den Herstellungsprozess einer Hochfrequenzantenne integriert werden, indem beispielsweise vor der Vornahme einer Schlitzung das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird, wonach durch entsprechende Vorrichtungen eine Schlitzung entsprechend der ermittelten optimalen Strukturparameter vorgenommen wird. Mit anderen Worten können die optimalen Ausgangs-Strukturparameter, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wurden, in geeignete Ansteuerungsparameter für eine Vorrichtung zur Herstellung eines Hochfrequenzschirms umgerechnet und entsprechend verwendet werden.
• Zudem bietet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, bereits vorab einen Hochfrequenzschirm zu testen bzw. einen Schirm bei den gegebenen Randbedingungen optimal zu entwickeln. Diese Verfahren werden umso wichtiger, je enger die Verzahnung von Hochfrequenzantenne, Hochfrequenzschirm und Gradientenspulenanordnung wird. Auch im Hinblick auf Mehrkanal-Sendeantennen und auch Empfangsantennen (Remote Body Array) wird ein optimiertes Hochfrequenzschirmdesign immer wichtiger. Ein rein experimentelles Vorgehen wird nur zufällig zu einem brauchbaren Ergebnis führen, so dass eine Optimierung des Hochfrequenzschirmes und damit eingehend eine Verringerung der Verluste im Schirm eine Vielzahl von Vorteilen mit sich bringt.
• Es ist vorgesehen, dass im Rahmen des Optimierungsverfahrens basierend auf der Struktur für wenigstens eine Frequenz eine dreidimensionale Feldsimulation durchgeführt wird, die das Verhalten der Struktur bei der Frequenz beschreibende Größen liefert, bezüglich welcher das Optimierungskriterium ausgewertet wird. Es wird also vorgeschlagen, einen Feldsimulationsalgorithmus zu nutzen, wie er grundsätzlich im Stand der Technik bekannt ist. Derartige Feldsimulationsalgorithmen nutzen üblicherweise verschiedene Vorgehensweisen, um die Maxwell-Gleichungen im dreidimensionalen Raum zu lösen. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Feldsimulation über die Finite-Difference-Time-Domain-Methode (FDTD-Methode) und/oder die Finite-Elemente-Methode durchgeführt wird. Mit besonderem Vorteil kann ein auf der „Finite Integration Technique” (FIT) basierendes Verfahren verwendet werden, worin von einer Diskretisierung der integralen Form der Maxwellgleichungen ausgegangen wird, vgl. auch den Artikel von T. Weiland, „A discretization method for the solution of Maxwell's equations for six-component fields”, Electronics and Communication (AEÜ), Vol. 31, Seite 116, 1977. Ein Programmpaket, das diese Techniken einsetzt, ist beispielsweise unter dem Namen „CST Studio Suite” von der CST AG, Darmstadt, Deutschland, erhältlich. Allgemein werden mit derartigen Feldsimulationen aus vorgegebenen räumlichen Verteilungen von Strukturen mit bestimmten Eigenschaften Ausgabeparameter ermittelt, die die elektromagnetischen Eigenschaften der beschriebenen Struktur wiedergeben, insbesondere Feldverteilungen oder Wechselwirkungsgrößen, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
