DE102015221242A1

DE102015221242A1 - Variable Lokalspule mit Entkopplung

Info

Publication number: DE102015221242A1
Application number: DE102015221242.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Rehner
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lokalspule für einen Magnetresonanztomographen. Die Lokalspule weist eine erste und eine zweite Antennenspule auf, wobei die erste Antennenspule eine erste Kompensationsspule aufweist. Die erste Antennenspule ist mit der ersten Kompensationsspule derart verschaltet, dass durch die erste Kompensationsspule ein Strom fließt, der von einem Stromfluss durch die erste Antennenspule abhängig ist. Der Abstand der ersten Antennenspule zueinander ist veränderbar. Dabei ist der Abstand der ersten Kompensationsspule von der zweiten Antennenspule abhängig vom Abstand der beiden Antennenspulen. Die erste Kompensationsspule ist so geformt und angeordnet, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Antennenspule bei einer Relativbewegung der ersten zur zweiten Antennenspule in einem vorbestimmten Bewegungsbereich im Wesentlichen konstant ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lokalspule für einen Magnetresonanztomographen, wobei die Lokalspule eine erste und eine zweite Antennenspule aufweist. Der Abstand der zwei Antennenspulen ist entlang einer Achse zueinander veränderbar.
Magnetresonanztomographen sind bildgebende Vorrichtungen, die zur Abbildung eines Untersuchungsobjektes Kernspins des Untersuchungsobjektes mit einem starken äußeren Magnetfeld ausrichten und durch ein magnetisches Wechselfeld zur Präzession um diese Ausrichtung anregen. Die Präzession bzw. Rückkehr der Spins aus diesem angeregten in einen Zustand mit geringerer Energie wiederum erzeugt als Antwort ein magnetisches Wechselfeld, das über Antennen empfangen wird.
Mit Hilfe von magnetischen Gradientenfeldern wird den Signalen eine Ortskodierung aufgeprägt, die nachfolgend eine Zuordnung von dem empfangenen Signal zu einem Volumenelement ermöglicht. Das empfangene Signal wird dann ausgewertet und eine dreidimensionale bildgebende Darstellung des Untersuchungsobjektes bereitgestellt.
Bei einer bildgebenden Untersuchung mittels eines Magnetresonanztomographen lässt sich die erzielbare Bildqualität verbessern, wenn das empfangene Signal der durch die Kernspins verursachten magnetischen Wechselfelder ein geringes Rauschen aufweist. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen ist es, Antennen in sogenannten Lokalspulen möglichst nahe an dem zu Untersuchenden Objekt bzw. Bereich anzuordnen. Wenn die Empfindlichkeit der Spule lokal begrenzt ist, ist es auch möglich, mit mehreren Spulen gleichzeitig Signale zur Abbildung aus verschiedenen Bereichen aufzunehmen und so die Bilderfassung zu beschleunigen.
Zwischen den Antennenspulen einer Lokalspule findet jedoch ein Übersprechen statt, da die Magnetfelder einer Spule sich auch in den Außenbereich um die Antennenspule herum ausbreiten, wo sich benachbarte Antennenspulen einer Antennenmatrix befinden können, und dort Ströme induzieren.
Ein Übersprechen kann dadurch reduziert werden, indem zwei Antennenspulen um ein vorbestimmtes Maß in ihren Flächen überlappen. In diesem Fall heben sich Anteile innerhalb der Schnittmenge mit Anteilen des Magnetfeldes in Bereichen auf, an denen kein Überlapp erfolgt, da die Richtung des Magnetfeldes innerhalb einer Spule dem Außerhalb der Spule entgegengesetzt ist.
Aus der Druckschrift DE 102012109942 A1 ist eine Lokalspule mit einer Antennenspulenmatrix bekannt. Um die Lokalspule der Körperform anpassen zu können, sind die einzelnen Antennenspulen der Matrix relativ zueinander beweglich. Durch die Verschiebung gegeneinander kann sich aber die Überlappungsfläche ändern und damit ein Übersprechen verursacht werden, das den Rauschanteil des Magnetresonanzsignals erhöhen kann.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine flexible Lokalspule mit einer Mehrzahl an Antennenspulen bereitzustellen, die eine verbesserte Bildqualität liefert.
Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Lokalspule nach Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lokalspule weist eine erste und eine zweite Antennenspule auf. Die erste Antennenspule umfasst eine erste Kompensationsspule. Dabei bilden die erste Antennenspule und die erste Kompensationsspule ein elektromagnetisches System, wobei die erste Antennenspule mit der erste Kompensationsspule derart verschaltet ist, dass durch die erste Kompensationsspule ein Strom fließt, der von einem Stromfluss durch die erste Antennenspule abhängig ist. Es ist dabei denkbar, dass die erste Antennenspule und die erste Kompensationsspule einen gemeinsamen Stromkreis bilden, oder über ein elektromagnetisches Koppelelement wie eine Induktivität, Kapazität, einen Widerstand, einen Transformator oder ein aktives Element miteinander elektrisch verbunden sind.
Der Abstand der ersten Antennenspule und der zweiten Antennenspule ist entlang einer ersten Achse zueinander veränderbar, sodass z.B. die Antennenspulen gegeneinander verschoben werden können und so die Antennenmatrix an einen Körper angepasst werden kann. Als Abstand kann hier beispielsweise der Flächenschwerpunkt der Spulenflächen, insbesondere der Spulenwicklungen angesehen werden. Der Abstand der ersten Kompensationsspule von der zweiten Antennenspule ist abhängig vom Abstand der ersten Antennenspulen zu der zweiten Antennenspule, wobei die erste Kompensationsspule so geformt und angeordnet ist, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten Spulenwicklung der ersten Antennenspule und der zweiten Antennenspule bei einer Relativbewegung der ersten Antennenspule zur zweiten Antennenspule entlang der ersten Achse in einem vorbestimmten Bewegungsbereich im Wesentlichen konstant ist. Als vorbestimmten Bewegungsbereich kann hier beispielsweise 50, 20, 10 oder 5 Prozent einer Ausdehnung der ersten Antennenspule in Richtung der ersten Achse angesehen werden. Mögliche Anordnungen sind in den nachfolgenden Unteransprüchen angegeben. Im Wesentlichen kann dabei bedeuten, dass sich die Kopplung nur um 0,1 oder 1 oder 5 Prozent ändert, wenn die Antennenspulen gegeneinander verschoben werden. Da idealerweise die Kopplung bei der Wahl einer idealen Überlappungsfläche aber null ist, kann im Wesentlichen auch bedeuten, dass die Kopplung der Antennenspulen einen Wert annimmt, der kleiner als eine Kopplung ist, die einer zusätzlichen Überlappungsfläche von 1, 2, 5 oder 10 Prozent der Öffnungsfläche einer bzw. der größeren der beiden Antennenspulen entspricht.
