Hintergrund der Erfindung
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Das Gebiet der Erfindung betrifft Magnetresonanz-
Bildgebungsverfahren und -systeme. Insbesondere bezieht
sich die Erfindung auf eine lokale Spule, die benutzt
werden kann, um eine lokale Anlegung eines HF-Anregerimpulses
und den örtlichen Empfang von MR-Signalen bereitzustellen,
die in einem MR-Abtastsystem erzeugt werden.
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Jeder Kern, der ein magnetisches Moment besitzt,
versucht sich in der Richtung des Magnetfeldes
auszurichten, in dem er sich befindet. Beim Ausrichten allerdings
präzessiert der Kern um diese Richtung mit einer
charakteristischen Winkelfrequenz (Larmor-Frequenz), die von der
Stärke des Magnetfeldes und den Eigenschaften der
spezifischen Kernsorten (die gyromagnetische Konstante q des
Kerns) abhängt. Kerne, die diese Phänomene zeigen, werden
nachfolgend als "Spins" bezeichnet.
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Wenn eine Substanz, beispielsweise menschliches
Gewebe, einem homogenen Magnetfeld (polarisierendes Feld BZ)
ausgesetzt ist, versuchen sich die einzelnen magnetischen
Momente der Spins in dem Gewebe mit dem polarisierenden
Feld auszurichten, wobei sie aber um dieses Feld zufällig
mit ihrer charakteristischen Larmor-Frequenz präzessieren.
Ein magnetisches Nettomoment MZ wird in Richtung des
polarisierenden Feldes erzeugt, wobei sich aber die zufällig
orientierten magnetischen Komponenten in der senkrechten
oder transversalen Ebene (x-y Ebene) gegenseitig aufheben.
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Wenn allerdings die Substanz oder das Gewebe einem
Magnetfeld (HF-Anregungsfeld B&sub1;) ausgesetzt wird, das in der x-y-
Ebene liegt und sich in der Nähe der Larmor-Frequenz
befindet, kann das ausgerichtete Nettomoment MZ in die x-y-Ebene
rotiert oder "gekippt" werden, um ein transversales
magnetisches Nettomoment M&sub1; zu erzeugen, welches in der x-y-
Ebene mit der Larmor-Frequenz rotiert oder sich dreht. Der
Grad, um den das magnetische Nettomoment MZ gekippt wird
und damit die Größe des transversalen magnetischen
Nettomoments M&sub1; hängt im wesentlichen von der Zeitdauer und die
Stärke des angelegten HF-Anregungsfeldes ab.
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Der praktische Wert dieses Pränomens liegt in dem
Signal, welches von den angeregten Spins emittiert wird,
nachdem das HF-Anregungssignal B&sub1; abgeschaltet worden ist.
In einfachen System induzieren die angeregten Spins ein
oszillierendes Sinussignal in der Empfangsspule. Die Frequenz
dieses Signals entspricht der Larmor-Frequenz und die
Anfangsamplitude A&sub0; wird durch die Größe des transversalen
magnetischen Moments M&sub1; bestimmt. Die Amplitude A des
Emissionssignals zerfällt auf eine exponentielle Weise mit der
Zeit t:
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A = A&sub0;et/T*2
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Die Zerfallkonstante 1/T*2 hängt von der
Homogenität des magnetischen Feldes und von T&sub2; ab, die mit "Spin-
Spin-Relaxations"-Konstante oder als die ''transversale
Relaxations"-Konstante bezeichnet wird. Die T&sub2;-Konstante ist
zu der exponentiellen Rate umgekehrt proportional, mit der
die ausgerichtete Präzession der Spins dephasieren würde,
nachdem das HF-Anregungssignal B&sub1; in einem vollkommen
homogenen Feld ausgeschaltet worden ist.
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Ein weiterer wichtiger Faktor, der einen Beitrag zu
der Amplitude A des MR-Signals liefert, wird als
Spin-Gitter-Relaxations-Prozeß bezeichnet, der durch die
Zeitkonstante T&sub1; charakterisiert ist. Dieser Prozeß wird auch als
longitudinaler Relaxations-Prozeß bezeichnet, der die
Rückkehr des magnetischen Nettomoments zu seinem
Gleichgewichtswert entlang der Achse der magnetischen Polarisation
(z) beschreibt. Die Zeitkonstante T&sub1; ist länger als T&sub2;, und
zwar viel länger in den meisten Substanzen, die von
medizinischem Interesse sind.
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Die MR-Messungen, die für die Erfindung von
besonderer Bedeutung ist, werden "Impuls-MR-Messungen" genannt.
