DE202007015620U1 - Resonator segments for generating a homogeneous B1 field in ultrahigh-field magnetic resonance tomography - Google Patents
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Abstract
Resonatorsegmente
zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes
im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen,
– mit jeweils
einer metallisch leitenden oder metallenen Grundplatte (1),
– mit zwei
metallisch leitenden oder metallenen Leiterstreifen (4) und (5)
als hochfrequente Nahfeld-Wechselwirkungselemente,
– mit einem
Dielektrikum, bestehend aus einer ersten dielektrische Platte (2)
und einer zweiten dielektrische Platte (3) zwischen den Leiterstreifen
(4) und (5) und der Grundplatte (1), wodurch die Leiterstreifen
(4) und (5) und die Grundplatte (1) galvanisch voneinander isoliert
werden,
– wobei
jedes planare Resonatorsegment (109) so konstruiert ist, das es
als selbständiges
Antennenmodul einzeln angesteuert werden kann und sowohl einzeln
als auch als modulares Bestandteil einer komplexen, schaltbaren
Antennenvorrichtung verwendet werden kann,
– wobei die zwei Leiterstreifen
(4) und (5) zusammen eine Resonanzleitungs-Antennenvorrichtung in
Form eines resonanten Dipols bilden,
– wobei sich die mechanische
Gesamtlänge
der Resonanzleitung des so gebildeten Dipols aus der Summe der einzelnen
Längen
der jeweiligen Leiterstreifen...Resonator segments for generating a homogeneous B1 field in ultrahigh field magnetic resonance tomography,
Each with a metallically conductive or metal base plate (1),
With two metal-conducting or metal conductor strips (4) and (5) as high-frequency near-field interaction elements,
- With a dielectric, consisting of a first dielectric plate (2) and a second dielectric plate (3) between the conductor strips (4) and (5) and the base plate (1), whereby the conductor strips (4) and (5) and the base plate (1) are galvanically isolated from each other,
Each planar resonator segment (109) is constructed so that it can be individually controlled as a stand-alone antenna module and can be used both individually and as a modular component of a complex, switchable antenna device,
The two conductor strips (4) and (5) together forming a resonance line antenna device in the form of a resonant dipole,
- Wherein the total mechanical length of the resonance line of the dipole thus formed from the sum of the individual lengths of the respective conductor strips ...
Description
Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung zum Erzeugen eines homogenen hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feld) zur Initiierung der Spinanregung im Untersuchungsvolumen eines Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen (MRT: Magnet Resonanz Tomograph, bzw. MRB: Magnet Resonanz Bildgebung und MRI: magnet resonance imaging). Die Antennenvorrichtung besteht aus zahlreichen (z. B. acht bis sechzehn) einzelnen, elektromagnetisch weitgehend voneinander entkoppelten Resonatorsegmenten, die im Umfang des zylindrischen Untersuchungsvolumens gleichmäßig verteilt angebracht sind und durch eine Steuereinrichtung separat angesteuert werden können. Die Antennenvorrichtung dient zeitlich unmittelbar nacheinander einerseits als Nahfeld-Sendeantenne zur Initiierung der Spinanregung der Protonen im jeweils zu untersuchenden Objekt und andererseits als Nahfeld-Empfangsantenne zum Empfang der hochfrequenten Echosignale. Die einzelnen Resonatorsegmente der Antennenvorrichtung verlaufen in ihrer Längsrichtung parallel zur Längsachse des Grundfeldmagneten. Mit Hilfe der von Leistungsgeneratoren gespeisten Resonatorsegmente wird zur Bildaufnahme ein kurzzeitig gepulstes, lokales, möglichst homogenes, hochfrequentes Magnetfeld (B1-Feld) zur Auslenkung der Kernspins in den zu untersuchenden Objekten im Inneren des Untersuchungsvolumens erzeugt. In den Pulspausen werden die hochfrequenten elektromagnetischen Signale der wieder in die Ausgangslage zurückkehrenden Seins mit den gleichen Resonatorsegmenten empfangen und der rechnerbasierten Auswerteeinrichtung des Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen zur Bildgenerierung zugeführt.The The invention relates to an antenna device for generating a homogeneous high-frequency magnetic field (B1 field) to initiate the spin excitation in the examination volume of an ultrahigh field magnetic resonance tomograph (MRI: Magnetic Resonance Tomograph, or MRB: Magnetic Resonance Imaging and MRI: magnetic resonance imaging). The antenna device is made from numerous (eg eight to sixteen) individual electromagnetically largely decoupled resonator segments in the circumference of the cylindrical examination volume are evenly distributed and can be controlled separately by a control device. The Antenna device serves temporally one after the other on the one hand as a near-field transmitting antenna for initiating the spin excitation of the protons in each case to be examined object and on the other hand as a near-field receiving antenna for Reception of the high-frequency echo signals. The individual resonator segments The antenna device extend in its longitudinal direction parallel to the longitudinal axis of the basic field magnet. With the help of power generators fed Resonator segments is momentarily pulsed for image acquisition, local, if possible homogeneous, high-frequency magnetic field (B1 field) for the deflection of the nuclear spins in the objects to be examined inside the examination volume generated. In the pauses in the pulse, the high-frequency electromagnetic Signals of being returning to the starting position with the same Resonatorsegmenten received and the computer-based evaluation Ultrahigh-field Magnetic Resonance Tomography supplied for image generation.
