-
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, mit der MRT-Anregungssignale gesendet und/oder MRT-Messsignale empfangen werden können sowie das entsprechende Sende- und/oder Empfangsverfahren.
-
In der Magnetresonanztomographie (MRT) werden zur Bildgebung sowohl vergleichsweise starke, konstante Grundmagnetfelder in einer Größenordnung einiger weniger Tesla (T) sowie magnetische Wechselfelder im Milliteslabereich (mT) zum Senden im Radiofrequenzbereich eingesetzt. Das Grundmagnetfeld bewirkt eine Ausrichtung der magnetischen Momente der im zu untersuchenden Körper befindlichen Kerne, wobei insbesondere Wasserstoffkerne bzw. Protonen zur Bildgebung benutzt werden, während die magnetischen Wechselfelder als Sendesignale bzw. Anregungspulse verwendet werden, um die magnetischen Momente aus einer solchen Ruhelage auszulenken bzw. anzuregen. Dies hat eine Präzessionsbewegung der Kerne bzw. der magnetischen Momente zur Folge, die ihrerseits eine Induktion eines elektrischen Signals in einer Empfängerspule bewirkt, was als Empfangssignal verstanden werden kann. Dieses Empfangssignal kann mit einer entsprechenden Ortskodierung beaufschlagt zur Bildgebung verwendet werden. Die Sendesignale und die Empfangssignale werden unter dem Begriff MRT-Signale zusammengefasst.
-
Zum Senden und Empfangen von entsprechenden MR-Signalen werden resonante Schleifenantennen verwendet. Diese Antennen werden im normalen Betrieb in der direkten Nähe des zu untersuchenden Objekts platziert. Durch die relative Nähe der Antenne zum Objekt wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) ab einem bestimmten Antennendurchmesser bei Magnetfeldstärken von 1,5 T oder 3 T hauptsächlich durch die Verluste aufgrund der Anwesenheit des Objekts und weniger durch die Verluste in der Antenne selbst beeinflusst. Wird dagegen die Antenne weiter vom Körper entfernt platziert, spielen für das SNR mit steigendem Abstand vom Körper die Eigenverluste der Antenne eine immer größere Rolle. Je größer also der Abstand der Antenne zum Objekt ist, desto hochgütiger muss die Antenne sein, um ein ausreichendes SNR zu erzielen.
-
Dasselbe gilt für Niederfeldsysteme, bspw. mit Feldern in einer Größenordnung von 0,35 T, bei objektnahen Antennenelementen sowie bei 1,5 T und 3 T Systemen bei sehr kleinen Antennenelementen, wie sie bspw. für Hautuntersuchungen eingesetzt werden.
-
Eine derartige hochgütige Antenne kann mit Hilfe einer selbstresonanten Antenne, bspw. mit einem sogenannten Split-Ring-Resonator (SRR), realisiert werden. Dabei hat sich insbesondere die Verwendung supraleitender Split-Ring-Resonatoren als vorteilhaft erwiesen, welche in einem bspw. mit Stickstoff gekühlten Kryostaten angeordnet werden können. In einem solchen supraleitenden Split-Ring-Resonator bestehen die die Antenne bildenden Leiter aus einem supraleitenden Material.
-
Wird eine solche supraleitende SRR-Antenne in einem ersten Szenario lediglich als Empfangs-Antenne konzipiert und die Körper-Spule des Magnetresonanztomographen zum Senden verwendet, so muss die SRR-Antenne beim Senden mit der Körper-Spule verstimmt werden, um zu vermeiden, dass die SRR-Antenne das durch die sendende Körperspule entstehende 3-Feld verzerrt. Hierfür wird eine spezielle Schaltung in einer zugehörigen, induktiv angekoppelten Kupferspule verwendet, die beim Senden der Körper-Spule bewirkt, dass die SRR-Antenne verstimmt ist.
