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Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanzspule mit einem Messraum für ein Untersuchungsobjekt, einer zylindrischen Birdcage-Antennenanordnung, die eine Mehrzahl von zumindest bereichsweise um den Messraum angeordneten Antennenelementen in Form von umfänglichen Antennenringen oder diese verbindenden axiale Mantelstäben aufweist, wobei die Antennenelemente elektrische Bauteile, insbesondere reaktive kapazitive und/oder induktive Systeme, enthalten und mindestens zwei zueinander, insbesondere um 90°, phasenversetzte Antennenspeisungen, mittels welchen Hochfrequenzenergie der Birdcage-Antennenanordnung zuführbar ist. Weiterhin betrifft Erfindung ein damit arbeitendes Magnetresonanzgerät, ein Magnetresonanzsystem arbeitend mit diesem Magnetresonanzgerät, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Magnetresonanzspule.
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In einem Magnetresonanzgerät wird üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundfeldmagnetsystems einem relativ hohen Grundfeldmagnetfeld, beispielsweise von 3 oder 7 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Gradientensystems ein Magnetfeldgradient angelegt. Über ein Hochfrequenz-Sendesystem werden dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen hochfrequente Anregungssignale (HF-Signale) ausgesendet, was dazu führen soll, dass die Kernspins bestimmter, durch dieses Hochfrequenzfeld resonant angeregter Atome um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Diese Hochfrequenzanregung bzw. die resultierende Flipwinkelverteilung wird auch als Kernmagnetisierung bezeichnet. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenzsignale, so genannte Magnetresonanzsignale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden. Die Aussendung der Hochfrequenzsignale zur Kernspin-Magnetisierung erfolgt meist mittels einer sogenannten „Ganzkörperspule“, „Körperspule“ oder „Bodycoil“. Ein typischer Aufbau hierfür ist eine Käfigantenne (Birdcage-Antenne), welche mehrere Sendestäben aufweist, die parallel zur Längsachse verlaufend um einen Patientenraum des Tomographen herum angeordnet sind, in dem sich ein Patient bei der Untersuchung befindet. Stirnseitig sind die Antennenstäbe jeweils ringförmig kapazitiv miteinander verbunden. Außer zum Senden kann diese Antenne auch zum Empfang von Magnetresonanzsignalen eingesetzt werden. Beispielhafte Birdcage-Antennen sind in den Druckschriften
US 2011 / 0 175 616 A1 und
DE 103 53 341 A1 beschrieben.
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Zum Empfang der Magnetresonanzsignale werden jedoch heutzutage meist sogenannte Lokalspulen eingesetzt, welche direkt an den Körper des Patienten angelegt werden. Solche Lokalspulen können ebenfalls als Käfigantennen (Birdcage-Antennen) aufgebaut sein. Diese Antennen sind bezüglich ihrer Antennenelemente so aufgebaut, dass sie besonders empfindlich auch geringe Signale empfangen können, welche dann verstärkt und als Rohdaten verwendet werden können. Eine derartige Käfigantenne kann eine relativ große Oberflächenantenne auf dem oder in sehr kurzem Abstand zum Körper des Untersuchungsobjekts bzw. Patienten bilden. Durch die körpernahe Anbringung der Lokalspulen kann ein möglichst gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) im Empfangssignal und damit in der diagnostischen Information gewonnen werden.
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Zur Erzeugung einer Zirkularpolarisation in den Birdcage-Antennen, werden bisher für eine solche Birdcage-Antenne (mindestens) zwei elektrische Speisepunkte vorgesehen, die geometrisch so angeordnet sind, dass sie im Umfang des Zylinders orthogonal zueinander liegen. Diese Orthogonalität der Speisepunkte erfordert räumlich (mindestens) zwei Anschlusspunkte an die BirdcageAntenne, die in der Umfangsrichtung eines zylindrischen Tragrohrs der Antennen zueinander einen Winkel von 90° aufspannen.
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An jedem der Speisepunkte wird bisher ein Koaxialkabel als Hochfrequenzkabel (HF-Kabel) angeschlossen, das eine direkte Verbindung zu einer Hochfrequenz-Leistungs-Endstufe herstellt. Dies ist insofern ein Problem, als dass die Platzverhältnisse im lichten Abstand zwischen der Körperspule und den Gradientenspulen des Gradientensystems sehr eng bemessen werden. Die Tatsache, dass die Kabel in einem Winkel von 90° zueinander liegen müssen, verhindert mechanisch, dass man diese in einem einzigen Zylindersektor unterbringen kann. Aus technischen Gründen, wie z.B. der damit verbundenen Dämpfung sowie der erforderlichen Spannungsüberschlags- und Leistungsfestigkeit, können die Koaxialkabel nicht beliebig dünn gemacht werden.
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Ein weiteres Problem ergibt sich aus der Tatsache, dass die HF-Kabel sich den Platz mit anderen Kabeln teilen müssen. In dem Raum zwischen der Körperspule und den Gradientenspulen verlaufen auch viele andere Leitungen zu den Gradientenspulen, zum Patienten-Interface, zu den Mikrofonen, Monitoren und Kameras etc. Eine Überschneidung oder gar Annäherung dieser Leitungen mit den oder zu den HF-Kabeln ist sowohl räumlich schwer möglich als auch wegen des elektrischen Übersprechens nicht empfehlenswert.
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Die Stromverteilung entlang der Antennenringe (im Folgenden auch in der üblichen Notation als „Endringe“ bezeichnet, auch wenn diese nicht zwingend nur an den Enden vorhanden sein können) ist bestimmend für die Entstehung des magnetresonanzrelevanten B-Feldes im Inneren der zylindrischen Birdcage-Antenne.