Neben dem hochfrequenten Magnetfeld (B1-Feld) zur Auslenkung der Seins (die eigentliche Signalerzeugung) sind noch weitere statische Magnetfelder notwendig. Zur Lokalisierung der einzelnen Signale werden magnetische Gradientenfelder verwendet und zur Ausrichtung der Seins dient ein von den Hauptfeldspulen erzeugtes, sehr starkes, homogenes, statisches Magnetfeld mit magnetischen Flussdichten im Bereich bis zu einigen Tesla.Next the high-frequency magnetic field (B1 field) for the deflection of being (the actual signal generation) are still more static magnetic fields necessary. To localize the individual signals are magnetic Gradient fields are used and used to align being generated by the main field coils, very strong, homogeneous, static Magnetic field with magnetic flux densities ranging up to several Tesla.
Mit zunehmender magnetischer Flussdichte werden feinere Strukturen darstellbar. Allerdings steigt gleichzeitig auch der technische Aufwand zur Erzeugung dieser hohen magnetischen Flussdichten ganz enorm an.With increasing magnetic flux density, finer structures can be displayed. However, at the same time the technical effort to generate increases of these high magnetic flux densities.
Für diagnostische Zwecke werden als Kompromiss zwischen der erzielbaren Bildauflösung und den damit verbundenen Anschaffungs- und Betriebskosten derzeit noch typischerweise magnetische Flussdichten im Bereich von etwa 1,5 Tesla verwendet. Seit dem Jahr 2006 werden bei Neuanschaffungen zunehmend Maschinen mit magnetischen Flussdichten von 3,0 Tesla aufgestellt. Die Universität Marburg besitzt seit 2005 ein kommerzielles 7-Tesla-Gerät (Siemens) für experimentelle Kopfuntersuchungen. Im Forschungszentrum Jülich soll bis 2008 eine Anlage mit 9,4 Tesla errichtet werden. In der physikalischen Forschung werden Hochfeldgeräte mit Werten der magnetischen Flussdichten bis zu 20 Tesla eingesetzt.For diagnostic Purposes are used as a compromise between the achievable image resolution and the associated acquisition and operating costs currently typically magnetic flux densities in the range of about 1.5 Tesla used. Since 2006 are new purchases increasingly machines with magnetic flux densities of 3.0 Tesla established. The University Marburg has since 2005 a commercial 7-Tesla device (Siemens) for experimental Head studies. At Forschungszentrum Jülich, a plant is scheduled for completion by 2008 to be built with 9.4 tesla. In physical research become high field devices used with values of magnetic flux densities up to 20 Tesla.
In Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte des statischen Hauptfeldes ändert sich allerdings auch die Frequenz der Präzessionsbewegung der Kernseins, die sogenannte Larmorfrequenz. Diese entspricht weitgehend der Wechselwirkungsfrequenz des hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feldes) zur Auslenkung der Seins der an der Bilderzeugung beteiligten Protonen. Dabei ist der Zusammenhang linear. Bei einer Stärke der magnetischen Flussdichte des Hauptfeldes von 7 Tesla beträgt die Larmorfrequenz der Wasserstoffprotonen etwa 300 MHz. Dies bedeutet, dass die Antennenvorrichtung zum Erzeugen eines homogenen hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feld) zur Initiierung der Spinanregung im Untersuchungsvolumen eines Hochfeld-Magnetresonanz-Tomographen an diese mit zunehmender magnetischer Flussdichte ansteigende Larmorfrequenz angepasst sein muss. Genügten bisher für Niederfeld-Geräte noch relativ einfach herzustellende Hochfrequenzspulen als geeignete Wechselwirkungselemente, so müssen bei Hochfeld- oder gar Ultrahochfeld-Geräten zunehmend induktivitätsarme Nahfeld-Antennen verwendet werden, um das erforderliche hochfrequente Magnetfeld (B1-Feld) aufzubauen. Die spezielle Gestaltung der zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendeten Resonatorsegmente hat also einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der mit modernen Hochfeld-Geräten erzielten Bilder. Die Resonatorsegmente müssen nicht nur genügend intensive Hochfrequenzfelder (Eingangsleistung pro Resonatorsegment kurzzeitig ca. 1 kW) verzögerungsfrei erzeugen können, sie müssen diese hohe Impulsleistung auch noch möglichst gleichmäßig im gesamten Untersuchungsvolumen in eine hochfrequente magnetische Flussdichte umwandeln.In dependence however, the magnetic flux density of the static main field changes also the frequency of the precession movement the core, the so-called Larmor frequency. This corresponds largely the interaction frequency of the high-frequency magnetic field (B1 field) for deflection the being of the protons involved in the image generation. It is the relationship is linear. At a strength of the magnetic flux density of the main field is 7 Tesla the Larmor frequency of the hydrogen protons is about 300 MHz. This means, that the antenna device for generating a homogeneous high-frequency Magnetic field (B1 field) for initiation of spin excitation in the examination volume a high-field magnetic resonance tomograph to this with increasing magnetic flux density increasing Larmor frequency must be adapted. sufficed so far for Low-field equipment still relatively easy to produce high-frequency coils as appropriate Interaction elements, so must at high field or even ultra-high field devices increasingly low in inductance Near-field antennas are used to produce the required high-frequency Build up magnetic field (B1 field). The special design of the Structure of the antenna device used Resonatorsegmente has So a decisive influence on the quality of the modern high field devices achieved pictures. The resonator segments need not only sufficiently intense high frequency fields (Input power per resonator segment short-term approx. 1 kW) without delay can generate You need to this high impulse output even as evenly as possible in the entire examination volume into a high-frequency magnetic flux density.
