DE3850559T2

DE3850559T2 - Vorrichtung zum schnellen Ausserbetriebsetzen einer Feldspule der magnetischen Kernresonanz.

Info

Publication number: DE3850559T2
Application number: DE3850559T
Authority: DE
Inventors: Matthew G Eash
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-12-21
Filing date: 1988-12-20
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2008-12-21
Also published as: DE3850559D1; US4833409A; EP0322192B1; EP0322192A3; JPH024329A; EP0322192A2; JPH0417654B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Magnetresonanz (NMR bzw. MR)- Bildgebungssysteme. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Hochfrequenz-MR-Spulenanordnung.
Jeder Atomkern, der ein magnetisches Moment besitzt, versucht, sich mit der Richtung des Magnetfeldes auszurichten, in dem er angeordnet ist. Dabei präzediert der Kern jedoch um diese Richtung mit einer charakteristischen Winkelfrequenz (Larmor-Frequenz) die von der Stärke des Magnetfeldes und von den Eigenschaften der spezifischen Kernspezies abhängt (der magnetogyrischen Konstante q des Kerns). Kerne, die dieses Phänomen aufweisen, werden hier als "Spins" bezeichnet.
Wenn eine Substanz, wie beispielsweise menschliches Gewebe, einem gleichförmigen statischen Magnetfeld (polarisierendes Feld Bz) ausgesetzt wird, versuchen sich die einzelnen magnetischen Momente der Spins in dem Gewebe mit diesem polarisierenden Feld auszurichten, aber sie präzedieren um diese in einer zufälligen Ordnung bei ihrer charakteristischen Larmor-Frequenz. Es wird ein resultierendes magnetisches Moment Mz in der Richtung des polarisierenden Feldes erzeugt, aber die zufällig orientierten magnetischen Komponenten in der senkrechten oder transversalen Ebene (x-y-Ebene) heben einander auf. Wenn jedoch die Substanz oder das Gewebe einem Magnetfeld (hochfrequentes Anregungsfeld B&sub1;) ausgesetzt wird, das in der x-y-Ebene liegt und das an der Larmor-Frequenz ist, kann das resultierende ausgerichtete Moment Mz in die x-y-Ebene gedreht oder "gekippt" werden, um ein resultierendes magnetisches Quermoment M&sub1; zu erzeugen, das sich in der x-y-Ebene bei der Larmor-Frequenz dreht oder umläuft (Spin-Bewegung). Der Grad, bis zu dem das resultierende magnetische Moment Mz gekippt wird und demzufolge die Größe des resultierenden magnetischen Quermomentes M&sub1; hängt hauptsächlich von der Länge der Zeit und der Größe des angelegten HF-Anregungsfeldes B&sub1; ab.
Der praktische Wert dieses Phänomens liegt in dem Signal, das durch die angeregten Spins emittiert wird, nachdem das HF-Anregungsfeld B&sub1; beendet worden ist. In einfachen Systemen induzieren die angeregten Spins ein oszillierendes Sinuswellensignal in der Aufnehmerspule. Die Frequenz dieses Signals ist die Larmor-Frequenz und seine Anfangsamplitude A&sub0; wird durch die Größe des magnetischen Quermomentes M&sub1; bestimmt. Die Amplitude A des Emissionssignals fällt in einer exponentialen Weise mit der Zeit t gemäß der folgenden Gleichung ab:
A = A&sub0;et/T*2
Die Abfallkonstante 1/T*&sub2; hängt von der Homogenität des Magnetfeldes und von T&sub2; ab, das als die "Spin-Spin-Relaxations"-Konstante oder die "Transversale Relaxations"-Konstante bezeichnet wird. Die Konstante T&sub2; ist umgekehrt proportional zu der exponentialen Rate, mit der die ausgerichtete Präzession der Spins nach der Beseitigung des HF-Beseitigungssignales B&sub1; in einem perfekt homogenen Feld dephasieren würde.