Indem durch die Anordnung der Kompensationsspule die Kopplung der ersten und der zweiten Antennenspule im Wesentlichen auf null bzw. konstant hält, wird auch bei einer dem Körper angepassten Konfiguration der Antennenspule die Bildqualität optimiert, indem die Körpernähe ein maximales Signal liefert und das minimale Übersprechen das Rauschen reduziert.
Vorzugsweise ist die Kompensationsspule so dimensioniert und angeordnet, dass zusätzlich eingebrachten Leiterverluste klein gegenüber den Eigenverlusten der Antennenspule sind.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule sind die erste Antennenspule und die erste Kompensationsspule in Serie geschaltet. Die Polung der Kompensationsspule ist dabei so gewählt, dass bei der gewählten Anordnung von Antennenspulen und Kompensationsspule bei einer Bewegung entlang der ersten Achse sich die Veränderung der Kopplung zwischen erster und zweiter Antennenspule und erster Kompensationsspule mit der zweiten Antennenspule aufheben bzw. entgegenwirken und so die Kopplung des Systems aus erster Antennenspule mit Kompensationsspule und der zweiten Antennenspulen im Wesentlichen konstant bzw. null bleibt.
Auf einfache und kostengünstige Weise kann durch die Serienschaltung bei einer entsprechend gewählten Geometrie der Spulen die Kopplung auch bei einer Verschiebung minimiert werden.
In einer denkbaren Ausführungsform der Lokalspule weist die Lokalspule eine mechanische Kopplung der ersten Antennenspule mit der ersten Kompensationsspule derart auf, dass bei einer Bewegung der ersten Antennenspule relativ zur zweiten Antennenspule sich die elektromagnetische Kopplung der ersten Kompensationsspule und der zweiten Antennenspule entgegen läufig zur elektromagnetischen Kopplung der ersten Antennenspule mit der zweiten Antennenspule verändert. Beispielsweise könnte ein Hebel mit zentraler Drehachse die erste Kompensationsspule über die zweite Antennenspule schwenken, wenn sich die erste Antennenspule von der zweiten Antennenspule entfernt. Auch ist es denkbar, dass die Kompensationsspule an einem Trägerelement angeordnet ist und sich an einer entlang der ersten Achse der ersten Antennenspule gegenüberliegenden Seite der zweiten Antennenspule befindet und sich so über die zweite Antennenspule bewegt, wenn sich die erste Antennenspule von der zweiten Antennenspule entlang der ersten Achse entfernt
Auf vorteilhafte Weise kann durch die erfindungsgemäße Anordnung der ersten Kompensationsspule auf einfache mechanische Weise die Kopplung im Wesentlichen bei null bzw. konstant gehalten werden.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule sind die erste Antennenspule, die zweite Antennenspule und die erste Kompensationsspule in einer im Wesentlichen ebenen Fläche angeordnet. Unter im Wesentlichen eben ist dabei zu verstehen, dass eine Verschiebung entlang der ersten Achse erfolgen kann, ohne dass die jeweils andere Spule die Verschiebung im vorbestimmten Bereich beschränkt. Als eine im Wesentlichen ebene Fläche kann dabei eine Fläche angesehen werden, bei der Flächennormalen zu den von der ersten und der zweiten Antennenspule umschlossenen Flächen einen kleinen Winkel, beispielsweise kleiner als 5 Grad, 10 Grad oder 20 Grad einschließen. Die Anordnung ist dabei so gestaltet dass eine Größe einer Überdeckungsfläche, die durch die Schnittmenge einer von der ersten Antennenspule umschlossenen Fläche und einer von der ersten Kompensationsspule umschlossenen Fläche mit einer von der zweiten Antennenspule umschlossenen Fläche bestimmt ist, bei einer Bewegung entlang der ersten Achse im Wesentlichen konstant bleibt, d.h. sich höchstens um 1, 2, 5 oder 10 Prozent ändert. Als Schnittmenge wird hierbei die Fläche der Schnittmenge der Projektionen der Flächen entlang der Flächennormalen aufeinander bzw. auf eine gemeinsame Ebene angesehen.
Die Anordnung in einer im Wesentlichen ebenen Fläche erlaubt es auf vorteilhafte Weise, eine flache bzw. dünne Körperspule bereitzustellen.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule weist die zweite Antennenspule eine zweite Kompensationsspule auf. Die zweite Antennenspule und die zweite Kompensationsspule sind derart verschaltet, dass durch die zweite Kompensationsspule ein Strom fließt, der von einem Stromfluss durch die zweite Antennenspule abhängig ist. Es ist dabei denkbar, dass die zweite Antennenspule und die zweite Kompensationsspule einen gemeinsamen Stromkreis bilden, oder über ein elektrisches Koppelelement wie eine Induktivität, Kapazität, einen Widerstand, einen Transformator oder ein aktives Element miteinander elektrisch verbunden sind.
