DE102012213995B3

DE102012213995B3 - System zur elektromagnetischen Anregung bei einer Magnetresonanz-Tomographie sowie Magnetresonanz-Tomograph

Info

Publication number: DE102012213995B3
Application number: DE102012213995.8A
Authority: DE
Inventors: Stephan Biber; Klaus Huber
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: CN103576108A; KR101562703B1; US20140043029A1; US9395427B2; KR20140019757A; CN103576108B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur elektromagnetischen Anregung eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanz-Tomographie sowie einen Magnetresonanz-Tomographen mit einem erfindungsgemäßen System. Das System weist eine HF-Einrichtung zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals und eine Mehrzahl von Antennen zur Abstrahlung des Hochfrequenzsignals auf. Zwischen einem Ausgang der HF-Einrichtung und der Mehrzahl der Antennen besteht eine Signalverbindung, wobei eine Quellen-Impedanz der Signalverbindung mit dem Ausgang der HF-Einrichtung an Anschlusspunkten der Antennen wesentlich höher ist als die Impedanz der Antennen an den Anschlusspunkten, sodass die Antennen bei Anliegen eines Hochfrequenzsignals in einem Stromquellenspeisungsmodus gespeist werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur elektromagnetischen Anregung eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanz-Tomographie mit einer HF-Einrichtung zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals und einer Mehrzahl von Antennen zur Abstrahlung des Hochfrequenzsignals sowie eine Magnetresonanz-Tomographievorrichtung mit einem erfindungsgemäßen System zur Anregung.
Eine herkömmliche Magnetresonanz-Tomographievorrichtung weist üblicherweise einen Magneten zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes auf, sowie Gradienten-Feldspulen zur Erzeugung von variablen magnetischen Gradientenfeldern in allen drei Raumachsen, die dem statischen Magnetfeld überlagert werden können. Eine Anregung der in diesen Magnetfeldern ausgerichteten Wasserstoffkerne erfolgt durch eine HF-Einrichtung zur Erzeugung von HF-Anregungssignalen in Form von Pulsen sowie Antennen zur Abstrahlung dieser Pulse in ein Volumen in dem Magnetfeld, in dem sich die Probe befindet. Die Dichte und die Umgebungsbedingungen der Wasserstoffkerne in der Probe werden über ein HF-Antwortsignal ermittelt, das die Wasserstoffkerne als Antwort auf den Anregungspuls aufgrund ihrer Präzession im Magnetfeld aussenden. Das HF-Antwortsignal wird von Antennen aufgefangen und in der HF-Einrichtung aufbereitet. Sowohl als Sende- als auch als Empfangsantennen sind sogenannte Körperspulen (eng. Body Coils) üblich, die das Volumen mit der Probe umgeben.
Um die Empfangsempfindlichkeit bei kleinen Untersuchungsobjekten, insbesondere bei der Untersuchung von Gliedmaßen oder Kopf zu erhöhen, die das Probe-Volumen nur teilweise ausfüllen, ist es beispielsweise aus der Patentschrift US 4,825,162 bekannt, eine Mehrzahl von Empfangsspulen unmittelbar auf dem Untersuchungsobjekt anzuordnen. Die Empfangsspulen werden überlappend angeordnet, sodass sich das Signal einer Nachbarspule in einer ausgewählten Spule gerade aufhebt. Die Signale sind „orthogonal” zueinander und können unabhängig voneinander für ein jeweils darunter liegendes Volumen des Untersuchungsobjekts verarbeitet werden. Zur Entkopplung übernächster Nachbarn sind Vorverstärker mit niederimpedanten Eingängen vorgesehen.
Aus den Offenlegungsschriften WO 2008/078239 A1 und WO 2011/054923 A1 ist es darüber hinaus bekannt, durch besondere geometrische Anordnung und Fortsätzen an der Spule, die seitlich aus den Spulen hervorragen und jeweils mit einem Fortsatz der übernächsten Spule überlappen, auch eine Unterdrückung der Wechselwirkung mit den jeweils übernächsten Nachbarn zu erreichen. Dabei ist diese Unterdrückung auch für die Verwendung der Spulen als Sendeantennen für das Anregungssignal wirksam.
