DE102013216376B4

DE102013216376B4 - Antenneneinrichtung zum Empfang von Magnetresonanzsignalen

Info

Publication number: DE102013216376B4
Application number: DE102013216376.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Fackelmeier; Sebastian Martius; Markus Vester
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2017-08-31
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: DE102013216376A1; US20150048823A1; US10031192B2; KR20150021005A; CN104422912B; CN104422912A

Abstract

Antenneneinrichtung (1) zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes (P) bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät (2) mit:
– einem Resonator (3) mit einer Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Leiterschleifen (4, 4'), welche jeweils durch eine Anzahl an elektrisch isolierenden Schlitzen (5, 5', 5'', 5''') unterbrochen sind,
– einem Trägersubstrat (6) zur Aufnahme der Leiterschleifen (4, 4'),
– einer Kabelverbindungseinrichtung (7) mit einer Anzahl an Schirmeinrichtungen (8), wobei mindestens eine der Anzahl an Schirmeinrichtungen (8) eine galvanischen Ankopplung (9) an eine virtuelle Masse (VM) mindestens einer Leiterschleife (4') aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenneneinrichtung zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Antennenarrayeinrichtung mit derartigen Antenneneinrichtungen sowie ein Magnetresonanzsystem zur Magnetresonanzbildgebung und ein Verfahren zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät.
Bildgebende Systeme der Medizintechnik nehmen heute eine bedeutende Rolle bei der Untersuchung von Patienten ein. Die von den bildgebenden Systemen erzeugten Darstellungen der inneren Organe und Strukturen des Patienten werden zur Diagnose von Krankheitsursachen, zur Planung von Operationen, bei der Durchführung von Operationen oder auch zur Vorbereitung von therapeutischen Maßnahmen angewandt. Beispiele für solche bildgebenden Systeme sind Ultraschallsysteme, Röntgen-Computertomographie(CT)-Systeme, Positronen-Emissionstomographie(PET)-Systeme, Single-Photon-Emissionstomographie(SPECT)-Systeme oder Magnetresonanz(MR)-Systeme.
Bei den letztgenannten MR-Systemen werden bei einer MR-Untersuchung zum Empfang der MR-Signale des Untersuchungsobjekts meist sogenannte Lokalspulen (”local coils”) eingesetzt. Bei diesen Lokalspulen handelt es sich um MR-Empfangsantennen-Baugruppen, welche MR-Antennenelemente, meist in Form von Leiterschleifen, enthalten. Diese Lokalspulen werden bei der Untersuchung relativ nah an der Körperoberfläche möglichst direkt an dem zu untersuchenden Organ bzw. Körperteil des Patienten angeordnet. Im Gegensatz zu größeren, entfernter vom Patienten angeordneten Antennen, die in der Regel zur Erzeugung eines gesamten Schnittbilds durch einen Patienten genutzt werden, haben die Lokalspulen den Vorteil, dass sie näher an den interessierenden Bereichen angeordnet sind. Dadurch wird der durch die elektrischen Verluste innerhalb des Körpers des Patienten verursachte Rauschanteil reduziert, was dazu führt, dass das sogenannte Signal-Rausch-Verhältnis einer Lokalspule prinzipiell besser ist als das einer entfernteren Antenne.
Die von den MR-Antennenelementen empfangenen MR-Signale werden in der Regel noch in der Lokalspule vorverstärkt und aus dem zentralen Bereich der MR-Anlage über Kabel ausgeleitet und einem Empfänger eines MR-Systems oder einer MR-Signalverarbeitungseinrichtung zugeführt. In dieser werden dann die empfangenen Daten digitalisiert und für die Bildgebungen weiterverarbeitet.
Die in der Lokalspule vorhanden MR-Antennenelemente müssen üblicherweise symmetrisch über die Kabel angekoppelt werden, wobei die Kabel oft als Koaxialkabel ausgeführt sind. Eine symmetrische Ankopplung ist aber nicht immer möglich und dadurch entstehen auf den angeschlossenen Koaxialkabeln sogenannte Mantelwellen, die zu einer Verfälschung der Messdaten führen und damit die Qualität der MR-Bildgebung beeinträchtigen. Des Weiteren können diese Mantelwellen auch zu einer stärkeren Erwärmung der Koaxialkabel führen, welche bei einem direkten Hautkontakt des Patienten zum Kabel mitunter Hautverbrennungen nach sich ziehen.
