DE19513231A1 - Antenne für Kernspintomographie - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne, insbe­ sondere aus supraleitendem Material, für medizinische Anwendungen in der Kernspintomographie.

Bei der in der medizinischen Diagnostik eingesetzten Kern­ spintomographie werden im menschlichen Körper Atomkerne mit magnetischem Moment durch gepulste magnetische Felder in höherenergetische Zustände angeregt, die durch ein statisches Magnetfeld bestimmt sind. Helaxationsprozesse bestimmen die Rückkehr der Kerne in den niederenergeti­ schen Zustand. Dabei werden Hochfrequenzsignale emittiert, die gemessen, ausgewertet und in Form von Schnittbildern dargestellt werden. Hierzu werden spezielle, im Nahfeld betriebene Hochfrequenzantennen benötigt, die die sehr kleinen Pegel der emittierten Kernsignale mit einem hohen Signal- zu Rauschverhältnis aufnehmen können.

Die Amplitude des Hochfrequenzsignals der relaxierenden Spins ist proportional zur Larmor-Frequenz, zu der zum statischen Magnetfeld transversalen Hochfrequenzkomponente der Antenne und zur örtlichen Magnetisierung in dem be­ treffenden Volumenelement. Bei Ortsabhängigkeit dieser Amplitude kann nicht mehr unterschieden werden, ob bei­ spielsweise die örtliche Magnetisierung oder aber die transversale Hochfrequenzkomponente für eine spezifische Signalgröße verantwortlich ist. Dadurch kann eine drasti­ sche Verfälschung des Bildinhalts auftreten. Eine in der Kernspintomographie verwendete Antenne sollte daher eine möglichst ortsunabhängige Amplitude im gesamten zu unter­ suchenden Volumen liefern. Da sowohl die Magnetisierung als auch die Larmor-Frequenz proportional mit dem stati­ schen Magnetfeld zunehmen, nimmt die Amplitude des von der Antenne detektierbaren Signals etwa quadratisch mit der Frequenz zu, während gleichzeitig das vom Körper emittier­ te Rauschen nur linear mit der Frequenz steigt. Daher wird neben wiederholten Messungen mit Datenermittlung und dem Übergang von linearer auf zirkulare Polarisation eine Er­ höhung des Signal-Rauschabstands hauptsächlich durch eine Erhöhung der Frequenz bzw. des damit verbundenen stati­ schen Magnetfeldes erreicht. Die obere Grenze des nutz­ baren Feldstärkenbereichs ist durch die bereits stark ausgeprägten Stehwellen- und Resonanzeffekte im leit­ fähigen Körpergewebe gegeben, die eine Abbildung der tief unter der Haut liegenden Strukturen beeinflussen. Gängige Systeme arbeiten daher im Feldstärkebereich von 1 bis 4 T. Um diese hohen Magnetfeldstärken zu erreichen, werden auf­ wendige supraleitende Spulen benötigt. Lediglich Systeme im Feldstärkebereich von 0,2 bis 0,5 T kommen mit normal­ leitenden Magnetfeldspulen oder Permanentmagneten aus. Vor allem in diesem Niederfrequenzbereich beschränkt das niedrige Signal-Rauschverhältnis die Auflösung des Systems.

Soll nur ein relativ kleiner Objektbereich abgebildet werden, kann durch Verkleinerung des Antennenradius das vom Körper emittierte Rauschen vermindert werden. Dazu werden hauptsächlich Kreisringantennen verwendet. Die Grenze der Miniaturisierung ist durch das Eigenrauschen der Antenne und die Verkleinerung des Abbildungsvolumens gegeben. Damit bei diesen sogenannten Oberflächenspulen ihre schlechte magnetische Homogenität nicht zu stark in das Bildergebnis eingeht, wird zum Senden die sehr viel homogenere Ganzkörperspule verwendet. Während der Sende­ phase muß nun die Resonanzfrequenz der Oberflächenspule verstimmt werden, damit die Resonanzfrequenz der Ganz­ körperspule nicht verändert und damit in jedem Fall eine eventuelle Fokussierung von Hochfrequenzleistung auf das zu untersuchende Organ durch Resonanzkopplung mit der Oberflächenantenne unterbunden wird. Es werden dadurch aus Sicherheitsgründen sehr aufwendige Verstimmschaltungen not­ wendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Antenne für die Kernspintomographie anzugeben, die ein günstigeres Signal-Rauschverhältnis aufweist.