Die jeweiligen Anordnungen unterdrücken die Nachbar-Nachbar Wechselwirkungen jeweils für eine bestimmte Geometrie, z. B. für eine flache Anordnung. Es ist teilweise jedoch auch erforderlich, die Spulen räumlich um ein Untersuchungsobjekt, beispielsweise ein Knie, anzuordnen. Darüber hinaus beeinflusst das Untersuchungsobjekt durch seine dielektrischen und magnetischen Eigenschaften die elektrischen und magnetischen Feldverteilungen, sodass die Unterdrückung der Signale aus den benachbarten Spulen nicht vollständig erfolgt.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 042 633 A1 beschreibt eine Antennenschaltung zum Speisen und Auslesen einer Mehrzahl an Antennenelementen einer Antennenanordnung für einen Magnetresonanztomographen. Die Antennenschaltung umfasst ein erstes Phasenschieberelement mit einer Phasenverschiebung von 90 Grad und ein zweites Phasenschieberelement mit einer Phasenverschiebung von 270 Grad und einer jeweils vorbestimmten Admittanz. Die Phasenschieberelemente sind jeweils zwischen einem gemeinsamen Schaltungsanschluss und zwei antennenseitigen Anschlüssen angeordnet. Durch die Wahl der Admittanz kann ein Verhältnis der Ströme an den antennenseitigen Anschlüssen festgelegt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, einen Magnetresonanz-Tomographen bereitzustellen, der die Störungen durch die Signale benachbarter Spulen bzw. Antennen auch für unterschiedliche geometrische Anordnungen verringert.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein System zur elektromagnetischen Anregung nach Anspruch 1 sowie eine Magnetresonanz-Tomographievorrichtung nach Anspruch 10 mit einem erfindungsgemäßen System zur elektromagnetischen Anregung gelöst.
Das erfindungsgemäße System zur elektromagnetischen Anregung eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanz-Tomographie weist eine HF-Einrichtung zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals und eine Mehrzahl von Antennen zur Abstrahlung des Hochfrequenzsignals auf. Weiterhin weist das erfindungsgemäße System eine Signalverbindung zwischen einem Ausgang der HF-Einrichtung und der Mehrzahl der Antennen auf, wobei eine Quellen-Impedanz der Signalverbindung mit dem Ausgang der HF-Einrichtung an Anschlusspunkten der Antennen wesentlich höher ist als die Impedanz der Antennen an den Anschlusspunkten, sodass die Antennen bei Anliegen eines Hochfrequenzsignals in einem Stromquellenspeisungsmodus gespeist werden.
Das erfindungsgemäße System zur elektromagnetischen Anregung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die erfindungsgemäße Fehlanpassung der Impedanzen von Antenne und Signalzuführung am Anschlusspunkt führt dazu, dass die Antenne in einem Stromquellenspeisungsmodus betrieben wird. In diesem Modus ist der durch die Antenne fließende Strom im Wesentlichen bestimmt durch den von der Stromquelle gelieferten Strom. Der Strom in der Antenne ist folglich im Wesentlichen unabhängig von der von der Signalleitung am Anschlusspunkt gelieferten Spannung. Insbesondere ist damit auch der Strom durch die Antenne im Wesentlichen unabhängig von einer in der Antenne induzierten entgegengesetzten Spannung, die beispielsweise durch die Wechselwirkung mit einer benachbarten Antenne herrühren kann. Ist wiederum der durch die Antenne fließende Strom unabhängig, so ist beispielsweise bei einer Spule als Antenne auch das erzeugte magnetische und elektrische Wechselfeld im Wesentlichen unabhängig von den benachbarten Antennen.
Die Kopplung der Antenne im Stromspeisemodus entspricht einer erzwungenen Schwingung mit starker Kopplung, sodass die Schwingung im Wesentlichen durch die von der HF-Einrichtung eingekoppelten Schwingung bestimmt ist und kaum durch die anderen Antennen beeinflusst wird. Auch ist die Phasen- und Amplitudenabhängigkeit der Schwingung in der Antenne nur in geringem Maß von der Resonanzfrequenz der Antenne selbst bestimmt, sodass der Einfluss beispielsweise der Temperatur oder eines Mediums im Feld der Antenne gering ist. Dabei ist es üblich, dass der Ausgang der HF-Einrichtung dazu ausgelegt ist, wahlweise auch eine Körperspule mit einem Ausgangssignal zu versorgen, die eine hohe Eingangsleistung benötigt. Daher ist auch bei einer Fehlanpassung der im Vergleich zu der Körperspule kleinen Antennen eine Versorgung mit ausreichender Leistung zur Anregung der Probe sichergestellt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Quellen-Impedanz der Signalverbindung mit dem Ausgang der HF-Einrichtung an den Anschlusspunkten der Antennen um mindestens einen Faktor 2 höher ist als die Impedanz der Antennen an den Anschlusspunkten.
