DE102018201476A1

DE102018201476A1 - Lokalspule für Magnetresonanztomograph

Info

Publication number: DE102018201476A1
Application number: DE102018201476.0A
Authority: DE
Inventors: Helmut Greim; Robert Rehner; Markus Vester
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2019-08-01
Also published as: US20190235034A1; US10690736B2; CN209746108U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lokalspule für einen Magnetresonanztomographen. Die Lokalspule weist eine Spulenwicklungen und einen damit elektrisch verbundenen Vorverstärker auf. Die erste Spulenwicklung weist eine Mehrzahl an Spulensegmenten auf, die kapazitiv miteinander gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lokalspule für einen Magnetresonanztomographen. Die Lokalspule weist eine erste Spulenwicklungen und einen damit elektrisch verbundenen ersten Vorverstärker auf.
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, auch als Magnetresonanzsignal bezeichnet, 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. Die erzeugte Darstellung gibt eine räumliche Dichteverteilung der Spins an.
Üblicherweise werden heute in Magnetresonanztomographen Magnetfelder von 1,5 Tesla, 3 Tesla oder höher als BO-Feld zur Ausrichtung der Kernspins verwendet. Da die Larmorfrequenz mit der BO-Feldstärke linear ansteigt, verschiebt sich die Larmorfrequenz in Bereiche von 70 MHz bis hin zu 150MHz und darüber. Dies bringt den Vorteil, dass bei einer höheren Frequenz Rauschanteile abnehmen. Die dazu erforderlichen Magnete werden aber gleichzeitig wegen der wachsenden inneren Kräfte immer schwerer und teurer. Auch nehmen die in den Feldern gespeicherten Energien zu, sodass für einen Ausfall der Supraleitung immer aufwändigere Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden müssen.
Insbesondere für kostengünstige Magnetresonanztomographen besteht daher ein Interesse, die erforderlichen Aufwände für den Feldmagneten zu reduzieren.
Bei niedrigeren BO-Feldstärken und den entsprechend niedrigeren Larmorfrequenzen ist das Verhältnis von Größe der Lokalspule zur Wellenlänge noch ungünstiger. Eine Resonanz für den Empfang kann nur durch mehrere sogenannte Verkürzungskondensatoren erreicht werden, die entsprechend Platz benötigen und die Kosten erhöhen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und einfach zu fertigende Lokalspulenmatrix und insbesondere für niedrige Larmorfrequenzen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Lokalspule nach Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lokalspule weist eine erste Spulenwicklungen und einen damit elektrisch verbundenen ersten Vorverstärker auf, wobei die erste Spulenwicklung eine Mehrzahl an Spulensegmenten aufweist, die kapazitiv und nicht ohmsch miteinander gekoppelt sind. Als Spulensegmente werden dabei im Sinne der Erfindung zusammenhängende Leiterabschnitte angesehen, die sich zumindest teilweise entlang der Spulenwicklung erstrecken.
Durch die Bereitstellung der Kapazitäten durch die Spulensegmente selbst kann auf vorteilhafte Weise auf separate Kondensatoren verzichtet werden und die Spule kompakter und günstiger bereitgestellt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einer denkbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule sind Leiter von mindestens zwei unterschiedlichen der Spulensegmente entlang eines wesentlichen Anteils ihrer Längserstreckung zueinander benachbart angeordnet. Als wesentlichen Anteil der Länge kann ein Anteil von mehr als 10%, 20%, 50% oder 70% der Länge des Segments angesehen werden. Als benachbart kann ein Abstand, gegeben durch ein Isoliermaterial, beispielsweise durch einen Isolierlack oder einer Leiterplatte als Trägermaterial, flexibel oder starr, angesehen werden, beispielsweise ein Abstand von weniger als 0,1 mm, 0,2 mm, 0,5mm oder 1 mm angesehen werden.
Dabei ist es auch denkbar, dass eine Vielzahl von Spulensegmenten zueinander benachbart ist. Es ist zum Beispiel möglich, die Spulenwicklung aus einer Art Litze bereitzustellen, deren einzelne Filamente voneinander isoliert und mehrfach über den Umfang der der Spulenwicklung unterbrochen sind, sodass eine Vielzahl an ohmsch voneinander isolierten Segmenten bereitgestellt wird.
