DE3828407C2

DE3828407C2 - Hochfrequenzspule

Info

Publication number: DE3828407C2
Application number: DE3828407A
Authority: DE
Inventors: Michiru Fujita; Masao Higuchi
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1987-08-21
Filing date: 1988-08-20
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2008-08-21
Also published as: GB8819496D0; DE3828407A1; GB2208937B; GB2208937A; US4899108A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenzspule zur Erzeugung eines Magnetfelds zur Inresonanzbringung von Atomkernen durch Strahlung mit einer Hochfrequenzelektromagnetwelle, wobei ein Objekt dieser Welle ausgesetzt wird und als eine Antenne für den Empfang des sich ergebenden Resonanzsignals dient, und zwar in einem Computertomogramm- Bildinstrument der Kernmagnetresonanzbauart; ein solches Instrument wird im folgenden kurz als ein MRI bezeichnet.

Wenn die Bauart einer Hochfrequenzspule zur Inresonanzbringung von Atomkernen dient, und zwar durch Aussenden einer elektromagnetischen Hochfrequenzwelle auf ein Objekt, wobei dieses als eine Antenne zum Empfang des sich ergebenden Resonanzsignals dient, so beeinflußt die Leistungsfähigkeit dieser Spule die Bildqualität in starkem Maße, und zwar hinsichtlich des positionsmäßigen Schlupfes eines Objekts und der Schärfe, so daß Form und Struktur der Hochfrequenzspule mit großer Sorgfalt bestimmt werden müssen.

Eines der wichtigen Merkmale einer Hochfrequenzspule besteht in der Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes mit sehr gleichförmiger Dichte in dem abzubildenden Raumbereich.

Wenn die elektromagnetische Hochfrequenzwelle mit der gleichen Frequenz wie die Resonanzfrequenz in der Richtung senkrecht zur Richtung eines statischen Magnetfeldes abgestrahlt wird, so bewirkt das kernmagnetische Resonanzphänomen, daß das magnetische Moment des Kernspins eine Präzession ausführt, und zwar mit einem Gradienten eines Winkels alpha (rad), erhalten durch die folgende Gleichung bezüglich der Richtung eines statischen Magnetfeldes.

α = γ · bB_RF · t (1)

dabei ist

γ: konstant {=2.6752 × 10⁸ (rad/sec.T)}
B_RF: hochfrequente Magnetflußdichte (T)
t: Zeit der hochfrequenten elektromagnetischen Wellenstrahlung (sec)

Es ergibt sich, daß dann, wenn ein hochfrequentes Magnetfeld eine schlechte Gleichförmigkeit besitzt, oder wenn die hochf requente Magnetflußdichte B_RF einen sich im abzubildenden Raum verändernden Wert aufweist α in der Weise variabel gemacht wird, daß die Strahlung eines Hochfrequenzimpulses zum Erhalt von α = 90° einen Gradienten von 80° oder 100° zur Folge haben kann, mit dem eine kernmagnetische Resonanz die Präzes sion ausführt. Ein ähnliches Phänomen tritt dann auf, wenn die Spule ein Resonanzsignal empfängt, so daß die Intensität des empfangenen Signals aus dem Kernspin im abzubildenden Raum variabel sein kann. Eine derart große Veränderung ist ein Hindernis hinsichtlich des Erhaltes eines ausgezeichneten Bildes.

Aus der DE-OS-31 31 946 sowie der EP-A-0 107 238 sind zwei Hoch frequenzspulen bekannt, bei denen gerade zueinander parallele Leitungsabschnitte an der Umfangsoberfläche eines Kreiszylinders angeordnet sind. Bei der DE-OS-3 31 946 werden zur Verbesserung des Signal- Rauschverhältnisses bei einer Hochfrequenz von über 20 Megahertz erste und zweite Spulen verteilt, beispielsweise sind die Spulen um 90° bezüglich einander verdreht auf der Oberfläche des Kreiszylinders um elektrische Ströme um 90° verschoben voneinander in den entsprechenden Spulen fließen zu lassen. Bei der EP-A-0 107 238 wird eine Verbesserung des Signal-Rauchver hältnisses dadurch erreicht, daß die Eigenresonanzfrequenz der HF-Spule wesentlich höher gelegt wird als die höchste Frequenz komponente des Resonanzsignals, welches gemessen werden soll.

In dem US-Patent 4,686,473 ist eine Hochfrequenzspulenanordnung gezeigt, bei der gerade zueinander parallele Leitungsabschnitte auf der Außenumfangsfläche eines ellipti schen Zylinders angeordnet sind und ein homogenes Magnetfeld da durch erhalten wird, daß man einen Strom in die einzelnen Spulen in identischer Richtung fließen läßt.

In dem GB-A-20 56 086 wird eine Empfangsspule der Sattelbauart und eine rechteckige Anregungsspule gezeigt, wobei die Spule der Sattelbauart nicht zur Erzeugung eines Magnetfeldes dient, sondern eine Empfangsspule ist.

Weiterhin ist aus der DE-OS-27 55 357 eine Spule zur Erzeugung von Magnetfeldern hoher Homogenität beschrieben, bei der mehrere Windungen vorgesehen sind, die so ausgebildet sind, daß ein Ma gnetfeld im Inneren der Spule am homogensten ist.

Es ist notwendig, ein hochfrequentes magnetisches Feld in der Richtung senkrecht zur Richtung eines statischen Magnetfeldes erzeugt durch einen Magneten anzulegen. Im Falle des MRI, welches einen supraleitenden Magneten als den Magneten verwendet, tritt, da die Achse eines menschlichen Körpers, wie in Fig. 1 gezeigt, als Objekt verwendet wird, ein Zusammenfallen mit der Richtung eines durch einen Magneten 4 erzeugten statischen Magnetfeldes auf, wobei üblicherweise als Hochfrequenzspule sattelförmige Spulen 1A und 2A, wie in Fig. 1 gezeigt, verwendet werden.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Anordnung einer konventionellen Hochfrequenzspule. Die Hochfrequenzspule wird durch zwei sattelförmige Spulen 1A und 2A gebildet, die auf und ab positioniert sind und vertikal symmetrisch ausgebildet sind. Jede der sattelförmigen Spulen weist jeweils zwei gerade Leitungsabschnitte 1A1, 1A2 bzw. 2A1 und 2A2 auf, und zwar angeordnet parallel zueinander, wobei ferner zwei Bogenabschnitte 1A3, 1A4 bzw. 2A3 und 2A4 vorgesehen sind. Sie werden durch Biegen eines Leiters geformt.

