DE19810837C2 - Hochfrequenzantenne für ein Magnetresonanzgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzantenne für ein Ma­ gnetresonanzgerät, insbesondere für ein diagnostisches Ma­ gnetresonanzgerät.

Eine Hochfrequenzantenne für ein diagnostisches Magnetreso­ nanzgerät ist z. B. aus der US-PS 4 825 163 bekannt. Die dort beschriebene zirkular polarisierende Antenne besteht aus zwei auf einer Zylindermantelfläche angeordneten und um 90° zuein­ ander verdrehten Teilsystemen. Jedes Teilsystem umfaßt zwei bezüglich der Zylindermantelfläche axial ausgerichtete und symmetrisch angeordnete Antennenlängsleiter. Benachbarte An­ tennenlängsleiter sind an gleichen Enden über Resonanzkonden­ satoren miteinander verbunden. Ringförmige Leiterschleifen (Endringe) sind innerhalb der Zylindermantelfläche angeordnet und mit den beiden Enden der Antennenlängsleiter kapazitiv gekoppelt. Jedes Teilsystem besitzt einen Signalanschluß, der mit einem der Endringe und einem Ende eines der zum Teilsy­ stem gehörenden Antennenlängsleiters verbunden ist.

Eine etwas anders aufgebaute zirkular polarisierende Hochfre­ quenzantenne ist aus der US-PS 4 506 224 gekannt. Dort sind ähnlich wie der vorstehend beschriebenen Antenne in axialer Richtung auf einer Zylindermanteloberfläche vier Antennen­ längsleiter symmetrisch angeordnet. Ein Hochfrequenzschirm umgibt die Antennenlängsleiter. Die Enden der Antennenlängs­ leiter sind über Resonanzkondensatoren mit dem Hochfrequenz­ schirm verbunden, der zusätzlich für die Antennenlängsleiter als Rückleiter wirkt.

Der Betrag der Antennenimpedanz liegt im allgemeinen im Be­ reich von 400 Ω und ist damit vom Wellenwiderstand einer an­ zuschließenden Signalleitung, der z. B. 50 Ω beträgt, ver­ schieden. Ohne eine Impedanzanpassung der Antenne an die anzuschließende Signalleitung würden unerwünschte Signalrefle­ xionen an den Signalanschlüssen auftreten. Daher werden An­ paßschaltungen eingesetzt, die zwischen den Signalanschlüssen und den Signalleitungen geschaltet sind. Die Anpaßschaltungen transformieren die Antennenimpedanz auf den Wert des Wellen­ widerstands der anzuschließenden Signalleitung. Mit Hilfe von einstellbaren Anpaßschaltungen können auch Impedanzänderungen der Antenne aufgrund der unterschiedlichen Belastungen durch zu untersuchende Objekte ausgeglichen werden. Eine Verringe­ rung des Aufwandes zur Anpassung der Antenne an den Wellenwi­ derstand der anzuschließenden Signalleitung wäre wünschens­ wert.

In dem Buch von Karl Rothammel mit dem Titel "Antennenbuch", 1984, 8., überarbeitete Auflage, Telekosmos-Verlag Franckh'sche Verlagshandlung Stuttgart, ist auf der Seite 452 angegeben, daß bei einer kurzgeschlossenen Viertelwellenlei­ tung (λ/4-Leitung) alle Impedanzen vom Höchstwert bis zum Nullpunkt auftreten. Dies wird zum Signalanschluß an einer Dipolantenne mit einer geraden Anzahl von kollinearen Halb­ wellenstücken, die über Viertelwellenleitungen miteinander verbunden sind, ausgenutzt. Auf der Leiteroberfläche der Viertelwellenleitung werden die Punkte gesucht, die mit ihrer Impedanz dem Wellenwiderstand der Speiseleitung (Signallei­ tung) entsprechen.