Auf vorteilhafte Weise stellt die benachbarte Anordnung der Spulensegmente eine kapazitive Kopplung dar, die auf platzsparende Weise Koppelkondensatoren ersetzt.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule weist die erste Spulenwicklung ein Koaxialkabel auf. Die elektrischen Leiter der zwei unterschiedlichen Spulensegmente werden dabei jeweils durch einen Außenleiter und einen Innenleiter des Koaxialkabels bereitgestellt.
Auf kostengünstige Weise können benachbarte Spulensegmente auch durch Außenleiter und Innenleiter eines Koaxialkabels bereitgestellt werden. Dabei können Außen- und/oder Innenleiter durch Unterbrechungen vorzugsweise an unterschiedlichen zueinander versetzten Stellen entlang der Längserstreckung in unterschiedliche Segmente aufgeteilt sein, die nur teilweise, aber nicht über die ganze Länge durch das Dielektrikum zueinander benachbart angeordnet sind.
In einer denkbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lokalspule ist der Innenleiter des Koaxialkabels als eine bis auf eine Unterbrechungsstelle geschlossene Schleife ausgeführt, wobei die Unterbrechungsstelle durch einen schließbaren Schalter überbrückt bar ist.
Durch den schließbaren Schalter kann auf vorteilhafte Weise die Resonanzfrequenz bzw. Impedanz der Lokalspulenwicklung verändert werden und so die Lokalspule zum Schutz des Patienten und des Vorverstärkers verstimmt werden.
In einer möglichen Ausführungsform der Lokalspule ist der schließbare Schalter eine PIN-Diode oder ein MEMS-Schalter.
Je nach Anordnung der Unterbrechung relativ zum Einspeisepunkt kann dabei die maximale Verstimmung bei geschlossenem oder offenem Schalter erzielt werden. So kann auf Vorteilhafte Weise eine PIN-Diode gegenüber dem Einspeisepunkt angeordnet werden, sodass ein hoher Vorwärtsstrom zur Verstimmung nur während des Anregungspulses benötigt wird, während ein Schalter wie ein MEMS ohne Energieverbrauch im geschalteten Zustand auch in der Nähe des Speisepunktes denkbar ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:

1 eine schematische Darstellung eines Magnetresonanztomographen mit einer erfindungsgemäße Lokalspule;
2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Spulenwicklung einer erfindungsgemäßen Lokalspule;
3 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Spulenwicklung einer erfindungsgemäßen Lokalspule;
4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltung zum Verstimmen einer erfindungsgemäßen Lokalspule;
5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltung zum Verstimmen einer erfindungsgemäßen Lokalspule.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Magnetresonanztomographen 1 mit einer erfindungsgemäßen Lokalspule.
Die Magneteinheit 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der ein statisches Magnetfeld B0 zur Ausrichtung von Kernspins von Proben bzw. in einem Körper eines Patienten 40 in einem Aufnahmebereich erzeugt. Der Aufnahmebereich ist in einem Patiententunnel 16 angeordnet, der sich in einer Längsrichtung 2 durch die Magneteinheit 10 erstreckt. In der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetresonanztomographen 1 handelt es sich bei dem Feldmagneten 11 um einen supraleitenden Magneten. Prinzipiell können auch Permanentmagnete oder Elektromagnete mit normalleitenden Spulen Verwendung finden.
Weiterhin weist die Magneteinheit 10 Gradientenspulen 12 auf, die dazu ausgelegt sind, zur räumlichen Differenzierung der erfassten Abbildungsbereiche in dem Untersuchungsvolumen dem Magnetfeld B0 variable Magnetfelder in drei Raumrichtungen zu überlagern. Die Gradientenspulen 12 sind üblicherweise Spulen aus normalleitenden Drähten, die zueinander orthogonale Felder in dem Untersuchungsvolumen erzeugen können.