-
Um ein solches erstes Szenario zu realisieren, offenbart die Offenlegungsschrift
US 5 258 710 A eine Vorrichtung für mikroskopische Bildgebung durch nukleare Magnetresonanz, welche aus einem Kryostaten konstruiert ist, der in einem konventionellen Magnetresonanzbildgebungssystem untergebracht ist. Der Kryostat kühlt einen supraleitenden Resonator, welcher mit einem sekundären Resonator induktiv verbunden ist. Der supraleitende Resonator ist zum Empfangen von MRT-Signalen ausgebildet und empfängt Signale von einem durch RF-Signale angeregten Probekörper, welche dann induktiv auf den sekundären Resonator zur Bildgebung übertragen werden können. Der supraleitende Resonator kann aus zwei C-förmigen Ringen aus supraleitendem Material gebildet sein.
-
Auch Black et al offenbaren in „Electronics for High Temperature Superconducting Receiver System for Magnetic Resonance Microimaging” einen Empfänger zum Empfangen von NMR- bzw. MRT-Signalen wie in dem ersten Szenario geschildert, welcher einen Hochtemperatur supraleitenden Split-Ring-Resonator als Oberflächenspule umfasst und somit das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) verbessert. Der Split-Ring-Resonator besteht aus zwei Ringen mit jeweils einer ersten bzw. einer zweiten Öffnung und ist induktiv mit einem Kupferfilmresonator verbunden.
-
In einem zweiten Szenario, in dem die SRR-Antenne sowohl als Sende- als auch als Empfangs-Antenne konzipiert ist, muss es zusätzlich zum oben beschriebenen Verstimmen möglich sein, mit der Antenne das Sendefeld aufzubauen bzw. das MRT-Sendesignal zu erzeugen. Dieses technische Problem, d. h. die Herstellung einer supraleitenden SRR Sende/Empfangs-Antenne, konnte bisher nicht gelöst werden, da das supraleitende Material im Sende-Zustand der Antenne mit zunehmender Stromstärke immer mehr seine supraleitende Eigenschaft verliert, bis die Verluste zu groß werden, um noch effizient als Sendespule verwendet werden zu können. Zusätzlich entsteht in diesem Fall wärme, die das Aufrechterhalten der Kühlung im Kryostaten erschwert.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung zum Senden und/oder Empfangen von MRT-Signalen anzugeben, die in beiden oben beschriebenen Szenarien einsetzbar ist. Weiterhin ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
-
Eine Anordnung im Sinne der Erfindung muss für das erste Szenario gewährleisten, dass sie im Empfangs-Zustand verstimmbar ist, und zusätzlich für das zweite Szenario, dass ein Sendefeld aufgebaut werden kann.
-
Konzeptionell wird zur Lösung dieses Problems ausgenutzt, dass für die supraleitende Antenne ein speziell ausgebildeter Split-Ring-Resonator verwendet wird. Dies ermöglicht, dass für die Anforderungen im ersten und im zweiten Fall die spezielle Stromverteilung auf dem Split-Ring Resonator ausgenutzt werden kann.
-
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zum Senden und/oder Empfangen von MRT-Signalen zur Untersuchung eines Objekts gelöst, aufweisend einen supraleitenden Split-Ring-Resonator zum Empfangen eines MRT-Messsignals vom zu untersuchenden Objekt mit zumindest einem ersten, im Wesentlichen ringfömigen, unterbrochenen Leiter aus einem supraleitenden Material. Der erste Leiter weist als Unterbrechung eine erste Öffnung und eine erste Verjüngung auf. Weiterhin weist die Anordnung einen Kryostaten zur Erzeugung von vorgebbaren Umgebungsbedingungen in einem Hohlraum auf, wobei der Split-Ring-Resonator in dem Hohlraum angeordnet ist und wobei die Umgebungsbedingungen derart vorgebbar sind, dass der erste Leiter in einen Zustand der Supraleitfähigkeit versetzbar ist. Des weiteren weist die Anordnung eine konventionelle Spule zum Senden eines MRT-Anregungssignals und/oder zum Auslesen des mit dem Split-Ring-Resonator empfangenen MRT-Messsignals auf, wobei die konventionelle Spule außerhalb des Kryostaten angeordnet und mit dem Split-Ring-Resonator induktiv gekoppelt ist.