Die zweite Kompensationsspule ist dabei so geformt und angeordnet, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten Antennenspule und der zweiten Antennenspule bei einer Relativbewegung der ersten Antennenspule zur zweiten Antennenspule entlang der Achse in einem vorbestimmten Bewegungsbereich im Wesentlichen konstant ist. Dabei umfasst die Kopplung zur ersten Antennenspule die Kopplung zur ersten Kompensationsspule und/oder die Kopplung zur Spulenwicklung der ersten Antennenspule. Die Spulenwicklung bezeichnet in diesem Fall den Teil der Antennenspule, der hauptsächlich zur Bildgebung beiträgt, insbesondere ohne die Kopplungsspule. Mögliche Anordnungen sind in den nachfolgenden Unteransprüchen angegeben. Im Wesentlichen kann dabei bedeuten, dass sich die Kopplung nur um 0,1 oder 1 oder 5 Prozent ändert, wenn die Antennenspulen gegeneinander verschoben werden. Da idealerweise die Kopplung aber null ist, kann im Wesentlichen auch bedeuten, dass die Kopplung der Antennenspulen einen Wert annimmt, der kleiner als eine Kopplung ist, die einer zusätzlichen Überlappungsfläche von 1, 2, 5 oder 10 Prozent der Öffnungsfläche einer Antennenspule entspricht.
Eine zweite Kompensationsspule der zweiten Antennenspule bietet auf vorteilhafte Weise zusätzliche Freiheitsgrade in Bezug auf die Dimensionierung und Anordnung der einzelnen Komponenten der Antennenspule, die ein System von Spulenwicklung der Antennenspule und der dazugehörigen Kompensationsspule umfasst.
In einer denkbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule ist die mechanische Kopplung zwischen erster Antennenspule, erster Kompensationsspule, zweiter Antennenspule und zweiter Kompensationsspule ausgelegt, mit einem zunehmenden Abstand der ersten Antennenspule und der zweiten Antennenspule den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kompensationsspule zu verringern. So kann beispielsweise die erste Kompensationsspule zwischen der zweiten Antennenspule und der zweiten Kompensationsspule angeordnet sein und/oder die zweite Kompensationsspule zwischen der ersten Antennenspule und der ersten Kompensationsspule. Durch eine mechanische Kopplung, z.B. ein einfaches mechanisches Verbindungselement zwischen erster Kompensationsspule und erster Antennenspule und/oder zweiter Kompensationsspule und zweiter Antennenspule, nähern sich so die Kompensationsspulen aneinander an, wenn die Antennenspulen voneinander fortbewegt werden. Bei geeigneter Dimensionierung bleibt dann die Kopplung der Antennenspulen, bestehend aus der eigentlichen Spulenwicklung der Antennenspule und der Kompensationsspule, konstant.
So kann auf vorteilhafte Weise mit einfachen mechanischen Mitteln eine Kompensation der Effekte der Relativbewegung der Antennenspulen auf die Kopplung kompensiert werden.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule sind die erste Kompensationsspule und die zweite Kompensationsspule in zwei im Wesentlichen ebenen ersten Flächen angeordnet sind, die zueinander im Wesentlichen parallel sind. Im Wesentlich eben ist dabei so zu verstehen, dass die Ausdehnung der Kompensationsspulen und damit der Flächen im Bereich der Kompensationsspulen in einer Richtung der Flächennormale der von den Kompensationsspulen umschlossenen Fläche kleiner ist als 30, 10 oder 5 Prozent einer maximalen Ausdehnung der Kompensationsspulen in den ersten Flächen. Im Wesentlichen parallel ist dabei so zu verstehen, dass die Flächen oder auch deren Flächennormale einen Winkel einschließen, der kleiner als 20, 10 oder 5 Grad ist.
Flache und parallel zueinander angeordnete Kompensationsspulen erlauben auf vorteilhafte Weise eine flache Bauweise und vereinfachte Bestimmung der elektromagnetischen Kopplung.
In einer denkbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule sind die erste Antennenspule und die zweite Antennenspule in zwei im Wesentlichen ebenen zweiten Flächen angeordnet sind, die zueinander parallel sind. Dabei wird die Ausrichtung der Antennenspulen durch die Ausrichtung von flachen Spulenwicklungen zum Empfang von MRT-Signalen definiert und nicht von den Kompensationsspulen, die üblicherweise deutlich kleinere Abmessungen als die Spulenwicklungen zum Empfang der MRT-Signale aufweisen. Im Übrigen gilt in Bezug auf den Begriff „im Wesentlichen parallel“ und „eben“ das zuvor angeführte.
Für parallele und ebene Antennenspulen lässt sich auf vorteilhafte Weise die Kopplung einfach bestimmen und eine Lokalspule mit einer geringen Dicke bereitstellen.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule sind die erste Antennenspule und die zweite Antennenspule in zwei im Wesentlichen ebenen zweiten Flächen angeordnet, wobei die ersten Flächen und die zweiten Flächen im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind. Dabei ist auf im Wesentlichen ebene Flächen die zuvor angeführte Definition anwendbar. Unter im Wesentlichen senkrecht ist erfindungsgemäß zu verstehen, dass die Flächennormale der ersten Flächen mit der zweiten Flächen einen Winkel einschließt, der kleiner als 20, 10 oder 5 Grad ist oder dass er Winkel zwischen den Flächen maximal um 20, 10 oder 5 Grad von 90 Grad abweicht.
Auf vorteilhafte Weise ist das Magnetfeld der Kompensationsspule bei senkrechter Ausrichtung der zweiten Fläche, in der die Kompensationsspule angeordnet ist, im Wesentlichen parallel zur Oberfläche eines Untersuchungsobjektes ausgerichtet. Das B1-Feld der Kompensationsspule dringt daher beim Senden kaum in das Untersuchungsobjekt ein bzw. die Kompensationsspule weist eine geringe Empfindlichkeit auf für Magnetresonanzsignale aus dem Untersuchungsobjekt auf. Deshalb wird die bildgebende Messung durch die Kompensationsspule kaum direkt beeinflusst. Es wird lediglich der gewünschte Kompensationseffekt erzielt.