Die Magneteinheit 10 weist ebenfalls eine Körperspule 14 auf, die dazu ausgelegt ist, ein über eine Signalleitung zugeführtes Hochfrequenzsignal in das Untersuchungsvolumen abzustrahlen und von dem Patient 40 emittierte Resonanzsignale zu empfangen und über eine Signalleitung abzugeben. Weiterhin weist der Magnetresonanztomograph eine oder mehrere Lokalspulen 50 auf, die in dem Patiententunnel 16 nahe am Patient 40 angeordnet sind. Die Lokalspule 50 kann eine oder mehrere Spulenwicklungen 51 aufweisen. Die erfindungsgemäßen Lokalspulen 50 werden zu den nachfolgenden 2 bis 5 näher erläutert.
Eine Steuereinheit 20 versorgt die Magneteinheit 10 mit den verschiedenen Signalen für die Gradientenspulen 12 und die Körperspule 14 und wertet die empfangenen Signale aus.
So weist die Steuereinheit 20 eine Gradientenansteuerung 21 auf, die dazu ausgelegt ist, die Gradientenspulen 12 über Zuleitungen mit variablen Strömen zu versorgen, welche zeitlich koordiniert die erwünschten Gradientenfelder in dem Untersuchungsvolumen bereitstellen.
Weiterhin weist die Steuereinheit 20 eine Hochfrequenzeinheit 22 auf, die ausgelegt ist, einen Hochfrequenz-Puls mit einem vorgegebenen zeitlichen Verlauf, Amplitude und spektraler Leistungsverteilung zur Anregung einer Magnetresonanz der Kernspins in dem Patienten 40 zu erzeugen. Dabei können Pulsleistungen im Bereich von Kilowatt erreicht werden. Die Hochfrequenzeinheit 22 weist dazu einen Hochfrequenzgenerator auf, der beispielsweise als Frequenzsynthesizer implementiert sein kann, der durch numerische Werte gesteuert wird. Die einzelnen Einheiten sind über einen Signalbus 25 untereinander verbunden.
Das von der Hochfrequenzeinheit 22 erzeugte Hochfrequenzsignal wird über eine Signalverbindung der Körperspule 14 zugeführt und in den Patiententunnel 16 abgestrahlt. Denkbar ist aber auch ein Aussenden des Hochfrequenzsignals über eine Lokalspule 50, die an dem Patienten 40 angeordnet ist.
Die Lokalspule 50 empfängt dann vorzugsweise ein Magnetresonanzsignal aus dem Körper des Patienten 40, denn aufgrund des geringen Abstandes ist das Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR) der Lokalspule 50 besser als bei einem Empfang durch die Körperspule 14. Das von der Lokalspule 50 empfangene MR-Signal wird in der Lokalspule 50 aufbereitet und an die Hochfrequenzeinheit 22 des Magnetresonanztomographen 1 zur Auswertung und Bilderfassung weitergeleitet. Vorzugsweise wird dazu ebenfalls die Signalverbindung 70 genutzt, es sind aber auch separate Signalverbindungen oder eine drahtlose Übertragung denkbar.
In 2 ist eine beispielhafte Spulenwicklung 51 einer erfindungsgemäßen Lokalspule 50 dargestellt. Die Spulenwicklung 51 weist mehrere Spulensegmente 52, 53 auf. Das erste Spulensegment 52 wird dabei von einem Außenleiter eines Koaxialkabels gebildet, das zweite Spulensegment 53 von dem Innenleiter des Koaxialkabels. Beide Spulensegmente 52, 53 sind dabei von einem Dielektrikum getrennt. Das erste Spulensegment 52, das zweite Spulensegment 53 und das Dielektrikum dazwischen bilden eine Kapazität, die das erste Spulensegment 52 und das zweite Spulensegment 53 als Verlängerungskapazität elektrisch miteinander verbinden.
Dabei ist es denkbar, dass mehrere Spulensegmente 52, 53 aus wechselweise Außenleiter und Innenleiter miteinander verbunden, d.h. in Serie geschaltet sind. Dabei ist es erforderlich, dass der Innenleiter innerhalb des Koaxialkabels an einer oder mehreren Stellen unterbrochen ist, um die Segmente ohmsch zu trennen. Die Segmente erstrecken sich entlang der Spulenwicklung, wobei der Außenleiter und/oder Innenleiter an unterschiedlichen Stellen entlang der Spulenwicklung 51 unterbrochen ist, sodass das erste Spulensegment 52 und das zweite Spulensegment 53 über einen erheblichen Anteil ihrer Längserstreckung parallel zueinander und nur durch das Dielektrikum voneinander getrennt angeordnet sind und eine Kapazität ausbilden.