Um Mantelwellen zu vermeiden werden auf den Koaxialkabeln Mantelwellensperren eingesetzt. Für den Aufbau einer solchen Mantelwellensperre wird entweder ein sogenannter Sperrtopf, d. h. ein Lambda/4-Resonator oder ein Parallelschwingkreis verwendet. Für den Parallelschwingkreis wird ein Teil des Koaxialkabels aufgewickelt. Mit einer Kapazität wird diese Aufwicklung überbrückt und auf die Frequenz der MR-Bildgebung abgestimmt. Daraus resultiert jedoch der Nachteil, dass ein sehr langes Koaxialkabel verwendet werden muss. Auf Grund der niedrigen Frequenz der MR-Bildgebung fallen die Sperrtöpfe grundsätzlich geometrisch sehr groß aus. Entsprechend kann ein Patient die zusätzliche Einengung des Untersuchungsraums durch die Mantelwellensperren bzw. das zusätzlich auf dem Patienten lastende Gewicht der Mantelwellensperren als unangenehm empfinden. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Vielzahl an Lokalspulen bzw. Antennenelementen zum Empfang von MR-Signalen zur Anwendung kommt. Außerdem ist zu berücksichtigen, dass der Untersuchungsraum innerhalb einer MR-Anlage begrenzt ist, was den Einsatz einer Vielzahl an Koaxialkabeln mit Mantelwellensperren begrenzt, insbesondere wenn der Patient auf einer zugehörigen Liegeeinrichtung bewegt wird. Weiterhin verursachen die Mantelwellensperren einen erhöhten Kostenaufwand.
Entsprechend besteht ein Bedarf an Lösungen zur Übertragung der MR-Signale an ein MR-System, welche die Mantelwellen und die dadurch bedingten Mantelwellensperren vermeiden.
Aus der Druckschrift ist eine Sonde bekannt, die eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, die zumindest teilweise an der Oberfläche der Sonde angeordnet sind. Ein erster Leiter ist mit der ersten Elektrode elektrische verbunden und ein zweiter Leiter mit der zweiten Elektrode. Ein reaktives Element koppelt beide Elektroden elektrisch.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Antenneneinrichtung zum Empfang von MR-Signalen eines Untersuchungsobjektes bei einer MR-Bildgebung mit einem MR-Gerät, sowie ein MR-System zur MR-Bildgebung und ein Verfahren zum Empfang von MR-Signalen eines Untersuchungsobjektes bei einer MR-Bildgebung mit einem MR-Gerät anzugeben, welche Mantelwellen auf den Kabelverbindungen zu einem MR-System reduzieren oder vermeiden und damit auch eine MR-Bildgebung ohne Mantelwellensperren ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Antenneneinrichtung nach Anspruch 1, eine Antennenarrayeinrichtung nach Anspruch 14, ein MR-System nach Anspruch 15 und ein Verfahren nach Anspruch 16 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät umfasst einen Resonator mit einer Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Leiterschleifen, welche jeweils durch eine Anzahl an elektrisch isolierenden Schlitzen unterbrochen sind.
Mit ”Anzahl” wird dabei hier und im Weiteren eine positive natürliche Zahl größer als Null bezeichnet, wohingegen ”Mehrzahl” hier und im Weiteren für eine positive natürliche Zahl größer als Eins steht. Der Begriff ”Untersuchungsobjekt” bzw. ”Patient” steht hier und im Folgenden für einen in medizinischer Behandlung befindlichen Menschen oder ein in medizinischer Behandlung befindliches Tier. Dabei sind auch Untersuchungsobjekte mit eingeschlossen, welche keine Erkrankung aufweisen, also auch Menschen, bei denen Bilddaten zur Vorbeugung, z. B. bei einem präventiven Screening zur Krebs-Vorsorge, erzeugt werden. Im Weiteren werden die Begriffe ”Untersuchungsobjekt” und ”Patient” gleichbedeutend und ohne Einschränkung der Erfindung verwendet. Außerdem wird in der Erfindung nicht zwischen weiblichen und männlichen Patienten unterschieden, sondern einheitlich der männliche Begriff ”Patient” verwendet.
