DE112010002800T5

DE112010002800T5 - Tausendfüßige Oberflächenspulen

Info

Publication number: DE112010002800T5
Application number: DE112010002800T
Authority: DE
Inventors: Subramaniam Sukumar; Wai Ha Wong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-11-08
Also published as: US8125226B2; WO2011003105A3; WO2011003105A2; US20110001479A1

Abstract

Eine Tiefpass-HF-Leiterspule, die eine tausendfüßige Oberflächenspule genannt wird, weist einen ersten und zweiten Leiterendenstreifen auf, die parallel zueinander laufen. Ein Satz aus Sprossenelementen ist zwischen denselben platziert, abwechselnde Sprossenelemente sind mit dem ersten bzw. zweiten Streifen verbunden. Die Anzahl und die Beabstandung der Sprossenelemente ist ausreichend, um die Spule bei der gewünschten Bilderzeugungsfrequenz in Resonanz zu versetzen. Diese tausendfüßige Oberflächenspule kann 100 oder mehr Sprossenelemente aufweisen. Feste und variable Kondensatoren sind zum separaten Abstimmen und Anpassen der ersten und zweiten Modenresonanzfrequenz bereitgestellt, und zum Koppeln und zur Impedanzanpassung der zwei Moden mit externen Schaltungen. Eine aktive Verstimmung wird bereitgestellt, die die Leiterspule verstimmt, wenn eine separate HF-Spule überträgt.

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Die Patentanmeldung nimmt die Priorität von U.S.-Patentanmeldung Nr. 12/497,457 in Anspruch, eingereicht am 2. Juli 2009.
Gebiet der Erfindung
Der Gegenstand bezieht sich auf das Gebiet einer Magnetresonanzbilderzeugungsvorrichtung (MRI-Vorrichtung; MRI = magnetic resonance imaging) und bezieht sich auf eine HF-Oberflächenspulengeometrie für die Erregung und Beobachtung von Magnetresonanzsignalen.
Hintergrund der Erfindung
Die herkömmliche Vorrichtung für MRI weist einen Magneten auf, der ein starkes DC-Magnetfeld B₀ in dem abgebildeten Objekt erzeugt. Üblicherweise ist der Magnet ein superleitender Magnet und seine Achse kann entweder vertikal oder horizontal ausgerichtet sein, abhängig von dem Entwurf. Innerhalb einer Bohrung liegt ein Satz aus Gradientenspulen vor, die eine Verteilung von Magnetfeldern innerhalb des Objekts erzeugen, das abgebildet wird, wie für die MRI erforderlich ist. Eine oder mehrere HF-Spulen sind in der Nähe der Probe platziert, um ein HF-Magnetfeld B₁ zu erzeugen, um die magnetische Resonanz einer gegebenen nuklearen Spezies in dem Objekt zu stimulieren, und dieselbe Spule oder eine separate Spule, um jegliche Resonanzen zu erfassen, die in dem Objekt erzeugt werden. Die Vorrichtung umfasst einen HF-Sender zum Erzeugen des erforderlichen HF-Stroms, der zu der stimulierenden HF-Spule geliefert wird, und einen HF-Empfänger zum Verstärken und Erfassen der Antwort der stimulierten Kerne, Eine Steuerung wird verwendet, um die Feldgradienten, das HF-Sendesignal, die Empfängerantwort zu steuern und die Daten zu sammeln und das erforderliche Bild zu erzeugen.
Wenn eine einzelne HF-Spule verwendet wird, dient dieselbe Spule zum Erzeugen des stimulierenden HF-Feldes B₁ und zum Empfangen der Antwort von den Kernen. Die HF-Spule kann eine Volumenspule sein, die die Probe umgibt, wie z. B. eine Solenoidspule, ein Helmholtz-Spulenpaar, eine Vogelkäfigspule oder eine Oberflächenspule, die die Probe nur teilweise umgibt. Die HF-Spule ist zu dem HF-Sender geschaltet, der einen HF-Puls erzeugt, der, wenn er mit der HF-Spule gekoppelt ist, die Kerne stimuliert. Die HF-Spule wird dann zu dem Empfänger geschaltet, der das Antwortsignal von den Kernen verstärkt und erfasst. Hochfrequenzübertragungsleitungen koppeln die HF-Spule oder die -spulen, die in dem Magnet angeordnet sind, mit der MRI-Vorrichtung, die in der Nähe außerhalb des Magneten angeordnet ist.
Bei Systemen mit zwei HF-Spulen wird eine verwendet, um das stimulierende HF-Feld B₁ zu erzeugen und die andere wird verwendet, um die Antwort von den Kernen zu empfangen. Diese Systeme verwenden üblicherweise eine Großvolumenspule, um ein einheitliches HF-Magnetfeld über das Probenvolumen zu erzeugen, und eine Oberflächenspule, um Signale in der umliegenden Region der Probe mit hoher Empfindlichkeit aufzunehmen. Der Sender wird zuerst für eine Kurze Zeitspanne gepulst, wonach der Empfänger eingeschaltet wird, um das Kernantwortsignal zu erfassen. Wenn der Sender eingeschaltet ist, wird der Empfängerkanal teilweise blockiert, um zu verhindern, dass die starken Sendersignale den Empfänger beschädigen.
