DE3535463C2

DE3535463C2 - Antennensystem für die NMR-Bilddarstellung oder NMR-Spektroskopie sowie Verfahren zum Betrieb eines solchen Antennensystems

Info

Publication number: DE3535463C2
Application number: DE3535463A
Authority: DE
Inventors: Steve Beer
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1984-10-10
Filing date: 1985-10-04
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2005-10-05
Also published as: DE3535463A1; US4682112A

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennensystem für die NMR-Bilddarstellung oder NMR- Spektroskopie, durch welches das Signal/Rausch-Verhältnis verbessert werden kann, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Antennensystems.

Die NMR-Bilddarstellung und NMR-Spektroskopie beinhalten die Erzeugung eines verhältnismäßig starken, homogenen Magnetfeldes in einem zu prüfenden Untersuchungsobjekt sowie die Einstrahlung von HF-Signalen auf dieses Objekt und den Empfang von HF-Signalen aus dem Objekt. Jedes lebende Untersuchungsobjekt stellt aufgrund seiner Temperatur und seines spezifischen Widerstandes eine Rauschquelle dar, die bei der NMR-Bilddarstellung oder NMR-Spektroskopie mit der Empfangsantenne gekoppelt ist, wodurch das erzielbare Signal/Rausch-Verhältnis reduziert wird.

Während ein lokales Teilvolumen eines Untersuchungsobjektes (z. B. das Rückgrat eines Patienten) abgebildet oder spektroskopisch analysiert wird, beeinflußt außerdem der Rauschbeitrag aus dem übrigen Volumen das Signal/Rausch-Verhältnis in nachteiliger Weise. Ein zusätzliches Problem ist, daß bei der HF-Anregung Energie in das gesamte Untersuchungsvolumen eingestrahlt wird, was zu einer unnötigen Wärmebelastung beispielsweise des Patienten führt.

Ein herkömmlicher Weg zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses besteht in der Verwendung einer sogenannten Oberflächenspule, welche in der Nähe des abzubildenden bzw. zu analysierenden Teilvolumens angeordnet wird. Eine solche Oberflächenspule, welche im Prinzip durch eine planare Drahtschleife ("Rahmenantenne") realisiert werden kann, ermöglicht in unterscheidbarer Weise eine Erregung eines begrenzten Teilbereichs eines Untersuchungsobjektes und den Empfang von Signalen aus diesem Teilbereich. Ein Antennensystem für die NMR-Spektroskopie, bei welchem eine solche Oberflächenspule verwendet wird, ist beispielsweise aus der DE-AS 15 66 148 bekannt. Mit Hilfe des in dieser Druckschrift offenbarten Antennensystems kann jedoch lediglich HF-Energie unter einem begrenzten Beobachtungswinkel empfangen werden, wodurch sich ein ungünstiges Signal/Rausch- Verhältnis ergibt.

Beim Stand der Technik gemäß dem Artikel von Chen, Hoult und Sank: "Quadrature Detection Coils - A further √2 Improvement in Sensitivity" im "Journal of Magnetic Resonance", Band 54, 1983, Seiten 324-327, wird dem angesprochenen Problem dadurch entgegengetreten, daß die Oberflächenspule, welche als Sende- oder Empfangsantenne verwendet werden kann, aus zwei orthogonalen Teilspulen besteht, deren Signale um 90° gegeneinander phasenverschoben sind. Eine Anregung von Teilbereichen des Untersuchungsobjektes bzw. der Empfang von Signalen aus Teilbereichen desselben ist mit dem bekannten Antennensystem nicht möglich.

Schließlich ist aus der EP 0 107 238 A1 bekannt, die HF-Antenne eines NMR- Abbildungsgerätes in eine Vielzahl parallel geschalteter Teilantennen zu zerlegen, wodurch die Resonanzfrequenz der HF-Antenne erhöht wird.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Antennensystem für die NMR-Bilddarstellung bzw. NMR-Spektroskopie vorzuschlagen, mit welchem ausgewählte Bereiche eines Untersuchungsobjektes abgebildet bzw. analysiert werden können, wobei das Signal/Rausch-Verhältnis gegenüber bekannten Antennensystemen verbessert ist. Ferner soll ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Antennensystems angegeben werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Antennensystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. mit Hilfe eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruches 13 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische, schematische Darstellung einer NMR-Bilddarstellungs einrichtung mit einem Antennensystem nach vorliegender Erfindung,

Fig. 2 eine zweidimensionale Darstellung eines Objektes und einer Antenne,

Fig. 3 eine schematische Darstellung, wie das Antennensystem im Empfangsbetrieb verwendet wird, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung, wie das Antennensystem im Sendebetrieb verwendet wird.