Ein weiterer wichtiger Faktor, der zu der Amplitude A des MR-Signals beiträgt, wird als der Spin-Gitter-Relaxationsprozeß bezeichnet, der durch die Zeitkonstante T&sub1; charakterisiert ist. Diese wird auch der longitudinale Relaxationsprozeß genannt, da er die Rückkehr des resultierenden magnetischen Momentes M in seinen Gleichgewichtswert entlang der Achse der magnetischen Polarisation (z) beschreibt. Die Zeitkonstante T&sub1; ist länger als T&sub2;.
Die MR-Messungen von besonderer Relevanz für die vorliegende Erfindung werden "Puls-MR-Messungen" genannt. Diese MR-Messungen werden in eine Periode der Anregung und eine Periode der Signalemission unterteilt. Diese Messungen werden in zyklischer Weise ausgeführt, wobei die MR-Messung viele Male wiederholt wird, um während jedes Zyklus unterschiedliche Daten zu akkumulieren oder um die gleiche Messung an verschiedenen Stellen in dem Subjekt zu machen. Es sind eine breite Vielfalt von vorbereitenden Anregungstechniken bekannt, die die Anlegung von einem oder mehreren HF-Anregungspulsen (B&sub1;) verschiedener Größe und Dauer beinhalten. Diese HF-Anregungspulse können ein schmales Frequenz- Spektrum (selektiver Anregungspuls) haben oder sie können ein breites Frequenz-Spektrum (nicht-selektiver Anregungspuls) haben, das eine transversale Magnetisierung M&sub1; über einem Bereich von Resonanzfrequenzen erzeugt. Der Stand der Technik ist reich an Anregungstechniken, die dafür ausgelegt sind, Vorteil aus bestimmten MR-Phänomenen zu ziehen und die bestimmte Probleme in dem MR-Meßprozeß überwinden.
Wenn die Magnetresonanz angewendet wird, um Bilder zu erzeugen, wird eine Technik verwendet, um MR-Signale von speziellen Stellen in dem Subjekt zu erhalten. Typischerweise wird der abzubildende Bereich (interessierender Bereich) einer Sequenz von MR-Meßzyklen ausgesetzt, die sich gemäß dem angewendeten jeweiligen Lokalisierungsverfahren ändern. Die empfangenen MR-Signale werden digitalisiert und verarbeitet, um das Bild zu rekonstruieren, wobei eine von vielen bekannten Rekonstruktionstechniken verwendet wird. Um eine derartige Abtastung durchzuführen, ist es selbstverständlich notwendig, MR-Signale von speziellen Stellen in dem Subjekt zu erhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß Magnetfelder (GX, GY, und GZ) verwendet werden, die die gleiche Richtung wie das polarisierende Feld B&sub0; haben, die aber einen Gradienten entlang den entsprechenden x-y- und z-Achsen haben. Durch Steuern der Stärke dieser Gradienten während jedes MR-Zyklus kann die räumliche Verteilung der Spin- Anregung gesteuert und die Lage der MR-Signale identifiziert werden.
Die Magnetresonanz hat sich schnell entwickelt in eine Bildgebungsmodalität, die verwendet werden kann, um tomografische, Projektions- und volumetrische Bilder von anatomischen Merkmalen von lebenden menschlichen Subjekten zu erhalten. Derartige Bilder zeigen die Kern-Spinverteilung (typisch Protonen, die Wasser und Fett zugeordnet sind), die durch spezifische MR-Eigenschaften von Geweben, beispielsweise Spin-Gitter-(T&sub1;) und Spin-Spin-(T&sub2;) Relaxationszeitkonstanten modifiziert sind. Sie sind von medizinischem diagnostischem Wert, weil sie Anatomie zeigen und eine Charakterisierung von Gewebe gestatten.