Ein derartiges Verhältnis bringt es vorteilhafter Weise mit sich, dass der störende Einfluss einer benachbarten Antenne um die Hälfte reduziert wird.
In einer Ausführungsform ist es auch vorgesehen, dass die HF-Einrichtung einen Eingang zur Verarbeitung eines Empfangssignals sowie das System einen Schalter und eine Signalverbindung zwischen einem Eingang der HF-Einrichtung und der Mehrzahl der Antennen aufweist. Dabei ist der Schalter dazu ausgelegt, die Antennen wahlweise mit dem Ausgang der HF-Einrichtung zu verbinden.
Durch den Schalter ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Antennen sowohl mit dem Ausgang der HF-Einrichtung zu verbinden, um die Antennen mit einem HF-Signal zur Anregung der Probe zu versorgen, als auch von dem Ausgang der HF-Einrichtung zu trennen, um ein Signal der Probe als Antwort auf die Anregung zu empfangen. Auf diese Weise ist es sichergestellt, dass das empfangene Signal bevorzugt aus dem angeregten Volumen stammt, sodass auch mehrere Spulen parallel betrieben werden können. Auch ist die Empfindlichkeit durch die Nähe von Sendeantenne und Empfangsantenne zur Probe am größten.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Anschluss-Impedanz der Signalverbindung mit dem Eingang der HF-Einrichtung an den Anschlusspunkten der Antennen wesentlich höher ist als die Antennen-Impedanz an den Anschlusspunkten.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Anschluss-Impedanz der Signalverbindung mit dem Eingang der HF-Einrichtung an den Anschlusspunkten der Antennen um mindestens einen Faktor 2 höher ist als die Impedanz der Antennen an den Anschlusspunkten.
Auf diese Weise ist es vorteilhafter Weise möglich, die Antenne mit dem Eingang der HF-Einrichtung beim Senden verbunden zu lassen, ohne der Antenne eine erhebliche Sendeleistung zu entziehen.
In einer Ausführungsform ist es auch vorgesehen, dass das System eine HF-Ansteuermatrix aufweist, die dazu ausgelegt ist, das Hochfrequenzsignal von dem Ausgang der HF-Einrichtung zu den Anschlusspunkten der Antennen mit einer vorbestimmten Impedanz und für jede Antenne jeweils vorbestimmter Phasenverschiebung zu verteilen.
Mittels der vorbestimmten Impedanz am Anschlusspunkt ist es möglich, für jede Antenne ein vorgegebenes Impedanzverhältnis einzustellen und so auf vorteilhafte Weise erfindungsgemäß ein Übersprechen zwischen den Antennen zu vermindern.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Anordnung der Antennen und die vorbestimmte Phasenverschiebung derart ausgelegt sind, sodass die Antennen ein zirkular polarisiertes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen.
So ist es vorteilhafter Weise möglich, die einzelnen Antennen jeweils aus einer HF-Einrichtung mit HF-Impulsen einer vorbestimmten Phasenlage zu versorgen, sodass durch die Summe der elektromagnetischen Wechselfelder der einzelnen Antennen ein resultierendes elektromagnetisches Wechselfeld beispielsweise mit einer zirkularen Polarisation erzeugt werden kann, dass zur Anregung der Kernspins besonders geeignet ist.
Auch ist es in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die Antennen Antennenspulen sind. Spulen sind durch die kurzgeschlossene Bauform unempfindlich gegen elektrische Aufladungen und bauen auch keine elektrischen Feldspitzen auf, die zu Gefährdungen eines Patienten führen könnten. Die bevorzugte Abstrahlungsrichtung einer auf der Probe aufliegenden Antennenspule ist senkrecht von der Ebene der Antennenspule (bei einer flachen Spule, die nahezu in einer Ebene liegt) auf die Probe gerichtet und regt so bevorzugt das Volumen in der Probe an. Bei nebeneinanderliegenden Antennenspulen sind die jeweils angeregten Bereiche der Probe divergent, d. h. im die Antennenspulen sind bezüglich der abgetasteten Bereiche „orthogonal” zu einander wobei orthogonal hier nicht im geometrischen Sinn, sondern im Sinne der Signalverarbeitung zu verstehen ist.
