DE4024598A1 - Oberflaechenresonator zur kernspintomographie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen zirkular polarisierten Oberflächenresonator zur Kernspintomographie.

Es ist bekannt, daß man die an Wasser gebundenen Wasserstoff­ atomkerne, d.h. Protonen, eines Untersuchungsobjektes aus einer Vorzugsrichtung, die durch ein magnetisches Grundfeld hoher statischer Feldstärke erzeugt wird, durch hochfrequente Anre­ gungsimpulse zur Präzession anregen kann. Nach dem Ende eines Anregungsimpulses präzedieren die Atomkerne mit einer Frequenz, die von der Stärke des Grundfeldes abhängt und pendeln sich dann aufgrund ihres Spins nach einer vorbestimmten Relaxations­ zeit wieder in die Vorzugsrichtung ein. Durch rechnerische oder meßtechnische Analyse der integralen Protonensignale kann aus der räumlichen Spindichte oder der Verteilung der Relaxations­ zeiten innerhalb einer Körperschicht ein Bild erzeugt werden. Die Zuordnung des infolge der Präzessionsbewegung nachweisbaren Kernresonanzsignals zum Ort seiner Entstehung erfolgt durch die Anwendung linearer Feldgradienten. Diese Gradientenfelder wer­ den dem Grundfeld überlagert und so gesteuert, daß nur in der abzubildenden Schicht eine Anregung der Protonen erfolgt. Diese Bilddarstellung ist bekannt unter der Bezeichnung Kernspin-To­ mographie KST oder NMR-Tomographie (nuclear magnetic resonanz).

Zur Abbildung gewisser Körperbereiche mit verhältnismäßig ge­ ringer Ausdehnung können bekanntlich sogenannte Oberflächenspu­ len verwendet werden, die mit einer oder mehreren Windungen als Flachspulen ausgebildet sind. Sie werden einfach auf das abzu­ bildende Körperteil, beispielsweise einen Wirbel, das Mittelohr oder auch ein Auge, aufgelegt. Eine besondere Ausführungsform einer solchen Oberflächenspule besteht aus einem sogenannten "loop-gap"-Resonator. Die Spule besteht aus einer einzigen Win­ dung eines bandförmigen metallischen Leiters, dessen lappenför­ mige Enden einen Kondensator bilden. Der Leiter wird im allge­ meinen als Oberflächenschicht auf einen Träger aus elektrisch isolierendem Material aufgebracht, der im allgemeinen aus Kunststoff oder auch aus Plexiglas besteht. Durch den Abstand und die Größe der plattenförmigen Enden sowie durch ein Dielek­ trikum kann die Kapazität verändert werden, die mit der Induk­ tivität des hohlzylindrischen Leiters in Resonanz gebracht wird. Die Energie kann durch eine Koppelschleife induktiv ein­ gekoppelt werden (Journal of Magnetic Resonance 61, Seiten 571 bis 578 (1985)).

Bei Hochfrequenzresonatoren für die Kernspintomographie erhält man mit zirkular polarisierten Systemen das höchste Signal- Rauschverhältnis. Bei Oberflächenresonatoren ergibt sich dabei das Problem, daß der das Hochfrequenzfeld erzeugende Resonator den angestrebten Empfindlichkeitsbereich nicht umschließt; in­ folgedessen ist das Hochfrequenzfeld inhomogen.