In der EP 0 498 571 A ist eine Hochfrequenzantenne für ein Magnetresonanzgerät offenbart, die eine sogenannte Hochpaß­ spulenanordnung umfaßt. Die Hochpaßspulenanordnung ist von einem Hochfrequenzschirm umgeben. Die Spulenanordnung umfaßt auf einer Zylindermantelfläche angeordnete lineare, leitende Elemente, die sich in axialer Richtung erstrecken und die mit gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Die linearen Elemente sind an ihren Enden über kreisbogenförmige Leiter miteinander verbunden. Zum Abstimmen sind in den Segmenten der kreisförmigen Leiter Kapazitäten eingefügt. Die gesamte Struktur wird auch als Birdcage-Resonator bezeichnet.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Hochfre­ quenzantenne für ein Magnetresonanzgerät mit einem Signalan­ schluß anzugeben, woran reflexionsarm ein Signalkabel ange­ schlossen werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Hochfrequenzantenne gelöst, um­ fassend zwei gegenüberliegend angeordnete Antennenlängsleiter und zwei hochfrequenzmäßig kurzgeschlossene Leiterschleifen, die jeweils mit gleichseitigen Enden der Antennenlängsleiter verbunden sind, einen mit den Antennenlängsleitern und den Leiterschleifen elektromagnetisch gekoppelten und flächig ausgebildeten Antennenrückleiter, eine mit dem Antennenrück­ leiter verbundene erste Signalanschlußstelle und eine mit ei­ ner der Leiterschleifen verbundene zweite Signalanschluß­ stelle, die derart angeordnet ist, daß eine über die Signal­ anschlußstellen meßbare Antennenimpedanz gleich einem Wellenwiderstand einer dort anschließbaren Signalleitung ist. Bei einer derartigen Antennenstruktur wird eine auf den End­ ringen sich einstellende Strom- und Spannungsverteilung ge­ nutzt, ohne eine zusätzliche Anpaßschaltung oder allenfalls mit einer Anpaßschaltung mit einem verringerten Bauteileauf­ wand die Anpassung der Antennenimpedanz an den Wellenwider­ stand einer anschließbaren Signalleitung zu erreichen. Die Strom- und Spannungsverteilung auf den Endringen stellen sich sinusförmig ein, wobei im Idealfall die Strom- und Spannungs­ maxima um 90° versetzt zueinander auftreten. Dadurch ergeben sich auf den Endringen vier Orte, an denen Spannung und Strom betragsmäßig so im Verhältnis stehen, daß sich dort eine Im­ pedanz von z. B. 50 Ω ergibt. Wählt man einen dieser Orte als zweite Signalanschlußstelle, so kann auf zusätzliche An­ paßelemente verzichtet werden.

Insgesamt bietet die versetzte zweite Anschlußstelle den Vor­ teil, daß auf jeden Fall mit einem reduzierten Bauteileauf­ wand die Anpassung der Hochfrequenzantenne eingestellt werden kann. Gleichzeitig verringert sich die Spannungsbelastung der verwendeten Bauteile, wie z. B. der Leitungen, Kondensatoren, Spulen und Stecker.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an­ hand von drei Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht eine erste Ausfüh­ rungsform der Hochfrequenzantenne mit einer seitlich versetz­ ten und verschiebbaren Signalanschlußstelle,

Fig. 2 in einer schematischen Vorderansicht eine zweite Aus­ führungsform der Hochfrequenzantenne mit einer seitlich ver­ setzten festen Signalanschlußstelle und

Fig. 3 in einer schematischen Vorderansicht eine dritte Aus­ führungsform der Hochfrequenzantenne mit einer seitlich ver­ setzten festen Signalanschlußstelle und einer Anpaßschaltung zur Kompensation von Belastungseinflüssen.

Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Hochfre­ quenzantenne 2 mit zwei auf einer Zylindermantelfläche 4 axial angeordneten Antennenlängsleitern 6 und 7. Die Anten­ nenlängsleiter 6, 7 sind z. B. flächig in Form einer Kupfer­ folie auf einer Platine (hier nicht dargestellt) aufgebracht. Die Antennenlängsleiter 6, 7 sind gleich ausgebildet und gegenüberliegend auf der Zylindermantelfläche 4 angeordnet. An beiden Enden 8 und 10 sind die Antennenlängsleiter 6, 7 über kreisringförmige Leiterschleifen 12 bzw. 14 miteinander ver­ bunden. Die Leiterschleifen 12, 14 werden auch als Endringe bezeichnet. In die Leiterschleifen 12, 14 sind Kondensatoren 15 geschaltet, die hochfrequenzmäßig einen Kurzschluß bilden, jedoch für niederfrequente magnetische Gradientenfelder einen hohen Widerstand besitzen. Umgeben sind die Antennenlängslei­ ter 6, 7 und die Leiterschleifen 12, 14 von einem Hochfre­ quenzschirm 16, der zusätzlich zur Abschirmung der hochfre­ quenten Felder nach außen Rückströme (Spiegelströme) von den Antennenlängsleitern 6, 7 und den Leiterschleifen 12, 14 führt und damit hier auch als Antennenrückleiter bezeichnet wird.