-
Es sei angemerkt, dass der Begriff „ringfömig” auch elliptische bzw. ovale und im Extremfall auch eckige Formen umfasst.
-
Wie bereits erwähnt verliert der Supraleiter bei steigender Stromdichte seine supraleitende Wirkung. Dabei sind die Ausprägung und das Eintreten dieses Effekts abhängig von der Breite des Leiters. Die lokalen Verjüngungsstellen im Leiter erlauben, dass der Effekt des Zusammenbruchs der Supraleitung gezielt zum Verstimmen bzw. zum Ausschalten der supraleitenden Antenne benutzt werden kann. Dies wird erreicht, indem der Leiter lokal so weit verjüngt wird, dass die Supraleitfähigkeit ab einem gewünschten Strom im Leiter gezielt zusammenbricht. Dadurch wird die supraleitende Antenne verstimmt und somit „unsichtbar” für die eingesetzte Sende-Antenne, d. h. für die konventionelle Spule.
-
Dadurch können die beiden oben genannten Probleme gelöst werden, da bei Anwesenheit eines MRT-Sendesignals die Supraleitung zusammenbricht und die Empfangsantenne in Form des Split-Ring-Resonators quasi unsichtbar wird. Mit dem Ende des Sendesignals wird die Supraleitung erneut aufgebaut und der Split-Ring-Resonator empfängt die MRT-Messsignale vom zu untersuchenden Objekt.
-
Im ersten Szenario, d. h. bei Verwendung als reine Empfangs-Antenne, wobei die Körper-Spule als Sende-Antenne eingesetzt wird, kann auf eine zusätzliche Verstimmschaltung in der induktiv angekoppelten Kupferspule verzichtet werden, da sich die Antenne bzw. der Split-Ring-Resonator durch den durch die sendende Körper-Spule in die supraleitende SRR-Antenne induzierten Strom mit steigender Sendeleistung und dem entsprechenden Zusammenbruch der Supraleitfähigkeit selber verstimmt.
-
Im zweiten Szenario, d. h. bei Verwendung als Sende-Empfangs-Antenne, bedeutet das, dass zum Senden nur die an die supraleitende Antenne induktiv angekoppelte Kupferspule verwendet wird, da sich die supraleitende Antenne auch hier mit steigendem Strom aufgrund des Zusammenbruchs der Supraleitung selber verstimmt. Nach Abschalten des Sendepulses steht die supraleitende Antenne vorteilhafterweise wieder zum Empfang mit ihrer hohen Güte zur Verfügung.
-
Der Klarheit halber sei erwähnt, dass im Fall des Sendens die MRT-Signale bekanntermaßen die Anregungspulse bzw. MRT-Anregungssignale sind, welche die einleitend beschriebene Anregung bewirken. Die entsprechende Sendeantenne wird in der vorliegenden Erfindung von der konventionellen Spule repräsentiert. Im Falle des Empfangens sind die MRT-Signale die einleitend beschriebenen MRT-Empfangssignale, d. h. die nach der Anregung mit Hilfe der Empfangsantenne empfangenen Signale, die vom zu untersuchenden Objekt abgestrahlt werden. Die Empfangsantenne besteht in der vorliegenden Erfindung aus dem Split-Ring-Resonator und der konventionellen Spule, wobei der Split-Ring-Resonator die Signale empfängt und die konventionelle Spule diese Signale über die induktive Kopplung aus dem Split-Ring-Resonator ausliest. Der Begriff MRT-Signale umfasst demzufolge sowohl die MRT-Anregungssignale als auch die MRT-Empfangssignale.
-
In einer Ausgestaltung sind die erste Öffnung und die erste Verjüngung auf gegenüberliegenden Seiten des ersten ringförmigen Leiters angeordnet. Diese spezielle, symmetrische Anordnung ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Verhalten des Split-Ring-Resonators hinsichtlich des Abschaltens im Falle der Anwesenheit eines Sendefeldes, dahingehend, dass eine schnelle Abschaltung ermöglicht wird.