Ein Mittelpunkt in dem durch zwei sattelförmige Spulen 1A und 2A umschlossenen Raum wird als ein Ursprung O angenommen, eine Achse auf der Ebene parallel zur Ebene, die die Abschnitte 1A1 und 1A2 enthält, und durch den Ursprung vertikal zu den Leitungsabschnitten verläuft, wird als x-Achse angenommen und eine Achse schließlich die senkrecht zur x-Achse verläuft und durch den Ursprung geht, wird als y-Achse angenommen, und ferner wird eine Achse, die parallel zu den Leitungsabschnitten vorgesehen ist, als die z-Achse angenommen. Ausgedrückt hinsichtlich jeder der x-, y-, oder z-Koordinaten der dreidimensionalen Koordinaten, die oben erwähnt angeordnet sind, verlaufen diese sattelförmigen Spulen symmetrisch bezüglich der z-x-Ebene, die die z- und x-Achsen enthält, der x-y-Ebene, die die x- und y-Achsen enthält und der y-z-Ebene. Der Ursprung O kann auch als eine Mitte eines Objektabschnitts im Falle der Abbildung eines Abschnitts eines Objekts eingestellt werden. Das durch diese Hochfrequenzspule erzeugte Hochfrequenzmagnetfeld besitzt eine symmetrische Verteilung bezüglich der drei Symmetrie-Ebenen wie die obenerwähnte Hochfrequenzspulenanordnung. Die Hochfrequenzmagnetfelder erzeugt an der Mitte durch die sattelförmigen Spulen 1A und 2A sind beide längs der y-Achse verteilt und der Strom fließt durch diese Spulen, um so beide Magnetfelder erzeugt durch diese Spulen zueinander zu addieren, d. h. die erzeugten Magnetfelder werden in die gleiche Richtung gerichtet. Wenn das um die Mitte herum erzeugte Magnetfeld weiter vom Ursprung weg ist, so hat es mehr Magnetfeldkomponenten mit Ausnahme der y-Achse-Komponente, so daß das Magnetfeld fortschreitend verformt wird. Diese Art der Verformung ist im wesentlichen definiert durch die durch die Leitungsabschnitte der sattelförmigen Spulen erzeugten Magnetfelder. Wenn die Leitungsabschnitte länger sind als eine vorbestimmte Länge, so haben die Bogenabschnitte wenig Einfluß auf die Magnetfelder und dieses Einflußniveau ist an der Umfassungskonstruktionsstufe vernachlässigbar. Dies bedeutet, daß die Gleichförmigkeit der Hochfrequenzspule unter wesentlicher Steuerung der Positionsbeziehung zwischen den Leitungsabschnitten steht.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, welche die Hochfrequenzspule an der x-y-Ebene zeigt. Die Positionsbeziehung zwischen den Leitungsabschnitten der Hochfrequenzspulen ergibt sich aus dieser Ansicht. Die sich vom Ursprung O zum Leiter 1A1 angeordnet in einem ersten Quadranten erstreckende Linie trifft auf die x-Achse unter einem Winkel von 30°. Der Leiter 1A2 ist symmetrisch zum Leiter 1A1 bezüglich der y-Achse. Die Leiter 2A1 und 2A2 sind jeweils symmetrisch zu den Leitern 1A1 und 1A2 bezüglich der x-Achse. Diese Position ist eine der optimalen Auslegung zur Erzeugung gleichförmiger Magnetfelder mittels dieser sattelförmigen Spulen 1A und 2A. Somit sind die zur sattelförmigen Spulenart gehörenden Hochfrequenzspulen, wie sie bei dem konventionellen MRI verwendet werden, sämtlich auf der Basis dieser Bedingung angeordnet.

Es gibt zwei Verfahren zum Darstellen der Magnetfelderver teilungsgleichförmigkeit dieser Spulenart. Somit ist der Optimalzustand der Gleichförmigkeit für jedes Verfahren etwas unterschiedlich. Bei einem Verfahren wird der Optimalzustand als ein Zustand identifiziert, wo die Ordnung der weggelassenen Ausdrücke höher liegt, wenn die Magnetflußverteilung auf der y-Achse durch eine Potenzreihe von y dargestellt wird. Das andere Verfahren ist ein Verfahren, welches mehrere repräsentative Gleichförmigkeit erfordernde Punkte im Objektraum wählt und den Optimalzustand als einen Zustand definiert für die geringste Veränderung der Magnetflußdichten an diesen Punkten. Genau gesagt unterscheiden sich die Optimalbedingungen, die man mit diesen beiden Verfahren erhält, voneinander. In der Praxis jedoch ist die Differenz zwischen beiden klein, so daß die Auswahl des Verfahrens von der Schwierigkeit bei der Suche nach dem Optimalzustand abhängt. Wenn beispielsweise numerische Berechnungen zur Suche des Optimalzustands in der Konstruktionsstufe verwendet werden, so ist es richtig, das erste Verfahren zu verwenden, um die Ordnung der weggelassenen Ausdrücke in den Potenzreihen zu erhöhen, und beim Abschätzen der Gleichförmigkeit vorgesehen durch die hergestellte Hochfrequenzspule ist das letztgenannte Verfahren das beste. Es ist natürlich möglich, den Zustand zu erhalten für die niedrigste Variation der Magnetflußdichte in dem Objektraum, und zwar mittels numerischer Berechnungen und Identifikation davon als einem Optimalzustand.

Wenn man als B(y) die Magnetflußdichtenverteilung in y-Richtung auf der y-Achse annimmt, und zwar um die Dichte des durch zwei vertikalsymmetrische sattelförmige Spulen erzeugten Magnetflusses, und wenn man mit G_2m einen Koeffizienten des Ausdrucks 2m-ter Ordnung bezeichnet, und zwar erzeugt durch Entwickeln von B(y) in einer Potenz- oder Exponentialreihe von y, so wird B(y) durch die folgende Gleichung repräsentiert.

Unter Berücksichtigung der Symmetrie der sattelförmigen Spulen werden die Ausdrücke mit ungeradzahligen Ordnungen weggelassen.

B(y) = B₀ + G_2y² + G_4y⁴ + G_6y⁶ + . . . + G_2my^2m + . . . (2)

dabei ist

B₀: Magnetflußdichte am Ursprung
G₂m: Koeffizient des Ausdrucks 2m-ter Ordnung und Funktion relativ zum Wert von (a, b) entsprechend der Position des Leitungsabschnitts.

Wenn die Länge des Leitungsabschnitts mit unendlicher Länge angenommen wird und die Abschnittsgröße des Leitungsabschnitts ignoriert wird, so wird B(y) durch die folgenden Gleichungen, die bekannt sind, repräsentiert.

dabei ist

a: x-Koordinate im Leitungsabschnitt 1A1
b: y-Koordinate im Abschnitt 1A1
I: Stromwert im Leiter einer Hochfrequenzspule
µ0: Magnetische Permeabilität im Vakuum.

B₀ ist B(0). Der Koeffizient des Ausdrucks G_2m 2m-ter Ordnung kann durch Differenzieren von b(y) 2m-mal bezüglich y berechnet werden, wie sich dies aus der folgenden Gleichung ergibt.

B₀ und G₂ werden erhalten durch Verwendung dieser Gleichung (4) mit der Gleichung (3), wie oben gezeigt.

Die Bedingung, um G₂ den Wert 0 zu geben, wird durch die folgende Gleichung repräsentiert.

3b²-a² = 0 (7)

Diese Gleichung zeigt, daß die sich vom Ursprung zur Position des Leitungsabschnitts erstreckende Linie die x-Achse unter einem Winkel von 30° trifft. So ist dieser Zustand der gleiche wie der Optimalzustand für die obenerwähnten sattelförmigen konventionellen Spulen.

Wie oben ausgeführt, erreicht man mit einer Hochfrequenzspule der sattelförmigen Spulenbauart eine hohe Gleichförmigkeit eines Magnetfeldes dadurch, daß man zwei sattelförmige Spulen anordnete, jede bestehend aus Ein-Windungsleiter in einer vertikal-symmetrischen Art und Weise, wobei die Leitungsabschnitte so vorgesehen wurden, daß sie die x-Achse unter einem Winkel von 30° treffen, und wobei in der Gleichung (2) der y²-Ausdruck weggelassen wurde.