Derartige MR-Messungen werden in eine Anregungsperiode und
in eine Signalemissionsperiode unterteilt. Diese Messungen
werden auf eine zyklische Weise durchgeführt, in der die
MR-Messung mehrere Male wiederholt wird, um verschiedene
Daten während eines jeden Zyklus anzusammeln, oder um die
gleiche Messung an verschiedenen Orten in dem Subjekt
durchzuführen. Eine große Vielfalt von präparativen
Anregungsverfahren sind bekannt, die auf dem Anlegen eines oder
mehrerer HF-Anregungsimpulse (B&sub1;) von unterschiedlicher
Größe und Dauer beruhen. Derartige HF-Anregungsimpulse
können ein schmales Frequenzspektrum (selektiver
Anregungsimpuls) oder ein breites Frequenzspektrum (nicht-selektiver
Anregungsimpuls) aufweisen, die eine transversale
Magnetisierung M&sub1; über einen Bereich von Resonanzfrequenzen
erzeugen. Der Stand der Technik ist reichlich mit
Anregungstechniken ausgestattet, die den Vorteil besonderer MR-Phänomene
ausnutzen und besondere Probleme bei dem MR-Meßprozeß
beseitigen.
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Wenn zum Erzeugen von Bildern die MR benutzt wird,
wird eine Technik angewandt, um MR-Signale von speziellen
Orten in dem Subjekt zu erhalten. Typischerweise wird der
Bereich, der abzubilden ist (der Bereich von Interesse),
einer Folge von MR-Meßzyklen unterworfen, die gemäß dem
besonderen Lokalisierungsverfahren, welches angewendet wird,
variieren. Die empfangenen MR-Signale werden digitalisiert
und verarbeitet, um das Bild zu rekonstruieren, indem eine
oder viele bekannte Rekonstruktionstechniken angewandt
werden. Um eine solche Abtastung auszuführen, ist es natürlich
notwendig, MR-Signale von speziellen Orten in dem Subjekt
zu gewinnen. Dies wird dadurch erreicht, daß Magnetfelder
(Gx, Gy und Gz) verwendet werden, die zwar die gleiche
Richtung wie das polarisierende Feld B&sub0; haben, die aber
einen Gradienten entlang der x-, y- bzw. z-Achse aufweisen.
Beim Steuern der Größe dieser Gradienten während jedes MR-
Zyklus kann die räumliche Verteilung der Spinanregung
gesteuert und der Ort der MR-Signale identifiziert werden.
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Die MR hat sich schnell in eine
Bildgebungsmodalität entwickelt, die benutzt wird, um Tomographie-,
Projektions- und Volumenbilder von anatomischen Merkmalen
lebender Menschen zu erhalten. Derartige Bilder stellen die
Kernspin-Verteilung (typischerweise Protonen, die Wasser
und Fett zugeordnet sind) dar, die durch spezifische
MR-Eigenschaften von Geweben, beispielsweise die Spin-Gitter
(T&sub1;)- und die Spin-Spin (T&sub2;)-Relaxations-Zeitkonstante
modifiziert werden. Sie sind von medizinischem und
diagnostischem Wert, da sie eine Anatomie darstellen und eine
Gewebecharakterisierung erlauben.
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MR-Abtasteinrichtungen oder -Scanner, die diese MR-
Techniken implementieren, sind in unterschiedlichen Größen
aufgebaut. Kleine, speziell entwickelte Maschinen werden
verwendet, um Labortiere zu untersuchen oder Bilder von
spezifischen Teilen des menschlichen Körpers zu liefern.
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Andererseits sind "Ganzkörper"-MR-Abtasteinrichtungen
ausreichend groß, um den gesamten menschlichen Körper
aufzunehmen und ein Bild von jedem Teil davon zu liefern.
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Es gibt mehrere Techniken, die angewandt werden, um
das HF-Anregungsfeld (B&sub1;) zu erzeugen und das MR-Signal zu
empfangen. Die einfachste und am häufigsten benutzte
Struktur ist eine einzige Spule und ein zugehöriger
Abstimmungskondensator, die dazu dienen, sowohl das Anregungssignal zu
erzeugen als auch das resultierende MR-Signal zu empfangen.
Dieser Resonanzkreis wird während jedes Meßzyklus
elektronisch zwischen die Anregungsschaltungsanordnung und die
Empfängerschaltungsanordnung geschaltet. Derartige
Strukturen werden sehr häufig sowohl in kleinen
MR-Abtasteinrichtungen als auch in Ganzkörper-MR-Abtasteinrichtungen
benutzt.
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Es ist auch üblich, separate Anregungsspulen und
Empfängerspulen zu verwenden. Obwohl derartige
MR-Abtasteinrichtungen eine zusätzliche Hardware benötigen, wird die
Komplexität des elektronischen Schaltens, das zum Einsatz
einer einzelnen Spule gehört, beseitigt und speziell
entwickelte Spulen können für die Anregungs- und
Empfangsfunktionen verwendet werden. Beispielsweise ist es bei
Ganzkörper-MR-Abtasteinrichtungen wünschenswert, ein zirkular
polarisiertes Anregungsfeld (B&sub1;) dadurch zu erzeugen, daß
Spulen benutzt werden, die senkrecht ausgerichtet sind und
mit separaten Anregungssignalen angesteuert werden, die um
90º zueinander phasenverschoben sind. Ein derartiges
Anregungsfeld ist mit einer einzigen Spule nicht möglich.
