Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung für die Magnetresonanztomographie, bei der die zur Auslenkung der Kernspins erforderlichen hochfrequenten elektromagnetischen B1-Felder mit Hilfe von Wanderwellen generiert werden.The present invention relates to an antenna device for magnetic resonance tomography, in which the high-frequency electromagnetic B 1 fields required for the deflection of the nuclear spins are generated with the aid of traveling waves.
Stand der TechnikState of the art
Das Sichtfeld, das sogenannte FOV (field of view), eines Magnetresonanztomographen hängt zum einen entscheidend davon ab, über welchen Volumenbereich ein homogenes statisches Hauptfeld, das sogenannte B0-Feld, zusammen mit den in drei Dimensionen steuerbaren sogenannten Gradientenfeldern, als kontinuierlich geschaltete, temporär statische Zusatzfelder zur exakten Lokalisierung der ortsabhängigen Echosignalsequenzen, aufgebaut werden können und zum anderen entscheidend davon ab, über welchen Volumenbereich ein hochfrequentes elektromagnetisches B1-Feld zur Anregung der jeweiligen Echosignalsequenzen mit annähernd gleich großer Energiedichte erzeugt werden kann.The field of view, the so-called FOV (field of view), of a magnetic resonance tomograph depends decisively on the volume range over which a homogeneous main static field, the so-called B 0 field, together with the so-called gradient fields that can be controlled in three dimensions, as a continuously switched, temporarily static additional fields for the exact localization of the location-dependent echo signal sequences, can be constructed and on the other crucial on the volume range over which a high-frequency electromagnetic B 1 field for excitation of the respective echo signal sequences with approximately the same energy density can be generated.
Zahlreiche ständig verbesserte Antennenkonstruktionen haben diesen Sichtfeldbereich auf derzeit nutzbare 25 cm bis 30 cm erweitert. Das Problem besteht im physikalisch bedingten inhomogenen Verlauf der magnetischen Feldstärke entlang der bisher verwendeten Antennenvorrichtungen, die ein stehendes B1-Feld mit Hilfe resonanter Strahler mit entsprechend kosinusförmigem Stromdichteverlauf entlang der Strahlerstruktur erzeugen.Numerous constantly improved antenna designs have expanded this field of view to currently usable 25 cm to 30 cm. The problem consists in the physically induced inhomogeneous course of the magnetic field strength along the previously used antenna devices which generate a stationary B 1 field by means of resonant radiators with a corresponding cosinusoidal current density profile along the radiator structure.
Bei modernen Hochfeld-Magnetresonanztomographen mit Hauptfeldstärken des B0-Feldes von 7 Tesla und mehr, verschärft sich das Problem wegen der höheren Larmorfrequenzen und dadurch bedingt geringeren Wellenlängen, was zu noch weiter verkürzten Abmessungen und Antennenlängen der resonanten Strahlerstrukturen führt.In modern high-field magnetic resonance tomographs with main field strengths of the B 0 field of 7 Tesla and more, the problem is exacerbated by the higher Larmorfrequenzen and thus lower wavelengths, resulting in even further reduced dimensions and antenna lengths of the resonant radiator structures.
Ein nutzbares FOV von nur wenigen Zentimetern führt aber zwangsläufig zu kleineren Schrittweiten der Schlittenvorrichtung und damit zu sehr langen Verweilzeiten des Patienten im Untersuchungsvolumen des Magnetresonanztomographen, wenn ausgedehnte Objekte, wie beispielsweise die Wirbelsäule, hochauflösend untersucht werden sollen.However, a usable FOV of only a few centimeters inevitably leads to smaller increments of the slide device and thus to very long residence times of the patient in the examination volume of the magnetic resonance tomograph when extended objects, such as the spine, to be examined with high resolution.
Mit herkömmlichen resonanten Antennenstrukturen, die ein stehendes B1-Feld generieren, besteht also das Dilemma, dass gerade für moderne Hochfeld-Magnetresonanztomographen, die potentiell ein signifikant detailreicheres Bild liefern können, mit zunehmender Feldstärke des B0-Feldes das nutzbare FOV stetig kleiner wird und die Untersuchungsverweildauer, durch die Erhöhung der Anzahl von Verschiebungsvorgängen des Transportschlittens wegen der geringeren Schrittweiten, erheblich erhöht wird.With conventional resonant antenna structures which generate a stationary B 1 field, there is therefore the dilemma that, especially for modern high-field magnetic resonance tomographs, which can potentially provide a significantly more detailed image, with increasing field strength of the B 0 field, the usable FOV becomes steadily smaller and the examination dwell time, by increasing the number of shifting operations of the transport carriage due to the smaller pitches, is significantly increased.
Die bahnbrechende Idee, die höheren Larmorfrequenzen bei modernen Hochfeld-Magnetresonanztomographen zum Vorteil zu nutzen und das nutzbare FOV gleichzeitig erheblich zu vergrößern, wurde bereits im Jahre 2009 von den Herren David O. Brunner, Nicola De Zanche, Jürg Fröhlich, Jan Paska und Klaas P. Pruessmann in ihrem Beitrag „Travelling-wave nuclear magnetic resonance” In: Nature, vol. 457, pp.994–998, Feb. 2009 , zusammen mit ersten Ergebnissen, beschrieben.The groundbreaking idea of using the higher Larmor frequencies in modern high-field magnetic resonance tomographs to the advantage and at the same time significantly increasing the usable FOV was already made by the gentlemen in 2009 David O. Brunner, Nicola De Zanche, Jürg Fröhlich, Jan Paska and Klaas P. Pruessmann in their article "Traveling-wave nuclear magnetic resonance" In: Nature, vol. 457, pp. 994-998, Feb. 2009 , together with first results, described.
Der Kerngedanke ist, das gesamte Untersuchungsvolumen des Hochfeld-Magnetresonanztomographen, ähnlich wie einen Rundhohlleiter, als Wellenleiter zu verwenden und das erforderliche B1-Feld als Wanderwelle zu generieren, die im gesamten Untersuchungsvolumen präsent ist.The core idea is to use the entire examination volume of the high-field magnetic resonance tomograph as a waveguide, similar to a circular waveguide, and to generate the required B 1 field as a traveling wave, which is present in the entire examination volume.
Wegen der damals noch sehr einfachen verwendeten Antennen zur Erzeugung des B1-Feldes wurde die Wanderwelle mit zunehmendem Abstand von der Antenne in ihrer Leistungsdichte rasch schwächer, zumal das zu untersuchende Gewebe die elektromagnetische Energie stark absorbiert und reflektiert.Because of the then still very simple antennas used to generate the B 1 field, the traveling wave was rapidly weaker with increasing distance from the antenna in their power density, especially since the tissue to be examined strongly absorbs and reflects the electromagnetic energy.
Trotzdem gelang es bereits seinerzeit, einen Fuß mitsamt dem Unterschenkel über einen halben Meter hinweg in einem Stück abzubilden, während der FOV eines dazu im vergleich in herkömmlicher Technik generierten Bildes auf etwa ein drittel dieses Bereiches beschränkt war.Even so, it was already possible at one time to reproduce one foot, including the lower leg, over half a meter in one piece, whereas the FOV of an image generated in comparison with conventional technology was limited to about one third of this area.
Brunner et. al. verwendeten seinerzeit eine große zirkular polarisierte Patch-Antenne, die vom Fußende des Hochfeld-Magnetresonanztomographen her in das Untersuchungsvolumen hinein strahlte. Brunner et. al. at that time used a large circular polarized patch antenna, which radiated into the examination volume from the foot of the high-field magnetic resonance tomograph.
Dadurch bedingt fällt die Feldstärke im Untersuchungsvolumen entlang der Strecke vom Fußende zum Kopfende hin durch Dämpfung und Reflexionen zunehmend ab und reduziert dadurch die nutzbare Ausdehnung des FOV. As a result of this, the field strength in the examination volume along the route from the foot end to the head end increasingly diminishes due to attenuation and reflections, thereby reducing the usable extent of the FOV.
Eine sehr wirkungsvolle Möglichkeit, das gesamte Untersuchungsvolumen mit einem hochfrequenten B1-Feld zu speisen, wurde im darauffolgenden Jahr 2010 in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 beschrieben.A very effective way to feed the entire examination volume with a high-frequency B 1 field was in the following year 2010 in the utility model application DE 20 2010 003 162 U1 described.
Durch die Überlagerung der Wanderwellen-Felder von zwei wellenerzeugenden Quellen, die eine viertel Wellenlänge voneinander distanziert sind und zusammen jeweils sogenannte Wechselwirkungspaareinheiten bilden, werden unidirektional verlaufende Wellenamplituden erzeugt, die sich im Untersuchungsvolumen durch Interferenz hinsichtlich der Amplitude in weiten Bereichen gezielt steuern lassen.By superimposing the traveling wave fields of two wave-generating sources, which are a quarter wavelength apart and together form each so-called interaction pair units, unidirectional wave amplitudes are generated, which can be selectively controlled in the study volume by interference in terms of amplitude in wide ranges.
So kann beispielsweise durch eine Wechselwirkungspaareinheit am Kopfende und durch eine Wechselwirkungspaareinheit am Fußende, auf einfache Art und Weise durch phasenverschobene Signale, die an jeweils zwei Stellen der Wechselwirkungspaareinheiten eingespeist werden, durch solchermaßen gesteuerte konstruktive und destruktive Überlagerung der Wellenamplituden, das gesamte Untersuchungsvolumen gleichmäßig mit einem lokalen B1-Feld hoher Feldstärke gefüllt werden, welches sowohl am Kopfende als auch am Fußende des Untersuchungsvolumens abrupt im Wert der Feldstärke abfällt und im Idealfall, trotz offener Enden, dort dann vollständig verschwunden ist.Thus, for example, by an interaction pair unit at the head end and by an interaction pair unit at the foot, in a simple manner by phase-shifted signals that are fed to two sites of the interaction pair units, thus controlled by constructive and destructive superposition of the wave amplitudes, the entire study volume evenly with a local B 1 field high field strength are filled, which falls abruptly at the head end and at the foot of the examination volume in the value of the field strength and ideally, despite open ends, there then completely disappeared.
Für ein leeres Untersuchungsvolumen können diese Idealvorgaben stets problemlos eingehalten werden.For an empty examination volume, these ideal requirements can always be met without difficulty.
Werden dämpfende Probekörper mit einfacher Geometrie in das Untersuchungsvolumen eingebracht, so werden weitere Wechselwirkungspaareinheiten benötigt, um an den entsprechenden Orten durch weitere konstruktive Überlagerungen die Dämpfung der Feldstärke durch die absorbierenden Probekörper zu kompensieren und durch lokale Zuführung weiterer elektromagnetischer Energie einen gleichförmigen Verlauf der Feldstärke im gesamten Untersuchungsvolumen sicher zu stellen.If damping specimens with a simple geometry are introduced into the examination volume, further interaction pair units are required in order to compensate for the attenuation of the field strength by the absorbent specimens at the corresponding locations by means of further structural superpositions and a uniform course of the field strength in the whole by local supply of further electromagnetic energy To ensure examination volume.
Auf diese Weise kann das FOV auf nahezu das gesamte Untersuchungsvolumen des Hochfeld-Magnetresonanztomographen ausgeweitet werden.In this way, the FOV can be extended to almost the entire examination volume of the high-field magnetic resonance tomograph.
Die Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 stellt somit hinsichtlich interferierend wirkender Antennenvorrichtungen für Wanderwellen-Magnetresonanztomographen den derzeitig veröffentlichten Stand der Technik dar.The utility model application DE 20 2010 003 162 U1 Thus, with respect to interfering-acting antenna devices for traveling wave magnetic resonance tomographs represents the currently published prior art.
Darstellung der Mängel der bisher bekannten AusführungenPresentation of the deficiencies of the previously known versions
Die prinzipiellen Nachteile der in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichten Erfindung zeigen sich jedoch, sobald die zu untersuchenden Objekte komplizierte individuelle Strukturen mit jeweils lokal unterschiedlichen Werten der charakteristischen elektrischen Eigenschaften wie unterschiedliche Leitfähigkeit und unterschiedliche Permittivitätszahlen aufweisen und wenn sich die Objekte dazu auch noch bewegen.The principal disadvantages of the utility model application DE 20 2010 003 162 U1 however, as soon as the objects to be examined have complicated individual structures, each with locally different values of the characteristic electrical properties, such as different conductivity and different permittivity numbers, and if the objects still move in addition to this.
Weil der Abstand der Wechselwirkungspaareinheiten wenigstens eine viertel Wellenlänge der jeweiligen Larmorfrequenz sein muss, wird die lokale Auflösung solcher Wechselwirkungspaareinheiten beispielweise in einem 7 Tesla Hochfeld-Magnetresonanztomographen bei einem geringen Durchmesser des Untersuchungsvolumens stark reduziert. Da sich die Wellenlänge im Untersuchungsvolumen wie in einem Rundhohlleiter bei Annäherung an die Grenzwellenlänge signifikant vergrößert, ergibt sich beispielsweise für eine Larmorfrequenz von 298 MHz und einem typischen Durchmesser des Untersuchungsvolumens von 0,64 m eine Wellenlänge von 2,63 m. Dadurch sind gezielte Kompensationen von Reflexionen nur sehr eingeschränkt und mit nur unbefriedigender lokaler Auflösung möglich.Because the distance of the interaction pair units must be at least a quarter wavelength of the respective Larmorfrequenz, the local resolution of such interaction pair units, for example, in a 7 Tesla high-field magnetic resonance tomograph is greatly reduced with a small diameter of the examination volume. Since the wavelength in the examination volume significantly increases as in a circular waveguide approaching the cutoff wavelength, for example, results in a wavelength of 2.63 m for a Larmor frequency of 298 MHz and a typical diameter of the examination volume of 0.64 m. As a result, targeted compensations of reflections are only very limited and possible with only unsatisfactory local resolution.
Die in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichte Erfindung benötigt also entweder nach höhere Flussdichten für das Hauptfeld und damit verbunden höhere Larmorfrequenzen, die signifikant über der jeweiligen Grenzfrequenz der Hohlleitermoden liegen, oder aber größere verfügbare Durchmesser des Untersuchungsvolumens, um die vom Verfahren her vorgegebenen räumlichen Auflösung auch tatsächlich verifizieren zu können.The in the utility model application DE 20 2010 003 162 U1 published invention thus requires either higher flux densities for the main field and associated higher Larmor frequencies that are significantly above the respective cutoff frequency of the waveguide modes, or larger available diameter of the examination volume in order to actually verify the spatial resolution given by the method can.
Sowohl höhere Flussdichten als auch größere Durchmesser des Untersuchungsvolumens sind in der Realisierung mit sehr hohen zusätzlichen Kosten verbunden. Es müssten also vollständig neue Magnetresonanztomographen mit entsprechend veränderten charakteristischen Eigenschaften angeschafft werden, was die Einsatzfreude in der Praxis deutlich dämpfen dürfte. Both higher flux densities and larger diameters of the examination volume are associated in the realization with very high additional costs. Completely new magnetic resonance tomographs with correspondingly changed characteristic properties would have to be purchased, which should significantly reduce the enthusiasm for use in practice.
Auch die Ermittlung lokal verteilter aktueller Feldstärkewerte ist durch den seitlichen Abstand der Wechselwirkungselemente der Wechselwirkungspaareinheiten von einer viertel Wellenlänge nur relativ ungenau möglich und könnte unbemerkt zu unerwünschten Feldstärkespitzen, sogenannten „hot spots” führen, die im schlimmsten Fall sogar zur lokalen Überhitzung des Gewebes führen könnten, was unbedingt vermieden werden muss. Nachteilig ist weiterhin, dass die unidirektionalen Wechselwirkungspaareinheiten stets paarweise vorhanden sein müssen. Dies schränkt die Flexibilität sowohl in elektrischer als mechanischer Hinsicht ein und macht das Einspeisen der Steuersignale sehr aufwändig.The determination of locally distributed current field strength values is also relatively imprecise due to the lateral spacing of the interaction elements of the interaction pair units of a quarter wavelength and could unnoticed lead to unwanted field strength peaks, so-called "hot spots", which in the worst case could even lead to local overheating of the tissue , which must be avoided at all costs. A further disadvantage is that the unidirectional interaction pair units must always be present in pairs. This restricts the flexibility both in electrical and mechanical terms and makes the feeding of the control signals very expensive.
Nachteilig ist weiterhin, dass je nach Anwendungsfall als interferierend wirkende Wechselwirkungselemente dieser Antennenvorrichtung jeweils paarweise entweder zwei Basis-Wechselwirkungselemente oder aber zwei Wechselwirkungseinheitselemente als Elemente einer unidirektional wirkenden Wechselwirkungspaareinheit verwendet werden, wodurch die Kosten für die Herstellung individuell unterschiedlicher Antennenvorrichtungen deutlich höher ausfallen, als wenn einheitliche Strahlerstrukturen für die Wechselwirkungselemente verwendet werden.A further disadvantage is that depending on the application as interacting interacting elements of this antenna device in pairs either two basic interaction elements or two interaction unit elements are used as elements of a unidirectional interaction pair unit, whereby the cost of producing individually different antenna devices significantly higher than if uniform Radiator structures are used for the interaction elements.
Darstellung der vorliegenden Erfindung:
Aufgabe, Lösung, VorteileIllustration of the present invention:
Task, solution, benefits
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Unzulänglichkeiten und Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie bereitzustellen, die ein signifikant höheres lokales Auflösungsvermögen von nur wenigen Zentimetern besitzt. Die Antennenvorrichtung soll in bereits vorhandene Magnetresonanztomographen ohne komplizierte und kostenintensive Umbaumaßnahmen problemlos eingebaut werden können. Die Antennenvorrichtung soll aus einheitlichen Wechselwirkungselementen modular aufgebaut werden können und es soll eine beliebige Anzahl von Wechselwirkungselementen mit beliebigem Abstand zueinander verwendet werden können, wodurch es ermöglicht wird, die von dem zu untersuchenden Patienten verursachten Absorptionen und Reflexionen, zentimetergenau zu kompensieren und auch punktuelle lokale Feldstärkeüberhöhungen sicher zu detektieren und zu vermeiden.Based on the deficiencies and disadvantages of the prior art set out above, the object of the present invention is to provide an antenna device for traveling-wave magnetic resonance tomography, which has a significantly higher local resolution of only a few centimeters. The antenna device should be able to be easily installed in existing magnetic resonance imaging without complicated and costly reconstruction measures. The antenna device should be modularly constructed from unitary interaction elements and any number of interaction elements of arbitrary distance could be used, thereby making it possible to compensate for the absorptions and reflections caused by the patient to be examined, to the nearest centimeter, and also localized field strength peaks safe to detect and avoid.
Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by the features listed in the main claim. Advantageous embodiments and expedient developments of the present invention are characterized in the respective subclaims.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass kostengünstig und zuverlässig eine einzige, einheitliche und modulare Grundstruktur als universelles Wechselwirkungselement zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendet wird, wobei die Anzahl der jeweils verwendeten Wechselwirkungselemente in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzzweck beliebig gewählt werden kann.The advantages achieved by the invention are in particular that cost-effective and reliable, a single, uniform and modular basic structure is used as a universal interaction element for building the antenna device, wherein the number of interaction elements used in each case can be chosen arbitrarily depending on the particular application.
Weitere mit der Erfindung erzielte Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die vierfache Speisung und Signalableitung der Wechselwirkungselemente sehr einfache Speisenetzwerke ermöglichen und die jeweils verwendeten Wechselwirkungselemente als universelle Antennenelemente sowohl beliebig feldstrukturierte Wanderwellen als auch gegebenenfalls beliebig feldstrukturierte stehende Wellenfelder generieren können. Durch das Erzeugen stehender Wellen können die Antennenvorrichtungen dann prinzipiell auch für Larmorfrequenzen unterhalb der Grenzfrequenz des Untersuchungsvolumens des Hochfeld-Magnetresonanztomographen verwendet werden, wo eine Wanderwellenausbreitung physikalisch nicht mehr möglich ist.Further advantages achieved by the invention are, in particular, that the quadruple feeding and signal derivation of the interaction elements allow very simple feed networks and the respective interaction elements used as universal antenna elements can generate both arbitrarily field-structured traveling waves and possibly any field structured standing wave fields. By generating standing waves, the antenna devices can then in principle also be used for Larmor frequencies below the cutoff frequency of the examination volume of the high-field magnetic resonance tomograph, where traveling wave propagation is no longer physically possible.
Somit finden sich gleichzeitig auch prinzipiell universelle Einsatzmöglichkeiten der hier erfundenen neuen Antennenvorrichtung in allen bisher bekannten Magnetresonanztomographen.Thus, at the same time, in principle, universal application possibilities of the novel antenna device invented here are found in all previously known magnetic resonance tomographs.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Zur Erläuterung der Erfindung sind Zeichnungen gegeben, die im Folgenden näher beschrieben werden. Es zeigtTo explain the invention drawings are given, which are described in more detail below. It shows
1 als Stand der Technik zur Erläuterung das Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung, die oft auch als RH-Leitung bezeichnet wird, 1 as a prior art for explanation, the equivalent circuit of lumped components for a line section of a conventional high-frequency line, which is often referred to as RH line,
2 als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein Leitungsstück einer RH-Leitung, 2 for explanation, the relationship between the frequency f and the phase constant β for a line section of an RH line,
3 als Stand der Technik zur Erläuterung das zur 1 duale Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein Leitungsstück einer fiktiven Hochfrequenzleitung, die auch als LH-Leitung bezeichnet wird, 3 as state of the art to explain the 1 dual equivalent circuit of lumped components for a lead of a fictitious high frequency line, also referred to as LH line,
4 als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein Leitungsstück einer fiktiven LH-Leitung, 4 for explanation purposes, the relationship between the frequency f and the phase constant β for a line section of a fictitious LH line,
5 als Stand der Technik zur Erläuterung das Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein kombiniertes Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung mit einer fiktiven LH-Leitung, die auch als CRLH-Leitung bezeichnet wird, 5 as a prior art, the equivalent circuit diagram of lumped components for a combined line section of a conventional high-frequency line with a fictitious LH line, which is also referred to as CRLH line,
6 als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstante β für ein kombiniertes Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung, einer RH-Leitung, mit einer fiktiven LH-Leitung, die auch als CRLH-Leitung oder als Meta-Leitung bezeichnet wird, 6 for explanation purposes, the relationship between the frequency f and the phase constant β for a combined line section of a conventional high-frequency line, an RH line, with a fictitious LH line, which is also referred to as CRLH line or as meta-line,
7 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer zum Aufbau eines hier verwendeten Wechselwirkungselementes prinzipiell geeignete Metaleitung, 7 As an example, an embodiment of an embodiment of a metal line which is suitable in principle for the construction of an interaction element used here,
8 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer zum Aufbau eines hier verwendeten Wechselwirkungselementes prinzipiell geeignete Metaleitung in einer in sich geschlossenen Ringstruktur, 8th As an example, an embodiment of an exemplary embodiment of a metal line which is suitable in principle for the construction of an interaction element used in a self-contained ring structure,
9 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer bekannten Wechselwirkungspaareinheit, 9 As an example of an explanation of an embodiment of a known interaction pair unit,
10 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer bekannten Antennenvorrichtung mit vier Wechselwirkungspaareinheiten, wobei drei Wechselwirkungspaareinheiten unidirektional konstruktiv gespeist werden und eine Wechselwirkungspaareinheit unidirektional destruktiv gespeist wird, mit einem beispielhaften Verlauf der Amplitude der magnetischen Flussdichte im Untersuchungsvolumen, 10 by way of example, an embodiment of a known antenna device with four interaction pair units, wherein three interaction pair units are unidirectionally constructively fed and an interaction pair unit is fed unidirectionally destructively, with an exemplary course of the amplitude of the magnetic flux density in the examination volume,
11 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft ein typischer Aufbau eines Magnetresonanztomographen im Querschnitt entlang der Achse des Untersuchungsvolumens, 11 As a prior art, by way of example, a typical structure of a magnetic resonance tomograph in cross section along the axis of the examination volume,
12 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft ein typischer Aufbau im Bereich des Untersuchungsvolumens eines Magnetresonanztomographen im Querschnitt senkrecht zur Achse des Untersuchungsvolumens, 12 as a prior art, by way of example, a typical structure in the range of the examination volume of a magnetic resonance tomograph in cross section perpendicular to the axis of the examination volume,
13 eine schematische Darstellung des Querschnittes eines beispielhaften Wechselwirkungselementes, wie es in dieser Erfindung als modulares Antennenelement zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendet wird, 13 a schematic representation of the cross section of an exemplary interaction element, as used in this invention as a modular antenna element for building the antenna device,
14 eine schematische Darstellung konstruktiver Details im Querschnitt zur galvanischen Ankopplung von Strahlerelementen und Speiseleitung, 14 a schematic representation of constructive details in cross section for the galvanic coupling of radiator elements and feed line,
15 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung, 15 1 a schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for the modular construction of a meta-MRT antenna device,
16 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer langgestreckten Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit geringem räumlichen Auflösungsvermögen, 16 a further schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of an elongated meta-MRT antenna device with low spatial resolution,
17 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, 17 a further schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a short MRI antenna device with high spatial resolution,
18 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer vollständigen, langgestreckten Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, 18 another schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a complete, elongated meta-MRI antenna device with high spatial resolution,
19 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit mittlerem räumlichen Auflösungsvermögen, zusammen mit der typischen Position eines zu untersuchenden Patienten, 19 1 is a schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a medium spatial resolution meta-MRI antenna device, along with the typical position of a patient to be examined;
20 zur Erläuterung der Erfindung einige erfindungsgemäße zusätzliche elektronische Komponenten zum bestimmungsgemäßen Betrieb der Meta-MRT-Antennenvorrichtung, 20 to explain the invention some additional electronic components according to the invention for the intended operation of the meta-MRT antenna device,
21 zur Erläuterung der Erfindung ein beispielhafter Verlauf eines zu generierenden lokalen Feldstärke-Profils im Untersuchungsvolumen in Abhängigkeit von der Position des Patienten, 21 to explain the invention, an exemplary course of a local field strength profile to be generated in the examination volume as a function of the position of the patient,
22 zur Erläuterung sowohl der Reflexionskompensation als auch der Transmissionskompensation beispielhaft eine typische lokale durch den Patienten bedingte Stoßstelle, die sowohl eine Reflexion als auch eine Dämpfung der fortschreitenden Welle bewirkt, 22 for example, to illustrate both the reflection compensation and the transmission compensation, a typical local patient-caused joint causing both reflection and attenuation of the progressive wave,
23 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, wobei partiell Wechselwirkungselemente mit geringerem Durchmesser verwendet werden, 23 another schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a short, high spatial resolution meta-MRI antenna device, partially using smaller diameter interaction elements;
24 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, wobei partiell Wechselwirkungselemente mit geringerem Durchmesser verwendet werden, welche in einer dielektrischen Halterung kompatibel zu anderen Wechselwirkungselementen der Meta-MRT-Antennenvorrichtung montiert sind. 24 another schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a short, high spatial resolution meta-MRI antenna device, partially using smaller diameter interaction elements mounted in a dielectric support compatible with other interaction elements of the meta-MRT antenna device ,
Beispiel zur Ausführung der vorliegenden ErfindungExample for carrying out the present invention
Zur Erläuterung der Erfindung ist in 1 als Stand der Technik das bekannte Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung, die oft auch als RH-Leitung bezeichnet wird, angegeben. Die Bezeichnung RH-Leitung wurde im Zusammenhang mit dem Forschungsgebiet über Metamaterialien eingeführt. Dort wurde die herkömmliche, bekannte Leitung mit stets positiven Materialparametern als „right-handed”, also rechtshändisch bezeichnet. Eine RH-Leitung, deren Verluste zur Vereinfachung hier vernachlässigt werden sollen, besitzt somit eine physikalische Längenausdehnung, die rechtshändische Referenzlänge (22). Die frequenzabhängigen charakteristischen Eigenschaften einer solchen Leitung lassen sich in bekannter Weise vereinfacht mit Hilfe eines Induktivitätsbelages, zur Unterscheidung nachfolgend hier rechtshändiger Induktivitätsbelag (20) benannt und eines Kapazitätsbelages, zur Unterscheidung nachfolgend hier rechtshändiger Kapazitätsbelag (21) benannt, hinreichend gut beschreiben.To explain the invention is in 1 As prior art, the known equivalent circuit diagram of concentrated components for a line section of a conventional high-frequency line, which is often referred to as RH line specified. The term RH pipe was introduced in the context of the research area on metamaterials. There, the conventional, known line with always positive material parameters as "right-handed", so called right-handed. An RH line whose losses are to be neglected here for the sake of simplicity, thus has a physical length extension, the right-handed reference length ( 22 ). The frequency-dependent characteristic properties of such a line can be simplified in a known manner with the aid of a Induktivitätsbelages, to distinguish here below right-handed inductance ( 20 ) and a capacity floor, to distinguish here below the right-handed capacity ( 21 ), sufficiently well described.
Die 2 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung den bekannten Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein Leitungsstück einer RH-Leitung. Der Zusammenhang ist linear und für alle Frequenzen f ist die Phasenkonstante β stets positiv. Die Materialparameter der RH-Leitung sind ebenfalls positiv.The 2 As a prior art, for explanation, shows the known relationship between the frequency f and the phase constant β for a line section of an RH line. The relationship is linear and for all frequencies f the phase constant β is always positive. The material parameters of the RH line are also positive.
Die 3 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung das zur 1 duale Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein Leitungsstück einer fiktiven Hochfrequenzleitung, die auch als LH-Leitung bezeichnet wird. Die Bezeichnung LH-Leitung wurde im Zusammenhang mit dem Forschungsgebiet über Metamaterialien eingeführt. Dort wurde diese duale Form der herkömmlichen Leitung als „left-handed”, also linkshändig bezeichnet. Eine solche LH-Leitung ist zwar prinzipiell denkbar, jedoch würde eine Wellenausbreitung auf einer solchen Leitung dann jedoch negative Materialparameter voraussetzen. Diese kommen aber bei herkömmlich aufgebauten Hochfrequenzleitungen ohne weiteres nicht vor, sie können jedoch auf verschiedene Weisen ohne große Probleme künstlich erzeugt werden. Im Ersatzschaltbild für diese LH-Leitung mit der linkshändigen Referenzlänge (25) wird anstelle des Serieninduktivitätsbelages dann ein Kapazitätsbelag, zur Unterscheidung nachfolgend hier linkshändiger Kapazitätsbelag (23) benannt und anstelle des Parallelkapazitätsbelages dann ein Induktivitätsbelag, zur Unterscheidung nachfolgend hier linkshändiger Induktivitätsbelag (24) benannt, verwendet, um die frequenzabhängigen charakteristischen Eigenschaften zu beschreiben.The 3 As a prior art for explanation, the 1 dual equivalent circuit of lumped components for a line section of a fictitious high-frequency line, which is also referred to as LH line. The term LH line was introduced in the context of the research area on metamaterials. There, this dual form of conventional management was referred to as "left-handed", ie left-handed. Although such an LH line is conceivable in principle, wave propagation on such a line would then presuppose negative material parameters. However, these are not readily available in conventionally constructed high-frequency lines, but they can be artificially produced in many ways without great problems. In the equivalent circuit diagram for this LH line with the left-handed reference length ( 25 ), a capacity floor is then used instead of the series inductance floor, to distinguish between here left-handed capacity floor ( 23 ) and instead of the parallel capacitance coating then an inductance coating, to distinguish here below left-handed inductance ( 24 ), used to describe the frequency-dependent characteristic properties.
Die 4 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein Leitungsstück einer fiktiven LH-Leitung. Der Zusammenhang ist nichtlinear und für alle Frequenzen f ist die Phasenkonstante β stets negativ. Die Materialparameter der LH-Leitung sind negativ. The 4 As a prior art, for explanation, shows the relationship between the frequency f and the phase constant β for a line portion of a fictitious LH line. The relationship is nonlinear and for all frequencies f the phase constant β is always negative. The material parameters of the LH line are negative.
Eine reine LH-Leitung ist als Wechselwirkungselement zum Aufbau einer Antennenvorrichtung gemäß den Vorgaben der hier gestellten Aufgabe völlig ungeeignet. Durch die Kombination von Elementen einer RH-Leitung mit den Elementen einer LH-Leitung lassen sich jedoch künstlich synthetisierte Hochfrequenzleitungen mit den jeweils erforderlichen veränderten elektrisch wirksamen Materialparametern herstellen. Solche künstlich synthetisierten Leitungen werden auch als kombinierte-rechtshändige-linkshändige-Leitungen, oder „combined-right-left-handed” oder abgekürzt als CRLH-Leitung oder als Meta-Leitung bezeichnet.A pure LH line is completely unsuitable as an interaction element for the construction of an antenna device according to the specifications of the task set here. By combining elements of an RH line with the elements of an LH line, however, artificially synthesized high-frequency lines can be produced with the respectively required changed electrically effective material parameters. Such artificially synthesized leads are also referred to as combined right-handed left-handed leads, or "combined-right-left-handed" or, for brevity, CRLH lead or meta-lead.
Die 5 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung das Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein kombiniertes Leitungsstück einer herkömnilichen Hochfrequenzleitung mit einer fiktiven LH-Leitung, die auch als CRLH-Leitung bezeichnet wird, für eine Referenzlänge (26) der CRLH-Leitung. Dabei ist zusätzlich zum rechtshändigen Induktivitätsbelag (20) ein linkshändiger Kapazitätsbelag (23) in Serienschaltung hinzugefügt worden. Parallel zum rechtshändigen Kapazitätsbelag (21) ist ein linkshändiger Induktivitätsbelag (24) hinzugefügt worden.The 5 As an explanation of the prior art, the equivalent component equivalent circuit for a combined line section of a conventional high-frequency line with a fictitious LH line, which is also referred to as a CRLH line, for a reference length (FIG. 26 ) of the CRLH line. In addition to the right-handed inductance coating ( 20 ) a left-handed capacity ( 23 ) have been added in series. Parallel to the right-handed capacity ( 21 ) is a left-handed inductance coating ( 24 ) has been added.
In der Praxis geschieht die einfachste Realisierung dadurch, dass beispielsweise über den Koppelspalt einer unterbrochenen Streifenleitung ein SMD-Kondensator und vom Mittelleiter zur Grundmetallisierung durch ein kleines Loch im Substrat eine SMD-Spule gelötet wird. Deutlich komplexere und elegantere Bauformen für die Metaleitung sind mittlerweile Stand der Technik.In practice, the simplest realization is achieved by soldering, for example, an SMD capacitor via the coupling gap of an interrupted stripline and an SMD coil from the center conductor to the base metallization through a small hole in the substrate. Significantly more complex and elegant designs for the metal line are now state of the art.
Wie aus der 5 leicht zu erkennen ist, können die Elemente des rechtshändigen Induktivitätsbelages (20) und des linkshändigen Kapazitätsbelages (23) eine Serienresonanzschaltung bilden und die Elemente des rechtshändigen Kapazitätsbelages (21) des linkshändigen Induktivitätsbelag (24) wiederum eine Parallelresonanzschaltung bilden. Für den Sonderfall, dass beide Resonanzfrequenzen übereinstimmen, ergibt sich der nachfolgend gezeigte Zusammenhang zwischen den elektrischen Größen.Like from the 5 can be easily recognized, the elements of the right-handed Induktivitätsbelages ( 20 ) and left-handed capacity ( 23 ) form a series resonant circuit and the elements of the right-handed capacitance ( 21 ) of the left-handed inductance coating ( 24 ) in turn form a parallel resonance circuit. For the special case that both resonance frequencies coincide, the relationship between the electrical quantities shown below results.
Die 6 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein kombiniertes Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung, einer RH-Leitung, mit einer fiktiven LH-Leitung, die auch als CRLH-Leitung oder als Meta-Leitung bezeichnet wird für den Fall übereinstimmender Resonanzfrequenzen. Je nach Größe der Frequenz f ist die Phasenkonstante β entweder positiv oder negativ.The 6 For illustration, the prior art illustrates the relationship between the frequency f and the phase constant β for a combined line section of a conventional radio frequency line, an RH line, with a fictitious LH line, also referred to as a CRLH line or as a meta line in the case of coincident resonant frequencies. Depending on the size of the frequency f, the phase constant β is either positive or negative.
Zur Nutzung einer solchen Metaleitung als Wechselwirkungselement (19) einer Antennenvorrichtung wird der Bereich für positive Werte der Phasenkonstanten β verwendet.For use of such a metal line as an interaction element ( 19 ) of an antenna device, the range for positive values of the phase constant β is used.
Wie aus der 6 zu entnehmen ist, gibt es eine untere Grenzfrequenz die überschritten sein muss, damit die Phasenkonstante β in den Bereich positiver Werte gelangt.Like from the 6 As can be seen, there is a lower limit frequency must be exceeded so that the phase constant β reaches the range of positive values.
