DE10244172A1

DE10244172A1 - Antennenanordnung für ein Magnetresonanzgerät

Info

Publication number: DE10244172A1
Application number: DE10244172A
Authority: DE
Inventors: Arne Dr. Reykowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-09-23
Filing date: 2002-09-23
Publication date: 2004-03-11
Also published as: US20040124840A1

Abstract

Es wird eine Antennenanordnung für ein Magnetresonanzgerät beschrieben, welche zumindest zwei benachbarte Einzelantennen (1, 2) umfasst. Die Antennenanordnung weist eine galvanisch-kontaktfreie Entkoppelspule (4) auf, welche so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie mit den beiden benachbarten Einzelantennen (1, 2) induktiv derart koppelt, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden betreffenden Einzelantennen (1, 2) minimal ist. Darüber hinaus wird ein entsprechendes Verfahren zum Messen von Magnetresonanzsignalen mit einer solchen Antennenanordnung beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für ein Magnetresonanzgerät, welche zwei benachbarte Einzelantennen umfasst, sowie ein Verfahren zum Messen von Magnetresonanzsignalen mit einer solchen Antennenanordnung.

Bei der MR-Untersuchung bestimmter Organe oder Körperteile eines Patienten werden zum Empfang der Kernspinresonanzsignale (MR-Signale) zunehmend sogenannte Oberflächenantennen eingesetzt. Diese Oberflächenantennen werden bei der Untersuchung relativ nah an der Körperoberfläche direkt am zu untersuchenden Organ bzw. Körperteil des Patienten angeordnet. Im Gegensatz zu größeren, entfernter vom Patienten angeordneten Antennen, die in der Regel zur Erzeugung eines gesamten Schnittbilds durch einen Patienten genutzt werden, haben diese Oberflächenantennen folglich den Vorteil, dass sie näher an den interessierenden Bereichen angeordnet werden. Dadurch wird der durch die elektrischen Verluste innerhalb des Körpers des Patienten verursachte Rauschanteil reduziert, was dazu führt, dass das sogenannte Signal-Rausch-Verhältnis (SNR: Signal-to-Noise-Ratio) einer Oberflächenantenne prinzipiell besser ist als das einer entfernteren Antenne. Nachteilig ist jedoch, dass eine einzelne Oberflächenantenne nur in der Lage ist, ein effektives Bild innerhalb einer bestimmten räumlichen Ausdehnung zu erzeugen, welche in der Größenordnung des Durchmessers der Leiterschleife der Oberflächenantenne liegt. Daher sind die Einsatzmöglichkeiten für solche einzelnen Oberflächenantennen wegen des eingeschränkten Beobachtungsbereichs sehr begrenzt. Der Beobachtungsbereich lässt sich zwar durch Vergrößerung des Durchmessers der Leiterschleife der Oberflächenantenne erweitern. Mit der Vergrößerüng der Leiterschleife ist aber gleichzeitig auch wieder eine Vergrößerung der elektrischen Verluste im Körper des Patienten und damit einhergehendes größeres Rauschen verbunden.

Bei Verwendung einer einzelnen Oberflächenantenne muss daher immer ein Mittelweg zwischen möglichst guter Auflösung einerseits und möglichst großem Beobachtungsbereich andererseits gewählt werden. Eine Möglichkeit, den Beobachtungsbereich zu vergrößern ohne dabei im gleichen Maße die Auflösung zu verringern, besteht darin, mehrere benachbart zueinander angeordnete einzelne Oberflächenantennen zu verwenden, d.h. ein ganzes Feld von Einzelantennen einzusetzen, welche eine große Oberflächenantenne bilden.

Ein Problem bei der Verwendung einer solchen Antennenanordnung mit mehreren benachbarten Einzelantennen besteht jedoch darin, dass ein Hochfrequenzstrom in einer Einzelantenne eine Spannung in einer benachbarten Einzelantenne induzieren kann. Dies wird üblicherweise als induktive Verkopplung der Antennen bezeichnet. Die induktive Verkopplung führt dazu, dass ein in einer der benachbarten Antennen erzeugtes Signal automatisch auch einen Signalanteil in der benachbarten Antenne verursacht. Die induktive Verkopplung verschlechtert folglich das Signal-Rausch-Verhältnis. Zudem ist der Aufwand bei einer Auswertung der Signale von verkoppelten Einzelantennen größer als bei nicht verkoppelten Einzelantennen. Daher sollte eine induktive Verkopplung der Einzelantennen möglichst vermieden werden.

Ein Verfahren zur Entkopplung benachbarter Antennen ist beispielsweise in der US 4,825,162 beschrieben. Hierbei wird die Entkopplung dadurch erreicht, dass sich die Leiterschleifen benachbarter Antennen um ein bestimmtes Maß überlappen, so dass insgesamt die induktive Kopplung zwischen den betreffenden Antennen minimal ist. Der Nachteil einer solchen geometrischen Entkopplung besteht darin, dass die Entwicklung der Antennenanordnung äußerst aufwändig ist, da zunächst versuchsweise eine Vielzahl von Antennenanordnungen mit verschiedenen Geometrien aufgebaut werden müssen, um die Geometrie, bei der die Kopplung minimal ist, zu finden. Darüber hinaus ist bei einer solchen Entkopplung immer eine Antennen anordnung notwendig, bei der sich alle benachbarten Einzelantennen in geeigneter Weise überlappen. D. h. Antennenanordnungen, bei denen zwischen benachbarten Antennen keinerlei Überlapp besteht, sind auf diese Weise nicht machbar.