• In diesem Zusammenhang werden der Hochfrequenzschirm und/oder die Hochfrequenzantenne und/oder die Gradientenspulenanordnung als ein durch Streuparameter beschriebenes Netzwerk verschiedener gleicher Netzwerkelemente beschrieben, wobei benachbarte Netzwerkelemente jeweils durch ein Tor gekoppelt sind. Es wird also vorgeschlagen, insbesondere den Hochfrequenzschirm als ein Netzwerk zu beschreiben, das aus miteinander verbundenen gleichen Netzwerkelementen besteht. Der üblicherweise zylindrische Hochfrequenzschirm bildet in ausgerollter Form eine zunächst rechteckige Fläche. Diese rechteckige Fläche kann nun in eine bestimmte Zahl gleichgroßer „Patches” als Netzwerkelemente mit bestimmten, klar definierten elektromagnetischen Eigenschaften beschrieben werden, wobei ein Netzwerkelement beispielsweise als ein 1–4 cm mal 1–4 cm, insbesondere 2 mal 2 cm, großer Beschichtungs- bzw. Folienabschnitt definiert werden kann. Benachbarte Netzwerkelemente sind dabei jeweils durch ein Tor gekoppelt, welches bestimmte Eigenschaften aufweist, die insbesondere davon abhängig sind, ob zwischen den Netzwerkelementen oder Patches eine Schlitzung vorliegt oder ob die Netzwerkelemente miteinander verbunden sind. Derartiges wird üblicherweise durch Streuparameter beschrieben, die eine bevorzugte Wahl für die Strukturparameter darstellen.
• Doch auch die Hochfrequenzantenne und/oder die Gradientenspulenanordnung können als derartige Netzwerke beschrieben werden, wobei bevorzugt die dort vorgesehenen Tore auch dem tatsächlichen Anschlüssen entsprechen, an denen ein Signal auf die Hochfrequenzantenne bzw. Gradientenspule aufgebracht werden kann. Allgemein, also auch für den Hochfrequenzschirm, werden die Tore dabei als übliche Quellen mit einer Impedanz von 50 Ω angesetzt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Größen eine Streuparametermatrix bezüglich aller Tore geliefert wird, wobei als Strukturparameter die allein das Netzwerk des Hochfrequenzschirms beschreibenden Streuparameter betrachtet werden. Wird also beispielweise ein Netzwerk für den Hochfrequenzschirm und die Hochfrequenzantenne betrachtet, so verknüpft eine globale Streuparametermatrix wie bekannt die in ein Tor einlaufenden Wellen mit den aus dem Tor auslaufenden Wellen. Die Streuparameter (häufig auch kurz S-Parameter) bieten sich besonders an, um eine schnelle Optimierung hinsichtlich der Verluste in der Gesamtanordnung, also beispielsweise Hochfrequenzantenne plus Hochfrequenzschirm oder Gradientenspulenanordnung plus Hochfrequenzschirm, durchzuführen.
• Betrachtet man als Beispiel eine Gesamtanordnung aus Hochfrequenzantenne und Hochfrequenzschirm, so ist das Ergebnis der Feldsimulation eine Streuparametermatrix S. Für das globale System gilt dann, beschreibt B die auslaufenden Wellen und A die einlaufenden Wellen, B = S·A genauer, aufgeteilt in die Hochfrequenzanregung und die Schirmanregung