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Es ist sehr schwierig, eine große Spule zu bauen,
die sowohl eine einheitliche als auch hohe Empfindlichkeit
bezüglich des MR-Signals besitzt, das in einer Ganzkörper-
MR-Abtasteinrichtung erzeugt wird. Deshalb besteht eine
weitere, häufig benutzte Technik darin,
"Oberflächen"-Spulen zu verwenden, die entweder das HF-Anregungssignal (B&sub1;)
erzeugen, das resultierende MR-Signal empfangen, oder
sowohl erzeugen als auch empfangen. Derartige
Oberflächenspulen sind relativ klein und derartig konstruiert, daß sie
das gewünschte Feld erzeugen oder das MR-Signal von einem
örtlichen Bereich des Patienten empfangen. Beispielsweise
können verschiedene Oberflächenspulen zum Abbilden des
Kopfes und Nackens, von Armen und Beinen oder verschiedener
innerer Organe verwendet werden. Wenn die Oberflächenspule
als Sender benutzt wird, sollte sie ein einheitliches,
homogenes HF-Anregungsfeld in dem Bereich von Interesse
erzeugen, wohingegen sie eine relativ einheitliche
Empfindlichkeit bezüglich der MR-Signale bereitstellen sollte, die
durch den Spin in dem Bereich von Interesse erzeugt werden,
wenn die Oberflächenspule als Empfänger benutzt wird.
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Eine Oberflächenspulen-Konstruktion, die diese
Anforderungen erfüllt, ist in der EP-A-0141383 offenbart.
Diese Oberflächenspule ist gekennzeichnet durch ein Paar
räumlich getrennter Schleifenelemente, die miteinander über
eine Reihe von leitfähigen Segmenten zusammengeschaltet
sind, die Reaktanzkomponenten enthalten. Die gewünschte
Resonanzfrequenz dieser "zylindrischen
Käfig"-Oberflächenspule wird durch die Geometrie der Schleifenelemente und
der leitfähigen Segmente sowie der Größe der
Reaktanzkomponenten bestimmt. Die Vogelkäfig-Oberflächenspule ist derart
konstruiert, daß sie bei einer einzigen HF-Frequenz
arbeitet, die der Larmor-Frequenz des besonderen Spins
entspricht, der untersucht und abgebildet werden soll.
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Obwohl die Kerne von Wasserstoffatomen in Wasser
und in Fett starke MR-Signale erzeugen, liefern andere
Kerne, zum Beipiel ¹&sup9;F, ¹³C und ³¹P ebenfalls nützliche
Signale mit Frequenzen, die von denen des Wasserstoffs sehr
stark abweichen. Eine Analyse der MR-Signale, die von
Phosphorkernen erzeugt werden, können besonders aufschlußreich
sein, da Phosphor in viele Stoffwechselprozesse verwickelt
ist und zum Überwachen des intrazellulären ph-Werts benutzt
werden kann. Da das MR-Signal von Wasserstoffkernen viel
größer ist, wird die vorherrschende Kernresonanz benutzt,
um Bilder zu erzeugen oder den Bereich in einem Patienten
zu lokalisieren, von dem MR-Signale erzeugt werden.
Idealerweise wechseln sich Wasserstoff-Impulsfolgen mit
spektroskopischen Impulsfolgen für andere Kerne,
beispielsweise ¹³P ab, wobei die Wasserstoff-MR-Signale verwendet
werden, um den Bereich zu lokalisieren, von dem die
spektroskopischen MR-Signale herrühren. Derartig verschachtelte
Impulsfolgen erfordern die Erzeugung von
HF-Anregungsimpulsen mit zwei verschiedenen Frequenzen und den Empfang von
MR-Signalen bei zwei verschiedenen Frequenzen.
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Die EP-A-0166953 offenbart eine Doppelfrequenz-MR-
HF-Spule mit verschachtelten ersten und zweiten, teilweise
zylindrischen Spulen, die auf einer gemeinsamen Mittelachse
angeordnet sind und einen gemeinsamen Bereich von Interesse
entlang der Mittelachse umgeben, wobei jede Spule aus einer
Anzahl von leitfähigen Segmenten gebildet ist, deren Enden
durch entsprechende Leiter verbunden sind, wobei die erste
Spule bei einer HF-Frequenz in Resonanz ist, die nicht mit
einer HF-Resonanzfrequenz der zweiten Spule übereinstimmt.
Allerdings sagt dieses Dokument nichts über das Problem von
unerwünschten, gegenseitigen Kopplungseffekten zwischen den
Feldern aus, die von den beiden Spulen erzeugt werden.
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Die EP-A-177855 offenbart eine HF-Spule für MR mit
einem einzigen zylindrischen Käfig. Auch hier gibt es keine
Hinweise auf unerwünschte Kopplungseffekte mit einer
zweiten konzentrischen Spule.
Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine Doppelfrequenz-MR-HF-
Oberflächenspule mit ersten und zweiten zylindrischen
Käfigspulen, die auf einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet
sind und einen gemeinsamen Bereich von Interesse entlang
der Mittelachse umgeben, wobei jede Spule aus einer Anzahl
leitfähiger Segmente gebildet ist, deren Enden elektrisch
durch entsprechende leitfähige Schleifen verbunden sind,
wobei die erste Spule bei einer niedrigeren HF-Frequenz in
Resonanz ist als eine HF-Resonanzfrequenz der zweiten
Spule, wobei die ersten und zweiten Spulen elektrisch
voneinander isoliert sind, wobei die leitfähigen Segmente im
wesentlichen den gleichen radialen Abstand von der
gemeinsamen Achse haben, die erste Spule Reaktanzelemente in den
leitfähigen Schleifen hat, die eine Hochpaßspule bilden,
die zweite Spule Reaktanzelemente in den leitfähigen
Elementen hat, die eine Tiefpaßspule bilden, und die erste und
zweite Spule in Bezug zueinander um die gemeinsame Achse so
orientiert sind, daß die Magnetfelder, die jede Spule in
dem gemeinsamen Bereich von Interesse erzeugt, senkrecht
zueinander sind.
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Ein allgemeines Merkmal der Erfindung besteht
darin, eine Oberflächenspule für die MR-Spektroskopie
bereitzustellen, die einheitliche, homogene
HF-Anregungsfelder in einem Bereich von Interesse mit zwei
Larmor-Frequenzen erzeugt und die zwei gesonderte, resultierenden
MR-Signale empfängt. Die zylindrischen Käfig-Oberflächenspulen
sind jeweils auf dem gleichen kreisförmigen, zylindrischen
Halterungsteil angeordnet und sie überlappen sich, um ihre
HF-Anregungsfelder in dem selben Bereich von Interesse zu
erzeugen. Jede zylindrische Käfig-Oberflächenspule ist auf
eine andere Larmor-Frequenz abgestimmt, so daß eine
MR-Signale von einer Kernsorte anregt und empfängt und die
andere MR-Signale von einer zweiten Kernsorte anregt und
empfängt.
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Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin,
eine gegenseitige Kopplung zwischen den beiden
zylindrischen Käfig-Oberflächenspulen zu minimieren. Dies wird auf
zwei Wegen erreicht. Erstens rotieren die beiden Spulen um
ihre Mittelachse derart, daß die Felder, welche sie
erzeugen, im wesentlichen senkrecht zueinander in dem Bereich
von Interesse sind. Zweitens befindet sich die zylindrische
Käfig-Oberflächenspule, die auf die niedrigere
Larmor-Frequenz abgestimmt ist, in ihrem höchstmöglichen Mode in
Resonanz, wobei die zylindrische Käfig-Oberflächenspule, die
auf die höhere Larmor-Frequenz abgestimmt ist, in ihrem
niedrigsten Mode in Resonanz ist. Dies gewährleistet, daß
die gegenseitige Kopplung zwischen den beiden Spulen nicht
bei einer anderen Resonanz-Modenfrequenz auftritt.
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Das Vorstehende und andere Ziele und Vorteile der
Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
verständlich. In der Beschreibung wird auf die beiliegenden
Zeichnungen Bezug genommen, die hiervon einen Teil bilden und in
denen beispielhaft eine bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung dargestellt ist. Eine derartige Ausführungsform
stellt notwendigerweise nicht den gesamten Schutzbereich
der Erfindung dar. Deshalb wird hierin auf die Ansprüche
zum Auslegen des Schutzbereichs der Erfindung Bezug
genommen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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Figur 1 eine schematische Darstellung einer
einzelnen zylindrischen Käfig-Oberflächenspule von dem Typ, der
in der Erfindung verwirklicht wird,
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Figur 2A und 2B elektrische Ersatzschaltbilder der
Spule nach Figur 1,
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Figur 3A - 3C graphische Darstellungen des Betriebs
der Spule nach Figur 1,
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Figur 4 eine schematische Darstellung der
bevorzugten Ausführungsform der Oberflächenspule nach der
Erfindung,
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Figur 5 eine Bildansicht der bevorzugten
Ausführungsform nach der Erfindung, die ihren Aufbau aus zwei
separaten, flexiblen gedruckten Schaltungsplatten zeigt, die
an einem Halterungsteil befestigt sind,
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Figur 6 eine Draufsicht auf eine der flexiblen
gedruckten Schaltungsplatten, die in der bevorzugten
Ausführungsform gemäß der Erfindung verwendet wird, und
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Figur 7A und 7B graphische Darstellungen der
Resonanzfrequenzen von jeder zylindrischen
Käfig-Oberflächenspule, die erfindungsgemäß in der bevorzugten
Ausführungsform verwendet wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung
umfaßt zwei gesonderte zylindrische Käfig-Oberflächenspulen
von dem Typ, der in der oben genannten EP-A-0141383
beschrieben worden ist. Die Konstruktion und der Betrieb
derartiger Oberflächenspulen wird nunmehr kurz beschrieben,
wobei aber für eine erschöpfendere Beschreibung auf die EP-
A-0141383 verwiesen wird.