Mit ”Resonator” wird hier und im Allgemeinen ein schwingfähiges System bezeichnet, dessen Komponenten auf eine bestimmte Resonanzfrequenz in der Art abgestimmt sind, dass der Resonator bei einer Anregung mit dieser Resonanzfrequenz ausschwingt. Der erfindungsgemäße elektrische Resonator wird durch die elektromagnetischen MR-Signale bei einer MR-Bildgebung angeregt, wodurch in den Leiterschleifen ein Strom induziert wird. Die Eigenschaften des Resonators ergeben sich unter anderem aus den Eigenkapazitäten und Eigeninduktivitäten der Leiterschleifen sowie aus den Koppelkapazitäten und den Koppelinduktivitäten zwischen den Leiterschleifen. Das heißt, dass unter anderem die geometrischen Abmessungen der Leiterschleifen und ihre räumliche Lage zueinander die Eigenschaften des Resonators festlegen. Darüber hinaus ergibt sich durch die Anzahl an Schlitzen in den Leiterschleifen in vorteilhafter Weise eine Verbesserung der Eigenschaften des Resonators, da die paarweisen Begrenzungen der elektrisch leitfähigen Leiterschleifen an einem elektrisch isolierenden Schlitz wie die Platten eines Kondensators als Kapazität wirken, welche in Serie zur Induktivität der Leiterschleife angeordnet ist. Diese Kapazität führt zu einer Resonanzfrequenz, die niedriger ist als die Resonanzfrequenz einer nicht geschlitzten Leiterschleife. Das heißt, dass durch die Anzahl an Schlitzen eine Resonator angegeben werden kann, dessen resonante Wellenlänge größer ist als die Abmessungen einer Leiterschleife. Diese Eigenschaft wiederum führt zu einem Resonator mit relativ geringen Verlustleistungen, also zu einem Resonator mit hoher Güte. Eine weitere Verbesserung der Eigenschaften des Resonators resultiert aus der Verwendung von mehr als einer Leiterschleife, das heißt aus den Koppelkapazitäten und -induktivitäten zwischen den Leiterschleifen.
Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Antenneneinrichtung ein Trägersubstrat zur Aufnahme der Leiterschleifen. Das Trägersubstrat dient zum einen als mechanische Unterstützung der Leiterschleifen, um die Handhabung der Leiterschleifen in der medizinischen Praxis zu vereinfachen und eine Deformation oder Beschädigung der Leiterschleifen bei der Anwendung der Antenneneinrichtung zu vermeiden. Darüber hinaus werden die Eigenschaften des Resonators unter anderem auch durch das Trägersubstrat bestimmt.
Außerdem umfasst die erfindungsgemäße Antenneneinrichtung eine Kabelverbindungseinrichtung mit einer Anzahl an Schirmeinrichtungen, wobei mindestens eine der Anzahl an Schirmeinrichtungen eine galvanischen Ankopplung an eine virtuelle Masse mindestens einer Leiterschleife aufweist.
Als virtuelle Masse oder auch virtueller Nullpunkt wird dabei ein Punkt oder Bereich auf einer Leiterschleife bezeichnet, welcher ein Massepotential aufweist, auch wenn in der Leiterschleife durch MR-Signale induzierte Ströme fließen und die virtuelle Masse nicht unmittelbar mit einer Massevorrichtung verbunden ist. Die Kabelverbindungseinrichtung dient zur Weiterleitung der von der Mehrzahl an Leiterschleifen empfangenen MR-Signale an eine Bildverarbeitungseinrichtung eines MR-Systems. Durch die galvanische Ankopplung der Schirmeinrichtung oder Abschirmung der Kabelverbindungseinrichtung an die virtuelle Masse einer Leiterschleife lassen sich in vorteilhafter Weise Mantelwellen auf der Kabelverbindungseinrichtung reduzieren oder auch vollständig eliminieren. Dadurch verringert sich eine unerwünschte Erwärmung der Kabelverbindungseinrichtung während der MR-Bildgebung. Weiterhin können durch die galvanische Ankopplung der Schirmeinrichtung an die virtuelle Masse einer Leiterschleife des Resonators Mantelwellensperren und die mit den Mantelwellensperren einhergehenden Nachteile bei der MR-Bildgebung verringert oder vermieden werden.
Eine erfindungsgemäße Antennenarrayeinrichtung umfasst eine Mehrzahl an erfindungsgemäßen Antenneneinrichtungen.
Ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem zur Magnetresonanzbildgebung umfasst ein Magnetresonanzgerät und mindestens eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung oder mindestens eine erfindungsgemäße Antennenarrayeinrichtung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät umfasst einen Verfahrensschritte zur Positionierung einer Antenneneinrichtung an oder in unmittelbarer Nähe von Körperteilen des Untersuchungsobjektes dessen Magnetresonanzsignale zu empfangen sind, wobei die Antenneneinrichtung gekennzeichnet ist durch einen Resonator mit einer Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Leiterschleifen, welche jeweils durch eine Anzahl an elektrisch isolierenden Schlitzen unterbrochen sind, einem Trägersubstrat zur Aufnahme der Leiterschleifen sowie einer Kabelverbindungseinrichtung mit einer Anzahl an Schirmeinrichtungen, wobei mindestens eine der Anzahl an Schirmeinrichtungen eine galvanischen Ankopplung an eine virtuelle Masse mindestens einer Leiterschleife aufweist. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren einen Verfahrensschritt zur Durchführung der Magnetresonanzbildgebung mit dem Magnetresonanzgerät und zur Weiterleitung der von der Antenneneinrichtung empfangenen Magnetresonanzsignale über die Kabelverbindungseinrichtung an eine Schnittstelleneinrichtung eines Magnetresonanzsystems.
Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät analog zu den abhängigen Ansprüchen der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät weitergebildet sein können.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Antenneneinrichtung sind die Leiterschleifen kreisförmig ausgestaltet und zueinander konzentrisch angeordnet. Durch eine derartige Anordnung lassen sich die Eigenschaften des Resonators vorteilhaft verändern, da sich durch die konzentrische Anordnung der Leiterschleifen zueinander eine hohe elektromagnetische Koppelwirkung zwischen den Leiterschleifen ergibt. Weiterhin können durch die kreisförmige Ausgestaltung der Leiterschleifen relativ homogene elektromagnetische Felder im der Nähe der Leiterschleifen erzielt werden. Alternativ zu einer kreisförmigen Ausgestaltung kann eine Leiterschleife näherungsweise in einer polygonalen Form, beispielsweise als Rechteck oder Sechseck, ausgeführt sein.
Eine für die MR-Bildgebung besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Antenneneinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiterschleife 4 bis 12 Schlitze, bevorzugt 8 Schlitze umfasst.
Die Antenneneinrichtung kann so ausgestaltet sein, dass mindestens zwei der Mehrzahl an Leiterschleifen in einer gemeinsamen Raumebene angeordnet sind. Beispielsweise können die Leiterschleifen zusammen auf einer Seite eines flächigen Trägersubstrats angeordnet sein.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen in verschiedenen, zueinander parallelen Raumebenen angeordnet sind, bevorzugt so, dass das Trägersubstrat eine elektrische Isolierung zwischen den Leiterschleifen bewirkt. Dabei können die Leiterschleifen an den Außenseiten des Trägersubstrats angeordnet sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Leiterschleifen, zumindest teilweise durch das Trägersubstrat umfasst werden. Im Besonderen können die Leiterschleifen mit Verfahren realisiert sein, wie sie aus der Fertigung von Leiterplatten (”printed circuit boards”, PCBs) bekannt sind. Die dort verwendeten Verfahren zur Erstellung mehrlagiger Leiterplatten lassen sich vorteilhaft einsetzen, um Antenneneinrichtungen mit mehreren Leiterschleifen in verschiedenen, zueinander parallelen Raumebenen umzusetzen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Antenneneinrichtung sind die Leiterschleifen so ausgeführt, dass ihre Schlitze räumlich gegeneinander versetzt angeordnet sind. Insbesondere ist bei einer kreisförmigen Ausgestaltung der Leiterschleifen eine versetzte Anordnung vorteilhaft, bei der die Versetzung im Wesentlichen einem Drehwinkel von 180° dividiert durch die Anzahl der Schlitze entspricht. Das heißt, dass sich bei Leiterschleifen mit beispielsweise zwei Schlitzen durch eine um etwa 90° versetzte Anordnung besonders vorteilhafte Resonatoreigenschaften erzielen lassen.
Die galvanische Ankopplung an eine Leiterschleife der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung ist bevorzugt so angeordnet, dass sie einen weitestgehend maximalen räumlichen Abstand von der Anzahl an Schlitzen der Leiterschleife aufweist. Das heißt, dass beispielsweise bei einer kreisförmigen Leiterschleife die galvanische Ankopplung an die Leiterschleife im Wesentlichen um einen Drehwinkel von 180° dividiert durch die Anzahl der Schlitze von den benachbarten Schlitzen versetzt angeordnet ist. Für eine kreisförmige Leiterschleife mit acht Schlitzen heißt das, dass die galvanische Ankopplung in etwa um 22,5° versetzt gegenüber den nächsten beiden benachbarten Schlitzen – also mittig zwischen den beiden Schlitzen – angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung wird die gewünschte Verbindung mit der virtuellen Masse der Leiterschleife erreicht, da die Spannungsminima eines Resonators der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung im Allgemeinen in einem maximalen Abstand von den Schlitzen der Leiterschleifen auftreten.
