DE3538582C1 - HF-Spulenanordnung für Magnetresonanz-Abbildungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine HF-Spulenanordnung für die Magnetresonanz-Abbildung eines Untersuchungsobjektes.

Bei Magnetresonanz-Abbildungssystemen (MRI) werden HF-Spulen­ anordnungen verwendet, um HF-Signale auf ein Untersuchungs­ objekt zu übertragen.

Es ist von entscheiden der Bedeutung, daß die HF-Spulenanord­ nungen hierbei mit einem maximalen Signal-Rausch-Verhältnis arbeiten.

Der Aufsatz "Flexible Fourier multinuclear magnetic resonance spectrometer" von J. Brondeau, u. a. aus Rev.Sci.Instrum. 52(4), Apr. 1981, Seite 542-547 befaßt sich mit kernmagneti­ schen Resonanzspektrometer und betrifft insbesondere ein System mit einem Übertrager/Empfänger und einer HF-Spule L3. Derartige HF-Spulen für MRI-Systeme haben nur jeweils eine Verbindungsstelle für die positiven und negativen Anschlüsse der Generatorquelle pro Schleife, so daß die Länge von den positiven zu den negativen Kopplungs­ punkten, d. h. die elektrische Länge, der Länge mindestens einer Windung des Leiters entspricht. Insbesondere weist nach Fig. 5 der genannten Druckschrift die HF-Spule L3 nur ein Paar von Verbindungen mit dem Generator für beide Schleifen auf.

Desweiteren ergibt sich aus der DE-OS 33 36 694 eine NMR- Bilddarstellungseinrichtung mit einer HF-Spule, die lediglich ein Verbindungspaar mit dem Generator für beide Schleifen enthält, so daß die elektrische Länge dieser Einrichtung ebenfalls der herkömmlicher, bekannter HF-Spulen entspricht.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die elektrische Länge der HF-Spule eines Kernresonanzgerätes verkürzt auszubilden, um auf diese Weise die dielektrischen Verluste Re so gering wie möglich zu halten.

Dies wird gemäß der Erfindung mit mit einer HF-Spulenanordnung den Merkmalen des Anspru­ ches 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß werden auf einfache und zweckmäßige Weise durch Verkürzen der elektrischen Länge der Spulen und damit durch Reduzieren der Kopplungsverluste die erhaltenen Bilddarstellungen entscheidend verbessert.

Im Rahmen vorliegender Erfindung sind zahlreiche Spulenkonfi­ gurationen möglich, z. B. Sattelspulen mit zwei Einspeisungen, die über einen Hybridleistungsteiler gespeist werden, Doppelflächenspulen mit vier Speisepunkten, und Spulen, die auf mehr als einer der vorstehend beschriebenen Möglichkeiten basieren.

Spulenanordnungen höherer Leistung werden durch Reduzieren des Widerstandes Re erreicht, indem die elektrische Länge der Spule verkürzt wird. Dies erfolgt gemäß der Erfindung in der Weise, daß die HF-Spulenanordnung an zwei symmetrischen Punkten gekoppelt wird, z. B., indem jede der HF-Spulen an einem Punktpaar anstatt einem symmetrischen Punkt, wie im Falle bekannter Ausführungen, gespeist wird. Diese Verringerung der elektrischen Länge ermöglicht es, den Wirkungsgrad der Spule bei den HF-Frequenzen, die bei MRI-Systemen verwendet werden, zu erhöhen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich­ nung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines MRI-Systems,

Fig. 2 eine Darstellung einer HF-Spulenanordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der Stromrichtung in der HF-Spulenanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer bekannten Verbin­ dung der HF-Spulenanordnung.

Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer äquivalenten Schaltung einer HF-Spulenanordnung,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Verbindung der HF-Spulenanordnung nach der Erfindung und

Fig. 7 eine bevorzugte Ausführungsform einer Hybridschaltung, wie sie in Fig. 5 verwendet wird.