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Wir betrachten insbesondere Figur 1. Die
zylindrische Käfig-Oberflächenspule enthält mehrere vertikale
leitfähige Segmente 21, die in gleichen Abständen angeordnet
sind und um eine obere und untere leitfähige, kreisförmige
Schleife 25 bzw 26 angeschlossen sind. Man erkennt, daß
die Schleifen nicht genau kreisförmig sein müssen, sondern
auch elliptisch oder irgendeine andere geometrische Form
aufweisen können, die im allgemeinen eine Öffnung
aufweisen, die dem zu untersuchenden Objekt angepaßt sein kann.
Das Volumen innerhalb der zylindrisch geformten Spule wird
nachfolgend als der "Bereich von Interesse" bezeichnet.
Jedes vertikale leitfähige Segment 21 enthält wenigstens ein
Reaktanzelement 23. Die zahlreichen Strompfade in dieser
Struktur sind durch Pfeile gekennzeichnet.
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Um ein homogenes HF-Anregungsfeld (B&sub1;) zu erzeugen,
sind mehrere leitfähige Segmente 21 erforderlich. Diese
sind um die Peripherie der leitfähigen Schleifen 25 und 26
derart verteilt, daß der Strom in den leitfähigen Segmenten
21 etwa eine sinusförmige Verteilung aufweist. Spulen mit
4, 8, 10, 16 und 32 leitfähigen Segmenten 21 sind gebaut
worden. Es sei angemerkt, daß die leitfähigen Segmente 21
nicht in gleichen Abständen angeordnet sein müssen. Wird
die Anzahl von Segmenten erhöht, wird das resultierende
Magnetfeld durch Beiträge von vielen Strompfaden erzeugt, so
daß der Einfluß von irgendeinem Leiter verringert wird. Die
Anzahl von Leitern kann allerdings nicht grenzenlos erhöht
werden, da die offenen Abstände zwischen benachbarten
leitfähigen Elementen 21 benötigt werden, um einen Pfad für den
Fluß des magnetischen Flußes zu ermöglichen. Die
resultierende MR-Oberflächenspule kann als Resonanzhohlraum
aufgefaßt werden, der aus einem Zylinder mit einem offenen
Ende aufgebaut ist, der ein oszillierendes Magnetfeld quer
zur Mittelachse des Zylinders besitzt, wenn die Spule durch
eine sinusförmige Spannung oder einen sinusförmigen Strom
angeregt wird. Zahlreiche Resonanzmoden sind für diese
Struktur möglich, wie dies nachfolgend detaillierter noch
beschrieben wird.
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Eine Ersatzschaltung mit konzentrierten Elementen
für die Spule nach Figur 1 ist in Figur 2A dargestellt.
Diese Ersatzschaltung ist ein symmetrisches Leiternetzwerk,
welches aus einer Schaltungseinheit 30 aufgebaut ist, das
in Figur 28 dargestellt ist. Jede Einheit 30 umfaßt
induktive Endelemente 31 und 32, die über eine Serienschaltung
zusammengeschaltet sind, die ein induktives und ein
kapazitives Element 33 und 34 aufweisen. Die beiden mit "A"
bezeichneten Punkte (Figur 2A) werden miteinander verbunden,
um die obere leitfähige Schleife 26 der Spule zu
vervollständigen, und die mit "B" bezeichneten Punkte werden
verbunden, um die untere leitfähige Schleife 25 zu
vervollständigen. Induktoren 31 und 32 stellen die Induktivität
dar, die jedem Spulensegment 24 entlang der oberen und
unteren leitfähigen Schleife 26 und 25 zugeordnet ist. Diese
Induktoren sind induktiv gegengekoppelt. Gleichermaßen sind
die Induktoren 33, die den leitfähigen Segmenten 21
zugeordnet sind, allesamt induktiv gegengekoppelt.
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Wir betrachten Figur 28. Die Spannung zwischen den
Punkten E und F ist mit Bezug auf die Spannung zwischen den
Punkten C und D phasenverschoben. Bei der Frequenz, bei der
sich die kummulative Phasenverschiebung für alle Einheiten
30 zu 2π Radian oder Vielfache davon addiert, besitzt die
Oberflächenspule eine stehende Resonanzwelle. Bei dieser
Resonanz, die als Primärresonanz bezeichnet wird, wurde
erkannt, daß der Strom in jedem leitfähigen Segment 21 etwa
proportional zu sin θ ist, wobei θ (siehe Figur 1) der
Polarwinkel des leitfähigen Segments 21 ist, der
beispielsweise von der Y-Achse aus gemessen wird. Eine derartige
sinusförmige Stromverteilung erzeugt ein verbessertes,
homogeneres Querfeld, wenn die Anzahl von leitfähigen Segmenten
21 erhöht wird.
