DE102012217760A1

DE102012217760A1 - Entkopplung von Split-Ring-Resonatoren bei der Magnetresonanztomographie

Info

Publication number: DE102012217760A1
Application number: DE102012217760.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fackelmeier; Sebastian Martius
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-03
Also published as: US9620835B2; US20140091801A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mehreren Split-Ring-Resonatoren (1, 2, 3, 4) auf einem flächigen Substrat (7), wobei ein Split-Ring-Resonator (1, 2, 3, 4) jeweils zwei zueinander parallele durch das Substrat (7) beabstandete Ringstrukturen (11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42) eines metallischen Leiterelements umfasst, die jeweils durch zumindest einen Spalt (S11, S21, S...; S12, S22, S...) aufgetrennt sind, und wobei zumindest zwei Split-Ring-Resonatoren (1, 2, 3, 4) derart zueinander positionierbar sind, dass deren aufgetrennte Ringstrukturen (11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42) gegenseitig durch einen Spalt (S11, S21, S...; S12, S22, S...) der jeweils anderen Ringstrukturen (11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42) führbar sind und ineinander greifen, wobei Überlappungsbereiche (6) durch gemeinsame Ringstruktur-Innenflächen erzeugbar sind. Dadurch wird ein Abgleich und eine galvanische Entkopplung erreicht, die ein Signal-Rausch-Verhältnis minimiert und eine Steigerung bei der Informationsgüte ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mehrerer Split-Ring-Resonatoren auf einem flächigen Substrat, insbesondere für eine Anwendung in der Magnetresonanztomographie, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung gemäß Anspruch 7.
Schon seit längerer Zeit wird die Magnetresonanztomographie (MRT) im Bereich der Radiologie eingesetzt. Die Magnetresonanztomographie basiert auf sehr starken Magnetfeldern sowie magnetischen Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich, mit denen bestimmte Atomkerne – meistens Wasserstoffkerne/Protonen – im Körper resonant zu einer Bewegung angeregt werden, die in einem Empfängerstromkreis ein elektrisches Signal induziert. Dabei wurden spezielle MRT-Verfahren entwickelt, um außer einer Lage und Form der Organe auch Informationen über ihre Mikrostruktur und Funktion darstellen zu können.
Um eine besonders hohe Güte der mit Hilfe der Magnetresonanztomographie erstellten Bilder zu gewährleisten, sind die Ingenieure bemüht, Antennen-Arrays zu entwickeln, die ein besonders geringes Signal-Rausch-Verhältnis aufweisen. Die bisher dazu eingesetzten Lösungen bringen jedoch nicht den gewünschten Erfolg. Eine Vergrößerung der Magnetfeldstärke geht automatisch mit einer Vergrößerung des Bauraums für den Magnetresonanztomographen einher, dessen Steuerung zudem auch komplexer ist. Eine weitere Möglichkeit, nämlich die Erhöhung der Lese- bzw. Scan-Zeit, ist unvertretbar, da die Nutzungsdauer bzw. Effizienz eines Magnetresonanztomographen stark eingeschränkt wird. Ein weiterer Ansatz ist der Einsatz von kleineren Empfangs-Antennen, da diese ein kleineres „Sichtfeld“ haben. Durch die Reduktion des Antennen- bzw. Spulen-Sichtfeldes werden auch die negativen Effekte – Rauschen – reduziert. Allerdings kann diese Lösung nicht bei größeren Gegenständen bzw. Sichtfeldern eingesetzt werden.
Folglich wurden mehrere Antennen bzw. Antennen-Arrays eingesetzt, um auch größere Sichtfelder bzw. Objekte scannen zu können. Durch die Erhöhung der Antennenanzahl treten jedoch auch durch die induktive Kopplung und somit eine Beeinflussung der einzelnen Antennen schädliche Nebeneffekte auf, die eine Leistungssteigerung bei der Informations- bzw. Bildqualität einschränken.
Die bisherigen Versuche, die einzelnen Antennen zu entkoppeln, sind bisher sehr aufwendig und teuer.
Aufgrund der hohen erzielbaren Güte der Bildqualität bei der Magnetresonanztomographie werden Antennen-Arrays eingesetzt, die mehrere Split-Ring-Resonatoren (SRR) verwenden. Solche Resonatoren bzw. Schwingkreise umfassen zwei einander gegenüberstehende metallische Leiterelemente, die gewöhnlich auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats parallel zueinander aufgebracht sind und wie kapazitive Elemente wirken, während sie gleichzeitig auch als induktive Elemente wirken, wobei die Leiterelemente selbst als aufgetrennte Ringstrukturen gebildet werden. Die SRR werden durch hochfrequente (HF)-Wellenstrahlung mit Energie versorgt, wodurch sie zu Resonanzschwingungen angeregt werden.