Typische MRI-Systeme, wie z. B. in Fig. 1 mit 11 bezeichnet, weisen einen statischen Hauptmagneten 12 auf, der über eine Speisequelle 13 betrieben wird. Der Magnet kann ein beliebiger, bekannter Magnet sein, beispielsweise ein supraleitender Magnet, ein Permanentmagnet oder ein Widerstandsmagnet. Das Datensammel- und -verarbeitungssystem ist mit 14 bezeichnet, der Arbeitsplatz des Bedienenden und die diagnostische Station sind mit 16 gezeigt. Das System weist einen Patiententisch 17 auf, der verwendet wird, um den Patienten in die Bohrung 18 des Magneten einzufahren. Ferner weist das System Gradientenspulen 19 und HF-Spulen 21 auf, die sowohl zum Senden als zum Empfangen der Larmor-HF-signale verwendet werden.

Die Erfindung befaßt sich mit der Verbesserung der Leistung der HF-Spulen 21. Die HF-Spulenanordnung 21 ist im einzelnen in Fig. 2 gezeigt. Wenn das statische Hauptfeld längs der Z-Achse verläuft und der Patient längs der Z-Achse positioniert ist, ist es üblich, daß die HF-Spulen sattelförmig ausgebildet sind. Die Längsrichtung der HF-Spule verläuft ebenfalls in der Z-Achse, während die Y-Achse radial, d. h. senkrecht zu einer axialen Mittenlinie durch beide HF-Spulen verläuft. Die Spulen sind im Abstand zueinander versetzt und derart dargestellt, daß die XZ-Ebene in der Mitte zwischen den Spulen liegt, während die YZ-Ebene die Spulen schneidet und die YX-Ebene senkrecht zu den beiden anderen Ebenen liegt. Die Spulen sind gewölbt und so dargestellt, daß sie jeweils 120° einschließen. Die Spulenanordnung nach Fig. 2 ist als aus zwei Spulen 22 und 23 bestehend dargestellt.

Fig. 3 zeigt die Stromrichtung. Während die HF-Spulen 21 so dargestellt sind, daß sie durch die YZ-Ebene geschnitten werden, können sie auch so angeordnet sein, daß sie durch die XZ-Ebene geschnitten werden. Die Spule 22 weist Leiter 1 und 2 auf, wobei der Strom in Richtung der Z-Achse, wie in Fig. 2 gezeigt, im Leiter 1 und in der entgegengesetzten Richtung im Leiter 2 fließt. In ähnlicher Weise verläuft im oberen Leiter der Spule 23, d. h. im Leiter 4, der Strom in Richtung der Z-Achse und in der entgegengesetzten Richtung im Leiter 3. Die Leiter 1 und 3 bilden die Spule 22, die Leiter 3 und 4 die Spule 23.

Die Spulenanordnung 26 nach Fig. 4 ist eine bekannte Spulen­ anordnung. Ein Generator, der Larmor-Frequenzimpulse erzeugt, ist mit 27 bezeichnet. Der Generator ist über einen Leiter 28 und die Anpassungskondensatoren Cm an beide Spulen 22 und 23 angeschlossen. Die Spulen sind durch einen Konden­ sator Ct abgestimmt, der zwischen den Leitern 29 und 30 gezeigt ist, die zu beiden Spulen 22 und 23 führen. Die Impedanz der parallel geschalteten Spulen ist mit Zo angegeben. Der Strom ist mit Ic1 und Ic2 in den Spulen 22 und 23 angedeutet. Der Strom am Generator Ig teilt sich in die Strome Ic1 und Ic2 auf.

Fig. 5 zeigt eine äquivalente Schaltung einer HF-Spule. L bedeutet die Impedanz der HF-Spule, Cm einen Anpassungskondensator, Ct einen Abstimmkondensator. Die Widerstandskomponenten sind mit Re, Rc und Rm bezeichnet.