  
• Dabei sind s_ij Matrizen, deren Größe von der Torzahl N in der Hochfrequenzschirmstruktur und der Torzahl X in der Hochfrequenzantennenstruktur abhängig ist, das bedeutet, die Matrix S weist (N + X)·(N + X) Elemente auf.
• Nun sind ferner A_Schirm und B_Schirm über eine Diagonalmatrix S_Schirm verknüpft, wobei die Elemente der Diagonalmatrix S_Schirm, im Folgenden als s_i,j bezeichnet, folgende Bedeutung haben: sind benachbarte Netzwerkelemente nicht verbunden (Leerlauf), gilt s_i,j = 1, sind benachbarte Netzwerkelemente direkt verbunden (Kurzschluss), gilt s_i,j = –1, und sind benachbarte Netzwerkelemente über eine Impedanz, beispielsweise über einen Kondensator, verbunden, so gilt

  
• Nutzt man also die Beziehung A_Schirm = S_Schirm·A_Schirm (2) so kann die Formel (1) vereinfacht werden zu: B_HF = (s₁₁ + (S_Schirm – s₂₂)^–1·s₂₁·s₁₂)·A_HF
• Als Zielfunktion kann dann die absorbierte Leistung P_abs = |A_HF|² – |B_HF|² durch eine geeignete Wahl von den Strukturparametern in der Diagonalmatrix S_Schirm optimiert, konkret minimiert, werden.
• Eine derartige Optimierung kann in gleicher Weise auch für die Gradientenanregung erfolgen, wobei eine Verknüpfung erfolgen kann, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. Dabei sei an dieser Stelle nochmals hervorgehoben, dass die mit der Feldsimulation erhaltenen Eigenschaften selbstverständlich frequenzabhängig bestimmt werden, da, wie bekannt, die Streuparameter frequenzabhängig sind. Nachdem die Frequenzbereiche der Hochfrequenzantenne (im Bereich der Magnetresonanz-Frequenz) und der Gradientenspulen (im Bereich einiger KHz) deutlich voneinander getrennt sind, bietet sich eine getrennte Betrachtung an, was ebenso im Folgenden noch näher erläutert werden wird.
• Eine andere Möglichkeit der Optimierung ist über die elektromagnetischen Felder bzw. die elektromagnetischen Stromdichten. Hierzu kann vorgesehen sein, dass als Größen eine die Feldverteilung für eine Einheitsanregung an allen Toren beschreibende Feldverteilung und/oder Stromdichteverteilung geliefert werden, wobei die Strukturparameter die Überlagerung einer Feldverteilung und/oder Stromdichtverteilung beschreiben. Die Feldsimulation liefert also die aus Einheitsanregungen (A) resultierenden Felder und Stromdichten, wobei sich insbesondere die Minimierung von Oberflächenströmen bzw. deren Verlusten als Optimierungskriterium bzw. Zielfunktion anbietet. Die Optimierungsvariablen, als die Strukturparameter, sind dann die komplexen Koppelfaktoren zwischen den Netzwerkelementen, die mit den oben beschriebenen Streuparametern in Zusammenhang stehen. Diese Koppelfaktoren lassen sich durch kurzgeschlossene oder offene Verbindungen bzw. reaktive Koppelelemente, insbesondere Kondensatoren oder Spulen, in weiten Bereichen zwischen den Netzwerkelementen des Hochfrequenzschirms einstellen. Betrachtet werden kann dann beispielsweise eine Gesamtstromdichte J, die sich als

  