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Die geometrische Orthogonalität der Speisepunkte entlang des Zylinder-Umfanges bedingt die Form und Phase der sinusförmigen Verteilung der HF-Ströme, die durch die Endringe fließen. Diese an den Stirnflächen der Antenne abwechselnd versetzte Stromverteilung auf den Endringen ist aufgrund der Potentialunterschied ihrerseits die treibende Quelle der HF-Ströme durch die Stäbe. Die Stabströme sind die Ursache des MRwirksamen „B1“ Feldes und beeinflussen durch ihre Struktur unmittelbar dessen räumliche Orientierung, Magnitude und Phase.
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Die Stromverteilung entlang der Endringe ist stationär und resonant, d.h. es liegt eine „stehende Welle“ vor. Sie hat in azimutaler Richtung auf den Endringen (entlang deren Umfang) jeweils zwei ausgeprägte, stationäre Minima und Maxima, deren Lage durch die Art und die Position der Speisepunkte definiert ist. Sie ist resonant, indem sich für die Grundmode in azimutaler Richtung genau eine volle Periode einer Sinus- oder Kosinus-Funktion auf den Endringen schließt.
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Die Stelle an der sich die Speisung geometrisch befindet und die Art der Speisung sind gleichermaßen für die Lage (räumliche Phase) der azimutalen Stromverteilung entlang des Endringes bestimmend. Aus diesem Grund ist es bisher notwendig, für die Erzeugung eines B1 Feldes mit Zirkular-Polarisation zwei in Umfangsrichtung orthogonal positionierte Speisepunkte vorzusehen, die darüber hinaus elektrisch phasenversetzt angesteuert werden müssen.
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Es gibt aber zwei Möglichkeiten, die Speisekabel mit der Antenne an deren Speisepunkte anzuschließen: entweder symmetrisch (auch als Anschluss „längs“ des Antennenelements bezeichnet) oder asymmetrisch gegenüber einem Bezugspunkt auf dem Schirm zwischen Körperspule und Gradientenspule (auch als Anschluss „quer“ zum Antennenelement bezeichnet).
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Bei der symmetrischen Speisung wird diese stets über eine reaktive Längs-Komponente (d.h. einer in der Längsrichtung des Antennenelements angeschlossenen Kondensator oder einer Induktivität) der Antenne angebracht. Diese Art von Speisung erfordert meist eine Symmetrierung in Form einer Mantelwellensperre oder/und einem sogenannten Balun-Transformator, um vom asymmetrischen Koaxialkabel auf die symmetrische Antenne zu wechseln.
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Bei der asymmetrischen Speisung befindet sich der Speiseanschluss (auch „Speiseport“ genannt) zwischen Antenne und einem Hochfrequenzschirm, welcher die Gradientenspulen von den Hochfrequenzsignalen der Körperspule abschirmt (im Folgenden auch kurz als „GC-Schirm“ oder „HF-Schirm“ bezeichnet). Weil sowohl das HF-Kabel als auch der Speiseport gegenüber dem Bezugspunkt „Schirm“ asymmetrisch sind, ist hier eine erzwungene Symmetrisierung durch Baluns nicht unbedingt notwendig, eine Entkopplung der HF-Kabel durch eine Mantelwellensperre (Cable Trap) eventuell schon.
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Die Speisung kann dabei prinzipiell entweder an den Endringen oder auch an den Stäben angebracht werden, wobei traditionell die Endringspeisung bevorzugt wird.
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In letzter Zeit hat sich (vor allem bei den sogenannten 2-Kanal-Systemen mit nur zwei Speisepunkten) eine sogenannte vertikal-horizontale Speisung für sinnvoll erwiesen. In diesem Fall sind die Speisepunkte entlang des azimutalen Endringumfanges nicht wie früher beide unten, in einem Winkel von +/-45° von der Senkrechten, sondern unten (bei 6 Uhr) und seitlich (bei 9 Uhr) angeordnet. Dadurch ist es unvermeidbar, dass ein Speiseport oberhalb der Liege angebracht werden muss. Diese Stelle liegt aber im Schulterbereich des Patienten. Auch durch die dicke Tragrohrwand hindurch, hat die Annäherung des Patienten zu dem Speisepunkt und einer damit i.d.R. zusammenhängenden Mantelwellensperre eine unerwünscht verstimmende Wirkung. Deswegen ist es günstiger, die Speiseports nicht im vom Patienten berührbaren Bereich des Tragrohrs zu legen, sondern möglichst beide unter der Patienten-liege.
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Bei nicht-zylindrischen (z.B. elliptischen oder D-förmigen) Tragrohren. die zunehmend wegen erhöhten Patientenkomfort zur Anwendung kommen, ist der seitliche Abstand zur Gradientenspule (bei 3 und 9 Uhr) geringer als oben und unten. In diesem Fall ist die oben erwähnte vertikal-horizontal- Speisung (bei 6 Uhr und bei 9 Uhr) konstruktionsbedingt gar nicht möglich.
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Der gegenwärtige Stand der Technik ist also, dass die Kabel unbedingt bis zu zwei verschiedenen Speisepunkten der Körperspule geführt werden müssen. Die Speisepunkte müssen geometrisch orthogonal zueinander entlang des Umfanges des zylindrischen Antennentragrohres liegen. In einem gewissen Abstand von dem Speisepunkt entfernt entlang des Tragrohrs nach außen können die Kabel abgeknickt und zusammengeführt werden. Die Speisepunkte selber müssen aber trotzdem geometrisch orthogonal bleiben.