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Die Spulenkonfiguration, die durch die
Ersatzschaltung mit konzentrierten Elementen nach Figur 2A dargestellt
ist, kann auch höhere Frequenzresonanzen darstellen, die
Querfeldverteilungen mit einer höheren Ordnung erzeugen.
Die höheren Resonanzfrequenzen werden derartig angeregt,
daß eine Anregungsquelle für ausreichend höhere Frequenzen
benutzt wird. Diese Resonanzen werden als
Sekundärresonanzen bezeichnet. Beispielsweise werden die Ströme in den
leitfähigen Segmenten 21, wenn die kummulative
Phasenverschiebung um das Netzwerk herum gleich 4π Radian wird, nach
einem sin 26-Muster verteilt. Für diese Resonanz zeigen die
X- und Y-Komponenten des HF-Anregungsfeldes einen etwa
linearen Gradienten entlang der X- bzw. Y-Achse mit
Nullpunkten im Mittelpunkt der Oberflächenspule.
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Wenn die Oberflächenspule durch Anlegen einer
Energie von einem HF-Verstärker (nicht gezeigt) in einem
einzelnen Punkt, beispielsweise zwischen den in Figur 1
dargestellten Anschlüssen 27 und 28 angeregt wird, sind die
Stromrichtungen durch die Pfeile dargestellt. Die
sinusförmige Natur dieser Ströme wird nunmehr detaillierter
diskutiert. Figur 3A zeigt die Draufsicht auf die in Figur 1
dargestellte Spule. Die Spule wird in den Punkten 27 und 28
gespeist, die sich in einem Segment befinden, das beliebig
einer Position θ=0º zugewiesen ist. Bei einer auf diese
Weise angeregten Spule fließt der maximale Strom, der zu
cos θ proportional ist, in dem Segment, das sich in θ=0º
befindet, in einer Richtung, die aus der Papierebene weist,
wie dies durch den punktierten Kreis dargestellt ist.
Kleinere Ströme (proportional zu cos θ, wobei θ = 45º und 315º)
fließen in der gleichen Richtung in den Segmenten, die zu
dem Segment benachbart sind, das sich in θ=0º befindet.
Ströme entsprechender Größe fließen in einer
entgegengesetzten Richtung (in die Papierebene, wie dies durch das
umkreiste Kreuz dargestellt ist) in den Segmenten, die bei
θ=180º, 135º und 225º liegen. Die Größe des Stromflusses in
den leitfähigen Segmenten ist in Figur 3B graphisch
dargestellt, in der der Positionswinkel 6 entlang der
horizontalen Achse aufgetragen ist, während die Stromamplitude
entlang der vertikalen Achse angegeben ist. Strömen, die aus
der Papierebene fließen (45º, 0º, 315º) wurden willkürlich
positive Werte zugeordnet, wohingegen diese Ströme, die in
die Papierebene (135º, 180º, 225º) fließen, negative Werte
besitzen. In dem primären Resonanzmode leiten die Segmente
in θ=90º und θ=270º keinen Strom und können praktisch
beseitigt oder durch Kurzschlüsse ersetzt werden.
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Die Richtung des Stromflusses in der oberen
leitfähigen Schleife 26 (Figur 3A) ist durch Pfeile 50
gekennzeichnet, die mit Bezug zueinander bemessen sind, um die
relativen Größen wiederzugeben. Die
Schleifenstrom-Verteilung ist graphisch in Figur 3C deutlicher dargestellt,
wobei die Winkelposition und die Stromamplitude entlang der
horizontalen bzw. vertikalen Achse aufgetragen und dem
Stromfluß im Urzeigersinn willkürlich ein positiver Wert
zugeordnet ist. Die Schleifenströme sind schrittweise
verteilt. Daher sind Ströme, die zwischen 45º und 90º und
zwischen 315º und 270º fließen, größer als die Ströme, die
zwischen 0º und 45º bzw. 0º und 315º fließen, da die
vorgenannten Ströme Ströme enthalten, die durch Segmente bei 45º
und 315º geliefert sind.
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Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, die
MR-Oberflächenspule für in vivo-MR-Untersuchungen zu implementieren.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die leitfähigen
Elemente (z.B. 21, 25 und 26, Figur 1) aus
breiten,leitfähigen Folien aufgebaut, um ihre
Selbstinduktivität zu minimieren. Der Abstand zwischen der oberen und
unteren leitfähigen Schleife 25 bzw. 26 sollte ein oder
mehrere Spulendurchmesser betragen, um die Feldinhomogenität
aufgrund der Ströme in den Schleifen 25 und 26 zu
verringern.