Als ein typisches funktionsfähiges Beispiel zeigt die 7 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine mögliche Ausführungsform einer zum Aufbau eines hier verwendeten Wechselwirkungselementes prinzipiell geeigneten Metaleitung. Die Metaleitung besteht aus einer kontinuierlichen, periodisch hintereinander gesetzten Folge aus einem rechtshändigen Bereich (1) der Metaleitung mit der jeweiligen Länge des rechtshändigen Bereiches der Metaleitung (104) und aus einem linkshändigen Bereich (2) der Metaleitung mit der jeweiligen Länge des linkshändigen Bereiches der Metaleitung (105).As a typical working example shows the 7 As a prior art for explanation, by way of example, a possible embodiment of a metal line which is suitable in principle for the construction of an interaction element used here. The metal line consists of a continuous, periodically consecutive sequence from a right-handed area ( 1 ) of the metal line with the respective length of the right-hand region of the metal line ( 104 ) and from a left-handed area ( 2 ) of the metal line with the respective length of the left-handed region of the metal line ( 105 ).
Der rechtshändige Bereich (1) der Metaleitung ist in diesem Beispiel wie eine unsymmetrische Streifenleitung, die in Fachkreisen auch „microstrip” genannt wird, aufgebaut. Eine Streifenleiterbahn (5) der Breite (100) ist auf einem dielektrischen Substrat (4) der Höhe (102) und der Breite (101) aufgebracht, welches sich wiederum auf einer Grundmetallisierung (3), dem sogenannten „ground” befindet. Die Breite (101) des Substrates ist damit gleichzeitig auch die Breite (101) der Metaleitung und beträgt je nach Ausführungsform typischerweise nur einige Millimeter. Dabei muss der Fachmann bei der Konstruktion der Metaleitung sorgfältig abwägen, wie er die Geometrien wählt.The right-handed area ( 1 ) of the metal line is constructed in this example as an unbalanced stripline, which is also called "microstrip" in the art. A strip conductor track ( 5 ) the width ( 100 ) is on a dielectric substrate ( 4 ) the height ( 102 ) and the width ( 101 ), which in turn is based on a base metallization ( 3 ), the so-called "ground" is located. The width ( 101 ) of the substrate is thus at the same time the width ( 101 ) of the metal line and is typically only a few millimeters, depending on the embodiment. In this case, the expert in the construction of the metal line must carefully weigh how he chooses the geometries.
Mit zunehmender Höhe der Metaleitung (102) wächst auch die Breite der Streifenleiterbahn (100) und damit auch die Breite der Metaleitung (101). Durch die geometrische Vergrößerung der Leitung verbessert sich durch die größere Höhe der Metaleitung (102) naturgemäß die Fähigkeit zur Wechselwirkung mit den Nahfeldern und durch die größere Breite der Streifenleiterbahn (100) erhöht sich deren Strombelastbarkeit und damit verbunden auch die maximal verträgliche Senderleistung. Dem spricht entgegen, dass sich damit gleichzeitig auch die Breite der Metaleitung (101) vergrößert, wodurch die maximal mögliche laterale Auflösung der Meta-MRT-Antennenvorrichtung geringer wird. Es ist also ein sinnvoller Kompromiss zwischen den jeweiligen Anforderungen erforderlich.With increasing height of the metal line ( 102 ), the width of the strip conductor track ( 100 ) and thus also the width of the metal line ( 101 ). Due to the geometric enlargement of the line is improved by the greater height of the metal line ( 102 ) by nature the ability to interact with the Near fields and the greater width of the strip conductor track ( 100 ) Increases their current carrying capacity and thus also the maximum acceptable transmitter power. This is contradicted by the fact that at the same time the width of the metal line ( 101 ), thereby reducing the maximum possible lateral resolution of the meta-MRT antenna device. So there is a meaningful compromise between the requirements required.
Wie aus 7 zu erkennen ist, stellt der rechtshändige Bereich der Metaleitung (1) mit der Länge (104) den überwiegenden Bereich der Metaleitung dar. Dieser Bereich ist hinsichtlich der Wechselwirkung mit den Nahfeldern dominant.How out 7 can be seen, the right-handed area of the metal line ( 1 ) with the length ( 104 ) is the dominant region of the metal line. This region is dominant in terms of interaction with the near fields.
Der linkshändige Bereich der Metaleitung (2) mit der Länge (105) spielt für die direkte Wechselwirkung mit den Nahfeldern im Untersuchungsvolumen (13) nur eine untergeordnete Rolle. Deshalb ist der Wert für die Länge (105) des linkshändigen Bereiches deutlich geringer als der Wert für die Länge (104) des rechtshändigen Bereiches der Metaleitung. Der linkshändige Bereich (2) der Metaleitung dient in erster Linie der künstlichen Realisierung der gewünschten Wellenzahl. In der 7 ist eine Realisierung des linkshändigen Kapazitätsbelages (23) durch sich überlappende Metallschichten angedeutet. Dabei wurde auf eine Darstellung von erforderlichen Isolierschichten verzichtet. Durch diese Bauform können im Gegensatz zu kleinen SMD-Kondensatoren auch hohe Spannungsspitzen bewältigt werden, wie sie im Impulsbetrieb der im Kilowatt-Bereich arbeitenden Speisesender auftreten. Weiterhin ist in der 7 eine Realisierung des linkshändigen Induktivitätsbelages (24) durch eine mäanderförmige metallische dünne Leitung angedeutet. Bei dieser beispielhaften Bauform kann im Gegensatz zu manchen Bauformen von SMD-Spulen auf jegliche Form von Ferritmaterialien verzichtet werden, die aus Nahe liegenden Gründen im Arbeitsbereich der Hochfeld-Magnetresonanztomographen streng verboten sind.The left-handed region of the metal line ( 2 ) with the length ( 105 ) plays for the direct interaction with the near fields in the study volume ( 13 ) only a minor role. Therefore, the value for the length ( 105 ) of the left-handed region is significantly less than the value for the length ( 104 ) of the right-handed region of the metal line. The left-handed area ( 2 ) of the metal line serves primarily for the artificial realization of the desired wavenumber. In the 7 is a realization of left-handed capacity ( 23 ) indicated by overlapping metal layers. It was dispensed with a representation of required insulating layers. In contrast to small SMD capacitors, this type of design also enables the handling of high voltage peaks, such as occur in pulsed operation of the kilowatt-time operating feeders. Furthermore, in the 7 a realization of the left-handed inductance coating ( 24 ) indicated by a meandering metallic thin line. In this exemplary design, unlike some SMD package designs, any form of ferrite materials may be omitted which are strictly prohibited in the high-field MRI field of operation for obvious reasons.
Dadurch, dass die Wellenzahl der Metaleitung in weiten Grenzen gezielt künstlich synthetisiert werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, die bei durch Resonanz fest vorgegebenen elektrisch wirksamen Leitungslängen durch eine Metaleitung mit geometrisch einstellbarer Leitungslänge zu realisieren.Due to the fact that the wave number of the metal line can be artificially synthetically synthesized within wide limits, the possibility arises of realizing the electrically effective line lengths fixed by resonance through a metal line with a geometrically adjustable line length.
So kann beispielsweise eine Metaleitung in Vollwellenresonanz, d. h. es werden beispielweise zwei seitlich miteinander verbundene Dipolantennen zu einem Ring gebogen und dort miteinander verbunden, zu einem kreisförmig geschlossenen Ringresonator geschlossen werden, wobei der Anfang der Metaleitung mit dem Ende der Metaleitung elektrisch leitend und gleichzeitig auch mechanisch verbunden sind. Wegen der jeweiligen Verteilung der Spannungsknoten und der Stromknoten auf der Metaleitung werden die Resonanzbedingungen auch für eine solche ringförmig geschlossene Struktur erfüllt.For example, a metal line in full wave resonance, i. H. For example, two laterally interconnected dipole antennas are bent into a ring where they are connected to one another to form a circularly closed ring resonator, the beginning of the metal line being electrically conductively and simultaneously mechanically connected to the end of the metal line. Because of the respective distribution of the voltage nodes and the current nodes on the metal line, the resonance conditions are also fulfilled for such a ring-shaped closed structure.
In 8 ist als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer zum Aufbau eines hier verwendeten Wechselwirkungselementes prinzipiell geeignete Metaleitung in einer in sich geschlossenen Ringstruktur gegeben.In 8th As an example, an embodiment of a metal line which is suitable in principle for the construction of an interaction element used here is given in a self-contained ring structure as a prior art for explanation.
Zu erkennen sind die abwechselnd periodisch aufeinander folgenden rechtshändigen Bereiche (1) der Metaleitung sowie die linkshändigen Bereiche (2) der Metaleitung, von denen in der 8 jedoch nur einige beispielhaft gekennzeichnet sind. Weiterhin ist die Streifenleiterbahn (5) als das überwiegend mit dem Nahfeld im Untersuchungsvolumen (13) wechselwirkende Element der Metaleitung gut zu erkennen. Die Streifenleiterbahn (5) ist auf dem Substrat (4) befestigt, welches wiederum eine Grundmetallisierung (3) besitzt. Insgesamt hat die Metaleitung die Breite (101) und ist zu einem in sich geschlossenen Ring geformt, der den Durchmesser (110) besitzt. Dies alles ist schon aus der DE 20 2010 003 162 U1 bekannt und gehört somit zum bereits veröffentlichten Stand der Technik.You can see the alternating periodically consecutive right-handed areas ( 1 ) of the metal line and the left-handed regions ( 2 ) of the metal line, of which in the 8th however, only a few are exemplified. Furthermore, the strip conductor track ( 5 ) than that predominantly with the near field in the study volume ( 13 ) to recognize interacting element of the metal line well. The strip conductor track ( 5 ) is on the substrate ( 4 ), which in turn has a base metallization ( 3 ) owns. Overall, the metal line has the width ( 101 ) and is formed into a self-contained ring, the diameter ( 110 ) owns. This is all from the DE 20 2010 003 162 U1 known and thus belongs to the already published prior art.
Damit eine solche ringförmige Resonatorstruktur möglichst passgenau in das Innere des Untersuchungsvolumens (13) hinein montiert werden kann ist es erforderlich, dass der Durchmesser (110) dieser ringförmigen Resonatorstruktur mit dem Innendurchmesser des zur Verfügung stehenden Untersuchungsvolumens (13) nahezu übereinstimmt bzw. ein klein wenig geringer ist. Es wird daher zweckmäßigerweise die Wellenzahl durch gezielte Variation der Werte für den linkshändigen Kapazitätsbelag (23) und den linkshändigen Induktivitätsbelag (24) so eingestellt, dass die geometrische Länge des jeweiligen Ringresonators sowohl mit der elektrisch erforderlichen Länge übereinstimmt als auch gleichzeitig mit dem Innendurchmesser des Untersuchungsvolumens übereinstimmt. Als weitere einfach zu manipulierende Einstellmöglichkeiten werden die jeweiligen Längen des rechtshändigen Bereiches (104) und des linkshändigen Bereiches (105) der Metaleitung gemäß den jeweiligen Erfordernissen gewählt. Um eine unidirektionale Wanderwelle durch konstruktive und destruktive Überlagerung zu erzeugen, sind nach dem bisherigen Stand der Technik zwei möglichst gleichförmige Ringresonatoren als Wechselwirkungselemente erforderlich, die zu einer Wechselwirkungspaareinheit zusammengefasst werden und die einen bestimmten Abstand voneinander haben.In order that such an annular resonator structure fits as accurately as possible into the interior of the examination volume ( 13 ) it is necessary that the diameter ( 110 ) of this annular resonator structure with the inner diameter of the available examination volume ( 13 ) is almost identical or a little less. It is therefore expediently the wavenumber by deliberate variation of the values for the left-handed capacity covering ( 23 ) and the left-handed inductance coating ( 24 ) adjusted so that the geometric length of the respective ring resonator coincides both with the electrically required length and coincides simultaneously with the inner diameter of the examination volume. As further easy-to-manipulate settings, the respective lengths of the right-handed area ( 104 ) and the left-handed area ( 105 ) of the metal line according to the respective requirements. In order to produce a unidirectional traveling wave by constructive and destructive superimposition, two are possible in the prior art uniform ring resonators required as interaction elements, which are combined to form an interaction pair unit and which have a certain distance from each other.
Die 9 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer bekannten Wechselwirkungspaareinheit, wobei der seitliche Abstand (111) der Metaleitungswechselwirkungsringe nach dem derzeitigen Stand der Technik ein Viertel oder ein mehrfaches des Viertels der Wellenlänge bei der jeweils angeregten Larmorfrequenz betragen muss.The 9 As an example of a prior art, an embodiment of a known interaction pair unit is shown by way of illustration, wherein the lateral distance (FIG. 111 ) of the prior art metal line interaction rings must be a quarter or a multiple of the quarter of the wavelength at the respective excited Larmor frequency.
Durch das gleichzeitige Einspeisen von hochfrequenten Speiseströmen, die zueinander um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels zeitlich verschoben sind, lassen sich im Untersuchungsvolumen unidirektionale Wanderwellenfelder mit der Feldstruktur von TE11-Rundhohlleiter-Moden anregen.Due to the simultaneous feeding of high-frequency feed currents, which are temporally shifted by 90 degrees with respect to the zero phase angle, unidirectional traveling wave fields with the field structure of TE 11 round waveguide modes can be excited in the examination volume.
Die 10 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer bekannten Antennenvorrichtung mit vier Wechselwirkungspaareinheiten, die sich im Untersuchungsvolumen (13) eines Magnetresonanztomographen befinden, wobei hier beispielhaft drei Wechselwirkungspaareinheiten unidirektional konstruktiv gespeist werden und eine Wechselwirkungspaareinheit unidirektional destruktiv gespeist wird.The 10 As an example, a prior art illustrative embodiment of an embodiment of a known antenna device with four interaction pair units, which in the examination volume ( 13 ) of a magnetic resonance tomograph, in which case, for example, three interaction pair units are fed unidirectionally constructively and an interaction pair unit is fed unidirectionally destructively.
Den jeweiligen Wechselwirkungspaareinheiten lateral zugeordnet sind unterhalb der skizzierten Ringresonatoren die zur Anregung erforderlichen Stromdichten durch Symbole veranschaulicht. Die hier dargestellten anregenden Stromdichten sind jeweils zueinander phasenverschoben, was durch die unterschiedlichen Marker symbolisiert wird. Sie besitzen jedoch für jede Wechselwirkungspaareinheit die gleichen Amplituden, was durch die jeweils gleiche Länge der Marker symbolisiert wird.Laterally associated with the respective interaction pair units, the current densities required for excitation are illustrated by symbols below the sketched ring resonators. The exciting current densities shown here are each phase-shifted from one another, which is symbolized by the different markers. However, they have the same amplitudes for each interaction pair unit, which is symbolized by the respective same length of the marker.
Der örtliche Verlauf im Untersuchungsvolumen (13) wird durch eine z-Richtung vorgegeben, wobei die z-Koordinate am Kopfende (14) des Untersuchungsvolumens (13) beginnt und am Fußende (15) des Untersuchungsvolumens (13) endet.The local course in the study volume ( 13 ) is given by a z-direction, with the z-coordinate at the head ( 14 ) of the examination volume ( 13 ) begins and at the foot ( 15 ) of the examination volume ( 13 ) ends.
Demnach besitzen die Amplituden der Stromdichte zur Anregung der vom Kopfende (14) aus gezählten ersten Wechselwirkungspaareinheit, nach dem derzeitigen Stand der Technik, den gleichen positiven Wert, sind jedoch zueinander um 90 Grad phasenverschoben. Das Resultat dieser Anregung ist unmittelbar darunter abgebildet. Es ergibt sich eine unidirektionale Wanderwelle in positiver z-Richtung, während sich die Wellenamplituden in negativer z-Richtung gegenseitig auslöschen.Accordingly, the amplitudes of the current density for excitation of the head end ( 14 ) of counted first interaction pair unit, according to the current state of the art, the same positive value, but are mutually phase-shifted by 90 degrees. The result of this suggestion is shown immediately below. This results in a unidirectional traveling wave in the positive z-direction, while the wave amplitudes in the negative z-direction cancel each other out.
Die 10 zeigt nur eine zeitliche Momentaufnahme. Da es sich hierbei um eine Wanderwelle handelt, verlaufen die Amplitudenspitzen, vergleichbar mit dem seitlichen Anblick einer sich drehenden Helix, kontinuierlich in z-Richtung, was bei einer statischen Skizze jedoch nicht dargestellt werden kann. Es ergeben sich so jeweils Bereiche mit lokalen unterschiedlichen aber im zeitlichen Mittel weitgehend konstanten Amplitudenwerten.The 10 shows only a temporal snapshot. Since this is a traveling wave, the amplitude peaks, similar to the lateral view of a rotating helix, run continuously in the z-direction, which can not be represented in a static sketch. In each case, this results in regions with local different amplitude values, which are largely constant over time.
Die Amplituden der Stromdichte zur Anregung der zweiten Wechselwirkungspaareinheit besitzen den gleichen positiven Wert und sind ebenfalls zueinander um 90 Grad phasenverschoben. Das Resultat dieser zusätzlichen Anregung ist unmittelbar darunter abgebildet. Es ergibt sich eine unidirektionale Wanderwelle in positiver z-Richtung aber mit etwa der doppelten Amplitude.The amplitudes of the current density for exciting the second interaction pair unit have the same positive value and are also mutually phase-shifted by 90 degrees. The result of this additional stimulus is shown immediately below. It results in a unidirectional traveling wave in the positive z-direction but with about twice the amplitude.
Die Amplituden der Stromdichte zur Anregung der dritten Wechselwirkungspaareinheit besitzen den doppelten positiven Wert und sind ebenfalls zueinander um 90 Grad phasenverschoben. Das Resultat dieser zusätzlichen Anregung ist unmittelbar darunter abgebildet. Es ergibt sich eine unidirektionale Wanderwelle in positiver z-Richtung aber mit deutlich erhöhter Amplitude. Die Amplituden der Stromdichte zur Anregung der vierten Wechselwirkungspaareinheit besitzen sehr hohe und negative Werte. Zwar sind sie ebenfalls zueinander um 90 Grad phasenverschoben, im Vergleich zu den bisherigen Anregungssignalen sind sie jedoch noch einmal um 180 Grad phasenverschoben.The amplitudes of the current density for exciting the third interaction pair unit have twice the positive value and are also phase-shifted by 90 degrees with respect to each other. The result of this additional stimulus is shown immediately below. The result is a unidirectional traveling wave in a positive z-direction but with a significantly increased amplitude. The amplitudes of the current density for exciting the fourth interaction pair unit have very high and negative values. Although they are also mutually phase-shifted by 90 degrees, in comparison to the previous excitation signals, they are once again phase-shifted by 180 degrees.