-
Der Split-Ring-Resonator weist zumindest einen zweiten, unterbrochenen im Wesentlichen ringfömigen Leiter aus einem supraleitenden Material auf, wobei der zweite Leiter als Unterbrechung eine zweite Öffnung und eine zweite Verjüngung aufweist. Ein SRR mit zwei oder sogar mehr Leitern mit Öffnungen und Verjüngungen kann so aufgebaut werden, dass sich aufgrund gegenseitiger Beeinflussung optimale Strom-/Spannungsverteilungen in den Leitern ergeben. Damit kann gezielt beeinflusst werden, unter welchen Bedingungen die Supraleitung zusammenbricht.
-
Wie beim ersten Leiter sind die zweite Öffnung und die zweite Verjüngung auf gegenüberliegenden Seiten des zweiten ringförmigen Leiters angeordnet. Hiermit wird, wie oben bereits angedeutet, eine besonders schnelle Abschaltung des Split-Ring-Resonators bzw. der Supraleitfähigkeit des Resonators ermöglicht.
-
Der erste ringförmige Leiter ist im Wesentlichen parallel zum zweiten ringförmigen Leiter orientiert und der erste Leiter und der zweite Leiter sind auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats des Split-Ring-Resonators angeordnet. Durch die parallele Anordnung wird eine maximale Wechselwirkung zwischen den einzelnen Leitern erreicht.
-
Insbesondere sind der erste Leiter und der zweite Leiter derart orientiert, dass in einer Richtung senkrecht zu einer Ebene, in der der erste ringförmige Leiter liegt,
- – die erste Öffnung des ersten Leiters über der zweiten Verjüngung des zweiten Leiters liegt und
- – die erste Verjüngung des ersten Leiters über der zweiten Öffnung des zweiten Leiters liegt.
-
Diese Orientierung der beiden Leiter, bei der die Öffnungen der Leiter jeweils gegenüber liegen, bewirkt eine optimale Strom-/Spannungsverteilung in den Leitern.
-
Die konventionelle Spule ist im Wesentlichen parallel zum ersten ringförmigen Leiter orientiert. D. h. die konventionelle Spule hat eine Wicklung bzw. einen im Wesentlichen ringförmigen Leiter in einer Ebene, wobei diese Ebene parallel zu der Ebene ist, in der der erste und ggf. der zweite ringförmige Leiter liegt. Die parallele Anordnung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die konventionelle Spule über die induktive Kopplung ein Signal aus dem SRR ausliest, da bei einer solchen Anordnung die Wechselwirkung maximal ist und somit das ausgelesene Signal die maximale Amplitude aufweist.
-
Die erste Verjüngung ist derart dimensioniert, dass eine Supraleitfähigkeit des ersten Leiters zusammenbricht, wenn ein MRT-Anregungssignal gesendet wird. Dies ist so zu verstehen, dass es unwesentlich ist, ob das MRT-Anregungssignal von der konventionellen Spule der Anordnung oder aber mit einem anderen Sender, bspw. von der Körper-Spule des MRT, gesendet wird. Da für jeden MR-Tomographen die anzuwendenden Feldstärken genau bekannt sind und ebenso bekannt ist, unter welchen Bedingungen die Supraleitung eines Leiters aus bekanntem Material und mit bekannten Dimensionen zusammenbricht, kann davon ausgegangen werden, dass ein Fachmann ohne weiteres berechnen kann, wie der Leiter zu dimensionieren ist, um den oben genannten Effekt zu erzielen.
-
Genauso ist natürlich die zweite Verjüngung derart dimensioniert ist, dass eine Supraleitfähigkeit des zweiten Leiters zusammenbricht, wenn ein MRT-Anregungssignal gesendet wird. Dies ist ebenfalls so zu verstehen, dass es unwesentlich ist, ob das MRT-Anregungssignal von der konventionellen Spule oder aber bspw. von der Körper-Spule des MRT gesendet wird.