3 zeigt eine andere Ausführungsform einer Spulenwicklung 51 einer erfindungsgemäßen Lokalspule. In dieser Ausführungsform wird die Spulenwicklung 51 durch ein Bündel von leitenden Fasern gebildet. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen flexiblen Leitung, die aus vielen parallelen dünnen Adern gebildet wird und bei der die einzelnen Adern sich normalerweise über die ganze Länge der Leitung erstrecken und ohmsch miteinander in Kontakt stehen, erstrecken sich bei der Spulenwicklung der erfindungsgemäßen Spulenwicklung die einzelnen Filamente, die die Spulensegmente 52, 53 bilden, nur über einen Bruchteil der Spulenwicklung. Beispielsweise erstrecken sich die Filamente um weniger als 75%, 50%, 20% oder 10% der Länge bzw. des Umfangs der Spulenwicklung 51. Weiterhin sind die Filamente ohmsch voneinander isoliert, beispielsweise durch einen Isolierlack oder eine nichtleitende Matrix, z.B. ein Kunstharz, in die die Filamente eingebettet sind. Denkbar wäre es beispielsweise auch, die Filamente auf unterschiedlichen Lagen einer mehrschichtigen Leiterplatte auszubilden.
4 zeigt eine Spulenwicklung 51 einer erfindungsgemäßen Lokalspule 50 mit einer Verstimmungseinrichtung. Die Verstimmungseinrichtung setzt sich zusammen aus einer inneren Induktivität durch den unterbrochenen Innenleiter des Koaxialkabels als zweites Spulensegment 53 und die PIN-Diode 54 als Schalter.
In 5 ist eine andere Variante einer Verstimmungseinrichtung dargestellt. Der Außenleiter ist dabei im Sinne der Erfindung nicht unterbrochen, denn es besteht eine ohmsche Verbindung an der Stelle, an der die PIN-Diode 54 als Schalter in dem Innenleiter angeordnet ist. Die Kapazität wird dabei durch das erste Spulensegment 52 und das zweite Spulensegment 53 bereitgestellt und kann als separates Bauelement entfallen.
Dabei kann die PIN-Diode als Schalter auch durch einen mikromechanischen Schalter bzw. elektrostatisches Relais bereitgestellt werden. Ein derartiger Schalter hat den Vorteil, dass nicht wie bei einer PIN-Diode ein permanenter Strom zum Schließen erforderlich ist. Es ist dann auch möglich Schaltungen zum Verstimmen vorzusehen, die im verstimmten Zustand einen offenen Schalter und im resonanten Zustand einen geschlossenen Schalter erfordern.
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.

Claims

Lokalspule für einen Magnetresonanztomographen (1), wobei die Lokalspule (50) eine Spulenwicklung (51) und einen damit elektrisch verbundenen Vorverstärker aufweist, wobei die erste Spulenwicklung (51) eine Mehrzahl an Spulensegmenten (52, 53) aufweist, die kapazitiv und nicht ohmsch miteinander gekoppelt sind.
Lokalspule nach Anspruch 1, wobei elektrische Leiter von mindestens zwei unterschiedlichen der Spulensegmente (52, 53) entlang eines wesentlichen Anteils ihrer Längserstreckung zueinander benachbart angeordnet sind.
Lokalspule nach Anspruch 2, wobei die erste Spulenwicklung (51) ein Koaxialkabel aufweist und die elektrischen Leiter der zwei unterschiedlichen Spulensegmente (52, 53) durch einen Außenleiter und einen Innenleiter des Koaxialkabels bereitgestellt werden.
Lokalspule nach Anspruch 3, wobei der Innenleiter des Koaxialkabels als eine bis auf eine Unterbrechungsstelle geschlossene Schleife ausgeführt ist, wobei die Unterbrechungsstelle durch einen schließbaren Schalter überbrückt bar ist.
Lokalspule nach Anspruch 4, wobei der schließbare Schalter eine PIN-Diode (54) oder eine MEMS-Schalter ist.
Magnetresonanztomograph mit einer Lokalspule (50) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.