DE3705314A1 - Hybridresonator - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft magnetische Resonanzsysteme einschließlich
magnetischer Resonanzabbildungssysteme und
magnetischer Resonanz-Spektroskopiesysteme, und insbes. auf
die in derartigen Systemen verwendeten HF-Sonden.
Magnetische Resonanzsysteme erfassen Daten unter Verwendung
starker Magnete zur Erzielung hoher statischer Magnetfelder.
Um die Magnetfelder zu fokussieren, werden Gradientenspulen
verwendet. Diese Gradientenspulen und die hohen statischen
Magnetfelder dienen dazu, Kerne in einer gewünschten Ebene
der Probe magnetisch auszurichten, die abgebildet oder
spektrographisch untersucht werden soll. Um die Kerne in
Nutation zu versetzen, wird ein HF-Impuls verwendet. Wenn der
HF-Impuls beendet ist, weisen die nutierten Kerne eine
Präzession auf und kehren in den ausgerichteten Zustand
zurück. Wenn die Kerne eine Präzession erfahren und in den
ausgerichteten Zustand zurückkehren, erzeugt die Bewegung der
Kerne im Magnetfeld Signale, die als freie Induktionsabfallsignale
(FID) bekannt sind. Diese FID-Signale werden üblicherweise
für Abbildungs- und spektrographische Zwecke
verwendet.
Zur Übertragung von HF-Impulsen oder zum Empfangen der
HF-FID-Signale werden spezielle HF-Spulen oder -Sonden
verwendet. Diese Sonden werden im Übertragungszustand mit
einem HF-Impuls erregt, der eine Frequenz besitzt, die als
die Larmor-Frequenz bekannt ist und die eine Funktion des
jeweiligen Elementes sowie der Magnetfeldstärke ist. Die
Larmor-Frequenz ist auch die Präzessions-Winkelfrequenz und
die Frequenz der FID-Signale.
Zwar kann eine beliebige Magnetart zur Erzeugung des hohen
statischen Feldes verwendet werden, bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung wird jedoch ein supraleitender
Magnet verwendet. Die Probe oder der Patient wird in die
Bohrung des supraleitenden Magneten gebracht, damit der
Körper gleichförmig dem hohen statischen Magnetfeld ausgesetzt
wird. Die HF-Sonden sind entweder Körpersonden, bei
denen der gesamte Körper des Patienten innerhalb der Sonde
angeordnet sein kann, oder Sonden, die so ausgebildet sind,
daß sie in unmittelbarer Nähe bestimmter Teile des Körpers,
z. B. der Glieder oder des Kopfes angeordnet sind.
Die Sonden müssen in der Lage sein, bei der gewünschten
HF-Frequenz in Resonanz zu kommen, homogene Magnetfelder zu
erzeugen und dürfen nicht übermäßig hohes Geräusch auf die
übertragenen Impulse oder die empfangenen Signale geben.
Unabhängig von der relativen Effizienz der sehr nahe angeordneten
Sonden bleibt das Signal-Geräusch-Verhältnis (SNR) der
erfaßten Daten wegen der sehr kleinen Amplituden der FID-
Signale kritisch. Das Signal-Geräusch-Verhältnis nimmt wegen
Ungleichgewichten und dergl. aufgrund von Streukapazitäten in
den Sonden selbst und wegen Änderungen in den Impedanzen der
Sonden, wenn sie durch den Patienten oder die Probe belastet
werden, ab. Unterschiedliche Patienten haben unterschiedliche
Körperimpedanzen und belasten damit die HF-Sonden auf
unterschiedliche Weise. Auch sind beispielsweise der menschliche
Körper oder die Prüflinge selbst bei der spektroskopischen
Behandlung nicht einwandfrei symmetrische Körper.
Somit ist die Belastung eine nichtsymmetrische Belastung und
ergibt Änderungen in den aus den Sonden aufgenommenen
Signalen. Des weiteren sind die Sonden u. a. deshalb variabel,
weil ihre Impedanz sich z. B. mit der Temperatur und der
relativen Feuchtigkeit ändert.
Eine weitere Schwierigkeit, die bei der Verwendung bekannter
HF-Sonden, und insbes. bei den größeren Körpersonden auftritt,
besteht darin, daß diese verhältnismäßig niedrige
Eigenresonanzfrequenzen haben, die die höchste, als Larmor-
Frequenz verwendbare Frequenz begrenzen. Es wurde festgestellt,
daß bei stärkeren Feldern, z. B. den 2-Teslafeldern
eine bessere Auflösung des Bildes erzielt wird. Da jedoch
eine Erhöhung der Magnetfeldstärke eine Erhöhung der Larmor-
Frequenz mit sich bringt, stellen die Eigenresonanzfrequenzen
der Sonden sich als ein Beschränkungsfaktor für die Magnetfeldstärke,
die verwendet werden kann, dar.
