DE102020204067A1

DE102020204067A1 - Lokalspule mit Verstimmfunktion

Info

Publication number: DE102020204067A1
Application number: DE102020204067.2A
Authority: DE
Inventors: Helmut Greim; Robert Rehner
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US11874350B2; CN113466767A; CN113466767B; US20210302516A1

Abstract

Die Lokalspule umfasst zumindest ein Spulenelement in Form einer Schleife. Das zumindest eine Spulenelement umfasst einen ersten Leiter, einen zweiten Leiter und einen dritten Leiter. Ferner umfasst das zumindest eine Spulenelement ein erstes Dielektrikum und ein zweites Dielektrikum, wobei das erste Dielektrikum zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter und das zweite Dielektrikum zwischen dem zweiten Leiter und dem dritten Leiter angeordnet sind. Das Spulenelement umfasst eine Empfangseinheit, die den ersten Leiter und den zweiten Leiter umfasst, und eine Verstimmeinheit, die den dritten Leiter umfasst. In einem ersten Betriebszustand des Spulenelements weist die Empfangseinheit als Resonanzfrequenz eine erste Resonanzfrequenz auf. Die Verstimmeinheit ist ausgebildet, in einem zweiten Betriebszustand des Spulenelements die Resonanzfrequenz der Empfangseinheit zu verstimmen, so dass die Empfangseinheit als Resonanzfrequenz eine von der ersten Resonanzfrequenz verschiedene zweite Resonanzfrequenz aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lokalspule und eine Magnetresonanzvorrichtung.
Magnetresonanzvorrichtungen 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 erzeugt als Antwort wiederum ein magnetisches Wechselfeld, auch als Magnetresonanzsignal bezeichnet, das über Antennen empfangen wird.
Zur Anregung der Präzession der Spins sind hochfrequente (HF) magnetische Wechselfelder mit einer Frequenz, die der Larmorfrequenz bei der jeweiligen statischen Magnetfeldstärke entspricht, und sehr hohe Feldstärken erforderlich. Zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses des von den Antennen empfangenen Magnetresonanzsignals werden häufig Lokalspulen (engl. local coils) - manchmal auch Oberflächenspulen (engl. surface coils) genannt - verwendet, die möglichst nah am Patienten angeordnet werden. Eine Antenne weist typischerweise die Form einer Schleife (engl. loop) auf. Eine Antenne kann auch als Spulenelement bezeichnet werden. Oftmals umfasst eine Lokalspule mehrere Spulenelemente, die ein Spulenarray bilden.
Neben für spezielle Körperteile dezidierte Lokalspulen mit meist starrem Gehäuse (z.B. Kopfspulen oder Kniespulen), sind auch flexible Lokalspulen bekannt, die an das zu untersuchende Körperteil möglichst genau angeformt werden sollten. Um eine möglichst gute Anformbarkeit zu gewährleisten, sollten die elektronischen Komponenten innerhalb der Lokalspule möglichst klein und/oder mechanisch flexibel sein.
Eine elektronische Kernkomponente ist hierbei die Antenne, die das Magnetresonanzsignal empfangt. Diese wird konventionell ein Metall wie z.B. Kupfer als Leiterbahn auf einer flexiblen Leiterplatte als Subastrat aufgebracht. Eine Antenne ist üblicherweise dann geeignet Magnetresonanzsignale zu empfangen, wenn ihre Resonanzfrequenz der Frequenz der Magnetresonanzsignale entspricht. Um die Resonanzfrequenz der Antenne auf die Frequenz der Magnetresonanzsignale abzustimmen, werden typischerweise konzentrierte und/oder starre Bauelemente verwendet. Solche Bauelemente können beispielsweise Kondensatoren, insbesondere SMD-Kondensatoren, sein.
Die Verwendung dieser Technologie hat allerdings den Nachteil, dass sich die Antenne nur um eine Achse gut biegen lässt (ähnlich einem Blatt Papier) und eine dreidimensionale Anformung an ein Körperteil (z.B. Spitzbauch) nur schlecht möglich ist. Zum anderen besteht, mit kleinem Biegeradius und hoher Biegeanzahl die Gefahr, dass sich die Leiterbahnen der Antennen vom Substrat ablösen oder brechen. Die Verwendung von konzentrierten und/oder starren Kondensatoren innerhalb der Antenne schafft wiederrum Versteifungen, welche ebenfalls von Nachteil für die Flexibilität sind. Es besteht auch die Gefahr, dass diese bei Belastung brechen.
Eine weitere wichtige Funktionseinheit einer heute üblichen Lokalspule ist eine Verstimmschaltung, die meist in einem starren Gehäuse angeordnet ist. Die Verstimmschaltung umfasst beispielsweise eine Induktivität und eine PIN-Diode, die parallel zu einem Kondensator innerhalb der Schleife der Antenne verschaltet sind. Im Betrieb einer Magnetresonanzvorrichtung sendet eine Sendespule, die oftmals eine in die Magnetresonanzvorrichtung fest integrierte Ganzkörperspule (engl. body coil) ist, während einer Sendephase die zur Anregung der Präzession der Spins notwendigen magnetische Wechselfelder. Diese Wechselfelder werden oftmals auch Anregungspulse genannt. Während der Sendephase formt die Induktivität zusammen mit dem Kondensator einen Sperrkreis und öffnet die Antenne, so dass das Feld der Sendespule nicht gestört wird.