Eine andere Möglichkeit, zwei benachbarte Antennen zu entkoppeln, wird in der US 5,708,361 beschrieben. Dort weisen die Leiterschleifen von zwei benachbarten Einzelantennen jeweils eine Unterbrechung auf, wobei die Unterbrechungen elektrisch parallel geschaltet werden und mit einem kapazitiven Element überbrückt werden. Durch diese Koppelkapazität wird die induzierte Spannung kompensiert. Die Entkopplung durch eine solche Koppelkapazität hat jedoch den Nachteil, dass die beiden benachbarten Einzelantennen galvanisch miteinander verbunden sind.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen sogenannten Übertrager zu verwenden, der mit gleicher Koppelinduktivität, aber umgedrehten Vorzeichen auf die beiden benachbarten Antennen wirkt, so dass die Koppelinduktivität zwischen den Antennen kompensiert wird. Ein solcher Übertrager hat den Nachteil, dass er relativ schwierig zu konstruieren ist. Zudem weist er in der Regel eine relativ große Bauhöhe auf und eignet sich daher insbesondere nicht für eine Verwendung in sehr flachen Antennenanordnungen, die beispielsweise direkt auf den Patienten aufgelegt oder unter den Patienten gelegt werden sollen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Alternative zu dem bekannten Stand der Technik anzugeben, durch die auf kostengünstige und einfache Weise eine Entkopplung zweier benachbarter Einzelantennen möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Antennenanordnung gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Messen von Magnetresonanzsignalen gemäß Patentanspruch 13 gelöst.

Erfindungsgemäß wird hierbei zur Entkopplung eine galvanisch kontaktfreie Entkoppelspule verwendet, welche so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie mit den beiden benachbarten Einzelantennen induktiv derart gekoppelt ist, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden betreffenden Einzelantennen minimal ist. Der Begriff „galvanisch-kontaktfrei" bedeutet hierbei, dass die Entkoppelspule keinerlei galvanischen Kontakt zu anderen Komponenten hat. D. h. die Entkoppelspule ist erdfrei und weist auch keinerlei Anschlüsse zu irgendwelchen Messgeräten, Verstärkern oder anderen Antennen auf, sondern sie ist „frei floatend" nur induktiv mit den jeweiligen Einzelantennen gekoppelt.

Bei dieser Entkopplungsmethode wird ausgenutzt, dass auch in der Entkoppelspule durch die induktive Kopplung mit den beiden zu entkoppelnden Einzelantennen jeweils ein Strom induziert wird und dass dieser Strom wiederum induktiv auf die beiden Einzelantennen zurückkoppelt. Bei entsprechender Ausgestaltung und Anordnung kann die Kopplung der Entkoppelspule zu den zu entkoppelnden Einzelantennen so eingestellt werden, dass die induktive Koppelung zwischen den Einzelantennen und der Entkoppelspule die induktive Kopplung zwischen den benachbarten Einzelantennen nahezu vollständig – im Idealfall vollständig – aufhebt, so dass die Einzelantennen voneinander entkoppelt sind.

Die Kopplung zwischen der Entkoppelspule und den Einzelantennen kann dabei im Prinzip durch eine geeignete Koppelgeometrie, beispielsweise durch eine passende Wahl der Fläche der Koppelspule oder des Abstands zu den Einzelantennen, so eingestellt werden, dass die induktive Kopplung zwischen den benachbarten Einzelantennen minimal ist. Vorzugsweise ist aber innerhalb der Entkoppelspule ein kapazitives Bauteil und/oder ein induktives Bauteil geschaltet, welches den Strom auf der Entkoppelspule auf einen bestimmten Wert festlegt, bei dem die induktive Kopplung zwischen den beiden zu entkoppelnden Einzelantennen minimal ist. Auf diese Weise ist ohne eine aufwändige Veränderung der Koppelgeometrie eine Minimierung der Kopplung zwischen den Einzelantennen möglich. Da kapazitive Bauteile in der Regel bessere Güten als vergleichbare Induktivitäten haben, wird besonders bevorzugt ein kapazitives Bauteil, beispielsweise ein geeigneter Kondensator, verwendet.

Wegen des geringeren Aufwands wird im Normalfall innerhalb einer Serienproduktion der Antennenanordnung ein kapazitives bzw. induktives Bauteil mit einem festen Wert eingesetzt, nachdem zunächst in der Konstruktionsphase der optimale Wert durch eine Justage eines verstellbaren Bauteils ermittelt wurde. Bei einer entsprechenden Fertigungsqualität mit einer hohen Reproduzierbarkeit ist dies ohne weiteres möglich. Es ist aber auch möglich, bei der Produktion der Antennenanordnung ein verstellbares Bauteil einzusetzen, beispielsweise einen ansteuerbaren Trimmkondensator. Auf diese Weise ist die Entkoppelspule im Betrieb jederzeit beispielsweise über das MR-Gerät bei einer Veränderung anderer die Kopplung beeinflussender Parameter nachjustierbar, um so den optimalen Strom einzustellen und die Kopplung zwischen den zu entkoppelnden Nachbarantennen zu minimieren.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antennenanordnung umfassen die beiden benachbarten Einzelantennen jeweils eine Leiterschleife, welche im Wesentlichen in einer gemeinsamen Antennenebene angeordnet sind. Dabei ist der Begriff „Antennenebene" so zu verstehen, dass hiervon auch Bauformen umfasst sind, in denen die Leiterschleifen in zwei aneinander grenzenden oder in einem kurzen Abstand zueinander liegenden, parallelen Ebenen benachbart bzw. auch teilweise überlappend zueinander angeordnet sind. Die Antennenebene kann hierbei auch in beliebiger Form an ein Antennengehäuse und/oder an sonstige Umgebungsbedingungen, z.B. den Körper des Patienten, angepasst sein, d.h. beispielsweise um einen Zylinder gewickelt oder sonstwie gekrümmt sein. Ein typisches Beispiel hierfür ist der Aufbau der Leiterschleifen in Form von Leiterbahnen in einer Multilayer-Platine oder -Leiterbahnfolie.