Eine weitere Schwierigkeit, der sich die Wissenschaftler und
Konstrukteure von Magnetresonanzsystemen gegenübersehen,
besteht darin, daß die HF-Energie, die durch die Sonden
übertragen wird, eine Aufheizung der Proben oder Abschnitte
von Patienten, die untersucht werden, ergeben. Dies ist
deshalb der Fall, weil nur ein sehr kleiner Teil der HF-
Energie die Kerne in Nutation versetzt, während der größte
Teil der Energie Leerlaufströme und dielektrische Ströme in
den Geweben des zu untersuchenden Objektes erzeugt, die zur
Wärmebildung führen. Dies stellt einen "Mikrowellenofen-
Effekt" dar. Die Federal Drug Administration (FDA) in den USA
hat einen Grenzwert für die spezifische Leistungsabsorptionsgeschwindigkeit
(SAR) des HF-Signales festgelegt, der bei der
Abbildung von zu untersuchenden Menschen angewandt werden
kann. Dieser Grenzwert beträgt 0,4 Watt pro kg. Damit ist ein
Grenzwert für die Energie vorgegeben, die bei den HF-Sonden
als eine Funktion des Körpergewichtes des Patienten angewendet
werden kann. Dieser Grenzwert ist so gewählt, daß er den
Patienten vor durch Mikrowellen verursachten Hitzeschäden an
den Geweben schützt.
Die meisten in der Vergangenheit verwendeten Sonden waren
häufig sattelförmig ausgebildete Spulen, die linear polarisiert
waren. Dies bedeutet, daß die Magnetfelder, die von den
Sonden geliefert wurden, senkrecht auf einer der Ebenen
standen, die durch zwei orthogonale Achsen des Magneten des
Magnetresonanzsystems definiert waren. Generell werden die
MR-Systeme als orthogonale XYZ-Systeme angesehen, wobei die
hohen statischen Magnetfelder als in der Z-Richtung und die
HF-Felder als senkrecht zur XZ-Ebene wirkend angenommen sind.
Die einer Nutation unterzogenen Kerne oder ihr jeweiliger
Spin präzessiert beispielsweise um die Z-Achse, und die
effektive Projektion oder lineare Polarisation erfolgt in der
XY-Ebene, während der jeweilige Spin eine Präzessionsbewegung
ausführt. Aufgrund der durch die angelegten HF-Impulse
hervorgerufenen linearen Polarisation ging bisher die Hälfte
der erzeugten Magnetlinien nicht durch das zu untersuchende
Objekt. Deshalb konnte die Hälfte der HF-Energie nicht
effektiv verwendet werden, um die Kerne bzw. Spine in
Nutation zu versetzen.
Ein anderes Problem besteht darin, daß die derzeit zur
Verfügung stehenden HF-Sonden sogenannte HF-Durchdringungsartefakte
hervorrufen, die hauptsächlich auf den Körperbildern
als schattierte Bereiche erscheinen. Die Artefakte
ergeben sich aus stehenden Wellen der HF-Strahlung, die durch
das Gewebe bei hohen Frequenzen hindurchgeht, welche die
Gleichförmigkeit des angelegten HF-Magnetfeldes stören. Um
diese Schwierigkeit zu überwinden, wurde bisher eine Erregungsart
verwendet, bei der die Polarisation kreisförmig
anstatt linear verläuft (hierzu wird auf den Aufsatz "An
Efficient Highly Homogeneous RF-Coil for Whole Body Imaging
at 1,5 T" von C. E. Hayes et al in Journal of Magnetic
Resonance 163, 622-628 (1985) hingewiesen). Diese Betriebsart
wird manchmal auch als "Quadraturbetrieb" bezeichnet. Die
kreisförmige Polarisierung reduziert zusätzlich zu der
Verbesserung der Bildqualität die Leistung, die erforderlich
ist, um eine gegebene Nutierung der Kerne bzw. Spine zu
erzielen. Dementsprechend können kleinere HF-Leistungsverstärker
verwendet werden. Auch wird eine geringere Energiemenge
im Körper des Patienten absorbiert, wodurch der
Schwierigkeit begegnet werden kann, daß möglicherweise der
Grenzwert von 0,4 Watt/kg SAR überschritten wird. Die
Empfindlichkeit der Empfangsspulen gegenüber FID-Signalen ist
bei kreisförmiger Polarisierung ebenfalls um einen Betrag
höher, der das Signal-Geräusch-Verhältnis um einen Faktor
Quadratwurzel 2 erhöht. Die kreisförmige Polarisierung
verringert die erforderlich werdende HF-Energie um den Faktor 2.