Bisher ist eine Entkopplung der SRR sehr aufwändig und kostspielig. So wurden bei der Magnetresonanztomographie konventionelle Schleifen mit galvanischer Auskopplung verwendet, wobei ein einlagiges Substrat ausreichte (vgl. US 8,035,382 B2 ). Bei der Entkopplung der SRR durch eine geometrische Überlappung benötigt man aufgrund der doppelseitigen Leiterbahnführung ein mehrlagiges Substrat. HF-Substrate sind allerdings in der Herstellung aufwändig und dadurch sehr teuer. Des Weiteren müssen die SRR auf den einzelnen Lagen – bei einem mehrlagigen Substrat, z.B. Platine, unterschiedlich dimensioniert werden, da sich bei gleicher Ausführung in den unterschiedlichen Lagen unterschiedliche Resonanzfrequenzen ergeben. Bei Achter-Schleifen benötigt man beispielsweise eine weitere, mindestens vier-lagige Platine. Um die Lagenzahl zu reduzieren, können die Achter-Schleifen durch eine Längskapazität oder kleinere kapazitive Einzelschleifen verkleinert werden. Abgesehen von den Herstellungskosten ist ferner ein aufwändiger Abgleich bei dieser Lösung notwendig.
Daher ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung mehrerer Split-Ring-Resonatoren zu schaffen, die eine effizientere Entkopplung ermöglicht, leichter herzustellen und somit kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird mittels einer Anordnung mit mehreren Split-Ring-Resonatoren auf einem flächigen Substrat gelöst, welche die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.
Eine solche Anordnung weist mehrere Split-Ring-Resonatoren auf einem flächigen Substrat auf, wobei ein Split-Ring-Resonator jeweils zwei zueinander parallele, durch das Substrat beabstandete Ringstrukturen eines metallischen Leiterelements umfasst, wobei zumindest zwei Split-Ring-Resonatoren derart zueinander positionierbar sind, dass deren aufgetrennte Ringstrukturen gegenseitig durch einen Spalt der jeweils anderen Ringstrukturen führbar sind und ineinander greifen, wobei Überlappungsbereiche durch gemeinsame Ringstruktur-Innenflächen erzeugbar sind. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt in der Entkopplung der einzelnen Split-Ring-Resonatoren (SRR). Darüber hinaus wird kein mehrlagiges Substratmaterial benötigt, was sich kostengünstig bei der Herstellung auswirkt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die ineinander greifenden Ringstrukturen der metallischen Leiterelemente keine gemeinsamen Berührungspunkte auf. Durch die vorteilhafte Anordnung der einzelnen metallischen Leiterelemente kann auf eine Isolationsschicht zwischen unterschiedlichen Leiterelementen verzichtet werden, wobei wiederum kein mehrlagiges Substratmaterial benötigt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen die ineinander greifenden Ringstrukturen eine polygonale Form auf. Durch die polygonale Form wird eine Optimierung der Entkopplung deutlich vereinfacht, da die einzelnen Spalte der metallischen Leiterelemente nicht mehr verschoben werden müssen.
Abhängig von einer Gestaltung der polygonalen Form der ineinander greifenden Ringstrukturen und/oder Überlappungsbereiche sind bei einer weiteren zweckdienlichen Ausführungsform zumindest zwei Split-Ring-Resonatoren abgleichbar bzw. entkoppelbar. Bei einer polygonalen Form, beispielsweise bei einer sechseckförmigen Struktur, ist ein Abgleich bzw. eine Entkopplung ohne Änderung im Bereich der Spalten möglich. Durch Variieren der polygonalen Form der ineinander greifenden metallischen Leiterelemente der Ringstrukturen und/oder Fläche der Überlappungsbereiche kann eine Entkopplung einfach eingestellt werden.
Bei einer zweckdienlichen Ausführungsform der Erfindung sind vorbestimmte Ringstrukturen und/oder mehrere metallische Leiter überbrückbar. Durch eine unterschiedlich hohe Zahl an Brücken kann die Resonanzfrequenz der Split-Ring-Resonatoren eingestellt werden.
Bei einer weiteren nützlichen Ausführungsform der Erfindung kann die Resonanzfrequenz der SRR mittels unterschiedlicher Größen der Split-Ring-Resonatoren und/oder deren Leiterbreiten eingestellt werden. Dadurch wird eine weitere Stellschraube für die Entkopplung bzw. den Abgleich einzelner SRR bereitgestellt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Magnetresonanz-Tomographie-Vorrichtung mit einer Anordnung von mehreren Split-Ring-Resonatoren, wie sie vorhergehend dargestellt wurde. Eine mit einer erfindungsgemäßen Anordnung von mehreren Split-Ring-Resonatoren versehene Magnetresonanz-Tomographie-Vorrichtung erlaubt die Aufnahme und Erstellung von Bildern einer hohen Güte, da das Signal-Rausch-Verhältnis der Vorrichtung aufgrund der Entkopplung mehrerer Split-Ring-Resonatoren nur gering ausfällt.