Dabei bilden die Einzelantennen ein sogenanntes Antennenarray, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass in der Beschreibung sowie in den später dargestellten Ausführungsbeispielen in der Regel zwar der Einfachheit halber davon ausgegangen wird, dass die Einzelantennen und auch die Entkoppelspulen jeweils aus einer einzelnen, gegebenenfalls in spezieller Weise geformten Leiterschleife bestehen. Insofern können die Begriffe „Einzelantenne" bzw. „Entkoppelspule" und „Leiterschleife" auch synonym verwendet werden. Eine Einzelantenne bzw. eine Entkoppelspule kann jedoch darüber hinaus auch noch weitere Komponenten wie z. B. weitere Leiterschleifen, Kapazitäten, Induktivitäten, Abstimmeinrichtungen etc. aufweisen. Die Erfindung ist daher nicht auf Einzelantennen bzw. Entkoppelspulen mit nur einer Leiterschleife beschränkt.

Für die Anordnung der Entkoppelspule zur Entkopplung solcher im Wesentlichen in einer Antennenebene liegender Einzelantennen gibt es verschiedene Möglichkeiten.

Bei einer Variante weist die Entkoppelspule eine Leiterschleife auf, die in einer im Wesentlichen senkrecht zu den benachbarten, zu entkoppelnden Einzelantennen stehenden Ebene angeordnet ist.

Bei einer anderen Variante weist die Entkoppelspule eine Leiterschleife auf, die in einer im Wesentlichen parallel zu der benachbarten, zu entkoppelnden einzeln liegenden Ebene angeordnet ist.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser zweiten Variante ist die Leiterschleife der Entkoppelspule nach Art einer Acht gewickelt und so parallel zu den zu entkoppelnden Einzelantennen angeordnet, dass jeweils eine Schleifenhälfte sich mit einer der beiden Einzelantennen zu mindest teilweise in Überdeckung befindet. Eine solche achtförmige Leiterschleife wird auch „Doppel-Loop" oder „Butterfly" -Entkoppelspule genannt. Diese geometrische Form hat den Vorteil, dass sie unempfindlicher gegen Anregungen aus einem homogenen Feld ist und dass außerdem keine Einkopplung des Sendefelds erfolgt, da der Nettofluss wegen der Gegenläufigkeit der beiden Schleifenteile im Idealfall Null ist.

Bei einem besonders bevorzugten Aufbau eines solchen Antennenarrays sind mehrere Einzelantennen jeweils in Reihen und Spalten in einer Antennenebene angeordnet, wobei immer die in einer bestimmten Reihe direkt benachbarten Einzelantennen und die in einer bestimmten Spalte direkt benachbarten Einzelantennen zur Entkopplung einander überlappend angeordnet sind. Die jeweils diagonal, d. h. über Eck benachbarten Einzelantennen sind dagegen mittels einer Entkoppelspule, beispielsweise einer Butterfly-Entkoppelspule, voneinander entkoppelt.