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Mechanisch vorteilhafter aber elektrisch zunächst nicht möglich wäre es, wenn man die Speisepunkte zusammenlegen könnte, so dass die Kabel bis zum Speisepunkt an der Antenne parallel verlaufen. Günstig wäre es, die Kabel durch einen einzigen „Kabelkanal“ an einer einzigen Stelle im Umfang des zylindrischen Tragrohres hindurch verlegen zu können. Bedingt durch die Patienten-Liege, entsteht unter dem Patienten ein Hohlraum, den man für die Führung der Koaxialkabel verwenden könnte. Dies könnte aber nur erfolgen, wenn man die Speisestellen nebeneinander oder zumindest im gleichen Kreissektor legen könnte.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetresonanzspule derart weiter zu bilden, dass diese einerseits eine höhere Bildqualität durch geringere Störeffekte auf die Antennen und deren Antennenspeisung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Magnetresonanzspule gemäß Patentanspruch 1, ein Magnetresonanzgerät gemäß Patentanspruch 12 sowie ein Magnetresonanzsystem gemäß Patentanspruch 14 und einem zugehörigen Verfahren zum Betrieb der Magnetresonanzspule gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Magnetresonanzspule derart ausgebildet, dass die Antennenspeisungen mindestens eine symmetrische Speisung über mindestens eines der elektrischen Bauteile, insbesondere reaktive kapazitive und/oder induktive Systeme, der Birdcage-Antennenanordnung, sowie mindestens eine zugeordnete asymmetrische Speisung zwischen der Birdcage-Antennenanordnung und einem Schirmanschluss, vorzugsweise einem Hochfrequenzschirmsystem, beinhaltet.
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Vorteil ist hierbei, dass bei Kombination der an sich bekannten symmetrischen und asymmetrischen Antennenspeisungen es erstmals möglich ist, diese an jeder beliebigen Winkelposition der Magnetresonanzspule anzuordnen, auch an einer gemeinsamen Einspeise-Winkelposition. Über eine Justierung der Phasenverschiebung kann dann eine Kompensation erfolgen, um wiederum eine gewünschte stehende Welle (Zirkularpolarisation oder elliptische Polarisation) in der Magnetresonanzspule zu erzeugen. Dies war beim Stand der Technik bisher so nicht möglich, da dort sowohl der Winkel zwischen den gleichartigen Antennenspeisungen (entweder symmetrisch oder asymmetrisch), als auch die Phasenverschiebung selbst stets 90° sein mussten oder zumindest unter 90° nur in vordefinierten relativ geringen Grenzen variierbar waren.
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Ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist, dass die erfindungsgemäße Kombination zwischen ungleichartigen Antennenspeisungen, nämlich symmetrisch und asymmetrisch, für eine einzige Birdcage-Antenne, es ermöglicht, dass die Kontaktpunkte der Antennenspeisungen so gewählt werden, dass der stromführende Leiter der asymmetrischen Antennenspeisung möglichst nahe an der geometrischen Mitte der beiden Kontaktpunkte der zugeordneten symmetrischen Antennenspeisung kontaktiert wird.
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Genauer gesagt, soll möglichst erreicht werden, dass ein Bezugspunkt, insbesondere die geometrische Mitte von Anschlussleitungen der symmetrischen Antennenspeisung gegenüber einem mit der Birdcage-Antennenanordnung verbundenen Kontaktpunkt einer elektrischen Anschlussleitung der zugeordneten asymmetrischen Antennenspeisung sich in einer gemeinsamen Winkelposition der zylindrischen Birdcage-Antennenanordnung mit möglichst geringer Winkeltoleranz befindet.
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Durch das Vorsehen der einander zugeordneten Antennenspeisung an einer gemeinsamen Winkelposition mit möglichst hoher Genauigkeit wird erreicht, dass dies einerseits zu einer höheren Bildqualität durch geringere Störeffekte auf die Antennen und deren Antennenspeisung führt, weiterhin dass unerwünschte Wechselwirkungen zwischen aktiven und inaktiven Antennen im Magnetresonanzgerät verringert oder eliminiert werden. Zusätzlich kann so die Belastung (Spezifische Absorptionsrate SAR, Erwärmung) des Patienten mit hochfrequenter Strahlung durch die Antennenspeisungen vermindert werden.
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Die Art der Speisung, ob symmetrisch über ein Bauteil der Antenne (längs) oder asymmetrisch zwischen Antenne und GC-Schirm (quer), beeinflusst unmittelbar die Phase der Stromverteilung entlang der Endringe. Die Stromverteilungen der zwei Speisearten (längs und quer) sind in azimutaler Richtung entlang des Endringes zueinander und in Bezug auf dem Speisepunkt unter einem Winkel von 90° versetzt (geometrische Quadratur). Auf dieser Weise entsteht bei einer symmetrischen Speisung an derjenigen Stelle im Umfang des Endrings ein Strommaximum, an der bei einer asymmetrischen Speisung ein Spannungsmaximum, bzw. ein Stromminimum entsteht. Man könnte von einer Kosinus- bzw. Sinusverteilung des Stromes sprechen, je nachdem man eine Längs- oder Querspeisung vornimmt.
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Mit anderen Worten: zwei Speisungen ungleicher Art (eine längs und die andere quer), die aber an der gleichen Stelle am Endring gelegen sind, erzeugen Stromverteilungen, die zueinander orthogonal sind. Räumlich gesehen haben sie im Bezug aufeinander in azimutaler Richtung des Endringes einen 90° Phasenversatz.
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Speist man nun an der gleichen Stelle im Endring einmal symmetrisch (längs) und einmal asymmetrisch (quer), so ergeben sich durch Überlagerung entlang des Endringumfanges die gleichen versetzten Stromverteilungen als hätte man mit gleichwertige Speisequellen ohne deren Symmetrie zu wechseln in räumlicher Quadratur gespeist.
