DE3905564A1 - Anordnung fuer kernspin-resonanz-untersuchungsgeraete - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für Kernspin- Resonanz-Untersuchungsgeräte mit wenigstens zwei benach­ barten Spulen, die mit benachbarten Teilen des Untersu­ chungsbereichs zusammenwirken. Eine solche Anordnung ist aus EP-B-1 07 238 bekannt. Der bekannten Anordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Spulen, die so groß sind, daß ihre Eigenresonanz im Bereich der damit zu verarbeitenden Signale liegt, ein ungünstiges Signal-Rausch-Verhältnis haben. Macht man diese Spulen kleiner, ergeben sich kleinere Induktivitäten, die durch Verwendung von Konden­ satoren hoher Güte auf die Betriebsfrequenz abgestimmt werden können. Solche Spulen haben eine höhere Güte als Spulen, deren Eigenresonanz im Bereich der Betriebs­ frequenz liegt, und daher auch ein höheres Signal-Rausch- Verhältnis. Durch Verwendung mehrerer kleiner Spulen, die jeweils mit benachbarten Teilen des Untersuchungsbereichs zusammenwirken, sollen daher die Nachteile vermieden werden, die sich bei großen Spulen ergeben, deren Eigenre­ sonanz im Bereich der Betriebsfrequenz liegt.

Die auf diese Weise erzielbare Verbesserung beschränkt sich allerdings auf Fälle, in denen der Untersuchungs­ bereich so groß ist, daß die Eigenresonanz einer dafür ausgelegten Spule im Bereich der Betriebsfrequenz liegt. In den Fällen jedoch, in denen der Untersuchungsbereich nur so groß ist bzw. die Betriebsfrequenz so niedrig ist, daß die Eigenresonanzfrequenz der Spule wesentlich höher ist als die Betriebsfrequenz, bringt eine derartige Unter­ teilung der Spulen praktisch keine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.

Weiterhin ist aus der EP-A-2 80 908 eine Oberflächenspule für ein Kernspin-Resonanz-Untersuchungsgerät bekannt, die aus einer Anzahl von schaltbaren Leiterabschnitten besteht. Mit diesen schaltbaren Leiterabschnitten kann die Fläche der Spule den jeweiligen Erfordernissen angepaßt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sich ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spulen derart voneinander entkoppelt sind, daß die von einer Spule erzeugten elektromagnetischen Felder in der (den) anderen Spule(n) keine Signale hervorrufen.

Die Erfindung nutzt die bekannte Tatsache aus, daß oberhalb einer Mindestgröße kleine Spulen ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis haben als große Spulen. Man kann diesen Vorteil jedoch nicht ohne weiteres ausnutzen, indem man mehrere kleine Spulen zur Erfassung eines größeren Untersuchungsbereichs nebeneinander plaziert. Infolge ihrer räumlich eng benachbarten Anordnung sind diese Einzelspulen nämlich relativ stark miteinander gekoppelt, so daß die Güte jeder einzelnen Spule - über die Kopplung - auch durch die Belastung der anderen Spulen erniedrigt wird. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist dabei also kaum besser als das einer einzigen großen Spule des gleichen Typs, die das gleiche Volumen erfaßt. Erst durch die Entkopplung, die dazu führt, daß keine Spule durch die andere(n) Spulen(n) belastet wird, lassen sich die günstigen Eigenschaften der kleinen Spulen ausnutzen und zwar auch dann, wenn sie nebeneinander angeordnet sind, um auf einen zusammenhängenden Untersuchungsbereich einwirken zu können.

Bei Spulen, die den Untersuchungsbereich umschließen, wie beispielsweise Sattelspulen, wäre es grundsätzlich möglich, benachbarte Spulen um 90° verdreht anzuordnen, so daß sie magnetisch voneinander entkoppelt wären. In der Praxis läßt sich eine solche Entkopplung, die zudem durch das Einbringen des Patienten noch beeinflußt werden kann, nur schwer realisieren. Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht daher vor, daß die Spulen über Entkoppel­ schaltungen miteinander verbunden sind, deren Ausgangs­ signale die durch die magnetische Kopplung zwischen diesen Spulen bewirkten Ströme kompensieren.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ausgangssignale der Spulen getrennt abschaltbar sind. Durch das Zu- oder Abschalten der Ausgangssignale der Spulen ist es möglich, die wirksame Fläche der Spulenanordnung den diagnostischen Bedürfnissen anzu­ passen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 die Abhängigkeit der für das Signal-Rausch- Verhältnis wichtigen Parameter von der Länge einer Sattel­ spule.