Eine bei im Kreisbetrieb oder Quadraturbetrieb arbeitenden
Einrichtungen auftretende Schwierigkeit bestand darin, daß
die Homogenität des erzeugten Feldes innerhalb der Mittel des
Objektes nicht mit der Homogenität der durch die Sattelspulen
erzeugten Felder zusammenpaßt. Ein verwandtes Problem mit
einer im Quadraturbetrieb arbeitenden Einrichtung besteht
darin, Spulen vorzusehen, die die kreisförmig polarisierten
HF-Felder erzeugen können, ohne daß sie durch Belastung der
Sonde aufgrund des Patienten innerhalb der Spule unzulässig
beeinflußt werden. Die den Quadraturbetrieb erzeugende
Einrichtung wird im allgemeinen durch die Kreuzkopplung
zwischen den Mehrfachspulen unzulässig beeinflußt, die zur
Erzeugung der kreisförmigen Polarisierung verwendet werden.
Die bekannten Versuche zur Erzielung einer kreisförmigen
Polarisierung oder einer Quadratur-Erregung wurden unter
Verwendung von sogenannten "Vogelkäfig"-Resonatoren durchgeführt.
Ein Vogelkäfig-Resonator weist zwei im Abstand
voneinander versetzte kreisförmige Endschleifen auf, die den
abzubildenden Patienten oder den abzubildenden Teil des
Patienten umgibt. Die kreisförmigen, im Abstand voneinander
versetzten Schleifen werden durch eine Vielzahl von geraden
Leitern oder Stäben, die die Länge der Sonde festlegen,
miteinander verbunden. Eine Version des Vogelkäfig-Resonators
weist Abstimmkondensatoren längs eines jeden Stabes sowie
einen Anpassungskondensator längs eines der Stäbe auf. Die
Leistungseingabe wird an den Anpassungskondensator gelegt.
Dies ist als Tiefpaß-Vogelkäfig-Resonator bekannt.
Eine andere Version des Vogelkäfig-Resonators verwendet Stäbe
ohne Kondensatoren zwischen den entgegengesetzt angeordneten
kreisförmigen Endschleifen, und trennt stattdessen die
kreisförmigen Endschleifen mit Kondensatoren zwischen den
Stäben auf. Diese Version ist als Hochpaß-Vogelkäfig-Resonator
bekannt.
Wie bereits erwähnt, besteht ein schwerwiegendes Problem bei
Vogelkäfig-Resonatorkörpersonden darin, daß sie sehr empfindlich
gegen eine ungünstige Belastung durch den Körper sind.
Sie arbeiten einwandfrei, solange das Objekt ein Gebilde ist,
das vollständig symmetrisch ist. Wenn das Objekt ein Patient
innerhalb des Vogelkäfig-Resonators ist, wird die Sonde durch
die unabdingbare Abweichung von der Symmetrie ungleich
belastet und ergibt Artefakte in den Bildern, verringert das
Signal-Geräusch-Verhältnis und macht die Anwendung höherer
Energie erforderlich.
Ein bekannter Versuch, Sattelspulen und Quadratur-Polarisierung
zu kombinieren, ist in einem Aufsatz "Quadrature
Detection in the Laboratory Frame" von D.I. Hoult et al,
veröffentlich in Magnetic Resonance in Medicine, Band 1,
Seiten 339-351 (1984) erläutert. Der Aufsatz beschreibt
eine Vielzahl von sich überlappenden Sattelspulen, die
theoretisch für die Quadratur verwendet werden können. Die
Umsetzung dieser Theorie hat sich als außerordentlich
schwierig erwiesen.
Wissenschaftler auf diesem Gebiet sind deshalb nach wie vor
auf der Suche nach effizienten Sonden zur Verwendung in Magnetresonanzsystemen,
die eine kreisförmige Polarisierung
ergeben.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, kreisförmig polarisierte
HF-Sonden zur Verwendung in Magnetresonanzsystemen zu
schaffen, und die rechteckförmigen Längsspulen zu isolieren,
um die Verwendung unterschiedlicher Paare von Spulen mit
unterschiedlichen Frequenzen in linearen Polarisierbetriebsarten
zu verwenden, ohne daß es erforderlich ist, die Spulen
für solche unterschiedliche Frequenzen erneut abzustimmen.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des
Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die HF-Sonden nach der Erfindung weisen hohe statische
Magnetfelder in Richtung einer ersten Achse sowie eine
Vorrichtung mit vier Sattelspulen auf, die vorzugsweise so
zueinander angeordnet sind, daß sie einen einzigen Zylinder
koaxial mit dieser ersten Achse festlegen. Die Sattelspulen
besitzen jeweils ein Paar von um 120° gekrümmten Leiterabschnitten,
die durch Längsleiter voneinander getrennt sind;
ferner ist eine Vorrichtung zur Kopplung von HF-Energie mit
jeder der Schleifen in der Weise, daß erste und zweite Paare
von Sattelschleifen erste und zweite Felder erzeugen, die
senkrecht zu der Längsachse und zueinander verlaufen,
vorgesehen.