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Es ist also durchaus möglich, an einer einzigen Stelle am Endring mit zwei getrennten Speisekabeln zu speisen und trotzdem räumlich unterschiedliche, 90° versetzte (orthogonale) Stromverteilungen zu erzeugen. Eine Speisestelle ist dabei niederohmig, verhält sich somit umgekehrt gesehen wie ein Serienschwingkreis und liegt in einem Strommaximum. Die andere dagegen ist hochohmig, verhält sich wie ein Parallelschwingkreis und befindet sich in einem Spannungsmaximum. Dies führt zur gewünschten Entkopplung der zwei Speiseports zueinander, in gleicher Art und Weise als wenn sie von der gleichen Art aber räumlich orthogonal liegen würden.
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Speist man an den Speiseports wie bei der bisherigen orthogonalen Einspeisung nun um 90° phasenversetzte, identische HF-Signale ein, so erhält man insgesamt im Messraum das gewünschte zirkularpolarisierte HF-Signal.
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Eine impedanzrichtige Anpassung der HF-Speisekabel an die Antenne kann auf beliebige Weise erfolgen. Dem Fachmann sind hierzu verschiedene Möglichkeiten bekannt. Ebenso können bei Bedarf Baluns als Symmetrierglieder und/oder Mantelwellensperren zur Entkopplung benachbarter HF-Leitungen eingesetzt werden.
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Auch aus anderen Gesichtspunkten als der zur Verfügung stehende Platz ist es besser, wenn man für eine Antenne, welche im zirkularpolarisierten Mode (CP-Mode) betrieben werden soll (auch als „CP-Antenne“ bezeichnet), beide Speisepunkte an einer einzigen Stelle im Endring konzentriert. Dies gilt vor allem für die lokale SAR und die Wärmebelastung des Patienten in der Höhe der Speisestelle und an der damit verbundenen Mantelwellensperre durch das Tragrohr hindurch.
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Die lokale SAR Belastung kann an der Speisestelle in gewissen Umständen höher als an anderen Stellen entlang der Endringe und Stäbe der Antenne sein. Wenn man an zwei räumlich orthogonale Stellen speisen muss, ist es geometrisch schwer oder überhaupt nicht möglich, beide Speisungen gleichzeitig in dem Raum unter der Liege anzubringen. Berücksichtigt man dagegen die bevorzugte Möglichkeit der Konzentrierung beider Speisepunkte an einer einzigen Stelle im Endring, so kann man für eine CP-Antenne beide HF-Kabel an der gleichen Stelle unterhalb der Liege mit der Antenne verbinden.
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Auch ist die Stelle an der gespeist wird (aus gleicher elektromagnetischer Überlegung) am empfindlichsten gegenüber einer Verstimmung durch Annäherung oder (auch indirekter, kapazitiven) Berührung. Sind beide Speisepunkte unterhalb der Liege angebracht, ist zu erwarten, dass die Stabilität der Abstimmung der Antenne unabhängig von der Lastposition am größten ist.
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Ähnlich empfindlich wie die Speisestellen sind auch die Mantelwellensperren, die bei Annäherung der Last auch durch die Tragrohrwand hindurch leicht verstimmt werden können. Hat man die Möglichkeit, das gesamte Speisesystem unterhalb der Liege zu positionieren, lässt sich diese Problematik spürbar entschärfen.
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Eine zirkularpolarisierte Antenne mit Mehrportspeisung (4..8...) ist ebenfalls leichter zu konstruieren, wenn die Anzahl der Stellen, an denen HF-Kabel geführt werden müssen, halbiert werden. Damit ergeben sich weniger Kollisionen mit anderen Leitungen im System, vor allem mit den GC-Leistungskabel, die traditionell im oberen Teil der hinteren, serviceseitigen Magnetöffnung positioniert werden müssen. Daher umfasst die Erfindung also nicht nur Antennen mit zwei Einspeisungen sondern entsprechende Antennen mit einer Vielzahl an Einspeisungen.
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Auch für Lokalspulen mit einer Birdcage-Struktur, wie z.B. Kopf oder Kniespulen, unabhängig davon, ob sie nur für Empfang oder auch zum Senden geeignet sind, hat die Möglichkeit der Zusammenführung der Speisepunkte aus vielerlei Hinsicht große Vorteile. Kann man mehrere Speisepunkte an einer gleichen Stelle konzentrieren, so ist die Struktur der Lokalspule filigraner und man braucht nicht mit sperrigen Hochfrequenzleitungen die ganze Spule zu durchsetzen. Die Speisung kann im Basis-, im Fußteil der Spule konzentriert werden. Auch die Verstimmung im Speisepunkt und eine eventuell notwendige Rauschsperre der Speiseleitung gestalten sich einfacher.
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Wie bereits erwähnt, gilt das Prinzip für eine Speisung der Endringe, aber auch für eine Speisung der Stäbe, oder für eine kombinierte Speisung in den Endringen und in den Stäben zugleich.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Magnetresonanzgerät mit einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzspule als Körperspule, einem vom Messraum aus gesehen radial außerhalb der Birdcage-Antennenanordnung angeordneten Gradientenspulensystem,und einem zwischen der Birdcage-Antennenanordnung und dem Gradientenspulensystem angeordneten Hochfrequenzschirmsystem, welches vorzugsweise einen Schirmanschluss für die zugeordnete asymmetrische Speisung der Magnetresonanzspule bildet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Magnetresonanzsystem mit einem solchen Magnetresonanzgerät mit einer erfindungsgemäßen Körperspule und mit einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzspule in Form einer Lokalspule.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzspule für ein Magnetresonanzgerät.
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Die abhängigen Ansprüche und die weitere Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei die Ansprüche einer Kategorie auch analog den Ansprüchen einer der anderen Kategorien weitergebildet sein können.
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Insbesondere ist in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass die Winkeltoleranz der gemeinsamen Winkelposition einander zugeordneter symmetrischer und asymmetrischer Antennenspeisungen maximal dem Winkelabstand zweifachen, vorzugsweise maximal dem einfachen, besonders bevorzugt maximal dem halben Winkelabstand zweier benachbarter Mantelstäbe beträgt. Das heißt, bei einer bevorzugten Magnetresonanzspule mit 16 axialen Antennenstäben und je 16 Kondensatoren auf den endseitigen 360°-Antennenringen, entsprächen diese Winkeltoleranzen dann 45°, 22,5° und 11,25°.