-
Die genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Senden eines MRT-Anregungssignals und/oder zum Empfangen eines MRT-Messsignals für eine MRT-Untersuchung eines Objekts mit einem Magnetresonanztomographen unter Verwendung der oben beschriebenen Anordnung. Dabei wird in einem Sendezustand das MRT-Anregungssignal gesendet und/oder in einem Empfangszustand das MRT-Messsignal empfangen. Der supraleitende Split-Ring-Resonator befindet sich im Sendezustand in einem nicht-supraleitenden Zustand, d. h. mit dem Beginn des Sendezustands verliert der Split-Ring-Resonator seine Supraleitfähigkeit. Im Empfangszustand induziert das MRT-Messsignal ein Signal im Split-Ring-Resonator und die konventionelle Spule liest das im Split-Ring-Resonator induzierte Signal über die induktive Kopplung aus. Das ausgelesene Signal wird anschließend zur Bildverarbeitung und -berechnung verwendet.
-
Der Split-Ring-Resonator befindet sich während der MRT-Untersuchung, d. h. in einem Betriebszustand der Anordnung, während eines Zwischenzustands, während dem weder ein MRT-Anregungssignal gesendet noch ein MRT-Messsignal empfangen wird, in einem supraleitenden Zustand.
-
In einer ersten Ausgestaltung wird zum Senden des MRT-Anregungssignals die konventionelle Spule der Anordnung verwendet. In einer zweiten Ausgestaltung wird zum Senden des MRT-Anregungssignals eine Körper-Spule des Magnetresonanztomographen verwendet.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht ein Split-Ring-Resonator aus zwei übereinanderliegenden bzw. parallelen, gleichen geöffneten Ringen, welche aus einem leitenden Material bestehen. Dabei sollten sich für eine optimale Strom/Spannungsverteilung die Öffnungen der Ringe jeweils gegenüber liegen. Durch diese Anordnung hat der Resonator an den Leiterenden der Öffnungsstellen stets ein Spannungsmaximum und auf der gegenüber liegenden Seite ein Strommaximum, welches sinusförmig zu den Öffnungsenden hin abfällt.
-
Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert.
-
Es zeigen:
-
1 einen seitlichen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Anordnung,
-
2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Anordnung,
-
3 eine Draufsicht auf den ersten Leiter der ersten Lage des Split-Ring-Resonators,
-
4 eine Draufsicht auf den zweiten Leiter der zweiten Lage des Split-Ring-Resonators.
-
In 1 wird eine Ausführungsform einer Anordnung 1, insbesondere einer Spulenanordnung 1, mit einem Split-Ring-Resonator 100, einer konventionellen Spule 200 und einem Kryostaten 300 in einer seitlichen Querschnittsansicht der Anordnung dargestellt.
-
Solche Split-Ring-Resonatoren bzw. Schwingkreise umfassen im Allgemeinen bspw. zwei geöffnete, einander gegenüberstehende metallische Leiterelemente, die als aufgetrennte Ringstrukturen gebildet werden und die gewöhnlich auf gegenüberliegenden Seiten eines Substrats parallel zueinander aufgebracht sind. Die Leiterelemente wirken wie kapazitive Elemente und gleichzeitig auch als induktive Elemente. Die Split-Ring-Resonatoren werden durch hochfrequente(HF)-Wellenstrahlung mit Energie versorgt, wodurch sie zu Resonanzschwingungen angeregt werden.
-
Der Split-Ring-Resonator 100 gemäß 1 weist eine erste Split-Ring-Lage 110, eine zweite Split-Ring-Lage 120 sowie ein Substrat 130 auf, wobei jede der Split-Ring-Lagen 110 bzw. 120 einen ringförmigen elektrischen Leiter 111 bzw. 121 umfasst. Die Leiter 111, 121 sind ringförmig und parallel zueinander auf gegenüberliegenden Seiten 131, 132 des Substrats 130 angeordnet. Das Substrat 130 kann bspw. ein Saphir-Substrat sein. Die elektrischen Leiter 111, 121 bestehen aus einem supraleitenden Material, bspw. Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO), so dass sie bei entsprechenden Umgebungs- und Betriebsbedingungen der Anordnung 1 in einen supraleitenden Zustand zu versetzen sind. Dabei hängen die Umgebungsbedingungen, insbesondere die Temperatur der Leiter, unter anderem von den Betriebsbedingungen der Spulenanordnung 1 ab, insbesondere von den in den Leitern 111, 121 fließenden Strömen, da die Leiter 111, 121 mit steigender Stromdichte den supraleitenden Zustand verlassen.