Im Übrigen kann durch die senkrechte Anordnung der Kompensationsspulen die dritte Dimension genutzt werden, was insbesondere bei einer Anordnung der Antennenspulen in einer flächendeckenden Matrix wichtig ist, da in der Ebene Platz für die benachbarten Spulenwicklungen der Antennenspulen benötigt wird.
In einer denkbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule weist diese eine Mehrzahl an Antennenspulen auf, insbesondere mehr als zwei. Eine Kompensation der Kopplung der ersten Antennenspulen bei einer Relativbewegung zur jeweiligen zweiten benachbarten Antennenspule erfolgt dabei nach den zuvor dargelegten Prinzipien mittels mindestens einer Kompensationsspule je benachbartem Antennenspulenpaar. In einer bevorzugten Ausführungsform sind zu einer ersten Antennenspule jeweils entlang der ersten Achse und einer zweiten Achse zweite Antennenspulen benachbart angeordnet. Dabei erstrecken sich die Achsen in zwei Dimensionen in die Fläche, insbesondere schließen die erste und die zweite Achse einen Winkel zwischen 45 Grad und 90 Grad ein. Denkbar ist auch, dass in Richtung der ersten Achse benachbarte Reihen von Antennenspulen jeweils in Richtung der zweiten Achse gegeneinander versetzt sind, beispielsweise auch alternierend. So wäre es je nach Ausführungsform denkbar, dass beispielsweise bei vier benachbarten zweiten Antennenspulen die erste Antennenspule zwei oder auch vier Kompensationsspulen aufweist.
Auf vorteilhafte Weise kann durch eine Anordnung der Antennenspulen in zwei Dimensionen auch eine größere Fläche abgedeckt werden und so ein größerer Körperbereich bildlich erfasst werden, der nicht durch die Abmessungen der Antennenspule in mindestens eine Richtung begrenzt ist.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine beispielhafte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lokalspule mit Kopplung zweier Antennenspulen;
2 eine beispielhafte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lokalspule mit Kopplung zweier Antennenspulen;
3 eine beispielhafte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lokalspule mit einer Vielzahl an Antennenspulen;
4 eine beispielhafte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lokalspule mit einer Vielzahl an Antennenspulen;
5 eine beispielhafte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lokalspule mit Kopplung zweier Antennenspulen;
6 eine beispielhafte schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Lokalspule mit Kopplung zweier Antennenspulen;
7, 8, 9 schematische Schaltbeispiele für eine elektrische Kopplung bei einer Antennenspule einer erfindungsgemäßen Lokalspule.
In 1 sind zwei Antennenspulen 10, 20 einer erfindungsgemäßen Lokalspule 1 schematisch dargestellt. Die Antennenspulen 10, 20 weisen jeweils eine Spulenwicklung 11, 21 und eine Kompensationsspule 12, 22 auf.
Die Spulenwicklungen 11, 21, die zum Empfang von Magnetresonanzsignalen aus dem Untersuchungsobjekt vorgesehen sind, sind in ersten Flächen 15, 25 angeordnet, die jeweils Teil einer Ebene sind. Üblicherweise werden die Spulenwicklungen 11, 21 für eine bildgebende Magnetresonanzaufnahme an der Oberfläche des Untersuchungsobjektes oder in unmittelbarer Nähe parallel dazu angeordnet. Die ersten Flächen 15, 25 sind annähernd parallel und mit einem Abstand zueinander angeordnet, sodass die Spulenwicklungen 11, 21 entlang der Achse 51 relativ zueinander bewegt werden können.
Dazu ist es zum Beispiel denkbar, dass die Spulenwicklungen 11, 21 mittels Abstandshaltern gleitend aneinander befestigt sind. Die Abstandshalter sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Beispielsweise ist es denkbar, dass an der ersten Spulenwicklung 11 an zwei senkrecht zur Achse 51 gegenüberliegenden Seiten der Spulenwicklung 11 zwei Ringe befestigt sind, die korrespondierende Schenkel der darunterliegenden zweiten Spulenwicklung 21 umschließen und so ein Gleiten der Antennenspulen 10, 20 relativ zueinander in festem Abstand entlang der Achse 51 ermöglichen. Denkbar sind auch jeweils zwei weitere Ringe, die in Richtung der Achse 51 beabstandet zu den anderen Ringen an der ersten Antennenspule 11 angeordnet sind und ein Verkippen zur Achse 51 verhindern.
Denkbar sind gemäß der Erfindung aber auch alle anderen Einrichtungen, die ein Verschieben der ersten Antennenspule 10 entlang der Achse 51 relativ zur zweiten Antennenspule 20 ermöglichen, beispielsweise ineinandergreifende Schienen oder Profile.
Die Kompensationsspulen 12, 22 sind in zweiten ebenen Flächen 16, 26, die Teil von Ebenen sind, senkrecht zu den ersten Flächen 15, 25 mit den Spulenwicklungen 11, 21 angeordnet. Durch die senkrechte Anordnung der Kompensationsspulen 12, 22 sind diese bei einer Magnetresonanztomographie im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Untersuchungsobjektes angeordnet, sodass die Kompensationsspulen eine geringe Empfindlichkeit für Magnetresonanzsignale aus dem Untersuchungsobjekt aufweisen bzw. von den Kompensationsspulen 12, 22 erzeugte Magnetfelder, hier mit Φ_T bezeichnet, nur geringfügig in das Untersuchungsobjekt streuen. Dabei kann die Ausrichtung der Spulenwicklungen 11, 21 zu den Kompensationsspulen 12, 22 auch von der senkrechten Ausrichtung um 5, 10 oder 20 Grad abweichen. Vorzugsweise sind dabei die zweiten Flächen 16, 26, in denen die Kompensationsspulen 12, 22 angeordnet sind, zueinander im Wesentlichen parallel, d.h. sie schließen einen Winkel kleiner 20, 10 oder 5 Grad ein.