In einer Ausführungsform ist es dabei vorgesehen, dass die Flächen der Antennenspulen derart überlappen, dass die Wechselwirkung zweier benachbarter Flächen minimiert ist. Auf diese Weise kann bereits durch die Anordnung der Antennenspulen erreicht werden, dass sich nebeneinanderliegende Antennenspulen möglichst wenig beeinflussen und Signale von nebeneinanderliegenden Antennenspulen parallel ausgewertet werden können, ohne Artefakte in der Tomographie zu erzeugen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomographen;
2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems zur elektromagnetischen Anregung;
3 ein Ersatzschaltbild für eine Einzelantenne;
4 ein Ersatzschaltbild für eine von Außen induzierte Störung einer Einzelantenne;
5 ein Diagramm einer Übersprechdämpfung zwischen Spulen in Abhängigkeit von der Fehlanpassung;
6 Diagramme von Frequenzgängen und Phasengängen eines Stroms in einer Spule für verschiedene Anpassungsverhältnisse und
7 einen Ausschnitt aus einer Schaltung eines erfindungsgemäßen Systems zur Anregung.
Im Einzelnen zeigt 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomographen 1. Der Magnetresonanz-Tomograph 1 umfasst eine Magneteinrichtung 10 und eine Versorgungseinrichtung 20.
Die Magneteinrichtung 10 weist supraleitende Magneten 11 zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes auf. Weiterhin weist die Magneteinrichtung 10 Gradientenspulen 12 zur Erzeugung eines variablen Magnetfeldgradienten in allen drei Raumrichtungen auf. Darüber hinaus ist in der Magneteinrichtung 10 üblicherweise eine Körperspule 13 angeordnet, welche zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes in dem von den supraleitenden Magneten 11 umschlossenen Volumen vorgesehen ist. Häufig wird die Körperspule 13 auch dazu genutzt, eine durch das elektromagnetische Wechselfeld angeregte Magnetresonanz in dem umschlossenen Volumen mittels des von ihr erzeugten elektromagnetischen Wechselfelds zu messen.
Es ist aber auch denkbar, dass statt supraleitender Magneten 11 Permanentmagneten oder normalleitende Elektromagneten das statische Magnetfeld erzeugen. Wie im Folgenden noch dargelegt, kann auch die Körperspule 13 durch andere Antennen ersetzt werden.
Der erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Tomograph 1 weist darüber hinaus Antennen 15 auf, die in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform als Antennenspulen 15 ausgebildet sind, welche unmittelbar an einem Patienten 14 angeordnet werden können, der sich in dem umschlossenen Volumen befindet. Es ist beispielsweise möglich, die Antennenspulen 15 an einem Körperteil wie dem Knie anzuordnen. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn nur ein kleiner Teil des Patienten mit einer hohen Auflösung untersucht werden soll. Die Antennenspulen 15 übernehmen dann die Funktion der Körperspule 13 als Antennen für den Empfang des angeregten Wechselfeldes oder auch als Sendeantennen für das anregende elektromagnetische Wechselfeld. Dabei ist die Wirkung der Antennenspulen 15 sowohl als Sende- als auch als Empfangsantenne auf ein, im Vergleich zu dem von der Körperspule 13 angeregten, kleines Volumen beschränkt, welches von der Geometrie der Antennenspulen 15 vorgegeben wird. Weisen die Antennenspulen 15 beispielsweise eine flache, kreisförmige oder quadratische Form auf, so hat dieses Anregungs- beziehungsweise Empfangsvolumen im Wesentlichen eine Keulenform, die sich senkrecht von der flachen Spule in den Raum erstreckt. Auf diese Weise werden bei der Messung räumliche Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes außerhalb dieses Anregungs- bzw. Empfangsvolumens nicht erfasst und beeinflussen das Ergebnis nicht. Auf diese Weise lässt sich die Auflösung verbessern.