Es gibt eine Anzahl von Techniken, die angewendet werden, um das HF-Anregungsfeld (B&sub1;) zu erzeugen und das MR-Signal zu empfangen. Es ist recht üblich, getrennte, speziell ausgelegte Anregungs- und Empfängerspulen zu verwenden. In vielen Anwendungsfällen wird die Anregung durch eine große Körperspule geliefert, die große Mengen an HF-Leistung handhaben kann, um ein homogenes HF-Magnetfeld über einem großen Bereich zu liefern. Es wird dann eine kleinere "oberflächen"-Anregungsspule verwendet, um die MR-Signale von einem lokalisierten Abschnitt des Subjektes zu empfangen. Beispielsweise können unterschiedliche Oberflächenspulen zur Bildgebung des Kopfes und Halses, Beinen und Armen oder verschiedenen inneren Organen des Patienten verwendet werden. Die Oberflächenspule sorgt für eine relativ hohe Empfindlichkeit für die gesendeten oder empfangenen MR-Spulen über dem interessierenden Bereich.
Wie bereits ausgeführt wurde, sind sowohl das Anregungssignal als auch das zu empfangende Signal beide auf der Larmor-Frequenz. Infolgedessen muß sowohl die Anregungsspule als auch die Empfängerspule abgestimmt sein, um bei dieser Frequenz in Resonanz zu schwingen. Eine Schwierigkeit tritt auf, wenn zwei Spulen, die auf die gleiche Frequenz abgestimmt sind, in dem gleichen Bereich verwendet werden, da die zwei Spulen sich wechselseitig beeinflussen. Dies bewirkt eine Ungleichförmigkeit in dem Anregungsfeld, Frequenz- und Impedanzverschiebungen in beiden Spulen und ein verschlechtertes Signal in der Oberflächenspule.
In Magnetic Resonance in Medicine, Bd. 3, Nr. 1, Februar 1986, Seiten 157-163, New York, USA; M.R. Bendall et al "Elimination of Couplin between Cylindrical Transmit Coils and Surface-Receive Coils for in vivo NMR" ist eine Anordnung zur Eliminierung einer Kopplung zwischen großen zylindrischen Sende- und Oberflächenempfangsspulen beschrieben, wobei ein λ/4-Kabel verwendet wird, das mit gekreuzten Dioden nach Erde bzw. Masse abgeschlossen ist und zwischen die Empfängerspule und Erde bzw. Masse eingesetzt ist und wobei ein Kabel mit etwas weniger als λ/2 verwendet wird, das zwischen die Sendeanpassungskapazität und die normalen gekreuzten Dioden in der Sendeeingangsleitung eingesetzt ist. In einem Ausführungsbeispiel werden ein λ/4-Kabel und ein Reed-Relais nach Erde bzw. Masse verwendet für eine aktive Verstimmung. Von diesem Verfahren wird jedoch gesagt, daß es auf kleine Magneten und tiefe Frequenzen beschränkt ist durch das Erfordernis für die Reed-Relais, die physikalisch außerhalb des Magneten sein müssen. Es wird vermutet, daß, wenn die gekreuzten Dioden durch aktiv geschaltete PIN-Dioden ersetzt werden, ein adäquates Verfahren erhalten würde, um benachbarte Sendespulen aktiv abzustimmen und zu verstimmen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Hochfrequenz-MR-Spulenanordnung, enthaltend eine zylindrische Feldspule, die ein Paar leitfähiger Schleifenelemente, die im Abstand entlang einer Mittelachse angeordnet sind und mehrere leitfähige Segmente aufweist, die das Paar leitfähiger Schleifenelemente an periodischen Punkten um jedes der Schleifenelemente herum elektrisch miteinander verbinden und die Reaktanzelemente aufweisen, deren Werte bewirken, daß die zylindrische Käfigspule bei einer gegebenen Frequenz in Resonanz schwingt; eine Abschirmung, die um das durch die zylindrische Käfigspule erzeugte Magnetfeld herum angeordnet ist und dieses enthält, wobei die Hochfrequenz-MR-Spulenanordnung gekennzeichnet ist durch mehrere Impedanzelemente, die getrennt jedes der leitfähigen Spulenelemente mit Erdpotential koppeln, die Impedanzelemente, die jeder Schleife zugeordnet sind, unabhängig entlang dem Umfang der Schleife verbunden sind und die Impedanzelemente zwischen zwei Impedanzwerten umschaltbar sind, um die Resonanz der zylindrischen Käfigspule bei der gegebenen Frequenz schaltbar zu verstimmen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine MR-Hochfrequenzspule von einer geerdeten Abschirmung teilweise umgeben. Die Spule weist zwei leitfähige Endschleifen auf, die entlang einer Mittelachse angeordnet sind, wobei sich mehrere leitfähige Segmente periodisch zwischen den zwei Endschleifen erstrecken. Die leitfähigen Segmente weisen Reaktanzelemete auf, die Werte haben, die bewirken, daß die Spule bei einer gegebenen Hochfrequenz in Resonanz schwingt.