Dabei sind die Kompensationsspulen 12, 22 vorzugsweise entlang einer gemeinsamen Achse 52 angeordnet, wobei die Achse 52 parallel zu der Achse 51 ist, sodass die Projektion der Fläche der ersten Kompensationsspule 12 auf die zweite Kompensationsspule 22 entlang der Achse 52 eine möglichst große Fläche bildet. Die zweiten Flächen 16, 26 sind daher vorzugsweise auch im Wesentlichen senkrecht zu der zweiten Achse 52 ausgerichtet, wobei eine Abweichung um 5, 10 oder 20 Grad ebenfalls denkbar ist. Auf diese Weise sind die gegenüberstehenden Querschnittsflächen der Kompensationsspulen 12, 22 bei einer Relativbewegung der Antennenspulen 10, 20 entlang der Achse 51 möglichst groß und damit eine Kopplung durch Magnetfelder maximal.
Erfindungsgemäß sind die Kompensationsspulen 12, 22 dabei so angeordnet, dass der Effekt einer Relativbewegung der ersten Antennenspule 10 zu der zweiten Antennenspule eine Änderung der Kopplung der Spulenwicklungen 11, 21 gerade durch die Abstandsänderung der Kompensationsspulen und der damit verbundenen Änderung der Kopplung der Kompensationsspulen ausgeglichen wird.
In der Ausführungsform der 1 wird dies zum einen dadurch erreicht, dass die Kompensationsspulen 12, 22 jeweils an einem Rand der Spulenwicklung 11, 21 angeordnet sind, der sich quer zur Achse 51 erstreckt und jeweils über der von der anderen Spulenwicklung 21, 11 umschlossenen Fläche, also über dem Überlappungsbereich der beiden Spulenwicklungen 11, 21. Folglich verringert sich der Abstand der Kompensationsspulen 12, 22, wenn der Abstand der Antennenspulen 10, 20 durch Verschieben entlang der Achse 51 vergrößert wird, und die Kopplung der Kompensationsspulen nimmt zu, während die Überlappungsfläche der Spulenwicklungen 11, 21 verringert wird. Als Abstand der Antennenspulen 10, 20 kann hier beispielsweise der Flächenschwerpunkt der Antennenspulen 10, 20, insbesondere der Flächenschwerpunkt der Spulenwicklungen 11, 21 angesehen werden. Bei geeigneter Wahl der Eigenschaften der Kompensationsspulen, beispielsweise Fläche und Windungsanzahl, kann so erreicht werden, dass die Änderung der Kopplung der Spulenwicklungen 11, 21 in einem vorbestimmten Bewegungsbereich gerade kompensiert wird. Der vorbestimmte Bewegungsbereich kann dabei beispielsweise 5, 10 oder 20 Prozent der Ausdehnung einer Spulenwicklung in Richtung der Achse 51 betragen.
Es sind aber auch andere Ausführungsformen denkbar, bei denen auf mechanischem Weg eine Änderung der Überlappungsfläche von erster Spulenwicklung 11 und zweiter Spulenwicklung 21 durch eine Bewegung der Kompensationsspule 12, 22 kompensiert wird. Beispielsweise wäre es denkbar, dass die Kompensationsspule 12 bzw. die Kompensationsspulen 12, 22 auf einem zweiseitigen Hebelarm angeordnet ist, der um ein relativ zu den Spulenwicklungen 11, 21 festen Drehpunkt drehbar ist. Ein Ende des Hebelarms ist mit der jeweils anderen Spulenwicklung 21, 11 verbunden, sodass der Hebelarm um den Drehpunkt schwenkt, wenn sich die erste Spulenwicklung 11 relativ zu der zweiten Spulenwicklung 21 bewegt. Auf diese Weise kann die Anordnung der Kompensationsspulen 12, 22 flexibler gestaltet werden. Insbesondere ist es dann möglich, die Lokalspule zusammenzusetzen, ohne dass zwei Antennenspulen mechanisch miteinander verschränkt sind. Dies kann bei komplexeren Lokalspulen mit einer Vielzahl von Antennenspulen vorteilhaft sein.
In allen Ausführungsformen ist es dabei erforderlich, die Kompensationsspule 12, 22 auch elektrisch mit der Spulenwicklung 11, 21 der Antennenspule 10, 20 zu verknüpfen. Im einfachsten Fall kann dazu die Spulenwicklung 11, 21 an der Stelle, an der die Kompensationsspule 12, 22 angeordnet ist, unterbrochen und mit der Kompensationsspule 12, 22 in Serie geschaltet sein. Die Polarität ist dabei abhängig von dem Windungssinn der Kompensationsspulen 12 und dem Windungssinn der korrespondierenden Kompensationsspule 22 sowie deren Verschaltung so zu wählen, sodass die Kopplung der Kompensationsspulen 12, 22 gerade der Kopplungsänderung der Spulenwicklungen 11, 21 entgegenwirkt.
Ebenso sind aber eine kapazitive, induktive Ankopplung oder Ankopplung durch ein aktives Bauelement der Kompensationsspulen 12, 22 an die Spulenwicklungen 11, 21 denkbar.
7, 8 und 9 zeigen dazu einige schematische Schaltungsbeispiele für die elektrische Kopplung von Spulenwicklung 11, 21 und Kompensationsspule 12, 22.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lokalspule 1 mit Antennenspulen 10, 20 dargestellt. Gleiche Referenzzeichen bezeichnen gleiche Gegenstände.