Weiterhin überdecken sich die Keulen der einzelnen Antennenspulen 15 nicht oder nur geringfügig. Die einzelnen Antennenspulen 15 können daher gleichzeitig Signale für unterschiedliche Volumina empfangen oder aussenden. Es ist sogar möglich, die Anregungsfrequenzen in einzelnen Antennenspulen 15 zu verändern, um beispielsweise räumliche Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes auszugleichen. Um die gegenseitige Beeinflussung der Antennenspulen 15 weiter zu reduzieren, ist es auch denkbar, wie in 2 angedeutet, Antennenspulen 15 teilweise überlappen zu lassen. Da das magnetische Feld einer Antennenspule 15 in der von der Antennenspule 15 umgebenen Fläche gerade der Feldrichtung eines Streufeldes im Raum seitlich der Spule entgegengesetzt und wesentlich stärker ist, kann ein kleiner überlappender Bereich zweier Antennenspulen 15 bei richtiger Wahl der Geometrie gerade die Wechselwirkung durch das äußere Streufeld kompensieren. Weitere erfindungsgemäße Möglichkeiten zur Reduzierung durch schaltungstechnische Maßnahmen werden in Verbindung mit den 3 bis 7 näher erläutert.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur elektromagnetischen Anregung eines Untersuchungsobjektes. Das System umfasst die Antennenspulen 15 und eine HF-Einrichtung 30. Die HF-Einrichtung 30 ist üblicherweise Teil einer Versorgungseinrichtung 20, die auch eine Gradientensteuerung 21 zur Ansteuerung der Gradientenspulen und eine Steuerung 40 zur Überwachung der Untersuchung und Erfassung der Messdaten umfasst.
Die HF-Einrichtung 30 weist einen Pulsgenerator 31 auf, der an einem HF-Ausgang 32 einen zur Anregung einer Magnetresonanz geeigneten Hochfrequenzpuls bereitstellt. Da üblicherweise der Pulsgenerator 31 der HF-Einrichtung 30 am HF-Ausgang 32 dafür ausgelegt ist, eine Körperspule 13 mit HF-Pulsen zu versorgen, ist die am HF-Ausgang 32 bereitstellbare HF-Leistung für die kleineren Antennenspulen 15 mehr als ausreichend, sodass die durch die im Folgenden diskutierten gezielten Fehlanpassungen zwischen HF-Ausgang 32 und Antennenspulen 15 verursachten Leistungsverluste für die Antennenspulen 15 keinen nachteiligen Effekt haben.
Der Hochfrequenzpuls wird über eine HF-Ansteuermatrix 36 und über einen Schalter 35 zu den Antennenspulen 15 geleitet. Schalter 35, HF-Ansteuermatrix 36 und weitere elektrische Verbindungselemente, wie beispielsweise Koaxial-Kabel 37, 38, stellen eine Signalverbindung zwischen HF-Einrichtung 30 und den Antennenspulen 15 her. Dabei ist der Schalter 35 in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, während einer Aussendung des Hochfrequenzpulses zur Anregung eine Verbindung zwischen HF-Ausgang 32 und einer Antennenspule 15 zu ermöglichen, und während einer anschließenden Empfangsphase den HF-Ausgang von der Antennenspule 15 zu trennen, um eine Dämpfung eines schwachen Empfangssignals zu minimieren. Dabei ist es denkbar, dass eine Signalverbindung 38 zwischen HF-Eingang 34 und Antennenspulen 15 bei Aussendung des Hochfrequenzpulses durch den Schalter 35 getrennt wird, um beispielsweise den HF-Eingang 34 vor der hohen Amplitude des Hochfrequenzpulses zu schützen. Es ist aber auch möglich, wie in 7 dargestellt, die Signalverbindung 38 zwischen Antennenspulen 15 und HF-Eingang 34 während des Hochfrequenzpulses bestehen zu lassen, wenn der HF-Eingang 34 mit anderen Mitteln vor der Wirkung des Hochfrequenzpulses geschützt ist. Eine Dämpfung des Hochfrequenzpulses durch den HF-Eingang 34 ist in diesem Fall wegen der hohen Leistung des Hochfrequenzpulses zu vernachlässigen. Der Schalter 35 kann beispielsweise mechanisch oder, wie in 7 dargestellt, elektronisch ausgeführt sein.