Damit die Verstimmung (engl. detuning) möglichst wirkungsvoll ist, sollte die Induktivität einen hohen Wert und eine hohe Güte besitzen. Daher werden typischerweise Luftspulen eingesetzt, die einen hohen Platzbedarf aufweisen. Während der Sendephase fließt ein beträchtlicher HF-Strom innerhalb der Verstimmschaltung, welcher auch die Induktivität nennenswert erhitzt. Um die Wärme ausreichend stark verteilen zu können, wird ein entsprechendes Volumen innerhalb des starren Gehäuses der Verstimmschaltung benötigt. Die Größe dieses Gehäuse wirkt sich ebenfalls nachteilig auf die Flexibilität der Lokalspule aus.
Aus Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, eine Lokalspule anzugeben, die die beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zumindest teilweise überwindet. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Demnach wird eine Lokalspule vorgeschlagen, die zumindest ein Spulenelement in Form einer, insbesondere geschlossenen, Schleife umfasst. Das zumindest eine Spulenelement umfasst einen ersten Leiter, einen zweiten Leiter und einen dritten Leiter. Diese Leiter sind üblicherweise elektrische Leiter, die beispielsweise aus Kupfer bestehen. Ferner umfasst das zumindest eine Spulenelement ein erstes Dielektrikum und ein zweites Dielektrikum, wobei das erste Dielektrikum zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter und das zweite Dielektrikum zwischen dem zweiten Leiter und dem dritten Leiter angeordnet sind. Ein Dielektrikum ist üblicherweise eine elektrisch schwach- oder nichtleitende Substanz, in der elektrische Ladungsträger nicht frei beweglich sind. Das Spulenelement umfasst eine Empfangseinheit, die den ersten Leiter und den zweiten Leiter umfasst, und eine Verstimmeinheit, die den dritten Leiter umfasst. In einem ersten Betriebszustand des Spulenelements, insbesondere während einer Empfangsphase, weist die Empfangseinheit als Resonanzfrequenz eine erste Resonanzfrequenz auf. Die Verstimmeinheit ist ausgebildet, in einem zweiten Betriebszustand des Spulenelements die Resonanzfrequenz der Empfangseinheit zu verstimmen, so dass die Empfangseinheit als Resonanzfrequenz eine von der ersten Resonanzfrequenz verschiedene zweite Resonanzfrequenz aufweist.
Der erste Leiter, der zweite Leiter, der dritte Leiter, das erste Dielektrikum und das zweite Dielektrikum verlaufen vorzugsweise entlang der Schleife nebeneinander, insbesondere parallel zueinander.
Durch die beschriebene Anordnung zweier benachbarter Leiter mit einem dazwischen angeordneten Dielektrikum bildet sich vorteilhafterweise eine Kapazität aus. Zur Ausbildung der ersten und/oder zweiten Kapazität weisen der erste, der zweite und/oder der dritte Leiter vorteilhafterweise jeweils eine elektrisch leitfähige Fläche auf, die mit einem benachbarten Leiter kapazitiv gekoppelt ist.
Insbesondere bildet sich vorteilhafterweise durch die beschriebene Anordnung des ersten und des zweiten Leiters mit dem ersten Dielektrikum dazwischen eine erste, insbesondere elektrische, Kapazität aus. Diese erste Kapazität kann vorteilhafterweise dazu verwendet werden, die Empfangseinheit im ersten Betriebszustand auf die erste Resonanzfrequenz einzustellen. Vorteilhafterweise kann dadurch der Einsatz von konzentrierten und/oder starren Kondensatoren in der Lokalspule verringert werden, wodurch die Lokalspule insbesondere flexibler ausgestaltet werden kann.
Vorzugsweise weisen im zweiten Betriebszustand die Empfangseinheit eine erste Induktivität, insbesondere eine erste Eigeninduktivität, und die Verstimmeinheit eine zweite Induktivität, insbesondere eine zweite Eigeninduktivität, auf. Vorzugsweise sind die erste Induktivität und die zweite Induktivität jeweils über die Schleife verteilte, insbesondere nicht konzentierte, Induktivitäten. Vorzugsweise bewirken die erste Induktivität und die zweite Induktivität eine Gegenkopplung, so dass die Resonanzfrequenz der Verstimmeinheit im zweiten Betriebszustand auf die zweite Resonanzfrequenz verstimmt wird.
Vorzugsweise ist das Spulenelement ausgebildet, dass im zweiten Betriebszustand ein eingekoppeltes hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, insbesondere ein B1-Feld, im ersten und/oder zweiten Leiter einen ersten Strom induziert und im dritten Leiter einen zum ersten Strom gegenläufigen zweiten Strom induziert, so dass ein feldwirksamer Gesamtstrom des Spulenelements, zumindest annähernd, Null wird. Vorzugsweise ist die erste Induktivität, zumindest annähernd, gleich der zweiten Induktivität.
Insbesondere übernimmt der dritte Leiter also die Funktionalität einer Verstimminduktivität. Vorteilhafterweise kann dadurch der Einsatz von konzentrierten und/oder starren Kondensatoren in der Lokalspule verringert werden, wodurch die Lokalspule insbesondere flexibler ausgestaltet werden kann.
Der erste Leiter, der zweite Leiter, der dritte Leiter, das erste Dielektrikum und/oder das zweite Dielektrikum sind vorzugsweise flexibel, insbesondere biegsam und/oder verformbar. Beispielsweise umfassen der erste Leiter und/oder der zweite Leiter und/oder der dritte Leiter eine Litze (eng. stranded wire), also einen aus dünnen Einzeldrähten bestehender und daher leicht zu biegenden elektrischen Leiter. Beispielsweise bestehen das erste Dielektrikum und/oder das zweite Dielektrikum aus einem flexiblen Material, z.B. einem flexiblen Kunststoff.