Ein schaltbarer Impedanzkreis ist zwischen jede der leitfähigen Endschleifen und die geerdete Abschirmung geschaltet. Durch Verändern der Impedanz dieses Kreises kann die Feldspule von ihrer Resonanzfrequenz verstimmt werden. Während des Betriebes der Spule in einem MR-Bildgebungssystem stellt die Schaltungsanordnung einen Pfad mit hoher Impedanz zwischen jeder der Endschleifen und Erde bzw. Masse dar, der gestattet, daß die Spule bei der gegebenen Frequenz in Resonanz schwingt. Die in diesem Zustand befindliche Spule wird erregt, um das Anregungsfeld für die MR-Bildgebung hervorzurufen. Wenn das MR-Bildgebungssystem in den Empfangsmodus gebracht wird, wird die Schaltungsanordnung umgeschaltet, um einen Pfad mit kleiner Impedanz zwischen der Spule und Erde bzw. Masse darzustellen. Dieser eine kleine Impedanz aufweisende Pfad verstimmt die Spule von der gegebenen Frequenz, wodurch ermöglicht wird, daß andere Spulen in dem Bildgebungssystem eine lokalisierte Anregung erzeugen oder Emissionen von dem abgebildeten Subjekt ohne Interaktion mit der Feldspule aufnehmen.
Gemäß einem Aspekt schafft die Erfindung eine Einrichtung zum selektiven Verstimmen einer HF-Spule von einem MR-Bildgebungssystem.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine derartige Verstimmeinrichtung geschaffen, die in der Lage ist, die Spule rasch zwischen abgestimmten und verstimmten Zuständen umzuschalten. Ein weiterer Aspekt der Erfindung versucht die Umschaltung mit einem eine im Vergleich zu der Spannung des HF-Signals relativ kleine Spannung aufweisenden Schaltsignal herbeizuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Spulenverstimmschaltung geschaffen, die eine hohe Leistung aufweisenden Anregungssignalen widerstehen kann, die entweder direkt an die Spule angelegt werden oder in der Spule durch die Anregung von einer benachbarten Spule induziert werden.
Es wird nun als Beispiel auf die Zeichnungen eingegangen, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung von einer MR-Spulenanordnung gemäß der Erfindung ist;
Fig. 2 eine Darstellung von einer schaltbaren Impedanzschaltung ist, die in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendet ist; und
Fig. 3 ein Diagramm von einer anderen schaltbaren Impedanzschaltung ist.
Gemäß Fig. 1 enthält eine Spulenanordnung 10 für ein MR-Bildgebungssystem eine Anregungsspule 12 und eine Abschirmung 14. Die Abschirmung ist ein geerdetes bzw. an Masse gelegtes rohrförmiges leitfähiges Element, das die Feldspule 12 und andere Spulen (nicht gezeigt) wie in einem üblichen MR-Bildgebungssystem umgibt. Die Abschirmung 14 hat die Wirkung, das Magnetfeld von der Feldspule 12 einzuschließen. Die Feldspule hat zwei leitfähige Endschleifen 15 und 16, die im Abstand entlang einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet sind. Die zwei Endspulen 15 und 16 sind durch acht axiale leitfähige Segmente 21-28 miteinander verbunden, die eine Spulenstruktur bilden, die einem zylindrischen Käfig ähnelt. Die als Beispiel gezeigte Feldspule 12 hat zwar acht leitfähige Segmente, die vorliegende Erfindung kann aber auch mit käfigartigen Spulen verwendet werden, die eine größere oder auch kleinere Anzahl von Segmenten haben. Feldspulen dieser Art sind im einzelnen im US-Patent 4 680 548 beschrieben, das durch diese Bezugnahme hier inkorporiert wird.