Der Widerstand Re stellt den Widerstandswert aufgrund einer Kopplung mit dem verlust­ behafteten dielektrischen Material in dem abzubildenden Gegenstand dar. Der Widerstand Rc stellt die Kupferverluste in den Spulen einschließlich der Verluste aufgrund der Lötverbindungsstellen, des begrenzten Wertes Q der Anpaßkonden­ satoren Cm und der dielektrischen Verluste in der Spulenhalterung (nicht dargestellt) dar. Der Widerstand Rm stellt den Wirbelstromwiderstand dar, der durch die magnetische Erregung der Moleküle in dem abzubildenden Gegenstand erzeugt wird.

Die ohm′schen Verluste Rc der Spule werden auf einem Minimum dadurch gehalten, daß Material mit geringem Verlust, Anpassungskonden­ satoren mit hohem Q und elektrische Verbindungen mit niedrigem Widerstand verwendet werden. Der durch den Widerstand Re dargestellte Widerstandswert trägt in keiner Weise zu dem MR-Bild bei. Wenn die HF-Spule im Empfangsbetrieb arbeitet, ist Re eine Geräuschquelle; wenn sie im Sendebetrieb arbeitet, ist Re ein Kurzschluß für einen Leistungsabfluß. Es ist deshalb zweckmäßig, den durch Re dargestellten Widerstand zu reduzieren.

Die Vorteile der Verringerung von Re lassen sich dadurch besser zeigen, daß die Einflüsse der Frequenz auf die Leistung der HF-Spulen geprüft werden, was durch die drei Widerstände nach Fig. 5 ausgedrückt werden kann.

Wirkungsgrad (eff) = Rm + Rc + Re (1)

Rm = Rmo (f/fo) (2a)

Re = Reo (f/fo)³ (angenähert) (2b)

Rc = r1 (f/fo) + r2 (f/fo) (angenähert) (2c)

wobei Rmo und Reo Wirbelstrom- und Dielektrizitätsverlust- Widerstandskomponenten bei fo, einer Bezugsfrequenz, sind. Der Ausdruck r1 ist eine Konstante, die den Skineffektwiderstand betrifft, und der Ausdruck r2 eine Konstante, die sich auf den Abstimmkondensator Q bezieht.

Die Gleichungen (2b) und (2c) sind Annäherungen, da sie bestimmte Ausdrücke höherer Ordnung vernachlässigen, die unbedeutend sind. Re wird in bezug auf die anderen Ausdrücke der Gleichung mit zunehmender Frequenz dominanter. Um den Wirkungsgrad der HF-Spulen zu verbessern, insbesondere bei höheren Magnetfeldstärken, ist es ausschlaggebend, den Wert Re zu verringern.

Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Spulen­ anordnung Rf nach der Erfindung, die eine Reduzierung des Wertes Re ermöglicht. Hierbei sind die Spulen 22 und 23 mit dem Generator 27 über eine Hybridschaltung 31 verbunden. Die Hybridschaltung ist mit entgegengesetzten Seiten einer jeden Spule über Leiter 33, 34 und Kondensatoren Cm1, Cm2 verbunden. Die Ströme Ig1 und Ig2 fließen in den Leitern 33 und 34 zu den Leitern 35 und 38.

Die Hybridschaltung 31 ist ferner mit den Spulen 22, 23 über den Leiter 36, den Kondensator Cm1 und den Leiter 37 mit dem äußeren Leiter beider Spulen 22 und 23 gekoppelt und von den äußeren Leitern zum Leiter 39, Kondensator Cm2 und Leiter 41 zur Hybridschaltung geführt. Die inneren und äußeren Leiter zu den Spulen 22 und 23, z. B. die Leiter 35 und 37 wie auch die Leiter 38 und 39, sind miteinander über Abstimmkonden­ satoren Ct1 und Ct2 verbunden. Der HF-Generator ist mit der Hybridschaltung 31 über Leiter 42 und 43 gekoppelt. Es läßt sich zeigen, daß Reo proportional dem Wert "1e³" ist, wobei "1e" die elektrische Länge der Spule ist, die das Magnetfeld erzeugt, das mit dem Gegenstand gekoppelt ist. Die elektrische Länge einer über einen einzigen Punkt symmemtrisch gespeisten sattelförmigen Spule (Fig. 4) ist doppelt so groß wie die der gleichen Spule, die an zwei symmetrischen Punkten gespeist wird. Die Länge kann sogar noch weiter dadurch gekürzt werden, daß die gekrümmten Sattelabschnitte, z. B. der Abschnitt S1, eliminiert werden.