In einer Ausgestaltung der Antenneneinrichtung umfasst eine Leiterschleife nur eine Schleifenwindung. Darüber hinaus sind Ausgestaltungen mit mehreren Windungen oder Anordnungen denkbar, bei denen eine Leiterschleife die Form einer Acht oder die Form eines vierblättrigen Kleeblatts näherungsweise nachbildet.
Bevorzugt ist die Antenneneinrichtung so ausgeführt, dass eine oder mehrere der Leiterschleifen der Antenneneinrichtung flächig ausgestaltet sind. Als flächig kann eine Leiterschleife angesehen werden, wenn die Breite der Leiterschleife wesentlich größer ist als die Dicke der Leiterschleife, beispielweise wenn die Leiterschleife eine Breite aufweist, die mehr als zweimal größer ist als die Dicke der Leiterschleife. Eine derartige Ausgestaltung kann die Eigenschaften des Resonators verbessern, da sich durch die flächige Ausführung die entsprechend zugeordneten Kapazitäten erhöhen. Insbesondere ist eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der die Ebene der Hauptausbreitungsrichtung der flächig ausgeführten Leiterschleifen parallel zu der Ebene der Hauptausbreitungsrichtung eines flächig ausgeführten Trägersubstrats angeordnet ist.
Weiterhin kann die Antenneneinrichtung bevorzugt dadurch gekennzeichnet sein, dass die Abmessungen und/oder die Anzahl der Schlitze so ausgestaltet sind, dass eine Resonanzfrequenz des Resonators näherungsweise mit einer Resonanzfrequenz des Magnetresonanzgeräts übereinstimmt. In die Abstimmung der Resonanzfrequenz gehen dabei alle drei Raumdimensionen der Schlitze, also deren Breite, Länge und Höhe ein. Darüber hinaus kann eine weitere Abstimmung der Resonanzfrequenz des Resonators auf die Resonanzfrequenz des Magnetresonanzgeräts durch eine geeignete Wahl der Geometrie der Leiterschleifen sowie deren relativen räumlichen Lage zueinander erfolgen. Bei einem in der medizinischen Praxis üblichen Magnetresonanzgerät mit 3 Tesla wird der Resonator der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung bevorzugt auf eine Resonanzfrequenz von näherungsweise 123,2 MHz durch die genannten Parameter eingestellt. Der Durchmesser der kreisförmigen Leiterschleifen beträgt hierbei bevorzugt 10 cm bis 30 cm, wobei die Leiterschleifen durch ein Trägersubstrat mit einer relativen Dielektrizitätskonstante ε_r von etwa 2,5 und einer Dicke von ca. 0,8 mm beabstandet werden.
Darüber hinaus kann die Antenneneinrichtung eine Abstimmungseinrichtung zur Veränderung der Resonanzfrequenz des Resonators umfassen. Eine Abstimmungseinrichtung kann dabei als Kapazität oder Induktivität ausgeführt sein, welche entweder parallel oder seriell zu einer Leiterschleife der Antenneneinrichtung angeordnet ist. Auch kann die Abstimmungseinrichtung eine Mehrzahl an Kapazitäten und/oder Induktivitäten umfassen, die parallel und/oder seriell zu einer Leiterschleife angeordnet sind. Besonders bevorzugt umfasst die Abstimmungseinrichtung eine Kapazität, die seriell zwischen der Kabelverbindungseinrichtung und einer Leiterschleife angeordnet ist.
Die Antenneneinrichtung kann in einer weiteren Ausgestaltung eine Kabelverbindungseinrichtung aufweisen, welche ein Koaxialkabel umfasst, wobei ein Außenleiter des Koaxialkabels als Schirmeinrichtung galvanisch an die virtuelle Masse einer Leiterschleife angekoppelt ist.
Eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Antenneneinrichtung so ausgestaltet ist, dass sie als Sendeeinrichtung während einer MR-Bildgebung einsetzbar ist.
Weiterhin kann die Antenneneinrichtung so ausgeführt sein, dass das Trägersubstrat ein elektrisch isolierendes Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante ε_r von näherungsweise 2 bis 4, bevorzugt ein AD250 oder FR4 Material, umfasst. Mit dem Begriff ”näherungsweise” werden hier die in diesem Fachgebiet üblichen Material- und Fertigungstoleranzen beschrieben, welche dem Experten des Fachgebiets bekannt sind. Derartige Materialien können die Eigenschaften des Resonators verbessern, da durch eine geeignete Dielektrizitätskonstante spezifische Eigen- und Koppelkapazitäten der Leiterschleifen bewirkt werden können. Die Dicke des Trägersubstrats beträgt bevorzugt näherungsweise 1 mm, besonders bevorzugt etwa 0,8 mm. Darüber hinaus kann die Antenneneinrichtung dadurch gekennzeichnet sein, dass die Leiterschleifen ein nicht magnetisches Metall, bevorzugt Kupfer, umfassen.