In 2 sind die zweiten Flächen 16, 26 nicht senkrecht zu der Achse 51, sondern parallel dazu angeordnet. Entsprechend sind die Kompensationsspulen an den Rändern der Spulenwicklung angeordnet, die parallel zu der Achse 51 verlaufen. Die zweiten Flächen 16, 26 bzw. die Kompensationsspulen 12, 22 sind auch hier im Wesentlichen senkrecht zu den ersten Flächen 15, 25 ausgerichtet. Die veränderliche Kopplung zwischen den Kompensationsspulen wird hier erreicht, indem die Kompensationsspulen 12, 22 mit den Spulenwicklungen 11, 21 parallel zu den zweiten Flächen 16, 26 in Richtung der Achse 51 verschoben werden. Dabei ändert sich nicht der Abstand in Richtung der Flächennormalen der zweiten Flächen 16, 26, sondern in der Ebene der Flächennormalen 16, 26. Es ändert sich also vergleichbar zu den Spulenwicklungen 11, 21 die Überlappungsfläche. Indem die Kompensationsspule 12, 22 in Richtung der Achse 51 beabstandet zu der jeweiligen Spulenwicklung 11, 21 in Richtung zu der korrespondierenden Partner-Spulenwicklung 21, 11, aber mechanisch mit dieser verkoppelt ist, wird es möglich, dass sich die Überlappungsfläche der Kompensationsspulen 12, 22 vergrößert, wenn sich die Überlappungsfläche der Spulenwicklungen 11, 21 verkleinert und umgekehrt. Im einfachsten Fall weist z.B. die Spulenwicklung 11 eine stabförmige Verlängerung entlang der Richtung der Achse 51 hin zu der Spulenwicklung 21 auf, an der die Kompensationsspule 12 angeordnet ist. In diesem Fall weist auch die Spulenwicklung 21 eine stabförmige Verlängerung entlang der Richtung der Achse 51 hin zu der Spulenwicklung 11 auf, an der die Kompensationsspule 22 angeordnet ist.
Durch eine entsprechende Form von Außenkonturen der Kompensationsspulen 12, 22 kann auch ein nichtlinearer Verlauf der Kopplung der Kompensationsspulen erzeugt werden. Während bei einer rechteckigen Form ein in erster Näherung linearer Verlauf der Kopplung zu erwarten ist, da auch die Überlappungsfläche linear mit der Verschiebung ist, kann durch einen kreisförmigen Verlauf der Außenkonturen ein progressiver Anstieg der Kopplung der Kompensationsspulen 12, 22 erzielt werden, zumindest, bis eine vollständige Überlappung erfolgt ist. Entsprechend sind durch die Außenkontur in weitem Rahmen unterschiedliche Verläufe der Kopplung vorgebbar.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Fortbildung der Antennenspulen von 2. Gleiche Gegenstände sind mit gleichen Referenzzeichen bezeichnet. Zur besseren Übersicht sind nicht alle Gegenstände und Bezeichnungen der 1 und 2 dargestellt, die Lehren der 1 und 2 sind jedoch sinngemäß anzuwenden.
Der Gegenstand der 3 unterscheidet sich von dem Gegenstand der 2 dadurch, dass eine Vielzahl von Antennenspulen 10, 20 in einer Matrix angeordnet sind. Dabei sind jeweils die Antennenspulen, die aneinander in Richtung der Achse 51 angrenzen, mit Kompensationsspulen 12, 13, 22 entkoppelt. Zu diesem Zweck weist die Antennenspule 10 in diesem Ausführungsbeispiel eine weitere dritte Kompensationsspule 13 auf. Diese ist entlang der Achse 51 in entgegengesetzter Richtung zu der ersten Kompensationsspule 12 angeordnet. Wie schon zu 2 in Bezug auf die Antennenspulen 10 und 20 erläutert, erfolgt auch eine Entkopplung der Antennenspulen 10 und 30 mittels der dritten Kompensationsspule 13 der Antennenspule 10 und der Kompensationsspule 32 der Antennenspule 30. Die zu 2 ausgeführten Details gelten in gleicher Weise für die 2 und werden daher an dieser Stelle nicht wiederholt.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Fortbildung der Antennenspulen von 1. Gleiche Gegenstände sind mit gleichen Referenzzeichen bezeichnet. Zur besseren Übersicht sind nicht alle Gegenstände und Bezeichnungen der 1 übernommen, sind jedoch sinngemäß anzuwenden.
Der Gegenstand der 4 unterscheidet sich von dem Gegenstand der 1 dadurch, dass eine Vielzahl von Antennenspulen 10, 20 in einer Matrix angeordnet sind. Dabei sind jeweils die Antennenspulen, die aneinander in Richtung der Achse 51 angrenzen, mit Kompensationsspulen 12, 13, 22 entkoppelt. Zu diesem Zweck weist die Antennenspule 10 in diesem Ausführungsbeispiel eine weitere dritte Kompensationsspule 13 auf. Diese ist entlang der Achse 51 in entgegengesetzter Richtung zu der ersten Kompensationsspule 12 angeordnet. Wie schon zu 1 in Bezug auf die Antennenspulen 10 und 20 erläutert, erfolgt auch eine Entkopplung der Antennenspulen 10 und 30 mittels der dritten Kompensationsspule 13 der Antennenspule 10 und der Kompensationsspule 32 der Antennenspule 30.
In Erweiterung der 3 erfolgt in 4 auch eine Entkopplung mit der dritten Kompensationsspule 14 zu der in Richtung der Achse 52 benachbarten vierten Antennenspule 40. Auch in Bezug auf diese Entkopplung gelten die zu 1 ausgeführten Details in gleicher Weise für die 1 und werden daher an dieser Stelle nicht wiederholt.
In Ergänzung zu der Ausführungsform der 4 ist auch eine erfindungsgemäße Lokalspule 1 mit einer Vielzahl von Antennenspulen 10, 20 denkbar, die sich als zweidimensionale Matrix über eine Fläche erstrecken. Dabei ist eine Antennenspule jeweils von vier benachbarten Antennenspulen umgeben, wobei an jeder Seite der Antennenspule in Richtung zu der jeweils benachbarten Antennenspule eine Kompensationsspule vorgesehen ist, wie sie in 1 und 2 für jeweils ein Paar von Antennenspulen dargestellt ist und in 3 und 4 für zwei Nachbarspulen bzw. 3 Nachbarspulen dargestellt sind.