Die erste Resonanzfrequenz ist vorzugsweise eine Frequenz der Magnetresonanzsignale, so dass die Empfangseinheit in der Lage ist, Magnetresonanzsignale zu empfangen. Die zweite Resonanzfrequenz ist vorzugsweise eine Verstimmfrequenz, bei der die Empfangseinheit gegenüber einer Sendespule verstimmt ist, so dass das Feld der Sendespule während einer Sendephase nicht gestört wird. Vorzugsweise ist die Empfangseinheit während der Sendephase nicht resonant mit der Sendespule. Üblicherweise ist die Empfangseinheit nicht ausgebildet, Magnetresonanzsignale zu empfangen, wenn im zweiten Betriebszustand des Spulenelements die Resonanzfrequenz der Empfangseinheit verstimmt ist.
Vorteilhafterweise verteilt sich bei der vorgeschlagenen Anordnung die während der Sendephase entstehende Wärme entlang der gesamten Antennenstruktur, so dass überhitzte Stellen leichter vermieden werden können.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass das Spulenelement eine Triaxialleitung mit einem Innenleiter, einem Mittelleiter und einem Außenleiter umfasst, wobei der erste Leiter der Innenleiter, der zweite Leiter der Mittelleiter und der dritte Leiter der Außenleiter der Triaxialleitung sind. Es ist auch denkbar, dass der erste Leiter der Außenleiter, der zweite Leiter der Mittelleiter und der dritte Leiter der Innenleiter der Triaxialleitung sind.
Durch einen Aufbau als Triaxialleitung, insbesondere durch die Axialsymmetrie der Triaxialleitung, kann vorteilhafterweise eine besonders hohe Flexibilität des Spulenelements in allen Richtungen senkrecht zur Triaxialleitung erreicht werden.
Bei einer Triaxialleitung sind üblicherweise der Mittelleiter und der Außenleiter koaxial um den Innenleiter angeordnet, wobei zwischen dem Außenleiter und dem Mittelleiter ein äußeres Dielektrikum und zwischen dem Mittelleiter und dem Innenleiter ein inneres Dielektrikum angeordnet sind.
Erster Leiter, z.B. der Außenleiter, und der Mittelleiter als zweiter Leiter mit dem äußeren Dielektrikum dazwischen wirken hier vorzugsweise als Zylinderkondensator, bei dem der Außenleiter und der Mittelleiter jeweils einen elektrisch leitfähigen Zylindermantel aufweisen, zwischen welchen sich das äußere Dielektrikum befindet. Ferner wirkt vorzugsweise der dritte Leiter, z.B. der Innenleiter, als Verstimminduktivität.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass die Verstimmeinheit ein Schaltelement umfasst, das ausgebildet ist, den dritten Leiter im ersten Betriebszustand elektrisch zu unterbrechen und im zweiten Betriebszustand elektrisch kurz zu schließen.
Insbesondere ist der dritte Leiter an einer Trennstelle getrennt und das Schaltelement ist an der Trennstelle angeordnet, so dass das Schaltelement den dritten Leiter im ersten Betriebszustand elektrisch unterbrechen und im zweiten Betriebszustand elektrisch kurzschließen kann. Insbesondere ist das Schaltelement zwischen zwei Leiterenden des dritten Leiters, die durch die Trennstelle gebildet werden, angeordnet.
Das Schaltelement kann beispielsweise eine Diode, insbesondere eine PIN-Diode, einen Transistor und/oder einen mechanischen Schalter, insbesondere ein mikroelektromechanisches System (MEMS), umfassen. Beispielsweise ist die Lokalspule ausgebildet, durch eine Bestromung der Diode den dritten Leiter elektrisch kurz zu schließen und/oder durch ein Anlegen einer Sperrspannung den dritten Leiter elektrisch zu unterbrechen.
Beispielsweise wird der dritte Leiter an einer Trennstelle aufgetrennt und zwischen den beiden Enden der Trennstelle wird eine PIN-Diode platziert. Wird z.B. die PIN-Diode bestromt, bildet diese einen Kurzschluss und der dritte Leiter wird wieder geschlossen. Das Spulenelement wird verstimmt. Liegt z.B. eine Sperrspannung an der PIN-Diode an bleibt der dritte Leiter geöffnet und das Spulenelement wird resonant und kann Magnetresonanzsignale empfangen.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass das zumindest eine Spulenelement zumindest eine Leiterplatte umfasst. Auf der zumindest einen Leiterplatte können beispielsweise eine oder mehrere elektrische Bauelement angeordnet sein.
Vorzugsweise ist die Leiterplatte eine starre Leiterplatte. Eine starre Leiterplatte kann vorteilhafterweise dafür sorgen, dass etwaige auf der Leiterplatte angeordnete elektrische Bauelemente nicht beschädigt werden, beispielsweise falls eine mechanische Kraft auf die Leiterplatte einwirkt. Wäre die Leiterplatte dagegen flexibel, könnten beispielsweise durch Biegen der Leiterplatte etwaige Lötpunkte brechen.
Vorzugsweise umfasst das zumindest eine Spulenelement genau eine Leiterplatte. Umfasst das Spulenelement nur eine geringe Anzahl von Leiterplatten, insbesondere genau eine Leiterplatte, kann vorteilhafterweise eine hohe Flexibilität des Spulenelements erreicht werden. Insbesondere für den Fall, dass die zumindest eine Leiterplatte starr ist, ist eine geringe Anzahl von Leiterplatten vorteilhaft, da das Spulenelement dann nur an wenigen Punkten versteift wird.