Das Problem, das in diesen Systemen auftritt, entsteht aus der Kopplung zwischen den zwei Spulen. Während der Sendephase induzieren HF-Felder aus der Senderspule Spannungen in der Empfängerspule, was verursacht, dass Ströme in der Empfängerspule fließen, die zusätzliche HF-Felder in dem Objekt erzeugen, das abgebildet wird. Diese Felder werden von den HF-Feldern der Senderspule addiert und subtrahiert, was verursacht, dass das resultierende HF-Feld inhomogen ist. Ferner, während der Empfangsphase, werden Signale aus den Kernen in der Senderspule mit einem Verlust von Signalleistung absorbiert. Zusätzlich dazu wird jegliches Rauschen in der Senderschaltung in den Empfänger gekoppelt, wodurch das Signal-zu-Rausch-Verhältnis gesenkt wird. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu beheben, ist die Spulen derart zu platzieren, dass ihre HF-Magnetfelder orthogonal sind. Dies ist in der Praxis schwierig mit hohem Grad an Genauigkeit auszuführen, was es wünschenswert macht, andere Möglichkeiten zu finden, diese unerwünschten Effekte zu reduzieren.
Eine Anzahl von Autoren (z. B. A. Asfour u. a. „Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings", 12.05.2008, S. 945–950; U.S.-Patent Nr. 5,559,434 ) hat gezeigt, dass durch aktives Verstimmen der Empfängerspule während der Senderphase und aktives Verstimmen der Senderspule während der Empfängerphase diese Probleme bedeutend reduziert werden. Ein aktives Verstimmen wurde erreicht durch Verwenden einer Pin-Diode, um ein induktives oder kapazitives Element über einen gewissen Teil der Sender- oder Empfängerspule einzuschalten. Der Schalter wird aktiviert durch Leiten oder Entfernen eines extern angelegten Vorspannungsstroms, der durch die Pin-Diode fließt, wie in 3 des Dokuments von Asfour u. a. dargestellt ist. Es hat sich herausgestellt, dass es funktioniert, aber es erfordert relativ große extern angelegte Vorspannungsspannungen zum vollständigen Ein- oder Ausschalten einer Pin-Diode, wenn große HF-Spannungen vorhanden sind. Um die Diode auszuschalten, muss die extern angelegte Vorspannungsspannung ausreichend groß sein, so dass in keinem. Teil des HF-Zyklus die HF-Spannung die Vorspannungsspannung überwindet und die Diode vorübergehend einschaltet.
In dem U.S.-Patent 7,501,828 wird vorgeschlagen, eine Schaltung zu entwickeln, die zwei Pin-Dioden einsetzt, die keine Vorspannungsspannung erfordert, wenn die Verstimmschaltung nicht aktiv ist. Dieses Patent beschreibt eine Schaltung, bei der eine Pin-Diode in jede Anschlussleitung des reaktiven Elements eingefügt ist, das zum Bereitstellen der Verstimmung verwendet wird. Entweder beide Kathoden oder beide Anoden der zwei Pin-Dioden verbinden separate Anschlussleitungen des reaktiven Elements. Wenn sie durch eine externe Spannung aktiviert werden, werden beide Pin-Dioden eingeschaltet und das reaktive Element wird mit der Spule gekoppelt und liefert die Verstimmung. Wenn keine externe Spannung angelegt ist, ist eine der Dioden immer aus, da die HF-Spannung über die Dioden immer die entgegengesetzte Polarität aufweist. Die externe Vorspannungsspannungsquelle ist von der HF-Spule durch Hochfrequenzdrosselspulen abgekoppelt, die eine hohe Impedanz bei HF-Frequenzen, aber eine niedrige Impedanz zu Schaltspannungen aufweisen.
Ein HF-Empfänger mit einer Oberflächen-HF-Spule ist insbesondere anwendbar für die Bilderzeugung von kleinen Tieren. Um die Magnetresonanzsignale mit der höchsten Empfindlichkeit zu beobachten, muss die Spule sehr nahe oder vielleicht in Kontakt mit der Region des Objekts oder des Tiers gebracht werden, das studiert wird, was den hohen Füllfaktor und die hohe Empfindlichkeit liefern kann. Dieselbe HF-Spule oder eine unterschiedliche HF-Spule kann als die Senderspule dienen.
Eine Variation einer Oberflächenspule ist beschrieben in dem U.S.-Patent 5,898,306 . Dieses Patent beschreibt eine Oberflächenspule in der Form von zwei gekoppelten Leiterresonatorspulen mit einem ersten Modenschaltungsweg zum Erfassen oder Erzeugen von Magnetfluss in einer vertikalen Achse von der Oberfläche der Spule und einem zweiten Modenschaltungsweg zum Erfassen oder Erzeugen eines Magnetflusses parallel zu der Oberfläche der Spule, wobei der Strom der ersten Mode und zweiten Mode 90 Grad gegenphasig sind, Der Entwurf weist feste in den Resonatorsprossen auf, wobei die Sprossen miteinander durch Induktoren gekoppelt sind, die einen Tiefpassentwurf bilden.