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Mit einer derartigen Winkelpositionstoleranz lassen sich auch stehende Wellen in der Antenne ohne weitere aufwändige Kompensationsvorkehrungen erzielen. Ist die Abweichung aus der Nullposition zu groß, kann dies mittels Regelung der Phasenverschiebung zwischen den HF-Signalpulsen der beiden Antennenspeisungen erfolgen.
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Sofern die Antennen ein elliptisch polarisiertes HF-Signal aussenden soll, kann dies durch eine Variation der Phasenverschiebung und/oder Amplitudenverhältnisse der einzuspeisenden Signale und gegebenenfalls auch durch einen geringen Winkelversatz der Einspeisepunkte realisiert werden. Z. B. könnte so ein elliptisch polarisiertes Signal mit einer um n·360°/N zur Waagrechten verkippten Hauptachse erzeugt werden, wobei „N“ die Anzahl der Antennenstäbe der Birdcage-Antennenanordnung ist. Dabei wäre n z.B. bei N=16 bevorzugt 1 oder 2.
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Bevorzugt wird bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls, dass auch die mechanischen Anschlüsse der Antennenspeisungen, an denen die Leitungen am Gerät mechanisch gehalten werden, sich in einer gemeinsamen Winkelposition der Magnetresonanzspule befinden. Hierdurch kann eine sehr einfache und kostengünstige Konstruktion aufgebaut werden, da lediglich an einer einzigen Position der Magnetresonanzspulen und des Magnetresonanzgerätes eine Durchleitung der beiden Antennenspeisungen nötig ist. Auch werden hierdurch lange Wege der Anschlussleitungen der Antennenspeisungen von der mechanischen Festlegung zur Position der elektrischen Antennenspeisungen vermieden, wodurch auch die Gefahr des Eintrags von Störsignalen vermindert wird, als auch die Gefahr von Belastungen des Patienten durch zu hohe Hochfrequenz-Strahlung in unmittelbarer Nähe des Patienten.
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Auch können bei der vorliegenden Erfindung wie üblich die elektrischen Anschlussleitungen der symmetrischen Antennenspeisung mit mindestens einem der umfänglichen Antennenringe und/oder mit mindestens einem der axialen Mantelstäbe elektrisch leitend verbunden sein, insbesondere mit einem Antennenring auf der Serviceseite des Magnetresonanzgeräts. Natürlich können die elektrischen Anschlussleitungen der symmetrischen Antennenspeisung auch mit dem Antennenring auf der Patientenseite (Ein- und Ausfahrseite des Patienten) alleine oder zusätzlich zur Serviceseite vorgesehen sein. Dabei können insbesondere die elektrischen Anschlussleitungen der symmetrischen Antennenspeisung in einem Verbindungsbereich zwischen den umfänglichen Antennenringen und den axialen Mantelstäben elektrisch leitend verbunden sein, insbesondere auf einem der axialen Mantelstäbe. Hierdurch wird die Position der Einspeisung an das patientenseitige Ende der Antennenstäbe gelegt, so dass damit keine Übergangsverluste vom Antennenring zu den Antennenstäben entsteht, sowie eine ideale Dipolantenne verwirklicht wird, was wiederum die Bildqualität verbessert.
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Besonders bevorzugt wird, dass zwei elektrische Anschlussleitungen der symmetrischen Antennenspeisung mit den endseitigen Anschlussleitungen mindestens eines Kondensators auf einem umfänglichen Antennenring und/oder einem axialen Mantelstab elektrisch leitend verbunden sind. Dies ist eine sehr einfache und effektive Anschlussmöglichkeit, da hierdurch die Einspeisepunkte einen sehr geringen Abstand zueinander aufweisen.
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Außerdem ist es bevorzugt, dass die elektrischen Anschlussleitungen der symmetrischen und asymmetrischen Antennenspeisung elektrische Leiter eines Koaxialkabels sind, nämlich ein Innenleiter und einen von diesem isolierten, diesen umgebenden und schirmenden Außenleiter. Natürlich können auch andere Leitungsarten für die Antennenspeisung verwendet werden, so z.B. zueinander isolierte und verdrillte Leiter.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung wird eine der elektrischen Anschlussleitungen, insbesondere der Innenleiter des Koaxialkabels, der symmetrischen Antennenspeisung mit einem der elektrischen Anschlüsse, insbesondere einem Innenleiter eines Koaxialkabels, der asymmetrischen Antennenspeisung elektrisch kurzgeschlossen ist. Man könnte daher auch die beiden Innenleiter extern elektrisch leitend verbinden und anschließend deren Verbindungsleitung mit dem Antennenring oder dem axialen Antennenstab verbinden.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die elektrischen Anschlussleitungen der symmetrischen Antennenspeisung mit den endseitigen Anschlussleitungen einer geraden Anzahl (z.B. 2, 4, 6, 8 ...) von seriell hintereinander geschalteten Kondensatoren auf den umfänglichen Endringen und/oder auf den axialen Mantelstäben elektrisch leitend verbunden sind und einer der elektrischen Anschlussleitungen, insbesondere der Innenleiter des Koaxialkabels, der asymmetrischen Antennenspeisung mit der elektrischen Verbindungsleitung dieser Kondensatoren, insbesondere zweier mittlerer Kondensatoren, elektrisch leitend verbunden ist. Auf diese Art und Weise entsteht eine sehr harmonische Einspeisung der Hochfrequenz-Impulse auf die Antenne, wodurch die Bildqualität im Vergleich zur zuvor erwähnten Anschlussvariante mit den kurzgeschlossenen Innenleitern der Antennenspeisungen, wesentlich gesteigert werden kann, da einerseits eine geringere Winkeltoleranz vorliegt, andererseits die asymmetrische HF-Anregung in die geometrische Mitte der beiden Anschlussleitungen der symmetrischen HF-Anregung eingespeist wird. Vereinfacht gesagt, ist hierdurch die Einspeisung der beiden HF-Signale wesentlich harmonischer und damit sind die Interferenzen zwischen den beiden HF-Signalen und damit die somit entstehende Stehende Welle in der Antenne wesentlich stabiler.