Hierbei können jeweils immer die beiden diagonal zueinander benachbarten Einzelantennen, welche zu einer Gruppe von je vier in zwei Reihen und Spalten angeordneten Einzelantennen gehören, durch eine Butterfly-Entkoppelspule entkoppelt sein. Vorzugsweise sollten die achtförmigen Leiterschleifen jeweils mit ihrer Symmetrieachse parallel zur Verbindungsdiagonalen der zu entkoppelnden Einzelantennen verlaufen, so dass sie mit ihren Symmetrieachsen im Wesentlichen senkrecht zueinander stehen. Durch diese senkrecht zueinander stehende Anordnung ist dafür gesorgt, dass sich die Entkoppelspulen nicht untereinander stören.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der induktiven Verkopplung zwischen zwei benachbarten Oberflächenantennen,
2 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für die Antennenanordnung gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung der induktiven Verkopplung der beiden Antennen gemäß 1 bei Anordnung einer erfindungsgemäßen Entkoppelspule gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
4 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für die Anordnung der Antennen und der Entkoppelspule gemäß 3,
5 eine schematische Darstellung der induktiven Verkopplung der beiden Spulen gemäß 1 bei Anordnung einer erfindungsgemäßen Entkoppelspule gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
6 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für die Anordnung der Antennen und der Entkoppelspule gemäß 5,
7 eine Darstellung der geometrischen Anordnung eines Antennenarrays von vier in zwei Reihen und zwei Spalten nebeneinander angeordneten Einzelantennen, welche sich teilweise überlappen,
8 eine Draufsicht auf die geometrische Form eines speziellen Ausführungsbeispiels für eine Butterfly-Entkoppelspule,
9 eine schematische Draufsicht auf den Einsatz einer Entkoppelspule gemäß 8 zur Entkopplung zweier diagonal angeordneten Einzelantennen aus 7,
10 eine Draufsicht auf die Antennenanordnung aus 8 einschließlich der Anordnung der Entkoppelspulen gemäß 7 zur Entkopplung der jeweils diagonalen, sich nicht überlappenden, benachbarten Einzelantennen.
In 1 ist anschaulich dargestellt, wie eine benachbarte Anordnung zweier Einzelantennen 1, 2 zu einer induktiven Verkopplung dieser Antennen 1, 2 führt. Der Einfachheit halber wird hier davon ausgegangen, dass es sich bei den Antennen 1, 2 jeweils um eine einfache kreisförmige Spule bzw. Leiterschleife handelt.
Diese Antennen 1, 2 befinden sich dabei in einem bestimmten Abstand voneinander oberhalb einer Oberfläche 0 eines Patienten, welcher hier eine resistive Last bildet. Durch einen hochfrequenten Strom I₁, beispielsweise hervorgerufen durch den Empfang eines MR-Signals, wird innerhalb der Leiterschleife der ersten Antenne 1 ein magnetisches Feld F erzeugt, welches auch in den Bereich der Leiterschleife der zweiten Antenne 2 hineinragt. Durch dieses magnetische Feld F wird dort eine Spannung und somit ein Strom induziert. Ebenso koppelt aufgrund eines Hochfrequenzstroms I₂ die Antenne 2 in die Antenne 1 über.
Die genauen Verhältnisse lassen sich am besten unter Betrachtung eines vereinfachten Ersatzschaltbilds (2) dieser Anordnung beschreiben. Die beiden Antennen 1, 2 sind hier in rechteckiger Form dargestellt, was aber für das Prinzip unerheblich ist. Neben den Strömen I₁ und I₂ sind auch die Stromrichtungen SR₁, SR₂ sowie die zugehörigen Spannungen U₁, U₂ an den Toren (in 1 nicht dargestellt) der Antennen 1, 2 eingezeichnet. Die induktive Verkopplung zwischen den benachbarten Antennen 1, 2 ist als Gegeninduktivität M₁₂ schematisch dargestellt. Aufgrund der bestehenden Gegeninduktivität M₁ ₂ induziert der in der Antenne 1 vorliegende Strom I₁ eine Spannung U₂₁ in der Antenne 2. Ebenso induziert der Strom 2 in der Antenne 2 eine Spannung U₁₂ in der Antenne 1. Diese induzierten Spannungen tragen zur Gesamtspannung U₁, U₂ der je weiligen Antenne 1, 2 bei, welche jeweils das eigentliche Messsignal an der betreffenden Antenne 1, 2 bilden. D. h. die jeweilige Spannung U₁, U₂ auf den Antennen 1, 2, ist durch
gegeben. Hierbei sind L₁ und L₂ die Induktivitäten der beiden Leiterschleifen der Antennen 1, 2. ω ist die Kreisfrequenz des hochfrequenten Stroms, d. h. die Frequenz des zu empfangenden MR-Signals und j die Imaginärzahl. Der Term jω L₁ bzw. jωL₂ ist die „normale" Impedanz bzw. Reaktanz der jeweiligen Antenne 1, 2.
Die jeweils zusätzlich induzierten Spannungen U₁₂ bzw. U₂₁ ergeben sich wie folgt:
Hierbei ist M₁₂ die Gegeninduktivität, die in beiden Richtungen, d. h. für die Überkopplung von der ersten Antenne 1 in die zweite Antenne 2 und für die Oberkopplung von der zweiten Antenne 2 in die erste Antenne 1 vom Betrag her gleich ist. Der Term jωM₁₂ ist die sogenannte Koppelimpedanz zwischen den beiden Antennen 1, 2.
Insgesamt erhält man somit für die Spannungen U₁, U₂ auf den beiden Antennen 1, 2:
Es ist klar, dass eine derartige Kopplung, bei der ein an einer Antenne 1, 2 auftreffendes Signal auch gleichzeitig in eine benachbarte Antenne 2, 1 überkoppelt, zum einen die Empfangsqualität mindert und zum anderen auch zu einem erhöhten Aufwand bei der Auswertung der Signale führt und daher vermieden werden sollte.
3 zeigt noch einmal eine Antennenanordnung mit zwei benachbarten Einzelantennen 1, 2, gemäß 1. Jedoch ist hier eine erfindungsgemäße Entkoppelspule 3 in die Nähe der beiden Antennen 1, 2, gebracht. Diese Entkoppelspule 3 hat keinerlei galvanischen Kontakt zu irgendwelchen anderen Antennen, Erdpotentialen, Messgeräten etc. Die Entkoppelspule 3 ist dabei in einer senkrecht zur Ebene der Antennen 1, 2 zwischen den Antennen 1, 2, hindurch verlaufenden Ebene knapp oberhalb der Antennen 1, 2 angeordnet.
Durch die Ströme I₁ und I₂ in den Antennen 1, 2 wird ein Strom I₃ in der Entkoppelspule 3 induziert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in die Entkoppelspule 3 eine Kapazität C₃, hier ein Trimmkondensator, geschaltet. Durch die Auswahl der Kapazität C₃ können der Betrag und das Vorzeichen von I₃ eingestellt werden.
Im Folgenden wird gezeigt, wie durch eine geeignete Wahl der Kapazität C₃ und somit durch passende Einstellung des induzierten Stroms I₃ in der Entkoppelspule 3 die Kopplung zwischen den beiden Antennen 1, 2 minimiert werden kann.
Hierzu wird zunächst auf 4 verwiesen, welche ein vereinfachtes Ersatzschaltbild für die zuvor gezeigte Anordnung zeigt. Neben den Strömen I₁, I₂, I₃ auf den Antennen 1, 2 sowie auf der Entkoppelspule 3 sind hier zusätzlich die Stromrichtungen SR₁, SR₂, SR₃ und die zwischen den beiden Antennen 1, 2 sowie jeweils zwischen den Antennen 1, 2 und der Entkoppelspule 3 gegebenen Gegeninduktivitäten M₁₂, M₁₃, M₂₃ eingezeichnet.
Außerdem sind die an den Toren der Antennen 1, 2 anliegenden Spannungen U₁, U₂ sowie für die zweite Antenne 2 die über die erste Antenne 1 und über die Entkoppelspule 3 induzierten Spannungen U₂₁, U₂₃ eingezeichnet. Hieraus wird klar, dass genau dann das von dem Hochfrequenzstrom I₁ der ersten Antenne 1 auf die zweite Antenne 2 übergekoppelte Signal Null ist, wenn U₂₁ + U₂₃ = O ist. Entsprechendes gilt auch für die umgekehrte Kopplung von der zweiten Antenne 2 auf die erste Antenne 1.
Um den dazu erforderlichen Wert des Stroms I₃ auf der Entkoppelspule 3 bzw. den entsprechenden Wert der Kapazität C₃ zu berechnen, bieten sich als Ausgangspunkt die Maschengleichungen für das Ersatzschaltbild gemäß 4 an:
Masche 1:
Masche 2:
Masche 3:
Durch Auflösen der Gleichung (4c) nach I₃ erhält man
Setzt man Gleichung (5) in die Gleichungen (4a) und (4b) für die jeweiligen Maschen der ersten Antenne 1 und der zweiten Antenne 2 ein, so erhält man:
Eine Entkopplung liegt dann vor, wenn U₁ unabhängig von I₂ und U₂ unabhängig von I₁ ist. Der jeweilige Koppelterm, d. h. der zweite Term in Gleichung (6a), welcher den von dem auf der zweiten Antenne 2 vorliegenden Strom I₂ induzierten Anteil der auf der ersten Antenne 1 anliegenden Spannung U₁ angibt, sowie der erste Term in Gleichung (6b), welcher umgekehrt den von dem auf der ersten Antenne 1 vorliegenden Strom I₁ induzierten Anteil der auf der zweiten Antenne 2 anliegenden Spannung U₂ angibt, soll folglich zu Null werden. D. h. es soll gelten:
Sobald Gleichung (7) erfüllt ist, besteht keine Verkopplung zwischen den beiden benachbarten Antennen 1, 2 mehr. Durch Auflösung der Gleichung (7) nach C₃ ergibt sich:
D. h. bei bekannter Induktivität L₃ der Entkoppelspule 3 sowie bei bekannten Gegeninduktivitäten M₁₂, M₁₃, M₂₃ sowie bekannter Kreisfrequenz ω lässt sich der Wert der Kapazität C₃ eindeutig bestimmen, bei dem die Kopplung zwischen den benachbarten Antennen 1, 2 ausgeschaltet ist.
Da die Gegeninduktivitäten M₁₂, M₁₃, M₂₃ normalerweise nicht bekannt und auch nur schwierig zu ermitteln sind, wird vorzugsweise – wie in den 3 und 4 dargestellt – ein Trimmkondensator verwendet, der so lange justiert wird, bis das Minimum der Kopplung zwischen den Antennen 1 und 2 erreicht ist. Im Normalfall ist davon auszugehen, dass alle die Kapazität C₃ gemäß Gleichung (8) bestimmenden Parameter bei einem gegebenen Aufbau und Anordnung der Entkoppelspule 3 sowie einer feststehenden Antennengeometrie konstant sind. Daher kann, sofern der richtige Wert der Kapazität C₃ einmal gefunden ist, auch ein Kondensator mit einem konstanten Wert verwendet werden.
Wie Gleichung (8) außerdem zeigt, ist darauf zu achten, dass die Kopplung zwischen der Entkoppelspule 3 und den Antennen 1, 2 nicht zu klein wird. Würden die Gegeninduktivitäten M₁₃, M₂₃ gegen Null gehen, so würde die Entkoppelschleife 3 resonant und es fließen dort sehr hohe Ströme. Dieses Problem lässt sich aber durch einen passenden geometrischen Aufbau der Koppelspule 3 leicht vermeiden.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Entkoppelspule 4. Die Entkoppelspule 4 liegt hier in einer parallelen Ebene über der Ebene der beiden Antennen 1, 2 und weist eine achtförmige Leiterschleife auf, wobei sich eine Schleifenhälfte 4a über der ersten Antenne 1 und die zweite Schleifenhälfte 4b über der zweiten Antenne 2 befindet. Eine solche Entkoppelspule 4 wird auch als Butterfly-Entkoppelspule 4 bezeichnet. Der Strom I₄ ist in den beiden Spulenhälften 4a, 4b jeweils gegenläufig.