Das U.S.-Patent 6,169,401 beschreibt eine flexible Hochpass-Leiterstruktur-HF-Oberflächenspule offener Quadratur bei der Magnetresonanzbilderzeugung. Dieser Entwurf umfasst eine Mittelsprosse mit einem kapazitiven Element Cv, das symmetrisch um einen Mittelpunkt angeordnet ist, und eine gleiche Anzahl von zusätzlichen Sprossen, die parallel zu und symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der Mittelsprosse angeordnet sind. Die Seitenelemente umfassen feste kapazitive Elemente Ca, die benachbarte Enden von jeder der Sprossen verbinden, die eine Hochpassschaltung bilden. Beide dieser Patente benötigen feste Kondensatoren entweder in Reihe mit den Sprossenelementen oder zwischen Sprossenelementen, was aufgrund ihrer Größe Probleme verursachen kann, insbesondere bei Oberflächenspulen für die Bilderzeugung von kleinen Tieren. Zusätzlich dazu weisen feste Kondensatoren üblicherweise eine unterschiedliche magnetische Anfälligkeit auf, wobei die umliegende Region dadurch ungewollte Gradienten bei dem DC-Magnetfeld B₀ erzeugt.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung realisiert eine Oberflächenspule mit einer hohen Dichte an Sprossen, wodurch eine erhöhte HF-Feldhomogenität und eine verbesserte HF-Leitfähigkeit erreicht wird, und ohne den Bedarf nach einen festen Kondensator, der jedem Sprossenelement zugeordnet ist. Dies ist äußerst wichtig für die Bilderzeugung von kleinen Tieren, wo nicht genügend Raum vorliegt für die Unterbringung von Chipkondensatoren sogar von kleiner Größe. Ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das Spulenarray an einem flexiblen Isoliermaterial befestigt ist und geformt sein kann, um eng an die Kontur der Region des Objekts angepasst zu sein, das abgebildet oder studiert werden soll. Durch Verwenden von vielen eng beabstandeten, elektrisch leitfähigen Elementen ist die verteilte Kapazität zwischen benachbarten Sprossenelementen ausreichend, um eine Resonanz bei oder nahe der gewünschten Betriebsfrequenz bereitzustellen, wodurch der Bedarf nach festen Kondensatoren in Reihe mit jedem Sprossenelement beseitigt wird.
Auf dem Stand der Technik von HF-Spulenentwürfen, die zur Bilderzeugung für Tiere geeignet sind, wie z. B. Ratten und Mäusen, ist die Anzahl von Sprossenelementen kleiner als zehn. Obwohl die Autoren darüber diskutiert haben, dass der Entwurf auf eine größere Anzahl von Elementen ausgedehnt werden könnte, wird diese Aussage nicht durch jegliche Art von Erklärung oder Vorschlag für eine solche Implementierung gestützt. Tatsächlich basieren Entwürfe gemäß dem Stand der Technik auf der Verwendung von Kondensatorelementen mit konzentrierten Elementen in der Konstruktion. Die physische Größe der Komponenten mit konzentrierten Elementen schränkt die maximal mögliche Anzahl von Elementen auf zehn oder weniger bei Oberflächenspulen für kleine Tiere ein.
Die tausendfüßige bzw. Millipede-Oberflächenspule dieser Arbeit weist eine Spulenstruktur mit 100 oder mehr Sprossenelementen auf. Die Elemente sind ähnlich zu jenen, die bei der tausenfüßigen Vogelkäfig-Spule verwendet werden, die offenbart ist in dem U.S.-Patent 6,285,189 und dem Bevollmächtigten der vorliegenden Erfindung zugewiesen ist. Da die Spule viele Elemente oder Sprossen aufweist, werden Magnetfeld-„Hot-Spots” um diese Elemente minimiert. Als Ergebnis können Millipede-Oberflächenspulen sehr nahe an einer Probe positioniert sein, um den Füllfaktor zu verbessern und eine einheitliche Erfassungsempfindlichkeit nahe der Probenoberfläche zu liefern. Ferner hilft der verteilte Kondensatorentwurf der tausenfüßigen Oberflächenspule dabei, den dielektrischen Streuverlust in der Probe zu reduzieren und die Frequenzverschiebung aufgrund der Probenladung zu reduzieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Spule in zwei Moden betrieben werden, wobei die HF-Felder der zwei Moden orthogonal sind und in Quadratur getrieben werden können.
Einrichtungen zum unabhängigen Abstimmen und Anpassen der zwei Moden der tausenfüßigen Oberflächenspule wurden erdacht. Ferner wurde eine aktive Verstimmungsschaltung erdacht, die eine Induktorschaltung mit zwei Pin-Dioden verwendet, die in der Aus-Mode mit null Vorspannungsspannung arbeitet.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die tausendfüßige Oberflächenspule kann verschiedene Formen und Kopplungsanordnungen annehmen. Die Zeichnungen sind zu Zwecken der Darstellung und sollen nicht als einschränkend für die Erfindung betrachtet werden.