An dieser Stelle erfolgt also keine konstruktive Überlagerung, sondern es wird eine destruktive Überlagerung der Wellenamplituden vorgenommen. Dabei müssen die speisenden Verstärker sehr leistungsstark sein, weil sie die gesamte bis zu dieser Stelle angewachsene Feldenergie im Untersuchungsvolumen (13) kompensieren müssen. Dies gilt zumindest für ein leeres Untersuchungsvolumen ohne dämpfende Materialien. In der Praxis wird aber ein sehr großer Teil dieser Energie zur Anregung der Kernspins vom jeweiligen relativ stark dämpfenden Gewebe des Patienten absorbiert.At this point, therefore, no constructive superimposition takes place, but instead a destructive superimposition of the wave amplitudes is undertaken. The feeding amplifiers must be very powerful because they cover the entire field energy up to this point in the examination volume ( 13 ) must compensate. This applies at least to an empty examination volume without damping materials. In practice, however, a very large part of this energy is absorbed by the respective relatively strongly attenuating tissue of the patient to excite the nuclear spins.
Das Resultat dieser zusätzlichen Anregung ist unmittelbar darunter abgebildet. Es ergibt sich eine unidirektionale Wanderwelle in positiver z-Richtung mit destruktivem Charakter, der die Amplituden der Wanderwelle zum Fußende (15) des Untersuchungsvolumens (13) hin verschwinden lässt. The result of this additional stimulus is shown immediately below. The result is a unidirectional traveling wave in a positive z-direction with a destructive character, the amplitudes of the traveling wave to the foot ( 15 ) of the examination volume ( 13 ) disappears.
Um Missverständnisse zu vermeiden ist in 11 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft und schematisch ein typischer Aufbau eines Magnetresonanztomographen im Querschnitt entlang der Achse des Untersuchungsvolumens gezeigt, wie er hier bevorzugt verwendet wird.To avoid misunderstandings is in 11 As a prior art for explanation by way of example and schematically shows a typical structure of a magnetic resonance tomograph in cross section along the axis of the examination volume, as it is preferably used here.
Der Wanderwellen-Magnetresonanztomograph (10) besitzt Hauptfeldspulen (11) zur Erzeugung eines statischen B0-Feldes von 7 Tesla und mehr. Weiterhin sind zur lokalen Zuordnung der Relaxationssequenzen Spulenanordnungen zur Erzeugung von magnetischen Gradientenfeldern (12) notwendig, deren jeweiliger Aufbau sehr komplex ist und hier nur schematisch angedeutet worden ist. Das nutzbare Untersuchungsvolumen (13) befindet sich hinsichtlich des Querschnitts etwa im Zentrum des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) und erstreckt sich über dessen gesamte Länge, wobei der FOV bei herkömmliche Magnetresonanztomographen in der Regel nur einen Bruchteil dieser Lange ausmacht. Der maximal verfügbare Durchmesser des Untersuchungsvolumens (13) liegt typischerweise derzeit bei einem Wert von etwa 60 cm. Das Untersuchungsvolumen besitzt ein Kopfende (14) durch das der zu untersuchende Patient (17) in das Untersuchungsvolumen (13) mit Hilfe eines Transportschlittens (16) hinein gefahren wird. Das Gegenüberliegende Ende ist das Fußende (15) und wird häufig zur Verkabelung zusätlicher Hilfsgeräte benutzt.The traveling wave magnetic resonance tomograph ( 10 ) has main field coils ( 11 ) to generate a static B 0 field of 7 Tesla and more. Furthermore, for the local assignment of the relaxation sequences, coil arrangements for generating magnetic gradient fields ( 12 ) necessary, their respective structure is very complex and has been indicated here only schematically. The usable examination volume ( 13 ) is located approximately in the center of the traveling wave magnetic resonance tomograph ( 10 ) and extends over its entire length, with the FOV in conventional magnetic resonance imaging usually only a fraction of this length. The maximum available diameter of the examination volume ( 13 ) is typically currently at a value of about 60 cm. The examination volume has a head end ( 14 ) by the patient to be examined ( 17 ) into the examination volume ( 13 ) by means of a transport carriage ( 16 ) is driven into it. The Opposite End is the foot end ( 15 ) and is often used to cabling auxiliary equipment.
Entlang des Innenradius des Untersuchungsvolumens befindet sich ein passives Speisenetzwerk (18) und die je nach Antennenvorrichtung sehr unterschiedlichen jeweiligen Wechselwirkungselemente (19). Aus Kostengründen weniger zweckmäßig aufgebaute Magnetresonanztomographen sind in diesem Beispiel nicht skizziert.Along the inner radius of the examination volume there is a passive feed network ( 18 ) and depending on the antenna device very different respective interaction elements ( 19 ). For reasons of cost, less appropriately constructed magnetic resonance tomographs are not sketched in this example.
Die 12 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft ein typischer Aufbau im Bereich des Untersuchungsvolumens (13) eines Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) im Querschnitt senkrecht zur Achse des Untersuchungsvolumens (13). In dieser Darstellung sind neben der Form des Transportschlittens (16) und der Lage des Patienten (17) die zweckmäßige radiale Positionierung des passiven Speisenetzwerkes (18) und der Wechselwirkungselemente (19) erkennbar. Zusätzlich eingezeichnet findet sich die Isolierung (103), die eine lokale Überhitzung durch das Berühren Hochfrequenz gespeister Metallteile sicher unterbindet und eine direkte Sicht auf die elektrischen Anordnungen verhindert.The 12 As a prior art, by way of example, a typical structure in the area of the examination volume (FIG. 13 ) of a traveling wave magnetic resonance tomograph ( 10 ) in cross-section perpendicular to the axis of the examination volume ( 13 ). In this illustration, in addition to the shape of the transport carriage ( 16 ) and the position of the patient ( 17 ) the appropriate radial positioning of the passive feed network ( 18 ) and the interaction elements ( 19 ) recognizable. Additionally marked is the insulation ( 103 ), which reliably prevents local overheating by touching high-frequency supplied metal parts and prevents a direct view of the electrical arrangements.
Ein erfindungsgemäß signifikant verbessertes Wechselwirkungselement, als modulares Kernstück der hier präsentierten Meta-MRT-Antennenvorrichtung, ist im nächsten Bild dargestellt. Die 13 zeigt eine schematische Darstellung des Querschnittes eines beispielhaften Wechselwirkungselementes, wie es in dieser Erfindung als bevorzugtes modulares Antennenelement zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendet wird. Die zu einem Kreisring geschlossene Metaleitung bildet einen Metaleitungswechselwirkungsring (27). Die Streifenleiterbahn (5) der Metaleitung zeigt allseitig zum Mittelpunkt des Ringes und ist dadurch befähigt, in einem besonders hohen Maße mit den dort präsenten elektromagnetischen Feldern in Wechselwirkung zu treten. Unterhalb der Streifenleitungsbahn (5) befindet sich das kreisförmig geformte Substrat (4) der Metaleitung, welches wiederum auf der kreisförmigen Grundmetallisierung (3) der Metaleitung aufgebracht ist. Die Grundmetallisierung (3) zeigt zum Zylindermantel des Untersuchungsvolumens. Der Durchmesser (110) des Metaleitungswechselwirkungsringes (27) ist dabei so gewählt, dass der Metaleitungswechselwirkungsring (27) mit den erforderlichen Anschlüssen vollständig in das Untersuchungsvolumen eingepasst werden kann. Der Metaleitungswechselwirkungsring (27) besitzt vier Wellentore, an denen sowohl Speisesignale beispielsweise zur Erregung der zirkular polarisierten Wellenfelder als propagierende Drehfelder eingespeist werden können als auch die von dem jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsring (27) empfangenen hochfrequenten jeweils interessierende Signale ausgekoppelt werden können. Der Metaleitungswechselwirkungsring (27) kann gleichzeitig also sowohl als abstrahlendes bzw. aussendendes als auch als empfangendes Wechselwirkungselement der Meta-MRT-Antennenvorrichtung verwendet werden.An inventive significantly improved interaction element, as a modular core of the meta-MRT antenna device presented here, is shown in the next picture. The 13 Figure 4 is a schematic representation of the cross-section of an exemplary interaction element as used in this invention as a preferred modular antenna element for constructing the antenna device. The closed to a circular ring metal line forms a metal line interaction ring ( 27 ). The strip conductor track ( 5 ) of the metal line points on all sides to the center of the ring and is thus able to interact to a particularly great extent with the electromagnetic fields present there. Below the stripline track ( 5 ) is the circular shaped substrate ( 4 ) of the metal line, which in turn on the circular base metallization ( 3 ) of the metal line is applied. The base metallization ( 3 ) points to the cylinder surface of the examination volume. The diameter ( 110 ) of the metal line interaction ring ( 27 ) is chosen so that the metal line interaction ring ( 27 ) with the necessary connections can be completely fitted into the examination volume. The metal line interaction ring ( 27 ) has four shafts, to which both feed signals, for example, to excite the circularly polarized wave fields can be fed as propagating rotating fields as well as those of the respective metal line interaction ring ( 27 ) received high-frequency signals of interest in each case can be decoupled. The metal line interaction ring ( 27 ) can thus be used both as a radiating or emitting and as a receiving interaction element of the meta-MRT antenna device simultaneously.
Durch die Möglichkeit, sowohl die jeweiligen Speisesignale als auch die empfangenen Signale auf vier Wellentore verteilen zu können, ergeben sich außerordentliche Vorteile hinsichtlich des Schaltungsaufwandes zur Anpassung der Phasenlage und der optimalen Impedanzanpassung, weil sowohl die elektrische Phasenlage als auch die mechanische, durch die versetzte Leitungslänge bedingte, Phasenlage, direkt korreliert werden kann, ohne zusätzliche elektromagnetische Phasenschieber verwenden zu müssen. So wird beispielsweise anstelle einer zusätzlichen Umwegleitung mit einer elektrisch wirksamen Länge von einer Viertelwellenlänge, welche mit hohem technischen Aufwand sorgfältig hinsichtlich ihrer Abstrahlungen abgeschirmt werden muss, damit diese die elektromagnetische Feldstruktur im Untersuchungsvolumen nicht störend beeinflusst, welche zudem durch ihre physikalische Länge einen relativ großen Flächenverbrauch zu Ungunsten weiterer Anpasselemente verursacht, einfach ein kleiner und kompakter, entsprechend angeordneter, elektronischer Umschalter, beispielweise in Form einer PIN-Diode, verwendet.The ability to distribute both the respective feed signals and the received signals on four shaft gates, there are extraordinary advantages in terms of circuit complexity for adjusting the phase position and the optimal impedance matching, because both the electrical phase and the mechanical, by the staggered cable length conditional, phase relationship, can be directly correlated without having to use additional electromagnetic phase shifter. Thus, for example, instead of an additional detour with an electrically effective length of a quarter wavelength, which must be carefully screened with high technical complexity in terms of their emissions so that they do not interfere with the electromagnetic field structure in the study volume, which also causes by their physical length a relatively large area consumption to the detriment of other matching elements, just a small and compact, appropriately arranged, electronic switch, for example in the form of a PIN diode used.
Im einzelnen besitzen die jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) gemäß 13 auf der Außenseite zur Zuführung und zur Ableitung von Signalen vier gleichmäßig über den Umfang verteilte koaxiale Wellentore (6), (7), (8) und (9), wobei der Winkel (124) zwischen dem ersten Wellentor (6) und dem zweiten Wellentor (7) dann 90 Grad beträgt, der Winkel (125) zwischen dem zweiten Wellentor (7) und dem dritten Wellentor (8) dann 90 Grad beträgt, der Winkel (126) zwischen dem dritten Wellentor (8) und dem vierten Wellentor (9) dann 90 Grad beträgt und der Winkel (127) zwischen dem vierten Wellentor (9) und dem ersten Wellentor (6) dann 90 Grad beträgt.In particular, the respective metal line interaction rings ( 27 ) according to 13 on the outside for the supply and for the derivation of signals four coaxial shaft corrugations distributed uniformly over the circumference ( 6 ) 7 ) 8th ) and ( 9 ), where the angle ( 124 ) between the first wave gate ( 6 ) and the second wave gate ( 7 ) then 90 degrees, the angle ( 125 ) between the second shaft gate ( 7 ) and the third wave gate ( 8th ) then 90 degrees, the angle ( 126 ) between the third wave gate ( 8th ) and the fourth wave gate ( 9 ) then 90 degrees and the angle ( 127 ) between the fourth wave gate ( 9 ) and the first wave gate ( 6 ) then 90 degrees.
Durch diese mechanische Maßnahme ist der Signalfluss am ersten Wellentor (120) in elektrischer Hinsicht gegenüber dem Signalfluss am zweiten Wellentor (121) bereits um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels verschoben, weiterhin ist der Signalfluss am zweiten Wellentor (121) in elektrischer Hinsicht gegenüber dem Signalfluss am dritten Wellentor (122) bereits um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels verschoben, weiterhin ist der Signalfluss am dritten Wellentor (122) in elektrischer Hinsicht gegenüber dem Signalfluss am vierten Wellentor (123) bereits um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels verschoben und weiterhin ist der Signalfluss am vierten Wellentor (123) in elektrischer Hinsicht gegenüber dem Signalfluss am ersten Wellentor (120) bereits um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels verschoben. Wegen dieser mechanischen Verschiebung der jeweiligen Wellentore zueinander müssen die erforderlichen Phasenverschiebungen nicht noch durch ein passives Speisenetzwerk (18) erzeugt werden, wodurch das passive Speisenetzwerk signifikant einfacher aufgebaut werden kann und dadurch kompakter und preiswerter realisiert werden kann.By this mechanical measure, the signal flow at the first shaft gate ( 120 ) in electrical regard to the signal flow at the second Wellentor ( 121 ) already shifted by 90 degrees with respect to the zero phase angle, furthermore the signal flow at the second wave gate ( 121 ) in electrical respect to the signal flow at the third wave gate ( 122 ) already shifted by 90 degrees with respect to the zero phase angle, furthermore, the signal flow at the third wave gate ( 122 ) in electrical regard to the signal flow at the fourth wave gate ( 123 ) already shifted by 90 degrees with respect to the zero phase angle and further the signal flow at the fourth wave gate ( 123 ) in electrical respect to the signal flow at the first shaft gate ( 120 ) already shifted by 90 degrees with respect to the zero phase angle. Because of this mechanical displacement of the respective shaft ports to one another, the required phase shifts do not have to be replaced by a passive feed network (FIG. 18 ), whereby the passive feed network can be constructed significantly simpler and thus can be realized more compact and cheaper.
Dabei sind die jeweiligen Wellentore (6), (7), (8) und (9), von der Rückseite der zum Aufbau der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendeten planaren Leiterbahnen aus betrachtet, dergestalt mit der jeweiligen Streifenleiterbahn (5) der Metaleitung elektrisch leitend verbunden, dass sich keinerlei Erhebungen in das Untersuchungsvolumen (13) hinein ergeben.The respective shaft gates ( 6 ) 7 ) 8th ) and ( 9 ), from the back of the structure of the metal line interaction rings ( 27 ) used planar conductor tracks from, in such a way with the respective strip conductor track ( 5 ) electrically conductively connected to the metal line, that no elevations into the examination volume ( 13 ) into it.
Die 14 zeigt eine schematische Darstellung konstruktiver Details im Querschnitt zur galvanischen Ankopplung von Strahlerelementen und Speiseleitung. Deutlich im Querschnitt zu erkennen ist die Streifenleiterbahn (5) der Metaleitung, von der die dominante Wechselwirkung des Metaleitungswechselwirkungsringes (27) mit den hochfrequenten magnetischen B1-Feldern im Inneren des Untersuchungsvolumens (13) ausgeht. Diese Streifenleiterbahn (5) befindet sich auf dem Substrat (4), welches wiederum auf der Grundmetallisierung (3) der Metaleitung aufgebracht ist. Zur galvanischen Verbindung mit einem koaxialen Wellenleiter, bestehend aus dem zentralen signalführenden Innenleiter (300), dem Dielektrikum (301) und dem abschirmenden Außenleiter (302), wird bei der Fertigung für jedes Tor für den Signalfluss jeweils eine Bohrung durch die gesamte Metaleitung, also durch die Streifenleiterbahn (5), durch das Substrat (4) und durch die Grundmetallisierung (3) der Metaleitung vorgenommen. Auf der Ebene der Grundmetallisierung (3) wird gleichzeitig zentral um das Bohrloch herum eine kreisförmige Fläche mit dem Durchmesser des Koaxialkabels ätztechnisch oder mit Hilfe eines Fräsers entfernt. Dann wird das Bohrloch galvanoplastisch durchkontaktiert. So wird eine unmittelbar mit der Streifenleiterbahn (5) galvanisch verbundene, durch das Substrat (4) hindurch führende aber mit der Grundmetallisierung (3) der Metaleitung galvanisch nicht verbundene Metallhülse (303) erzeugt. In diese Metallhülse (303) wird nun der signalführende Innenleiter (300) des Koaxialkabels geführt und an der Oberseite der Streifenleiterbahn (5) so verlötet oder gleichwertig beispielsweise durch einen Leitkleber elektrisch und mechanisch verbunden, dass das Lot bzw. der Leitkleber in die Metallhülse durch die Kapillarwirkung hinein gezogen wird. Dies führt zu einer dauerhaft leitenden Verbindung (306) zwischen der Streifenleiterbahn (5) und dem signalführenden Innenleiter (300) der Koaxialleitung, ohne dass sich an der Kontaktstelle eine Erhebung in das Untersuchungsvolumen (13) hinein ergeben würde. Die Grundmetallisierung (3) der Metaleitung wird mit dem abschirmenden Außenleiter der Koaxialleitung ebenfalls verlötet, oder gleichwertig beispielsweise durch einen Leitkleber elektrisch und mechanisch verbunden und bildet so eine leitende Verbindung (305) zwischen der Grundmetallisierung (3) des Metaleitungswechselwirkungsringes und dem abschirmenden Außenleiter (302) des Koaxialleiters. Die Meta-MRT-Antennenvorrichtung verwendet im Gegensatz zu der in der DE 20 2010 003 162 U1 vorgestellten Antennenvorrichtung zum Aufbau der Antennenvorrichtung keine stets paarweisen Anordnungen wie beispielsweise die dort beschriebenen Wechselwirkungspaareinheiten, sondern es werden hier erfindungsgemäß eine beliebige, gerade oder ungerade Anzahl von Metaleitungswechselwirkungsringen (27) verwendet.The 14 shows a schematic representation of constructive details in cross-section for the galvanic coupling of radiator elements and feed line. Clearly visible in cross section is the strip conductor track ( 5 ) of the metal line, from which the dominant interaction of the metal-ion interaction ring ( 27 ) with the high-frequency magnetic B 1 fields inside the examination volume ( 13 ). This strip conductor ( 5 ) is located on the substrate ( 4 ), which in turn on the base metallization ( 3 ) of the metal line is applied. For galvanic connection with a coaxial waveguide, consisting of the central signal-carrying inner conductor ( 300 ), the dielectric ( 301 ) and the shielding outer conductor ( 302 ), during production for each gate for the signal flow in each case a bore through the entire metal line, so by the strip conductor track ( 5 ), through the substrate ( 4 ) and by the base metallization ( 3 ) of the metal line. At the level of base metallization ( 3 At the same time, centrally around the borehole, a circular area with the diameter of the coaxial cable is removed by etching or with the aid of a milling cutter. Then the borehole is electroformed through. So one directly with the stripline ( 5 ) electrically connected, through the substrate ( 4 ) but with the base metallization ( 3 ) of the metal line galvanically unconnected metal sleeve ( 303 ) generated. In this metal sleeve ( 303 ), the signal-carrying inner conductor ( 300 ) of the coaxial cable and at the top of the strip conductor track ( 5 ) so soldered or equivalent electrically and mechanically connected, for example by a conductive adhesive, that the solder or the conductive adhesive is drawn into the metal sleeve by the capillary action. This leads to a permanently conductive connection ( 306 ) between the strip conductor track ( 5 ) and the signal-carrying inner conductor ( 300 ) of the coaxial line, without a survey at the contact point in the study volume ( 13 ) would result. The base metallization ( 3 ) of the metal line is also soldered to the shielding outer conductor of the coaxial line, or equivalent electrically and mechanically connected, for example, by a conductive adhesive, thus forming a conductive connection ( 305 ) between the base metallization ( 3 ) of the metal line interaction ring and the shielding outer conductor ( 302 ) of the coaxial conductor. The meta-MRT antenna device uses in contrast to that in the DE 20 2010 003 162 U1 antenna device for the construction of the antenna device are not always pairwise arrangements such as the interaction pair units described there, but according to the invention any, even or odd number of metal line interaction rings ( 27 ) used.