In Fig. 1 bezeichnet 10 eine NMR-Bilddarstellungseinrichtung, in die ein Antennensystem 11 nach vorliegender Erfindung eingebaut ist. Die Einrichtung 10, die in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, weist einen Magneten 12 auf, der ein räumlich gleichförmiges Magnetfeld erzeugt, das längs der Achse 13 der Einrichtung gerichtet sein kann. Herkömmliche Trimmspulen 14 in Verbindung mit dem Magneten 12 ermöglichen ein Trimmen des Magnetfeldes, damit die Gleichförmigkeit des Magnetfeldes sichergestellt ist. Gradientenspulen 15, die der Einrichtung 10 zugeordnet sind, sind von herkömmlicher Ausführung und arbeiten in der Weise, daß sie einen Gradienten zum Zweck der Raumcodierung eines lokalisierten Bereiches erzeugen, damit dessen dreidimensionale Rekonstruktion ermöglicht wird. Wenn nur eine Spektroskopie durchgeführt werden soll, sind Gradientenspulen nicht erforderlich.

Das Antennensystem 11 nach vorliegender Erfindung ist auf einem elektromagnetisch transparenten Zylinder 16, z. B. einem Plexiglaszylinder, befestigt, der koaxial zur Achse 13 angeordnet ist. Die Größe des Zylinders 16 ist so ausgelegt, daß sie den Eintritt oder Zugang des Objektes 18, z. B. eines Patienten im Falle einer NMR-Bilddarstellung, ermöglicht. Während der Zylinder 16 als Kreiszylinder dargestellt ist, sei erwähnt, daß die Querschnittsform des Zylinders nicht kritisch ist, mit der Ausnahme, daß der Zylinder das Volumen des zu betrachtenden Gegenstandes umschließen soll. Auf diese Weise werden nahezu alle NMR-Signale, die von angeregten Kernen erzeugt werden, durch die Antennenanordnung, die auf dem Zylinder befestigt ist, empfangen.

Auf dem Zylinder 16 sind Rahmenantennen befestigt, die in zwei Gruppen 16A und 16B angeordnet sein können. Die Zeichnung zeigt die Gruppen seitlich nebeneinander und axial versetzt, um die Erfindung deutlicher zum Ausdruck zu bringen; die Gruppen können sich jedoch auch überlappen. Die Gruppe 16A kann der Übertragung eines HF- Signales der entsprechenden Frequenz zugeordnet sein, um die gewünschten Kerne im Objekt 18 innerhalb des Zylinders zu erregen, während die Gruppe 16B NMR-Signale empfängt. Wie oben erwähnt, sind die Gruppen 16A und 16B als zwei getrennte Gruppen dargestellt; diese Gruppen können jedoch auch zu einer einzigen Anordnung zusammengefaßt werden, die zu unterschiedlichen Zeiten eine Sende- oder Empfangsfunktion ausführt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Antenne nach vorliegender Erfindung sind individuelle Elemente 19 einer jeden Gruppe auf dem Zylinder angeordnet und gleichförmig im Azimuth oder im Winkel um den Zylinder verteilt. Ferner sind die Rahmenantennen 19 der Gruppen gleichmäßig auf dem Zylinder in ihrer axialen Richtung verteilt, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Gruppe 16A (Senden) wird von einem Satz von Signalen angesteuert, die durch eine Signalerzeugungseinrichtung 21 über den Isolator 22 bereitgestellt werden. Die Verdrahtung zwischen den Rahmenantennen der Gruppe 16A und der Signalerzeugungseinrichtung 21 ist so ausgelegt, daß die Rahmenantennen individuell adressiert werden können, um die relativen Phasen lagen und Amplituden der HF-Signale, die von den Rahmenantennen ausgehen, steuern zu können. Andererseits können die individuellen Rahmenantennen in Serie durch ein Eingangssignal angesteuert werden, das den Rahmenantennen, die über Verzögerungsleitungen in der nachstehend beschriebenen Weise miteinander verbunden sind, zugeführt werden.