Eine bevorzugte erfindungsgemäße Antennenarrayeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl der Antenneneinrichtungen räumlich näherungsweise in Form einer Matrix angeordnet sind.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung,
3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung,
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Leiterschleife einer erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung,
5 den räumlichen Verlauf von Strom- und Spannungssignalen in einer Leiterschleife nach 4,
6 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen MR-Systems.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung 1, welche einen Resonator 3 mit zwei kreisförmigen Leiterschleifen 4, 4' umfasst, wobei jede der Leiterschleifen 4, 4' jeweils einen Schlitz 5, 5'' aufweist. Die beiden Leiterschleifen 4, 4' sind zueinander konzentrisch angeordnet, wobei die beiden Schlitze 5, 5'' gegeneinander um einen Drehwinkel von 180°/1 = 180° versetzt sind. Das Trägersubstrat 6 nimmt die beiden Leiterschleifen 4, 4' auf und stellt eine elektrische Isolierung zwischen ihnen her. Weiterhin wird durch das Trägersubstrat 6 bewirkt, dass die Leiterschleifen 4, 4' in verschiedenen, zueinander parallelen Raumebenen E, E' angeordnet sind. Derartige Anordnungen von Leiterschleifen 4, 4' finden sich auch in einem anderen, mit der Medizintechnik nicht verwandten technischen Fachgebiet der sogenannten Metamaterialien. Hier werden die dann als Split-Ring-Resonatoren (SRR) bezeichneten Leiterschleifenanordnungen so dimensioniert und ausgestaltet, dass sie den mit ihnen erstellten Materialen eine negative Permittivität verleihen. Die Leiterschleifen 4, 4' der 1 werden über eine Kabelverbindungseinrichtung 7, welche als Koaxialkabel ausgeführt ist, angekoppelt, wobei die Schirmeinrichtung 8 der Kabelverbindungseinrichtung 7 mit der virtuellen Masse VM einer der beiden Leiterschleifen 4' über eine galvanische Ankopplung 9 galvanisch verbunden ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung 1. Die beiden Leiterschleifen 4 bzw. 4' weisen in 2 jeweils zwei Schlitze 5, 5' bzw. 5'', 5''' auf. Die Schlitze 5, 5' der oberen Leiterschleife 4 sind gegenüber den Schlitzen 5'', 5''' der unteren Leiterschleife 4' um einen Drehwinkel von etwa 180°/2 = 90° versetzt. Die Schirmeinrichtung 8 der Kabelverbindungseinrichtung 7 ist über die galvanische Ankopplung 9 mit der virtuellen Masse VM der unteren Leiterschleife 4' elektrische leitfähig verbunden. Die virtuelle Masse VM befindet sich dabei mittig zwischen den beiden Schlitzen 5'', 5''' bzw. um einen Drehwinkel von 180°/2 gegenüber den Schlitzen 5'', 5''' der Leiterschleife 4' versetzt. Weiterhin zeigt die Ausführungsform der 2 eine Abstimmungseinrichtung 14, welche hier als Kapazität zwischen dem Innenleiter der Kabelverbindungseinrichtung 7 und der oberen Leiterschleife 4 angeordnet ist. Mit Hilfe dieser Abstimmeinrichtung 14 kann die Resonanzfrequenz des Resonators 3 variiert und an die Frequenzen des Magnetresonanzgeräts 2 angepasst werden. Die gewählte Beschreibung der Leiterschleifen 4, 4' als ”obere” und ”untere” Leiterschleifen 4, 4' legt dabei keine Bevorzugung bezüglich der Positionierung der Antenneneinrichtung 1 am Untersuchungsobjekt P fest. Sowohl die obere Leiterschleife 4 als auch die untere Leiterschleife 4' könnte näher am Untersuchungsobjekt P angeordnet sein. Weiterhin ist es nicht entscheidend, ob die Schirmeinrichtung 8 der Kabelverbindungseinrichtung 7 an die virtuelle Masse der oberen Leiterschleife 4 oder an die virutelle Masse VM der unteren Leiterschleife 4' angekoppelt ist.
Die 3 illustriert eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung 1. Hier befinden sich die beiden kreisförmigen Leiterschleifen 4, 4' in einer konzentrischen Anordnung in einer gemeinsamen Ebene E des Trägersubstrats 6. Eine derartige Anordnung ist dann vorteilhaft, wenn die Koppelkapazität zwischen den beiden Leiterschleifen 4, 4' eine andere Dimensionierung als die Ausführungsformen der 1 und 2 erfahren soll.