Diese Aufgabe wird mit der Antenne mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die vorliegende Erfindung verwendet für die Oberflächen­ spule eine Antennenanordnung in Mehrschichttechnik. Diese zeichnet sich dadurch aus, daß die Schichten entweder in Dünn- und/oder in Dickfilmtechnik aus supraleitendem Material bestehen. In einer besonders vorteilhaften Ausge­ staltung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht die magnetfelderzeugende bzw. die magnetfelddetektierende Kreisringantenne aus einem Supraleiter. Zusätzlich zu der Kreisringantenne ist mindestens eine supraleitende Schicht räumlich so angeordnet, daß eine Homogenisierung und/oder eine Erhöhung der Feldstärke des für die Anwendung rele­ vanten hochfrequenten Magnetfeldes im Abbildungsvolumen er­ reicht wird. Als Supraleiter werden an sich bekannte Materialien, z. B. YBa₂Cu₃O_7-, verwendet. Während Supra­ leiter vom Typ I dabei nur in der vollständigen Meißner­ phase, also unterhalb des kritischen Magnetfeldes be­ trieben werden sollten, können Supraleiter vom Typ II, wie z. B. die oxydischen Hochtemperatursupraleiter, auch in der Shubnikov-Phase oberhalb des unteren kritischen Magnet­ feldes und unterhalb des oberen kritischen Magnetfeldes betrieben werden, wenn z. B. durch ausreichendes Fluß­ pinning die Rauschkomponente des eingefangenen Flusses gegenüber der größten Rauschquelle des Systems klein ge­ halten wird. Durch den sehr geringen Verlustwiderstand des Supraleiters wird das Eigenrauschen der Kreisringantenne minimiert. Zur Optimierung des Signal-Rauschabstandes kann der Radius der Kreisringantenne wesentlich kleiner gewählt werden, wodurch die vom Körper emittierte Rauschleistung vermindert und die gesamte Rauschleistung des Systems minimiert werden kann. Um das durch die Miniaturisierung der Antenne verminderte Abbildungsvolumen zu vergrößern, kann erfindungsgemäß eine Antenne aus vielen matrixförmig angeordneten gleichartigen Kreisringantennen verwendet werden.

Diese einzelnen Kreisringantennen können seriell oder parallel zum Senden und/oder Empfangen des hochfrequenten Magnetfeldes angesteuert werden. Alternativ kann ein Array, wie es in P.B. Hoemer, W.A. Edelstein, S.P. Souza, C.E. Hayes, O.M. Mueller, "Simultaneous multiple surface coil NMH imaging", Proc. of the SMHM, San Francisco, vol. 2, (1988), S. 875 beschrieben ist, vorgesehen sein.

In der erfindungsgemäßen Anordnung wird der Meißnereffekt, der dazu führt, daß das Magnetfeld nicht in den Supra­ leiter eindringt, ausgenutzt. Dadurch wird erreicht, daß eine zusätzliche supraleitende Schicht das magnetische Feld derart bündelt, daß es im Bereich des zu unter­ suchenden Körpervolumens besonders homogen ist oder zu­ mindest ein vorgegebener Gradient der Magnetfeldstärke in diesem Volumen eingestellt werden kann. Durch den Gewinn an Signal-Rauschabstand und an Homogenität des Magnet­ feldes bei der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Antenne sowohl in der Sende- als auch in der Empfangsphase betrieben werden, wobei eine deutlich geringere Sende­ leistung als bei herkömmlichen Anordnung erforderlich ist.

Dadurch wird auch eine aufwendige Verstimmschaltung über­ flüssig. Durch den bezüglich zum Körperrauschen vernach­ lässigbaren Rauschbeitrag der Antenne kann das Abbildungs­ volumen durch Änderung der Entfernung von Antenne zum messenden Volumenelement kontinuierlich eingestellt werden.

Es folgt eine Beschreibung eines besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels anhand der Fig. 1 bis 5.

Fig. 1 zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Antenne in Aufsicht.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne im Querschnitt.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Antenne mit einer matrixförmigen Anordnung einzelner Kreisringan­ tennen in Aufsicht.

Fig. 4 und 5 zeigen Diagramme zu einer erfindungsgemäßen Antenne.

Fig. 1 zeigt eine Kreisringantenne 3, die mit einem Empfänger 4 verbunden ist, und eine kreisringförmige Schicht 2 aus supraleitendem Material, die die Kreis­ ringantenne 3 rings umgibt. Diese Anordnung ist im Quer­ schnitt in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 2 ist erkennbar ein Substrat 1 aus elektrisch isolierendem Material, z. B. ein LaAlO₃-Kristall, auf das in an sich bekannter Weise eine homogene Schicht 2 aus supraleitendem Material, z. B. YBa₂Cu₃O_7-, aufgebracht und photolithographisch strukturiert ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Material des Substrates 1 so gewählt, daß das supra­ leitende Material darauf epitaktisch aufgewachsen werden kann. Die Herstellung einer planaren Anordnung aus einem Supraleiter ist an sich bekannt (A.A. Valenzuela, P. Russer, "High Q coplanar transmission line resonator of XBa₂Cu₃O_7-x on MgO", Appl. Phys. Lett. 55 (10), (1989) S. 1029-1031). Die eingezeichneten Abmessungen betragen bei diesem Ausführungsbeispiel für den inneren Radius der Schicht 2 aus supraleitendem Material a = 12 mm und für den mittleren Radius der Kreisringantenne b = 10,5 mm, und der äußere Radius der supraleitenden Schicht 2 ist c = 35 mm. Das mit dem Bezugszeichen 5 versehene Rechteck symbolisiert das zu untersuchende Abbildungsvolumen.