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung von zwei Split-Ring-Resonatoren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine obere bzw. untere Ansicht einer Anordnung von Split-Ring-Resonatoren gemäß der Ausführungsform der Erfindung nach 1;
3 eine obere bzw. untere Ansicht einer Anordnung von vier Split-Ring-Resonatoren gemäß einer weiteren führungsform der Erfindung; und
4 eine obere bzw. untere Ansicht einer Anordnung von drei Split-Ring-Resonatoren gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
In 1 wird vereinfachend zur Veranschaulichung des erfinderischen Gedankens eine Ausführungsform einer Anordnung mit zwei Split-Ring-Resonatoren 1, 2 in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Jeweils ein Split-Ring-Resonator 1, 2 umfasst zwei zueinander parallele, durch ein Substrat 7 beabstandete Ringstrukturen 11, 12; 21, 22 eines metallischen Leiterelements, die jeweils durch zumindest einen Spalt S11, S21, S...; S12, S22, S... aufgetrennt sind. Die beiden Split-Ring-Resonatoren 1, 2 sind derart zueinander angeordnet, dass deren aufgetrennte Ringstrukturen 11, 12 gegenseitig durch einen Spalt S11, S12 der jeweils anderen Ringstruktur 21, 22 mit dazugehörigem Spalt S21, S22 führbar sind und ineinander greifen, wobei Überlappungsbereiche 6 als Schnittfläche der jeweiligen Ringstrukturen 11, 21 bzw. 12, 22 gebildet werden. Unter Vorgriff auf 2, die eine obere bzw. untere Projektionsansicht in eine Substratebene 7 gemäß der Ausführungsform aus 1 veranschaulicht, wird die Anordnung der beiden Split-Ring-Resonatoren 1, 2 mit dazugehörigen Ringstrukturen 11, 12 bzw. 21, 22 deutlich. Aus 2 ist des Weiteren ersichtlich, dass die ineinander greifenden Ringstrukturen 11, 21 bzw. 12, 22 keine gemeinsamen Berührungspunkte aufweisen. Durch die Überlappung der Ringstrukturen 11, 21 bzw. 12, 22 wird eine galvanische Entkopplung der Split-Ring-Resonatoren 1, 2 erreicht. Durch die galvanische Entkopplung der beiden Split-Ring-Resonatoren 1, 2 wird folglich die Güte der Anordnung verbessert bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis minimiert. Weitere Stellschrauben für eine Optimierung der gegenseitigen Entkopplung mehrerer Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, 4 sind durch Variieren der Größen und/oder Leiterbreiten der Ringstrukturen 11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42 sowie durch das Variieren der Größe des Überlappungsbereichs 6 sowie der Abstände der Spalte S11, S21, S...; S12, S22, S... gegeben.Eine weitere Einstellungsmöglichkeit zur Entkopplung der Split-Ring-Resonatoren 1, 2 bietet die Dicke sowie Auswahl des Materials des Substrats 7.
Das vorhergehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist repräsentativ für die Wirkung und Funktion der erfindungsgemäßen Anordnung von Split-Ring-Resonatoren 1, 2 und deren galvanischer Entkopplung für alle nachfolgenden weiteren Ausführungsbeispiele gewählt worden. Der Übersichtlichkeit halber ist deswegen bei den Ausführungsbeispielen aus 3 bzw. 4 auf eine Vervollständigung der Bezugszeichen verzichtet worden, da die Figuren – in analoger Betrachtung zum Ausführungsbeispiel aus 1, 2 für sich selbst sprechen.