Auch bezüglich dieser Anordnung wird wieder auf ein Ersatzschaltbild (6) verwiesen, in der die einzelnen Verkoppelungen M₁₂, M₁₄, M₂₄ und induzierten Spannungen U₂₁, U₂₄ sowie die Ströme I₁, I₂, I₄ und Stromrichtungen SR₁, SR₂, SR_4a, SR_4b anschaulicher dargestellt sind. Dabei ist wieder die von dem auf der Antenne 1 vorliegenden Strom I₁ in der Antenne 2 induzierte Spannung dann Null, wenn U₂₁ + U₂₄ = 0 gilt.
Ausgangspunkt der Berechnungen sind wiederum die Maschengleichungen für das Ersatzschaltbild (6):
Masche 1:
Masche 2:
Masche 3:
Aus der Maschengleichung (9c) für die Entkoppelspule 4 ergibt sich wiederum
Wird Gleichung (10) in die Gleichungen (9a) und (9b) eingesetzt, so erhält man:
Wird hier wieder gefordert, dass der jeweilige Koppelterm, d. h. der zweite Term in Gleichung (11a) und der erste Term in Gleichung (11b) gleich Null wird, so erhält man aus dieser Bedingung schließlich für die für die Entkopplung notwendige Kapazität:
Auch bei einer solchen Butterfly-Entkoppelspule 4 ist folglich durch die Wahl des Kondensators C₄ eine im Idealfall vollständige Entkopplung der benachbarten Antennen 1, 2 möglich.
Hierbei ist jedoch zu beachten, dass durch das Minuszeichen im Nenner der Gleichung (12) der erforderliche Wert der Kapazität C₄ auch negativ sein kann. Es müsste dann ein induktives Bauelement verwendet bzw, der Kondensator C₄ durch eine passende Spule ausgetauscht werden. Da Induktivitäten jedoch niedrigere Güten als vergleichbare Kapazitäten haben, wird bevorzugt eine Kapazität verwendet und stattdessen die Kopplung zwischen der Entkoppelspule 4 und den Antennen 1, 2 so eingestellt, dass ein negatives Vorzeichen vermieden wird. Dabei muss nur darauf geachtet werden, dass die Gegeninduktivitäten M₁₄ und M₂₄ nicht zu groß werden, d. h. der Abstand zwischen der Entkoppelspule 4 und den zu entkoppelnden Antennen 1, 2 darf nicht zu eng werden. Eine andere Alternative, ein negatives Vorzeichen zu vermeiden, besteht darin, die Induktivität L₄ der Entkoppelspule 4 zu vergrößern.
Die Verwendung einer Butterfly-Entkoppelspule 4 hat mehrere Vorteile. Zum einen ist eine solche Entkoppelspule 4 unempfindlicher gegen Anregungen aus dem homogenen Feld der MR-Einrichtung, da der Nettofluss aufgrund der Gegenläufigkeit der beiden Teilschleifen 4a, 4b gleich Null ist. Dies sorgt auch dafür, dass das Sendefeld nicht in die Endkoppelspule 4 eingekoppelt wird. Eine solche Einkoppelung des Sendefelds würde ansonsten zu einer lokalen Felderhöhung und somit zu einer Erwärmung bestimmter Bereiche im Patienten führen. D.h. es würde dadurch das sogenannte „SAR" (Specific Absortion Ratio) lokal erhöht und gegebenenfalls vorgegebene Grenzwerte überschritten. Bei der Verwendung einer Butterfly-Entkoppelspule 4 sind keinerlei weitere Maßnahmen notwendig, um eine solche Einkopplung des Feldes zu verhindern, d. h. es ist beispielsweise nicht notwendig, die Entkoppelschleife während der Sendephase zu verstimmten.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass der Wert des kapazitiven Elements bei jeder der erfindungsgemäßen Entkoppelspulen 3, 4 erfindungsgemäß ohnehin so eingestellt wird, dass der induzierte Strom I₃, I₄ für eine Entkoppelung der benachbarten Antennen 1, 2 optimal ist. Dies impliziert gleichzeitig, dass – anders als bei den Antennen 1, 2 selbst, welche ebenfalls beispielsweise mit verstellbaren Kondensatoren ausgestattet sein können – keine Regelung der Eigenresonanz auf die MR-Frequenz erfolgt. Auch aus diesem Grund sind die erfindungsgemäßen Entkoppelspulen 3, 4 transparent für das Sendefeld und brauchen in der Sendephase nicht explizit verstimmt zu werden.
Die 7 bis 9 zeigen jeweils verschiedene einzelnen Komponenten oder Teilaufbauten einer kompletten Antennenanordnung gemäß 10. Hierbei handelt es sich um ein Feld von vier in zwei Reihen und Spalten nebeneinander angeordneten Einzelantennen 6, 7, 8, 9, welche jeweils eine oktogonförmige Leiterschleife aufweisen.
7 zeigt die Anordnung der Antennen 6, 7, 8, 9 von oben, wobei hier nur grob schematisch die Form und Lage der Leiterschleifen der Antennen 6, 7, 8, 9 dargestellt sind. In die Leiterschleifen geschaltete Kondensatoren zur Abstimmung der einzelnen Antennen 6, 7, 8, 9 auf Resonanz mit dem MR-Signal sowie die Anschlüsse zum Abgriff der empfangenen MR-Signale sind nicht dargestellt.
Eine Entkoppelung zweier in einer Spalte bzw. in einer Reihe nebeneinander liegender Antennen 6, 7, 8, 9 erfolgt hier in klassischer Weise durch einen Überlapp der benachbarten Leiterschleifen, wobei der Überlappbereich 10 jeweils so groß gewählt ist, dass die Koppelung zwischen den betreffenden Spulen 6, 7, 8, 9 minimal ist.