-
Um die geeigneten Umgebungsbedingungen zu erzeugen, wird der Split-Ring-Resonator 100 in dem Kryostaten 300 angeordnet. Der Kryostat 300, von dem in der 1 lediglich eine obere und eine untere Kryostatwand 310, 320 angedeutet sind, erlaubt es, die Umgebungstemperatur des Split-Ring-Resonators 100 derart einzustellen, dass die elektrischen Leiter 111, 121 in den supraleitenden Zustand versetzt werden können. Zur Erzeugung entsprechend niedriger Temperaturen kann der Kryostat bspw. mit flüssigem Stickstoff gefüllt sein.
-
Die konventionelle Spule 200, bspw. eine Kupferspule, ist außerhalb des Kryostaten 300 angeordnet und derart orientiert, dass sie parallel zu den Leitern 111, 121 des Split-Ring-Resonators 100 liegt. Die Kupferspule 200 ist induktiv an den Split-Ring-Resonator 100 gekoppelt.
-
Wie weiter unten detaillierter ausgeführt wird, liegt die Funktion des Split-Ring-Resonators 100 darin, MR-Signale vom zu untersuchenden Objekt (nicht dargestellt) zu empfangen. Der Split-Ring-Resonator 100 übernimmt demnach die Funktion einer Empfangsantenne. Die konventionelle Spule 300 bzw. die Kupferspule 300 hat je nach Anwendungsfall die Aufgabe, in einem Sendemodus die Sendepulse zu erzeugen und/oder in einem Empfangsmodus die mit Hilfe des Split-Ring-Resonators 100 empfangenen MR-Signale induktiv aus diesem auszulesen.
-
2 zeigt eine Draufsicht auf die Spulenanordnung 1, wobei die in der 1 gezeigten Kryostatwände 310, 320 in der 2 nicht dargestellt sind. Die Kupferspule 200 sowie der Leiter 111 der ersten Split-Ring-Lage 110 und der Leiter 121 der zweiten Split-Ring-Lage 120 sind konzentrisch angeordnet.
-
Die Leiter 111 bzw. 121 weisen jeweils eine Öffnung 112 bzw. 122 sowie eine Verjüngung 113 bzw. 123 auf, wobei die Öffnungen 112, 122 Unterbrechungen des entsprechenden Leiters 111, 121 darstellen. Die Verjüngungen 113, 123 können bspw. konkav geformt sein. Die Leiter 111, 121 sind so zueinander angeordnet, dass die Öffnung 112 des Leiters 111 der ersten Lage 110 über der Verjüngung 123 des Leiters 121 der zweiten Lage 120 liegt. Umgekehrt liegt die Öffnung 122 des Leiters 121 der zweiten Lage 120 unter der Verjüngung 113 des Leiters 111 der ersten Lage 110 liegt.
-
Durch diese Anordnung hat der Split-Ring-Resonator 100 an den Öffnungen 112, 122 an den Enden der Leiter 111, 121 stets ein Spannungsmaximum und auf der gegenüber liegenden Seite des jeweiligen Leiters 111, 121, an der die jeweilige Verjüngung 113, 123 angeordnet ist, ein Strommaximum, welches sinusförmig zu den Öffnungen 112, 122 hin abfällt.