Bei sehr hohen Werten der magnetischen Flussdichte und damit sehr hohen Larmorfrequenzen weisen herkömmliche Käfigspulen (birdcage coils) für das Untersuchungsvolumen mit mäßig schmalen Kupferstreifen als Sprossen eine verhältnismäßig hohe Induktivität auf, die sehr geringe Kapazitätswerte erfordert, um die Spulenanordnung insgesamt in den Resonanzzustand zu bringen. Dies ist aus mehreren Gründen problematisch. Es wird ein hohes Spannungspotential an den Kondensatoren erzeugt, welches zu einem örtlichen elektrischen Streufeld führen kann, das hochfrequente Energie in Form von Wärme in den zu untersuchenden Patienten einbringen kann. Damit trägt dieser Effekt zur Erhöhung der absorbierten SAR-Rate bei, was in der Folge schließlich zu einer Verlängerung der für die Bildgebung erforderlichen Zeit führt. Außerdem kann ein beträchtlicher zu kompensierender elektromagnetischer Strahlungsverlust auftreten, der von den speisenden Leistungsgeneratoren zusätzlich aufgebracht werden muss, wodurch sich in der Folge schließlich das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR, Signal to Noise Ratio) der empfangenen Signale und damit die Bildqualität signifikant verschlechtert.For very high values of magnetic flux density and thus very high Larmor frequencies, conventional birdcage coils for the test volume with moderately narrow copper strips as rungs have a relatively high inductance, which requires very low capacitance values to bring the coil assembly into resonance as a whole. This is problematic for several reasons. It creates a high voltage potential across the capacitors, which can lead to a local electrical stray field, which can bring high-frequency energy in the form of heat in the patient to be examined. Thus, this effect contributes to increase the absorbed SAR rate, which eventually leads to an extension of the time required for imaging. In addition, considerable electromagnetic radiation loss to be compensated may occur, which must additionally be applied by the feeding power generators, as a result of which the signal-to-noise ratio (SNR) of the received signals and thus the image quality subsequently deteriorate significantly.
Für die dazu
erforderlichen Hochfeld- bzw. Ultrahochfeld-Antennenvorrichtungen sind zahlreiche
Varianten verfügbar.
Eine geeignete Hochfrequenz-Spulenanordnung zur Bildgabe eines Subjektvolumens
unter Verwendung eines Magnetresonanz-Tomographen mit hoher magnetischer Flussdichte,
die bei im Wesentlichen hohen Frequenzen betrieben werden kann,
ist in der
Die dort verwendete Spulenanordnung verfügt über eine Anzahl von Leitern, die zylindrisch angeordnet und rings um einen Patiententunnel des MRB-Systems vorgesehen sind, über eine Anzahl kapazitiver Elemente, die zwischen den jeweiligen Enden der Leiter (und diese miteinander verbindend) angeordnet sind, wobei die mehreren Leiter und die mehreren kapazitiven Elemente eine Hochpass-Birdcage-Konfiguration bilden und über eine Anzahl dynamischer Trennschalter, wobei jeder dynamische Trennschalter unter Ausbildung eines Parallelresonanzkreises parallel zu einem zugeordneten kapazitiven Element liegend elektrisch angekoppelt ist.The coil assembly used therein has a number of conductors, arranged cylindrically and around a patient tunnel of the MRB system are provided over a number of capacitive elements located between the respective ends the conductor (and these interconnecting) are arranged, wherein the multiple conductors and the multiple capacitive elements provide a high-pass birdcage configuration form and over a number of dynamic disconnect switches, each dynamic disconnect switch forming a parallel resonant circuit parallel to a associated capacitive element lying electrically coupled is.