Dabei wird die maximale Anzahl von Metaleitungswechselwirkungsringen (27) lediglich durch die zur Verfügung stehende Länge des Untersuchungsvolumens (13) begrenzt und die minimale Anzahl wegen der beabsichtigten Überlagerung von Feldern auf mindestens zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) begrenzt. The maximum number of metal line interaction rings ( 27 ) only by the available length of the examination volume ( 13 ) and the minimum number due to the intended superposition of fields on at least two metal line interaction rings ( 27 ) limited.
Im Gegensatz zu der in der DE 20 2010 003 162 U1 vorgestellten Antennenvorrichtung müssen zum Aufbau der Antennenvorrichtung bei der Meta-MRT-Antennenvorrichtung die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) lateral nicht genau ein viertel der Wellenlänge der jeweiligen Resonanzfrequenz voneinander distanziert sein, sondern diese können einen beliebigen, frei wählbaren seitlichen Abstand (111) voneinander haben.Unlike in the DE 20 2010 003 162 U1 In order to construct the antenna device in the meta-MRT antenna device, the metal line interaction rings ( 27 ) in the examination volume ( 13 ) lateral not exactly one quarter of the wavelength of the respective resonant frequency be distanced from each other, but these can be any arbitrary lateral distance ( 111 ) from each other.
Dieser Umstand mag auf den ersten Blick für den Theoretiker von geringer Bedeutung sein. Für die Praxis jedoch, bei der es auf Realisierbarkeit, Herstellungskosten und Akzeptanz der Apparatur durch die betroffenen Investoren ankommt, ist dieser Umstand von ganz entscheidender Wichtigkeit.This circumstance may at first glance be of little importance to the theorist. In practice, however, where feasibility, manufacturing costs and the acceptance of the equipment by the affected investors are important, this circumstance is of crucial importance.
Da sich die Wellenlänge im Untersuchungsvolumen wie in einem Rundhohlleiter bei Annäherung an die Grenzwellenlänge signifikant vergrößert, ergibt sich beispielsweise bei einem 7 Tesla-Hochfeld-Magnetresonanztomographen für eine entsprechende Wasserstoff-Larmorfrequenz von 298 MHz und einem typischen Durchmesser des Untersuchungsvolumens von 0,64 m eine Wellenlänge von 2,63 m anstelle der Freiraumwellenlänge von 1,01 m.Since the wavelength increases significantly in the examination volume as in a circular waveguide approaching the cutoff wavelength, for example, results in a 7 Tesla high-field magnetic resonance imaging for a corresponding hydrogen Larmorfrequenz of 298 MHz and a typical diameter of the examination volume of 0.64 m Wavelength of 2.63 m instead of the free space wavelength of 1.01 m.
Die in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichte Erfindung, das sei an dieser Stelle noch einmal gesagt, benötigt also entweder noch höhere Flussdichten für das Hauptfeld und damit verbunden höhere Larmorfrequenzen, die signifikant über der jeweiligen Grenzfrequenz der Hohlleitermoden liegen, oder aber größere verfügbare Durchmesser des Untersuchungsvolumens, um die vom Verfahren her vorgegebenen räumlichen Auflösung auch tatsächlich verifizieren zu können. Derzeit liegen die praktisch realisierten magnetischen Flussdichten für das Hauptfeld, abgesehen von einigen speziellen Forschungseinrichtungen, bei 9,4 Tesla, was eine Wasserstoff-Larmorfrequenz von 399 MHz bedeuten würde. Durch den elektromagnetischen Einfluss des menschlichen Gewebes auf die Wellenlänge ergäbe sich im menschlichen Gewebe eine typische Wellenlänge von etwa 0,1 m. Damit würde die in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichte Erfindung sicherlich mit hoher räumlicher Auflösung in gewünschter Weise funktionieren.The in the utility model application DE 20 2010 003 162 U1 published invention, which should be said again at this point, so either even higher flux densities for the main field and thus associated higher Larmor frequencies that are significantly above the respective cutoff frequency of the waveguide modes, or larger available diameter of the examination volume to those of the method forth actually be able to verify the given spatial resolution. Currently, the practical magnetic flux densities for the main field, apart from a few specialized research facilities, are 9.4 Tesla, which would mean a hydrogen Larmor frequency of 399 MHz. The electromagnetic influence of human tissue on the wavelength would give a typical wavelength of about 0.1 m in human tissue. This would be in the utility model application DE 20 2010 003 162 U1 published invention certainly work with high spatial resolution in the desired manner.
Aus Kastengründen sind derzeit jedoch Magnetresonanztomographen mit einer solch hohen magnetischen Flussdichte eher die Ausnahme.However, for chest reasons, magnetic resonance imaging with such a high magnetic flux density is currently the exception.
Sowohl höhere Flussdichten als auch größere Durchmesser des Untersuchungsvolumens sind in der Realisierung mit sehr hohen zusätzlichen Kosten verbunden. Es müssten also vollständig neue Magnetresonanztomographen mit entsprechend veränderten charakteristischen Eigenschaften angeschafft werden, was die Einsatzfreude in der Praxis deutlich dämpfen dürfte.Both higher flux densities and larger diameters of the examination volume are associated in the realization with very high additional costs. Completely new magnetic resonance tomographs with correspondingly changed characteristic properties would have to be purchased, which should significantly reduce the enthusiasm for use in practice.
In vielen Praxen der Fachärzte und in den Kliniken werden heute immer noch Magnetresonanztomographen mit magnetischen Flussdichten von 1,5 Tesla eingesetzt. Bei solchen Geräten wäre der Einsatz der in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichten Erfindung aus praktischen Gründen unmöglich.Magnetic resonance tomographs with magnetic flux densities of 1.5 Tesla are still used today in many practices of medical specialists and clinics. In such devices, the use of the in the utility model application DE 20 2010 003 162 U1 published invention for practical reasons impossible.
Bei der hier beschriebenen Meta-MRT-Antennenvorrichtung hingegen müssen die zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendeten Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) lateral nicht genau ein viertel der Wellenlänge der jeweiligen Resonanzfrequenz voneinander distanziert sein, sondern diese können einen beliebigen, frei wählbaren seitlichen Abstand (111) voneinander haben.By contrast, in the meta-MRT antenna device described here, the metal line interaction rings used to construct the antenna device must ( 27 ) in the examination volume ( 13 ) lateral not exactly one quarter of the wavelength of the respective resonant frequency be distanced from each other, but these can be any arbitrary lateral distance ( 111 ) from each other.
Dabei werden die einzelnen Wellentore (6), (7), (8) und (9) jeweils mit hochfrequenten Wechselströmen gespeist, deren jeweiligen Amplituden und jeweiligen Nullphasenwinkel in Abhängigkeit der charakteristischen Eigenschaften des zu generierenden B1-Feldes gezielt vorgegeben werden können, wodurch im Untersuchungsvolumen (13) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird und wobei sich eine hinsichtlich der lokalen Feldstärke innerhalb des Untersuchungsvolumens steuerbare resultierende beliebige Feldstruktur im Untersuchungsvolumen (13) durch die interferierende Überlagerung der einzelnen, von den jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) angeregten, lokalen Felder ergibt, wobei sowohl horizontale, vertikale und zirkular polarisierte Wanderwellen als prinzipiell auch stehende Wellen generiert werden können. Die Meta-MRT-Antennenvorrichtung ist somit modular flexibel und universell für jeden gewünschten Einsatzzweck konfigurierbar.The individual shaft gates ( 6 ) 7 ) 8th ) and ( 9 ) are respectively supplied with high-frequency alternating currents whose respective amplitudes and respective zero-phase angle can be specified as a function of the characteristic properties of the B 1 field to be generated, whereby in the examination volume ( 13 ) an alternating magnetic field is generated and wherein a local field strength controllable within the examination volume resulting random field structure in the examination volume ( 13 ) by the interfering superposition of the individual, by the respective metal line interaction rings ( 27 ) gives excited, local fields, where both horizontal, vertical and circularly polarized traveling waves can be generated as a principle, standing waves. The meta-MRT antenna device is thus modularly flexible and universally configurable for any desired application.
Die der Erfindung zugrunde liegende neue Erkenntnis, dass zum Aufbau der Antennenvorrichtung bei der hier neu vorgestellten Meta-MRT-Antennenvorrichtung die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) lateral nicht genau ein viertel der Wellenlänge der jeweiligen Resonanzfrequenz voneinander distanziert sein müssen, sondern einen beliebigen, frei wählbaren seitlichen Abstand (111) voneinander haben können, eröffnet zahlreiche weitere neue Anwendungsmöglichkeiten und bedingt den wesentlichen Unterschied zu der bereits in der DE 20 2010 003 162 U1 vorgestellten Antennenvorrichtung. The invention on the basis of the new realization that the construction of the antenna device in the newly presented here meta-MRT antenna device, the metal line interaction rings ( 27 ) in the examination volume ( 13 ) laterally not exactly one quarter of the wavelength of the respective resonant frequency must be distanced from each other, but any, freely selectable lateral distance ( 111 ) from each other, opens up numerous other new possibilities of application and causes the essential difference to those already in the DE 20 2010 003 162 U1 featured antenna device.
Das elektrische bzw. magnetische Feld einer elektromagnetischen Welle im Rundhohlleiter, der im Falle des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen durch den Innenraum des Untersuchungsvolumens (13) realisiert wird, lässt sich über seine kontinuierliche harmonische Zeitabhängigkeit mit der Kreisfrequenz ω und einer linearen Ausbreitungsrichtung entlang einer Ortsvariablen z, die entlang der zentralen Mittelachse des Untersuchungsvolumens (13) vom Kopfende (14) zum Fußende (15) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) hin verlaufend angenommen wird, mit der Phasenkonstante oder auch dem Phasenmaß β allgemein beschreiben, wobei gilt I = I+·exp{j(ωt – β(z – z0) + φ)} + I–·exp{j(ωt + β(z – z0) + φ)} (1) mit der Ortskoordinate z0 als dem Ort der Quelle, mit dem Nullphasenwinkel φ, mit I als Beschreibung der allgemeinen Wellenamplitude, mit I+ als Beschreibung der Wellenamplitude der in positiver z-Richtung und I– als Beschreibung der Wellenamplitude der in negativer z-Richtung laufenden Welle. Im Falle mehrerer Quellen mit den Wellenamplituden In lässt sich die resultierende Wellenamplitude Itotal durch eine Superposition der einzelnen Wellengleichungen beschreiben, es gilt dann The electric or magnetic field of an electromagnetic wave in the circular waveguide, which in the case of the traveling wave magnetic resonance tomograph through the interior of the examination volume ( 13 ) can be realized via its continuous harmonic time dependence with the angular frequency ω and a linear propagation direction along a spatial variable z, along the central central axis of the examination volume ( 13 ) from the head end ( 14 ) to the foot ( 15 ) of the traveling wave magnetic resonance tomograph ( 10 ) is assumed, with the phase constant or the phase dimension β generally describe, where I = I + * exp {j (ωt - β (z - z 0 ) + φ)} + I - * exp {j (ωt + β (z - z 0 ) + φ)} (1) with the location coordinate z 0 as the location of the source, with the zero phase angle φ, with I as a description of the general wave amplitude, with I + as a description of the wave amplitude of the positive z-direction and I - as a description of the wave amplitude of the negative z-direction ongoing wave. In the case of several sources with the wave amplitudes I n , the resulting wave amplitude I total can be described by a superposition of the individual wave equations, it then applies
Das Prinzip der Superposition lässt sich nutzen, um mit Hilfe zweier oder mehrerer Quellen eine unidirektionale Wellenausbreitung zu bewirken. So lassen sich beispielsweise alle in negative z-Richtung laufenden Wellen zu Null addieren, wenn die einzelnen Variablen der jeweiligen Wellenamplituden entsprechend gewählt werden.The principle of superposition can be used to create a unidirectional wave propagation with the help of two or more sources. For example, all waves traveling in the negative z direction can be added to zero if the individual variables of the respective wave amplitudes are selected accordingly.
Zur Erläuterung dieses Phänomens soll ein einfacher überschaubarer Fall mit lediglich zwei Wellenquellen beispielhaft nachfolgend erläutert werden.To explain this phenomenon, a simple manageable case with only two wave sources will be explained below by way of example.
Bei einer Wellenanregung mit zwei Wellenquellen I1 und I2 im seitlichen Quellenabstand d voneinander, also mit einer Wellenquelle I1 bei z = z0 und einer Wellenquelle I2 bei z = z0 + d, sowie einer Phasendifferenz φΔ ergibt sich bei einem ohne Beschränkung der Allgemeinheit zur Vereinfachung angenommenen jeweiligen Nullphasenwinkel φ = 0, jeweils für die hinlaufenden und rücklaufenden Wellenamplituden I+ = I1·exp{j(ωt – β(z – z0))} + I2·exp{j(ωt – β(z – z0 – d) + φΔ)} (3) I– = I1·exp{j(ωt + β(z – z0))} + I2·exp{j(ωt + β(z – z0 – d) + φΔ)} (4) In a wave excitation with two wave sources I 1 and I 2 in the lateral source distance d from each other, ie with a wave source I 1 at z = z 0 and a wave source I 2 at z = z 0 + d, and a phase difference φ Δ results in a without limitation of generality for the sake of simplification assumed respective zero phase angle φ = 0, respectively for the running and returning wave amplitudes I + = I 1 · exp {j (ωt - β (z - z 0 ))} + I 2 · exp {j (ωt - β (z - z 0 - d) + φ Δ )} (3) I - = I 1 * exp {j (ωt + β (z - z 0 ))} + I 2 * exp {j (ωt + β (z - z 0 -d) + φ Δ )} (4)
Für eine angestrebte Auslöschung der Wellenamplituden in negativer z-Richtung, also für I– = 0 ergibt sich somit die Bedingung I1 + I2·exp{j(–βd + φΔ)} = 0 (5) For a desired extinction of the wave amplitudes in the negative z-direction, ie for I - = 0, the condition thus results I 1 + I 2 * exp {j (-βd + φ Δ )} = 0 (5)
Daraus folgt als notwendige Bedingung die Gleichheit der Beträge der jeweiligen Wellenamplituden I1 = I2 (6) und als Bedingung für die Phasendifferenz φΔ = βd + (2n – 1)π (7) wobei n eine natürliche Zahl sein soll, also n ∊ N.It follows as a necessary condition, the equality of the amounts of the respective wave amplitudes I 1 = I 2 (6) and as a condition for the phase difference φ Δ = βd + (2n - 1) π (7) where n is a natural number, that is n ε N.
Für den Betrag der Amplitude der hinlaufenden Welle ergibt sich in diesem Fall |I+| = I1·|1 – exp{jβ2d}| (8) For the magnitude of the amplitude of the outgoing wave results in this case | I + | = I 1 · | 1 - exp {jβ2d} | (8th)
Für den Phasenwinkel der hinlaufenden Welle ergibt sich in diesem Fall φ+ = arg((1 – exp{jβ2d}) + βz0) (9) For the phase angle of the outgoing wave results in this case φ + = arg ((1 - exp {jβ2d}) + βz 0 ) (9)
Für eine maximale Amplitude der vorlaufenden Welle von I+ = 2I1 ergibt sich somit ein optimaler Quellenabstand d von einer viertel Wellenlänge und gemäß Gleichung (7) eine Differenz des Nullphasenwinkels von –90 Grad.Thus, for a maximum amplitude of the leading wave of I + = 2I 1, there results an optimum source pitch d of a quarter wavelength and according to equation (7) a difference of the zero phase angle of -90 degrees.
Diese Werte wurden bereits in der DE 20 2010 003 162 U1 vorgestellten Antennenvorrichtung verwendet. Sie stellen bei globalerer Betrachtung aber lediglich einen speziellen Sonderfall der dar.These values were already in the DE 20 2010 003 162 U1 featured antenna device used. But in a more global view, they are only a special case of the dar.
Für Quellenabstände d, die kleiner sind als eine viertel Wellenlänge, ergeben sich entsprechend reduzierte Werte für die Amplituden der in positiver z-Richtung laufenden Wellen bei gleichbleibender Anregung I1 und I2, d. h. wenn keinerlei Kompensation der Amplituden vorgenommen wird.For source distances d smaller than one-quarter wavelength, correspondingly reduced values result for the amplitudes of the waves traveling in the positive z-direction with constant excitation I 1 and I 2 , ie if no compensation of the amplitudes is undertaken.