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Insbesondere die symmetrische Antennenspeisung aber auch die asymmetrische Antennenspeisung der vorliegenden Erfindung können eine oder mehrere Mantelwellensperren und/oder Balun-Transformatoren aufweisen, die verhindern sollen, dass die elektrischen Kabel der Antennenspeisungen selbst wie Antennen wirken, was den eigentlichen Antennenbetrieb der erfindungsgemäßen Magnetresonanzspule stören würde und damit die Bildqualität verringern würde. Insbesondere der Balun-Transformator kann aber in einer anderen Ausführungsform bei der asymmetrischen Antennenspeisung vollkommen entfallen.
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Wie bereits erwähnt, kann einerseits die Magnetresonanzspule als Lokalspule, vorzugsweise als Kopfspule oder Kniespule, zur Aufnahme nur eines Körperteils eines Patienten im Messraum verwendet werden, andererseits als Körperspule zur Aufnahme möglichst eines gesamten Patienten im Messraum. Natürlich können beide Varianten wie auch bereits bekannt, kombiniert werden, so dass innerhalb einer erfindungsgemäßen Körperspule mit symmetrischer und asymmetrischer Antennenspeisung sich eine Lokalspule befindet, welche ein Körperteil eines Patienten umgibt. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, könnten beide Spulen dann getrennt und unabhängig voneinander betrieben werden, aber auch kombiniert, z.B. die Körperspule als Sendespule und die Lokalspule als Empfangsspule.
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Im Übrigen ist wie erwähnt im Messraum eine Liege für den Patienten angeordnet, wobei vorteilhafter Weise für die Magnetresonanzspule die gemeinsame Winkelposition der elektrischen Anschlussleitungen der Antennenspeisungen unterhalb der Liege angeordnet ist, insbesondere etwa bei 6 Uhr. Dies hat den Vorteil, dass der gesamte Raum oberhalb des Patienten frei zugänglich für den Patienten selbst und eventuell vorgesehene zusätzliche Objekte (Messsensoren ggfs. für die Regelung des HF-Feldes, Patentenüberwachungssysteme, Monitore, etc.) bleibt, so dass keine unerwünschten Störungen von den Antennenspeisungen auf die erfindungsgemäße Antenne und den Patienten stattfindet, so dass damit sowohl Bildqualität, als auch Patientenbelastung optimiert sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch das Scannergehäuse eines Magnetresonanz-Tomographiegeräts mit einer Körperspule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische räumliche Darstellung der Körperspule des Magnetresonanz-Tomographiegeräts nach 1,
- 3 eine erste Ausführungsform der Antennenspeisung gemäß der Erfindung,
- 4 eine zweite Ausführungsform der Antennenspeisung gemäß der Erfindung,
- 5 eine dritte Ausführungsform der Antennenspeisung gemäß der Erfindung,
- 6 eine vierte Ausführungsform der Antennenspeisung gemäß der Erfindung,
- 7 eine zur vierten sehr ähnliche fünfte Ausführungsform der Antennenspeisung gemäß der Erfindung,
- 8 eine schematische räumliche Darstellung einer Kopfspule gemäß der Erfindung.
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1 zeigt sehr grob schematisch einen Schnitt durch einen Scanner eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzgeräts 1. Innerhalb des Scannergehäuses 9 sind hier verschiedene Komponenten angeordnet, wobei zentral in der Mitte ein Messraum 2, der sogenannte Patiententunnel (häufig auch einfach „Bore“ genannt) frei bleibt. In diesem Messraum ist auf einer Liege 4 das Untersuchungsobjekt, hier ein Patient P, angeordnet. Die Liege 4 ist innerhalb des Messraums 2 in Längsrichtung 13 motorisch verfahrbar bzw. aus dem Messraum 2 über eine der Stirnseiten 26 zur Lagerung des Patienten P herausfahrbar. Der Messraum 2 wird von einer Innenwand 3 des Scannergehäuses 9 begrenzt, welche beispielsweise aus einem Kunststoffrohr, meist aus Fiberglas, besteht. Diese Innenwand 3 wird daher oft auch als „Tragrohr“ 3 bezeichnet, da hierauf in der Regel auch die Antennenstruktur der Body-Coil aufgebracht ist.
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In einem kurzen radialen Abstand nach außen oder ebenfalls unmittelbar auf dem Tragrohr 3 befindet sich eine Antennenanordnung 5, mit einer Vielzahl von einzelnen Antennenelementen 6, welche eine übliche Sende-/Empfangsantenne in Form einer herkömmlichen Birdcage-Antenne dargestellt. Radial außerhalb der Antennenanordnung 5 befindet sich dann ein erfindungsgemäßes Hochfrequenzschirmsystem 10. Dieses Hochfrequenzschirmsystem 10 dient dazu, um ein weiter außen liegendes Gradientenspulensystem 7 von den Hochfrequenzsignalen abzuschirmen. Vom Gradientenspulensystem 7 ist hier nur eine zirkular umlaufende Gradientenspule für die Gradientenbildung in z-Richtung (in Längsrichtung des Scanners bzw. des Patienten) dargestellt. Üblicherweise weist das Gradientenspulensystem noch weitere, in 1 nicht dargestellte Gradientenspulen auf, die ebenfalls im Scannergehäuse 9 angeordnet sind, um Magnetfeldgradienten auch in den anderen Raumrichtungen senkrecht zur z-Richtung anzulegen. Radial außerhalb des Gradientenspulensystems 7 befindet sich ein Grundfeldmagnet 8, welcher für das Grundmagnetfeld sorgt.