Vorzugsweise weist die Leiterplatte eine Fläche von weniger als 15, insbesondere weniger als 10, insbesondere weniger als 5 cm² auf. Vorzugsweise weist die Leiterplatte eine Ausdehnung, d.h einen Abstand zwischen zwei am weitestens voneineander entfernten Punkten, von weniger als 10, insbesondere weniger als 6, insbesondere weniger als 4 cm auf. Vorteilhafterweise schränken solch geringe Maße die Flexibilität des zumindest einen Spulenelements nur wenig ein.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass das Schaltelement an der Leiterplatte angeordnet ist. Beispielsweise ist das Schaltelement auf der Leiterplatte angelötet. Vorteilhafterweise ist ein an der Leiterplatte angeordnetes Schaltelement besonders robust gegenüber äußeren Beanspruchungen. Vorzugsweise sind an der Leiterplatte ferner eine Anpassschaltung und/oder ein Vorverstärker angeordnet.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass die Verstimmeinheit zumindest eine, insbesondere konzentrierte und/oder starre, Induktivität und/oder zumindest einen, insbesondere konzentrierten und/oder starren, Kondensator umfasst. Ein solcher Kondensator ist vorzugsweise ein elektrischer Kondensator.
Eine derartige Induktivität weist vorzugsweise einen Wert von weniger als 1000, insbesondere weniger als 700, insbesondere weniger als 500 nH und/oder eine Ausdehnung von weniger als 8, insbesondere weniger als 5, insbesondere weniger als 4 cm auf. Ein derartiger Kondensator weist eine Ausdehnung von weniger als 7, insbesondere weniger als 5, insbesondere weniger als 3 cm auf.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass die zumindest eine Induktivität und/oder der zumindest eine Kondensator in Serie zu dem Schaltelement an dem dritten Leiter angeordnet sind. Insbesondere sind die zumindest eine Induktivität und/oder der zumindest eine Kondensator an Unterbrechungsstellen des ersten Leiters entlang der Schleife angeordnet.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass der erste Leiter und/oder der zweite Leiter zumindest an zwei Unterbrechungsstellen entlang der Schleife, insbesondere galvanisch, unterbrochen sind. Vorteilhafterweise bilden sich dadurch verteilte Kondensatoren zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter.
Beispielsweise befindet sich eine der zumindest zwei Unterbrechungen im Bereich innerhalb der Leiterplatte und eine oder mehrere Unterbrechungen im Bereich außerhalb der Leiterplatte. Vorteilhafterweise ist der Bereich außerhalb der Leiterplatte flexibel. Durch verteilte Kondensatoren zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter kann vorteilhafterweise auf konzentrierte und/oder starre Kondensatoren im flexiblen Bereich verzichtet werden.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass die Empfangseinheit zumindest einen, insbesondere konzentrierten und/oder starren, Kondensator umfasst, der an einer Unterbrechungsstelle des ersten Leiters angeordnet ist. Vorzugsweise umfasst die Empfangseinheit genau einen, insbesondere konzentrierten und/oder starren, Kondensator, der an einer Unterbrechungsstelle des ersten Leiters angeordnet ist. Vorzugsweise ist der zumindest eine, insbesondere konzentrierte und/oder starre, Kondensator an der Leiterplatte angeordnet.
Vorteilhafterweise kann über den zumindest einen, insbesondere konzentrierten und/oder starren, Kondensator der Empfangseinheit ein Magnetresonanzsignal abgegriffen werden.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass ein Abstand zwischen dem zweiten und dritten Leiter und/oder kapazitiv gekoppelte Flächen des zweiten und dritten Leiters und/oder die Permittivitivät des zweiten Dielektrikums so ausgebildet sind, dass die Empfangseinheit im zweiten Betriebszustand als Resonanzfrequenz die zweite Resonanzfrequenz aufweist. Vorteilhafterweise lässt sich durch diese verschiedenen Parameter die zweite Resonanzvorfrequenz besonders exakt und/oder einfach einstellen.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass ein Abstand zwischen dem ersten und zweiten Leiter und/oder kapazitiv gekoppelte Flächen des ersten und zweiten Leiters und/oder die Permittivitivät des ersten Dielektrikums so ausgebildet sind, dass die Empfangseinheit im ersten Betriebszustand als Resonanzfrequenz die erste Resonanzfrequenz aufweist. Vorteilhafterweise lässt sich durch diese verschiedenen Parameter die erste Resonanzvorfrequenz besonders gut einstellen.
Ist das Spulenelement beispielsweise eine Triaxialleitung, so können die Mantelflächen des ersten, zweiten Leiters kapazitiv gekoppelt sein. Beispielsweise ist die innere Mantelfläche des Außenleiters mit der äußeren Mantelfläche des Mittelleiters kapazitiv gekoppelt.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass die Triaxialleitung einen Durchmesser zwischen 0,5 bis 5 mm aufweist. Insbesondere bei einem Durchmesser zwischen 1 bis 3 mm ist einerseits der Durchmesser klein genug, um eine sehr gute Flexibilität zu erreichen und andererseits groß genug, um eine sehr gute Güte des Spulenelements zu erzielen.
Eine weitere Ausführungsform der Lokalspule sieht vor, dass die Schleife des zumindest einen Spulenelements auf einem flächigen Träger angeordnet, insbesondere gestickt, ist. Vorteilhafterweise ist der flächige Träger dreidimensional anformbar. Beispielsweise ist der flächige Träger ein Vliesstoff.
Ferner wird eine Magnetresonanzvorrichtung mit zumindest einer der vorab beschriebenen Ausführungsformen der Lokalspule vorgeschlagen. Die Vorteile der Lokalspule lassen sich auch auf die Magnetresonanzvorrichtung übertragen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigen:

1 eine Magnetresonanzvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
2 ein Spulenelement einer Lokalspule mit drei nebeneinander angeordneten Leitern,
3 ein Spulenelement einer Lokalspule in einer triaxialen Anordnung der Leiter inklusive einer Querschnittsdarstellung,
4 eine Lokalspule mit vier Spulenelementen auf einem flächigen Träger.