Die geschilderte Vorrichtung ist eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen und soll die Anregung bei Larmorfrequenzen bis zu 300 MHz ermöglichen.The described device is a significant improvement in comparison to the conventional ones Systems and should excite at Larmor frequencies up to 300 MHz enable.
Nachteilig
an dieser Erfindung ist jedoch die Notwendigkeit von Trennschaltern
für jedes
Resonatorelement, die an den Enden kapazitiv miteinander verkoppelten
Resonatoren, die dadurch nur schwer unabhängig voneinander einzeln erregt
werden können
und die Verwendung von resonanten TEM-Leitungen in Form von freischwebenden
Leiterstreifen ohne metallene Masseebene (es wird nur eine virtuelle
Masselinie verwendet). Die Verwendung von Halbleiterbauelementen
(PIN-Dioden) zum
Aufbau der hier notwendigen zahlreichen Trennschalter (für jede Resonanzleitung
einen) kann die Zuverlässigkeit
nachhaltig einschränken,
da typischerweise mit Hochfrequenzimpulsen sehr hoher Puls-Leistung
(im kW-Bereich)
gearbeitet wird, was für
Halbleiterbauelemente im Laufe der Zeit zunehmend schädlicher wird
(Degradation durch lokale Überlastungen
im Kristallgitter). Insgesamt scheint die Realisierung gemäß der
Durch die resonanzbedingte ungleichmäßige Stromverteilung über den transversalen Verlauf der jeweils in viertel Wellenlängen betriebenen Resonanzleitungen ist das aus dieser Vorrichtung resultierende hochfrequente Magnetfeld zudem relativ inhomogen, was unerwünschte Artefakte bei der Bildgebung verursachen kann.By the resonance - related uneven current distribution over the transversal course of each operated in quarter wavelengths Resonant lines is the high frequency resulting from this device Magnetic field also relatively inhomogeneous, causing unwanted artifacts in imaging can cause.
Ein über das Untersuchungsvolumen homogen verteiltes B1-Feld würde hingegen ungestörte Bilder ohne aufwendige Korrekturrechnungen ermöglichen.One about that Examination volume homogeneously distributed B1 field, however, would undisturbed pictures without complicated correction calculations.
Ein
Verfahren zur Homogenisierung eines B1-Feldes und Magnetresonanzsystem
wird in der
In
einem ersten Iterationsschritt werden zunächst Messdaten erfasst, welche
eine B1-Feldverteilung in zumindest einem Teil des Untersuchungsvolumens
eines MRB-Systems repräsentieren.
Dann wird mit Hilfe eines Computers eine automatische B1-Homogenitätsanalyse,
basierend auf den erfassten Messdaten, durchgeführt. Dann wird automatisch aus
einer Anzahl von möglichen
Homogenisierungsaktionen eine bestimmte Homogenisierungsaktion auf
Basis der B1-Homogenisierungsanalyse
durchgeführt.
Die Iteration wird beendet, wenn die diagnostizierte Homogenität für eine vorgesehene
Magnetresonanz-Messung ausreichend ist. Mit diesem Verfahren soll
insbesondere auch die vom zu untersuchenden Objekt verursachte Feldverzerrung
kompensiert werden. Hierzu ist es gemäß der
Die Homogenisierungsaktion soll durch eine passende Einstellung bzw. Justage der Parameter der verschiedenen Komponenten des MRB-Systems durchgeführt werden. So können gezielt mitschwingende Antennenstrukturen geschaltet werden, um eine bestimmte B1-Feld-Vorverzerrung zu erreichen. Ebenso sollen Änderungen im B1-Feld durch Einstellungen der Messsequenz-Parameter erreicht werden können. Darüber hinaus soll eine gezielte Veränderung der dielektrischen Umgebung des Körpers mittels Wasserkissen oder anderer dielektrischer Elemente durch ein die dielektrische Umgebung modifizierendes Eingreifen des Bedienpersonals erfolgen. So soll zur Durchführung der Homogenisierungsaktion durch eine spezielle Homogenisierungsaktion-Steuereinrichtung und über eine Ausgabeeinrichtung (beispielsweise eine Promptgenerierungs-Einheit) Angaben über Kissengröße oder über bestimmte Typen der dielektrischen Kissen und die genauen Positionierdaten derselben an das Personal weitergegeben werden.The homogenization action is to be carried out by a suitable adjustment or adjustment of the parameters of the various components of the MRB system. Thus, specifically resonating antenna structures can be switched in order to achieve a specific B1 field predistortion. Similarly, changes in the B1 field should be achieved by adjusting the measurement sequence parameters. In addition, a targeted change in the dielectric environment of the body by means of water pillows or other dielectric elements by a dielectric environment modifying intervention of the operator to take place. Thus, in order to perform the homogenization action by means of a special homogenization action control device and an output device (for example a prompt generation unit), information about cushion size or about certain types of dielectric pads and the exact positioning data thereof is to be forwarded to the personnel.