Jedes der leitfähigen Segmente 21-28 ist mit wenigstens einem Reaktanzelement versehen, das auf entsprechende Weise durch einen Kondensator 31-38 dargestellt ist. Jede der leitfähigen Endschleifen 15 und 16 in der als Beispiel angegebenen Spule hat acht in Reihe geschaltete induktive Elemente in jedem Abschnitt der Schleife zwischen benachbarten Leitersegmenten 21-28. Die induktiven Elemente, die mit 39 in der ersten Endschleife 50 und mit 40 in der zweiten Endschleife 16 bezeichnet sind, stellen die verteilten Induktivitäten dar, die den Leitern von jeder Schleife innewohnen. Diese Induktivitäten sind erforderlich, um die gewünschten Phasenverschiebungen für einen richtigen Betrieb der Spule zu erreichen. Die leitfähigen Elemente 21-28 haben ähnliche verteilte Induktivitäten, die diesen zugeordnet sind, sie sind jedoch in Fig. 1 nicht gezeigt. Im allgemeinen stellen die Induktivitäten, die den leitfähigen Segmente 21-28 zugeordnet sind, eine kleinere Wirkung als der kapazitive Effekt dar, der den diskreten Kondensatoren 31-38 von jedem Segment zugeordnet ist. Der bestimmte Typ der käfigartigen Feldspule, die in Fig. 1 dargestellt ist, wird als "Tiefpaß" bezeichnet, weil die kleineren Signalfrequenzen durch die induktiven Elemente der Endschleife hindurchtreten, während höhere Frequenzen durch die induktiven Elemente 39 und 40 blockiert und durch die Kondensatoren 31-38 parallel abgeleitet werden. Die vorliegende Erfindung kann mit den anderen Typen von Spulen verwendet werden, wie beispielsweise Hochpaß-Spulen, die in dem vorgenannten US-Patent beschrieben sind.
Die Feldspule wird durch Hochfrequenz(HF)-Energie erregt, die durch Leiter 29 und 30 an den Kondensator von einem der leitfähigen Segmente, wie beispielsweise den Kondensator 34, angelegt wird. Beispielsweise beträgt die Anregungsfrequenz von einem MR-System für medizinische Anwendungen etwa 64 Mhz, der Larmor-Frequenz von Protonen in einem B&sub0;-Feld von 1,5 Tesla. Die Feldspule 12 ist so ausgelegt, daß sie bei dieser Anregungsfrequenz in zwei orthogonalen Modem in Resonanz schwingt.
Jede der leitfähigen Endschleifen 15 und 16 ist mit der Abschirmung 14 durch vier schaltbare Impedanzanordnungen 41-44 für die erste Schleife 15 und Schaltungsanordnungen 45-48 für die zweite Schleife 16 verbunden. Die vier Impedanzschaltungen für jede Endschleife 15 und 16 sind äquidistant um die Schleife herum angeordnet. Die acht Impedanzschaltungen 41-48, die mit der Feldspule 12 verbunden sind, werden im Gleichtakt geschaltet, um einen Pfad mit entweder einer hohen Impedanz oder einer niedrigen Impedanz zwischen der Spule und der Abschirmung 14 auszubilden.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel von jeder dieser Impedanzschaltungen 41-48 ist in Fig. 2 gezeigt. Die Schaltungsanordnung enthält ein Koaxialkabel 50 mit einer Länge von einem Viertel der Wellenlänge (λ) der Resonanzfrequenz der Feldspule 12. Alternativ kann das Kabel 50 eine Länge haben, die gleich irgendeinem ungradzahligen ganzzahligen Vielfachen von einem Viertel der Wellenlänge der Resonanzfrequenz ist (d. h. λ/4, 3λ/4, 5λ/4 usw.). Das Koaxialkabel 50 hat einen Wellenwiderstand von mehr als 50 Ohm, wobei 75 Ohm die Nominalimpedanz ist. Der Mittelleiter des Kabels 50 ist an einem ersten Ende 51 direkt mit der entsprechenden Endschleife 15 oder 16 der Spule verbunden. Der äußere Koaxialleiter an dem ersten Ende 51 ist mit der Abschirmung 14 verbunden.