In der Vergangenheit wurde es zunehmend notwendig, die Größe einer Hochfrequenzspule zu reduzieren, und zwar sowohl hinsichtlich einer Verbesserung der MRI Leistungsfähigkeit und auch hinsichtlich der Verringerung der Kosten. Es ist erforderlich, verschiedene Arten von Spulengruppen angeordnet im Magneten rationell zu konstruieren und herzustellen, um die Radialinnengröße des Magneten, wie beispielsweise eines supraleitenden Magneten, zu vermindern. Da insbesondere die Hochfrequenzspule außerhalb des menschlichen Körpers angeordnet ist, der als ein Objekt verwendet wird, beschränkt deren Größe die Größe sämtlicher außerhalb dieser Hochfrequenzspule angeordneten Spulen. Somit trägt die Größenverminderung der Hochfrequenzspule stark zur Verminderung der Größe des MRI Systems bei. Um ferner die Untersuchungszeit zu vermindern, ist es erforderlich, in effizienter Weise eine hochfrequente elektromagnetische Welle auszustrahlen und ein Resonanzsignal zu empfangen, und somit ist es vorzuziehen, die Hochfrequenzspule nahe einem Objektkörper anzuordnen. Eine weitere, bei der Hochfrequenzspule erforderliche Eigenschaft ist jedoch die Gleichförmigkeit des erzeugten hochfrequenten magnetischen Feldes, wie dies oben erläutert wurde. Die Größenreduktion einer Hochfrequenzspule im gleichen Maßstab hat eine Verminderung des Raumes zur Folge, in dem ein gleichförmiges Hochfrequenzmagnetfeld aufrechterhalten wird, welches kleiner wird als der notwendige Raum. Man erkennt somit, daß es zur Größenverminderung einer Hochfrequenzspule notwendig ist, eine Spule vorzusehen, um einen großen gleichförmigen Magnetfeldraum aufrechtzuerhalten, ohne die Spule in ihrer Größe zu vergrößern. Die konventionelle Hochfrequenzspule wird dadurch konstruiert, daß man zwei sattelförmige Spulen in einer vertikalsymmetrischen Art und Weise, wie oben beschrieben, anordnet, so daß sie die Gleich förmigkeit nicht weiter verbessern kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochfrequenzspule anzugeben, mit der bei reduzierter Größe ein hochgleichförmiges Hochfrequenzmagnetfeld im notwendigen Raum beibehalten werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Hochfrequenzspule die Merkmale des Anspruchs 1 auf.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, die darstellt, wie eine Hochfrequenzspule verwendet werden kann;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer konventionellen Hochfrequenzspule;

Fig. 3 einen Schnitt längs der x-y-Ebene einer konventionellen Hochfrequenzspule;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzspule;

Fig. 5 einen Schnitt längs der x-y-Ebene des Ausführungsbeispiels der Fig. 4;

Fig. 6-8 jeweils Diagramme, welche die Beziehungen zwischen einem Optimalwinkel R_OP und einem Verhältnis von Hauptachse zu Nebenachse einer Ellipse η zeigen, wobei die Anzahl der Einheitsspulen einer Hochfrequenzspule 2, 3 oder 4 ist;

Fig. 9 einen Schnitt längs der x-y-Ebene einer Hochfrequenzspule eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung; und

Fig. 10 eine Abwicklungsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Hochfrequenzspule gemäß der Erfindung.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die Hochfrequenzspule dieses Ausführungsbeispiels besteht aus einer ersten Einheitsspule 1, die zwei sattelförmige Spulen 11 und 12 aufweist und ferner aus einer zweiten Einheitsspule 2, die zwei sattelförmige Spulen 21 und 22 aufweist. Die sattelförmige Spule 11 weist zwei Leitungsabschnitte 111 und 112 auf, und zwar parallel angeordnet zueinander und ferner sind zwei bogenförmige Abschnitte 113, 114 an beiden Seiten der Leitungsabschnitte vorgesehen; die sattelförmige Spule 12 weist zwei Leitungsabschnitte 121, 122 parallel zueinander sowie zwei bogenförmige Abschnitte 123, 124 auf. In gleicher Weise besitzen die sattelförmigen Spulen 21 bzw. 22 Leitungsabschnitte 211, 212 bzw. 221 und 222, und zwar angeordnet parallel zueinander, und ferner sind Bogenabschnitte 213, 214 bzw. 223, 224 vorhanden.

Die sattelförmigen Spulen 11 und 12 und die sattelförmigen Spulen 21 und 22 können miteinander in Serie bzw. parallel zueinander geschaltet sein. Die erste Einheitsspule 1 kann mit der zweiten Einheitsspule 2 in Serie oder parallel geschaltet sein und sie können zudem jeweils mit einer unabhängigen Leistungsquelle verbunden sein.

Die erste Einheitsspule 1 ist mit der zweiten Einheitsspule 2 in der Weise kombiniert, daß sie eine gemeinsame Mitte und eine gemeinsame Längsmittelachse aufweisen. Diese Mitte wird als ein Ursprung O einer Koordinatenachse angenommen und die Längsmittelachse wird als die z-Achse angenommen. Ferner wird die Achse als x-Achse angenommen, die auf der Ebene vorgesehen ist, welche den Ursprung O enthält und parallel verläuft mit der Ebene, welche die Leitungsabschnitte 111 und 112 enthält und senkrecht zur z-Achse verläuft. Die Achse senkrecht zur x-Achse und zur z-Achse wird als y-Achse angenommen.

Darüber hinaus sind die sattelförmigen Spulen in der Weise angeordnet, daß diese Spulen 11, 12, 21 und 22 jeweils symmetrisch zueinander relativ zur x-y-Ebene und zur y-z-Ebene ausgebildet sind und die Leitungsabschnitte der sattelförmigen Spulen 11, 12 und die Leitungsabschnitte der sattelförmigen Spulen 21, 22 sind symmetrisch zueinander bezüglich der x-z-Ebene. Die Symmetrie relativ zur x-y-Ebene erfordert jedoch weniger Genauigkeit als die Symmetrie relativ zu den anderen Ebenen.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht längs der x-y-Ebene der in Fig. 4 gezeigten Hochfrequenzspule. Die Positionen der Leitungsabschnitte der sattelförmigen Spulen sind dabei angedeutet und sind symmetrisch zur x-Achse und zur y-Achse. Mit dem Bezugszeichen 3 ist ein elliptischer zylinderartiger Spulenträger bezeichnet, auf dem sämtliche Leitungsabschnitte 111, 112, 122, 211, 212, 221 und 222 angeordnet sind. Auf der x-y-Ebene sind die Leitungsabschnitte 111, 112, 121 und 122 an jeder Ecke eines Rechtecks angeordnet und die Leitungsabschnitte 211, 212, 221 und 222 sind an jeder Ecke eines weiteren Rechtecks angeordnet. Man nehme an, daß die Stromflußrichtung durch den Leitungsabschnitt 111 in Richtung abnehmendem z erfolgt (der Strom fließt von der Stirnseite der Seite zur Rückseite der Seite der Fig. 5), so sind diese sattelförmigen Spulen miteinander in der Weise verbunden, daß der Leitungsabschnitt 211 im ersten Quadranten und die Leitungsabschnitte 121 und 221 im vierten Quadranten die gleiche Stromrichtung besitzen wie der Leitungsabschnitt 111, und die Leitungsabschnitte 112, 212, 122 und 222 im zweiten und dritten Quadranten besitzen die entgegengesetzte Stromrichtung zum Leitungsabschnitt 111. Auf diese Weise wird der Magnetfluß auf der y-Achse erzeugt durch die Ströme, die durch diese Leitungsabschnitte fließen, in der inkrementalen Richtung auf der y-Achse gerichtet sein. Die Definition der Positionen der Leitungsabschnitte 111 und 211 im ersten Quadranten bestimmt die Definition der Positionen der anderen Leitungsabschnitte zum Erhalt der dargestellten Symmetrie.

