DE3705314A1 - Hybridresonator - Google Patents

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.

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.

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.