Mit 4 wird eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Leiterschleife 4' einer erfindungsgemäßen Antenneneinrichtung 1 gezeigt. Die Leiterschleife 4' verfügt über einen Schlitz 5'' und einen virtuellen Massepunkt VM, der sich wiederum näherungsweise um einen Drehwinkel von 180°/1 = 180° gegenüber dem Schlitz 5'' versetzt befindet. Die beiden Punkte s₀ und s₁ bezeichnen die beiden Begrenzungspunkte des Schlitzes 5'' der Leiterschleife 4' bezüglich einer gedachten Achse s entlang der Leiterschleife 4'.
Die 5 stellt mit Bezug auf die Angaben in 4 den räumlichen Verlauf des Stromsignals I und des Spannungssignals U in einer Leiterschleife 4' dar, welche sich bei einer Anregung der Antenneneinrichtung 1 durch MR-Signale bei einer MR-Bildgebung ergeben. Es ist sofort ersichtlich, dass die Spannung U ein Maximum an den Punkten s₀ und s₁ aufweist, das heißt, dass die Spannung U am Schlitz 5'' den größten Spannungswert aufweist. Umgekehrt zeigt sich ein Minimum der Spannung U bei einem größtmöglichen Abstand vom Schlitz 5'', also an der virtuellen Masse VM. Der räumliche Verlauf des Stroms I entlang der gedachten Raumachse s dagegen weist ein Maximum an oder in der Nähe der virtuellen Masse VM auf, während er in der Nähe des Schlitzes 5'' an den Punkten s₀ und s₁ gegen Null geht.
Mit 6 wird eine schematische Darstellung einer Seitenansicht eines erfindungsgemäßen MR-Systems dargestellt. Auf einer Patientenliege 12 einer Liegeeinrichtung 13 befindet sich ein Patient P. Die Patientenliege 12 kann entlang einer Längsachse Z mittels geeigneter Rolleinrichtungen bewegt werden, um den Patienten P für die MR-Bildgebung in einem Untersuchungsraum im inneren Bereich des MR-Geräts 2 zu positionieren. An dem Brustbereich des Patienten P angeordnet ist eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung 1. Die Antenneneinrichtung 1 überträgt die von ihr empfangenen MR-Signale über eine Kabelverbindungseinrichtung 7 an eine Schnittstelleneinrichtung 11 einer Bildbearbeitungsstation 10.
Zu den weitere Komponenten eines MR-Geräts 2 zählen u. a. Steuereinrichtungen, um den im MR-Gerät 2 enthaltenen Grundfeldmagneten und die Gradientenspulen entsprechend ansteuern zu können. Außerdem sind typischerweise in einem MR-Gerät 2 Hochfrequenz-Sendeeinrichtungen zur Erzeugung und Verstärkung von Hochfrequenzpulsen enthalten, um diese über eine Antennenanordnung auszusenden. All diese Komponenten und ihre Funktionsweise sind dem Fachmann der medizinischen Bildgebung aber bekannt und sind daher in 6 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Es wird an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht nur bei MR-Geräten 2 eingesetzt werden kann, welche einen zylinderförmigen Patiententunnel aufweisen, sondern auch an anders aufgebauten MR-Geräten 2, beispielsweise mit dreiseitig offenem Messraum. Darüber hinaus kann eine Bildbearbeitungsstation 10 auch Bestandteil eines MR-Geräts 2 sein.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Antenneneinrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann z. B. eine erfindungsgemäße Antenneneinrichtung über mehr als zwei Leiterschleifen verfügen. 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. Ebenso schließt der Begriff ”Einrichtung” nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können. Das gleiche gilt auch für das MR-Gerät und das MR-System, deren Komponenten ebenfalls räumlich voneinander getrennt in unterschiedlichen Gehäusen angeordnet sein können.