Nimmt man, wie in Fig. 5 gezeigt, einen Winkel zwischen der x-Achse und der sich vom Ursprung zum Leitungsabschnitt 111 im ersten Quadranten relativ zur Einheitsspule mit R₁ an, und einen Winkel relativ zur zweiten Einheitsspule mit R₂, so definiert die Definition dieser Winkel R₁ und R₂ in einzigartiger Weise die Positionen sämtlicher Leitungsabschnitte auf der Ellipse.

Die auf der y-Achse durch diese ersten und zweiten Einheitsspulen erzeugte Magnetflußdichteverteilung wird durch folgenden Gleichungen gegeben, die Potenzreihen bezüglich y sind.

B₁(y) = B₀ + A₂y² + A₄y⁴ + A₆y⁶ + A_2my^2m + . . . (8)

B₂(y) = B₀ + C₂y² + C₄y⁴ + C₆y⁶ + C_2my^2m + . . . (9)

dabei ist:

B₁(y): Magnetflußdichteverteilung erzeugt durch die erste Einheitsspule 1
A_2m: Koeffizient des Ausdrucks 2m-ter Ordnung
B₂(y): Magnetflußdichteverteilung erzeugt durch die zweite Einheitsspule
C_2m: Koeffizient der 2m-ten Ordnung.

Die Koeffizienten A_2m und C_2m entsprechen G_2m in der obenerwähnten Gleichung (2). Somit können diese Koeffizienten durch die folgenden Gleichungen bezüglich der Gleichung (4) repräsentiert werden:

Wie oben beschrieben, ist G_2m eine Funktion relativ zur Koordinate (a, b) des Leitungsabschnitts, und demgemäß zum Winkel R zwischen der Linie, die sich vom Ursprung zum Leitungs abschnitt erstreckt. In gleicher Weise ist A_2m eine Funktion relativ zum Winkel R₁ und C_2m ist eine Funktion relativ zum Winkel R₂. Zudem sind diese Koeffizienten auch Funktionen relativ zur Form und Größe der Ellipse, auf der jeder Leitungsabschnitt angeordnet ist, wobei es aber in diesem Falle nicht notwendig ist, diese Funktionen zu betrachten, da die Form und Größe konstant sind. Wenn die resultierende Verteilung aus der Kombination der zwei Magnetflußdichteverteilungen B₃(y) bezeichnet wird, so wird dies durch die folgende Gleichung angegeben:

B₃(y) = B₁(y) + B₂(y)
= 2B₀ + (A₂ + C₂)y² + (A₄ + C₄)y⁴
+ (A₆ + C₆)y⁶ + . . . + (A_2m + C_2m)y^2m + . . . (12)

In Wirklichkeit ist y kleiner als 1, so daß die Ausdrücke niedrigerer Ordnung in Gleichung (12) die Gleichförmigkeitsverschlechterung des Magnetfeldes stärker beeinflussen. Daher wird der Optimalzustand für die erste und zweite Einheitsspulenkonfiguration der Hochfrequenzspule erhalten durch Weglassen der Koeffizienten der Ausdrücke von niedriger Ordnung zu höherer Ordnung mit Ausnahme des Ausdrucks 0ter Ordnung. Für die Weglassung gibt es nur zwei Variable R₁ und R₂, so daß der Optimalzustand angenommen wird als das Weglassen der Koeffizienten der Ausdrücke zweiter und vierter Ordnung. Das bedeutet, daß der Zustand angenommen wird als die Unbekannten R₁ und R₂ enthaltend, um die folgenden zwei Gleichungen zu erfüllen.

Da diese Simultangleichungen nicht linear sind, können die Lösungen, die so genau wie erforderlich sind, erhalten werden mittels einer iterativen Berechnung, wie beispielsweise dem Verfahren nach Newton-Raphson.

In der Hochfrequenzspule gebildet aus vier Einheitsspulen, von denen jede aus zwei sattelförmigen Spulen gebildet ist, sind die Simultangleichungen zum Erhalt der Optimalwinkel jeder Spule R₁, R₂, R₃ und R₄ die folgenden:

In diesen Gleichungen bezeichnen die Funktionen D bzw. E die Koeffizienten jedes Ausdrucks von Potentialreihen in y, die erhalten werden durch Entwicklung der Magnetfeldverteilung auf der y-Achse erzeugt durch die dritte und vierte Einheitsspule. Die Indexzahl bezeichnet die Ordnung.

Jeder Koeffizient ist auch eine Funktion mehrerer Bedingungen, wie beispielsweise der Länge eines Leitungsabschnitts und der Form eines Bogenabschnitts (nicht in Fig. 5 gezeigt), so daß es notwendig ist, schließlich die Optimalspule auf der Basis detaillierter Berechnungen der Magnetflußdichte zu konstruieren, und zwar unter Berücksichtigung dieser Bedingungen. Wie man dies tut, wird im folgenden beschrieben.

Das Gesetz von Biot-Savart ist auf dem Gebiet der elektromagnetischen Technik bekannt und wird dazu verwendet, um die Dichte des Magnetflusses zu berechnen, der durch eine Hochfrequenzspule erzeugt wird, und zwar unter Berücksichtigung einer bestimmten Länge des Leitungsabschnitts und des Bogenabschnitts. Dieses Gesetz repräsentiert die Gleichung zum Erhalt der Magnetfeldverteilung erzeugt durch einen kleinen Strom, der durch den Leitungsabschnitt, wie oben beschrieben, fließt.

dabei ist:

B(x, y, z): Magnetflußdichte der Koordinate (x, y, z) wenn eine bestimmte Position, an der ein kleiner Strom fließt, als ein Ursprung angenommen wird
i: Größe des kleinen Stromes
r: Abstand zwischen der Position mit der Magnetflußdichte B und dem Ursprung
e_i, e_r: Dreidimensionale Vektoren für den kleinen Strom i und den Abstand r.

Die Magnetflußdichte B(x, y, z) an irgendeinem Punkt (x, y, z) kann berechnet werden durch Integration dieser Gleichung (15) längs eines Leiters der sattelförmigen Spule und durch Akkumulation der Resultate relativ zu sämtlichen sattelförmigen Spulen, d. h. durch die folgende Gleichung:

dabei ist:
I: Der durch den Leiter jeder sattelförmigen Spule fließende Strom
N: Die Anzahl der Einheitsspulen, jede bestehend aus zwei sattelförmigen Spulen
C_n: zeigt die Integration sämtlicher Leiter in der n-ten Einheitsspule an
d₁: Kleines Segment der Leitung auf der C_n-ten Einheitsspule
r: Abstand zwischen dem kleinen Segment der Leitung und dem Punkt (x, y, z)
e_t: Einheitsvektor, der die Richtung des Stromflusses durch das kleine Segment der Leitung angibt
e_r: Einheitsvektorrichtung von dem kleinen Segment der Linie d1 zum Punkt (x, y, z).