  schreiben lässt. Die komplexen Koppelfaktoren k_i sind, wie bereits beschrieben, die Strukturparameter; die Stromdichten an den Toren J⁽ⁱ⁾ werden aus der Feldsimulation erhalten. Um konkrete Werte zu erhalten, nachdem eine Feldsimulation nur die Felder bei Einheitsanregungen liefern kann, wird wenigstens ein typisches Anregungsmuster in der Basis der Einheitsanregungen betrachtet. Typische Anregungsmuster im Fall von Hochfrequenzantennen bzw. Gradientenspulenanordnungen sind dabei von der konkreten Ausbildung der Anordnung abhängig.
• Beispielsweise können zirkulare oder elliptische Anregungen verwendet werden, wobei auch eine unterschiedliche Gewichtung unterschiedlicher Anregungsmuster vorgesehen sein können. Auf diese Weise ist folglich auch eine Optimierung über die Feldverteilungen bzw. Stromdichten möglich.
• Nachdem als Optimierungskriterium im Falle der Streuparametermatrix beispielsweise eine Minimierung der insgesamt absorbierten Leistung verwendet wird, was sowohl für die Gradientenspulenanordnung als auch für die Hochfrequenzantenne denkbar ist, kann bei einer Optimierung über die Feldverteilung und/oder Stromdichteverteilung als Optimierungskriterium zweckmäßigerweise die Minimierung der Summe der Hochfrequenz-Oberflächenverluste oder die Minimierung der Hochfrequenz-Verluste in einem Dielektrikum oder die Minimierung der Summe der beiden vorgenannten Verluste oder die Minimierung der Schirmdämpfung betrachtet werden. Es sollen also beispielsweise die Oberflächenverluste bei definierter Anregung durch die Hochfrequenzantenne oder die Gradientenspulenanordnung minimiert werden.
• Beispielsweise dann, wenn eine Hochfrequenzantenne entwickelt, getestet oder hergestellt werden soll, die nur mit Schlitzungen wenigstens einer leitenden Schicht, beispielsweise einer Kupferfolie, auskommt, kann vorgesehen sein, dass als Randbedingung des Optimierungsverfahrens die Strukturparameter als Werte nur einen eine vorhandene Verbindung zwischen dem Netzwerkelement und einen eine nicht vorhandene Verbindung zwischen dem Element beschreibenden Wert annehmen dürfen. Dies würde in dem oben genannten, genauer beschriebenen Beispiel der Streuparameter beispielsweise bedeuten, dass diese nur Werte von 1 oder –1 annehmen dürfen. Auf diese Weise kann also von vorneherein festgelegt werden, welche Bauart für die Hochfrequenzantenne zugrunde gelegt werden soll.
• In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass Feldsimulationen für eine für den Betrieb der Gradientenspulenanordnung übliche erste Frequenz und für eine für den Betrieb der Hochfrequenzantenne übliche zweite Frequenz durchgeführt werden, wobei für beide Frequenzen ein Optimierungskriterium vorliegt und die Strukturparameter parallel für beide Optimierungskriterien optimiert werden.
• Wie bereits erwähnt wurde, liegen die üblichen Anregungsfrequenzbereiche für die Hochfrequenzantenne und die Gradientenspulenanordnung in unterschiedlichen Bereichen, nämlich für die Hochfrequenzantenne üblicherweise bei der entsprechenden Larmor-Frequenz der Magnetresonanzeinrichtung, die abhängig von der Grundfeldstärke ist und üblicherweise im Bereich von einigen 10 oder 100 MHz liegt. Demgegenüber sind für den Betrieb der Gradientenspulenanordnung Frequenzen im Bereich einiger KHz, beispielsweise zwischen 1 und 10 KHz, üblich. Für beide Frequenzbereiche bzw. bestimmte Frequenzen aus den relevanten Bereichen kann nun eine Feldsimulation durchgeführt werden, die jeweils einem Optimierungsvorgang zugeordnet ist; das bedeutet, es laufen zwei Optimierungsvorgänge mit eigenen Optimierungskriterien (Zielfunktion) parallel ab. verfahren, die zu einer derartigen parallelen, gekoppelten Optimierung in der Lage sind, sind im Stand der Technik bereits bekannt und liefern häufig beispielsweise in einer Kurve zusammenhängende Optimierungsergebnisse, die unterschiedlich gut die Zielfunktionen erfüllen. Aus diesen Optimierungsergebnissen kann dann ein geeigneter Wert gewählt werden, wobei auch Randbedingungen eingesetzt werden können, um die Zahl der Ergebnisse weiter zu beschränken oder dergleichen. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn bei der Feldsimulation der ersten Frequenz nur die Gradientenspulenanordnung und der Hochfrequenzschirm betrachtet werden und bei der Feldsimulation der zweiten Frequenz nur die Hochfrequenzantenne und der Hochfrequenzschirm betrachtet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen lassen sich auch die entsprechenden Effekte trennen, so dass beispielsweise im einen Fall nur die Struktur der Gradientenspulenanordnung und des Hochfrequenzschirms gemeinsam betrachtet werden muss, im anderen Fall nur die Struktur der Hochfrequenzantenne und des Hochfrequenzschirms. Wie oben beschrieben, kann die Modellierung, beispielsweise bezüglich der Netzwerkelemente und der Tore, dann auf das bei der Frequenz relevanten Teilsystem beschränkt werden.