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Zu den weiteren Komponenten eines solchen Magnetresonanzgeräts 1 zählen u.a. Steuereinrichtungen, um den Grundfeldmagneten und die Magnetfeldgradienten entsprechend ansteuern zu können, sowie Hochfrequenz-Sendeeinrichtungen zur Erzeugung und Verstärkung der Hochfrequenzpulse, um diese über die Antennenanordnung auszusenden, und entsprechende Empfangseinrichtungen, um über die Antennenanordnung(en) Magnetresonanzsignale aus dem Messraum bzw. dem Untersuchungsobjekt empfangen, verstärken und weiterverarbeiten zu können. Die Sende- und Empfangseinrichtungen weisen darüber hinaus meistens auch Anschlüsse auf, um externe Lokalspulen anschließen zu können, die auf, unter bzw. an das Untersuchungsobjekt gelegt werden und mit in den Messraum 2 des Magnetresonanzgeräts 1 hineingefahren werden können.
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All diese Komponenten und ihre Funktionsweise sind dem Fachmann aber bekannt und sind daher in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Es wird an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht nur bei Magnetresonanzgeräten eingesetzt werden kann, welche einen zylinderförmigen Patiententunnel aufweisen, sondern auch an anders aufgebauten Magnetresonanzgeräten.
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2 zeigt schematisch die Antennenelemente 6 der erfindungsgemäßen kreiszylindrischen Birdcage-Antennenanordnung 5, wobei die genaue Form der Birdcage-Antennenanordnung 5 nicht besonders von Belang ist, so dass auch andere Zylinderformen mit elliptischer, bogenförmiger bzw. D-Shape-Form, oder polygoner Grundfläche, oder aber eine Kombination dieser Grundflächenformen möglich wären.
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Die Antennenelemente 6 umfassen hier beispielsweise zwei voneinander beabstandete kreisförmige Antennenringe 6a, welche mit hier acht axial verlaufende und zueinander parallele Antennenstäben 6b über den Verbindungsbereich 25 miteinander verbunden sind, wobei sowohl die Antennenringe 6a, als auch die axialen Antennenstäbe 6b durch elektrische Bauteile - hier Kondensatoren 11 mehrfach regelmäßig, d.h. in etwa gleichen Abständen, unterbrochen sind. So sind die Antennenringe 6a durch je acht identische Kondensatoren 11 acht mal unterbrochen, welche durch gleiche Winkelabstände voneinander getrennt sind. Die parallelen Antennenstäbe 6b sind hingegen nur durch je einen einzigen mittig angeordneten Kondensator 11 unterbrochen. Die beiden stirnseitigen Antennenringe 6a liegen einmal auf der sogenannten Patientenseite 26a, über welche ein Patient P in den Verfahrrichtungen 13 in den Messraum 2 des Magnetresonanzgeräts 1 einfahrbar und aus diesem wieder ausfahrbar ist, und zum anderen auf der sogenannten Serviceseite 26b, an welcher die Eingabe-, Verarbeitungs- und Ausgabegeräte des Magnetresonanzsystems angeordnet sind.
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Die Antennenringe 6a und die Antennenstäbe 6b selbst wirken im Übrigen als Induktivität, da die Frequenzen des HF-Systems im MHz-Bereich liegen.
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Die 3 und 4 zeigen eine Stirnansicht auf die Ausführung der Birdcage-Antenne 5 nach 2, jedoch mit umgebendem Hochfrequenzschirmsystem 10, sowie mit den beiden Antennenspeisungen 14, 15. Hier sind nun zwei Varianten der elektrischen Schaltung der Antennenspeisung dargestellt, wobei 3 eine einfache Ausführung und 4 eine hierzu hinsichtlich der Feld-Symmetrie und der Feld-Orthogonalität des HF-Feldes verbesserte Ausführung offenbart.
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In 3 ist der Mittelleiter 18 der asymmetrischen Antennenspeisung 15 an einem Kontaktpunkt KP über den gleichen Teil des Antennenrings 6a mit dem Mittelleiter 16 der symmetrischen Antennenspeisung 14 elektrisch leitend verbunden und daher mit diesem kurz geschlossen, wobei dieser Teil des Antennenrings 6a über Kondensatoren 11 von den benachbarten Teilen des Antennenrings 6a getrennt ist.
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Der Außenleiter 17, d.h. die Schirmung der symmetrischen Antennenspeisung 14 ist hierbei mit dem benachbarten Teil des Antennenrings 6a elektrisch leitend verbunden, wohingegen der Außenleiter 19, d.h. die Schirmung der asymmetrischen Antennenspeisung 15 mit dem die Birdcage-Antenne 5 umgebende HF-Schirm 10 elektrisch leitend verbunden ist. Hierdurch sind alle elektrischen Leiter 16 - 19 der beiden Antennenspeisungen 14, 15 möglichst kurz gehalten, wodurch mögliche Störungen verringert werden und damit die Bildqualität erhöht wird, sowie die SAR-Belastung (SAR = Spezifische Absorptionsrate) für den Patienten erniedrigt wird.
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Da jedoch der Abstand vom Kontaktpunkt KP des Mittelleiters 18 der asymmetrischen Antennenspeisung 14 zum Bezugspunkt BP in der Mitte zwischen den Kondensatorplatten 11, welcher durch die Leitungen 16, 17 der symmetrischen Antennenspeisung 15 überbrückt wird, d.h. die Toleranz 20a der Winkelposition 20, relativ groß ist, ist die Feld-Symmetrie und Feld-Orthogonalität des durch die beiden Speisungen 14, 15 erzeugten HF-Feldes hier etwas verzerrt.