An dem zweiten Ende 52 des Koaxialkabels 50 ist der Mittelleiter an einem Knoten 56 mit der Anode von einer PIN-Diode 53 verbunden. Die Kathode der PIN-Diode 53 ist mit der Abschirmung 14 verbunden. Die Anode der PIN-Diode 53 ist auch durch eine HF-Drossel mit einer schaltbaren Quelle 55 für eine Gleichvorspannung verbunden. Bei einem Signal von der Steuerschaltung des MR-Systems legt die Spannungsquelle 55 entweder eine positive oder eine negative Spannung an den Knoten 56 in Bezug auf Erde bzw. Masse. Bei der Resonanzfrequenz der Feldspule 12 wirkt die PIN-Diode wie ein variabler Widerstand, dessen Widerstand durch die Gleichvorspannung gesteuert wird. Wenn die PIN-Diode durch die Gleichspannungsquelle 55 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, wird die Impedanz zwischen dem Knoten 56 und der Abschirmung 14 sehr klein, beispielsweise weniger als ein Viertel Ohm. Diese kleine Impedanz approximiert einen Kurzschluß-Abschluß des zweiten Endes 52 des Kabels 50. Wenn die PIN-Diode 53 durch die Gleichvorspannungsquelle 55 in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, wird die Impedanz zwischen dem Knoten 56 und der Abschirmung relativ groß, beispielsweise mehr als 2000 Ohm, im Vergleich zu dem Widerstand, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Dieser Zustand der PIN-Diode approximiert die Wirkungen von einem Leerlauf-Abschluß des zweiten Endes 52 des Kabels 50.
Während des Betriebs des MR-Bildgebungssystems, das die Spulenanordnung 10 enthält, ist die PIN-Diode 53, wenn die Feldspule 12 erregt werden soll, um das HF-Anregungsmagnetfeld zu erzeugen, in Vorwärtsrichtung vorgespannt, um einen virtuellen Kurzschluß zwischen der Anode 56 und der Abschirmung 14 hervorzurufen. Dies wird durch die Gleichspannungsquelle 55 erreicht, die ein Potential von plus 1 Volt an den Knoten 56 in Bezug auf die Abschirmung 14 anlegt. Das eine Länge von einer Viertel Wellenlänge aufweisende Koaxialkabel wirkt als ein Impedanzwandler, wobei die Impedanz Z&sub1; über dem ersten Ende 51 des Kabels 50 gegeben ist durch:
wobei Z&sub0; der Wellenwiderstand des Koaxialkabels ist und Z&sub2; die Impedanz zwischen dem Knoten 56 und der Abschirmung 14 aufgrund der Vorspannung der PIN-Diode 53 ist. In dem Koaxialkabel 50 werden stehende Wellen entwickelt, wodurch die Kurzschlußimpedanz an dem zweiten Ende 52 invertiert wird, um als Leerlauf oder eine hohe Impedanz an dem ersten Ende 51 zu erscheinen. In diesem Zustand existiert eine hohe Impedanz bei der Resonanzfrequenz zwischen der Feldspule 12 und der Abschirmung 14. Dadurch wird möglich, daß die Feldspule 12 bei der Anregungsfrequenz in Resonanz schwingt, um die gewünschte magnetische Anregung des Subjektes zu erzeugen, das durch das MR-System abgebildet wird. Die hohe Impedanz hat zur Folge, daß die Impedanzschaltungen 41-48 einen vernachlässigbaren Effekt auf den Betrieb der Feldspule 10 haben.