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Wenn eine Spule erforderlich ist, die bei einer
einzigen vorbestimmten Frequenz in Resonanz ist, ist es
möglich, eine Spule gemäß dem Muster nach Figur 1
aufzubauen, die lediglich feste Kondensatoren benutzt. Es ist
allerdings praktisch sinnvoller, einige variable Elemente
aufzunehmen, um die Resonanzfrequenz fein abstimmen zu
können. Die minimale Anforderung zum Abstimmen besteht darin,
einen variablen Abgleichkondensator in jedem der beiden
leitfähigen Elemente 21 anzuordnen. Geringe
Kapazitätsschwankungen in diesen beiden Punkten stören die
Feldhomogenität nicht so stark. Ist eine größere Einstellung der
Resonanzfrequenz wünschenswert, so ist es vorteilhaft, alle
Kondensatoren gleichzeitig abzustimmen oder die effektive
Induktivität der Spulenbaugruppe zu ändern. Geringe
Induktivitätsschwankungen können dadurch erreicht werden, daß
man die Breite der leitfähigen Folienelemente ändert.
Größere Induktivitätsschwankungen können dadurch erreicht
werden, daß man den Abstand zwischen den beiden leitfähigen
Schleifen 25 und 26 variiert.
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Die Erfindung benutzt zwei zylindrische Käfig-
Oberflächenspulen von dem Typ, der in Figur 1 gezeigt ist.
Zwei derartige Oberflächenspulen 40 und 41 sind schematisch
in Figur 4 dargestellt, wobei die eine mit durchgezogenen
Linien und die andere mit gestrichelten Linien dargestellt
ist. Die Spulen 40 und 41 sind elektrisch voneinander
isoliert, obwohl sie denselben Raum einnehmen und denselben
kreisförmigen, zylindrischen Bereich von Interesse 42 und
dieselbe Mittelachse 43 umgeben Wie in Figur 5 dargestellt
10 ist, werden die Spulen 40 und 41 dadurch hergestellt, daß
man zwei jeweils einseitig mit Kupfer beschichtete
flexible, gedruckte Teflonharz-Schaltungsplatten 44 und 45 ätzt.
Die beiden geätzten Schaltungsplatten 44 und 45 werden
anschließend mit einem röhrenförmigen Halterungsteil 46
verbunden, das aus Acryl hergestellt ist und einen Durchmesser
von 17,78 cm (7 Zoll) besitzt. Jede der beiden
Schaltungsplatten 44 und 45 umgibt daher eine Hälfte des
Halterungsteils 46 und bildet 180º der elektrischen Spulenstruktur.
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Figur 6 zeigt insbesondere das leitfähige Muster,
welches die Spulen 40 und 41 auf den Schaltungsplatten 44
und 45 bildet. Die zylindrische Käfig-Oberflächenspule 41
wird auf die Resonanzfrequenz bei 63,86 MHz abgestimmt, das
ist die Larmor-Frequenz von Wasserstoffkernen bei den MR-
Scannern, in den die Oberflächenspule benutzt wird. Die
Spule 41 enthält ein Paar im Abstand zueinander
angeordneten Endsegmenten 50 und 51, die um das zylindrische
Halterungsteil 46 gewickelt sind, sowie fünf parallele
leitfähige Segmente 52 - 56, die zwischen den Endsegmente 50 und
51 geschaltet sind und entlang der Länge des
Halterungsteils 46 verlaufen. Jedes leitfähige Segment 52 - 56
enthält vier in Reihe geschaltete Kondensatoren 57 - 60 mit
Nennwerten von 51pF, 160pF, 150pF bzw. 250pF. Das
leitfähige Segment 54 ist etwas anders als die anderen, da es zum
Einkoppeln und Auskoppeln des Signals in die bzw. aus der
Oberflächenspule 41 über ein Koaxialkabel 61 benutzt wird.
Dieses leitfähige Segment 54 ist nicht unmittelbar mit den
Endsegmenten 50 und 51 verbunden, sondern ist stattdessen
über 120-pF-Kondensatoren 62 mit dem Endsegment 51 und über
180-pF-Kondensatoren 63 mit dem anderen Endsegment 50
verbunden. Ein 30-pF-Kondensator 64 überbrückt eine
Unterbrechung in dem Endsegment 50 und das Signal wird darüber
angelegt und detektiert.
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Die zylindrische Käfig-Oberflächenspule 40 wird auf
die Resonanzfrequenz bei 25,86 MHz abgestimmt, das ist die
Larmor-Frequenz von ³¹phosphor. Die Spule 40 enthält ein
Paar von im Abstand angeordneten Endsegmenten 70 und 71,
die um das zylindrische Halterungsteil 46 gewickelt sind.
Die Endsegmente 70 und 71 sind über fünf parallele
leitfähige Segmente 72 - 76 miteinander verbunden, die entlang
der Länge des zylindrischen Halterungsteils 46 verlaufen.
Das obere Ende des leitfähigen Segments 76 ist über ein
Paar von 200-pF-Kondensatoren 78 und mit dem unteren
Endsegment 70 über ein Paar von 400-pF-Kondensatoren 79
verbunden. Ein 30-pF-Kondensator 80 überbrückt einen Spalt in
dem unteren Endsegment 70 und das Signal für das Kabel 77
wird darüber erzeugt.
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Die Endsegmente 70 und 71 der Spule 40 überbrücken
die leitfähigen Segmente 52, 53, 55 und 56 der Spule 41.