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Sofern dies nicht gewünscht ist, kann durch die Ausführungsform nach 4 dafür gesorgt werden, dass idealer Weise sowohl der Bezugspunkt BP als auch der Kontaktpunkt KP des Mittelleiters 18 der asymmetrischen Antennenspeisung 14 in der Mitte des Antennenrings 6a zwischen 2 benachbarten Kondensatoren 11a und 11b liegen, so dass damit eine ideale Feld-Symmetrie und Feld-Orthogonalität des durch die beiden Speisungen 14, 15 erzeugten HF-Feldes erzielt werden kann. Die Toleranz 20a der Winkelposition 20 ist hier daher nahezu Null.
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In den 3 und 4 ist mit dem Bezugszeichen 24 noch die gemeinsame mechanische Befestigung der symmetrischen und asymmetrischen Antennenspeisungen 14, 15 dargestellt, mit der diese am Magnetresonanzgerät festgelegt sind. Hier ist von Vorteil, dass nur eine gemeinsame Durchführung der Antennenspeisungen 14, 15 durch das HF-Schirmsystem 10 benötigt wird, was wiederum positive Auswirkungen auf Bildqualität und SAR-Belastung des Patienten hat.
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Die 5 bis 7 offenbaren nun drei Varianten von sogenannten Stabspeisungen, d.h. die Antennenspeisungen 14, 15 sind elektrisch mit den Antennenstäben 6b verbunden, anstatt mit den Antennenringen 6a gemäß den 3 und 4.
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5 zeigt analog zu 3 eine einfache Speisung, wobei hier ein mehrteiliger Antennenstab 6b gezeichnet ist, dessen fünf Einzelteile durch vier Kondensatoren 11 voneinander getrennt bzw. miteinander verbunden sind. An den beiden endseitigen Stäben 6b sind die zwei stirnseitigen Ringe 6a angebracht. Mit dem mittleren Stab 6b sind beide Mittelleiter 17, 18 der beiden Antennenspeisungen 14, 15 elektrisch leitend kontaktiert, wobei der Außenleiter 19 der asymmetrischen Antennenspeisung 15 auf Masse bzw. Nullpotential bzw. Schirm 10 elektrisch leitend gelegt ist und der Außenleiter 17 der symmetrischen Antennenspeisung 14 mit einem, zum mittleren Stab 6b benachbarten weiteren Stab 6b elektrisch leitend verbunden ist. Hierdurch wird bereits eine gute Symmetrie der HF-Einspeisung und damit eine gute Feld-Symmetrie und Feld-Homogenität des von der Antenne 6 abgestrahlten HF-Feldes erzielt.
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Noch etwas verbessert sieht es bei den Ausführungsformen nach 6 und 7 aus, bei denen analog zur Ausführung nach 4 die beiden Anschlussleitungen 16, 17 der symmetrischen Antennenspeisung 14 jeweils mit einem Teil des Stabes 6b elektrisch leitend verbunden ist, benachbart zu diesen beiden Teilen des Stabes 6b ein weiterer mittlerer Stab 6b über jeweils einen Kondensator 11 sich befindet und diese miteinander verbindet. An dem mittleren Stab 6b ist dann der Mittelleiter 18 der asymmetrischen Antennenspeisung 15 elektrisch leitend kontaktiert, wohingegen der Außenleiter 18 mit Masse bzw. Nullpotential bzw. bevorzugt dem HF-Schirm 10 elektrisch leitend verbunden ist.
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Die identische Verschaltung der 6 gilt für die sehr äquivalente Ausführungsform nach 7, mit dem einzigen Unterschied, dass hier die beiden am mittleren Stab 6b links und rechts über je einen Kondensator angrenzenden Stab 6b zusätzlich in zwei Teile geteilt sind, getrennt durch je einen weiteren Kondensator 11.
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In 1 ist als Magnetresonanzspule eine Körperspule 21 dargestellt, in welcher sich ein kompletter Patient P befindet, wohingegen in 8 eine Lokalspule in Form einer Kopfspule 22 gezeigt ist, in welcher ein Kopf 23 in dem von der Birdcage-Antennenstruktur der Lokalspule umgebenen Messraum 2 aufgenommen ist. Natürlich kann statt eines Kopfes 23 auch ein Knie, oder ein beliebiges anderes Körperteil aufgenommen sein. Beide Arten von Magnetresonanzspulen können einzeln, aber auch in Kombination miteinander betrieben werden. Ansonsten sind die Antennenspeisungen 14, 15 der Kopfspule 22 exakt gleich zur Ausführung der Antennenspeisungen 14, 15 der Körperspule 21 nach 3, so dass identische Bezugszeichen auch identische Bauteile betreffen. Die Kopfspule 22 selbst kann dann auch einen Schirm 10 aufweisen, mit dem die asymmetrische Speisung verbunden ist. Alternativ kann als Schirmanschluss ein beliebiger Masseanschluss dienen oder sogar ein Anschluss an den HF-Schirm der Gradientenspulen.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Vorrichtungen um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. So wird ausdrücklich noch darauf hingewiesen, dass alle in den Figuren dargestellten Kondensatoren 11, 11a, 11b bevorzugt mit etwa identischer Kapazität ausgestattet sind, jedoch können diese in anderen Ausführungsformen durchaus auch unterschiedliche Kapazitäten besitzen. Die spezielle Ausgestaltung und Dimensionierung der Kapazitäten ist aber nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ebenso wenig wie ihre Positionierung an den übrigen Teilen 6a, 6b der Antenne 6, da dies hinlänglicher Stand der Technik ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