Fig. 1 zeigt zwei ebene rechteckförmige Oberflächenspulen 1 und 2, die jeweils 200 mm lang und 100 mm breit sind. Diese beiden Spulen sind in einem seitlichen Abstand von ca. 10 mm auf einem nicht näher dargestellten Träger, beispielsweise aus Plexiglas, angeordnet, so daß sich ein von beiden Spulen zusammen erfaßter Bereich von ca. 400 mm Länge und 100 mm Höhe ergibt. Eine solche Spulenanordnung ist als Oberflächenspule für Untersuchungen der Wirbel­ säule geeignet. Die Spulen werden durch je ein 8 mm breites und 1 mm dickes Leiterband aus Kupfer gebildet. Jedes der beiden Leiterbänder ist auf der der jeweils anderen Spule benachbarten Seite unterbrochen und durch zwei gleich große, in Serie geschaltete und gleichsinnig abstimmbare Kondensatoren 11, 12 bzw. 21, 22 überbrückt. Der Verbindungspunkt der Kondensatoren 11 und 12 bzw. 21 und 22 ist mit Masse verbunden.

Die Spulen 1 und 2 haben eine Induktivität von ca. 0,38 µH. Bei einer Kapazität der abstimmbaren Konden­ satoren 11, 12 bzw. 21, 22 von 300 pF können die Spulen auf eine Resonanzfrequenz von 21,3 MHz abgestimmt werden, was der Larmorfrequenz von Wasserstoffprotonen bei einer Magnetflußdichte von 0,5 T entspricht. Jeder der beiden durch eine der Spulen und die zugehörigen Kondensatoren gebildeten Resonatoren 1, 11, 12 bzw. 2, 21, 22 hat eine Leerlaufgüte von 450. Im Belastungsfall, d. h., wenn sich in dem Untersuchungsbereich, mit dem die Spulen zusammen­ wirken, ein Patient befindet, sinkt die Güte ihres Reso­ nators auf einen Wert Q _l =110.

Aufgrund des geringen Abstandes zwischen den beiden Spulen 1 und 2 sind diese magnetisch miteinander gekoppelt. Die Kopplung kann durch eine vorzugsweise passive Kopplungs­ schaltung beseitigt werden, die mit den beiden Spulen ver­ bunden ist und die in jeder Spule einen Strom hervorruft, der die gleiche Größe, aber die entgegengesetzte Richtung hat wie der Strom, der infolge der magnetischen Kopplung mit der jeweils anderen Spule hervorgerufen wird. Damit sind die beiden Spulen 1 und 2 voneinander entkoppelt, d. h. ein von der einen Spule erzeugtes Magnetfeld mit der Betriebsfrequenz erzeugt in der anderen Spule keinen Strom. Im einfachsten Fall wird die Entkopplungsschaltung durch einen Kondensator 3 gebildet, dessen Kapazität ein­ stellbar ist und einen Maximalwert von rund 10 pF hat. Dieser Kondensator ist zwischen den oberen Anschluß der Spule 11 bzw. den oberen Anschluß des Kondensators 11 und das untere Ende der Spule 2 bzw. das untere Ende des Kondensators 22 geschaltet.

Die Spannung an dem Kondensator 12 bzw. 22 wird dem Ein­ gang eines Verstärkers 13 bzw. 23 zugeführt. Die Ausgänge dieser beiden gleichartig aufgebauten Verstärker sind mit den Eingängen einer Schaltung 4 verbunden, die bei der Betriebsfrequenz ein Ausgangssignal liefert, das der Summe der Eingangssignale proportional ist. Die Schaltung umfaßt eine Reaktanzbrücke, an deren eine Diagonale Verstärker­ ausgänge angeschlossen sind und an deren anderer Diagonale das Ausgangssignal abnehmbar ist.