Mit der Erfindung wird die Eingabe in das erste Paar von
Sattelspulen z. B. in einer Cosinusfunktion variiert, während
die Eingabe in das zweite Paar von Sattelspulen in einer
Sinusfunktion variiert wird. Dies ergibt eine Vektorsumme,
die z. B. um die Achse des Zylinders rotiert, was der Richtung
der Nutation der Kerne bzw. Spine entspricht. Damit wird die
zur Nutation der Spine erforderliche Energie um den Faktor 2
reduziert.
Zum Einsetzen von vier Sattelspulen in einen einzelnen
zylindrischen Raum werden zwei kreisförmige Endschleifen im
Abstand voneinander versetzt und symmetrisch um die Längsachse
des zylindrischen Raumes angeordnet, und ein erstes
sowie ein zweites Paar von Längsspulen wird mit den ersten
und zweiten kreisförmigen Endspulen an Stellen gekoppelt, die
um 90° voneinander versetzt sind. Dem ersten und zweiten Paar
von Längsspulen wird Strom in der Weise aufgegeben, daß das
durch den Strom in den kreisförmigen Endschleifen und den
Strom in Teilen der ersten und zweiten Paare von Längsspulen,
die parallel und benachbart zu den kreisförmigen Endschleifen
angeordnet sind, einander aufheben, wodurch eine Isolierung
zwischen den individuellen Längsspulen der sequentiellen
Sattelspulen erzielt wird.
Des weiteren wird mit der Erfindung die Kopplung der Längsspulen
an Stellen mit Nullpotentialdifferenz der stehenden
Welle vorgeschlagen, die durch abwechselnde Paare von
Sattelspulen erzielt wird, wobei die Isolation im Gegensatz
zu beispielsweise Vogelkäfig-Resonatoren vervollkommnet wird,
bei denen die Isolation davon abhängt, daß der Strom gleichmäßig
in jedem der Längsleiter verteilt ist. In der Praxis
wird der Strom durch bestimmte Faktoren, z. B. die Belastung
und die tatsächlichen Unterschiede in den Impedanzen der
Stromleiter zu den HF-Signalen beeinflußt, so daß der Strom
tatsächlich nicht gleichmäßig in den Längsleitern verteilt is
und deshalb eine Aufhebung und Isolation in Wirklichkeit
nicht auftritt.
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung
anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine HF-Sonde mit vier Längsspulen, die zwischen zwei
gegenüberliegend angeordneten, kreisförmigen Endspulen
eingeschaltet sind,
Fig. 2 eine schematische Darstellung der tatsächlichen
Verbindung der HF-Sonde,
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Schaltverbindung
mit einer der Längsspulen, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung des Stromflusses in den
Spulen nach Fig. 1.
Die Sonde 11 nach Fig. 1 weist eine Vielzahl von entgegengesetzt
zueinander angeordneten Paare von rechteckförmigen,
länglichen Schleifen oder Spulen auf. Insbesondere sind eine
erste längliche Schleife 13 und eine zweite längliche
Schleife 14 im Abstand voneinander auf entgegengesetzten
Seiten einer Achse 16 eines imaginären Zylinders versetzt
dargestellt. Die Achse 16 ist vorzugsweise mit der Z-Achse
des kartesischen Koordinatensystems, das in der Regel in
Verbindung mit Magnetresonanzsystemen verwendet wird,
ausgerichtet, wobei die Z-Achse die Richtung des hohen
statischen Magnetfeldes ist.
Die längliche Schleife 13 ist beispielhaft für alle vier
länglichen Schleifen und wird deshalb im einzelnen beschrieben.
Die Schleife 13 ist die eine Schleife des Paares von
länglichen, rechteckförmigen Schleifen, die aus den Schleifen 13
und 14 bestehen. Die Schleife 13 beispielsweise besitzt
ein Paar länglicher Stromleiter 17 und 18, die parallel
zueinander verlaufen und die miteinander durch entgegengesetzt
zueinander angeordnete Querleiter 19 und 21 verbunden
sind. Die Querleiter sind so gekrümmt, daß sich sich dem
Umfang der zylindrischen Form der Spule anschließen. Die
Konfiguration dieser Stromleiter ist so gewählt, daß sie zwei
Paare von Spulen bilden, die effektiv die bekannte Sattelform
haben. Sattelförmige Spulen ergeben die homogensten Felder.
Bisher war ein Problem, daß Sattelspulen Paare bilden, bei
denen jede Spule einen Bereich von 120° einnimmt, und daß nur
ein Paar von Sattelspulen über einen Bereich von 360°
verwendet werden konnte.
Die rechteckförmige Längsspule weist Leistungskopplungs-
Kondensatorabschnitte A 1 und A 2 auf. Dabei ist ein Paar von
Kopplungsleitern 22 und 23 auf jeder Seite der Kondensatoranordnung,
mit A 1 bezeichnet, geschaltet dargestellt. Die
Kondensatoranordnung ist im einzelnen in Verbindung mit Fig. 3
beschrieben.