Bezugszeichenliste

1: Antenneneinrichtung
2: Magnetresonanzgerät
3: Resonator
4, 4': Leiterschleife
5, 5', 5'', 5''': Schlitz
6: Trägersubstrat
7: Kabelverbindungseinrichtung
8: Schirmeinrichtung
9: Galvanische Ankopplung
10: Bildbearbeitungsstation
11: Schnittstelleneinrichtung
12: Patientenliege
13: Liegeeinrichtung
14: Abstimmeinrichtung
P: Untersuchungsobjekt
E, E': Raumebene
I: Strom
s: Raumachse entlang einer Leiterschleife
s₀, s₁: Punkte auf s
U: Spannung
VM: Virtuelle Masse
Z: Längsachse

Claims

Antenneneinrichtung (1) zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes (P) bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät (2) mit: – einem Resonator (3) mit einer Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Leiterschleifen (4, 4'), welche jeweils durch eine Anzahl an elektrisch isolierenden Schlitzen (5, 5', 5'', 5''') unterbrochen sind, – einem Trägersubstrat (6) zur Aufnahme der Leiterschleifen (4, 4'), – einer Kabelverbindungseinrichtung (7) mit einer Anzahl an Schirmeinrichtungen (8), wobei mindestens eine der Anzahl an Schirmeinrichtungen (8) eine galvanischen Ankopplung (9) an eine virtuelle Masse (VM) mindestens einer Leiterschleife (4') aufweist.
Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (4, 4') kreisförmig ausgestaltet sind und die Leiterschleifen (4, 4') zueinander konzentrisch angeordnet sind.
Antenneneinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiterschleife (4, 4') 4 bis 12 Schlitze (5, 5', 5'', 5'''), bevorzugt 8 Schlitze (5, 5', 5'', 5''') umfasst.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (4, 4') in einer gemeinsamen Raumebene (E) angeordnet sind.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (4, 4') in verschiedenen, zueinander parallelen Raumebenen (E, E') angeordnet sind, bevorzugt so, dass das Trägersubstrat (6) eine elektrische Isolierung der Leiterschleifen (4, 4') bewirkt.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (4, 4') so ausgestaltet sind, das ihre Schlitze (5, 5', 5'', 5''') räumlich gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanische Ankopplung (9) so an einer Leiterschleife (4') angeordnet ist, dass sie einen maximalen räumlichen Abstand von der Anzahl an Schlitzen (5'', 5''') der Leiterschleife (4') aufweist.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiterschleife (4, 4') nur eine Windung umfasst.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leiterschleife (4, 4') flächig ausgestaltet ist.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen und/oder die Anzahl der Schlitze (5, 5', 5'', 5''') so ausgestaltet sind, dass eine Resonanzfrequenz des Resonators (3) näherungsweise mit einer Resonanzfrequenz des Magnetresonanzgeräts (2) übereinstimmt.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kabelverbindungseinrichtung (7) ein Koaxialkabel umfasst, wobei ein Außenleiter des Koaxialkabels als Schirmeinrichtung galvanisch an die virtuelle Masse einer Leiterschleife (4') angekoppelt ist.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenneneinrichtung (1) so ausgestaltet ist, dass sie als Sendeeinrichtung einsetzbar ist.
Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (6) ein elektrisch isolierendes Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von näherungsweise 2 bis 4, bevorzugt ein AD250 oder FR4 Material, umfasst.
Antennenarrayeinrichtung, die eine Mehrzahl an Antenneneinrichtungen (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfasst.
Magnetresonanzsystem zur Magnetresonanzbildgebung, das ein Magnetresonanzgerät (2) und mindestens eine Antenneneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder eine Antennenarrayeinrichtung nach Anspruch 14 umfasst.
Verfahren zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eines Untersuchungsobjektes (P) bei einer Magnetresonanzbildgebung mit einem Magnetresonanzgerät (2) umfassend folgende Verfahrensschritte: – Positionierung einer Antenneneinrichtung (1) an oder in unmittelbarer Nähe von Körperteilen des Untersuchungsobjektes (P) dessen Magnetresonanzsignale zu empfangen sind, wobei die Antenneneinrichtung (1) gekennzeichnet ist durch einen Resonator (3) mit einer Mehrzahl an elektrisch leitfähigen Leiterschleifen (4, 4'), welche jeweils durch eine Anzahl an elektrisch isolierenden Schlitzen (5, 5', 5'', 5''') unterbrochen sind, einem Trägersubstrat (6) zur Aufnahme der Leiterschleifen (4, 4') sowie einer Kabelverbindungseinrichtung (7) mit einer Anzahl an Schirmeinrichtungen (8), wobei mindestens eine der Anzahl an Schirmeinrichtungen (8) eine galvanischen Ankopplung (9) an eine virtuelle Masse (VM) mindestens einer Leiterschleife (4') aufweist, – Durchführung der Magnetresonanzbildgebung mit dem Magnetresonanzgerät (2) und Weiterleitung der von der Antenneneinrichtung (1) empfangenen Magnetresonanzsignale über die Kabelverbindungseinrichtung (7) an eine Schnittstelleneinrichtung (11) eines Magnetresonanzsystems.