Die oktogonale Form hat dabei den Vorteil, dass die Leiterschleifen sich zum Überlapp jeweils rechtwinklig kreuzen und daher die Leiterbahnen verschiedener Antennen nicht eng nebeneinander parallel verlaufen. Außerdem ist durch diese Anordnung dafür gesorgt, dass in einem Überlappbereich 10 jeweils nur zwei benachbarte Leiterschleifen 6, 7, 8, 9 überlappen. Die oktogonale Form hat außerdem den Vorteil, dass hiermit näherungsweise die ideale Kreisform einer Antenne erreicht wird, d. h. das Verhältnis zwischen umschlossener Fläche und Länge der Leiterschleife ist hier relativ groß. Somit wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht.
Nachteilig bei dieser Anordnung ist jedoch, dass keine Entkoppelung zwischen diagonal benachbarten Antennen, d. h. beispielsweise zwischen der Antenne 6 links oben und der Antenne 8 rechts unten sowie zwischen der Antenne 7 rechts oben und der Antenne 9 links unten stattfindet. Auch diese diagonal zueinander benachbarten Antennen 6, 7, 8, 9 koppeln aber induktiv ineinander über.
Um diese diagonal benachbarten Spulen 6, 7, 8, 9 voneinander zu entkoppeln, kann eine erfindungsgemäße Butterfly-Entkoppelspule 4 – wie in 8 dargestellt – verwendet werden. Die Entkoppelspule 4 ist hier mit einer festen Kapazität C_K, d.h. einem Kondensator mit konstantem Wert ausgestattet. Der Wert des Kondensators wurde bei der Entwicklung der Geometrie ermittelt, indem in der Entwicklungsphase anstelle einer konstanten Kapazität C_K ein verstellbarer Kondensator verwendet wurde, der so lange justiert wurde, bis der passende Wert, bei dem die Koppelung der gewünschten benachbarten Antennen 6, 7, 8, 9 minimal ist, gefunden wurde. Bei entsprechend hoher Fertigungsqualität mit ausreichender Reproduzierbarkeit der Spulengeometrien und der Induktivitäten der einzelnen Leiterschleifen innerhalb der Produktionsserien kann dann ohne weiteres bei der eigentlichen Produktion eine Kapazität C_K mit einem konstanten Wert eingesetzt werden. Dies ist zum einen unkomplizierter und zum anderen kostengünstiger.
Die Anordnung der Entkoppelspule 4 über zwei diagonal benachbarten Antennen 6, 8 ist in 9 gesondert dargestellt. Durch die Entkoppelung der diagonal benachbarten Antennen 6, 8 mittels einer erfindungsgemäßen Entkoppelungsspule 4 ist es nicht notwendig, die diagonal benachbarten Antennen 6, 8 so zu verformen, dass auch hier ein Überlapp zur Entkoppelung erreicht wird. D. h. es braucht nicht von der ansonsten idealen oktogonalen Form der Antennen 6, 7, 8, 9 abgewichen zu werden.
10 zeigt den kompletten Antennenaufbau gemäß 7 einschließlich der Lage der Entkoppelspulen 4, 5. Wie hier dargestellt ist, werden die jeweils diagonal gegenüberliegenden Antennen 6, 8, 7, 9 durch je eine Entkoppelspule 4, 5 entkoppelt. Die Entkoppelspule 5 ist dabei identisch zur Entkoppelspule 4. Sie ist lediglich um 90° gedreht angeordnet. Dabei sind die beiden Entkoppelspulen 4, 5 so angeordnet, dass sie mit ihren Symmetrielängsachsen L parallel zu den jeweiligen diagonalen Verbindungslinien zwischen den zu entkoppelnden Antennen verlaufen. Durch diese rechtwinklig zueinander stehende Anordnung der Entkoppelspulen 4, 5 ist dafür gesorgt, dass sich die Entkoppelspulen 4, 5 nicht untereinander stören.
Die Anordnung der Entkoppelspulen 4, 5 bezüglich der Antennenebene, in welcher die Antennen 6, 7, 8, 9 – beispielsweise als Leiterbahnen auf einer Multilayer-Leiterbahnfolie – angeordnet sind, ist derart, dass eine der Entkoppelspulen 5 sich von der Sichtrichtung in 10 aus unter der Antennenebene und die andere Entkoppelspule 4 oberhalb der Antennenebene befindet.
Die Antennenanordnung gemäß 10 kann in gleicher Weise noch in jeder Richtung beliebig erweitert werden, indem wei tere Antennen hinzugefügt werden und jeweils die diagonal zueinander stehenden Antennen wieder über die erfindungsgemäßen Entkoppelspulen 4, 5 voneinander entkoppelt werden. Es kann somit ein beliebiges großes Antennenarray aufgebaut werden.
Es wird an dieser Stelle noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Aufbauten lediglich um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip der Entkoppelung mit einer erfindungsgemäßen Entkoppelspule auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann.
So kann insbesondere auch eine Einstellung der Koppelung zwischen der Entkoppelspule und den zu entkoppelnden Antennen über die Veränderung der Koppelgeometrie erfolgen, d. h. beispielsweise durch eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Entkoppelspule oder durch eine nähere oder weitere Anordnung von den zu entkoppelnden Antennen. Die Verwendung eines Kondensators zur Bestimmung des Stroms auf der Entkoppelspule ist jedoch von daher bevorzugt, da dieses Element ohne großen Aufwand eine schnell Größenveränderung zulässt und somit eine aufwändige experimentelle Bestimmung der optimalen Koppelgeometrie nicht notwendig ist.
Die erfindungsgemäße Entkoppelung ist besonders vorteilhaft zur Entkoppelung von Oberflächenspulen einsetzbar. Darüber hinaus kann sie im Prinzip aber auch dazu verwendet werden, um weiter entfernte Spulen in MR-Geräten voneinander zu entkoppeln.