Die länglichen Spulen sind miteinander zumindest pyhsikalisch
durch kreisförmige Endspulen 24 und 26 verbunden. Die
kreisförmigen Endspulen sind um die Achse 16 symmetrisch und
um die Länge der Sonde zueinander versetzt angeordnet.
Die Spulen 13 und 14 nehmen HF-Energie in der Weise auf, daß
ein sich änderndes Magnetfeld H 1 cos (wt) in Abhängigkeit von
dem in den Spulen 13 und 14 fließenden Strom erzeugt wird.
Die Richtung des Magnetfeldes ist durch Pfeil 27 dargestellt.
Das Magnetfeld steht senkrecht auf der Z-Achse oder Achse 16.
Der Strom im anderen Paar von länglichen, rechteckförmigen
Spulen 28 und 29 erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld H 2 cos (wt)
in Richtung des Pfeiles 31. Das Magnetfeld H 2
steht senkrecht auf dem Magnetfeld H 1 des ersten Paares von
länglichen, rechteckförmigen Spulen und ferner auch senkrecht
zur Achse 16. Jede Spule eines jeden Paares von länglichen
Spulen besitzt Mitten, die um 180° von der Mitte der anderen
länglichen Spulen des Paares versetzt sind. Jede der länglichen
Spulen besitzt Mitten, die etwa 90° von den Mitten der
anschließenden länglichen Spulen versetzt sind. Die Spulen
selbst erstrecken sich über einen Bogen von 60°. Die länglichen
Spulen sind voneinander um 30° getrennt.
Die vier effektiven Sattelspulen bestehen aus Teilen der
kreisförmigen Endspulen und Teilen der länglichen, rechteckförmigen
Spulen. Beispielsweise weist eine erste effektive
Sattelspule den Teil 24 a der kreisförmigen Endspule 24, der
dick ausgezogen dargestellt ist, und die entsprechenden, dick
ausgezogenen Teile 24 a, 26 a der Endspulen 24 und 26 auf. Die
Teile 24 a und 26 a erstrecken sich über Bögen von 120°. Die länglichen
Stromleiter der ersten effektiven Sattelspule sind
der Leiter 18 der länglichen Spule 13 und der Leiter 20 der
länglichen Spule 14.
Die zweite effektive Sattelspule ist die andere Sattelspule
des ersten Paares von Sattelspulen. Sie besteht aus dem dick
ausgezogenen Teil 24 b der Endspule 24 und dem dick ausgezogenen
Teil 26 b der Endspule 26. Die länglichen Stromleiter sind
der Leiter 17 der Spule 13 und der Leiter 20 der Spule 14.
Die Sattelspulen haben die optimale Sattelspulengeometrie,
d. h., sie erstrecken sich über einen Bogen von 120° und sind
um 60° im Abstand voneinander versetzt.
Das andere Paar von effektiven Sattelspulen erstreckt sich in
ähnlicher Weise von gegenüberliegenden länglichen Leitern der
länglichen Spulen 28 und 29 aus.
Es sind Vorkehrungen vorgesehen, um die Vektorsumme der
Magnetfelder, die durch jedes Paar effektiver Sattelspulen
erzeugt werden, um die Z-Achse zu rotieren. Jedes der Paare
von Sattelspulen wird mit Energie gespeist, die in Abhängigkeit
von einer sin- oder cos-Funktion variiert. Insbesondere
nehmen die Schleifen 13 und 14 z. B. einen Strom I cos (wt)
auf, während die Schleifen 28 und 29 einen Strom I sin (wt)
aufnehmen. Die Vektorsumme des Magnetfeldes, das durch die
Leistungseingabe erzeugt wird, ist ein rotierender Vektor um
die Z-Achse. Die Spine werden in Nutation um die Achse durch
die angelegten Magnetfelder versetzt. Die angelegten Magnetfelder
sind beim Nutieren der Spine wirksamer, wenn die
angelegten Felder auch um die Z-Achse rotieren oder nutieren,
wodurch der Energiebedarf verringert wird.
Die eigentliche Anschlußverbindung für die Energiezufuhr ist
in Fig. 2 dargestellt, die zeigt, wie jede der Kondensatorkopplungsstellen
mit einer Leistungsquelle verbunden ist. Die
Kondensatorkopplungsstellen, die als Kondensatoren A 1, A 2,
A 3, A 4, B 1, B 2, B 3 und B 4 gezeigt sind, weisen jeweils zwei
in Serie geschaltete Kondensatoren auf, wie Fig. 3 zeigt. Ein
erster Kondensator Cm ist ein Anpassungskondensator zur
Anpassung der Spule an die Leitungsimpedanz. Die Leitungsimpedanz
beträgt bei einer bevorzugten Ausführungsform 50 Ohm.