Wenn der Feldspulen-Anregungsabschnitt des MR-Abbildungszyklus vollständig ist, wird das HF-Anregungssignal nicht länger an die Anschlüsse 29 und 30 angelegt. Zur gleichen Zeit wird eine negative Gleichvorspannung von der Spannungsquelle 55 an jede der Impedanzschaltungen 41-48 angelegt, um die PIN-Dioden 53 rückwärts vorzuspannen. Die Größe der erforderlichen Rückwärts-Vorspannung hängt von den Spannungen ab, die in der Feldspule 112 durch andere Spulen des MR-Systems induziert werden. Wenn der nächste Abschnitt des MR-Zyklus die Signale von dem Objekt empfängt, das abgebildet wird, werden relativ kleine Spannungen induziert. Deshalb wird ein negatives Potential von 1 Volt, das an den Knotenpunkt 56 angelegt wird, in Bezug auf die Abschirmung ausreichen, um die PIN-Dioden 53 rückwärts vorgespannt zu halten. Wenn jedoch während dem nächsten Abschnitt des MR-Zyklus eine andere Spule ein Anregungsfeld erzeugen soll, können Spannungen in der Größenordnung von 100 bis 300 Volt oder mehr in der Feldspule induziert werden. In diesem Fall muß die an die PIN-Diode angelegte Rückwärts-Vorspannung größer als diese größere induzierte Spannung sein, um sicherzustellen, daß die PIN-Dioden 53 in einem rückwärts vorgespannten Zustand bleiben.
Die Rückwärts-Vorspannung der PIN-Dioden ruft eine hohe Impedanz zwischen dem Knoten 56 und der Abschirmung 14 an dem zweiten Ende 52 des Kabels 50 für die Resonanzfrequenz hervor. Diese hohe Impedanz an dem zweiten Ende 52 wird invertiert, um als eine sehr kleine Impedanz an dem ersten Ende 51 des Kabels für die Resonanzfrequenz zu erscheinen. In diesem Zustand wirkt jede der Impedanzanordnungen 41-48 als ein Kurzschluß zwischen der Feldspule 12 und der Abschirmung 14. Diese virtuellen Kurzschlüsse verstimmen die Feldspule 12, indem elektrische Ströme zu der Abschirmung 14 abgeleitet werden, so daß die Spule nicht länger bei der Anregungsfrequenz in Resonanz schwingt. Diese Verstimmung ermöglicht, daß eine übliche Oberflächenspule das Larmor- Signal von dem Subjekt empfängt, das gerade abgebildet wird, ohne daß die zwei Spulen und ihre Magnetfelder in Wechselwirkung treten.
Alternativ können andere Schaltertypen für die schaltbaren Impedanzanordnungen 41-48 verwendet werden. In einer Grundalternative, die in Fig. 3 gezeigt ist, wird der Impedanzwandler dadurch eliminiert, daß die PIN-Diode 57 direkt zwischen die Feldspule 15 oder 16 und die geerdete Abschirmung 14 geschaltet wird. Bei dieser Auslegung ist die PIN-Diode 57 in Rückwärtsrichtung vorgespannt, wenn die Spule angeregt ist. In diesem Ausführungsbeispiel muß die Rückwärts-Vorspannung, die an die PIN-Diode angelegt ist, wenigstens so groß sein wie das Potential des Anregungssignals. Deshalb muß diese Rückwärts-Vorspannung signifikant größer sein als die Rückwärts-Vorspannung, die an das vorherige Ausführungsbeispiel angelegt ist, das einen Impedanzwandler enthält. In einigen MR-Anwendungen ist das Anregungspotential größer als die Rückwärts-Durchbruchspannung von gegenwärtig verfügbaren PIN-Dioden, was das letztgenannte Ausführungsbeispiel unpraktisch macht.
In einem bevorzugten MR-System, das die vorliegende Erfindung enthält, ist eine Schaltzeit für die Impedanzanordnung in der Größenordnung von einigen 10 Mikrosekunden erforderlich. In Systemen oder Anwendungsfällen jedoch, wo eine derartige kurze Schaltzeit nicht erforderlich ist, können elektromechanisch betätigte Schalter verwendet werden.
Es können verschiedenen Spulenanordnungen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert werden. Die neuartigen Verstimmschaltungen können in die verschiedenen Spulen eingefügt werden, die in dem US-Patent 4 680 548 beschrieben sind. Die Anzahl schaltbarer Impedanzanordnungen, die zwischen die Feldspule und Erde bzw. Masse geschaltet sind, kann ebenfalls variieren, um für den gewünschten Grad an Verstimmung zu sorgen. Zusätzlich können auch, worauf vorstehend hingewiesen wurde, verschiedene Typen dieser Schaltungsanordnungen verwendet werden.