Zum Erhalt der Optimalbedingung für eine Hochfrequenzspule ist es notwendig, B(0, y, 0), zu differenzieren, was ein Wert von B(x, y, z) auf der y-Achse ist, gezeigt in der obenerwähnten Gleichung bezüglich y. Für das Verfahren ist es also möglich, einen Koeffizienten eines Ausdrucks m-ter Ordnung zu erhalten, und zwar durch Verwendung einer Gleichung erhalten durch Differenzierung von B(0, y, 0) m-mal relativ zu y anstelle der Gleichung (16). In Wirklichkeit besteht ein geeigneteres Verfahren für numerische Berechnungen unter Verwendung eines Computers in einem unterschiedlichen Verfahren, d. h. einer numerischen Differentiation anstelle eines Differentialverfahrens. Nimmt man an, daß y_m = m · y ist, so ist es möglich, B(0, 0, 0), B(0, y₁, 0), B(0, y₂, 0), B(0, y₃, 0) . . . B(0, y_m, 0) zu erhalten. Wenn wir dann jeden Wert davon den B₀, B₁, B₂, B₃ und B_m sein lassen, so sieht die folgende Differenzgleichung einen annähernden Wert G_k vor, und zwar erzeugt als ein Resultat des k-fachen des Differentials von B(0, y, 0).

Diese Gleichungen werden genauer, wenn Δy kleiner wird, während es notwendig ist, einen richtigen Wert zu wählen, da der Fehler infolge des Ziffern- oder Digitalabfalls größer wird, wenn Δy kleiner wird. Im Computer-Programm jedoch bringt die Definition einer Doppelpräzisionsrealzahl zu einer Realzahl normalerweise kein Problem.

Um den Optimalwert für O zu erhalten, für die Repräsentation der Position des Leitungsabschnitts der sattelförmigen Spule, werden die obenerwähnten Simultangleichungen gemäß dem folgenden Verfahren gelöst.

(a) Ein Anfangswert eines Winkels R für jede Einheitsspule wird als der Winkel R für den Optimalzustand erhalten gemäß dem später beschriebenen Approximationszustand angenommen.
(b) Es sei angenommen, daß ein Koeffizient eines Ausdrucks mit jeder Ordnung entsprechend R dazu G_{2m 0} ist. G_{2m 0} wird durch die Gleichung (17) berechnet.
(c) G_2m ist eine Funktion von R relativ zu einer sattelförmigen Spule. Die Annäherung kann durch folgende Gleichung erfolgen. Diese Annäherung ist ebenfalls eine der Taktiken zum Lösen nicht-linearer Simultangleichungen.
(d) Nimmt man einen Koeffizient des Ausdrucks jeder Ordnung mit G_2mn an, für den der Winkel der n-ten Einheitsspule R_n leicht verändert wird, als R_n → R_n + R.
Dieses G_2mn wird mittels der Gleichung (17) in einer ähnlichen Weise zu (b) berechnet. Der Koeffizient α_2mj der obigen Gleichung wird durch die untenstehende Gleichung berechnet. α_2mj = (G_2mn-G_{2m 0})/ΔR
(e) Die beiden obigen Gleichungen bilden lineare Simultangleichungen der N-Dimension mit unbekanntem R_j (j = 1, 2, 3, . . ., N) durch Substitution dieses α_2mj in G_2m. Durch Lösung dieser Gleichungen ist es möglich, einen optimaleren Zustand zu erhalten als den Zustand, der durch die Approximation eines Winkels jeder Einheitsspule, wie oben beschrieben, erreicht wird. Ein noch besserer Optimalwert von R kann wiederum erhalten werden durch Berechnung dieses neu erhaltenen Wertes R aus den (b) Punkten.

Wie oben beschrieben, gestattet die iterative Berechnung, daß der Zustand dichter an den tatsächlichen Optimalzustand herankommt. Da die Variation von R in jeder Iterationszeit jedoch kleiner gemacht wird, ist es in Ordnung die Berechnung dann abzubrechen, wenn die Genauigkeit als zufriedenstellend erkannt wird. Die iterative Kalkulation konvergiert jedoch nur, wenn R einen richtigen Anfangswert besitzt, so daß dieser Anfangswert von R ein Wert sein muß, der nahe am Optimalwert liegt. Wenn der Wert von R weit weg vom Optimalwert liegt, so kann eine beschleunigende Erhöhung und Divergenz eintreten, ohne daß das konvergierende Resultat der iterativen Berechnung erhalten wird. Demnach ist das Festsetzen eines Anfangswerts von R sehr wichtig bezüglich der iterativen Berechnung. Es ist besser als diesen Anfangswert den Wert von R jeder Einheitsspule vorgesehen als den Optimalzustand durch Approximationsberechnung zu verwenden, wo der Leitungsabschnitt eine unbegrenzte Länge besitzt. Das Berechnungsresultat unter Verwendung dieses Wertes wird später beschrieben.

Wenn ferner ein großer Leiter nahe der Hochfrequenzspule verbleibt und die Wirbelströme dieses Leiters erzeugt durch eine Hochfrequenzelektromagnetwelle die obenerwähnte Magnetflußdichteverteilung B(0, y, 0) beeinflussen oder wenn eine magnetische Substanz in der Nähe vorhanden ist und den Wert von B(0, y, 0) in einer ähnlichen Weise beeinflußt, so kann die obenerwähnte Magnetflußdichteverteilungsberechnung unter Verwendung der Integration eine unterschiedliche Verteilung gegenüber der tatsächlichen vorsehen. Um mit einem solchen Fall zurecht zu kommen, ist es notwendig, ein Magnetfeldbe rechnungsverfahren höheren Niveaus zu verwenden, und zwar einschließlich eines endlichen oder finiten Elementverfahrens, eines Grenzelementverfahrens oder eines Verfahrens zur Trennung von Variablen, wobei aber das Basisverfahren zum Erhalt des Optimalzustands festliegt.

Wie hinsichtlich des Standes der Technik beschrieben, liegt das berechnete Ergebnis vorgesehen für den angenäherten Zustand, wo der Leitungsabschnitt eine unendliche Länge besitzt, nahe dem genauen Optimalzustand, so daß der Optimalzustand grob erfaßt werden kann unter Verwendung dieses einfachen Annäherungszustandes oder dieser Annäherungsbedingung. Ferner ist der optimale Winkel R_OP vorgesehen unter dem Annäherungszustand sehr wichtig für einen Anfangswert im Falle des Erhalts des genauen Optimalzustands, bei dem die Form der sattelförmigen Spule mittels der iterativen Berechnung berücksichtigt wird.

Die Gleichung der Magnetflußdichte B(y) ist im Falle dieses angenäherten Zustands ein einfacher algebraischer Ausdruck, wie er in der obenerwähnten Gleichung (3) gezeigt ist, so daß dieser bezüglich y mehrere Male differenziert werden kann. Es ist somit nicht notwendig, einen zu differenzierenden Wert zu approximieren, und zwar mittels der Gleichung (17). Die Berechnungsergebnisse unter dem angenäherten Zustand sind in den Fig. 6, 7 und 8 gezeigt, wo die Anzahl der Einheitsspulen 2 bzw. 3 bzw. 4 beträgt.