1a stellt die Konstruktion einer tausendfüßigen Oberflächenspule gemäß der vorliegenden Arbeit dar.
1b stellt eine alternative Konstruktion der tausendfüßigen Oberflächenspule dar.
2a stellt das elektrische Stromprofil der m = 1 Resonanzmode der tausendfüßigen Oberflächenspule dar.
2b stellt das Spannungsprofil der m = 1 Resonanzmode der tausendfüßigen Oberflächenspule dar.
3a stellt das elektrische Stromprofil der m = 2 Resonanzmode der tausendfüßigen Oberflächenspule dar.
3b stellt das Spannungsprofil des m = 2 Resonanzmode der tausendfüßigen Oberflächenspule dar.
4 ist eine perspektivische Ansicht einer tausendfüßigen Oberflächenspule in der Form eines Teil-Zylinders, wobei die Sprossen der Spule parallel zu der Achse des Zylinders sind.
5 ist ein Diagramm, das die Schaltungsverbindung eines variablen Kondensators zum Abstimmen der m = 1 Resonanzmode zeigt.
6 ist ein Diagramm, das die Schaltungsverbindung eines variablen Kondensators zum Abstimmen der m = 2 Resonanzmode zeigt.
7 ist ein Diagramm, das die Schaltungsverbindungen von variablen Kondensatoren für die unabhängige Abstimmung von sowohl der m = 1 als auch m = 2 Resonanzmode zeigt.
8 ist ein Diagramm, das die Schaltungsverbindungen von Kondensatoren zum Abstimmen und Anpassen der m = 1 und m = 2 Resonanzmode und zum Koppeln der tausendfüßigen Oberflächenspule mit der MRI-Steuer- und -Anzeige-Vorrichtung zeigt.
9 ist ein Diagramm einer Schaltung, die separate aktive Verstimmungsschaltungseinrichtungen zum unabhängigen Verstimmen der m = 1 und m = 2 Resonanzmode zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die HF-Spule, die zum Übertragen von Hochfrequenzfeldern zu dem Objekt oder Tier und/oder Erfassen der Antwort-HF-Felder von dem Objekt verwendet werden, bilden den Gegenstand dieser Erfindung. Der Gegenstand richtet sich insbesondere auf Spulen, die effektiv für kleine Tiere verwendet werden können, wie z. B. Mäuse oder Ratten oder kleine Materialproben. Um die höchste Empfindlichkeit zu erhalten, sollte die Spule so nahe wie möglich an der Region des Objekts platziert sein, das abgebildet wird. Dies könnte z. B. das Gehirn einer Maus oder Ratte sein oder eine kleine Region in der Nähe der Oberfläche eines größeren Tiers oder Objekts.
1a zeigt eine tausendfüßige Oberflächenspule 10, die einen Aspekt der Erfindung darstellt. Die tausendfüßige Oberflächenspule 10 aus 1a weist einen ersten, elektrisch leitenden Endstreifen 12 und einen zweiten, elektrisch leitenden Endstreifen 13 auf, der beabstandet von und parallel zu dem ersten leitenden Endstreifen ist. Üblicherweise gibt es 100 oder mehr leitende Sprossenelemente 14, 15, die zwischen den zwei Endstreifen platziert sind, was zu dem Namen „tausendfüßige Oberflächenspule” führt. Die Sprossenelemente sind in derselben Ebene wie die zwei Endstreifen und sind im rechten Winkel von den leitenden Endstreifen 12 und 13 ausgerichtet, die eine Leiterstruktur bilden. Wie in 1a dargestellt ist, ist ein Satz aus Sprossen 14 elektrisch mit dem ersten leitenden Endstreifen 12 verbunden und ein zweiter Satz aus Sprossen 15 ist elektrisch mit dem zweiten leitenden Endstreifen 13 verbunden. Benachbarte Sprossenelemente sind mit abwechselnden leitenden Endstreifen verbunden. In 1a sind die leitenden Endstreifen 12 mit Sprossen 14 und die leitenden Endstreifen 13 mit Sprossen 15 an derselben Oberfläche der dielektrischen 11 befestigt.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der tausendfüßigen Oberflächenspule ist in 1b dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der erste leitende Endstreifen 12 und der Satz aus Sprossen 14, die mit demselben verbunden sind, auf einer Oberfläche der dielektrischen Lage 11, und der zweite leitende Endstreifen 13' und der Satz aus Sprossen 15, die mit demselben verbunden sind, sind auf der Oberfläche 11', die entweder die Rückoberfläche der dielektrischen Lage 11 sein kann, oder eine vollständig unterschiedliche dielektrische Lage, deren Oberfläche direkt benachbart zu der dielektrischen Lage 11 ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist jede Sprosse auf der Oberfläche 11' direkt hinter einer Sprosse auf der Oberfläche der dielektrischen Lage 11. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist jede Sprosse auf der Oberfläche 11' am engsten zwei Sprossen auf der Lage 11 zugeordnet. Durch Auswählen der Position der leitenden Elemente, die an der Oberfläche 11' befestigt sind, wird die gegenseitige Kapazität der Sprossenelemente beeinflusst und dadurch kann die Grundresonanzfrequenz der Millipede-Oberflächenspule ausgewählt werden.