Die Eingangssignale, die von der Signalerzeugungseinrichtung erzeugt und den individuellen Rahmenantennen dieser Gruppe zugeführt werden, werden (wie nachstehend beschrieben) ausgewählt, damit eine lokalisierte Anregung von Kernen in dem vorgewählten Bereich 23 des Objektes 18 erzielt wird. Dies wird erreicht, weil die relativen Phasen lagen und Amplituden der HF-Signale, die durch den Satz von Rahmenantennen der Gruppe 16A gesendet werden, so gesteuert werden, daß eine konstruktive Verstärkung der HF-Signale im Bereich 23 erhalten wird, während eine destruktive Interferenz überall sonst in dem Volumen auftritt. Bei einer besonders einfachen Anordnung ist der Satz von Signalen, der durch die Signalerzeugungseinrichtung 21 erzeugt wird, so gewählt, daß die Phasenlage des Signales, das einer bestimmten Rahmenantenne in der Gruppe 16A zugeführt wird, funktionell auf den Azimuthwinkel der Rahmenantenne bezogen ist.

Um die erforderliche Phasenbeziehung zwischen den individuellen Rahmenantennen der Gruppe 16A aufzubauen, kann die Signalerzeugungseinrichtung 21 individuell die Rahmenantennen der Gruppe mit einem Satz von Eingangssignalen adressieren, die die gewünschten relativen Phasen lagen und Amplituden haben. Andererseits können Rahmenantennen dieser Gruppe in Serie über Verzögerungsleitungen geschaltet werden; in einem solchen Fall erzeugt die Signalerzeugungseinrichtung ein Signal, das dann, wenn es der Antenne zugeführt wird, äquivalent dem Satz von vorbeschriebenen Eingangssignalen ist. Es können andere Bauelemente als Verzögerungsleitungen verwendet werden, um die gewünschte Phasenbeziehung zu erreichen. Beispielsweise können Schaltanordnungen mit aktiven wie auch passiven Bauelementen verwendet werden, um die Phasenbeziehungen zwischen dem Satz von Eingangssignalen, die den Rahmenantennen der Gruppe 16A zugeführt werden, zu steuern. Anstatt die gewünschten Phasenverschiebungen durch Einführung von Verzögerungsleitungen zwischen den verschiedenen Rahmenantennen der Gruppe 16A zu erzielen, können Verzögerungsleitungen zwischen die Signalerzeugungseinrichtung und die individuell adressierten Rahmen eingesetzt werden. In letzterem Fall haben die Treibersignale die gleiche Phasenlage. Der Ausdruck "Steuerung der relativen Phasen lagen der Antennensignale" in Zusammenhang mit dem Sendebetrieb bedeutet somit, daß die Phasenlage der gesendeten HF-Signale dadurch gesteuert wird, daß den Rahmenantennen der Gruppe 16A Signale zugeführt werden, die sich in ihrer Phasenlage aufgrund einer Phasenverschiebungsanordnung unterscheiden, die zwischen die Signalerzeugungseinrichtung und die Rahmenantennen eingesetzt ist, oder durch Phasenverschiebung der Treibersignale selbst. Es kann unter bestimmten Bedingungen erforderlich sein, die Amplitude der Signale von Rahmenantenne zu Rahmenantenne als Funktion der Azimuth- oder axialen Erstreckung zu verändern, und in diesem Fall können zwischen aufeinanderfolgenden Rahmenantennen Dämpfungseinrichtungen verwendet werden. Andererseits können aktive wie auch passive Amplitudenänderungseinrichtungen eingesetzt werden.

Das Vorhandensein von HF-Signalen entsprechender Frequenz im Bereich 23 und darüberhinaus irgendwo im Volumen 18 bei Vorhandensein des stetigen Magnetfeldes längs der Achse 13 regt bestimmte Atomkerne an. Wenn die HF-Erregungssignale abgeschaltet werden, emittieren die angeregten Kerne NMR-Signale der gleichen Frequenz. Diese NMR-Signale werden von der Empfangsantennenanordnung aufgenommen, die aus den Rahmenantennen der Gruppe 16B besteht. Derartige Rahmenantennen sprechen auf NMR-Signale an, die über den Isolator 22 der Signalverarbeitungseinrichtung 24 zugeführt werden. Letztere steuert die relative Phasenlage und Amplitude eines jeden Antennensignals während der Verarbeitung entsprechend der räumlichen Lage der speziellen Rahmenantenne in der Gruppe 16B, die das Antennensignal erzeugt hat. Insbesondere ist die Signalverarbeitungseinrichtung so aufgebaut und ausgelegt (wie nachstehend beschrieben), daß die Größe und Lage des Bereiches (z. B. des Bereiches 23) im Objekt gesteuert wird, aus welchem NMR-Signale durch die Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet werden.