Das Verfahren ist zwar interessant, aber es ist zu personalintensiv und benötigt für die jeweiligen Iterationsschritte insgesamt zuviel Zeit. Außerdem ist der Aufwand zur Vorratshaltung der individuell anpassbaren dielektrischen Kissen praxisfremd, insbesondere im Hinblick auf die damit erzielbaren Vorteile an stückweise verbesserter Homogenität, die sehr lokaler Natur ist und die sich auch auf andere Weise erzielen lässt. Für das physikalische Labor mag dieses Verfahren Vorteile bringen, für die klinische Praxis ist jedoch alles schädlich, was die für die Untersuchung benötigte Zeit auch noch verlängert. Der Schlüssel zur raschen Erzielung gestochen scharfer Bilder mit Hilfe von Hochfeld- oder Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen liegt in der Bereitstellung geeigneter Antennen für das Untersuchungsvolumen. Damit lassen sich bereits im Vorfeld viele Probleme vermeiden, die ansonsten mit trickreichen Verfahren wieder bereinigt werden müssten.The Although the process is interesting, it is too labor intensive and needed for the respective iteration steps in total too much time. In addition, the Effort to stockpile the customizable dielectric Pillow practice, in particular with regard to the achievable Advantages of piecewise improved homogeneity, which is very local in nature and can be achieved in other ways leaves. For the Physical lab may bring benefits to this procedure for the clinical However, practice is all harmful, what the for needed the investigation Time also extended. The key to rapidly achieving crisp, sharp images using high-field or ultrahigh field magnetic resonance tomographs lies in the provision of suitable antennas for the examination volume. This can be avoided in advance many problems that otherwise would have to be cleaned up again with tricky procedures.
Eine
schon recht brauchbare Anordnung zum Erzeugen von Hochfrequenz-B1-Feldern
in der MRB mit Flächenstromantennen
ist in der
Die
in der
Durch diese spezielle Formgebung ist der für das Untersuchungsvolumen zur Erzeugung des hochfrequenten Magnetfeldes maßgebliche Teil der Flächenstromantenne außerordentlich kurz. Die Gesamtlänge des Bandes ist signifikant kürzer als eine halbe Wellenlänge, wenn man zur groben Abschätzung die auseinander gefaltete Struktur betrachtet, die einem an den Enden kapazitiv belastetem Dipol entspricht. Nach dem Falten wird diese Länge nicht nur halbiert, da die Oberseite und die Unterseite etwa gleichlang sind, sondern der relativ große Abstand zwischen Oberseite und Unterseite führt zu einer weiteren Verkürzung der zur Felderzeugung im Untersuchungsvolumen wirksamen Länge. Zwar kann auch diese Flächenstromantenne sicherlich prinzipiell in Hochfeld-Magnetresonanz-Tomographen verwendet werden, das von dieser Antenne erfasste Untersuchungsvolumen wird wegen der durch die Bauform verschenkten Längenausdehnung allerdings bei noch höheren Larmorfrequenzen zu klein. Daher ist diese Bauform für Ultrahochfeld- Magnetresonanz-Tomographen sicherlich nicht geeignet.By this special shape is the one for the examination volume for generating the high-frequency magnetic field relevant part of the surface current extraordinarily short. The total length the volume is significantly shorter as a half wavelength, if you go to the rough estimate Looking at the unfolded structure, the one to the End capacitively loaded dipole corresponds. After folding will be this length not just halved, as the top and bottom are about the same length are, but the relatively large Distance between top and bottom leads to a further shortening of the for field generation in the study volume effective length. Though can also use this surface current certainly be used in principle in high-field magnetic resonance tomographs, the examination volume acquired by this antenna is due to However, given by the design length extension still higher Larmor frequencies too small. Therefore, this design for ultrahigh field Magnetic resonance tomographs certainly not suitable.
Weiterhin muss bedacht werden, dass im Untersuchungsvolumen normalerweise ohnehin schon sehr beengte Raumverhältnisse herrschen. Die Flächenstromantenne muss mit ihrer Rückseite innerhalb des Untersuchungsvolumens weit genug vom Metall der Magnetresonanz-Tomographen entfernt sein, weil sonst das Streufeld der kapazitiv gekoppelten Enden über das Metall stark bedämpft oder die Resonanzfrequenz zu sehr verstimmt wird. Es kommt zum Abstand der Ober- und der Unterseite nun also noch der Abstand von den metallenen Teilen des Untersuchungsvolumens hinzu.Farther must be considered that in the examination volume normally already very cramped space conditions prevail anyway. The surface current antenna must be with their back inside of the examination volume far enough from the metal of the magnetic resonance tomographs be removed because otherwise the stray field of capacitive coupled Ends over the metal is heavily attenuated or the resonance frequency is too much detuned. It comes to a distance the top and the bottom so now the distance from the metal Add the study volume.