-
Diese Orientierung der Leiter 111, 121, bei der die Öffnungen der Leiter 111, 121 jeweils gegenüber liegen, bewirken eine optimale Strom-/Spannungsverteilung in den Leitern 111, 121, da immer an der Stelle, an der der Leiter 111 bzw. 121 der einen Lage 110 bzw. 120 eine Öffnung 112 bzw. 122 und damit ein Spannungsmaximum hat, der jeweils andere Leiter 121 bzw. 111 auf der gegenüberliegenden Seite eine Verjüngung 123 bzw. 113 und damit ein Strommaximum aufweist.
-
3 zeigt den in der 1 mit III bezeichneten Querschnitt, d. h. eine Draufsicht auf die erste Split-Ring-Lage 110 und den Leiter 111 mit der Öffnung 112 und der Verjüngung 113. Die 4 zeigt den in der 1 mit IV bezeichneten Querschnitt, d. h. eine Draufsicht auf die zweite Split-Ring-Lage 120 und den Leiter 121 mit der Öffnung 122 und der Verjüngung 123. Aus den 3 und 4 wird die oben beschriebene gegenseitige Orientierung der ersten und der zweiten Split-Ring-Lagen 110, 120 und insbesondere die Orientierungen der Leiter 111, 121 der Split-Ring-Lagen 110, 120 deutlich. Insbesondere ist erkennbar, dass die Öffnung 112 des Leiters 111 der ersten Split-Ring-Lage 110 über der Verjüngung 123 des Leiters 121 der zweiten Split-Ring-Lage 120 positioniert ist und dass die Verjüngung 113 des Leiters 111 der ersten Split-Ring-Lage 110 über der Öffnung 122 des Leiters 121 der zweiten Split-Ring-Lage 120 positioniert ist.
-
Wie aus der 3 deutlich wird, ist die Breite bv des Leiters 111 im Bereich der Verjüngung 112 geringer als die Breite bn des Leiters 111 im nicht verjüngten, d. h. im normalen Bereich des Leiters 111. Bspw. kann der Leiter 111 für ein Grundmagnetfeld von 3 T derart dimensioniert sein, dass er eine Leiterbreite von bn = 3 mm im normalen Bereich und eine Breite bv = 1 mm im Bereich mit der Verjüngung 112 aufweist. Dabei kann der Radius r des Leiters 111 in einer Größenordnung von r = 40 mm liegen. Gleiches gilt für den in der 4 dargestellten Leiter 121 der zweiten Lage 120.
-
Um die beschriebene Funktionsfähigkeit der Spulenanordnung 1 zu gewährleisten, ist auch ein Split-Ring-Resonator 100 mit nur einer Lage, bspw. mit der ersten Lage 110, und dementsprechend mit nur einem Leiter 111 ausreichend (nicht dargestellt). Ein Split-Ring-Resonator 100 mit mehr als einer Lage weist gegenüber einem einlagigen Split-Ring-Resonator den Vorteil auf, dass er weniger empfindlich auf Veränderungen im Umfeld reagiert, da die Kapazität des Resonanzkreises im einlagigen Fall über ein äußeres E-Feld gebildet wird. Für einen zwei- oder mehrlagigen Split-Ring-Resonator 100 wird die Kapazität über die Überlappungen der einzelnen Lagen gebildet, so dass die Abhängigkeit von äußeren Einflüssen geringer ist. Für den nicht explizit dargestellten Fall, dass der Split-Ring-Resonator 100 über mehr als zwei Lagen 110, 120 und damit auch über mehr als zwei Leiter 111, 121 verfügt, wären die Leiter derart angeordnet, dass immer für zwei benachbart zueinander angeordnete Leiter gilt, dass die Öffnung des einen Leiters der beiden Leiter über der Verjüngung des anderen Leiters der beiden Leiter liegt.
-
Im Folgenden wird die Funktionsweise der beschriebenen Spulenanordnung 1 erläutert:
Die Leiter 111, 121 des Split-Ring-Resonators 100 wirken wie kapazitive Elemente und gleichzeitig auch als induktive Elemente. Der Split-Ring-Resonator 100 wird durch hochfrequente Wellenstrahlung mit Energie versorgt, wodurch er zu Resonanzschwingungen angeregt wird.