Die HF-Ansteuermatrix 36 hat die Aufgabe, den Hochfrequenzpuls auf eine Vielzahl von Antennenspulen 15 zu verteilen. Dabei erfolgt die Verteilung bevorzugter Weise derart, dass die Vielzahl von Antennenspulen 15 derart koordiniert angesteuert wird, dass das von der Gesamtheit der Antennenspulen 15 erzeugte elektromagnetische Wechselfeld zirkular polarisiert ist oder zumindest einen zirkular polarisierten Anteil aufweist, um eine optimale Anregung zu gewährleisten. Dazu kann beispielsweise eine Butler-Matrix als HF-Ansteuermatrix 36 Verwendung finden. Eine Butler-Matrix weist eine symmetrische Anzahl an Ein- und Ausgängen auf. Die Butler-Matrix verteilt ein an einem Eingang eingespeistes Signal auf die Ausgänge, wobei die Signale an den Ausgängen jeweils um eine konstante Phasenverschiebung relativ zueinander verschoben sind. Auf diese Weise kann bei geeigneter Wahl der Phasenverschiebung und der geometrischen Anordnung der Antennenspulen 15, beispielsweise in einem Kreis oder Polygon, eine gewünschte zirkulare Polarisation des resultierenden elektromagnetischen Wechselfeldes erzielt werden. Dabei ist die Impedanz an den Ein- und Ausgängen der Butler-Matrix jeweils gleich. Üblicherweise ist dies eine in der HF-Technik weit verbreitete Impedanz von 50 Ohm.
Es ist dabei möglich, nur einen Schalter 35 für alle Antennenspulen 15 gemeinsam bereitzustellen. Insbesondere bei einer elektronischen Ausführung des Schalters 35 ist es aber auch denkbar, wie in 2 dargestellt, die Funktion des Schalters 35 für jede Antennenspule 15 separat auszuführen. Diese kann dann unmittelbar an jeweils einem Anschlusspunkt 16 der Antennenspulen 15 vorgesehen sein. Auch ist es denkbar, eine Mehrzahl Empfangseinheiten 33 vorzusehen, um gleichzeitig Empfangssignale mehrerer Antennenspulen 15 verarbeiten zu können.
Das erfindungsgemäße System zur elektromagnetischen Anregung ist in der Lage, durch schaltungstechnische Maßnahmen die Wechselwirkung und damit ein unerwünschtes Übersprechen zwischen verschiedenen Antennenspulen 15 zu reduzieren. Dies sei im Folgenden anhand der 3 bis 6 erläutert.
3 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für ein erfindungsgemäßes System. Auf der linken Seite ist eine Antennenspule 15 durch die Kapazität C_A, den Widerstand R_A und die Spule L_A wiedergegeben. Für die nachfolgende Analyse seien die normierten komplexen Wechselstromwiderstande der Spule mit L_A = i·1, des Widerstands mit R_A = 1 und des Kondensators mit C_A = –i·1 angenommen, da es im Folgenden nur auf das Verhältnis zu den Werten der Quelle auf der rechten Seite ankommt. Diese können beispielsweise auf eine typische Antennen- und Quellimpedanz von 50 Ohm normierte Werte sein. Die Quelle ist in der 3 durch eine Spannungsquelle mit der Spannung U_Q und dem komplexen Quellenwiderstand Z_Q repräsentiert.
Bei der Resonanzfrequenz der Antennenspule 15 ist der normierte Strom: I = U_Q/(Z_Q + 1)
Für z_Q0 = 1 und U_Q0 = 1, den Fall einer Speisung mit angepasster Quelle, gilt für den normierten Strom I₀ = 1/2.