Zum
Untersuchungsobjekt hin muss noch eine (relativ dünne) Isolierschicht
angebracht werden, da die Haut des Patienten keinen unmittelbaren Kontakt
mit dem Metall der Flächenantenne
haben darf. Allerdings werden die betrachteten räumlichen Abstände in einem
zylinderförmigen
Untersuchungsvolumen sowohl oben und unten als auch rechts und links
wirksam, d. h. das für
das zu untersuchende Objekt zur Verfügung stehende Untersuchungsvolumen wird
noch weiter eingeschränkt.
Die in der
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, verbesserte Nahfeldantennen für Betriebsfrequenzen im Dezimeterbereich (0,3 GHz bis 3 GHz), konstruiert als im Verbund (Array) oder einzeln zu betreibende, voneinander elektromagnetisch weitgehend entkoppelte Resonatorsegmente mit möglichst geringer Bauhöhe für eine Antennenvorrichtung zur Erzeugung eines möglichst homogenen, d. h. trotz vorhandener, das Magnetfeld beeinflussender Objekte, über nahezu das gesamte Untersuchungsvolumen in seiner Intensität möglichst gleichmäßig verteilten, hochfrequenten Magnetfeldes einer Hochfeld- bzw. Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen mit magnetischen Flussdichten von 7 Tesla und mehr, zur Verfügung zu stellen.The specified in claim 1 invention is based on the problem improved Near field antennas for operating frequencies in the decimeter range (0.3 GHz to 3 GHz), designed as in the array or individually to be operated from each other electromagnetically largely decoupled resonator segments with the lowest possible height for an antenna device to produce a homogeneous as possible, ie despite existing, the Magnetic field influencing objects, over almost the entire examination volume in its intensity as evenly distributed, high-frequency magnetic field of a high field or ultra-high-field magnetic resonance tomography with magnetic flux densities of 7 Tesla and more to provide.
Dieses Problem wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This Problem is solved by the features listed in the protection claim 1 solved.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Resonatorsegmente über nahezu den gesamten, für die Wechselwirkung mit dem hochfrequenten Magnetfeld wirksamen Verlauf eine das Magnetfeld erzeugende Stromdichte mit nahezu gleichgroßer Intensität aufweisen. Dadurch wird ohne weitere technische Maßnahmen ein im Untersuchungsvolumen weitestgehend homogenes hochfrequentes Magnetfeld erzeugt. Dadurch kann gleichzeitig sowohl die Qualität der Bilder verbessert als auch die für die Herstellung dieser Bilder benötigte Zeit verkürzt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente eine geringe Bauhöhe aufweisen. Dadurch kann das vorhandene Untersuchungsvolumen großzügig gestaltet werden, ohne den technischen Aufwand zur Erzeugung des statischen Grundfeldes zu erhöhen.The particular advantages of the invention are that the resonator segments over almost the entire, for the interaction with the high-frequency magnetic field effective course have a magnetic field generating current density with almost equal intensity. Thereby will be without further technical measures in the examination volume largely homogeneous high-frequency magnetic field generated. This can simultaneously improve both the quality of the pictures improved as well as for the time required to produce these images is shortened. Another advantage is that the resonator segments have a low height exhibit. As a result, the existing examination volume generously designed be without the technical effort to generate the static Basic field increase.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente im Vergleich zum Freiraumwellenwiderstand niederohmig fehlangepasst sind und daher, ähnlich wie bei magnetischen Schleifenantennen (magnetic loop antennas), ein von den benachbarten Objekten wenig beeinflussbares Strahlungsnahfeld besitzen. Es treten somit signifikant weniger Feldverzerrungen auf, die durch die Patienten bzw. inhomogenen Unersuchungsobjekte verursacht werden. Dadurch können zusätzliche zeitaufwendige und personalintensive Homogenisierungsmaßnahmen entfallen.One Another advantage is that the resonator segments compared to Free space wave impedance are low impedance mismatched and therefore, much like in magnetic loop antennas, a of the neighboring objects have little influenceable Strahlnahnahfeld own. Significantly fewer field distortions occur due to the patients or inhomogeneous objects of investigation are caused. Thereby can additional time-consuming and labor-intensive homogenization measures omitted.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente durch die niederohmige Fehlanpassung auch untereinander nur sehr gering (typischerweise weniger als – 15 dB) verkoppelt sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente hinsichtlich des Fernfeldes zu niederohmig und damit fehlangepasst sind. Dies bedeutet, dass die von den Resonatorsegmenten im Betrieb ausgehende elektromagnetische Störstrahlung mit der Entfernung sehr rasch abklingt.One Another advantage is that the resonator segments by the low-impedance Mismatch with each other only very low (typically less as - 15 dB) are coupled. Another advantage is that the resonator segments with respect to the far field to low impedance and thus mismatched are. This means that those of the resonator segments in operation outgoing electromagnetic radiation decays very quickly with the distance.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente durch ihre Ausführungsform als modifizierte unsymmetrische Streifenleitungen (microstrip line) bereits von der Konstruktion her eine relativ große Massemetallisierung aufweisen, welche die von den Resonatorsegmenten im Betrieb ausgehende elektromagnetische Störstrahlung, ähnlich wie ein Farradaykäfig, nach außen weitgehend abschirmt.One Another advantage is that the resonator segments by their embodiment as a modified single-ended strip lines (microstrip line) already have a relatively large mass metallization by design, which emanates from the resonator segments in operation electromagnetic Noise, similar to a Farraday cage, outward largely shielded.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente separate, selbständige Einheiten sind, wodurch die gesamte Antennenvorrichtung modular aufgebaut sein kann und die einzelnen Resonatorsegmente bei Bedarf leicht ausgetauscht werden können. So kann bei einem anders gewählten Wert der Grundmagnetisierung z. B. die gleiche Grundkonstruktion der Antennenvorrichtung beibehalten werden und es werden dann an die veränderte Larmorfrequenz angepasste Resonatorsegmente verwendet.One Another advantage is that the resonator segments separate, independent units are, making the entire antenna device modular can be and the individual Resonatorsegmente if necessary easily can be exchanged. So can with a differently selected Value of the basic magnetization z. B. the same basic construction the antenna device are maintained and it will then turn on the changed one Larmor frequency matched resonator segments used.