Eine bekannte Ausführungsform eines zirkular polarisierten Oberflächenresonators für die Kernspintomographie besteht aus zwei ineinander verschachtelten Systemen. Das eine System, ein sogenannter Planar-pair-resonator, enthält zwei ringzylindri­ sche Spulenwindungen aus bandförmigen Leitern. Diese Spulen­ windungen sind über ebenfalls bandförmige Leiter miteinander verbunden. Die beiden Spulenwindungen sind in der X-Z-Ebene nebeneinander angeordnet. Das zweite System, ein sogenannter CRC-Resonator (counter rotating current), enthält ebenfalls zwei ringzylindrische Spulenwindungen, die koaxial zur Y-Achse und parallel zur X-Z-Ebene übereinander angeordnet sind. Der Planar-pair-resonator ist in den Zwischenraum zwischen den bei­ den Spulen des CRC-Resonators eingeschoben. Mit diesem Reso­ nator erhält man eine intrinsische Entkopplung von homogenen äußeren Hochfrequenz-Feldern. Diese Ausführungsform ist jedoch nur für reinen Empfangsbetrieb geeignet und ist außerdem ver­ hältnismäßig kompliziert (Magnetic Resonance in Medicine 4 (1987), Seiten 179 bis 184).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zirkular pola­ risierten Oberflächenresonator anzugeben, mit dem man in größe­ rer Tiefe im Abbildungsvolumen noch ein annähernd homogenes Feld erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Leiterpaare liefern gleiche Beiträge zum Feld im Abbildungsvolumen. Die beiden Felder stehen wenigstens an­ nähernd senkrecht aufeinander. Man erhält somit ein elliptisch polarisiertes, im Abbildungsvolumen G jedoch annähernd zirkular polarisiertes Feld. Sind die Rückführungen der Antiparallel­ spule verhältnismäßig nahe am Abbildungsvolumen angeordnet, so liefern alle Leiter einen Feldbeitrag. Die Antiparallelspule kann aus Windungen bestehen, die konzentrisch zueinander und vorzugsweise in verschiedenen Ebenen angeordnet sind und über ein Netzwerk zur Einstellung des Verhältnisses der Ströme mit­ einander verbunden sein können. In einer einfacheren Ausfüh­ rungsform dieser Anordnung kann auch eine der beiden Windungen, vorzugsweise die innere Windung, als Kurzschlußwindung ausge­ führt sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Oberflächenresonator sche­ matisch veranschaulicht ist. Der Verlauf des Magnetfeldes und seine Zuordnung zu den Parallelspulen ist in Fig. 2 darge­ stellt. In Fig. 3 ist der Feldverlauf in einem Diagramm ver­ anschaulicht. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Anti­ parallelspule gemäß der Erfindung in einer Draufsicht und Fig. 5 eine Seitenansicht durch diese Spule. Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Antiparallelspule als Draufsicht und Fig. 7 als Seitenansicht. Fig. 8 zeigt den Feldverlauf der Spulen gemäß den Fig. 4 bis 7 in einem Diagramm. In Fig. 9 ist eine besondere Ausführungsform des Oberflächenreso­ nators dargestellt. Die Fig. 10 und 11 zeigen eine Seitenan­ sicht bzw. eine Draufsicht des Oberflächenresonators in der Ausführungsform gemäß Fig. 9. In Fig. 12 ist der Anschluß des Oberflächenresonators gemäß der Erfindung an einen Sender und Empfänger schematisch veranschaulicht.

In einer aus der US-Patentschrift 48 16 765 bekannten Ausfüh­ rungsform eines zirkular polarisierten Oberflächenresonators für die Kernspintomographie gemäß Fig. 1 sind zwei Leiter 4 und 5 eines ersten Leiterpaares im Abstand x₀ parallel zuein­ ander angeordnet. In diesem ersten Leiterpaar verlaufen die Ströme I₄ und I₅ in gleicher Richtung. Die Leiter 4 und 5 bil­ den jeweils einen Teil getrennter Stromkreise, die mit Hilfe von Rückführungen 6 bzw. 7 geschlossen sind und jeweils eine Spule bilden, die in dieser einfachen Ausführungsform jeweils nur eine einzige Windung haben und als Parallelspulen 2 und 3 bezeichnet werden sollen. Sie sind mit gemeinsamen Anschlüssen 8 und 9 verbunden. Senkrecht zu den Parallelspulen 2 und 3 sind zwei weitere parallele Leiter 13 und 14 im Abstand z₀ vonein­ ander angeordnet, in denen die Ströme I₁₃ und I₁₄ einander ent­ gegengerichtet sind. Diese Leiter 13 und 14 bilden mit Leiter­ teilen 15 und 16 gemeinsam eine einzige Spule, die als Anti­ parallelspule 12 bezeichnet werden soll und deren Anschlüsse mit 18 und 19 bezeichnet sind.

Die Parallelspulen 2 und 3 bilden mit ihren Strömen I₄ und I₅ mit gleicher Richtung ein gemeinsames Feld B_2, dessen Richtung in der Figur durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Rückführun­ gen 6 und 7 seien zunächst vom Zentrum x = y = z = 0 eines Koordinatensystems, dessen Achsen mit X, Y und Z bezeichnet sind, so weit entfernt, daß ihr Einfluß auf das Feld B₂ ver­ nachlässigbar klein ist. Die Ströme I₁₃ und I₁₄ der Leiter 13 bzw. 14 der Antiparallelspule 12 bilden getrennte Felder, die in der Figur mit B₁₃ bzw. B₁₄ bezeichnet sind. Wie in der Figur durch entsprechende Richtungspfeile angedeutet ist, verstärken sich diese Felder im Ursprung des Koordinatensystems. Somit er­ gibt sich in diesem Ortsbereich ein resultierendes Feld, das durch einen Pfeil angedeutet und mit B₁ bezeichnet und das senkrecht zum Feld B₂ gerichtet ist.