In den Fig. 6, 7 und 8 repräsentiert die Achse der Abszisse η= d/c, d. h. das Verhältnis der Hauptsache c zur Neben- oder kleineren Achse d der in Fig. 5 gezeigten Ellipse. Die Achse der Ordinate repräsentiert den Optimalwinkel R_OP. Die ausgezogene Linie A bzw. die gestrichelte Linie B stehen für eine Kombination mehrerer Optimalwinkel R_OP. Somit sind zwei Paare optimaler Winkel für eine Ellipsenform vorgesehen.

Der bevorzugteste Zustand ist der, daß der Winkel R der Leitungsabschnitte jeder Einheitsspule angeordnet im ersten Quadranten dem Optimalwinkel R_OP entspricht. Dieser Winkel R kann im Bereich von R_OP±5° liegen, wenn aber R diesen Bereich übersteigt, so wird die Gleichförmigkeit eines Magnetfeldes bemerkenswert verformt.

In diesem Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß die Schnittposition des Leitungsabschnitts der Spule auf einer Ellipse liegt, weil der Schnitt im normalen Untersuchungszustand, wo ein menschlicher Körper auf seinem Rücken liegt, durch seine Schulterbreite relativ zur Horizontalgröße und seine Kopfdicke relativ zur Vertikalgröße definiert wird. Der menschliche Körper hat normalerweise eine größere Schulterbreite als Kopfdicke. Somit ist es zweckmäßig, eine elliptische Form zu verwenden, die in der Breite länger ist als ein Kreis, um dadurch einen menschlichen Körper zu umschließen und eine Spule so dicht wie möglich zum menschlichen Körper vorzusehen. Darüber hinaus wird in der Praxis im Falle der Herstellung ein Spulenleiter auf einem vorbestimmten Spulenkörper durch Biegen geformt. Ferner wird eine Anzahl von Spulen auf den Spulenkörper aufgewickelt, um so deren eingenommenen Raum in Radialrichtung einer Hochfrequenzspule zu reduzieren. Zudem ist in den graphischen Darstellungen, welche die obenerwähnten Berechnungsergebnisse zeigen, eine Ellipse horizontal länger, wenn das Achsenverhältnis der Ellipse kleiner als 1 ist und vertikal länger, wenn es größer als 1 ist. Wenn die Hochfrequenzspule eine Ellipse verwendet, die vertikal länger ist, so ist es besser, in ihr die Anordnung derart vorzusehen, daß die x-Achse und y-Achse ausgetauscht werden.

Die Konstruktion einer Hochfrequenzspule der oben beschriebenen Art gestattet, daß ein Koeffizient jedes Ausdrucks der Potenzreihe 0 ist, und zwar in der Weise, daß im Falle von zwei Einheitsspulen die Koeffizienten der Ausdrücke bis zur 4ten Ordnung, im Falle von drei Einheitsspulen die Koeffizienten von Ausdrücken bis zur 6ten Ordnung und im Falle von vier Einheitsspulen die Koeffizienten von Ausdrücken bis zur 8ten Ordnung alle Null sein können. Infolgedessen kann durch diese Konstruktion eine Hochfrequenzspule erhalten werden, die wesentlich gleichförmiger ist, verglichen mit konventionellen Hochfrequenzspulen einschließlich nur einer Einheitsspule.

Ausführungsbeispiel 2

Das weitere bevorzugte Ausführungsbeispiel einer Hochfrequenzspule gemäß der vorliegenden Erfindung sei nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben. Fig. 9 zeigt eine Hochfrequenzspule mit einer ersten Einheitsspule bestehend aus zwei sattelförmigen Spulen, deren jede Leitungsabschnitte 111, 112 bzw. 121, 122 enthält und eine zweite Einheitsspule bestehend aus zwei sattelförmigen Spulen jeweils einschließlich Leitungsabschnitten 211, 212, 221, 222, vorgesehen in einer Schnittansicht geschnitten längs der Ebene senkrecht zu den Leitungsabschnitten. Jede sattelförmige Spule und elektrische Verbindungen zwischen den sattelförmigen Spulen und den Einheitsspulen wurden bereits unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben.

Die Leitungsabschnitte 111, 112, 121 und 122 und die Leitungsab schnitte 211, 212, 221 und 222 beider Einheitsspulen besitzen jeweils entsprechende Ecken von Rechtecken auf der Ebene senkrecht dazu. Die zwei Rechtecke umfassen ihre Mitten gemeinsam miteinander und die entsprechenden Seiten, beispielsweise die Seiten 111-112 und 211-212 und die Seiten 111-121 und 211-221 verlaufen parallel zueinander. Anders ausgedrückt, sind unter der Annahme einer Achse angeordnet parallel zu einer Seite des Rechtecks und durch die Mitte O verlaufend als x-Achse, einer Achse angeordnet parallel mit der anderen Seite des Rechtecks und durch die Mitte O verlaufend als y-Achse, und einer Achse angeordnet senkrecht zur x-Achse und y-Achse als z-Achse, die vier Leitungsabschnitte 111, 112, 211 und 212 und die anderen vier Leitungsabschnitte 121, 122, 221 und 222 symmetrisch zueinander bezüglich der x-z-Ebene. In gleicher Weise sind die Leitungsabschnitte 111, 121, 211 und 221 und die anderen vier Leitungsabschnitte 112, 122, 212 und 222 symmetrisch zueinander relativ zur y-z-Ebene. Die Symmetrie relativ zur x-y-Ebene erfordert jedoch weniger Genauigkeit als die Symmetrie relativ zu den anderen Ebenen. Sämtliche Leitungsabschnitte sind auf der Umfangsoberfläche eines elliptischen Zylinders angeordnet.

In dem Koordinatensystem unter Verwendung der x-Achse und y-Achse, wie oben beschrieben, ist die Koordinate des Leitungsabschnitts 111 angeordnet im ersten Quadranten (x₁, y₁) und die des Leitungsabschnitts 211 ist (x₂, y₂), wie in Fig. 9 gezeigt.

Der Optimalzustand oder die Optimalbedingung für die Konstruktion jeder Einheitsspule einer Hochfrequenzspule besteht darin, soviel wie möglich Koeffizienten von Ausdrücken niederer Ordnung in der Gleichung (12) wegzulassen, wie dies unter Bezugnahme auf das Verfahren des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Unbekannte für das Weglassen ein Koordinatenwert (x_Ln, y_Ln) eines Leitungsabschnitts jeder Einheitsspule. Für zwei Einheitsspulen sind bei diesem Ausführungsbeispiel vier Variable vorgesehen. Wenn die zwei Leitungsabschnitte die gleichen Relativpositionen miteinander besitzen, ähneln die durch diese erzeugten Magnetflußverteilungen einander, so daß einer der vier Koordinatenwerte fest und die anderen drei Werte werden als Unbekannte angenommen werden. Somit können für zwei Einheitsspulen die Koeffizienten der Ausdrücke mit der Ordnung 2, 4 und 6 Null gemacht werden. Nimmt man den festen Koordinatenwert als x_{L 1} an, d. h. den X-Achsenwert einer ersten Einheitsspule und y_{L 1}, x_{L 2}, y_{L 2} als die drei Unbekannten, so können die optimalen Koordinatenwerte (x_Ln, y_Ln) (n = 1, 2) durch Lösen der folgenden dreidimensionalen Simultangleichungen erhalten werden.

Diese dreidimensionalen Simultangleichungen sind nicht linear, so daß diese Gleichungen so exakt wie erforderlich erhalten werden können mittels eines iterativen Berechnungsverfahrens wie beispielsweise dem Verfahren von Newton-Raphson.