Zur Erläuterung der Erfindung sind Zeichnungen gegeben, die im Folgenden näher beschrieben werden. Es zeigtto explanation The invention are given drawings, which are described in more detail below become. It shows
Zur
Erläuterung
der Erfindung müssen
zunächst
die wichtigsten Komponenten eines Magnetresonanz-Tomographen grob
lokalisiert werden. Der typische Aufbau eines Magnetresonanz-Tomographen
ist in
Innerhalb
des Untersuchungsvolumens befindet sich in der unmittelbaren Nähe zum Patienten (
In
Zur
Erläuterung
der besonderen Wirkungsweise der hier vorgestellten neuen Resonatorsegmente
wird zunächst
ein klassischer Leitungsdipol mit einer Gesamtlänge von einer halben Wellenlänge betrachtet.
Die
Microstrip-Technik bzw. Mikrostreifenleitungstechnik oder unsymmetrische Streifenleitungstechnik sind einige der zahlreichen verschiedenen Bezeichnungen für ein und dieselbe Leitungstechnik mit planarer Struktur und bedeutet, dass sich ein Leiterstreifen mit einer bestimmten Breite in einem bestimmten Abstand über einer ausgedehnten Grundmetallisierung als Massefläche befindet. Dabei bestimmt das Verhältnis der Breite des Leiterstreifens zum Abstand von der Massefläche den Wellenwiderstand dieser Leitung. Je breiter der Leiterstreifen und je geringer der Abstand dieses Leiterstreifens von der Massefläche, umso geringer ist der Wellenwiderstand der Leitung.Microstrip technology or microstrip line technology or unbalanced stripline technology are some of the numerous different names for one and same line technology with planar structure and means that itself a conductor strip with a certain width in a given Distance over an extensive base metallization is located as a ground plane. The ratio determines the width of the conductor strip to the distance from the ground plane the Characteristic impedance of this line. The wider the conductor strip and each less the distance of this conductor strip from the ground plane, the more lower is the characteristic impedance of the line.
Zwischen
dem Leiterstreifen und der Massefläche befindet sich in der Regel
ein beide Metallisierungen tragendes Substratmaterial oder Dielektrikum mit
einer bestimmten Permittivitätszahl.
Auch diese Permittivitätszahl
hat einen Einfluss auf den Wellenwiderstand. Mit zunehmender Permittivitätszahl verringert
sich der Wert des Wellenwiderstandes der unsymmetrischen Streifenleitung.
Im Grenzfall kann dieses Dielektrikum auch überwiegend Luft sein, dann
muss die Anordnung wegen des Fortfalls der Stützfunktion des Substratmaterials
allerdings einige zusätzliche
dielektrische Hilfsstützen
verwenden. Die
Die
in
Die
beiden Leiterstreifen (
Führen wir bei dieser Anordnung nun eine geeignete Hochfrequenz-Magnetfeld-Sonde (S) im gleichmäßigen Abstand (D) parallel zur Substratoberfläche in x-Richtung und detektieren wir den ortsabhängigen Wert des Absolutbetrages der von der Resonanzleitung insgesamt erzeugten magnetischen Flussdichte (A) in diesem Abstand, so ergibt sich der allgemein bekannte ortsabhängige Verlauf des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte eines Halbwellen-Dipols (A1), der gleichzeitig auch den verteilten Verlauf der im Leiterstreifen fließenden hochfrequenten Stromstärke widerspiegelt, weil die vom stromdurchflossenen Leiterstreifen erzeugte magnetische Flussdichte direkt proportional zur Stromstärke im Leiterstreifen ist.We lead in this arrangement now a suitable high-frequency magnetic field probe (S) evenly spaced (D) parallel to the substrate surface in the x-direction and we detect the location-dependent value of the absolute value the total generated by the resonance line magnetic flux density (A) at this distance, the well-known location-dependent course of the results Absolute amount of the magnetic flux density of a half-wave dipole (A1), which at the same time also the distributed course of the conductor strip flowing high frequency amperage reflects because the current generated by the current-carrying conductor strip magnetic Flux density is directly proportional to the amperage in the conductor strip.