Es ist aber auch denkbar, dass die Quelle eine höhere Impedanz aufweist, die durch eine verlustlose Transformation (transformatorisch oder reaktiv) realisiert wird, wobei n das Transformationsverhältnis ist und sich U_Q = n und Z_Q = n²·Z_Q0 = n² ergeben. Der Strom in der Antennenspule 15 in Abhängigkeit vom Transformationsverhältnis n bestimmt sich dabei zu I(n) = n/(n² + 1)
Der Strom in der Antennenspule sinkt folglich mit steigendem Transformationsverhältnis. Das Verhältnis zu dem Strom bei einer Einspeisung mit angepasster Quelle ist in diesem Fall ν = I/I₀ = 2n/(n² + 1)
4 stellt den Stromkreis der 3 mit einer zusätzlichen, von außen induzierten Störung U_S dar. Zur Vereinfachung wird die Amplitude U_Q der ursprünglichen Quelle auf 0 gesetzt, was aber für die folgende Betrachtung keinen Einfluss hat. Der Strom I_S berechnet sich als I_S = U_S/(1 + Z_Q) = U_S/(1 + n²)
Für eine Speisung durch eine angepasste Quelle (im Beispiel mit 50 Ohm angegeben, ZQ = 1) ist der Störstrom I_S0 = U_S/2
Allgemein ergibt sich die Störstromunterdrückung d für eine Speisung mit höherer Quellimpedanz ZQ mit d = I_S/I_S0 = 2/(1 + n²)
Durch eine Transformation der Quellimpedanz kann folglich eine um den Faktor d reduzierte Empfindlichkeit des Stroms in der Antennenspule gegen äußere Einkopplung erreicht werden. 5 zeigt in einer logarithmischen Skala die Abhängigkeiten von ν, d und d/ν von n. Die Störstromunterdrückung steigt deutlich stärker mit der Quellimpedanz als der felderzeugende Strom sinkt. Darüber hinaus ist auch der Phasengang des Stroms von Bedeutung. Durch Temperaturänderungen und damit verbundenen Geometrieänderungen oder Belastungen der Antennenspule 15 durch ein Medium im Feld ändern sich die Resonanzfrequenz und die Phasenlage. Dabei ist es wünschenswert, dass die Wirkung dieser Änderungen möglichst gering ist. 6 zeigt im oberen Diagramm den Betrag des normierten Stroms ν auf der y-Achse in Abhängigkeit von der normierten Frequenz auf der x-Achse. Dabei ist erkennbar, dass mit zunehmendem Transformationsverhältnis n der Betrag des normierten Stroms zunehmend unempfindlicher auf Änderungen der Resonanzfrequenz reagiert.
Gleiches gilt für die Phasenlage, die in dem unteren Diagramm der 6 dargestellt ist. Auf der y-Achse ist die Phase des normierten Stroms ν in Abhängigkeit von der normierten Frequenz auf der x-Achse aufgetragen. Auch hier ist erkennbar, dass die Abhängigkeit der Phase mit zunehmendem Transformationsfaktor n abnimmt.
In 7 ist eine mögliche schaltungstechnische Realisierung der Impedanztransformation und des Schalters 35 dargestellt. Von dem HF-Ausgang 32 werden Hochfrequenzpulse der Schaltung zugeführt. Durch die Induktivität L₁ und C₁ erfolgt eine Impedanztransformation für die zugeführte Hochfrequenzschwingung. In der beispielhaften Schaltung erfolgt die Einspeisung am HF-Ausgang mit einer Impedanz von 50 Ohm. Die Induktivität L₁ hat hier einen Wert von 90 nH, die Kapazität C₁ einen Wert von 22 pF.
Bei Aussendung des Hochfrequenzpulses zur Anregung der Probe wird über eine PIN-Schaltdiode D₁ die Hochfrequenzenergie dem Anschlusspunkt 16 einer Antennenspule zugeleitet, die mit dem zweiten Pol mit Masse verbunden ist.
Zwischen den Hochfrequenzpulsen wird ein von der Antennenspule 15 empfangenes Signal über den Anschlusspunkt 16 zugeführt. Über die Induktivität L₂ und C₂ erfolgt eine erfindungsgemäße Impedanztransformation, bevor das Empfangssignal den HF-Eingang 34 des Vorverstärkers der Empfangseinheit 33 erreicht. Dabei hat in der dargestellten beispielhaften Ausführungsform die Kapazität C₂ einen Wert von 27 pF und die Induktivität einen Wert von 56 nH.
Für die gewünschte Impedanztransformation sind in Abhängigkeit von dem gewünschten Transformationsverhältnis, den Impedanzen des Eingangs 34, des Ausgangs 32 und der Antennenspule 15 allerdings auch andere Wertekombinationen der Kapazitäten C₁, C₂ und Induktivitäten L₁, L₂ denkbar, die den gewünschten Effekt der Entkopplung der Spulen erreicht.