Während des Empfangsbetriebes werden NMR-Signale, die aus einem lokalen interessierenden Bereich 23 emittiert werden, von der Anordnung von Rahmenantennen der Gruppe 16B aufgenommen, in der Signalverarbeitungseinrichtung verarbeitet und der Datenspeichereinrichtung 25 zugeführt. NMR-Signale aus Stellen außerhalb des interessierenden Bereiches werden in Hinblick auf die Analog/Digital- Verarbeitungstechniken diskriminiert, wie nachstehend beschrieben wird.

In der vorbeschriebenen Weise lokalisieren die Rahmenantennen der zylindrischen, phasengesteuerten Antennenanordnung innerhalb des Objektes sowohl die gesendete als auch die empfangene Strahlung. Ein Verfahren, mit welchem die gewünschten Phasenbeziehungen für eine optimale Lokalisierung erzielt werden, wird nachstehend in Zusammenhang mit einem 2-D Fall beschrieben. Wie weiter unten gezeigt wird, ist die tatsächliche Situation bei einem 3-D Objekt, das von einer 2-D Anordnung im 3-D Raum umgeben ist, lediglich eine Erweiterung des einfachen 2-D Falles.

Für diese Analyse sei angenommen, daß das Objekt 50 eine lineare Anordnung von N elementaren Rahmenantennen ist, wie in Fig. 2 gezeigt, deren jede in der Lage ist, ein Signal in der interessierenden Bandbreite zu senden oder zu empfangen. Die Antenne 51 ist ferner eine lineare Anordnung von N elementaren Rahmenantennen, die in der Lage ist, zu empfangen oder zu senden; r ist der Abstand des Objektes von der Antenne.

Im "Empfangsbetrieb", bei dem z. B. das Objekt sendet und die Antenne empfängt, wird davon ausgegangen, daß jeder Punkt k im Objekt Strahlung f (k) emittiert, wobei

f(k) = f_k exp i (ω_t + (Φ_k), f_k ε R.

Eine "echte" Komponente wird willkürlich so ausgewählt, daß sie in die in der in Fig. 2 gezeigte Richtung zeigt; eine "imaginäre" Komponente zeigt aus der Zeichenebene heraus. Der gesamte komplexe Vektor f(k), k = 1, . . . N wird mit bezeichnet; in ähnlicher Weise wird die Strahlung, die an Antennenpositionen l = 1, . . . N empfangen wird, mit a (l), = 1, N oder bezeichnet. Das Problem besteht darin, f zu schätzen, wobei und die Geometrie gegeben sind.

Unterstellt man eine weitere Vereinfachung, nämlich daß keine Dämpfungseffekte oder Phasenstörungen vorhanden sind, hat die Phasenänderung in Bogengraden nach einer Fortschreitdistanz d den Wert 2π d/λ, wobei λ die Wellenlänge ist. Wenn somit d, (l, k) der Abstand von dem Objektelement k zum Antennenelement ist, ist der Anteil bei l von k:

f(k) exp 2π id (l, k)/λ.

Summiert man das Gesamtsignal bei 1 von allen Objektpunkten, ergibt sich

a (l) = Σ f(k) exp 2π id (l,k)/λ (1)

wobei d(l, k) = [(l-k)² + r²]½.

In Matrixschreibform wird die Gleichung (1) ausgedrückt durch:

= R wobei R (l, k) = exp 2π id (l, k)/λ.

R ist die Empfangsmatrix, die die Phasenlage des gesendeten Signales aus jedem Objektelement auf das empfangene Signal bezieht, das bei jeder Rahmenantenne der Empfangsantennenanordnung vorhanden ist. Unter Verwendung eines Rechners und eines entsprechenden Matrixinversionsalgorithmus läßt sich eine Matrix Q finden, bei der gilt:

Q R = ≈ I

wobei I die Einheitsmatrix ist (Einsen längs der Diagonalen und Nullen in den übrigen Bereichen). Die Matrix Q wird als die "pseudo-inverse" Matrix bezeichnet, weil ihre Vervielfachung mit R eine "Quasi-Einheits"-Matrix ergibt.

Wenn das gemessene Signal mit Q multipliziert wird, ergibt sich:

Q = Q R ≈ I = (2)

Wird in die Daten die "pseudo-inverse" Matrix eingeführt, kann die ursprüngliche Signalverteilung rekonstruiert oder aufgefunden werden.