Eine erste Signalanschlußstelle 18 ist mit dem Hochfrequenz­ schirm 16 verbunden. Eine zweite Signalanschlußstelle 20 ist versetzt zur ersten Signalanschlußstelle 18 auf der Leiter­ schleife 12 angeordnet. Der Ort des zweiten Signalanschlusses 20 läßt sich z. B. mit Hilfe eines Netzwerk-Analysers finden und wird so festgelegt, daß die an den Signalanschlußstellen 18 und 20 meßbare Antennenimpedanz gleich dem Wellenwider­ stand einer anzuschließenden Signalleitung 22 ist.

Soll noch berücksichtigt werden, daß sich der optimale Ort der zweiten Signalanschlußstelle 20 bei einer Belastung der Antenne 2 verschiebt, kann mit Hilfe eines Motorantriebs 24 die zweite Signalanschlußstelle 20 entsprechend nachgeführt werden, symbolisiert durch einen Doppelpfeil 25. Dazu ist die zweite Signalanschlußstelle 20 als Verschiebekontakt auf der Leiterschleife 12 ausgebildet.

Will man eine feste Signalanschlußstelle 20 realisieren, die sowohl leichte als auch starke Belastungen der Antenne an­ paßt, muß man einen Kompromiß beim Reflexionsfaktor eingehen. Diese Verhältnisse zeigt Fig. 2 in einer schemati­ schen Vorderansicht der Antenne 2. Die optimalen Orte, bei denen der Reflexionsfaktor verschwindet, sind für Leichtlast durch Kreise 26 und für Schwerlast durch ausgefüllte Vierecke 28 gekennzeichnet. Zwischen diesen Orten 26 und 28 sind feste zweite Signalanschlußstellen 20A auf der Leiterschleife 12 angeordnet. Der sich dann bei Leicht- und Schwerlast einstel­ lende Reflexionsfaktor ist kleiner als 30% und daher in den meisten Fällen noch tolerabel.

Strebt man eine bessere Anpassung von z. B. einem Reflexions­ faktor kleiner als 5% an, so kann dies durch eine herkömmli­ che variable Anpaßschaltung 30 erreicht werden, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Anpaßschaltung ist zwischen den Signalan­ schlußstellen 18 und 20A und der Signalleitung 22 geschaltet. Der Vorteil dabei ist, das die Spannungsbelastung der Bau­ teile dieser Schaltung gegenüber einer herkömmlichen Anpaß­ schaltung um den Faktor 3 bis 4 geringer ist.

Gibt man sich mit einem Reflexionsfaktor von bis zu 10% zu­ frieden, so reicht bereits eine Anpassung mit z. B. einem fe­ sten Kondensator und einem zusätzlichen zuschaltbaren Konden­ sator aus.

Claims (7)

1. Hochfrequenzantenne (2) für ein Magnetresonanzgerät mit zwei gegenüberliegend angeordneten Antennenlängsleitern (6, 7), zwei hochfrequenzmäßig kurzgeschlossenen Leiterschleifen (12, 14), die jeweils mit gleichseitigen Enden (8, 10) der Antennenlängsleiter (6, 7) verbunden sind, einem mit den An­ tennenlängsleitern (6, 7) und den Leiterschleifen (12, 14) elektromagnetisch gekoppelten und flächig ausgebildeten An­ tennenrückleiter (16), eine mit dem Antennenrückleiter (16) verbundene erste Signalanschlußstelle (18) und eine mit einer der Leiterschleifen (12) verbundene zweite Signalanschluß­ stelle (20, 20A), die derart angeordnet ist, daß eine über die Signalanschlußstellen (18; 20, 20A) meßbare Antennenimpe­ danz gleich einem Wellenwiderstand einer dort anschließbaren Signalleitung (22) ist.

2. Hochfrequenzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenlängsleiter (6, 7) gleich ausgebildet sind.

3. Hochfrequenzantenne nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterschleifen (12, 14) gleich ausgebildet sind.

4. Hochfrequenzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleifen (12, 14) jeweils einen Kreisring bilden.

5. Hochfrequenzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenlängsleiter (6, 7) und die Leiterschleifen (12, 14) auf einer ersten Zylindermantelfläche (4) und der Antennen­ rückleiter (16) auf einer zweiten Zylindermantelfläche ange­ ordnet sind.

6. Hochfrequenzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalanschlußstelle (20A) derart fest auf der Leiter­ schleife (12) angeordnet ist, daß die dort meßbare Anten­ nenimpedanz bei einer mittleren Belastung der Antenne gleich ist dem Wellenwiderstand der dort anschließbaren Signallei­ tung (22).

7. Hochfrequenzantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Signalanschlußstelle (20) auf der Leiterschleife (12) verschieb­ bar angeordnet ist.