In dem Ausführungsbeispiel von 3 wird eine Anordnung von vier Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, 4 als eine obere und eine untere Projektion der Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, 4 in die Ebene des Substrats 7 dargestellt. Hierbei entstehen mehrere Überlappungsbereiche 6. Bei der Entkopplung von vier oder beliebig vielen Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, 4 weist jeder Split-Ring-Resonator 1, 2, 3, 4 zwei Spalte in seiner Ringstruktur 11, 21, 31, 41 bzw. 12, 22, 32, 42 auf, wodurch die Resonanzfrequenz erhöht wird. Durch eine Teilung der Ringstrukturen 11, 21, 31, 41 bzw. 12, 22, 32, 42 steigt die Anzahl der dadurch entstehenden Kapazitäten, die sich zu einer geringeren Gesamtkapazität addieren und somit zu einer Erhöhung der Resonanzfrequenz führen. Ein Nachteil der Anordnung gemäß der Ausführungsform von 3 ist eine schwierige Optimierung hinsichtlich der Entkopplung, da beim Verschieben einzelner Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, 4 auch die einzelnen dazugehörigen Spalte S11, S12, S22, S21..., hier nicht gezeigt, verschoben werden müssen. Dabei muss berücksichtigt werden, dass die beiden Split-Ring-Resonatoren 1 und 4 bzw. 2 und 3 nicht entkoppelt sind. Diese können nach einer hier nicht gezeigten Ausführungsform durch Kompensationsschaltungen entkoppelt werden.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 4 werden Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3 gezeigt, deren Ringstrukturen 11, 21, 31; 12, 22, 32 eine polygonale Form – „Schneeflocke“ – aufweisen. Die in diesem Fall entstehenden Überlappungsbereiche 6 weisen die Form eines regelmäßigen Sechsecks auf.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform soll hier lediglich einer Veranschaulichung einer weiteren möglichen Form der Ringstruktur 11, 21, 31 bzw. 12, 22, 32 dienen und weist nicht – wie in den vorausgehenden Ausführungsbeispielen – entsprechende Spalte S11, S12,...; S21, S22,... auf. Es soll lediglich angedeutet werden, dass die sechseckförmige Struktur einen Abgleich bzw. eine Entkopplung der jeweiligen Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3 erlaubt, ohne dass dabei Änderungen im Bereich der Spalte vorgenommen werden müssen. Durch Variieren der metallischen Leiterelemente der Ringstrukturen 11, 21, 31 bzw. 12, 22, 32 im jeweiligen Überlappungsbereich 6 – hier durch die gestrichelten Linien in 4 angedeutet – können die einzelnen benachbarten Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3 entkoppelt werden. Des Weiteren kann durch Vorsehen einer bestimmten Zahl von Brücken L1, L2, ... die Resonanzfrequenz zusammen mit der Leiterbreite und/oder Größe des Split-Ring-Resonators 1, 2, 3 eingestellt werden.
Zusätzlich zu der in den obigen Ausführungsbeispielen dargestellten Entkopplung der Split-Ring-Resonatoren können alle herkömmlichen bekannten Entkopplungsvorrichtungen verwendet werden. Die hier dargestellten Ausführungsbeispiele sollen zur Erzielung einer höheren Güte der Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, 4 dienen bzw. der Minimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es durch geeignete Wahl des Substrats 7 der Anzahl und Größe, sowie der Form der Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, ... ein geeignetes Antennenarray zu schaffen, deren Abgleich nicht mehr oder erheblich einfacher, z.B. einer Gesamtimpedanz – hier nicht gezeigt – einstellbar ist. Es versteht sich von selbst, dass die Anzahl der hier zueinander angeordneten Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, 4 nur beispielhaft gewählt wurde und der Kern der Erfindung auf eine Vielzahl weiterer Split-Ring-Resonatoren 1, 2, 3, ..., n erweiterbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8035382 B2 [0007]

Claims

Anordnung mit mehreren Split-Ring-Resonatoren (1, 2, 3, 4) auf einem flächigen Substrat (7), wobei ein Split-Ring-Resonator (1, 2, 3, 4) jeweils zwei zueinander parallele durch das Substrat (7) beabstandete Ringstrukturen (11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42) eines metallischen Leiterelements umfasst, die jeweils durch zumindest einen Spalt (S11, S21, S...; S12, S22, S...) aufgetrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Split-Ring-Resonatoren (1, 2, 3, 4) derart zueinander positionierbar sind, dass deren aufgetrennte Ringstrukturen (11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42) gegenseitig durch einen Spalt (S11, S21, S...; S12, S22, S...) der jeweils anderen Ringstrukturen (11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42) führbar sind und ineinander greifen, wobei Überlappungsbereiche (6) durch gemeinsame Ringstruktur-Innenflächen erzeugbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinander greifenden Ringstrukturen (11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42) der metallischen Leiterelemente keine gemeinsamen Berührungspunkte aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinander greifenden Ringstrukturen (11, 21, 31; 12, 22, 32) eine polygonale Form aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einer Gestaltung der polygonalen Form der ineinander greifenden Ringstrukturen (11, 21, 31; 12, 22, 32) und/oder Überlappungsbereiche (6) zumindest zwei Split-Ring-Resonatoren (1, 2, 3, 4) abgleichbar/entkoppelbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vorbestimmte Ringstrukturen (11, 21, 31, 41; 12, 22, 32, 42) und/oder mehrere metallische Leiter (L1, L2) überbrückbar sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Split-Ring-Resonatoren (1, 2, 3, 4) unterschiedliche Größen und/oder Leiterbreiten aufweisen.
Magnetresonanz-Tomographie-Vorrichtung mit einer Anordnung von mehreren Split-Ring-Resonatoren (1, 2, 3, 4) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.