Der zweite Kondensator Ct ist ein Abstimmkondensator, der auf
die gewünschte Frequenz abgestimmt ist. Jeder der Sätze von
Kondensatoren ist in der symmetrischen, schematisch in Fig. 1
dargestellten Anordnung gleich. In der Praxis kann eine
Kopplungsstelle pro Paar effektiver Sattelspulen verwendet
werden. In einem solchen Fall weisen die anderen A- und
B-Stellen nur die Abstimmkondensatoren auf.
Des weiteren sind Vorkehrungen getroffen, um jede längliche,
rechteckförmige Spule in Verbindung mit der kreisförmigen
Endspule so zu verwenden, daß die effektiven Sattelspulen
erzielt werden und daß isolierende stehende Wellen aufgebaut
werden. Insbesondere wird auf die Verbindung 31, 32 der
gegenüberliegend angeordneten Längsspulen 13 und 14 mit der
kreisförmigen Endspule 24 und die Verbindungen 33 und 36 mit
der kreisförmigen Endspule 26 hingewiesen. Das Potential ist
auf halbem Wege zwischen den Verbindungen 31 und 32 in der
kreisförmigen Endspule 24 und den Verbindungen 33 und 36 in
der kreisförmigen Endspule 26 Null. Somit sind die Potentiale
an den Verbindungsstellen 37 und 38 in Bezug auf die Leistung,
die an der Kondensatorkopplungsanordnung, welche mit A 1,
A 2, A 3 und A 4 bezeichnet ist, Null. Somit hat sogar ein
Kurzschluß zwischen den Stellen 37 und 38 keinen Einfluß auf
den Leistungsfluß durch das erste Paar von effektiven
Sattelspulen 13 und 14.
Die Energie, die an die Stellen B 1, B 2, B 3 und B 4 angekoppelt
wird, ist so gewählt, daß die Potentialdifferenzen an den
Stellen 31 und 32 und die Potentialdifferenzen an den Stellen 33
und 36 aufgrund der Potentiale, die an B 1, B 2, B 3 und B 4
angelegt werden, Null sind. Somit hat ein Kurzschluß zwischen
den Kopplungsstellen 32 und 36 und ein Kurzschluß zwischen
den Kopplungsstellen 31 und 33 keinen Einfluß auf die
Energie, die durch das zweite Paar von länglichen Sattelschleifen 28
und 29 fließt. Damit wird eine Isolierung
zwischen den Paaren von effektiven Sattelspulen erhalten.
Weiterhin sind Vorkehrungen getroffen, damit die effektiven
Sattelspulen sich um 120° erstrecken. Insbesondere sind die
Augenblicks-Polaritäten an den Leistungskopplungsanordnungen
von A 1, A 2, A 3, A 4 und B 1, B 2, B 3, B 4 so beschaffen, daß die
durch die kreisförmige Endspule 24 und durch den Querleiter 19
fließenden Ströme beispielsweise gleich und entgegengesetzt
zueinander gerichtet sind, so daß keine durch die
Ströme in der Schleife 24 gegenüber dem Leiter 19 erzeugte
Magnetisierung vorliegt, da die allgemeinen Magnetfelder
aufgehoben werden und die Induktionen dieser Teile der Spulen
sich zu Null addieren. Die Aufhebung stellt auch sicher, daß
keine Quermagnetisierung zwischen den Spulen 13, 28 oder 14,
29 stattfindet. Es wird eine einwandfreie Isolierung erreicht,
wodurch die Verwendung von vier effektiven Sattelspulen
bei der Erzeugung der rotierenden Magnetfelder zum
Nutieren der Spine in der Rotationsrichtung möglich wird.
Ein synergetischer Vorteil der Isolation zwischen den Paaren
von Spulen besteht darin, daß die unterschiedlichen Paare von
Spulen auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmt werden
können. Mit einer derartigen Anordnung können unterschiedliche
Elemente, z. B. Natrium oder Phosphat, in Resonanz
gebracht werden, ohne daß die Spulen erneut abgestimmt werden
müssen.
Im Betrieb besteht die Hybridresonatorsonde aus einem Paar
von kreisförmigen Endspulen, die voneinander im Abstand und
symmetrisch um die Z-Achse angeordnet sind. Es sind zwei
Paare von länglichen Spulen vorgesehen und symmetrisch um
einen imaginären zylindrischen Körper herum angeordnet. Die
entgegengesetzt angeordneten länglichen Spulen bewirken
jeweils, daß ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt wird. Die
Felder stehen senkrecht aufeinander und auch senkrecht auf
der Z-Achse des MRI-Systems. Die Z-Achse verläuft vorzugsweise
koaxial zur Längsachse des imaginären Zylinders. Die
beiden Magnetfelder ergeben im Falle einer Addierung ein
Magnetfeld, das um die Z-Achse rotiert. Die Anordnung
ermöglicht die Verwendung einer geringeren HF-Energie zum
Nutieren der Spine um einen Faktor 2. Die Möglichkeit der
Verwendung einer geringeren Leistung erleichtert oder
eliminiert das Problem einer Wärmeerzeugung durch Leerlaufstrom
in dem Objekt. Ferner wird das Signal-Geräusch-Verhältnis
um einen Faktor Quadratwurzel 2 erhöht. Die Empfindlichkeit
der Empfängersonde auf das MR-Signal wird wegen der
physikalischen Ausrichtung der Quadraturschleifen ebenfalls
erhöht. Somit ergibt sich eine verbesserte, in Kreisrichtung
polarisierte Körpersonde, die die Verwendung höherer Frequenzen
oder einer geringeren Leistung oder unterschiedlicher
Frequenzen ermöglicht, ohne daß die Sonden erneut abgestimmt
werden müssen.