Claims

1. Hochfrequenz-NMR-Spulenanordnung enthalten:

eine zylindrische Feldspule (10), die ein Paar leitfähiger Schleifenelemente (15, 16), die im Abstand entlang einer Mittelachse angeordnet sind, und mehrere leitfähige Segmente (21-28) aufweist, die das Paar leitfähiger Schleifenelemente an periodischen Punkten um jedes der Schleifenelemente herum elektrisch miteinander verbinden und die Reaktanzelemente (31-38) aufweisen, deren Werte bewirken, daß die zylindrische Käfigspule bei einer gegebenen Frequenz in Resonanz schwingt,

eine Abschirmung (14), die um das durch die zylindrische Käfigspule erzeugte Magnetfeld herum angeordnet ist und dieses enthält, wobei die Hochfrequenz- NMR-Spulenanordnung gekennzeichnet ist durch:

mehrere Impedanzelemente (41-48), die getrennt jedes der leitfähigen Spulenelemente mit Erdpotential koppeln, die Impedanzelemente, die jeder Schleife zugeordnet sind, unabhängig entlang dem Umfang der Schleife verbunden sind und die Impedanzelemente zwischen zwei Impedanzwerten umschaltbar sind, um die Resonanz der zylindrischen Käfigspule bei der gegebenen Frequenz schaltbar zu verstimmen.

2. NMR-Spulenanordnung nach Anspruch 1, wobei jedes Impedanzelement einen Impedanz-Invertierer (50) aufweist.

3. NMR-Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei jedes Impedanzelement enthält:

ein Übertragungsmedium (50), das eine Länge aufweist, die etwa gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von einem Viertel der Wellenlänge der gegebenen Frequenz ist, und das an dem einen Ende (51) mit einem der leitfähigen Schleifenelemente (15 oder 16) gekoppelt ist, und

eine Schalteinrichtung (53, 54, 55), die mit dem anderen Ende (52) des Übertragungsmediums gekoppelt ist, um alternativ das andere Ende (52) mit entweder einer relativ großen Impedanz oder einer relativ kleinen Impedanz abzuschließen.

4. NMR-Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abschirmung mit Erdpotential verbunden ist und wobei die Impedanzelemente jedes der leitfähigen Schleifenelemente mit der Abschirmung koppeln.

5. NMR-Spulenanordnung nach Anspruch 4, wobei jedes Impedanzelement aufweist:

ein Koaxialkabel (50), das eine Länge aufweist, die im wesentlichen gleich einem ungeraden ganzzahligen Vielfachen von einem Viertel der Wellenlänge der gegebenen Frequenz ist, das einen Mittelleiter aufweist, der an dem einen Ende (51) des Koaxialkabels mit einem der leitfähigen Schleifenelemente verbunden ist, und das einen Außenleiter aufweist, der mit der Abschirmung gekoppelt ist, und

eine Schalteinrichtung (53, 54, 55) zum selektiven Koppeln des Mittelleiters an dem anderen Ende (52) des Koaxialkabels mit der Abschirmung (14).

6. NMR-Spulenanordnung nach Anspruch 5, wobei die Schalteinrichtung von jedem der Impedanzelemente enthält:

eine PIN Diode (53), die zwischen den Mittelleiter an dem anderen Ende (52) des Koaxialkabels und die Abschirmung (14) geschaltet ist, und

Mittel (54, 55) zum alternativen Vorspannen der PIN Diode in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung.

7. NMR-Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei vier Impedanzelemente vorgesehen sind, die an im wesentlichen äquidistanten Stellen um jedes der leitfähigen Schleifenelemente herum verbunden sind.

8. NMR-Spulenanordnung nach Anspruch 3, wobei die relativ große Impedanz größer als 500 Ohm und die relativ kleine Impedanz kleiner als 1 Ohm ist.