• Es sei an dieser Stelle jedoch angemerkt, dass es alternativ auch denkbar ist, dass die Eigenschaften des Hochfrequenzschirms bezüglich von durch Felder der Gradientenspulen verursachten Wirbelströmen als wenigstens eine Randbedingung betrachtet werden kann. Dann sind also nicht zwei parallel laufende Optimierungsvorgänge vorgesehen, sondern es ist nur ein Optimierungsvorgang vorgesehen, so dass sich eine effizientere Realisierung ergibt, jedoch der Ergebnisraum eingeschränkt sein kann.
• Allgemein kann vorgesehen sein, dass ein wenigstens zwei Schichten umfassender Hochfrequenzschirm angesetzt wird. Derartige Hochfrequenzschirme wurden einleitend bereits genauer beschrieben und umfassen durch ein Dielektrikum getrennte Schichten, beispielsweise zwei geschlitzte Kupferfolien in einem radialen Abstand von etwa 0,1 mm. Dies bietet zusätzlich Freiheitsgrade und kann zu einem insbesondere bezüglich der Schirmwirkung verbesserten Hochfrequenzschirm führen. Dabei kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass als weiterer zu optimierender Parameter wenigstens eine Eigenschaft eines zwischen den Schichten angeordneten Dielektrikum betrachtet wird. Auch das Dielektrikum kann dann in der Struktur geeignet modelliert werden, um letztlich einen zusätzlichen Strukturparameter zu definieren, der im Optimierungsverfahren mit variiert und betrachtet wird. Somit können auch weitergehend verbesserte Hochfrequenzschirme geschaffen werden. Beispielsweise können hier diskrete Werte für verschiedene geeignete Materialien angesetzt werden.
• Wie bereits erwähnt, können im erfindungsgemäßen Verfahren auch verschiedene Randbedingungen betrachtet werden. Randbedingungen im Optimierungsverfahren sind grundsätzlich bekannt und müssen hier nicht näher erläutert werden. Als im konkreten Kontext besonders vorteilhaft zu berücksichtigende Randbedingungen im Optimierungsverfahren können beispielsweise eine definierte Flussdichte des zirkularen Anteils des Hochfrequenzfeldes im Isozentrum der Magnetresonanzeinrichtung und/oder in einer Anregungsschicht und/oder in einem Anregungsvolumen und/oder eine maximale lokale Verlustleistungsdichte und/oder eine maximale daraus abgeleitete Temperaturbelastung des Hochfrequenzschirms berücksichtigt werden. Dabei sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass, falls für niedrige Frequenzen kein eigenes, auf die Gradientenspuleanordnung bezogenes Optimierungsverfahren durchgeführt werden soll, die Niederfrequenz-Eigenschaften der Schirmstruktur, beispielsweise die Durchlässigkeit für Gradientenfelder und die Temperaturbelastung durch Wirbelstromverluste, als weitere Randbedingung der Hochfrequenz-Optimierung bezüglich der Hochfrequenzantenne aufgefasst werden können.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
• 1 eine Hochfrequenzantenne mit Hochfrequenzschirm in einer Magnetresonanzeinrichtung,
• 2 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahren, und
• 3 eine Skizze zur Beschreibung eines Hochfrequenzschirms durch ein Netzwerk.
• 1 zeigt als Prinzipskizze einen Teilschnitt durch eine Hauptmagneteinheit 1 einer Magnetresonanzeinrichtung 2, die durch ihr Gehäuse 3 innen eine Patientenaufnahme 4 definiert. Dabei sind in bestimmten radialen Bereichen ausgehend von der zylindrischen Patientenaufnahme 4 verschiedene Komponenten vorgesehen, nämlich zunächst eine Hochfrequenzantenne 5 mit einem zugeordneten Hochfrequenzschirm 6, an den nach außen eine Gradientenspulenanordnung 7 anschließt. Im hier gezeigten Beispielsfall ist die Hochfrequenzantenne 5 als eine Bird cage-Antenne mit Längsleitern 8, die auf einem Träger 9 befestigt sind, ausgebildet.