Um einen Bereich im Objekt zu lokalisieren, ist lediglich die Rekonstruktion eines zentralen Elementes des Teilbereiches erforderlich. Durch geeignete Begrenzung von Q in der Weise, daß ein Satz von Quasi-Gauß'schen Größen anstelle von "Einsen" oder Deltafunktionen (falls mit R multipliziert) erhalten wird, ergibt sich die k-Teilregionenauswahl automatisch, wenn Gleichung (1) verwendet wird, um das Objekt an der Stelle k zu bewerten:

Wenn somit f(k) als das kombinierte empfangene Signal verwendet wird, wird die gewünschte Lokalisierung innerhalb des Objektes erreicht. Dies ist schematisch in Fig. 3 dargestellt, auf die nunmehr Bezug genommen wird. Der Einfachheit halber besteht das Objekt 60, das untersucht wird, aus drei Elementen 60A, 60B, 60C, von denen jedes eine Strahlung an die Empfangsantennenanordnung 61 mit drei Rahmenantennen 61A, 61B, 61C emittiert. Um das aus dem ausgewählten Bereich stammende NMR-Signal zu verstärken, nämlich das Element 60B, während das Signal von außerhalb dieses Bereiches im wesentlichen ausgeschlossen wird, werden die von jeder Rahmenantenne empfangenen Signale dadurch verarbeitet, daß sie so kombiniert werden, daß ihre relativen Phasen lagen und Amplituden berücksichtigt werden. Insbesondere wird das Signal aus jeder Empfangsrahmenantenne effektiv mit dem entsprechenden komplexen Matrixelement multipliziert. Nach der Multiplikation werden die Resultate in das kombinierte empfangene Signal f₂(t) summiert.

Dieser Vorgang kann entweder im analogen oder digitalen Bereich ausgeführt werden. Im analogen Bereich ergibt eine Kombination von Verzögerung und Dämpfung oder Verstärkung das Äquivalent einer komplexen Multiplikation. Im digitalen Bereich muß vor der Prüfung eine Phasenquadraturanzeige vorgenommen werden. Die beiden Kanäle, die sich aus der Quadraturanzeige ergeben, werden geprüft, digitalisiert und liefern die echten und imaginären Werte, die dann durch das entsprechende komplexe Matrixelement multipliziert werden. Anschließend tritt eine digitale Summierung auf.

Der "Sendebetrieb", bei dem die Antennenanordnung sendet und das Objekt empfängt, ist ein reziproker Zustand des "Empfangsbetriebes". Wenn das Antennensignal ist, wird es , wenn es das Objekt aufgrund von Phasenänderungen erreicht hat. Somit gilt
= T

wobei T die Sende-Phasenlageneinstell-Matrix ist. Da T nur von dem Abstand und der Wellenlänge abhängig ist, kann dieser Wert berechnet werden, wenn R im vorausgehenden Abschnitt vorhanden war, und es kann ein pseudo-inverser Wert S wie folgt erhalten werden:

T S = ≈ I (3).

Ein Teilbereich k im Objekt kann so ausgewählt und definiert werden:
= _k = {v(l) = δ_{1, k}.p(t)}, wobei _k ein Vektor mit "Eins" in der k-ten Position und "Nullen" überall sonst ist, wobei δ_{1, k} das Kroneckersymbol und p(t) das gewünschte NMR-HF-Erregungssignal ist. Der Vektor _k wird zum Lokalisieren des Bereiches k verwendet, d. h. zur Aufnahme der HF-Erregung. Der Vektor jedoch ist ein komplexer Vektor, und es können unterschiedliche Muster von "Einsen" und "Nullen" gewählt werden, um das Signal an irgendeiner Stelle im Volumen zu lokalisieren oder zu unterdrücken. Beispielsweise ist es möglich, alle "Einsen" im Vektor zu haben, und in einem solchen Fall wären Erregung und Empfang über das gesamte Volumen gleichförmig. Diese Möglichkeit macht eine NMR-Vorrichtung, in die vorliegende Erfindung eingebaut wird, erheblich vielseitiger, weil sie in einem herkömmlichen Betrieb mit gleichförmiger Erregung über das gesamte Volumen verwendet werden kann, wenn der Vektor alle "Einsen" hat, und in einen lokalisierten Erregungsbetrieb verschoben werden kann, wenn = _k verwendet wird.

Das gesendete Signal wird durch Multiplizieren von S mit erhalten:

= S

Das Objekt "sieht":

= T = T S ≈ I = = _k.