Für den Fall einer einfachen unidirektionalen Anregung in negativer z-Richtung ergibt sich dann eine entgegengesetzte Phasendifferenz zu φΔ = (2n + 1)π – βd (10) In the case of a simple unidirectional excitation in the negative z-direction then results in an opposite phase difference φ Δ = (2n + 1) π - βd (10)
Für den Betrag der Amplitude der rücklaufenden Welle ergibt sich in diesem Fall |I–| = I1|1 – exp{–jβ2d}| (11) For the amount of the amplitude of the returning wave results in this case | I - | = I 1 | 1 - exp {-jβ2d} | (11)
Für den Phasenwinkel der rücklaufenden Welle ergibt sich in diesem Fall φ– = arg((1 – exp{–jβ2d}) – βz0) (12) For the phase angle of the returning wave results in this case φ - = arg ((1 - exp {-jβ2d}) - βz 0 ) (12)
Die 15 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung. Zunächst wird beispielhaft für eine prinzipiell beliebige Anzahl von Wechselwirkungselementen eine Kombination von drei Metaleitungswechselwirkungsringen (27) behandelt. Ein erster Metaleitungswechselwirkungsring (27) besitzt den Durchmesser (114) und der zweite Metaleitungswechselwirkungsring (27) besitzt den Durchmesser (115). Beide Metaleitungswechselwirkungsringe (27) haben voneinander den Abstand (112). Ein dritter Metaleitungswechselwirkungsring (27) besitzt den Durchmesser (116) und hat den Abstand (113) vom zweiten Metaleitungswechselwirkungsring (27). Es ist zweckmäßig, die jeweiligen Durchmesser (114), (115) und (116) gleichgroß und so zu wählen, dass die jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) genau in das Untersuchungsvolumen passen. Es soll an dieser Stelle jedoch erwähnt werden, das es prinzipiell durchaus möglich ist, die jeweiligen Durchmesser je nach Anwendungsfall zu variieren, wenn dies zweckmäßig ist. Das Besondere ist jedoch, dass der jeweilige Abstand zwischen den Metaleitungswechselwirkungsringen (27), im beispielhaften Fall hier sind das die Abstände (112) und (113), völlig beliebig gewählt werden können und keineswegs irgendwelche vielfachen einer Wellenlänge sein müssen.The 15 shows a schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a meta-MRT antenna device. First of all, a combination of three metal-conduction interaction rings is shown by way of example for an arbitrary number of interaction elements in principle ( 27 ). A first metal line interaction ring ( 27 ) has the diameter ( 114 ) and the second metal line interaction ring ( 27 ) has the diameter ( 115 ). Both metal oxide interaction rings ( 27 ) have the distance from each other ( 112 ). A third metal line interaction ring ( 27 ) has the diameter ( 116 ) and has the distance ( 113 ) from the second metal line interaction ring ( 27 ). It is appropriate to specify the respective diameters ( 114 ) 115 ) and ( 116 ) of equal size and to be chosen such that the respective metal-conducting interaction rings ( 27 ) fit exactly into the examination volume. However, it should be mentioned at this point that it is in principle quite possible to vary the respective diameters depending on the application, if appropriate. The special feature, however, is that the respective distance between the metal line interaction rings ( 27 ), in the exemplary case here are the distances ( 112 ) and ( 113 ), can be chosen completely arbitrarily and by no means have to be any multiple of a wavelength.
Weiterhin können die zum Aufbau der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendeten jeweiligen Metaleitungen derartig synthetisch gestaltet sein, dass sie gleichzeitig mehrere Wellenzahlen besitzen und damit für mehrere Larmorfrequenzen, entsprechend unterschiedlicher zu untersuchender chemischer Elemente im Gewebe, als multiresonante Metaleitungswechselwirkungsringe (27) in resonante Wechselwirkung zu den jeweiligen elektromagnetischen Echosignalsequenzen bei unterschiedlichen Larmorfrequenzen gebracht werden können. Die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) sind also prinzipiell multibandfähig. Dabei werden dann die jeweiligen Durchmesser so gewählt, dass die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) in elektrisch wirksamer Hinsicht mit der jeweiligen Wellenlänge oder mit einem Vielfachen der jeweiligen Wellenlänge der jeweils interessierenden Larmorfrequenz übereinstimmen und daher als multiresonante interferierend wirkende Wechselwirkungselemente der Antennenvorrichtung entweder in einfacher oder in mehrfacher Vollwellenresonanz zu mehreren Larmorfrequenzen betrieben werden können.Furthermore, for the construction of the metal line interaction rings ( 27 ) are synthetically designed so that they have several wavenumbers at the same time and thus for several Larmor frequencies, corresponding to different chemical elements to be examined in the tissue, as multiresonant metal-ion interaction rings ( 27 ) can be brought into resonant interaction with the respective electromagnetic echo signal sequences at different Larmor frequencies. The metal line interaction rings ( 27 ) are therefore in principle multiband-capable. In this case, the respective diameters are selected so that the metal line interaction rings ( 27 ) in electrically effective terms with the respective wavelength or with a multiple of the respective wavelength of the Larmorfrequenz of interest and therefore can be operated as multi-resonant interfering interaction elements of the antenna device either in single or multiple full-wave resonance at several Larmorfrequenzen.
Die 16 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer langgestreckten Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit geringem räumlichen Auflösungsvermögen.The 16 FIG. 11 shows another schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of an elongated meta-MRI antenna device with low spatial resolution.
Die 17 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen. The 17 FIG. 12 shows another schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a short meta-MRI antenna device with high spatial resolution.
Das jeweilige räumliche Auflösungsvermögen hängt unmittelbar mit dem physikalischen Abstand der Wechselwirkungselemente von einander ab. Bei geringerem Abstand ist das räumliche Auflösungsvermögen höher, bei größerem Abstand ist das räumliche Auflösungsvermögen geringer.The respective spatial resolution depends directly on the physical distance of the interaction elements from each other. At a smaller distance, the spatial resolution is higher, at a greater distance, the spatial resolution is lower.
Als optimale Version einer erfindungsgemäßen Meta-MRT-Antennenvorrichtung kann die Kombination aus einer maximalen Anzahl von einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) angesehen werden, wobei diese Anzahl nur durch die endliche Länge des zylinderförmigen Untersuchungsvolumens beschränkt wird. Dies führt sowohl zu einer sehr hohen räumlichen Auflösung und erweitert gleichzeitig den theoretisch nutzbaren FOV auf die gesamte Länge des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen bzw. auf die gesamte Länge von dessen Untersuchungsvolumen (13). Die 18 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen aus Metaleitungswechselwirkungsringen (27) zum modularen Aufbau einer vollständigen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen. Durch den sehr geringen seitlichen Abstand der einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) zueinander ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur gezielten, patientenabhängig angepassten lokalen Feldformung, die nachfolgend erläutert wird.As an optimal version of a meta-MRT antenna device according to the invention, the combination of a maximum number of individual metal line interaction rings ( 27 ), this number being limited only by the finite length of the cylindrical examination volume. This leads both to a very high spatial resolution and simultaneously expands the theoretically usable FOV to the entire length of the traveling-wave magnetic resonance tomograph or to the entire length of its examination volume ( 13 ). The 18 FIG. 2 shows a schematic representation of such an exemplary combination of interaction elements of metal-ion interaction rings (FIG. 27 ) to the modular design of a complete meta-MRI antenna device with high spatial resolution. Due to the very small lateral spacing of the individual metal line interaction rings ( 27 ) to each other, there are a variety of options for targeted, patient-dependent adapted local field shaping, which will be explained below.
Die 19 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung, zusammen mit der typischen Position eines zu untersuchenden Patienten. Dabei sind sowohl die einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) als auch der Patient zunächst nur symbolisch skizziert. Die 20 zeigt zur Erläuterung der Erfindung einige erfindungsgemäße zusätzliche elektronische Komponenten zum bestimmungsgemäßen Betrieb der Meta-MRT-Antennenvorrichtung.The 19 shows a schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a meta-MRI antenna device, together with the typical position of a patient to be examined. In this case, both the individual metal line interaction rings ( 27 ) as well as the patient initially only symbolically sketched. The 20 to illustrate the invention some additional electronic components according to the invention for the intended operation of the meta-MRT antenna device.
Wenn also der Patient (17) mit Hilfe des Transportschlittens (16) in das Untersuchungsvolumen (13) eingebracht worden ist, dann ist er etwa wie in 19 dargestellt positioniert.So if the patient ( 17 ) by means of the transport carriage ( 16 ) into the examination volume ( 13 ), then it is about as in 19 positioned.
Da unterschiedliche Patienten in der Regel auch unterschiedlich groß sind, unterschiedlich schwer sind und unterschiedlich geformt sind, werden zunächst mit Hilfe der Meta-MRT-Antennenvorrichtung die individuellen charakteristischen Daten des jeweiligen Patienten (17) erfasst und in einer Datenbank der Speichereinheit (30) abgespeichert. Dazu werden nach und nach alle Metaleitungswechselwirkungsringe (27) aufeinanderfolgend nacheinander beispielsweise mit einem standardisierten Testsignal, d. h. beispielsweise mit jeweils gleicher Amplitude und gleichem Nullphasenwinkel oder anderen gleichen charakteristischen Werten, betrieben, wodurch zunächst beispielsweise ein bidirektionales Wanderwellendrehfeld vom Ort des jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringes (27) ausgehend im Untersuchungsvolumen (13) angeregt wird und nach beiden Seiten hin, das heißt, sowohl zum Kopfende (14) als auch zum Fußende (15) hin, abgestrahlt wird.Since different patients usually have different sizes, are of different weights and have different shapes, the individual characteristic data of the respective patient are first of all (with the aid of the meta-MRT antenna device ( 17 ) and stored in a database of the storage unit ( 30 ) stored. For this purpose, all metal oxide interaction rings ( 27 ) successively successively, for example, with a standardized test signal, ie, for example, each with the same amplitude and the same zero phase angle or other identical characteristic values operated, whereby first, for example, a bidirectional traveling wave rotating field from the location of the respective metal line interaction ring ( 27 ) starting in the examination volume ( 13 ) is excited and towards both sides, that is, both to the head ( 14 ) as well as the foot 15 ), is emitted.
Dieses so erzeugte, vom Ort des jeweils aktivierten Metaleitungswechselwirkungsringes (27) ausgehende, Testfeld wird dann durch den Patienten, je nach Habitus, individuell bedämpft oder im Vergleich zum leeren Untersuchungsvolumen (13) charakteristisch verzerrt. Alle restlichen, jeweils nicht als Sendeantenne verwendeten Metaleitungswechselwirkungsringe (27) dienen bei diesem Kalibriervorgang, wegen der vollständigen Reziprozität ihrer charakteristischen Eigenschaften als Wechselwirkungselemente mit dem elektromagnetischen Feld innerhalb des Untersuchungsvolumens (13), als lokale Empfangsantennen und liefern ihre empfangenen, von den charakteristischen Dämpfungseigenschaften des jeweiligen Patienten geformten, lokal unterschiedlichen Signalamplituden und Phasenlagen über das gesteuerte Speisenetzwerk (34) zur Empfangseinheit (28), anschließend werden die Daten in der Speichereinheit (30) abgelegt und zur weiteren Verarbeitung und Auswertung an die Steuerungseinheit (33) der Meta-MRT-Antennenvorrichtung weiter geleitet.This thus generated, from the location of each activated metal line interaction ring ( 27 ), the test field is then individually attenuated by the patient, depending on the habitus, or compared to the empty examination volume ( 13 ) characteristically distorted. All remaining metal-ion interaction rings (not used as transmitting antenna) 27 ) serve in this calibration process, because of the complete reciprocity of their characteristic properties as interaction elements with the electromagnetic field within the examination volume ( 13 ), as local receive antennas and deliver their received, formed by the characteristic attenuation characteristics of the respective patient, locally different signal amplitudes and phase angles via the controlled feed network ( 34 ) to the receiving unit ( 28 ), then the data in the memory unit ( 30 ) and for further processing and evaluation to the control unit ( 33 ) of the meta-MRT antenna device.
Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis sämtliche Metaleitungswechselwirkungsringe (27) wenigstens einmal ein standardisiertes Testsignal abgestrahlt haben. Auf diese Weise werden alle vom Patienten (17) im Untersuchungsvolumen (13) verursachten Reflexionen und Dämpfungen erfasst. Dadurch kann dann das mit dem Patienten (17) elektrisch belastete Untersuchungsvolumen (13) individuell kalibriert werden.This process is repeated until all metal oxide interaction rings ( 27 ) have emitted at least once a standardized test signal. In this way, all of the patients ( 17 ) in the examination volume ( 13 ) detected reflections and attenuations. This can then be done with the patient ( 17 ) electrically loaded examination volumes ( 13 ) are calibrated individually.
Es werden also im Verlauf des Untersuchungsvolumens (13) die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) in der beispielhaft beschriebenen Art und Weise dazu verwendet, um benötigte Informationen wie beispielsweise die lokalen Dämpfungen, verursacht durch die Absorption von Feldenergie durch das jeweils zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) im Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10), aus den dort jeweils lokal empfangenen Werten für die Feldenergie zu ermitteln.In the course of the study volume ( 13 ) the metal-ion interaction rings ( 27 ) is used in the manner described by way of example to obtain required information such as, for example, the local attenuation caused by the absorption of field energy by the respective tissue to be examined or by the patient ( 17 ) in the examination volume ( 13 ) of the traveling wave Magnetic resonance tomographs ( 10 ), from the locally received values for the field energy.
Dazu veranlasst die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung die Sendeeinheit (29) der Antennenvorrichtung, eine hinsichtlich der Amplitude stets gleichgroße hochfrequente Kalibrierstromstärke temporär zu erzeugen, wobei die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung das gesteuerte Speisenetzwerk (34) der Antennenvorrichtung veranlasst, nacheinander stets einen einzigen Metaleitungswechselwirkungsring (27) mit dieser hochfrequenten Kalibrierstromstärke zu speisen und dadurch am jeweiligen Ort des Metaleitungswechselwirkungsringes (27) eine nach allen Seiten hin abklingende Feldstärke zu erzeugen.For this purpose, the control unit ( 33 ) of the antenna device, the transmitting unit ( 29 ) of the antenna device to temporarily generate a high-frequency calibration current that is always the same size in terms of amplitude, wherein the control unit ( 33 ) of the antenna device the controlled feed network ( 34 ) of the antenna device causes, one after the other, always a single metal line interaction ring ( 27 ) with this high-frequency calibration current and thereby at the respective location of the metal line interaction ring ( 27 ) to produce a decaying field strength on all sides.
Dabei veranlasst die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung gleichzeitig das gesteuerte Speisenetzwerk (34) der Antennenvorrichtung, die von allen übrigen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) im Untersuchungsvolumen (13) individuell zugeordneten empfangenen Signalfeldstärkewerte mit Hilfe der Empfangseinheit (28) der Speichereinheit (30) zuzuführen, wo diese Informationen abgespeichert werden, wodurch nach Ablauf der sukzessiven temporären Speisung sämtlicher Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) aus den in der Speichereinheit (30) abgelegten Daten ein von dem jeweils zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) im Untersuchungsvolumen (13) verursachtes individuelles Dämpfungsprofil erstellt wird.In doing so, the control unit ( 33 ) of the antenna device at the same time the controlled feed network ( 34 ) of the antenna device separated from all other metal line interaction rings ( 27 ) in the examination volume ( 13 ) individually assigned received signal field strength values by means of the receiving unit ( 28 ) of the storage unit ( 30 ), where this information is stored, whereby after expiry of the successive temporary supply of all metal line interaction rings ( 27 ) in the examination volume ( 13 ) from those in the storage unit ( 30 ) stored data from the respective tissue to be examined or by the patient ( 17 ) in the examination volume ( 13 ) created individual damping profile is created.
Dabei dienen die so ermittelten Dämpfungswerte in ausgewerteter Form dann als Steuergrößen für die Speisesender und die Ansteuerung der Metaleitungswechselwirkungsringe (27), wobei die Steuereinheit (33) aus dem Dämpfungsprofil die zur Kompensation dieser lokalen Felddämpfungswerte erforderlichen Amplituden und Nullphasenwinkel der von der Sendeeinheit (29) zu erzeugenden hochfrequenten Speiseströme ermittelt und vorgibt und diese dann den einzelnen Wellentoren der jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) zuordnet und mit Hilfe des gesteuerten Speisenetzwerkes (34) zuführt, wobei der Verlauf der Feldstärke im Untersuchungsvolumen (13) dadurch so eingestellt werden kann, dass die Dämpfung durch das zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) kompensiert wird und beispielweise ein nahezu gleichförmiger Verlauf der Amplitude der magnetischen Feldstärke über den gesamten zu erfassenden Bereich des Untersuchungsvolumens (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) gewährleistet ist, wobei ein individuelles lokales Profil des Feldstärke dergestalt erzeugt werden kann, dass der zu untersuchende Bereich des Patienten mit einer gleichmäßig starken Feldstärke versorgt werden kann und die Feldstärke im Untersuchungsvolumen vor und hinter diesem zu untersuchenden Bereich reduziert oder ausgelöscht werden kann.The thus determined attenuation values in evaluated form then serve as control variables for the feeders and the activation of the metal line interaction rings ( 27 ), the control unit ( 33 ) from the attenuation profile, the amplitudes and the zero phase angle required by the transmission unit for compensating these local field attenuation values ( 29 ) determines and predetermines high frequency supply currents to be generated and these are then applied to the individual shaft gates of the respective metal line interaction rings ( 27 ) and with the help of the controlled feed network ( 34 ), wherein the course of the field strength in the examination volume ( 13 ) can be adjusted so that the attenuation by the tissue to be examined or by the patient ( 17 ) and, for example, a nearly uniform course of the amplitude of the magnetic field strength over the entire region of the examination volume to be detected ( 13 ) of the traveling wave magnetic resonance tomograph ( 10 ), wherein an individual local profile of the field strength can be generated in such a way that the area of the patient to be examined can be supplied with a uniformly strong field strength and the field strength in the examination volume in front of and behind this area to be examined can be reduced or extinguished.
Dabei kann beispielsweise eine gleichmäßig starke Feldstärke durch die Kompensation von Reflexionen und Dämpfungen, die vom zu untersuchenden Gewebe oder Patienten (17) verursacht werden, mit Hilfe entsprechend von der Steuereinheit (33) veranlassten Amplituden, Nullphasenwinkel der Speiseströme sowie die jeweiligen Wellentore in den jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) gezielt eingestellt werden.In this case, for example, a uniformly strong field strength by the compensation of reflections and attenuation of the tissue or patient to be examined ( 17 ), with the aid of the control unit ( 33 ) induced amplitudes, zero phase angle of the supply currents as well as the respective shaft gates in the respective metal line interaction rings ( 27 ) are targeted.