Würde man
nun ein solches Resonatorsegment direkt und unmodifiziert zur Bilderzeugung
im MRT verwenden, so wären
die Probleme vorprogrammiert. Nur im mittleren Bereich der Längsachse (in
x-Richtung), also in der Nähe
des Einspeisepunktes (
Der
Kern der Erfindung besteht nun darin, die Resonanzleitungen in einem
ersten Schritt zunächst
signifikant zu verlängern
und eine Resonanzleitung bei einer Länge zu betreiben, die mehr
als der halben Wellenlänge
und weniger als einer ganzen Wellenlänge entspricht und dann in
einem zweiten Schritt denjenigen Teil der Resonanzleitung, der die kosinusförmig abfallende
Intensitätswerte
der magnetischen Flussdichte bewirkt, mechanisch oder elektrisch
so von dem zu erzeugenden B1-Feld zu separieren, dass nur die Bereiche
der Streifenleitungen als Resonanzleitungen mit dem Untersuchungsvolumen
(
Erfindungsgemäß wird nun
der Teil der Resonanzleitung, der die kosinusförmig abfallende Intensitätswerte
des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte bewirkt, zunächst mechanisch
von dem zu erzeugenden B1-Feld separiert. Dadurch können nur
die Bereiche der Streifenleitungen als Resonanzleitungen mit dem
Untersuchungsvolumen (
Man
kann sich den Verlauf des Absolutbetrages der hochfrequenten magnetischen
Flussdichte des erfindungsgemäßen Dipols
(A3) sehr anschaulich näherungsweise
so erklären,
dass sich die jeweiligen Werte der zu den Enden hin kosinusförmig abfallenden
Beträge
der magnetischen Flussdichte insgesamt so überlagern, als wären sie
jeweils ab der Länge
(L1) der Hauptresonanzleitungen (
Die
in der
Es
werden zum Aufbau dieses Resonatorsegmentes mit dem erfindungsgemäß hier verteilten Dipol
(d. h. der Dipol besteht primär
vollständig
aus – über den
Raum verteilten – Leiterstreifen,
zusätzliche Kondensatoren
werden nur zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz verwendet – im Gegensatz
zum weiter unten beschriebenen konzentrierten Dipol, bei dem Teile
der Resonanzleitung durch konzentrierte Bauteile wie Spulen ersetzt
werden) zunächst
eine metallene (z. B. versilbertes oder vergoldetes Kupfer) Bodenplatte
(
Eine
anschauliche, schematische räumliche Darstellung
des erfindungsgemäßen Resonatorsegmentes
ist in
Praktische
Versuche haben jedoch ergeben, dass es wünschenswert ist, die starre,
mechanisch vorgegeben Länge
der Resonanzleitungen des verteilten Resonatorsegmentes elektrisch
zu verändern, um
eine möglichst
optimale Abstimmung der Resonanzfrequenz des Resonatorsegmentes
mit der jeweiligen Larmorfrequenz des MRT zu ermöglichen. Dazu werden zusätzliche
spannungsfeste Kondensatoren (CS1) verwendet, die sowohl mit den
freilaufenden Enden der jeweiligen Resonanzleitungen, als auch mit
der Bodenplatte elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dadurch
lässt sich
die Resonanzfrequenz des Resonatorsegmentes in Abhängigkeit
vom Kapazitätswert
der spannungsfesten Kondensatoren (CS1) reduzieren. Die
In
der
Alternativ
kann auch die Vorgehensweise gemäß
In
der
Es
werden zum Aufbau dieser neuen Variante des Resonatorsegmentes mit
dem erfindungsgemäß verteilten
Dipol zunächst
wieder eine metallene Bodenplatte (
Vernachlässigbar
geringfügig
schlechtere elektrische Eigenschaften weist die Konstruktion des Resonatorsegmentes
gemäß
Nachteilig
bei den in
Die
Realisation einer solchen Möglichkeit
ist in
In
der
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---|---|---|---|
DE200720015620 DE202007015620U1 (en) | 2007-11-09 | 2007-11-09 | Resonator segments for generating a homogeneous B1 field in ultrahigh-field magnetic resonance tomography |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200720015620 DE202007015620U1 (en) | 2007-11-09 | 2007-11-09 | Resonator segments for generating a homogeneous B1 field in ultrahigh-field magnetic resonance tomography |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE202007015620U1 true DE202007015620U1 (en) | 2008-02-07 |
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ID=39047370
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country | Link |
---|---|
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- 2007-11-09 DE DE200720015620 patent/DE202007015620U1/en not_active Expired - Lifetime
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