Für drei Einheitsspulen sind fünf Unbekannte y_{L 1}, x_{L 2}, y_{L 2}, x_{L 3}, y_{L 3} vorgesehen, die durch die folgenden Simultangleichungen erhalten werden. Die Koeffizienten der Ausdrücke von der ersten bis zur zehnten Ordnung können Null gemacht werden. Die Funktion D in dieser Gleichung bezeichnet einen Koeffizienten jedes Ausdrucks, in der potenzreihenentwickelten Magnetfeldverteilung auf der Y-Achse erzeugt durch eine dritte Einheitsspule relativ zur Y-Achse. Die numerischen Werte der Indizes bezeichnen die Ordnung.

Für vier Einheitsspulen sind sieben Unbekannte vorgesehen, so daß die Koeffizienten der Ausdrücke von der ersten bis zur vierzehnten Ordnung weggelassen werden können. Betrachtet man zudem, daß die Koeffizienten von Ausdrücken ungeradzahliger Ordnung sämtliche Null gemacht werden wegen der symmetrischen Konstruktion der Spule, so ist für N Einheitsspulen die Anzahl der in den Simultangleichungen zu lösenden Elemente 2N-1 und die Koeffizienten der Ausdrücke im Bereich von der zweiten bis zur (4N-2)-ten Ordnung können Null gemacht werden.

In diesem Ausführungsbeispiel kann zur Konstruktion einer optimalen Spule bei der exakten Magnetflußdichtenberechnung unter Berücksichtigung einiger Faktoren wie der tatsächlichen Form einer Hochfrequenzspule, der genaue Optimalzustand mittels des unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Verfahrens erhalten werden.

Der Optimalzustand kann auch vorgesehen werden durch Erhalt der Magnetflußdichte B(y) unter Verwendung der Gleichung (3). Die folgenden Werte zeigen die berechneten Resultate der optimalen Koordinatenwerte (x_Lnop, x_Lnop) im angenäherten Zustand im Falle von zwei oder drei Einheitsspulen an. Diese Berechnung wird ausgeführt zur Festlegung des Koordinatenwertes von x₁ als 1 und die anderen Koordinatenwerte werden als Relativwerte dargestellt.

a) Für zwei Einheitsspulen gilt: x₁ = 1.000000, y₁ = 0.299437
x₂ = 0.726390, y₂ = 0.917547
b) Für drei Einheitsspulen gilt: x₁ = 1.000000, y₁ = 0.204198
x₂ = 0.879327, y₂ = 0.618183
x₃ = 0.592212, y₃ = 1.057506

Es ist am bevorzugtesten zu gestatten, daß eine x-Koordinate und eine y-Koordinate eines Leitungsabschnitts angeordnet im ersten Quadranten zwischen den Leitungsabschnitten, die jede Einheitsspule bilden die gleichen sind mit einer Optimalkoordinate x_Lnop und y_Lnop. Die oben beschriebene x-Koordinate x_Ln und y_Ln kann jedoch im Bereich von x_Lnop±10% und y_Lnop±10% liegen. Es ist besser, das Übersteigen dieser Grenze zu vermeiden, da die Gleichförmigkeit eines Magnetfeldes dabei beträchtlich verformt wird.

Da, wie oben beschrieben, die Hochfrequenzspule aus mehreren Einheitsspulen besteht, kann man zusätzlich zu den Koeffizienten der Ausdrücke ungeradzahliger Ordnung die Koeffizienten der Ausdrücke bis zur sechsten, zehnten und (4N-2)-ten Ordnung Null für zwei bzw. drei bzw. N Einheitsspulen werden lassen. Demgemäß ist es möglich, eine Hochfrequenzspule zu erhalten, die eine wesentlich bessere Gleichförmigkeit vorsieht als die konventionelle Hochfrequenzspule bestehend aus einer Einheitsspule.

Die beschriebene Hochfrequenzspule wird durch eine Vielzahl von Einheitsspulen aufgebaut, deren jede zwei sattelförmige Spulen aufweist, die vertikal symmetrisch zueinander sind wie dies oben beschrieben wurde. Dabei gilt folgendes: wenn N die Anzahl der Einheitsspulen ist und die x-y-Ebene-Koordinatenposition eines Leiters angeordnet im ersten Quadranten verwendet wird und ferner die Optimalkoordinatenposition jeder Einheitsspule definiert wird, wo die Koeffizienten der Ausdrücke mit Ausnahme desjenigen der nullten Ordnung Null gemacht werden unter den Koeffizienten von Ausdrücken entsprechender Ordnung die vorgesehen werden, wenn eine Potenzreihen entwicklung vorgenommen wird relativ zu y über die Verteilung der y-Achse des Magnetflusses hinweg, und zwar erzeugt durch die Hochfrequenzspule, und wobei ferner jede Einheitsspule an der Koordinatenposition nahe der Optimalkoordinatenposition angeordnet ist. Da daher diese Hochfrequenzspule den gleichförmigen Raum so breit wie erforderlich hält und da dieser in seiner Größe vermindert wird, trägt diese Spule zu einer Gesamtgrößenverminderung des MRI-Systems bei und damit zu einer Absenkung der Kosten. Ferner kann die Hochfrequenzspule dichter an den Objektkörper herankommen, so daß die Hochfrequenzelektromagnetwelle zu den Kernen eingestrahlt wird, die in magnetischer Resonanz kommen sollen, und zwar wesentlich intensiver und mit einer Verbesserung der Empfindlichkeit des Resonanzsignales. Infolgedessen erhält man ein Schnittbild mit wenig Turbulenz.

Beispiel 3

Fig. 10 zeigt eine Abwicklungsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzspule. Die sattelförmigen Spulen 11 und 12 sind an der Oberseite in Fig. 4 angeordnet und sie stehen elektrisch in Parallelverbindung miteinander und die sattelförmigen Spulen 12 und 22 angeordnet an der Unterseite in Fig. 4 sind ebenfalls elektrisch parallel miteinander verbunden. Ferner stehen sämtliche sattelförmigen Spulen in Parallelverbindung miteinander. An einem Verbindungspunkt zwischen dem Leitungsabschnitt 111 und dem Bogenabschnitt 113 ist ein Kondensator 23 in der Weise eingesetzt, daß der Kondensator 23 elektrisch in Serie mit dem Leitungsabschnitt 111 und dem Bogenabschnitt 113 liegt. Kein Kondensator ist mit der sattelförmigen Spule 21 verbunden. In ähnlicher Weise wird ein Kondensator 24 in die sattelförmige Spule 23 zwischen Leitungsabschnitt 121 und Bogenabschnitt 123 eingesetzt.

Um die Leitungsabschnitte 111, 112, 211 und 212 an der zuvor erwähnten Optimalposition anzuordnen, ist die Länge der Bogenabschnitte 213 und 214 kürzer als die der Bogenabschnitte 113 bzw. 114. Die Länge der Bogenabschnitte 223 und 224 ist auch kürzer als die der Bogenabschnitte 123 bzw. 124. Eine Hochfrequenzspannung wird an die sattelförmigen Spulen 11, 12, 21 und 22 durch die Klemmen 25A und 25B angelegt.