Claims

Antennenanordnung für ein Magnetresonanzgerät, welche zumindest zwei benachbarten Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) umfasst, gekennzeichnet durch eine galvanischkontaktfreie Entkoppelspule (3, 4, 5), welche so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie mit den beiden benachbarten Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) induktiv derart koppelt, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden betreffenden Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) minimal ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein innerhalb der Entkoppelspule (3, 4, 5) geschaltetes kapazitives Bauteil (C₃, C₄, C_K) und/oder induktives Bauteil zur Einstellung des Stroms auf der Entkoppelspule (3, 4, 5) auf einen Wert, bei dem die induktive Kopplung zwischen den beiden zu entkoppelnden Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) minimal ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität oder Induktivität des jeweiligen Bauteils (C₃, C₄) verstellbar ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden benachbarten Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) jeweils eine Leiterschleife umfassen, welche im Wesentlichen unter Bildung eines Antennenfelds in einer gemeinsamen Antennenebene angeordnet sind.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkoppelspule (3) eine Leiterschleife aufweist, die in einer im Wesentlichen senkrecht zu den benachbarten, zu entkoppelnden Einzelantennen (1, 2) stehenden Ebene angeordnet ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkoppelspule (4, 5) eine Leiterschleife aufweist, die in einer im Wesentlichen parallel zu den benachbarten, zu entkoppelnden Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) liegenden Ebene angeordnet ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkoppelspule (4, 5) eine im Wesentlichen nach Art einer Acht gewickelte Leiterschleife aufweist, die in der parallel zu den benachbarten, zu entkoppelnden Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) liegenden Ebene so angeordnet ist, dass jeweils eine Schleifenhälfte (4a, 4b, 5a, 5b) sich mit einer der beiden Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) zumindest teilweise in Überdeckung befindet.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch mehrere in Reihen und Spalten zueinander angeordnete Einzelantennen (6, 7, 8, 9), wobei jeweils die in einer Reihe direkt benachbarten Einzelantennen (6, 7, 8, 9) und die in einer Spalte direkt benachbarten Einzelantennen (6, 9, 7, 8) zur Entkopplung einander überlappen und die jeweils diagonal benachbarten Einzelantennen (6, 8, 7, 9) mittels einer Entkoppelspule (4, 5) voneinander entkoppelt sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei jeweils diagonal zueinander benachbarte Einzelantennen (6, 8, 7, 9), welche zu einer Gruppe von vier in zwei Reihen und Spalten angeordneten Einzelantennen (6, 7, 8, 9) gehören, durch jeweils eine Entkoppelspule (4, 5) mit einer achtförmigen Leiterschleife entkoppelt sind, welche jeweils mit ihrer Symmetrieachse parallel zu der Verbindungsdiagonalen der zu entkoppelnden Einzelantennen (6, 8, 7, 9) verläuft.
Antennenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Entkoppelspule (4, 5) auf einer Seite der Einzelantennen (6, 7, 8, 9) und die andere Entkoppelspule auf der gegenüberliegenden Seite der Einzelantennen (6, 7, 8, 9) angeordnet ist.
Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelantennen (6, 7, 8, 9) jeweils eine oktogonale Leiterschleife aufweisen.
Magnetresonanzgerät mit einer Antennenanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren zum Messen von Magnetresonanzsignalen mit einer Antennenordnung, welche zwei benachbarte Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) mittels einer galvanisch-kontaktfreien Entkoppelspule (3, 4, 5) voneinander entkoppelt werden, welche so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie mit den beiden benachbarten Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) derart induktiv koppelt, dass die induktive Kopplung zwischen den beiden Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines innerhalb der Entkoppelspule (3, 4, 5) geschalteten kapazitiven Bauteils (C₃, C₄, C_K) und/oder eines induktiven Bauteils der Strom auf der Entkoppelspule (3, 4, 5) auf einen Wert eingestellt wird, bei dem die induktive Kopplung zwischen den beiden zu entkoppelnden Einzelantennen (1, 2, 6, 7, 8, 9) minimal ist.