Die 21 zeigt zur Erläuterung der Erfindung schematisch einen beispielhaften Verlauf eines zu generierenden lokalen Feldstärke-Profils im Untersuchungsvolumen in Abhängigkeit von der Position des Patienten. Dazu werden die jeweiligen Wellenfelder so überlagert, dass eine nennenswerte Amplitude des Wanderwellenfeldes nur im Bereich des Patienten (17) existiert. Der Kopfbereich wird in dem hier gezeigten schematischen Beispiel mit einer reduzierten Wellenamplitude, der Bereich vom Hals bis zur Hüfte wird mit einer hohen Wellenamplitude und der Bereich der Beine mit einer etwas reduzierten Wellenamplitude versehen.The 21 To illustrate the invention, schematically shows an exemplary course of a local field strength profile to be generated in the examination volume as a function of the position of the patient. For this purpose, the respective wave fields are superimposed so that a significant amplitude of the traveling wave field only in the area of the patient ( 17 ) exists. The head region is provided with a reduced wave amplitude in the schematic example shown here, the region from the neck to the hip is provided with a high wave amplitude and the region of the legs with a somewhat reduced wave amplitude.
Alternativ können selbstverständlich auch ein Leistungsprofil des Wanderwellenfeldes oder das Profil der spezifischen Absorptionsrate (SAR) völlig analog dazu betrachtet bzw. gezielt eingestellt werden.Alternatively, of course, a power profile of the traveling wave field or the profile of the specific absorption rate (SAR) can also be considered or adjusted in a completely analogous manner.
Um diese hier beispielhaft gewählten Amplitudenprofile im Untersuchungsvolumen (13) gezielt einstellen zu können, müssen insbesondere die elektromagnetischen Verhältnisse an Diskontinuitäten betrachtet werden. So bildet beispielsweise der Übergang vom Bereich des Halse hin zum Thorax für eine Wanderwelle eine sogenannte Stoßstelle bei der es zu Reflexionen kommt, und nur noch ein Teil der ursprüngliche Energie weiter in die ursprüngliche Richtung transportiert wird.In order to determine these amplitude profiles, which are selected here by way of example, in the examination volume ( 13 ) to be able to adjust specifically, in particular the electromagnetic relationships at discontinuities must be considered. Thus, for example, the transition from the region of the neck to the thorax for a traveling wave forms a so-called joint at which reflections occur, and only a part of the original energy is transported further in the original direction.
Die 22 zeigt zur Erläuterung sowohl der Reflexionskompensation als auch der Transmissionskompensation beispielhaft eine typische lokale durch den Patienten bedingte Stoßstelle, die sowohl eine Reflexion als auch eine Dämpfung der fortschreitenden Welle bewirkt.The 22 By way of example, in order to explain both the reflection compensation and the transmission compensation, FIG. 2 shows, by way of example, a typical local patient-caused abutment which causes both reflection and attenuation of the advancing wave.
Eine allgemeine vereinfachte Betrachtung vermag den Sachverhalt zu erläutern.A general simplified view can explain the facts.
Wenn eine elektromagnetische Welle auf eine Grenzschicht von Medium 1 mit der Permittivitätszahl ε1 zu Medium 2 mit der Permittivitätszahl ε2 trifft, gibt es entsprechend dem Unterschied der Wellenimpedanz der beiden Medien eine Reflexion R mit mit einer Quelle im Medium 1 an der Stelle z = 0. If an electromagnetic wave strikes a boundary layer of medium 1 having the permittivity number ε 1 to medium 2 having the permittivity number ε 2 , there is a reflection R corresponding to the difference in the wave impedance of the two media with a source in medium 1 at the location z = 0.
Für das elektrische Feld EM1 einer Welle im Medium 1 und für das elektrische Feld EM2 einer Welle im Medium 2 bei einer dielektrischen Grenzschicht am Ort z = a ergibt sich somit ohne Beschränkung der Allgemeinheit für einen Nullphasenwinkel φ0 = 0 und einer normierten Feldamplitude E0: EM1 = E0(exp{j(–β1z)} + R·exp{j(–2β1a)}exp{j(β1z)}) (14) EM2 = E0·(1 + R)·exp{j(–β1a)}·exp{j(–β2(z – a))} (15) For the electric field E M1 of a wave in the medium 1 and for the electric field E M2 of a wave in the medium 2 at a dielectric boundary layer at the location z = a, this results in a zero phase angle φ 0 = 0 and a normalized field amplitude without limiting the generality E 0 : E M1 = E 0 (exp {j (-β 1 z)} + R * exp {j (-2β 1 a)} exp {j (β 1 z)}) (14) E M2 = E 0 * (1 + R) * exp {j (-β 1 a)} * exp {j (-β 2 (z-a))} (15)
Es können nun zwei weitere Quellen, als Reflexions-Kompensations-Quellen oder abgekürzt sogenannte RK-Quellen, im Medium 1 mit einer unidirektionalen Anregung in negativer z-Richtung mit entsprechender Amplitude und Phasenlage verwendet werden, um die dann ebenfalls in negativer z-Richtung laufenden Reflexionen gemäß Gleichung (14) zu kompensieren. Dazu werden zweckmäßigerweise zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) der Meta-MRT-Antennenvorrichtung gewählt, die der dielektrischen Grenzschicht unmittelbar benachbart sind und sich in Bezug auf dieses hier behandelte Beispiel seitlich neben der Grenzschicht im Medium 1 befinden. Durch die beiden RK-Quellen unmittelbar vor der Material-Grenzschicht wird der Stehwellenanteil im Medium 1 kompensiert. Lediglich im seitlichen Übergangsbereich in longitudinaler Richtung, zwischen den beiden RK-Quellen einerseits und der Grenzschicht andererseits, kann nach der so durchgeführten Reflexionsunterdrückung noch ein begrenzter Bereich mit einer stehenden Welle mit einer leicht erhöhten Amplitude existieren. Ansonsten sind die Amplitudenverläufe entlang der Ausbreitungsrichtung nach der Kompensation für alle Bereiche konstant, die sich ursprünglich ohne RK-Quellen ergebenden Amplitudenverläufe hingegen wiesen ursprünglich die für Reflexionsereignisse typischen starken ortsabhängigen Welligkeiten und periodischen Schwankungen im Wert der Amplitude auf.It is now possible to use two further sources, as reflection compensation sources or abbreviated so-called RK sources, in the medium 1 with a unidirectional excitation in the negative z direction with the corresponding amplitude and phase position, in order to then also run in the negative z direction To compensate reflections according to equation (14). For this purpose, two metal oxide interaction rings ( 27 ) of the meta-MRT antenna device which are immediately adjacent to the dielectric barrier layer and located laterally adjacent to the interface in the medium 1 with respect to this example discussed herein. By the two RK sources immediately before the material boundary layer of the standing wave component in the medium 1 is compensated. Only in the lateral transition region in the longitudinal direction, between the two RC sources on the one hand and the boundary layer on the other hand, after the thus carried out reflection suppression, a limited area with a standing wave with a slightly increased amplitude exist. Otherwise, the amplitude profiles along the direction of propagation after compensation are constant for all regions, but the amplitude curves originally resulting without RK sources originally had the strong position-dependent ripples typical for reflection events and periodic fluctuations in the value of the amplitude.
Ist die Permittivitätszahl ε1 kleiner als die Permittivitätszahl ε2, so ergibt sich gemäß Gleichung (15) eine Verringerung der Feldstärke im Medium 2 durch die Reflexion, wodurch sich die Wellenamplitude verringert. Es findet an der Grenzschicht somit neben der Reflexion gleichzeitig auch eine Transmissionsdämpfung statt. Diese kann jedoch ebenfalls weitgehend problemlos kompensiert werden. Dazu sind dann weitere Transmissions-Kompensations-Quellen, oder abgekürzt sogenannte TK-Quellen, notwendig.If the permittivity number ε 1 is smaller than the permittivity number ε 2 , according to equation (15), the field strength in the medium 2 is reduced by the reflection, which reduces the wave amplitude. At the boundary layer, therefore, not only reflection but also a transmission attenuation take place at the same time. However, this can also be compensated largely without problems. For this purpose, further transmission compensation sources, or abbreviated so-called TK sources, are necessary.
Dazu bedarf es jedoch keiner weiteren, zusätzlichen Metaleitungswechselwirkungsringe (27). Vielmehr kann eine Anhebung auf den ursprünglichen Wert der Wellenamplitude im Medium 2 dann gleichzeitig mit denselben beiden Metaleitungswechselwirkungsringen (27) der Meta-MRT-Antennenvorrichtung vorgenommen werden, die bereits als RK-Quellen für die Reflexionskompensation verwendet werden.However, this requires no further, additional metal line interaction rings ( 27 ). Rather, an increase to the original value of the wave amplitude in the medium 2 then simultaneously with the same two metal line interaction rings ( 27 ) of the meta-MRT antenna device already used as RK sources for reflection compensation.
Dazu werden die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) noch zusätzlich zu der in negativer z-Richtung laufender, in dem Beispiel also nach links laufender Anregung, mit einer davon unabhängigen zusätzlichen Anregung versehen, die eine unidirektionale Wellenausbreitung in positiver z-Richtung, also in dem Beispiel nach rechts von der Grenzschichtstelle aus gesehen, bewirkt.For this purpose, the metal-ion interaction rings ( 27 ) in addition to the in the negative z-direction running, in the example thus to the left running excitation, provided with an independent additional excitation, which is a unidirectional wave propagation in the positive z-direction, ie seen in the example to the right of the interface layer point , causes.
Es werden also vier überlagerte Steuersignale zur Anregung von Wanderwellen unterschiedlich direktionaler Ausbreitungsrichtung gleichzeitig in die jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) überlagert und eingespeist, die von ihrer Bauform her mit ihren vier Wellentoren dafür in hervorragender Weise geschaffen sind.Thus, four superimposed control signals for excitation of traveling waves of different directional propagation direction simultaneously into the respective metal line interaction rings ( 27 ) superimposed and fed, which are created by their design ago with their four Wellentoren for excellent in this way.
Die zur Anregung für eine vollständige Kompensation von Reflexion und Transmission der zur interferierenden Überlagerung benötigten Wanderwellen jeweils erforderlichen elektrischen Feldstärken der jeweiligen Felder, hängen sowohl vom seitlichen Quellenabstand d der beiden dazu verwendeten Wellenquellen ab, welcher in der Regel der Abstand zwischen zwei Metaleitungswechselwirkungsringen (27) ist, der in einer optimal dicht gepackten Meta-MRT-Antennenvorrichtung typischerweise nur einige Millimeter beträgt, als auch vom Zahlenwert der jeweiligen unterschiedlichen Permittivitätszahlen ε1 und ε2 in den verschiedenen dielektrischen Medien, die dadurch ja gerade die gemäß Gleichung (13) zu berechnende, störende Reflexion R bewirken und lassen sich relativ einfach bestimmen.The excitation required for complete compensation of reflection and transmission of the traveling waves required for the interfering superimposition respectively required electric field strengths of the respective fields, both depend on the lateral source distance d of the two wave sources used for this, which is usually the distance between two Metaleitungswirkwirkungsringen ( 27 ), which is typically only a few millimeters in an optimally densely packed meta-MRT antenna device, as well as the numerical value of the respective different permittivity numbers ε 1 and ε 2 in the various Dielectric media, which thus just cause according to equation (13) to be calculated, disturbing reflection R and can be relatively easily determined.
Für die Transmissions-Kompensation (TK) für eine Stoßstelle am Ort z = zTK werden zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet, welche sich beide vor der Grenzschicht im Medium 1 befinden sollen. Dabei befindet sich der erste Metaleitungswechselwirkungsring (27) am Ort z = zTK und der zweite Metaleitungswechselwirkungsring (27) befindet sich am Ort z = zTK + d, wobei für den Ort der Grenzschicht bei z = a die Nebenbedingung zTK + d < a gelten soll.For the transmission compensation (TK) for a joint at the location z = z TK , two metal-conduction interaction rings ( 27 ), which should both be located in front of the boundary layer in the medium 1. This is the first metal line interaction ring ( 27 ) at location z = z TK and the second metal line interaction ring ( 27 ) is located at the location z = z TK + d, where for the location of the boundary layer at z = a the constraint z TK + d <a is valid.
Für die Amplitude der Quelle 1 gilt dann: mit der zugehörigen Phasenverschiebung φTK1 = –[arg(1 – exp{jβ12d}) + β1·zTK] (17) For the amplitude of source 1 then: with the associated phase shift φ TK1 = - [arg (1-exp {jβ 1 2d}) + β 1 * z TK ] (17)
Für die Amplitude der Quelle 2 gilt dann: mit der zugehörigen Phasenverschiebung φTK2 = –[arg(1 – exp{jβ12d}) + β1·zTK] + β1·d – (2n – 1)π (19) For the amplitude of source 2 then: with the associated phase shift φ TK2 = - [arg (1-exp {jβ 1 2d}) + β 1 * z TK ] + β 1 · d - (2n-1) π (19)
Für die Reflexions-Kompensation (RK) für eine Stoßstelle am Ort z = a werden zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet, welche sich beide vor der Grenzschicht im Medium 1 befinden sollen. Dabei befindet sich der erste Metaleitungswechselwirkungsring (27) am Ort z = zRK und der zweite Metaleitungswechselwirkungsring (27) befindet sich am Ort z = zRK + d, wobei für den Ort der Grenzschicht bei z = a die Nebenbedingung zRK + d < a gelten soll.For the reflection compensation (RK) for a joint at location z = a, two metal-conduction interaction rings ( 27 ), which should both be located in front of the boundary layer in the medium 1. This is the first metal line interaction ring ( 27 ) at location z = z RK and the second metal line interaction ring ( 27 ) is located at the location z = z RK + d, where for the location of the boundary layer at z = a, the constraint z RK + d <a should apply.
Dabei ist es in der Praxis sinnvoll, wenn sowohl für die Reflexionskompensation als auch für die Transmissionskompensation die selben Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet werden. Damit werden die jeweiligen Orte für die Wellenanregung identisch, also gilt dann zRK = zTK.In practice, it makes sense to use the same metal-conduction interaction rings for both the reflection compensation and for the transmission compensation ( 27 ) be used. Thus, the respective locations for the wave excitation become identical, so then z RK = z TK .
Für die Amplitude der Quelle 1 gilt: mit der zugehörigen Phasenverschiebung φRK1 = –[arg(1 – exp{–jβ12d}) – β1zRK] – β1·2a + (2n – 1)π (21) For the amplitude of source 1: with the associated phase shift φ = RK1 - [arg (1 - exp {-jβ 2d 1}) - β 1 z RK] - β 1 · 2 + (2n - 1) π (21)
Für die Amplitude der Quelle 2 gilt: mit der zugehörigen Phasenverschiebung φRK2 = –[arg (1 – exp{–jβ12d}) – β1zRK] – β1(2a + d) (23) For the amplitude of source 2: with the associated phase shift RK2 φ = - [arg (1 - exp {-jβ 2d 1}) - β 1 z RK] - β 1 (2a + d) (23)
Erfüllen die anregenden Felder die oben genannten Bedingungen, so verhält sich der Verlauf der Amplitude der Wanderwelle längs der z-Richtung innerhalb des Untersuchungsvolumens (13) durch die kompensierende Superposition der Wellenamplituden weitestgehend so, als würde keinerlei dielektrische Stoßstelle existieren. If the exciting fields satisfy the above-mentioned conditions, the course of the amplitude of the traveling wave along the z-direction within the examination volume ( 13 ) by the compensating superposition of the wave amplitudes as far as possible, as if no dielectric joint exist.
Neben der Kompensation durch Störstellen bedingter Feldstärkeänderungen sind auf analoge Art und Weise auch gezielt beliebig einstellbare Formungen des longitudinalen Amplitudenverlaufes der Wanderwelle im Untersuchungsvolumen (13) möglich. So lässt sich beispielsweise durch direktes Profilieren des longitudinalen Amplitudenverlaufes der jeweilige nutzbare FOV des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) entweder im Prinzip bei Bedarf auf das gesamte Untersuchungsvolumen (13) ausweiten oder auf einen vorgegebenen kleineren Bereich konzentrieren, wobei dieser kleinere Bereich des nutzbaren FOV dann auch noch zu jedem Ort innerhalb des Untersuchungsvolumens durch eine entsprechende Wahl der Steuersignale elektronisch verschoben werden kann.In addition to the compensation of field strength changes caused by defects, it is also possible in an analogous manner to selectively shape the longitudinal amplitude characteristic of the traveling wave in the examination volume (FIG. 13 ) possible. For example, by direct profiling of the longitudinal amplitude curve, the respective usable FOV of the traveling wave magnetic resonance tomograph ( 10 ) in principle, if necessary, to the total volume of research ( 13 ) or focus on a predetermined smaller area, whereby this smaller area of the usable FOV can then also be moved electronically to any location within the examination volume by an appropriate selection of the control signals.
Dadurch lassen sich für unterschiedliche Anwendungsfälle die jeweils optimalen Bedingungen an beliebig elektronisch einstellbar wählbaren Orten im Untersuchungsvolumen (13) für die Untersuchung des Patienten (17) schaffen.This makes it possible for different applications, the optimal conditions at any electronically adjustable selectable locations in the study volume ( 13 ) for the examination of the patient ( 17 ) create.
Durch die universelle Gestaltung der einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) der Meta-MRT-Antennenvorrichtung sind die durch die Wechselwirkung dieser Antennen mit den Feldern im Untersuchungsvolumen (13) zu erzeugenden hochfrequenten elektromagnetischen B1-Felder keineswegs lediglich auf die Generierung von Wanderwellen mit einer TE11-Feldstruktur beschränkt.Due to the universal design of the individual metal line interaction rings ( 27 ) of the meta-MRT antenna device are those caused by the interaction of these antennas with the fields in the examination volume ( 13 ) to be generated high-frequency electromagnetic B 1 fields by no means limited only to the generation of traveling waves with a TE 11 field structure.
Obwohl, für Hochfeld-Magnetresonanztomographen mit magnetischen Flussdichten der statischen B0-Felder von 7 Tesla und mehr, die zirkular polarisierten Wanderwellen als Rundhohlleitermoden, mit einer TE11-Feldstruktur und mit über den gesamten Verlauf des Untersuchungsvolumens (13) gleichmäßig starken Wellenamplituden, die derzeit optimale Anregung für B1-Felder zur Erzeugung eines möglichst weit ausgedehnten nutzbaren FOV darstellen, sind für zahlreiche Anwendungsfälle weniger anspruchsvolle apparative Einrichtungen, als eine vollständig ausgebaute, sich über den gesamten Verlauf des Bereichs des Untersuchungsvolumens (13) hinweg erstreckende, hochauflösende Meta-MRT-Antennenvorrichtung, sinnvoll.Although, for high field magnetic resonance imaging with magnetic flux densities of static B 0 fields of 7 Tesla and more, the circularly polarized traveling waves as circular waveguide modes, with a TE 11 field structure and with over the entire course of the study volume ( 13 ) uniformly strong wave amplitudes, which presently represent optimum excitation for B 1 fields for generating the widest possible usable FOV, are, for many applications, less sophisticated equipment than a fully developed one over the entire course of the range of the examination volume ( 13 ), high-resolution meta-MRT antenna device makes sense.