Keine Kondensatoren sind zu der Spulenschaltung hinzugefügt, die in 1a und 1b dargestellt ist, die gesamte Kapazität ist die Selbstkapazität oder so genannte Streukapazität zwischen den Elementen der Schaltung. Die Beabstandung zwischen benachbarten Sprossen ist üblicherweise vergleichbar mit oder weniger als die Beabstandung von der Spule zu dem Bereich, der abgebildet wird. Dies liefert einen hohen Grad an HF-Feld-Einheitlichkeit, wenn die Spulen zum übertragen verwendet werden, und einen hohen Grad an räumlicher Einheitlichkeit bei dem Bild des Objekts, wenn die Spulen zum Empfangen verwendet werden.
Die Spulen können aus flexiblem oder starrem Material einer Schaltung einer gedruckten Schaltungsplatine hergestellt sein. Das Spulenmuster wird durch Standardätzverfahren gebildet. Das bevorzugte dielektrische Substratmaterial weist einen niedrigen HF-Verlust und einen Niedrigprotonenhintergrund auf z. B. TEFLON^®.
Die Leiterspulenstruktur schwingt, wenn die elektrische Länge der Leiterstruktur derart ist, dass eine Welle, die sich von einem Ende der Struktur zu dem anderen Ende ausbreitet, einer Phasenverschiebung von m π unterzogen wird, wobei m eine ganze Zahl ist. Die niedrigste Resonanzfrequenz tritt auf bei m = 1. Wenn diese Resonanz auftritt, sind die Ströme in dem ersten und zweiten leitenden Streifen in entgegengesetzter Richtung, wie durch Pfeile 22 und 23 aus 2a dargestellt ist. Die Verschiebungsströme in den Endsprossen sind ebenfalls in entgegengesetzten Richtungen, wie durch Pfeile 24 und 25 dargestellt ist. Die Ströme 22 und 23 sind am stärksten in der Mitte der Leiterstruktur.
Die HF-Spannung im eingeschwungenen Zustand m = 1 ist in 2b gezeigt. Die HF-Spannung V zwischen dem ersten und zweiten Endstreifen ist als eine Funktion einer Position entlang der Streifen gezeigt. Die HF-Spannungen sind maximal und 180 Grad gegenphasig im Hinblick aufeinander an den zwei Endsprossen. Die HF-Spannung geht in der Mitte der Struktur durch 0.
3a stellt die Ströme in der Spulenstruktur bei der zweitniedrigsten Resonanzfrequenz dar. Die Frequenz dieser Mode mit m = 2 ist beträchtlich höher als die niedrigste Resonanzfrequenz. Bei dieser Resonanz sind die Ströme in dem ersten Endstreifen durch Pfeile 32 und 33 dargestellt und die Ströme in dem zweiten Endstreifen durch Pfeile 34 und 35. Die vertikalen Pfeile in 3a stellen die Verschiebungsströme in den Sprossen dar. Es wird darauf hingewiesen, dass die Verschiebungsströme an den zwei Enden 37 und 38 groß und von der gleichen Phase sind. Der Verschiebungsstrom in der Mitte 36 ist ebenfalls groß, aber von entgegengesetzter Phase.
3b stellt die Spannung zwischen der HF-Spannung zwischen dem ersten und zweiten Endstreifen als eine Funktion einer Position entlang dem Streifen für die Mode m = 2 dar. Die HF-Spannungen sind groß und an den zwei Endsprossen von der gleichen Phase und sind groß, aber von entgegengesetzter Phase, in der Mitte der Sprossenstruktur.
Mit einer flexiblen, dielektrischen Lage kann die Millipede- bzw. tausendfüßige Oberflächenspule, wie oben beschrieben ist, an die Oberflächentopologie eines Tiers oder einer Region des Objekts angepasst werden, das abgebildet wird, wodurch ein höherer Füllfaktor und eine höhere Empfindlichkeit geliefert werden. Wenn die Oberfläche der abzubildenden Region planar ist, kann eine planare Spule, die an eine starre dielektrische Lage befestigt ist, direkt an die Oberflächenregion angelegt werden. Bei anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Spule an die starre dielektrische Lage einer anderen Form zu befestigen, so dass sie der Oberflächenkontur des Objekts besser entspricht, das studiert wird.
Für viele Anwendungen mit kleinen Tieren ist eine zylindrische Form der Oberfläche der abzubildenden Region angenähert. Bei dieser Anwendung kann die tausendfüßige Oberflächenspule, wie oben beschrieben ist, auf einem starren dielektrischen Zylinder getragen sein, der eng mit der Form der Region des abzubildenden Objekts übereinstimmt, wie in 4 dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Spule 10 oder 10' aus 1a oder 1b an die Oberfläche einer starren zylindrischen Hülle 16 aus 4 befestigt. Die Endsprossen 17 und 18 können entlang des Bogens des Zylinders so getrennt sein, dass die Region zwischen denselben der Region des abzubildenden Objekts entspricht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Spule die Form eines Halbzylinders mit Sprossen 17 und 18 annehmen, die durch 180 Grad eines Bogens getrennt sind.