• Der Hochfrequenzschirm 6 umfasst in diesem Beispiel zwei leitende Schichten 10, die durch ein beispielsweise 0,1 mm dickes Dielektrikum 11 getrennt sind. Ersichtlich weisen die Schichten 10 zudem Schlitzungen 12 auf.
• Das erfindungsgemäße Verfahren beschäftigt sich nun mit dem Auffinden einer optimalen Struktur für einen derartigen Hochfrequenzschirm 6, wobei im im Folgenden dargestellten Ausführungsbeispiel die Strukturparameter das Vorsehen der Schlitzungen 12 und gegebenenfalls vorzusehende Koppelelemente (beispielsweise Kondensatoren oder Spulen) beschreiben.
• 2 zeigt einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird in einem Schritt S1 zunächst eine durch die Strukturparameter und weitere Eingaben beschriebene Anfangsstruktur, von der ausgehend die Optimierung erfolgen soll, definiert. Vorliegend umfasst die Anfangsstruktur nicht nur die Struktur des Hochfrequenzschirmes 6, sondern auch die Struktur der Gradientenspulenanordnung 7 und der Hochfrequenzantenne 5. Alle drei Komponenten werden dabei vorliegend als ein Netzwerk dargestellt, das bedeutet, sie weisen verschiedene Netzwerkelemente auf, die durch ihre Lage im Raum und ihre elektromagnetischen Eigenschaften definiert sind sowie durch Tore verbunden sind. 3 zeigt, wie die Struktur des Hochfrequenzschirmes 6 für eine Schicht 10 als ein Netzwerk abgebildet wird. Betrachtet man eine Schicht 10 in einen „ausgerollten” Zustand, handelt es sich letztlich um eine rechteckige Grundfläche. Diese rechteckige Grundfläche, die beispielsweise aus einer Kupferschicht bestehen kann, wird nun in gleichartige Teilflächen (Patches) zerlegt, die die Netzwerkelemente 13 bilden. Die Patches können beispielsweise mit einer Größe von 2 auf 2 mm definiert werden. Wie dem vergrößerten Bereich 14 zu entnehmen ist, werden zur Definition des Netzwerkes benachbarte Netzwerkelemente 13 über Tore 15 verbunden, die durch Streuparameter beschrieben werden können.
• Eine ähnliche Netzwerkdarstellung wird vorliegend auch für die Gradientenspulenanordnung 7 und die Hochfrequenzantenne 5 angesetzt, wobei jedoch die Tore 15 als die tatsächlichen Anschlüsse der entsprechenden Spulen definiert werden.
• Nach dem Schritt S1 erfolgt ein Optimierungsverfahren, das vorliegend in zwei Optimierungsvorgänge 16, 17 aufgeteilt ist, die jedoch aneinander gekoppelt sind, vgl. Pfeil 18, das bedeutet, es findet eine parallele Optimierung bezüglich der Strukturparameter statt. Vorliegend wird in einem Niedrigfrequenz-Optimierungsvorgang 17 eine erste Frequenz betrachtet, bei der im Rahmen einer Feldsimulation in Schritt S2a lediglich die Netzwerke des Hochfrequenzschirms 6 und der Gradientenspulenanordnung 7 betrachtet werden. Die erste Frequenz ist dabei eine für den Betrieb der Gradientenspulenanordnung 7 relevante Frequenz, beispielsweise im Bereich von 5 KHz. Analog wird bei einem Hochfrequenz-Optimierungsvorgang 16 zunächst eine Feldsimulation in einem Schritt S2b bei der Magnetresonanzfrequenz der Magnetresonanzeinrichtung 2 als zweite Frequenz durchgeführt. Hierbei werden nur die Hochfrequenzantenne 5 und der Hochfrequenzschirm 6 betrachtet.
• Nach der Feldsimulation werden in Schritten S3a und S3b Optimierungskriterien ausgewertet, wonach entweder eine Variation der Strukturparameter erfolgt und neu simuliert wird oder das Optimum bereits gefunden wurde, wie dies bei Optimierungsverfahren grundsätzlich bekannt ist. Nachdem die Optimierungsvorgänge 16, 17 im Wesentlichen gleichartig ablaufen, sei die konkrete Erläuterung auf den Optimierungsvorgang 16 beschränkt, der Optimierungsvorgang 17 erfolgt analog.
• Als Algorithmus zur Feldsimulation wird vorliegend ein auf der FIT (finite integration technique) beruhender Algorithmus verwendet, der als Ausgangswerte neben den Feldverteilungen und Stromdichteverteilungen für Einheitsanregungen an den Toren 15 auch die Streuparametermatrix des jeweils gesamten Systems (S) liefert. Diese Streuparametermatrix wird zum Auswerten der jeweiligen Zielfunktion verwendet, wie im Folgenden am Beispiel des Optimierungsvorgangs 16 dargestellt werden soll.
• Wie bereits im allgemeineren Teil der Beschreibung als Beispiel dargestellt, gilt dann, beschreibt B die auslaufenden Wellen und A die einlaufenden Wellen, B = S·A genauer, aufgeteilt in die Hochfrequenzanregung und die Schirmanregung