In 1 ist eine Magnetresonanzvorrichtung 10 schematisch dargestellt. Die Magnetresonanzvorrichtung 10 umfasst eine Magneteinheit 11, die einen Hauptmagneten 12 zu einem Erzeugen eines starken und insbesondere zeitlich konstanten Hauptmagnetfelds 13 aufweist. Zudem umfasst die Magnetresonanzvorrichtung 10 einen Patientenaufnahmebereich 14 zu einer Aufnahme eines Patienten 15. Der Patientenaufnahmebereich 14 im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zylinderförmig ausgebildet und in einer Umfangsrichtung von der Magneteinheit 11 zylinderförmig umgeben. Grundsätzlich ist jedoch eine davon abweichende Ausbildung des Patientenaufnahmebereichs 14 jederzeit denkbar. Der Patient 15 kann mittels einer Patientenlagerungsvorrichtung 16 der Magnetresonanzvorrichtung 10 in den Patientenaufnahmebereich 14 geschoben werden. Die Patientenlagerungsvorrichtung 16 weist hierzu einen innerhalb des Patientenaufnahmebereichs 14 bewegbar ausgestalteten Patiententisch 17 auf.
Die Magneteinheit 11 weist weiterhin eine Gradientenspuleneinheit 18 zu einer Erzeugung von Magnetfeldgradienten auf, die für eine Ortskodierung während einer Bildgebung verwendet werden. Die Gradientenspuleneinheit 18 wird mittels einer Gradientensteuereinheit 19 der Magnetresonanzvorrichtung 10 gesteuert. Die Magneteinheit 11 umfasst weiterhin eine Hochfrequenzantenneneinheit 20, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als fest in die Magnetresonanzvorrichtung 10 integrierte Ganzkörperspule ausgebildet ist. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 ist zu einer Anregung von Kernspins ausgelegt, die sich in dem von dem Hauptmagneten 12 erzeugten Hauptmagnetfeld 13 einstellt. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 wird von einer Hochfrequenzantennensteuereinheit 21 der Magnetresonanzvorrichtung 10 gesteuert und strahlt ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld in einen Untersuchungsraum ein, der im Wesentlichen von einem Patientenaufnahmebereich 14 der Magnetresonanzvorrichtung 10 gebildet ist. Das hochfrequente magnetische Wechselfeld weist dabei eine Sendefrequenz auf. Die Sendefrequenz stimmt vorteilhafterweise mit der Larmorfrequenz der anzuregenden Kernspins überein. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 ist weiterhin zum Empfang von Magnetresonanzsignalen ausgebildet.
Zu einer Steuerung des Hauptmagneten 12, der Gradientensteuereinheit 19 und zur Steuerung der Hochfrequenzantennensteuereinheit 21 weist die Magnetresonanzvorrichtung 10 eine Systemsteuereinheit 22 auf. Die Systemsteuereinheit 22 steuert zentral die Magnetresonanzvorrichtung 10, wie beispielsweise das Durchführen einer vorbestimmten bildgebenden Gradientenechosequenz. Zudem umfasst die Systemsteuereinheit 22 eine nicht näher dargestellte Auswerteeinheit zu einer Auswertung von medizinischen Bilddaten, die während der Magnetresonanzuntersuchung erfasst werden. Des Weiteren umfasst die Magnetresonanzvorrichtung 10 eine Benutzerschnittstelle 23, die mit der Systemsteuereinheit 22 verbunden ist. Steuerinformationen wie beispielsweise Bildgebungsparameter, sowie rekonstruierte Magnetresonanzbilder können auf einer Anzeigeeinheit 24, beispielsweise auf zumindest einem Monitor, der Benutzerschnittstelle 23 für ein medizinisches Bedienpersonal angezeigt werden. Weiterhin weist die Benutzerschnittstelle 23 eine Eingabeeinheit 25 auf, mittels der Informationen und/oder Parameter während eines Messvorgangs von dem medizinischen Bedienpersonal eingegeben werden können.
Ferner weist die Magnetresonanzvorrichtung 10 eine mit der Hochfrequenzantennensteuereinheit 21 verbundene Lokalspule 100 auf, die unmittelbar am Körper des Patienten 15 positioniert ist. Die Lokalspule 100 umfasst mehrere Spulenelemente, wie sie beispielhaft in den 2-4 dargestellt sind.
In 2 ist ein schleifenförmiges Spulenelement 101 schematisch dargestellt. Dieser Antennenloop umfasst einen ersten Leiter 101, einen zweiten Leiter 102, einen dritten Leiter 103, ein erstes Dielektrikum 111 und ein zweites Dielektrikum 112. Das erste Dielektrikum 111 ist zwischen dem ersten Leiter 101 und dem zweiten Leiter 102 angeordnet, und das zweite Dielektrikum 112 ist zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem dritten Leiter 103 angeordnet.
Das Spulenelement 101 umfasst eine Empfangseinheit, die den ersten Leiter 111 und den zweiten Leiter 112 umfasst. Ferner umfasst das Spulenelement eine Verstimmeinheit, die den dritten Leiter 113 umfasst.
Das Spulenelement 101 kann ferner ein oder mehrere konzentrierte und/oder starre Bauelemente umfassen. Ein Bauelement kann beispielsweise eine Diode, ein Kondensator, eine Induktivität oder ein ohmscher Widerstand sein. Konzentrierte und/oder starre Bauelemente können insbesondere ein starres Gehäuse umfassen.