In Fig. 4 sind die Feldlinien für die Anordnung aus Fig. 3 dargestellt. Auf der Abszisse ist die Richtung senkrecht zur Oberfläche des Substrates 1 aufgetragen. Auf der Ordinate ist der Abstand von der Mittelachse des von der Kreisringantenne 3 gebildeten Kreises aufgetragen. Die vollständigen räumlichen Feldlinien erhält man durch Rotation dieses Diagrammes an der Abszisse. In Fig. 5 ist das axiale Magnetfeld, d. h. die z-Komponente von B auf der Mittelachse in Abhängigkeit von der z-Koordinate in der Einheit T (Tesla) aufgetragen.

Für einen Strom von 200 mA in der Kreisringantenne 3 und eine ringförmige Schicht 2 aus hochtemperatursupraleiten­ dem Material wurde ein Maximum von B_z von 1,66 × 10^-5 T bestimmt. B_z auf der Achse im Abstand von 10 mm von der Ebene der Kreisringantenne 3 betrug 8,0 × 10^-6 T. Damit er­ gab sich eine Verbesserung gegenüber einer Anordnung ohne die supraleitende ringförmige Schicht 2 um 38% (für diese vereinfachte Anordnung ergab sich für das maximale B_z ein Wert von 1,2 × 10^-5 T). Aus der Fig. 4 ist zu erkennen, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Feldlinien auch in einem Abstand von der Ebene der Kreisringantenne relativ homogen sind, zumindest in dem für die Unter­ suchung maßgeblichen axialen Bereich. Durch Änderungen der Abmessungen der Kreisringantenne 3 und der supraleitenden Schicht 2 können in vorteilhafter Weise die Homogenität des erzeugten Magnetfeldes und die Empfindlichkeit der Antenne eingestellt werden.

Der Anschluß eines Verstärkers bzw. Empfängers 4 an die Kreisringantenne 3 erfolgt in üblicher Weise. Der Kreis­ ring der Kreisringantenne 3, der das Magnetfeld erzeugt bzw. detektiert, kann auch spiralenförmig angeordnet mehrere Leiterschleifen aufweisen.

Die Kühlung dem erfindungsgemäßen Antenne kann je nach der kritischen Temperatur des verwendeten Supraleiters z. B. mit flüssigem Stickstoff oder mit Hilfe eines Miniatur­ kühlers in bekannter Weise erfolgen.

Fig. 3 zeigt die matrixartige Anordnung mehrerer Kreis­ ringantennen 3 z. B. auf einem Substrat, wobei die supra­ leitende Schicht 2 ganzflächig aufgebracht ist und kreis­ förmige Aussparungen aufweist, in denen die Kreisringan­ tennen jeweils angeordnet sind.

Claims (9)

1. Antenne zur Kernspintomographie, bei der mindestens eine für aktiven Betrieb vorgesehene Kreisringantenne (3) vorgesehen ist und bei der mindestens eine Schicht (2) aus supraleitendem Material in einer zu der Ebene, in der diese Kreisringantenne angeordnet ist, koplanaren Ebene vorgesehen ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, bei der die Schicht (2) aus supraleitendem Material in derselben Ebene wie die Ebene der Kreisringantenne (3) angeordnet ist.

3. Antenne nach Anspruch 2, bei der die Schicht (2) aus supraleitendem Material die Kreisringantenne rings umgibt.

4. Antenne nach Anspruch 3, bei der die Schicht (2) aus supraleitendem Material ein Kreisring ist.

5. Antenne nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Schicht (2) aus supraleitendem Material einen maximalen Abstand von der Kreisringantenne (3) von 1,5 mm hat.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der eine Kreisringantenne (3) und die Schicht (2) aus supraleitendem Material auf einem elektrisch isolierenden Substrat (1) aufgebracht sind.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der eine Mehrzahl von Kreisringantennen matrixförmig angeordnet sind.

8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der eine Kreisringantenne (3) aus supraleitendem Material vorgesehen ist.

9. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das supraleitende Material ein Hochtemperatur­ supraleiter ist.