  
• Die s_ij sind Matrizen, deren Größe von der Torzahl N in der Hochfrequenzschirmstruktur und der Torzahl X in der Hochfrequenzantennenstruktur abhängt. Die Matrix S weist (N + X)·(N + X) Elemente auf, die Matrix s₁₁ X·X und die Matrix s₂₂ N·N.
• Ferner sind A_Schirm und B_Schirm über eine Diagonalmatrix S_Schirm mit N·N Elementen verknüpft, wobei die Elemente der Diagonalmatrix S_Schirm, im Folgenden als s_i,j bezeichnet, folgende Bedeutung haben: Sind benachbarte Netzwerkelemente 13 durch ein Tor 15 nicht verbunden (Leerlauf), gilt s_i,j = 1, sind benachbarte Netzwerkelemente 13 direkt verbunden (Kurzschluss), gilt s_i,j = –1, und sind benachbarte Netzwerkelemente 13 über ein Impedanz, beispielsweise über einen Kondensator, verbunden, so gilt

  
• Unter Nutzung des Zusammenhangs A_Schirm = S_Schirm·A_Schirm folgt die bereits beschriebene Vereinfachung der Formel (1) zu: B_HF = (s₁₁ + (S_Schirm – s₂₂)^–1·s₂₁·s₁₂)·A_HF.
• Die absorbierte Leistung soll als Zielfunktion angesetzt werden: P_abs = |A_HF|² – |B_HF|²
• Sie soll durch eine geeignete Wahl von Strukturparametern in der Diagonalmatrix S_Schirm minimiert werden.
• Zusammengefasst bedeutet dies, dass die Streuparameter der Matrix S_Schirm die Strukturparameter bilden. Diese Strukturparameter können bevorzugterweise noch ergänzt werden durch wenigstens eine Eigenschaft des Dielektrikums 11. Als Zielfunktion wird die gesamte Verlustleistung P_abs ausgewertet und minimiert.
• Analog wird auch bezüglich des Optimierungsvorgangs 17 bei der ersten Frequenz vorgegangen. Solche parallelen Optimierungsvorgänge und Algorithmen zur gekoppelten Optimierung sind grundsätzlich bekannt und können auch beim erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden.
• Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass im erfindungsgemäßen Verfahren selbstverständlich auch eine Vielzahl von Randbedingungen, wie für Optimierungsverfahren grundsätzlich bekannt, berücksichtigt werden können. Dabei bieten sich weitere Möglichkeiten, beispielsweise auch Designkriterien des Hochfrequenzschirms 6 anpassen zu können. So kann eine Randbedingung definiert werden, die als diskrete Werte für die Streuparameter nur zwei Werte erlaubt, nämlich einen eine Verbindung (Kurzschluss) anzeigenden Wert und eine keine Verbindung (Leerlauf) zeigenden Wert. Dann ergibt sich eine geschlitzte Struktur des Hochfrequenzschirms, ohne dass Koppelelemente wie Spulen oder Kondensatoren notwendig sind. Auch sonstige Randbedingungen können berücksichtigt werden, beispielsweise eine definierte Flussdichte des zirkularen Anteils des Hochfrequenzfeldes im Isozentrum der Magnetresonanzeinrichtung 2, in einer Anregungsschicht und/oder einem gesamten Anregungsvolumen, wenn Wert auf gezielte Anregungsmöglichkeiten, beispielsweise die Anregung nur einer bestimmten Schicht, gelegt wird. In einer Randbedingung berücksichtigt werden können zudem maximale lokale Verlustleistungsdichten und maximale daraus abgeleitete Temperaturbelastungen des Hochfrequenzschirms 6. Schließlich sei bezüglich der Randbedingungen noch darauf hingewiesen, dass es auch denkbar ist, beispielsweise den Optimierungsvorgang 17 wegzulassen und die Eigenschaften der Schirmstruktur bei der niedrigen ersten Frequenz, beispielsweise Durchlässigkeit für Gradientenfelder und Temperaturbelastung durch Wirbelstromverluste, als weitere Randbedingung im Hochfrequenz-Optimierungsvorgang 16 zu formulieren.
• In einem Schritt S4 ergibt sich dann schließlich wenigstens ein optimaler Strukturparametersatz, wobei bei den beiden Optimierungsvorgängen 16, 17 auch eine Kurve gegeben sein kann, die optimale Strukturparametersätze beschreibt. Gemeinsam mit dem optimalen Strukturparametersatz können in Schritt S4 auch weitere, die Qualität des Hochfrequenzschirms 6 beschreibende Größen mit ausgegeben werden.
• In einem optionalen Schritt S5 kann der ideale Strukturparametersatz, insbesondere dann, wenn ein geschlitzter Hochfrequenzschirm 6 geschaffen werden soll, in geeignete Betriebsparameter für eine Vorrichtung zur Herstellung des Hochfrequenzschirms 6 umgerechnet werden. In diesem Fall kann das erfindungsgemäße Verfahren also Teil des Herstellungsprozesses eines Hochfrequenzschirms sein.
• Es sei schließlich noch angemerkt, dass neben der hier beschriebenen Möglichkeit der Betrachtung von Streuparametermatrizen auch, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung dargelegt, eine Optimierung auf Basis von Feldverteilungen und/oder Stromdichteverteilungen vorgenommen werden kann. Hierbei werden dann bei den jeweiligen Frequenzen ermittelte Feldverteilungen oder bevorzugt Stromdichteverteilungen für Einheitsanregungen (Basisanregungen) anhand der Strukturparameter überlagert und für typische Anregungsmuster überprüft. In diesem Fall muss die Feldsimulation nur ein einziges Mal durchgeführt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Hauptmagneteinheit