In einem ersten Betriebszustand des Spulenelements 101 weist die Empfangseinheit als Resonanzfrequenz eine erste Resonanzfrequenz auf, so dass die Empfangseinheit Magnetresonanzsignale empfangen kann, d.h. die erste Resonanzfrequenz ist auch die Frequenz der Magnetresonanzsignale hin abgestimmt. Ferner ist die Verstimmeinheit ausgebildet, in einem zweiten Betriebszustand des Spulenelements 101 die Resonanzfrequenz der Empfangseinheit derart zu verstimmen, so dass die Empfangseinheit als Resonanzfrequenz eine von der ersten Resonanzfrequenz verschiedene zweite Resonanzfrequenz aufweist. Die Empfangseinheit ist hier insbesondere gegenüber der Sendefrequenz der Hochfrequenzantenneneinheit 20 verstimmt, weshalb man die zweite Resonanzfrequenz auch als Verstimmfrequenz bezeichnen kann.
In eine Sendephase strahlt die Hochfrequenzantenneneinheit 20 ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld in den Patienten 15 ein. Dieses Wechselfeld wird oftmals als B1-Feld bezeichnet und weist eine Sendefrequenz auf. Dieses B1-Feld soll durch die Lokalspule 100 möglichst wenig gestört werden. Da die Sendefrequenz im Wesentlichen die Frequenz der durch sie ausgelösten Magnetresonanzsignale aufweist, wäre die Lokalspule 100, insbesondere ihre Empfangseinheit, im ersten Betriebszustand dazu resonant, so dass die Lokalspule 100 vergleichsweise stark mit dem B1-Feld wechselwirken, also stören, würde. Dies kann verhindert werden, indem die Lokalspule 100, insbesondere ihre Empfangseinheit, verstimmt wird, so dass sie nicht mehr resonant ist. Dies erfolgt im zweiten Betriebszustand der Lokalspule 100. In einer darauffolgenden Empfangsphase nimmt die Lokalspule 100 dann wieder den ersten Betriebszustand ein, um die ausgelösten Magnetresonanzsignale empfangen zu können.
Zum Umschalten zwischen den beiden Betriebszuständen umfasst die Verstimmschaltung hier ein Schaltelement 122. Dieses ist ausgebildet, den dritten Leiter 103 im ersten Betriebszustand elektrisch zu unterbrechen und im zweiten Betriebszustand elektrisch kurz zu schließen. Je nachdem, ob der dritte Leiter 103 unterbrochen oder kurzgeschlossen ist, erfolgt eine andere Magnetkopplung zwischen dem dritten Leiter 103 und dem zweiten Leiter 102, so dass sich dadurch auch die Resonanzfrequenz der Empfangseinheit ändert. Ferner wird die kapazitive Wechselwirkung zwischen dem zweiten Leiter 102 und dem ersten Leiter 101 insbesondere durch die Permittivität und Dicke des ersten Dielektrikums 111 beeinflusst.
Das Schaltelement 122 kann insbesondere als konzentriertes und/oder starres Bauelement ausgebildet sein. Auch die Empfangseinheit kann ein oder mehrere konzentrierte und/oder starre Bauelemente, z.B. Kondensatoren, umfassen. Die konzentrierten und/oder starren Bauelemente können auf einer Leiterplatte 130, insbesondere einer Platine, befestigt, insbesondere angelötet, sein. Die Leiterplatte 130 ist vorzugsweise starr, insbesondere nicht flexibel. Ein empfangenes Magnetresonanzsignal kann über Leitungen 140 ausgekoppelt werden, die in diesem Beispiel einmal an dem ersten Leiter 101 und einmal an dem zweiten Leiter 102 angeordnet sind. Das über die Leitungen 140 ausgekoppelte Magnetresonanzsignel kann beispielsweise an die Systemsteuereinheit 22 der Magnetresonanzvorrichtung 10 zur weiteren Verarbeitung übertragen werden.
Der erste Leiter 101 und der zweite Leiter 102 umfassen in diesem Beispiel versetzt zueinander angeordnete Unterbrechungen B, z.B. in Form von Schlitzen. Durch die Unterbrechungen B werden drei in Serie geschaltene Kapazitäten realisiert, welche die Resonanzfrequenz des Empfangseinheit beeinflussen.
In 3 ist eine besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Spulenelements 101 dargestellt. Hier sind die Leiter 101, 102, 103 und die Dielektrika 111, 112 in Form einer Triaxialleitung angeordnet, wie auch aus dem vergrößerten Querschnitt A-A ersichtlich ist: Der erste Leiter 101 als Außenleiter und der zweite Leiter 102 als Mittelleiter sind koaxial um den dritten Leiter 103 als Innenleiter angeordnet. (Es ist aber auch denkbar, dass der dritte Leiter der Außenleiter und der erste Leiter der Innenleiter sind. Vorzugsweise wird in diesem Fall eine PIN-Diode an den Außenleiter angeordnet; durch die PIN-Diode kann der Außenleiter in der Empfangsphase unterbrochen werden, um eine Abschirmung der Empfangseinheit zu vermeiden.) Zudem ist hier noch ein dünner Kabelmantel 115 um den Außenleiter angeordnet.
Der Innenleiter 103 übernimmt hierbei die Funktionalität der Verstimminduktivität. Hierfür wird der Innenleiter 103 an einer Stelle aufgetrennt. Zwischen den beiden Enden wird eine PIN-Diode 122 als Schaltelement platziert. Wird die PIN-Diode 122 bestromt, bildet diese einen Kurzschluss und der Innenleiter 103 wird wieder elektrisch geschlossen. Dadurch wird das Spulenelement 101 verstimmt. Liegt eine Sperrspannung an der PIN-Diode 122 an, bleibt der Innenleiter 103 geöffnet und das Spulenelement 101 wird resonant und kann Magnetresonanzsignale empfangen.