Die Abstimmung von m = 1 kann erreicht werden durch Öffnen eines Zwischenraums in der Mitte des ersten leitenden Endstreifens und Einfügen eines variablen Kondensators C1, wie in 5 dargestellt ist. Da dies eine Region großer HF-Streifenströme ist, beeinflusst dieser Kondensator die Abstimmung der Mode m = 1 stark. Da der HF-Strom der zweiten Mode mit m = 2 an dieser Position durch null geht, hat ein Kondensator, der an diesem Punkt platziert ist, wenig Auswirkung auf die Abstimmung der zweiten Mode.
Die Abstimmung der Mode m = 2 kann erreicht werden durch Hinzufügen eines variablen Kondensators C2 zwischen dem ersten leitenden Endstreifen und einem Mittelsprossenelement, das mit dem zweiten leitenden Endstreifen verbunden ist, wie in 6 dargestellt ist. Da die HF-Spannung zwischen den Streifen in dieser Region hoch ist, hat dieser Kondensator eine starke Wirkung auf die Abstimmung der Mode m = 2. Die HF-Spannung der Mode m = 1 verläuft in dieser Region durch null, ein paralleler Kondensator zwischen den Streifen hat wenig Wirkung auf die Abstimmung der Mode m = 1. Bei Anwendungen, wo die zwei Moden in Quadratur bei derselben Frequenz betrieben werden, wird die kombinierte Abstimmschaltung, dargestellt in 7, verwendet. Hier ist der variable Kondensator C1 aus 5 durch die Reihenkombination der variablen Kondensatoren C1' und C1'' ersetzt, jeweils mit der doppelten Kapazität von C1. Kondensatoren C1' und C1'' können kombinierte variable Kondensatoren sein, wodurch die Abstimmunabhängigkeit der zwei Moden beibehalten wird. Die Abstimmung von jeder Mode ist relativ gesehen unabhängig von der anderen, da der variable Kondensator C1 zum Abstimmen der Mode m = 1 an einer Position ohne Stromfluss von Mode m = 2 ist, und der variable Kondensator C2 zum Abstimmen der Mode m = 1 an einer Position ist, wo wenig oder kein HF-Strom in Mode m = 1 fließt.
Ein Verfahren zum Koppeln und Anpassen an die Moden der Spule zu den Sendeleitungen, die zu der MRI-Steuer- und -Anzeige-Einheit führen, ist in 8 gezeigt. Der variable Kondensator C3 und der feste Kondensator C3' steuern die Kopplung der m = 1 Modensignale und der variable Kondensator C4 und der feste Kondensator C4' steuern die Kopplung der m = 2 Modensignale.
9 stellt eine aktive Verstimmungsschaltung dar, die mit der tausendfüßigen Oberflächenspule dieser Erfindung kompatibel ist. Die Schaltung von 9 nutzt zwei aktive Schaltschaltungen, eine für Mode m = 1 und eine für Mode m = 2. Jeder aktive Schalter nutzt zwei Pin-Dioden, wie nachfolgend erklärt wird. Wenn die tausendfüßige Oberflächenspule als eine Empfängerspule verwendet wird, was der üblichere Fall ist, wird sie aktiv verstimmt während der Übertragungsperiode, wodurch jegliche HF-Ströme in der Empfängerspule reduziert oder beseitigt werden, die wie oben erläutert verursachen, dass das HF-Feld, das durch die Senderspule erzeugt wird, inhomogen ist. Während der Empfangsphase muss der aktive HF-Schalter vollständig aus sein.
Die Verstimmung von Mode m = 1 wird erreicht durch effektives Schalten der Spule L1 über die Reihenkondensatorkombination aus C1' und C1''. Dies wird erreicht durch Anlegen einer positiven Vorspannungsspannung an V1 relativ zu dem Anschluss V1' von 9, wodurch die zwei Pin-Dioden eingeschaltet werden, die mit D1 gekennzeichnet sind, wodurch die Induktivität L1 elektrisch parallel zu der Reihenkondensatorkombination von C1' und C1'' geschaltet wird, wodurch verursacht wird, dass die Mode m = 1 auf eine Nähere Frequenz abgestimmt wird. Die Vorspannungsspannung sollte ausreichend groß sein, um die Diode in ihrem leitenden Zustand durch alle Teile des HF-Zyklus zu behalten. Auf ähnliche Weise wird durch Anlegen einer positiven Vorspannungsspannung an den Anschluss V2 im Vergleich zu V2' der Induktor L2 elektrisch über den Kondensator C2 verbunden, wodurch die Mode m = 2 auf eine höhere Frequenz abgestimmt wird. Diese positiven Vorspannungsspannungen sind an die Empfangsspule während der Übertragungsperiode angelegt, so dass die Frequenzen von Mode m = 1 und m = 2 nicht bei der Senderfrequenz schwingen, wodurch ein HF-Strom bedeutend reduziert wird, der in die tausenfüßige Empfangs-Oberflächenspule induziert wird. Die HF-Drosselspulen, gekennzeichnet als RFC in 9, koppeln die Vorspannungsspannungen mit den Pin-Dioden, während gleichzeitig eine hohe Impedanz bei der Senderfrequenz geliefert wird, wodurch die Vorspannungsversorgung HF-mäßig von der tausendfüßigen Oberflächenspule isoliert wird.