2

Magnetresonanzeinrichtung

3

Gehäuse

4

Patientenaufnahme

5

Hochfrequenzantenne

6

Hochfrequenzschirm

7

Gradientenspulenanordnung

8

Längsleiter

9

Träger

10

Schicht

11

Dielektrikum

12

Schlitzung

13

Netzwerkelement

14

Bereich

15

Tor

16

Optimierungsvorgang

17

Optimierungsvorgang

18

Pfeil

Claims (12)

1. Verfahren zur Ermittlung einer optimalen Struktur eines Hochfrequenzschirms (6) einer Hochfrequenzantenne (5) einer Magnetresonanzeinrichtung (2), welcher Hochfrequenzschirm (6) die Hochfrequenzantenne (5) gegen eine Gradientenspulenanordnung (7) abschirmt, wobei eine dreidimensionale anfängliche Struktur des Hochfrequenzschirms (6), beschrieben durch Strukturparameter, gemeinsam mit der Hochfrequenzantenne (5) und/oder der Gradientenspulenanordnung (7) definiert wird, woraufhin im Rahmen eines Optimierungsverfahrens bezüglich wenigstens eines Optimierungskriteriums die Strukturparameter optimiert werden, wobei im Rahmen des Optimierungsverfahrens basierend auf der Struktur für wenigstens eine Frequenz eine dreidimensionale Feldsimulation durchgeführt wird, die das Verhalten der Struktur bei der Frequenz beschreibende Größen liefert, bezüglich welcher das Optimierungskriterium ausgewertet wird und wobei der Hochfrequenzschirm (6) und/oder die Hochfrequenzantenne (5) und/oder die Gradientenspulenanordnung (7) als ein durch Streuparameter beschriebenes Netzwerk verschiedener gleicher Netzwerkelemente (13) beschrieben werden, wobei benachbarte Netzwerkelemente (13) jeweils durch ein Tor (15) gekoppelt sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Größen eine Streuparametermatrix bezüglich aller Tore (15) geliefert wird, wobei als Strukturparameter die allein das Netzwerk des Hochfrequenzschirms (6) beschreibenden Streuparameter betrachtet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Optimierungskriterium eine Minimierung der insgesamt absorbierten Leistung verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Größen eine die Feldverteilung für eine Einheitsanregung an allen Toren (15) beschreibende Feldverteilung und/oder Stromdichteverteilung geliefert werden, wobei die Strukturparameter die Überlagerung einer Feldverteilung und/oder Stromdichteverteilung beschreiben.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Optimierungskriterium die Minimierung der Summe der Hochfrequenz-Oberflächenverluste oder die Minimierung der Hochfrequenz-Verluste in einem Dieelektrikum (11) oder die Minimierung der Summe der beiden vorgenannten Verluste oder die Minimierung der Schirmdämpfung betrachtet werden.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Randbedingung des Optimierungsverfahrens die Strukturparameter als Werte nur einen eine vorhandene Verbindung zwischen zwei benachbarten Netzwerkelementen (13) und einen eine nicht vorhandene Verbindung zwischen den benachbarten Netzwerkelementen (13) beschreibenden Wert annehmen dürfen.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Feldsimulationen für eine für den Betrieb der Gradientenspulenanordnung (7) übliche erste Frequenz und für eine für den Betrieb der Hochfrequenzantenne (5) übliche zweite Frequenz durchgeführt werden, wobei für beide Frequenzen ein Optimierungskriterium vorliegt und die Strukturparameter parallel für beide Optimierungskriterien optimiert werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Feldsimulation der ersten Frequenz nur die Gradientenspulenanordnung (7) und der Hochfrequenzschirm (6) betrachtet werden und bei der Feldsimulation der zweiten Frequenz nur die Hochfrequenzantenne (5) und der Hochfrequenzschirm (6).
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften des Hochfrequenzschirms (6) bezüglich von durch Felder der Gradientenspulenanordnung (7) verursachten Wirbelströmen als wenigstens eine Randbedingung betrachtet werden.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldsimulation über die Finite Difference Time Domain-Methode und/oder die Finite-Elemente-Methode durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein wenigstens zwei Schichten (10) umfassender Hochfrequenzschirm (6) angesetzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als weiterer zu optimierender Parameter wenigstens eine Eigenschaft eines zwischen den Schichten (10) angeordneten Dielektrikums (11) betrachtet wird.

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