Die Verwendung des Innenleiters 103 der Triaxialleitung anstelle einer konventionellen Verstimminduktivität ermöglicht insbesondere den Vorteil, dass die, insbesondere starre, Leiterplatte 130 kleiner ausführt werden kann, da keine separate hochgütige, große Induktivität benötigt wird. Außerhalb des starren Bereichs der Leiterplatte 130 ist das Spulenelement flexibel. Ferner verteilt sich die, während der Sendephase entstehende Wärme entlang der gesamten Antennenstruktur. Somit kann das Bauvolumen eines Gehäuses der Verstimmschaltung deutlich verringert werden.
Die erste und zweite Resonanzfrequenz kann durch eine geeignete Dimensionierung der Triaxialleitung abgestimmt werden. Vereinfachend kann eine Triaxialleitung als ein System von zwei Zylinderkondensatoren mit jeweils einer Kapazität angesehen werden: Eine erste Kapazität von Außenleiter 101 und Mittelleiter 102, welche die erste Resonanzfrequenz beeinflusst, und eine zweite Kapazität von Mittelleiter 102 und Innenleiter 103, welche die zweite Resonanzfrequenz beeinflusst. Die Kapazität C eines Zylinderkondensators kann beschrieben werden mit $C = 2 π ε_{0} ε_{r} \frac{s}{ln \frac{R_{2}}{R_{1}}} .$
Damit ist sind ε₀ die elektrische Feldkonstante, ε_r die Permittivität des entsprechenden Dielektrikums, s die Länge des Zylinderkondensators, R₂ der Außenradius und R₁ der Innenradius der jeweils kapazitiv gekoppelten Flächen.
Die Verstimmfrequenz kann beispielsweise durch die Wahl des Durchmessers des Innenleiters 103, der Dicke und/oder der Permittivität des zweiten Dielektrikums 112 die Verstimmfrequenz beeinflusst werden. Bezogen auf die oben angegebene Formel entspricht hier R₁ dem Durchmesser des Innenleiters 103, R₂-R₁ der Dicke des zweiten Dielektrikums 112 und ε_r der Permittivität des zweiten Dielektrikums 112. Zudem kann beispielsweise die Verstimmfrequenz durch die Platzierung einer Induktivität und/oder eines Kondensators mit kleinen Werten und Bauformen in Serie zur PIN-Diode abgestimmt werden kann.
Der Außenleiter 101 übernimmt hier zusammen mit dem Mittelleiter 102 die Funktionalität der eigentlichen Antenne. Auf der Leiterplatte 130 werden sowohl Außenleiter 101 als auch Mittelleiter 102 an einer Unterbrechungsstelle unterbrochen. Zwischen den beiden Enden des Außenleiters 101 auf der Leiterplatte 130 wird ein konzentrierter Kondensator 121 geschaltet. Ein empfangenes Magnetresonanzsignal kann über Leitungen 140 ausgekoppelt werden, die in diesem Beispiel beide am ersten Leiter 101 angeordnet sind.
Gegenüber der Leiterplatte 130 ist der Außenleiter 101 an einer weiteren Unterbrechungsstelle entlang der Schleife aufgetrennt. Durch diese Unterbrechung B bilden sich nun zwei verteilte Kondensatoren zwischen Außenleiter 101 und Mittelleiter 102, so dass vorteilhafterweise auf die Verwendung eines weiteren Kondensators im flexiblen Bereich des Spulenelements 101 verzichtet werden.
Die Resonanzfrequenz des Antennenelements kann hier durch die Länge w_B der Unterbrechung B des Außenleiters 101 und den Wert des Kondensators 121 auf der Leiterplatte 130 eingestellt werden. Wählt man beispielsweise die Unterbrechung B größer, reduzieren sich die kapazitiv gekoppelten Flächen der von Außenleiter 101 und Mittelleiter 102 entsprechend. Bezogen auf die oben angegebene Formel der Kapazität C eines Zylinderkondensators kann die Länge s des Zylinderkondensators durch die Länge w_B der Unterbrechung B reduziert werden.
Eine weitere Möglichkeit der Einstellung der Resonanzfrequenz des Spulenelements 101 ist durch die Wahl der Dicke und/oder der Permittivität des ersten Dielektrikums 111 zwischen Außenleiter 101 und Mittelleiter 102 gegeben. Bezogen auf die oben angegebene Formel entspricht R₂-R₁ der Dicke und ε_r der Permittivität des ersten Dielektrikums 111. In weiteren Ausführungsformen kann auch an weiteren Stellen der Mittelleiter 102 und/oder der Außenleiter 101 unterbrochen werden, um somit weitere verteile Kondensatoren zu generieren.
Vorzugsweise wird für die Triaxialleitung ein geringer Gesamtdurchmesser D gewählt; D ist vorzugsweise kleiner als 5 mm, insbesondere kleiner als 3 mm, wodurch sich eine sehr hohe Flexibilität ergeben kann. Der Gesamtdurchmesser D der Triaxialleitung sollte allerdings nicht zu dünn gewählt werden, um noch eine ausreichende Güte des Antennenelements zu erzielen; D ist vorzugsweise größer als als 0,5 mm, insbesondere größer als 1 mm.