In solchen Fallen und wenn der zu untersuchende Gewebebereich nicht allzu groß ist, können stark verkürzte Meta-MRT-Antennenvorrichtung verwendet werden, die jeweils aus nur wenigen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) aufgebaut sind.In such cases, and if the tissue area to be examined is not too large, highly shortened meta-MRI antenna devices may be used, each consisting of only a few metal line interaction rings ( 27 ) are constructed.
Es können prinzipiell, neben jeglichen Formen von technisch sinnvollen Wanderwellenfeldern, unter Berücksichtigung der Randbedingungen für die jeweiligen physikalischen Grenzfrequenzen dieser Felder, in dem vom Untersuchungsvolumen (13) gebildeten Rundhohlleiter jederzeit auch alle bekannten und derzeit in Magnetresonanztomographen benutzten stehenden Wellenfelder mit Hilfe der Meta-MRT-Antennenvorrichtung erzeugt werden, insbesondere auch dann noch, wenn diese aus nur zwei Metaleitungswechselwirkungsringen (27) aufgebaut ist, was gleichzeitig die minimale Anforderung für eine Meta-MRT-Antennenvorrichtung darstellt. So kann, selbst für herkömmliche Magnetresonanztomographen mit geringen magnetischen Flussdichten von beispielsweise 1,5 Tesla, der Einsatz einer sehr einfachen Meta-MRT-Antennenvorrichtung, die nur aus zwei Metaleitungswechselwirkungsringen (27) besteht, aus Gründen geringer Kosten für die einzelne Untersuchung sehr sinnvoll sein.In principle, in addition to any forms of technically meaningful traveling wave fields, taking into account the boundary conditions for the respective physical cut-off frequencies of these fields in which the study volume ( 13 ) circular waveguide at any time all known and currently used in magnetic resonance imaging standing wave fields using the meta-MRT antenna device are generated, especially even if these from only two metal line interaction rings ( 27 ), which simultaneously represents the minimum requirement for a meta-MRT antenna device. Thus, even for conventional magnetic resonance tomographs with low magnetic flux densities of, for example, 1.5 Tesla, the use of a very simple meta-MRT antenna device consisting of only two metal line interaction rings ( 27 ), for reasons of low cost for the individual investigation to be very useful.
Zwar sind bei diesen Werten für die magnetische Flussdichte die interessierenden Larmorfrequenz so gering, dass der Durchmesser des Untersuchungsvolumens für die Ausprägung einer weitgehend ungedämpft sich ausbreitenden Wanderwelle nicht mehr ausreichend groß ist, doch durch die Fähigkeit, auch stehende Felder erzeugen zu können, finden sich auch zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, gegebenenfalls derzeit häufig benutzte Antennenvorrichtungen wie den sogenannten Bird-Cage oder noch speziellere Formen wie Kopfspulen usw. zu ersetzen.Although at these magnetic flux density values, the Larmor frequency of interest is so small that the diameter of the study volume is no longer sufficiently large for the expression of a largely undamped propagating traveling wave, but the ability to generate even standing fields also exists numerous applications, possibly currently commonly used antenna devices such as the so-called Bird Cage or even more special forms such as head coils, etc. to replace.
Der Grund für die Möglichkeit, mit Hilfe der in der Meta-MRT-Antennenvorrichtung verwendeten Metaleitungswechselwirkungsringen (27), jede bisher verwendete Form von stehenden Feldern nachzubilden, liegt in der universellen Speisung der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) durch die von der Steuereinheit (33), der Sendeeinheit (29) und dem gesteuerten Speisenetzwerk (34) erzeugten, hochfrequenten Speiseströme für die Metaleitungswechselwirkungsringe (27).The reason for the possibility of using the metal line interaction rings used in the meta-MRT antenna device ( 27 ), to emulate any previously used form of standing fields, lies in the universal feed of the metal line interaction rings ( 27 ) by the control unit ( 33 ), the transmitting unit ( 29 ) and the controlled feed network ( 34 ), high-frequency supply currents for the metal line interaction rings ( 27 ).
Während beispielsweise bei einer Bird-Cage-Antennenvorrichtung die einzelnen Strahler durch ihre geometrische Länge die jeweiligen Randbedingungen als Bedingung für die Ausbildung stehender hochfrequenter Felder erfüllen, können bei der Meta-MRT-Antennenvorrichtung diese Randbedingungen elektronisch gesteuert erfüllt werden. While, for example, in the case of a Bird Cage antenna device, the individual radiators by their geometric length fulfill the respective boundary conditions as a condition for the formation of standing high-frequency fields, in the meta-MRT antenna device, these boundary conditions can be fulfilled electronically controlled.
So werden bei einer Bird-Cage-Antennenvorrichtung beispielsweise bis zu acht Leiterstäbe als kreisförmig parallel geschaltete Resonatoren mit einer geometrischen Länge, die in etwa einer halben Wellenlänge entspricht, am Ende durch einen leitenden Ring kurzgeschlossen. Durch den Kurzschluss am jeweiligen Ende der Resonatoren werden die für die Resonanzbedingung der herkömmlichen Bird-Cage-Antennenvorrichtung erforderlichen Impedanzverhältnisse am jeweiligen Ende der einzelnen Strahler erzeugt. Dies bedeutet aber auch, dass die Bird-Cage-Antennenvorrichtung vollständig ausgetauscht werden muss, sobald anstelle von Wasserstoff beispielsweise Natrium mit einer deutlich geringeren Larmorfrequenz im Gewebe untersucht werden soll, weil die geometrische Länge der Resonatoren und damit die Resonanzfrequenz fixiert ist.For example, in a Bird Cage antenna device, up to eight conductor bars are shorted as circular resonators having a geometric length approximately equal to half a wavelength, and finally short-circuited by a conductive ring. The short circuit at the respective ends of the resonators produces the impedance ratios required for the resonance condition of the conventional bird cage antenna device at the respective end of the individual radiators. However, this also means that the Bird Cage antenna device must be completely replaced when, for example, instead of hydrogen, sodium should be examined at a significantly lower Larmor frequency in the tissue, because the geometric length of the resonators and thus the resonance frequency is fixed.
Bei der Meta-MRT-Antennenvorrichtung hingegen, werden diese Randbedingungen durch die Einspeisung entsprechend phasenverschobenen hochfrequenter Steuerstromstärken in die einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27), unabhängig vom aktuellen geometrischen Abstand der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) voneinander, erfüllt.By contrast, in the case of the meta-MRT antenna device, these boundary conditions are produced by feeding appropriately phase-shifted high-frequency control currents into the individual metal line interaction rings ( 27 ), regardless of the actual geometric distance of the metal line interaction rings ( 27 ) from each other.
So würde beispielsweise im einfachsten Fall einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung, bei der lediglich zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet würden, die Nullphasenwinkeldifferenz zwischen den Speisestromstärken der jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) dann 180 Grad entsprechen, wenn der seitliche Abstand (111) der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) eine halbe Wellenlänge oder 270 Grad entsprechen würde und wenn der seitliche Abstand (111) der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) eine dreiviertel Wellenlänge messen würde. Es sind aber beliebige seitliche Abstande (111) denkbar und dem entsprechend müssen dann die jeweiligen Nullphasenwinkeldifferenzen angepasst werden.For example, in the simplest case, a meta-MRT antenna device in which only two metal line interaction rings ( 27 ), the zero phase angle difference between the feed currents of the respective metal line interaction rings ( 27 ) then equal 180 degrees when the lateral distance ( 111 ) of the metal line interaction rings ( 27 ) would correspond to half a wavelength or 270 degrees and if the lateral distance ( 111 ) of the metal line interaction rings ( 27 ) would measure a three-quarter wavelength. But there are any lateral distances ( 111 ) and accordingly the respective zero phase angle differences must then be adjusted.
Mit Hilfe der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) wird die ein stehendes hochfrequentes Feld erzeugende Wirkung von zu einem in Längsrichtung zum Untersuchungsvolumen ausgerichteten Resonatoren aus elektrischen Leiter dadurch substituiert, dass das von dieser Resonatorstruktur erzeugte elektrische Feld durch die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) nachgebildet wird, da beide Feldgrößen miteinander verknüpft sind.With the help of the metal line interaction rings ( 27 ) substitutes the standing high-frequency field-generating effect of electrical conductor resonators oriented in the longitudinal direction of the examination volume in that the electric field generated by this resonator structure is replaced by the metal-conduction interaction rings ( 27 ), since both field sizes are linked together.
Durch die flexiblen Möglichkeiten, die sich aus der gezielten Synthese von elektromagnetischen Feldstrukturen innerhalb des Untersuchungsvolumens (13) eines Magnetresonanztomographen durch geeignete phasenverschobenen Anregungsströme zur Speisung der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) ergeben, insbesondere auch ohne die Notwendigkeit irgendwelcher metallischer Resonatorstrukturen mit fest vorgegebenen geometrischen Abmessungen, also einfach nur durch die zweckdienliche Wahl geeignet überlagerter hochfrequenter Anregungsströme, lassen sich im Prinzip homogene und weitgehend beliebig longitudinal in die Länge gezogenen Stehwellenfelder erzeugen. Mit Hilfe der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) ließe sich so eine Art „Supercoil” nachbilden, mit der alle bisher bekannten Spulenformen ersetzt werden können.Due to the flexible possibilities resulting from the targeted synthesis of electromagnetic field structures within the scope of the study ( 13 ) of a magnetic resonance tomograph by means of suitable phase-shifted excitation currents for feeding the metal-ion interaction rings ( 27 ), in particular even without the need for any metallic resonator structures with fixed geometrical dimensions, that is to say simply by suitably superposed high-frequency excitation currents, can be generated in principle homogeneous and largely arbitrarily longitudinally drawn standing wave fields. With the help of the metal line interaction rings ( 27 ) could be a kind of "Supercoil" model with which all previously known coil shapes can be replaced.
Während bei einem stromdurchflossenen Leiterelement die Grenzbedingungen durch einen Kurzschluss, entsprechend einer elektrischen Wand, oder einem Leerlauf, entsprechend einer magnetischen Wand, relativ klar abgegrenzt werden können, kennt die Feldtheorie auch noch die sogenannte Impedanzwand. Bei einem Kurzschluss verschwindet das elektrische Feld (verknüpft mit dem Spannungsknoten) und das magnetische Feld (verknüpft mit dem Strombauch) nimmt den maximalen Wert an. Bei einem Leerlauf ist es genau umgekehrt.While in a current-carrying conductor element, the boundary conditions by a short circuit, corresponding to an electrical wall, or an idle, corresponding to a magnetic wall, can be relatively clearly demarcated, the field theory also knows the so-called impedance wall. In the event of a short circuit, the electric field (linked to the voltage node) disappears and the magnetic field (combined with the current dip) assumes the maximum value. At idle it is exactly the opposite.
Bei einer sogenannten Impedanzwand werden die Amplituden des elektrischen Feldes und die Amplituden des magnetischen Feldes in ein definiertes Verhältnis gesetzt, so dass sich die Randbedingungen für die angestrebten Resonanzfrequenzen entsprechend der physikalischen Resonatorlängen stets durch die entsprechende Wahl der Abschlussimpedanz, die dann zwischen einem Kurzschluss und einem Leerlauf liegt, wenn der seitliche Abstand (111) kein Vielfaches einer viertel Wellenlänge beträgt, stets exakt verifizieren lassen.In a so-called impedance wall, the amplitudes of the electric field and the amplitudes of the magnetic field are set in a defined ratio, so that the boundary conditions for the desired resonant frequencies corresponding to the physical Resonatorlängen always by the appropriate choice of the terminating impedance, which then between a short circuit and a Idle is when the lateral distance ( 111 ) is not a multiple of a quarter wavelength, always have it verified exactly.
Der seitliche Abstand (111) zwischen den Metaleitungswechselwirkungsringen (27) ist also auch bei der Erzeugung stehender Felder beliebig frei wählbar.The lateral distance ( 111 ) between the metal line interaction rings ( 27 ) is therefore freely selectable even when generating standing fields.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Durchmesser des Untersuchungsvolumens (13) für die Erzeugung stehender Felder keine Bedeutung hat, da hier keine limitierende Grenzfrequenz beachtet werden muss. Another advantage is that the diameter of the examination volume ( 13 ) has no significance for the generation of stagnant fields, since no limiting limit frequency must be observed here.
Bei einer Änderung der Larmorfrequenz müssen die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) auch bei dieser neuen Frequenz in Resonanz gebracht werden können, damit sie als universelle Wechselwirkungselemente hinreichend gut funktionieren können. Dazu werden die verwendeten Metaleitungen durch die Wahl der Parameter bei der Fertigung so fabriziert, dass sie als multifrequente Resonanzringe betrieben werden können.When changing the Larmor frequency, the metal line interaction rings ( 27 ) can be brought into resonance even at this new frequency, so that they can function sufficiently well as universal interaction elements. For this purpose, the chosen metal lines are fabricated by the choice of parameters in the production so that they can be operated as a multi-frequency resonant rings.
Mit einigem Aufwand können so Metaleitungswechselwirkungsringen (27) aufgebaut werden, die gleichzeitig bei wenigsten zwei Larmorfrequenzen in Resonanz gebracht werden können, was aber einigermaßen aufwendige Maßnahmen bei der Konstruktion verlangt, weil da für beide Resonanzfrequenzen ja lediglich ein einziger Ringdurchmesser verwendet wird.With some effort so metal line interaction rings ( 27 ) are constructed, which can be brought into resonance at the same time at least two Larmor frequencies, but this requires reasonably complex measures in the construction, because there is used for both resonance frequencies so only a single ring diameter.
Es sind jedoch auch Kombinationen von Metaleitungswechselwirkungsringen (27) mit unterschiedlichem Durchmesser möglich. Die 23 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, wobei partiell Wechselwirkungselemente mit geringerem Durchmesser verwendet werden. Dies kann sinnvoll sein, wenn eine Kombination von Wanderwellen mit stehenden Wellen gefordert wird. So können beispielsweise zwei Meta-MRT-Antennenvorrichtungsmodule mit ausreichend großem Ringdurchmesser um Wanderwellenausbreitung zu ermöglichen zum Aufbau eines hinreichend starken B1-Feldes verwendet werden und ein Meta-MRT-Antennenvorrichtungsmodul mit geringerem Ringdurchmesser befindet sich dann im exponentiell abfallenden aber immer noch ausreichend großen Dämpfungsfeld, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis der empfangenen Echosignalfrequenzen möglicherweise durch das nahe heranführen der Wechselwirkungselemente vorteilhaft verbessert wird, da ja die in dem Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) eingebrachten einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) mit Hilfe des gesteuerten Speisenetzwerkes (34) und der Empfangseinheit (28) in den Impulspausen der Sendeeinheit (29) gleichzeitig auch zum Empfang der bei der Relaxation ausgesendeten Echosignale verwendet werden.However, combinations of metal oxide interaction rings ( 27 ) with different diameters possible. The 23 Fig. 12 shows another schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a short, high spatial resolution meta-MRI antenna device, partially using smaller diameter interaction elements. This can be useful if a combination of traveling waves with standing waves is required. For example, two meta-MRI antenna device modules of sufficiently large ring diameter to allow traveling wave propagation may be used to build up a sufficiently strong B 1 field, and a smaller ring diameter meta-MRI antenna device module will be in the exponentially decaying but still sufficiently large attenuation field whereby the signal-to-noise ratio of the received echo signal frequencies may be advantageously improved by the proximity of the interaction elements, since those in the examination volume ( 13 ) of the traveling wave magnetic resonance tomograph ( 10 ) introduced individual metal line interaction rings ( 27 ) with the help of the controlled feed network ( 34 ) and the receiving unit ( 28 ) in the pulse intervals of the transmitting unit ( 29 ) are also used to receive the echo signals emitted during the relaxation.
Zum modularen Austausch können die in dem Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) eingebrachten einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) insgesamt auf einer ausreichend stabil konstruierten zylinderförmigen Hülse montiert werden, die vor dem Einbringen des zu untersuchenden Gewebes durch einfache Umbaumaßnahmen als komplette Einheit in das Untersuchungsvolumen hineingeschoben wird.For the modular exchange, those in the study volume ( 13 ) of the traveling wave magnetic resonance tomograph ( 10 ) introduced individual metal line interaction rings ( 27 ) are mounted on a cylinder of sufficiently stable design, which is pushed into the examination volume as a complete unit before the introduction of the tissue to be examined by simple conversion measures.
Auf diese Weise ließen sich beispielsweise die bisher für viele spezielle Einsatzfälle benutzen sogenannten Kopfspulen elegant ersetzen.In this way, for example, the so-called head coils used so far for many special applications could be elegantly replaced.
Dazu sollten für den Fall unterschiedlicher Ringdurchmesser eine kompatible Halterung vorgesehen werden.For this purpose, a compatible holder should be provided for the case of different ring diameters.
Die 24 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, wobei partiell Wechselwirkungselemente mit geringerem Durchmesser verwendet werden, welche in einer dielektrischen Halterung kompatibel zu anderen Wechselwirkungselementen der Meta-MRT-Antennenvorrichtung montiert sind.The 24 Figure 12 shows another schematic representation of an exemplary combination of interaction elements for modular construction of a short spatial resolution high spatial resolution MRI antenna device using partially smaller diameter interaction elements mounted in a dielectric support compatible with other interaction elements of the meta MRT antenna device are.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE 202010003162 U1 [0013, 0019, 0020, 0022, 0075, 0097, 0099, 0102, 0102, 0105, 0108, 0118] DE 202010003162 U1 [0013, 0019, 0020, 0022, 0075, 0097, 0099, 0102, 0102, 0105, 0108, 0118]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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David O. Brunner, Nicola De Zanche, Jürg Fröhlich, Jan Paska und Klaas P. Pruessmann in ihrem Beitrag „Travelling-wave nuclear magnetic resonance” In: Nature, vol. 457, pp.994–998, Feb. 2009 [0007] David O. Brunner, Nicola De Zanche, Jürg Fröhlich, Jan Paska and Klaas P. Pruessmann in their article "Traveling-wave nuclear magnetic resonance" In: Nature, vol. 457, pp. 994-998, Feb. 2009 [0007]
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Brunner et. al. [0011] Brunner et. al. [0011]