Das Objekt wird somit nur im Teilbereich k angeregt, wobei die Lokalisierung durch die Näherung der Gleichung (3) begrenzt ist. Vorliegende Erfindung bringt eine Lokalisierung des interessierenden Volumens innerhalb eines Objektes in der vorbeschriebenen Weise; sie sieht jedoch auch die Verwendung des Auswählvektors vor, um ein gewünschtes Strahlungsmuster innerhalb des Objektes ausgedrückt sowohl in relativer Phasenlage als auch in Amplitude zu erhalten. Beispielsweise gewährleistet die Verwendung von = (1, 1, 1, etc.) ein HF-Signal konstanter Amplitude und Phasenlage innerhalb des Objektes. In ähnlicher Weise ist es im Empfangsbetrieb möglich, aus einer beliebigen Kombination von Stellen innerhalb des Objektes zu empfangen. Beispielsweise ist es möglich, alle Objektpunkte gleichförmig auszuwählen; es ist auch möglich, einen internen Bereich zu unterdrücken, der bei einer bestimmten Untersuchung ohne Interesse ist, indem z. B. = (1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 1, 1) verwendet wird, wenn empfangen oder gesendet wird.

Dies ist schematisch in Fig. 4 dargestellt, auf die nunmehr Bezug genommen wird. Der Einfachheit halber wird das zu untersuchende Objekt 70 als aus drei Elementen 70A, 70B, 70C bestehend betrachtet, deren jedes eine Strahlung aus der sendenden Antennenanordnung 71 mit drei Rahmenantennen 71A, 71B, 71C aufnimmt. Um das HF-Signal, das in dem ausgewählten Bereich vorhanden ist, nämlich das Element 70B, zu verstärken, während das Signal von außerhalb dieses Bereiches wesentlich reduziert wird, werden die relative Phasenlage und Amplitude der von jeder Rahmenantenne übertragenen Signale gesteuert. Insbesondere wird das herkömmliche HF- Erregungssignal p(t) der Verarbeitungsschaltung 72 zugeführt, die effektiv das Erregungssignal mit den entsprechenden komplexen Matrixelementen multipliziert. Nach der Multiplikation werden die Resultate den entsprechenden Sendeantennen zugeführt.

Die Verarbeitung in der Schaltung 72 kann entweder im analogen oder im digitalen Bereich ausgeführt werden. Im analogen Bereich ergibt eine Kombination von Verzögerung und Dämpfung das Äquivalent einer komplexen Multiplikation. Im digitalen Bereich stellt das Signal p(t) eine digitale, zweikanalige, reale und imaginäre Erregungsfunktion dar. Für jede Rahmenantenne wird p(t) mit dem entsprechenden komplexen Matrixelement der Matrix S multipliziert. Das Resultat wird dann in ein analoges Resultat umgewandelt, und es erfolgt eine Phasenquadraturmultiplikation, bevor es verstärkt und jeder Rahmenantenne zugeführt wird.

Das Auffinden einer Matrix S, deren Elemente alle gleiche Größe haben [z. B. S (k, l) = exp i Φ_kl] wäre vorteilhaft, weil der Sender mit der Antennenanordnung durch einen festen Satz von Verzögerungsleitungen gekoppelt werden könnte, um die gewünschte Phasenlage automatisch ohne zusätzliche Dämpfungsvorrichtungen einzuführen. Auch wenn eine reine Phasenlageneinstellvorrichtung S unmöglich zu erreichen ist, kann sie auf eine begrenzte Anzahl von Größen (z. B. 1, ½ und ¼) beschränkt werden, so daß nur eine begrenzte Anzahl von Dämpfungsvorrichtungen notwendig wäre.

In einem praktischen Fall sowohl für Sende- als Empfangsbetrieb sind Faktoren vorhanden, die Abweichungen von den gemachten idealen Annahmen ergeben. Trotzdem gilt die generelle Annäherung: Wenn R bekannt ist, kann Q berechnet werden; ähnliches gilt für T und S. R kann in einem nichtidealen Fall durch empirische Bewertung gefunden werden. Dies bedeutet, daß eine Punktquelle längs der verschiedenen k-Positionen innerhalb eines äquivalenten Objektes (z. B. eines Wasserzylinders) bewegt werden kann. Die Messungen, die sich an der Antenne ergeben, können verwendet werden, um R zu berechnen; aus diesem Wert kann Q bestimmt werden.

In ähnlicher Weise kann für T eine Übertragung aus einer gegebenen Rahmenantenne erfolgen, und das Signal kann an den verschiedenen Positionen k unter Verwendung einer kleinen Rahmenantenne gemessen werden, die sich innerhalb eines mit einem Wasserzylinder äquivalenten Objektes bewegt, wodurch eine anschließende Berechnung von S möglich ist.