Während der Empfangsphase müssen die aktiven HF-Schalter für die zwei Moden vollständig aus sein. Bei der Schaltung von 9, wenn die HF-Spannungsspitze an der Kathode von einer der D1-Dioden positiv ist, ist sie an der Kathode der anderen Diode negativ, so dass sogar mit einer angelegten Vorspannungsspannung von null eine der zwei Dioden immer in dem nicht leitenden Zustand ist. Somit muss die Vorspannungsspannung positiv sein, um die Schaltung zu verstimmen, und null, damit die Schaltung inaktiv ist, d. h. in dem abgestimmten Zustand.
Obwohl die Entwürfe der tausendfüßigen Oberflächenspule Bezug nehmend auf bestimmte Ausführungsbeispiele und Beispiele beschrieben wurden, sind für Fachleute auf dem Gebiet im Hinblick auf die obigen Lehren andere Modifikationen, Variationen und Hinzufügungen offensichtlich. Wenn z. B. die Polarität der Pin-Dioden umgekehrt wäre und die Vorspannungsversorgungsspannung ebenfalls umgekehrt wäre, würde die Schaltung gleichermaßen gut arbeiten. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass innerhalb des Schutzbereichs der angehängten Ansprüche diese Erfindung anders ausgeführt werden kann als spezifisch beschrieben wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5559434 [0007]
US 7501828 [0008]
US 5898306 [0010]
US 6169401 [0011]
US 6285189 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

A. Asfour u. a. „Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings”, 12.05.2008, S. 945–950 [0007]

Claims

Eine tausendfüßige Oberflächenspule mit elektrisch leitenden Elementen, befestigt an einer Oberfläche einer Lage aus einem isolierenden Material und verbunden mit einer MRI-Vorrichtung über Übertragungsleitungen, wobei die Spule folgende Merkmale aufweist: einen ersten leitenden Endstreifen, der auf der Oberfläche der Lage des isolierenden Materials angeordnet ist; einen zweiten leitenden Endstreifen, der auf der Oberfläche der Lage des isolierenden Materials parallel zu dem ersten leitenden Endstreifen angeordnet ist; einen ersten Satz aus parallelen, leitenden Sprossenelementen, die zwischen einem ersten und zweiten leitenden Endstreifen angeordnet sind, befestigt an der Oberfläche des isolierenden Materials und elektrisch verbunden mit dem ersten leitenden Endstreifen; und einen zweiten Satz aus parallelen Sprossenelementen, die jeweils zwischen einem Paar aus leitenden Sprossen des ersten Satzes platziert sind, befestigt an der Oberfläche des isolierenden Materials und elektrisch verbunden mit dem zweiten, leitenden Endstreifen, wobei eine Anzahl aus parallelen, leitenden Sprossenelementen und eine Beabstandung zwischen benachbarten Sprossenelementen ausgewählt sind, um einen dominanten induktiven und einen Eigenkapazitäts-Wert zu liefern, um die tausenfüßige Oberflächenspule bei einer gewünschten Betriebsfrequenz schwingen zu lassen.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 1, bei der der erste leitende Endstreifen mit dem ersten Satz aus parallelen leitenden Sprossenelementen und der zweite leitende Endstreifen mit dem zweiten Satz aus parallelen Sprossenelementen an einer vorderen Oberfläche der Lage des isolierenden Materials befestigt ist.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 1, bei der der erste leitende Endstreifen und der erste Satz aus parallelen leitenden Sprossenelementen an der vorderen Oberfläche der Lage des isolierenden Materials befestigt sind und bei der der zweite leitende Endstreifen und der zweite Satz aus parallelen Sprossenelementen an einer Rückoberfläche der Lage des isolierenden Materials befestigt sind.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 1, bei der die Lage des isolierenden Materials eine flache Lage ist.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 1, bei der das isolierende Material TEFLON^® ist.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 1, bei der die Lage aus isolierendem Material gekrümmt ist.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 6, bei der die Lage aus isolierendem Material ein Teilzylinder mit den Sprossen parallel zu einer Achse des Zylinders und fest verteilt entlang einer Oberfläche des Zylinders ist.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 7, bei der ein Winkel zwischen Sprossen eines ersten und letzten Endes entlang der Oberfläche des Zylinders 180 Grad ist.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 1, die ferner einen variablen Kondensator C1 aufweist, wobei der erste leitende Endstreifen in seiner Mitte in ein erstes und ein zweites leitendes Streifensegment gespalten ist mit einer variablen Kapazität C1, elektrisch eingefügt zwischen die zwei leitenden Streifensegmente an der Position der Spaltung, wodurch die Resonanzfrequenz der niedrigsten Mode bei m = 1 eingestellt ist.