In 5 ist eine erfindungsgemäße Lokalspule dargestellt, bei der nur eine erste Antennenspule 10 neben der ersten Spulenwicklung 11 auch eine Kompensationsspule 12 aufweist. Die zweite Antennenspule 20 weist lediglich eine zweite Spulenwicklung 21 auf und keine Kompensationsspule. Die Kompensationsspule 12 ist dabei im Wesentlichen in einer Ebene mit der ersten Spulenwicklung 11 angeordnet, die wiederum im Wesentlichen parallel zu der zweiten Spulenwicklung 21 angeordnet ist. Die Kompensationsspule 12 ist dabei derart angeordnet, dass sie an einer in der Richtung der Achse 51 zur ersten Spulenwicklung 11 entgegengesetzten Seite der zweiten Spulenwicklung 21 mit der Spulenwicklung 21 überlappt.
Der Kompensationseffekt wird dadurch erreicht, dass die erste Kompensationsspule 12 mit der ersten Spulenwicklung 11 mechanisch gekoppelt ist, sodass sie sich bei einer Bewegung der ersten Spulenwicklung 11 entlang der Achse 51 mit dieser in die gleiche Richtung entlang der Achse 51 bewegt. Auf diese Weise wird bei wachsender Überlappungsfläche der ersten Spulenwicklung 11 und der zweiten Spulenwicklung 21 die Überlappungsfläche der zweiten Spulenwicklung 21 und der ersten Kompensationsspule 12 kleiner. Bei Bewegung in umgekehrter Richtung entlang der Achse 51 kehrt sich der Effekt um. Durch geeignete Wahl der Fläche, Form und Windungszahl der zweiten Kompensationsspule 12 kann auf diese Weise die Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Antennenspule im Wesentlichen konstant gehalten werden.
Im Übrigen gelten auch hier die zu den vorhergehenden Figuren gemachten Ausführungen, beispielsweise in Bezug auf die elektrische und mechanische Kopplung. Beispielsweise könnte die Bewegung der Kompensationsspule auch über einen Schwenkmechanismus gesteuert werden.
In 6 wird eine weitere mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lokalspule 1 mit zwei Antennenspulen 10 und 20 schematisch dargestellt. Dabei ist die Ausführungsform der 6 nicht auf 2 Antennenspulen beschränkt, sondern kann auch wie in 4 auf eine Matrix mit einer Vielzahl von Antennenspulen angewendet werden. Gleiche Gegenstände sind wieder mit gleichen Referenzzeichen versehen.
Die Lokalspule 1 der 6 unterscheidet sich von dem Gegenstand der 5 dadurch, dass nur die erste Antennenspule 10 zusätzlich zu der Spulenwicklung 11 auch eine Kompensationsspule 12 zur Wechselwirkung mit der zweiten Antennenspule 20 aufweist, die zweite Antennenspule 20 aber keine Kompensationsspule zur Wechselwirkung mit der ersten Antennenspule 10. Es ist aber bei einer Erweiterung zu einer Matrix von Antennenspulen denkbar, dass jede Antennenspule 10, 20 jeweils zwei Kompensationsspulen 12, 14 zur Wechselwirkung mit dem nächsten Nachbarn in zwei matrixübergreifenden Vorzugsrichtungen aufweist, auf die 6 angewendet beispielsweise nach rechts und nach oben.
Die Kompensationsspule 12 ist im Wesentlichen senkrecht zu der umschlossenen Fläche der Spulenwicklung und im Wesentlichen senkrecht zu der Achse 51 ausgerichtet, in der die beiden Antennenspulen 10, 20 relativ zueinander verschiebbar sind. Im Wesentlichen senkrecht ist auch hier im bereits dargelegten Sinn zu interpretieren. Die elektromagnetische Kopplung erfolgt dabei zwischen der Spulenwicklung 21 und der Kompensationsspule 12 durch Magnetfeldkomponenten der Spulenwicklung 21, die senkrecht durch die Fläche der Kompensationsspule 12 treten. Die Kompensationsspule ist daher vorzugsweise im Wesentlichen mittig in Bezug auf die Ausdehnung der Spulenwicklung 21 in Richtung der Achse 52 angeordnet. Gleichzeitig ändert die Kopplung der Kompensationsspule 12 nicht das Vorzeichen, wenn die Kompensationsspule 12 von der von Spulenwicklung 21 umschlossenen Fläche nach außerhalb der umschlossenen Fläche wechselt, denn die Magnetfeldkomponente parallel zur Achse 51 der Spulenwicklung 21 wechselt dabei nicht das Vorzeichen. Die Kompensationsspule ist deshalb vorzugsweise so angeordnet, dass sie im ganzen möglichen Verschiebungsbereich der Antennenspule 10 relativ zur Antennenspule 20 nicht vom Innenbereich der Spulenwicklung 21 in den Außenbereich wechselt bzw. umgekehrt. Schließlich ist die Kompensationsspule 12 vorzugsweise ganz oberhalb oder unterhalb, jedoch nicht innerhalb der Ebene angeordnet, in der sich die Spulenwicklung 21 befindet. Bei einer Anordnung innerhalb der Ebene sind zum einen Magnetfeldkomponenten des Magnetfeldes der Spulenwicklung 21 in Richtung der Achse 51 minimal, zum anderen ist die Richtung oberhalb und unterhalb der Ebene entgegengesetzt, sodass sich beide Anteile aufheben.
Die 7, 8 und 9 zeigen schematisch verschiedene Möglichkeiten zur elektrischen Ankopplung bzw. Verbindung der Spulenwicklung 11 mit der Kompensationsspule 12 einer Antennenspule 10.
In 7 ist eine ohmsche Kopplung dargestellt, bei der die Spulenwicklung 11 der Antennenspule 10 mit der Kompensationsspule 12 in Reihe geschaltet ist. Vorzugsweise ist die Verbindung zwischen der Kompensationsspule 12 und der Spulenwicklung 11 möglichst kurz und niederohmig, sodass die Güte der Spulenwicklung 11 möglichst unverändert bleibt. Beispielsweise kann die Kompensationsspule 12 wie in 1 dargestellt, unmittelbar an einer Unterbrechung der Spulenwicklung 11 angeordnet sein und diese elektrisch überbrücken.