Die Umschaltung zwischen Empfangs- und Anregungsmodus der Schaltung erfolgt mittels PIN-Dioden D₁ und D₂, die in der beispielhaften Ausführungsform vom Typ DH80120 der Firma Temex sind. Die Umschaltung erfolgt gesteuert von einem Schaltsignal, das an einem Schalteingang 39 mit Potentialbezug gegenüber Masse zugeführt wird und über die weiteren Induktivitäten L₃, L₂ in der Schaltung auf die Dioden verteilt wird. Auf gleiche Weise wird über weitere Induktivitäten L₄ und L₅ ein niederfrequenter Massebezug des Steuersignals hergestellt. Die Induktivitäten L₃, L₄ und L₅ verhindern durch ihren Scheinwiderstand, dass die HF-Signale an den Dioden nach Masse oder auf das Potential der Steuerspannung abgeleitet werden. Ein beispielhafter Induktivitätswert für L₃, L₄ und L₅ ist 3 μH. Die PIN-Dioden D₁, D₂ verändern ihre Sperrschichtkapazität und damit ihren Scheinwiderstand für die Hochfrequenzsignale in Abhängigkeit von der angelegten Spannung, wodurch der gewünschte Schalteffekt erzielt wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

System zur elektromagnetischen Anregung eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanz-Tomographie, wobei das System aufweist: eine HF-Einrichtung (30) zur Erzeugung eines Hochfrequenzsignals; eine Mehrzahl von Antennen (15) zur Abstrahlung des Hochfrequenzsignals; eine Signalverbindung (35, 36, 37) zwischen einem Ausgang (32) der HF-Einrichtung und der Mehrzahl der Antennen (15), wobei eine Quellen-Impedanz der Signalverbindung (35, 36, 37) mit dem Ausgang (32) der HF-Einrichtung an Anschlusspunkten (16) der Antennen (15) wesentlich höher ist als die Impedanz der Antennen (15) an den Anschlusspunkten (16), sodass die Antennen (15) bei Anliegen eines Hochfrequenzsignals in einem Stromquellenspeisungsmodus gespeist werden.
System nach Anspruch 1, wobei die Quellen-Impedanz der Signalverbindung (35, 36, 37) mit dem Ausgang (32) der HF-Einrichtung an den Anschlusspunkten (16) der Antennen (15) um mindestens einen Faktor 2 höher ist als die Impedanz der Antennen (15) an den Anschlusspunkten (16).
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei weiterhin die HF-Einrichtung (30) einen Eingang (34) zur Verarbeitung eines Empfangssignals sowie das System einen Schalter (35) und eine Signalverbindung (38) zwischen einem Eingang (34) der HF-Einrichtung (30) und der Mehrzahl der Antennen (15) aufweist, wobei der Schalter (35) dazu ausgelegt ist, die Antennen (15) wahlweise mit dem Ausgang (32) der HF-Einrichtung zu verbinden oder von dem Ausgang (32) zu trennen.
System nach Anspruch 3, wobei eine Anschluss-Impedanz der Signalverbindung (38) mit dem Eingang (34) der HF-Einrichtung (30) an den Anschlusspunkten (16) der Antennen (15) wesentlich höher ist als die Antennen-Impedanz an den Anschlusspunkten (16).
System nach Anspruch 4, wobei die Anschluss-Impedanz der Signalverbindung (38) mit dem Eingang (34) der HF-Einrichtung (30) an den Anschlusspunkten (16) der Antennen (15) um mindestens einen Faktor 2 höher ist als die Impedanz der Antennen (15) an den Anschlusspunkten (16).
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das System weiterhin eine HF-Ansteuermatrix (36) aufweist, wobei die HF-Ansteuermatrix (36) dazu ausgelegt ist, das Hochfrequenzsignal von dem Ausgang (32) der HF-Einrichtung (30) zu den Anschlusspunkten (16) der Antenne (15) mit einer vorbestimmten Impedanz und für jede Antenne (15) jeweils vorbestimmter Phasenverschiebung zu verteilen.
System nach Anspruch 6, wobei eine Anordnung der Antennen (15) und die vorbestimmte Phasenverschiebung derart ausgelegt sind, dass die Antennen (15) ein zirkular polarisiertes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennen (15) Antennenspulen (15) sind.
System nach Anspruch 8, wobei Flächen der Antennenspulen (15) derart überlappen, dass die Wechselwirkung zweier benachbarter Flächen minimiert ist.
Magnetresonanz-Tomograph mit einem System nach einem der vorangehenden Ansprüche.