-
Bei Senden mit Hilfe der Körper-Spule (nicht dargestellt) des Magnetresonanztomographen (ebenfalls nicht dargestellt) kommt es automatisch zu einer Verstimmung des Split-Ring-Resonators 100 und zu einer Änderung seiner Resonanzfrequenz, da sich der Split-Ring-Resonator 100 durch den durch die sendende Körper-Spule in die supraleitenden Leiter 111, 121 induzierten Strom mit steigender Sendeleistung und dem damit verbundenen Temperaturanstieg und dem entsprechenden Zusammenbruch der Supraleitfähigkeit selber verstimmt.
-
Bei Senden mit Hilfe der konventionellen Spule bzw. Kupferspule 300 der Spulenanordnung 1 kommt es in ähnlicher Weise aufgrund der dabei in den Leitern 111, 121 des Split-Ring-Resonators 100 induzierten Ströme ebenfalls zu einem Zusammenbruch der Supraleitfähigkeit.
-
Aufgrund der in diesen beiden Szenarien auftretenden gewünschten Verstimmung stellt der Split-Ring-Resonator 100 weder beim Senden mit der Körper-Spule noch beim Senden mit der konventionellen Spule bzw. Kupferspule 300 einen Störfaktor dar. Nach Abschalten des jeweiligen Sendepulses steht die supraleitende Antenne in Gestalt des Split-Ring-Resonators 100 vorteilhafterweise wieder zum Empfang mit ihrer hohen Güte zur Verfügung.
-
Die Spulenanordnung 1 benötigt demnach keine separate Verstimmschaltung, da mit dem selbst verstimmenden Split-Ring-Resonator 100 die ansonsten störende Wirkung des Resonators beim Senden durch den Zusammenbruch der Supraleitfähigkeit automatisch aufgehoben wird.
-
Wird die Spulenanordnung 1 zum Empfangen verwendet, so werden die MR-Signale mit dem supraleitenden Split-Ring-Resonator 100 empfangen und von außerhalb des Kryostaten 200 induktiv mit Hilfe der Kupferspule 300 ausgelesen und der weiteren Signalverarbeitung zugeführt. Dabei bedeutet der Begriff „auslesen”, dass das im Split-Ring-Resonator 100 induzierte Signal seinerseits bewirkt, dass ein entsprechendes, sekundäres Signal in der Kupferspule 200 induziert wird. Dieses sekundäre Signal wird schließlich zur Bildgebung verwendet.
-
Neben der oben beschriebenen Ausführungsform sind auch andere Konstellationen denkbar. Bspw. kann über eine modifizierte Positionierung der Verjüngung 113, 123 beeinflusst werden, ob der Split-Ring-Resonator 100 schneller oder langsamer abgeschaltet werden kann. Weiterhin kann über die Dimensionierung der Verjüngungen 113, 123, d. h. bspw. über die Leiterbreite am Ort der Verjüngungen 113, 123, eingestellt werden, bei welchen Feldstärken die Supraleitfähigkeit der Leiter 111, 121 zusammenbrechen soll. Bspw. würde die Supraleitfähigkeit bei einer engeren Verjüngung 113, 123, d. h. bei geringerer Breite bv des Leiters 111, 121 im Bereich der Verjüngung 113, 123, wegen der entsprechend höheren Stromdichte in diesem Bereich früher zusammenbrechen.
-
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass der Begriff „parallel” im Zusammenhang mit den erwähnten Spulen und/oder Leitern etc. so zu verstehen ist, dass die räumlichen Ebenen, in denen die betroffenen Spulen bzw. Leiter liegen, parallel zueinander orientiert sind. Weiterhin beziehen sich die Begriffe „über” und „unter” auf die Richtung senkrecht zu den Ebenen, in denen die Leiter 111, 121 liegen, d. h. im in der 1 dargestellten Koordinatensystem bezieht sich der Begriff „über” auf die positive z-Richtung, welche parallel zur Normalen der Ebene ist, in der bspw. der Leiter 111 liegt.