Die Verbindung mit doppelter Speisung ergibt zwei kurz­ geschlossene Ebenen parallel zu den YZ- und XY-Ebenen. Diese kurzgeschlossenen Ebenen verringern die elektrische Feldkopplung automatisch ganz erheblich.

Die kurzgeschlossenen Ebenen sind geometrisch, d. h. von Sondenabstimmung oder Phasenabgleich unbeeinflußt.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Hybrid­ schaltung. Diese Hybridschaltung weist zwei Induktivitäten L1 und L2 auf, die durch eine Kapazität C2 miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Induktivitäten L1 und L2 wird über eine Kapazität C1 an die Abschrimung der Verkabelung der Hybridschaltung gelegt. Die Werte sind so gewählt, daß eine äquivalente Impedanz von 50 Ohm an jedem der Ausgänge vorhanden ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform betragen: C1 = 50 pF, C2 = 25 pF und L1 = L2 = 104 µH.

Claims (5)

1. HF-Spulenanordnung für die Magnetresonanz-Abbildung eines Untersuchungsobjektes mit
einem Generator (27),
zwei gegenüberliegenden Spulen (22, 23), die aus paralle­ len Leiterabschnitten (1, 2; 3, 4) bestehen, zwischen denen das Untersuchungsobjekt angeordnet ist, und
einer Hybridschaltung (31), durch die das HF-Signal des Generators (27) symmetrisch aufgeteilt und einer ersten und zweiten HF-Leitung (33, 36; 34, 41) zugeführt wird, wobei
der Leiter (33) der ersten HF-Leitung über Anschlußlei­ tungen (35) mit dem einen Ende der Leiterabschnitte (1, 4) der Spulen (22, 23) verbunden ist,
der Leiter (34) der zweiten HF-Leitung über Anschlußlei­ tungen (38) mit dem anderen Ende der Leiterabschnitte (1, 4) verbunden ist,
der Leiter (36) der ersten HF-Leitung über einen Anpas­ sungskondensator (Cm1) und Anschlußleitungen (37) mit dem einen Ende der Leiterabschnitte (2, 3) der Spulen (22, 23) verbunden ist, und
der Leiter (41) der zweiten HF-Leitung über einen Anpassungskondensator (Cm2) und Anschlußleitungen (38) mit dem anderen Ende der Leiterabschnitte (2, 3) ver­ bunden ist,
und wobei zwischen die Anschlußleitungen (35, 37) ein Abstimmkondensator (Ct1) und zwischen die Anschlußlei­ tungen (38, 39) ein Abstimmkondensator (Ct2) geschaltet ist.

2. HF-Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder der Leiterabschnitte (1, 2; 3, 4) im wesentlichen den gleichen Widerstand hat.

3. HF-Spulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Leiterabschnitte (1, 2; 3, 4) im wesentli­ chen die gleiche Länge haben.

4. HF-Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hybridschaltung (31) über zwei Induktivitä­ ten (L₁, L₂) verfügt, durch die das vom Generator (27) kommende HF-Signal auf die beiden HF-Leitungen (33, 36; 34, 41) aufgeteilt wird, wobei die beiden Innenleiter der HF-Leitungen über einen Parallelschwingkreis (C₂, R₂) getrennt sind, und der Innenleiter der vom HF-Generator kommenden Leitung über einen Kondensator (C₁) mit der Abschirmung gekoppelt ist.

5. HF-Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß L₁ = L₂.