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 9, bei der die variable Kapazität C1 zwei variable Kondensatoren C1' und C1'' aufweist, die in Reihe verbunden sind.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 10, die ferner einen zusätzlichen variablen Kondensator C2 mit einer ersten und einer zweiten Anschlussleitung aufweist, wobei die erste Anschlussleitung elektrisch mit einem Übergang einer Reihenverbindung von variablen Kondensatoren C1' und C1'' verbunden ist und die zweite Anschlussleitung elektrisch mit einem mittleren Sprossenelement des zweiten Satzes aus parallelen Sprossenelementen über sein nicht angebrachtes Ende verbunden ist, das gegenüberliegend zu seinem Ende ist, das mit dem zweiten leitenden Endstreifen verbunden ist, wodurch eine Frequenz der nächst höheren Mode bei m 2 eingestellt ist.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 10, die ferner einen variablen Kondensator C3 und einen festen Kondensator C3' aufweist, wobei jeder eine erste und eine zweite Anschlussleitung aufweist, wobei die erste Anschlussleitung des variablen Kondensators C3 elektrisch mit einem äußeren Ende von einem der ersten gespaltenen Segmente verbunden ist, die erste Anschlussleitung des festen Kondensators C3' elektrisch mit dem äußeren Ende des zweiten gespaltenen Segments verbunden ist und die zweiten Anschlussleitungen des variablen Kondensators C3 und des festen Kondensators C3 mit den Sendeleitungen gekoppelt sind, was die Impedanzanpassung der Modenresonanz m = 1 verbessert.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 12, die ferner den variablen Kondensator C4 und den festen Kondensator C4' aufweist, wobei jeder derselben eine erste und eine zweite Anschlussleitung aufweist, wobei die erste Anschlussleitung des variablen Kondensators C4 elektrisch mit einem Übergang der drei variablen Kondensatoren C1'‚ C1'' und C2 verbunden ist, die erste Anschlussleitung des festen Kondensators C4' elektrisch mit der zweiten Anschlussleitung des Kondensators C2 verbunden ist, die zweiten Anschlussleitungen des variablen Kondensators C4 und des festen Kondensators C4' mit den Sendeleitungen gekoppelt sind, was eine Impedanzanpassung der Modenresonanz m = 2 liefert.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 12, die ferner einen Abstimminduktor L1, zwei Pin-Dioden D1 und drei Hochfrequenzdrosselspulen (RFC-Spulen) aufweist, wobei die Pin-Dioden D1 den Abstimminduktor L1 mit den variablen Kondensatoren C1' und C1'' verbinden und die drei RFC-Spulen die externe Vorspannungsspannung elektrisch mit den Pin-Dioden D1 koppeln, während eine Hochfrequenzisolation zwischen einer externen Vorspannungsspannungsquelle und der tausendfüßigen Oberflächenspule bereitgestellt wird, wodurch nach dem Anlegen einer extern angelegten Vorspannungsspannung die Pin-Dioden D1 elektrisch leitfähig werden, wodurch der Abstimminduktor L1 elektrisch mit den variablen Kondensatoren C1' und C1'' verbunden wird und die Mode m = 1 der tausendfüßigen Oberflächenspule verstimmt wird.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 13, die ferner einen Abstimminduktor L1, zwei Pin-Dioden D1 und drei Hochfrequenzdrosselspulen (RFC-Spulen) aufweist, wobei die Pin-Dioden D1 den Abstimminduktor L1 mit den variablen Kondensatoren C1' und C1'' verbinden und die drei RFC-Spulen eine externe Vorspannungsspannung elektrisch mit den Pin-Dioden D1 koppeln und eine Hochfrequenzisolation zwischen der externen Vorspannungsspannungsquelle und der tausendfüßigen Oberflächenspule bereitstellen, wodurch nach dem Anlegen der extern angelegten Vorspannungsspannung die Pin-Dioden D1 elektrisch leitfähig werden, wodurch der Abstimminduktor L1 elektrisch mit den variablen Kondensatoren C1' und C1'' verbunden wird und die Mode m = 1 der tausendfüßigen Oberflächenspule verstimmt wird.
Die tausendfüßige Oberflächenspule gemäß Anspruch 15, die ferner einen Abstimminduktor L2, zwei Pin-Dioden D2 und drei RFC-Spulen aufweist, wobei die Pin-Dioden D2 den Abstimminduktor L2 mit den zwei Anschlussleitungen des variablen Kondensators C2 verbinden, die drei RFC-Spulen die externe Vorspannungsspannung elektrisch mit den Pin-Dioden D2 koppeln und eine Hochfrequenzisolation zwischen der externen Vorspannungsspannungsquelle und der tausenfüßigen Oberflächenspule bereitstellen, wodurch nach dem Anlegen der extern angelegten Vorspannungsspannung die Pin-Dioden D2 elektrisch leitfähig werden, wodurch der Abstimminduktor L2 elektrisch mit dem variablen Kondensator C2 verbunden wird und die Mode m = 2 der tausendfüßigen Oberflächenspule verstimmt wird.