Dieser Vorgang kann als Eichvorgang für die Systemgeometrie und -konsistenz angesehen werden. Er braucht nur einmal durchgeführt werden, wenn man annimmt, daß diese Bedingungen verhältnismäßig konstant oder wiederholbar sind.

Die vorstehend erläuterten Formeln, die auf einem 2-D Fall basieren, sind in gleicher Weise anwendbar auf eine beliebige Dimensionierung, solange die Antennenanordnung aus einer begrenzten Anzahl von Rahmenantennen besteht und das Objekt als aus einer begrenzten Anzahl von Elementen bestehend angesehen werden kann. Die Vektoren und werden dann lineare Listen der Bestandteile der Antenne und des Objektes. Die Matrix R bezieht einfach die von jedem Objektelement emittierte Strahlung auf das Signal, das an jeder Rahmenantenne gemessen wird. In ähnlicher Weise bezieht die Matrix T die von jeder Rahmenantenne emittierte Strahlung auf das Signal, das an jedem Objektelement erhalten wird. Im Idealfall können ohne Dämpfungs- oder Störungseffekte R und T wie vorher unter Verwendung des bekannten Abstandes d(l, k) zwischen jedem Empfänger-Sender-Paar (l, k) und unter Verwendung der bekannten Wellenlänge λ berechnet werden, um R(l, k) = T(l, k) = exp 2π id (l, k)/λ zu erhalten. Wie weiter oben ausgeführt, würde diese Idealisierung normalerweise nicht für einen praktischen Fall zutreffen, bei welchem ein Eichvorgang durchgeführt werden muß, in welchem R und T empirisch gemessen werden.

Um die Anordnung zu eichen oder R und T empirisch zu messen, müssen viele individuelle Messungen an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Testobjektes durchgeführt werden. Verwendet man eine einzige, sich bewegende Testrahmenantenne, kann dieser Vorgang außerordentlich viel Zeit in Anspruch nehmen. Um die Effektivität zu erhöhen, kann eine Anordnung von Rahmenantennen verwendet werden, die z. B. in einer Ebene angeordnet sind (z. B. eine ebene Platte aus Plexiglas). Diese Anordnung kann in eine gegebene Position bewegt werden und dann können die Rahmenantennen elektronisch nacheinander aktiviert werden. Wenn die Rahmenantennen einmal aktiviert worden sind (sowohl für das Senden als das Empfangen), kann die Anordnung in die nächstfolgende Position gebracht werden.

Bei einer aufwendigeren Anordnung können die Rahmenantennen in einer 3-D Anordnung mit ausreichender Anzahl angeordnet werden, so daß keine mechanische Bewegung erforderlich ist. In jedem Fall wird durch Reduzieren der mechanischen Zuwachsanteile die Eichgeschwindigkeit erheblich vergrößert und die Konstruktion durch Verringerung der mechanischen Komplexität wesentlich vereinfacht. Da alle Rahmenantennen fest gekoppelt sind, muß bei der Konstruktion darauf geachtet werden, daß alle nichtteilnehmenden Rahmenantennen unwirksam gemacht werden, wenn eine gegebene aktive Rahmenantenne sendet oder empfängt.

Claims

1. Antennensystem für die NMR-Bilddarstellung oder NMR-Spektroskopie, umfassend:

a) eine Vorrichtung (21; 16A) zum Senden von HF-Signalen geeigneter Frequenz zur Anregung von Kernen eines Objektes (18), das in einem gleichförmigen Magnetfeld angeordnet ist,
b) eine Empfangsantennenanordnung (16B), bestehend aus einer Gruppe von Rahmenantennen (19), die dem Objekt (18) geometrisch zugeordnet sind, um Kernresonanzsignale aus dem Objekt (18) zu empfangen, wobei jede Rahmenantenne (19) der Empfangsantennenanordnung (16B) ein getrenntes Ausgangssignal erzeugt,
c) eine Signalverarbeitungsvorrichtung (24) zum Verarbeiten der Ausgangssignale,
d) wobei die Signalverarbeitungsvorrichtung (24) so aufgebaut ist, daß die relativen Phasenlagen und Amplituden eines jeden Ausgangssignals während der Verarbeitung so gesteuert werden, daß der Signalbeitrag zum kombinierten Signal, welcher aus einem ausgewählten Bereich des Objektes (18) stammt, wesentlich größer ist als der Signalbeitrag, welcher aus den übrigen Bereichen des Objektes (18) stammt.

2. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (21; 16A) zum Senden von HF-Signalen geeigneter Frequenz eine Sendeantennen anordnung (16A) aufweist, die aus einer Gruppe von Rahmenantennen (19') besteht, die im Betrieb einem Objekt (18) geometrisch zugeordnet sind, und eine Vorrichtung (21) zur Steuerung der Phasenlage und Amplitude des Signals, das von jeder Rahmenantenne (19') gesendet wird, derart, daß die HF-Signale, die einen ausgewählten Bereich des Objektes anregen, verstärkt werden, während die Signale, welche die übrigen Bereiche anregen, erheblich reduziert werden.

3. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gleiche Antennenanordnung (16A, 16B) sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet wird und daß eine Vorrichtung (22) zum Isolieren des Sendepfades gegenüber dem Empfangspfad vorgesehen ist.

4. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenantennen (19, 19') auf einem elektromagnetisch transparenten Zylinder (16) angeordnet sind, der um das Objekt (18) herum positioniert ist.

5. Antennensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenantennen (19, 19') in axialer Richtung und gleichförmig auf dem Zylinder (16) angeordnet sind.

6. Antennensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenantennen (19, 19') gleichförmig und im Azimuth auf dem Zylinder (16) angeordnet sind.

7. Antennensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenantennen (19, 19') gleichförmig in axialer Richtung und im Azimuth auf dem Zylinder (16) angeordnet sind.

8. Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsvorrichtung (24) eine Verzögerungsleitung aufweist.

9. Antennensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsvorrichtung (24) eine Dämpfungseinrichtung aufweist.

10. Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die relativen Phasenlagen und Amplituden steuernde Vorrichtung (21) eine Verzögerungsleitung aufweist.

11. Antennensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die relativen Phasenlagen und Amplituden steuernde Vorrichtung (21) eine Dämpfungs einrichtung aufweist.

12. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Rahmenantennen (19, 19') individuell adressierbar sind.

13. Verfahren zur NMR-Bilddarstellung oder NMR-Spektroskopie eines Objektes (18), das in einem gleichförmigen Magnetfeld angeordnet ist, mit folgenden Schritten:

a) ein HF-Signal geeigneter Frequenz wird gesendet, um die Kerne im Objekt (18) anzuregen;
b) Signale aus dem Objekt (18) werden unter Benutzung einer Empfangsantennenanordnung (16B) empfangen, welche aus einer Gruppe von Rahmenantennen (19) besteht, deren jede ein getrenntes Ausgangssignal erzeugt, und
c) die relativen Phasen lagen und Amplituden eines jeden Ausgangssignals werden so gesteuert, daß der Signalbeitrag zum kombinierten Signal, welcher aus einem ausgewählten Bereich des Objektes (18) stammt, wesentlich größer ist als der Signalbeitrag, welcher aus den übrigen Bereichen des Objektes (18) stammt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Ausgangssignale einen Signalvektor (t) darstellen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Empfangsmatrix (R) der Empfangsantennenanordnung bestimmt wird,
b) eine "pseudo-inverse" Matrix Q bestimmt wird, derart, daß das Produkt der Matrizen Q und R näherungsweise eine Einheitsmatrix I ergibt, die bis auf eine Maßstabskonstante angenähert "Einsen" längs ihrer Diagonalen und "Nullen" im übrigen Bereich hat, und
c) eine Matrix den Vektor (t) mit der Matrix Q multipliziert und den resultierenden Vektor auswählt, wobei diese Elemente den Signalen aus dem ausgewählten Bereich innerhalb des Objektes entsprechen.

15. Verfahren zur NMR-Bilddarstellung eines Objektes, das in einem gleichförmigen Magnetfeld angeordnet ist, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Gradientenfelder zum Variieren des gleichförmigen Magnetfeldes angelegt werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß

a) eine Sendematrix T der Antennenanordnung bestimmt wird,
b) eine "pseudo-inverse" Matrix S so bestimmt wird, daß das Produkt der Matrizen T und S näherungsweise eine Einheitsmatrix ergibt, die bis auf eine Maßstabskonstante angenähert "Einsen" längs der Diagonalen und "Nullen" im übrigen Bereich hat,
c) ein Auswahlvektor bestimmt wird, der aus dem gewünschten HF-Erregungs signal p(t) bei einer gegebenen Komponente k und Null im übrigen Bereich besteht, und
d) eine Matrix die Matrix S mit dem Vektor multipliziert, um einen Sendesignalvektor zu erzeugen, wobei a = zur Bildung des Erregungssignales p(t) in dem ausgewählten Bereich des Objektes führt.