In 4 ist eine Lokalspule 101 mit vier Spulenelementen 101 dargestellt. Die Spulenelemente sind hier auf einem flächigen Träger angeordnet. Beispielsweise können die Spulenelemente 101 auf ein Vlies gestickt werden. Dadurch wird eine sehr gute dreidimensionale Anformbarkeit der Lokalspule 100 ermöglicht.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die vorgeschlagene Lokalspule 100 vorteilhafterweise eine höhere Flexibilität und dadurch eine bessere Anformbarkeit an den Körper des Patienten 15 gegenüber konventionellen Lokalspulen ermöglicht. Vorzugsweise können konzentrierte Kondensatoren im flexiblen Bereich der Spulenelemente 101 vermieden werden. Etwaige starre Leiterplatten 130 können vorzugsweise kleiner gestaltet werden, da keine große hochgütige Verstimminduktivität benötigt wird. Auch etwaige starre Elektronikgehäuse können vorzugsweise kleiner gestaltet werden, da insbesondere in der Sendephase weniger Wärme auf der Leiterplatte 130 entsteht, sondern entlang der Antennenschleife verteilt wird. Zudem ermöglicht insbesondere eine Triaxialleitung als Antenne eine bessere dreidimensionale Anformbarkeit der Lokalspule 100 als eine konventionelle substratbasierte Antenne.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Vorrichtungen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass die betreffenden Komponenten aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Lokalspule umfassend zumindest ein Spulenelement in Form einer Schleife, wobei das zumindest eine Spulenelement einen ersten Leiter, einen zweiten Leiter, einen dritten Leiter, ein erstes Dielektrikum und ein zweites Dielektrikum umfasst, wobei das erste Dielektrikum zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter angeordnet ist, wobei das zweite Dielektrikum zwischen dem zweiten Leiter und dem dritten Leiter angeordnet ist, wobei das Spulenelement eine Empfangseinheit umfasst, wobei die Empfangseinheit den ersten Leiter und den zweiten Leiter umfasst, wobei das Spulenelement eine Verstimmeinheit umfasst, wobei die Verstimmeinheit den dritten Leiter umfasst, wobei in einem ersten Betriebszustand des Spulenelements die Empfangseinheit als Resonanzfrequenz eine erste Resonanzfrequenz aufweist, wobei die Verstimmeinheit ausgebildet ist, in einem zweiten Betriebszustand des Spulenelements die Resonanzfrequenz der Empfangseinheit verstimmen, so dass die Empfangseinheit als Resonanzfrequenz eine von der ersten Resonanzfrequenz verschiedene zweite Resonanzfrequenz aufweist.
Lokalspule nach Anspruch 1, wobei das Spulenelement eine Triaxialleitung mit einem Innenleiter, einem Mittelleiter und einem Außenleiter umfasst, wobei - der erste Leiter der Innenleiter, der zweite Leiter der Mittelleiter und der dritte Leiter der Außenleiter der Triaxialleitung sind oder - der erste Leiter der Außenleiter, der zweite Leiter der Mittelleiter und der dritte Leiter der Innenleiter der Triaxialleitung sind.
Lokalspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstimmeinheit ein Schaltelement, insbesondere eine Diode, umfasst, das ausgebildet ist, den dritten Leiter im ersten Betriebszustand elektrisch zu unterbrechen und im zweiten Betriebszustand elektrisch kurz zu schließen.
Lokalspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Spulenelement zumindest eine, insbesondere genau eine, Leiterplatte umfasst.
Lokalspule nach Anspruch 3 und 4, wobei das Schaltelement an der Leiterplatte angeordnet ist.
Lokalspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Verstimmeinheit zumindest eine Induktivität und/oder zumindest einen Kondensator umfasst.
Lokalspule nach den Ansprüchen 4 oder 5, wobei zumindest eine Induktivität und/oder zumindest ein Kondensator in Serie zu dem Schaltelement an dem dritten Leiter angeordnet sind.
Lokalspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Leiter und/oder der zweite Leiter zumindest an zwei Unterbrechungsstellen entlang der Schleife unterbrochen sind.
MR- Lokalspule nach Anspruch 4 und 8, wobei eine der zumindest zwei Unterbrechungsstellen an der Leiterplatte angeordnet ist.
MR- Lokalspule nach Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit zumindest einen, insbesondere genau einen, Kondensator umfasst, der an einer Unterbrechungsstelle des ersten Leiters angeordnet ist.
MR- Lokalspule nach Anspruch 4 und 10, wobei der zumindest eine Kondensator an der Leiterplatte angeordnet ist.
Lokalspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei - induktiv gekoppelte Flächen des zweiten und dritten Leiters und/oder - eine Dicke des dritten Leiters und/oder - eine Dicke und/oder eine Permittivität des zweiten Dielektrikums so ausgebildet sind, dass die Empfangseinheit im zweiten Betriebszustand als Resonanzfrequenz die zweite Resonanzfrequenz aufweist.
Lokalspule nach Anspruch einem der vorangehenden Ansprüche, wobei - kapazitiv gekoppelte Flächen des ersten und zweiten Leiters und/oder - eine Dicke und/oder eine Permittivität des ersten Dielektrikums so ausgebildet sind, dass die Empfangseinheit im ersten Betriebszustand als Resonanzfrequenz die erste Resonanzfrequenz aufweist.
Lokalspule nach einem der Ansprüche 2 bis 13, wobei die Triaxialleitung einen Durchmesser zwischen 0,5 bis 5 mm, insbesondere zwischen 1 bis 3 mm, aufweist.
Lokalspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Spulenelement auf einem flächigen Träger angeordnet, insbesondere gestickt, ist.
Magnetresonanzvorrichtung mit zumindest einer Lokalspulen nach einem der Ansprüche 1 bis 15.