Claims (13)
1. Hybridresonator zur Verwendung als HF-Sonde in Magnetresonanzsystemen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Systeme hohe statische Magnetfelder besitzen, die sich in einer Längsrichtung (16) in einem Zylinder erstrecken,
der Resonator ein Paar von entgegengesetzt und im Abstand zueinander angeordneten kreisförmigen Endspulen (24, 26) aufweist,
die Endspulen (24, 26) jeweils konzentrisch um die gleiche Achse angeordnet sind und eine zylindrische Gestalt haben,
vier Längsspulen (13, 14, 28, 29) zwischen den kreisförmigen Endspulen (24, 26) symmetrisch im Abstand um die zylindrische Form angeordnet sind,
jede der Längsspulen (13, 14, 28, 29) ein Paar von im Abstand versetzten Längsleitern (17, 18) aufweisen, ein Paar von Querleitern (19, 21) die Längsleiter (17, 18) an entgegengesetzten Seiten miteinander verbinden, die Querleiter (19, 21) in der Nähe und parallel zu Teilen der kreisförmigen Endspulen (24, 26) angeordnet sind,
eine Vorrichtung (31, 32, 33, 36) zum Verbinden jeder der Längsspulen (13, 14, 28, 29) mit beiden kreisförmigen Endspulen (24, 26) vorgesehen ist,
eine Kondensatoranordnung (A 1-A 4, B 1-B 4) zur Abstimmung des Hybridresonators auf die gewünschte Resonanz vorgesehen ist, und
eine Vorrichtung die HF-Energie an den Hybridresonator anlegt.
die Systeme hohe statische Magnetfelder besitzen, die sich in einer Längsrichtung (16) in einem Zylinder erstrecken,
der Resonator ein Paar von entgegengesetzt und im Abstand zueinander angeordneten kreisförmigen Endspulen (24, 26) aufweist,
die Endspulen (24, 26) jeweils konzentrisch um die gleiche Achse angeordnet sind und eine zylindrische Gestalt haben,
vier Längsspulen (13, 14, 28, 29) zwischen den kreisförmigen Endspulen (24, 26) symmetrisch im Abstand um die zylindrische Form angeordnet sind,
jede der Längsspulen (13, 14, 28, 29) ein Paar von im Abstand versetzten Längsleitern (17, 18) aufweisen, ein Paar von Querleitern (19, 21) die Längsleiter (17, 18) an entgegengesetzten Seiten miteinander verbinden, die Querleiter (19, 21) in der Nähe und parallel zu Teilen der kreisförmigen Endspulen (24, 26) angeordnet sind,
eine Vorrichtung (31, 32, 33, 36) zum Verbinden jeder der Längsspulen (13, 14, 28, 29) mit beiden kreisförmigen Endspulen (24, 26) vorgesehen ist,
eine Kondensatoranordnung (A 1-A 4, B 1-B 4) zur Abstimmung des Hybridresonators auf die gewünschte Resonanz vorgesehen ist, und
eine Vorrichtung die HF-Energie an den Hybridresonator anlegt.
2. Hybridresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung (31, 32, 33, 36) zum Verbinden jeder
der Längsspulen (13, 14, 28, 29) mit beiden kreisförmigen
Endspulen (24, 26) eine Vorrichtung zum Verbinden jedes
der Querleiter (19, 21) in dessen Mittelpunkt mit den
benachbarten kreisförmigen Endspulen (24, 26) verbindet.
3. Hybridresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kondensatoranordnung in der Vorrichtung zum
Verbinden eines jeden der Querleiter (19, 21) mit der
benachbarten kreisförmigen Endspule (24, 26) angeordnet
ist.
4. Hybridresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zum Anlegen der HF-Energie an den
Hybridresonator eine Vorrichtung zur Kopplung einer
ersten HF-Quelle mit einem Paar von entgegengesetzt
angeordneten Längsspulen (13, 14, 28, 29) und eine
Vorrichtung zum Verbinden einer zweiten HF-Quelle mit dem
anderen Paar von entgegengesetzt angeordneten Längsspulen (28,
29, 13, 14) aufweist, und daß die erste HF-Quelle um
90° gegenüber der zweiten HF-Quelle phasenversetzt ist.
5. Hybridresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kondensatoranordnung einen Anpassungskondensator (Cm)
in Serie mit einem Abstimmkondensator (Ct) aufweist,
und daß die Vorrichtung zum Anlegen der Energie das
Anlegen der HF-Quellen an die Anpassungskondensatoren (Cm)
umfaßt.
6. Hybridresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kondensatoranordnung einen Anpassungskondensator (Cm)
und einen Abstimmkondensator (Ct) in Reihe mit dem
Anpassungskondensator aufweist, wo die HF-Quellen
angeschlossen sind.
7. Hybridresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kondensatoranordnung nur einen Abstimmkondensator
aufweist, wenn die HF-Quelle nicht angeschlossen ist,
wobei der Abstimmkondensator die Vorrichtung zum Verbinden
der Längsspulen mit den kreisförmigen Endspulen
darstellt.
8. Hybridresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Längsspulen (13, 14, 28, 29) sich über jeweils
einen Bogen von 60° erstrecken und voneinander um einen
Bogen von 30° entfernt sind.
9. Hybridresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbindungsstellen der Längsspulen (13, 14, 28,
29) mit den kreisförmigen Endspulen (24, 26) um 90°
voneinander getrennt sind.
10. Hybridresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die HF-Quellen so geschaltet sind, daß der Strom in
den kreisförmigen Endspulen (24, 26) entgegengesetzte
Richtung wie der Strom in den benachbarten Querleitern (19,
21) der Längsspulen (13, 14, 28, 29) hat.
11. Hybridresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die HF-Quelle so geschaltet ist, daß Strom in einem
benachbarten der Längsleiter (17, 18) unterschiedlicher
Längsspulen (13, 14, 28, 29) in entgegengesetzten
Richtungen fließt.
12. Hybridresonator zur Verwendung als HF-Sonde in einem
Magnetresonanzsystem, dadurch gekennzeichnet, daß
das System ein hohes statisches Magnetfeld besitzt, das in einer Längsrichtung in einem Zylinder verläuft, der Resonator ein Paar entgegengesetzt angeordneter, voneinander versetzter, kreisförmiger Endspulen (24, 26) aufweist,
die Endspulen (24, 26) jeweils konzentrisch um die gleiche Achse angeordnet sind und dadurch eine zylindrische Gestalt haben,
vier Längsspulen (13, 14, 28, 29) zwischen den kreisförmigen Endspulen (24, 26) symmetrisch im Abstand versetzt um die zylindrische Form positioniert und so ausgelegt sind, daß sie in Verbindung mit den kreisförmigen Endspulen vier Sattelspulen bilden, die symmetrisch um die zylindrische Gestalt angeordnet sind, wobei jede der Sattelspulen sich über einen Bereich von 120° erstreckt,
die Sattelspulen so geschaltet sind, daß sie paarweise arbeiten, und
jedes der Paare von Sattelspulen entgegengesetzt und im Abstand von 60° voneinander angeordnet sind.
das System ein hohes statisches Magnetfeld besitzt, das in einer Längsrichtung in einem Zylinder verläuft, der Resonator ein Paar entgegengesetzt angeordneter, voneinander versetzter, kreisförmiger Endspulen (24, 26) aufweist,
die Endspulen (24, 26) jeweils konzentrisch um die gleiche Achse angeordnet sind und dadurch eine zylindrische Gestalt haben,
vier Längsspulen (13, 14, 28, 29) zwischen den kreisförmigen Endspulen (24, 26) symmetrisch im Abstand versetzt um die zylindrische Form positioniert und so ausgelegt sind, daß sie in Verbindung mit den kreisförmigen Endspulen vier Sattelspulen bilden, die symmetrisch um die zylindrische Gestalt angeordnet sind, wobei jede der Sattelspulen sich über einen Bereich von 120° erstreckt,
die Sattelspulen so geschaltet sind, daß sie paarweise arbeiten, und
jedes der Paare von Sattelspulen entgegengesetzt und im Abstand von 60° voneinander angeordnet sind.
13. Hybridresonator nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch
eine Vorrichtung zum Abstimmen des Hybridresonators auf
die gewünschte Frequenz, und eine Vorrichtung zum Anlegen
von HF-Energie an den Hybridresonator in der Weise, daß
jedes der Paare von Sattelspulen (13, 14; 28, 29) von dem
anderen Paar von Sattelspulen elektromagnetisch isoliert
ist, wobei jedes Paar von Sattelspulen auf eine andere
Frequenz abstimmbar ist, um ein unterschiedliches Element
in einem Objekt zu aktivieren, das der magnetischen
Resonanzdiagnose in dem Magnetresonanzsystem ausgesetzt
ist.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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