Im einzelnen ist an den Ausgang des Verstärkers 13 eine Induktivität 41 und an den Ausgang des Verstärkers 23 ein Kondensator 42 angeschlossen, die miteinander verbunden sind, wobei der Verbindungspunkt über einen Widerstand 43 an Masse angeschlossen ist. Die Komponenten 41 und 42 sind so bemessen, daß ihr Blindwiderstand bei der Betriebsfre­ quenz (21,3 MHz) dem Betrage nach gleich ist und daß der Quotient aus der Induktivität und der Kapazität doppelt so groß ist wie das Quadrat des Widerstandes 43 (50 Ohm). Der Ausgang 48 der Schaltung ist über eine Induktivität 44 mit dem Ausgang des Verstärkers 23 verbunden und über die Parallelschaltung einer Induktivität 45 und zweier in Serie geschalteter Kondensatoren 46 und 47 mit dem Ausgang des Verstärkers 13. Der Verbindungspunkt der Kondensatoren 46 und 47, die jeweils die doppelte Kapazität haben wie der Kondensator 42, ist an Masse angeschlossen. Die Induktivitäten 41, 44 und 45 haben die gleiche Größe. Wenn der Ausgang 48 die Brückenschaltung in gleicher Weise belastet wie der Widerstand 43, indem daran beispielsweise ein 50-Ohm-Koaxialkabel angeschlossen wird, das das Kern­ resonanzsignal am Ausgangs 48 einer nicht näher darge­ stellten Schaltung zur weiteren Verarbeitung zuführt - erscheint am Widerstand 43 ein Signal, das der Differenz und am Ausgang 48 ein Signal, das der Summe der Ausgangs­ signale der Verstärker 13 und 23 proportional ist.

Daher entspricht das Signal-Rausch-Verhältnis am Ausgang 48 praktisch dem Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssi­ gnals jeweils eines der beiden Resonatoren 1, 11, 12 bzw. 2, 21, 22. Dieses Signal-Rausch-Verhältnis SNR berechnet sich bekanntlich nach der Beziehung SNR=k(Q _L /V) ^0,5. Dabei ist k ein für den jeweiligen Spulentyp konstanter Faktor, Q _l die Güte der durch den Patienten belasteten Spule und V das effektive Volumen der Spule. Das effektive Volumen ergibt sich bekanntlich aus dem Quotienten der in der Spule (bei einem bestimmten Strom) gespeicherten magnetischen Energie und dem Produkt aus der magnetischen Feldstärke und der Magnetflußdichte bei dem betreffenden Spulenstrom im Untersuchungsbereich; dieser Untersuchungs­ bereich ist bei einer Oberflächenspule wenige cm von der Spule entfernt und befindet sich bei einer koaxialen Spule, wie beispielsweise einer Sattelspule in der Spulen­ mitte. Das effektive Volumen ist ein Maß für die Feldkon­ zentration. Je kleiner das effektive Volumen ist, desto größer ist die Feldkonzentration und desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis.

Das effektive Volumen V der beiden Spulen 1 und 2 beträgt etwa 52% des effektiven Volumens einer Rechteckspule, die den gleichen Wirkungsbereich hat wie die Spulen 1 und 2 zusammen, die also 400 mm lang und 100 mm breit ist. Die Leerlaufgüte einer solchen Spule (500) ist zwar größer als die Leerlaufgüte einer der Spulen 1 und 2 (450), jedoch sinkt die Güte unter Belastung durch den Patienten wesent­ lich stärker ab (Q _l =70), während jede der beiden Spulen 1 bzw. 2 eine belastete Güte Q _L =110 aufweist. Somit ist das Signal-Rausch-Verhältnis einer aus den voneinander entkoppelten Spulen 1 und 2 bestehenden Spulenanordnung um einen Faktor 1,74 bzw. um 4,8 dB größer als das Signal- Rausch-Verhältnis einer einzigen Spule mit der gleichen Wirkungsfläche.

Bei verschiedenen Untersuchungen kommt man mit einer Spule mit einer halb so großen Wirkungsfläche aus, so daß das sich ergebende Kernresonanzsignal mit einer der beiden Spulen empfangen wird. Die andere Spule liefert dann im wesentlichen nur Rauschen. Um dieses zu unterdrücken, sind die Verstärker 13 bzw. 23 mit Steuereingängen 14 bzw. 24 versehen, die es gestatten, das von der betreffenden Spule gelieferte Signal zu unterdrücken. Der Verstärker muß dabei so aufgebaut sein, daß der Ausgangswiderstand des Verstärkers seinen Wert beibehält.