Wenn die sattelförmigen Spulen jeder Einheitsspule parallel miteinander verbunden sind, so wird die elektrische Länge des Leiters kürzer und die Streukapazität wird kleiner. Wenn jedoch die elektrischen Ströme, die durch jede sattelförmige Spule fließen durch die Selbstinduktivität jeder sattelförmigen Spule und die gegenseitige Induktivität davon bestimmt werden, so sind die elektrischen Ströme, die in jeder sattelförmigen Spule fließen nicht identisch.

Durch Verbindung des Kondensators 23 mit dem Leiter wie in Fig. 10 gezeigt, ist es möglich, die Impedanz der sattelförmigen Spule 11 auf den Impedanzwert der sattelförmigen Spule 21 zu reduzieren. Somit können die in den Spulen 11 und 21 fließenden elektrischen Ströme ins Gleichgewicht gebracht werden. In gleicher Weise können durch Verbindung des Kondensators 24 mit dem Leitungs abschnitt 121 und dem Bogenabschnitt 123 die in den Spulen 12 und 22 fließenden elektrischen Ströme ins Gleichgewicht gebracht werden.

Die Kondensatoren 23 und 24 werden in die sattelförmigen Spulen 11 und 12 an den Verbindungsteilen zwischen dem Leitungsabschnitt und dem Bogenabschnitt jeder Spule eingesetzt. Die Verbindungsteile sind normalerweise gebildet durch Biegen eines Leiters oder durch Schweißen von Leitern. Dadurch, daß man den Kondensator an diesem Teil des Leitungsabschnitts einsetzt, wird dieser mit dem Bogenabschnitt durch den Kondensator verbunden, so daß der Leitungsabschnitt und der Bogenabschnitt leicht miteinander verbunden werden können. Die Kondensatoren 23 und 24 müssen eine solche Kennlinie besitzen, daß sie bei einer angelegten Frequenz und Spannung von mehreren Zehnern von Megahertz und mehreren Kilovolt verwendet werden können.

Alternativ können die Bogenabschnitte 213, 214, 223 und 224 nicht vorgesehen sein und der Leitungsabschnitt 211 kann mit den Bogenabschnitten 113 und 114 verbunden sein und der Leitungsabschnitt 212 kann mit dem Bogenabschnitt 113 und Klemme 25B verbunden sein, wobei in ähnlicher Weise der Leitungsabschnitt 221 mit den Bogenabschnitten 123 und 124 verbunden sein kann und der Leitungsabschnitt 222 kann mit dem Bogenabschnitt 123 und der Klemme 25B verbunden sein. In diesem Fall ist vorzuziehen, daß die Kondensatoren eingesetzt werden zwischen dem Leitungsabschnitt 111 und dem Bogenabschnitt 113, Leitungsabschnitt 112 und Bogenabschnitt 113, Leitungsabschnitt 121 und Bogenabschnitt 123 und Leitungsabschnitt 122 und Bogenabschnitt 123. Durch Einsetzung von Kondensatoren können die in jede Spule fließenden elektrischen Ströme ins Gleichgewicht gebracht werden.

Claims

1. Hochfrequenzspule zur Erzeugung eines Magnetfeldes,
gekennzeichnet durch:
eine Vielzahl von Einheitsspulen (1, 2) deren jede folgendes aufweist:
eine erste Elementarspule (11, 21) mit zwei parallel zueinander angeordneten geraden Leitungsabschnitten (111, 112, 211, 212) und eine zweite der ersten symmetrisch zu einer Symmetrieachse (z) gegenüberliegende Elementarspule (12, 22) mit zwei parallel mit den zwei geraden Leitungsabschnitten der ersten Elementarspule angeordneten geraden Leitungsabschnitten (121, 122, 221, 222); wobei alle Leitungsabschnitte in der Vielzahl von Einheitsspulen an einer Außenumfangsoberfläche (3) eines gemeinsamen elliptischen Zylinders vorgesehen sind, der seine Längsmitte auf einer Ebene (x, y) hat, welche die die Symmetrieachse (z) bildende Mittelachse des elliptischen Zylinders senkrecht schneidet;
wobei die Durchstoßpunkte der vier in jeder Einheitsspule vorgesehenen geraden Leitungsabschnitte durch die erwähnte Ebene die Ecken eines Rechtecks bilden, und alle aus den Einheitsspulen gebildeten Rechtecke einen durch den Schnittpunkt der Symmetrieachse (z) mit dieser Ebene gebildeten gemeinsamen Mittelpunkt (O) besitzen und entsprechende Seiten aller Rechtecke parallel zueinander angeordnet sind; und wobei die Leitungsabschnitte in jeder Einheitsspule und alle Einheitsspulen elektrisch derart verbunden sind, daß ein Magnetfluß in der gleichen Richtung an dem erwähnten gemeinsamen Mittelpunkt erzeugt wird.

2. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn der gemeinsame Mittelpunkt (O) einen Koordinatenursprung eines x-, y-, z-o Koordinatensystems bildet, dessen x- und y-Achsen eine der Haupt- und Nebenachsen einer Ellipse sind, die Schnitt des elliptischen Zylinders ist, und dessen z-Achse die Mittelachse des elliptischen Zylinders ist, daß dann, wenn R ein Winkel zwischen der x-Achse und einer Geraden ist, die sich von dem Ursprung zu einer Position des Durchstoßpunkts eines Leitungsabschnitts durch die x-y-Ebene erstreckt, der in einem ersten Quadranten der x-y-Ebene angeordnet ist, und zwar ausgewählt aus den erwähnten vier Leitungsabschnitten jeder Einheitsspule, der Winkel R innerhalb des Bereichs eines Optimalwinkels R_op±5° liegt, wobei der Optimalwinkel R_op jeder Einheitsspule derart bestimmt ist, daß in einer Potenzreihenentwicklung für die von der Hochfrequenzspule auf der y-Achse erzeugte Magnetflußdichte die Koeffizienten der Ausdrücke bis zur zweiten Ordnung Null werden mit Ausnahme der 0-ten Ordnung.

3. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn ein Ursprung eines x-, y-, z- Koordinatensystems der gemeinsame Mittelpunkt (O) ist und die Richtungen der x- und y-Achsen parallel zu der einen oder anderen Seite der entsprechenden Rechtecke sind, wenn N die Zahl der Einheitsspulen ist, wenn ein Koordinatenwert des Durchstoßpunkts einer der vier Leitungsabschnitte, die eine n-te Einheitsspule bilden, durch den ersten Quadranten der x-y-Ebene definiert wird als (x_Ln, y_Ln), die Koordinatenwerte x_Ln und y_Ln innerhalb des Bereichs optimaler Koordinatenwerte x_Lnop±10% und y_Lnop±10% liegen, wobei die optimalen Koordinatenwerte (x_Lnop, y_Lnop) für jede Einheitsspule derart bestimmt sind, daß in einer Potenzreihenentwicklung für die von der Hochfrequenzspule auf der y-Achse erzeugte Magnetflußdichte die Koeffizienten der Ausdrücke von der zweiten bis zur (4N-2)-en Ordnung Null werden.

4. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elementarspule in jeder Einheitsspule elektrisch mit der zweiten Elementarspule parallel geschaltet ist.

5. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitsspulen elektrisch miteinander parallel verbunden sind.

6. Hochfrequenzspule nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kondensatoren (23, 24) in jede der Elementarspulen von mindestens einer der Vielzahl von Einheitsspulen eingesetzt sind, so daß jeder dieser Kondensatoren in Serie mit mindestens einem der beiden Leitungsabschnitte (111, 121) liegt (Fig. 10).