In 8 ist eine kapazitive Kopplung dargestellt. Die Kompensationsspule 12 ist parallel zu der Spulenwicklung 11 über einen oder mehrere Koppelkondensatoren 17 geschaltet.
In 9 ist eine induktive Kopplung dargestellt. Dazu ist in Serie zu der Spulenwicklung ein Transformator 18 vorgesehen, der in Serie zu der Spulenwicklung 11 geschaltet ist. Die induktive Kopplung erlaubt eine flexible Ankopplung unabhängig von den geometrischen Abmessungen der Spulenwicklung 11 oder der Kompensationsspule 12. Denkbar ist dabei auch, dass ein Teil der Spulenwicklung 11 ein Teil der Primärwicklung des Transformators 18 ist und/oder ein Teil der Kompensationsspule 12 ein Teil der Sekundärwicklung ist.
Die dargestellten elektrischen Koppelarten sind auf alle dargestellten Spulenwicklungen und Kompensationsspulen anwendbar und nicht auf die Antennenspule 10 beschränkt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012109942 A1 [0007]

Claims

Lokalspule für einen Magnetresonanztomographen, wobei die Lokalspule (1) eine erste Antennenspule (10) und eine zweite Antennenspule (20) aufweist, wobei die erste Antennenspule (10) eine erste Kompensationsspule (12) aufweist und die erste Antennenspule (10) mit der ersten Kompensationsspule (12) derart verschaltet ist, dass durch die erste Kompensationsspule (12) ein Strom fließt, der von einem Stromfluss durch die erste Antennenspule (10) abhängig ist, wobei der Abstand der ersten Antennenspule (10) und der zweiten Antennenspule (20) entlang einer Achse (51) zueinander veränderbar ist und der Abstand der ersten Kompensationsspule (12) von der zweiten Antennenspule (20) abhängig vom Abstand der ersten Antennenspule (10) zu der zweiten Antennenspule (20) ist, wobei die erste Kompensationsspule (12) so geformt und angeordnet ist, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten Antennenspule (10) und der zweiten Antennenspule (20) bei einer Relativbewegung der ersten Antennenspule (10) zur zweiten Antennenspule (20) entlang der ersten Achse (51) in einem vorbestimmten Bewegungsbereich im Wesentlichen konstant ist.
Lokalspule nach Anspruch 1, wobei die erste Antennenspule (11) und die erste Kompensationsspule (12) in Serie geschaltet sind.
Lokalspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Lokalspule (1) eine mechanische Kopplung der ersten Antennenspule (10) mit der ersten Kompensationsspule (12) derart aufweist, dass bei einer Bewegung der ersten Antennenspule (10) relativ zur zweiten Antennenspule (20) sich die elektromagnetische Kopplung der ersten Kompensationsspule (12) und der zweiten Antennenspule (20) entgegen läufig zur elektromagnetischen Kopplung der ersten Spulenwicklung (11) mit der zweiten Antennenspule (20) verändert.
Lokalspule nach Anspruch 3, wobei die erste Antennenspule (10), die zweite Antennenspule (20) und die erste Kompensationsspule (12) in einer im Wesentlich ebenen Fläche derart angeordnet sind, dass eine Größe einer Überdeckungsfläche, die durch die Schnittmenge einer von der ersten Antennenspule (10) umschlossenen Fläche und einer von der ersten Kompensationsspule (12) umschlossenen Fläche mit einer von der zweiten Antennenspule (20) umschlossenen Fläche bestimmt ist, bei einer Bewegung entlang der ersten Achse (51) im Wesentlichen konstant bleibt.
Lokalspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die zweite Antennenspule (20) eine zweite Kompensationsspule (22) aufweist und die zweite Antennenspule (20) und die zweite Kompensationsspule (22) derart verschaltet sind, dass durch die zweite Kompensationsspule (22) ein Strom fließt, der von einem Stromfluss durch die zweite Antennenspule (20) abhängig ist, wobei die zweite Kompensationsspule (22) so geformt und angeordnet ist, dass eine elektromagnetische Kopplung zwischen der ersten Antennenspule (10) und der zweiten Antennenspule (20) bei einer Relativbewegung der ersten Antennenspule (10) zur zweiten Antennenspule (20) entlang der ersten Achse (51) in einem vorbestimmten Bewegungsbereich im Wesentlichen konstant ist.
Lokalspule nach Anspruch 5, wobei die mechanische Kopplung zwischen erster Antennenspule (10), erster Kompensationsspule (12), zweiter Antennenspule (20) und zweiter Kompensationsspule (22) ausgelegt ist, mit einem zunehmenden Abstand der ersten Antennenspule (10) und der zweiten Antennenspule (20) den Abstand zwischen der ersten Kompensationsspule (12) und der zweiten Kompensationsspule (22) zu verringern.
Lokalspule nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die erste Kompensationsspule (12) und die zweite Kompensationsspule (22) in zwei im Wesentlichen ebenen ersten Flächen (15, 25) angeordnet sind, die zu einander parallel sind.
Lokalspule nach Anspruch 7, wobei die erste Antennenspule (10) und die zweite Antennenspule (20) in zwei im Wesentlichen ebenen zweiten Flächen (16, 26) angeordnet sind, wobei die ersten Flächen (15, 25) und die zweiten Flächen (16, 26) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Lokalspule nach Anspruch 8, wobei die ersten Flächen (15, 25) und die zweiten Flächen (16, 26) im Wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind.
Lokalspule nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Mehrzahl an Antennenspulen (10, 20, 30), wobei zu einer ersten Antennenspule (10) jeweils entlang der ersten Achse und einer zweiten Achse zweite Antennenspulen (20, 30) benachbart angeordnet sind, wobei die erste und die zweite Achse einen Winkel zwischen 45 Grad und 90 Grad einschließen.