Fig. 2 zeigt eine aus zwei Sattelspulen 10 und 20 beste­ hende Spulenanordnung, die es gestattet, einen großen Untersuchungsbereich eines Patienten, beispielsweise Kopf und Nacken mit verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis zu untersuchen. Die Sattelspule 10 gewährleistet mit ihrer Öffnung zwischen ihren beiden Spulenhälften die Aufnahme des Schulterbereichs eines Patienten 5. Die beiden Spulen sind in geringem Abstand - z. B. 5 mm - voneinander ange­ ordnet, so daß auch Kernresonanzsignale aus dem Grenzbe­ reich zwischen ihnen erfaßt werden können. Bei einem Durchmesser von 300 mm haben sie eine Länge von 200 mm. Damit ergibt sich eine Leerlaufgüte von 800, die bei Bela­ stung auf einen Wert von Q _l =280 sinkt. Das effektive Volumen einer solchen Spule ist etwa 0,15 m³. Eine Sattelspule, die den gleichen Wirkungsbereich hat wie die Spulen 10 und 20 zusammen, die also den gleichen Durch­ messer und eine Länge von 400 mm aufweist, hätte zwar ein effektes Volumen V von nur 0,17 m³ und eine Leerlaufgüte von etwa 1000, doch würde diese bei Belastung durch den Patienten wesentlich stärker absinken als die der Einzel­ spulen, nämlich auf einen Wert Q _l =100. Das Signal- Rausch-Verhältnis einer aus den beiden Sattelspulen 10 und 20 bestehenden Spulenanordnung ist also um einen Faktor 1,78 bzw. um 5 dB größer als das Signal-Rausch-Verhältnis einer einzigen Sattelspule mit gleich großem Wirkungs­ bereich.

Anstelle der am Kopf des Patienten 5 befindlichen Sattel­ spule 20 könnte dort auch eine sogenannte bird-cage-Spule verwendet werden, die ein noch besseres Signal-Rausch- Verhältnis liefert.

In Fig. 3 ist für eine Sattelspule das effektive Volumen V als Funktion der Länge dargestellt. Man erkennt, daß zu großen Längen hin das effektive Volumen zunimmt, weil (bei vorgegebenem Spulenstrom) die in der Spule gespeicherte magnetische Energie mit zunehmender Länge zunimmt. Für sehr kurze Spulenlängen nimmt das Volumen mit abnehmender Spulenlänge ebenfalls zu, weil die magnetische Feldstärke bzw. die Magnetflußdichte im Spulenzentrum abnimmt. Dazwi­ schen gibt es einen Minimalwert, bei dem im übrigen auch die Güte Q _l der belasteten Spule ein Maximum aufweist. Die Spulenlänge der Sattelspule sollte daher möglichst wenig von diesem optimalen Wert abweichen. Die in Fig. 3 darge­ stellte Kurve gilt nur für einen bestimmten Durchmesser der Sattelspule. Für Spulen mit größerem Durchmesser gelten Kurven, deren Minimum bei größeren Spulenlängen liegt. Dieses Minimum ergibt sich annähernd bei einer Länge, die etwa 70% des Durchmessers entspricht.

Claims (5)

1. Anordnung für Kernspin-Resonanz-Untersuchungsgeräte mit wenigstens zwei benachbarten Spulen, die mit benachbarten Teilen des Untersuchungsbereichs zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (1, 2) derart von­ einander entkoppelt sind, daß die von einer Spule erzeug­ ten elektromagnetischen Felder in der (den) anderen Spule(n) keine Signale hervorrufen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen über eine Entkop­ pelschaltung (21) miteinander verbunden sind, deren Aus­ gangssignale die durch die magnetische Kopplung zwischen diesen Spulen bewirkten Ströme kompensieren.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkoppelschaltung durch einen Kondensator (21) gebildet wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Spulen zum Empfang von Kernresonanzsignalen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Spulen von je einem Verstärker (13, 23) verstärkt werden und daß die Ausgangssignale der Verstärker in einer verlustfreien Schaltung (4) phasenrichtig addiert werden.

5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Spulen getrennt abschaltbar sind.