Die beiden Spulen 40 und 41 sind gegeneinander elektrisch
isoliert und in vier von diesen Kreuzungspunkten umspannt
eine leitfähige Folien-Kurzschlußbrücke 97 die leitfähigen
Segmente 52 und 56, die mittels eines
Hochspannungs-Durchbruchsmaterials mit niedrigem Dielektrikum gegenüber diesen
isoliert ist, beispielsweise ein Material, das von der 3M
Corporation unter der Marke "Kapton", hergestellt und
verkauft
wird. Die übrigen vier Kreuzungspunkte werden von
400-pF-Kondensatoren 98 überbrückt, die ebenfalls gegen die
leitfähigen Segmente 53 und 55 isoliert sind.
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Die in Figur 6 dargestellten Spulenmuster werden
mit identischen Spulenmustern auf der anderen gedruckten
Schaltungsplatte kombiniert, um die beiden
Käfig-Oberflächenspulen 40 und 41 um das zylindrische Halterungsteil 46
herum zu bilden. Die Koaxial-Kabelverbindungen sind auf der
anderen gedruckten Schaltungsplatte nicht identisch
ausgeführt, aber im übrigen sind sie gleich. Zwischen den beiden
Abschnitten der Spulenstruktur 41 sind keine Verbindungen
erforderlich, allerdings sind die Spulenstrukturen 40 auf
jeder gedruckten Schaltungsplatte 44 und 45 in den Punkten
90 - 93 miteinander verlötet, um die elektrische Verbindung
herzustellen. Obwohl die beiden Spulen 40 und 41 in der
Größe und im Erscheinungsbild unterschiedlich sind,
arbeiten sie grundsätzlich ähnlich, allerdings bei verschiedenen
Frequenzen.
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Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die beiden
Spulen 40 und 41 derart ausgebildet sind, daß sie um 90º
gegeneinander gedreht sind. Dies ist am deutlichsten durch
den 90-Grad-Abstand zwischen den Punkten an jeder Spule
erkennbar, an denen die Koaxialkabel 61 und 71 angeschlossen
sind. Dies stellt sicher, daß bei der Resonanzfrequenz
jeder Spule 40 und 41 ihre magnetischen Felder in dem Bereich
von Interesse 42 senkrecht zueinander sind. Dies verringert
weiter die Kreuzkopplung zwischen den beiden Spulen 40 und
41.
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Wie oben bereits gesagt, besitzt die zylindrische
Käfig-Oberflächenspule eine Anzahl von Moden, in denen sie
in Resonanz sein kann. Selbst wenn die Oberflächenspulen 40
und 41 bei der bevorzugten Ausführungsform bei 25,86 MHz
bzw. 63,86 MHz in Resonanz sein können, sind sie
tatsächlich auch bei anderen Frequenzen in Resonanz. Die Erfindung
lehrt weiterhin, daß die zylindrischen
Käfig-Oberflächenspulen derart ausgebildet sein sollten, daß es zwischen
ihnen aufgrund irgendeiner Resonanzfrequenz einer Spule, die
im wesentlichen die gleichen sind wie die
Resonanzfrequenzen der anderen Spule, keine Kopplung gibt.
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Die Antwort der zylindrischen
Käfig-Oberflächenspule 40 als Funktion der Frequenz ist in Figur 7A
dargestellt. Die gewünschte Resonanzspitze 100 tritt bei 25,86
MHz auf und zwei weitere Resonanzfrequenzen sind durch
Spitzen 101 und 102 dargestellt. Keine Resonanzzustände
existieren bei Frequenzen oberhalb der gewünschten
Resonanzspitze 100, wobei die Oberflächenspule 40 hierin als
zylindrische Hochpaß-Käfig-Oberflächenspule bezeichnet
wird, da ihre höchste Resonanzfrequenz auf die gewünschte
Resonanzfrequenz abgestimmt ist.
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Dagegen ist die Antwort der zylindrischen Käfig-
Oberflächenspule 41 als Funktion der Frequenz in Figur 7B
dargestellt. Die gewünschte Resonanzspitze 103 bei 63,87
MHz entspricht der niedrigsten Frequenz, in der Resonanz
auftreten kann. Andere Spitzen, beispielsweise die Spitze
104, treten bei höheren Frequenzen auf, wobei die
zylindrische Käfig-Oberflächenspule 41 hierin als zylindrische
Tiefpaß-Käfig-Oberflächenspule bezeichnet wird. Es sollte
daher verständlich werden, daß unter Benutzung einer
Tiefpaß-Oberflächenspule, die bei der höheren der beiden
Larmor-Frequenzen in Resonanz ist, und unter Verwendung einer
Hochpaß-Oberflächenspule, die bei der niedrigeren Larmor-
Frequenz in Resonanz ist, weitere Resonanzen der beiden
zylindrischen Käfig-Oberflächenspulen nicht zusammenfallen
und eine Kopplung zwischen den beiden Spulen hervorrufen
können.