Aus dem Schnitt gemäß Fig. 2 durch die Leiter 4 und 5, deren Ströme I₄ und I₅ jeweils durch ein Kreuz angedeutet sind und die in der X-Achse angeordnet sind, läßt sich entnehmen, daß im Abbildungsvolumen G, das in der Figur gestrichelt umrandet und schraffiert ist, die Felder B₁ und B₂ wenigstens annähernd senkrecht aufeinanderstehen.

Gemäß dem Diagramm der Fig. 3, in dem die Induktion B über der Y-Achse normiert auf x₀ aufgetragen ist, erhält man mit einer Ausführungsform des Resonators gemäß Fig. 1 mit jeweils nur einer einzigen Spulenwindung zwischen etwa 0,5 und 2 für die Parallelleiter 4 und 5 einen im wesentlichen gleichmäßigen Verlauf der Induktion B₂ und somit ein praktisch homogenes Feld im schraffiert angedeuteten Abbildungsvolumen G, aber einen stark inhomogenen Verlauf der Induktion B₁ für die Antiparal­ lelleiter 13 und 14, welcher durch die Anordnungen gemäß den Fig. 4 bis 7 verbessert werden soll.

In der Ausführungsform einer Antiparallelspule 22, wie sie in Fig. 4 als Draufsicht und in Fig. 5 als Seitenansicht schema­ tisch veranschaulicht ist, sind zwei koaxiale Windungen 23 und 24 vorgesehen, die von den Strömen I₂₃ und I₂₄ durchflossen sind. Diese Windungen 23 und 24 sind koaxial zur Y-Achse im Ab­ stand H zueinander angeordnet und elektrisch über ein Netzwerk 26 miteinander gekoppelt. Die Anschlußklemmen der Antiparallel­ spule 12 sind mit 18 und 19 bezeichnet. Der Durchmesser der äußeren Windung 23 soll 2R₂₃ und der Durchmesser der inneren Windung 24 soll 2R₂₄ betragen, wie es in Fig. 5 angedeutet ist.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist eine Antiparallelspule 22 vorgesehen, deren äußerer Windung 23 eine innere Windung zugeordnet ist, die als Kurzschlußwindung 25 ausgeführt ist. In dieser Ausführungsform sollen ebenfalls die beiden Windungen 23 und 25 gemäß Fig. 7 koaxial zur y-Achse in einem Abstand H voneinander angeordnet sein.

Die Verbesserung der Homogenität des Induktionsverlaufs im Ab­ bildungsvolumen G mit einer Ausführungsform von Antiparallel­ spulen gemäß den Fig. 4 bis 7 ist dem Diagramm der Fig. 8 zu entnehmen, in dem die Induktion B über der y-Achse normiert auf den Radius R₂₃ der Windung 23 aufgetragen ist. Der Verlauf der Induktion über der y-Achse, wie er sich mit einer Antipa­ rallelspule 12 mit nur einer einzigen Windung gemäß Fig. 1 er­ gibt, ist in dem Diagramm mit B₁ bezeichnet. Demgegenüber er­ hält man mit einer Ausführungsform der Antiparallelspule 22 ge­ mäß den Fig. 4 bis 7 einen Verlauf der Induktion B₂₂, der im Abbildungsvolumen G von etwa 0,5 bis 1,5 deutlich homoger ist. Insbesondere ist das Feld im weniger interessierenden hautnahen Bereich kleiner, was sich günstig auf das erzielbare Signal- Rausch-Verhältnis auswirkt.

In der praktischen Ausführungsform eines zirkular polarisierten Oberflächenresonators gemäß Fig. 9 ist die Antiparallelspule 22 mit ihrer äußeren Windung 23 und ihrer Kurzschlußwindung 25 vorgesehen. Koaxial zu dieser Antiparallelspule 22 sind die beiden Parallelleiter 4 und 5 angeordnet, deren gemeinsame Rückführung 27 einen Resonanzkondensator 28 enthält, der mit den Anschlüssen 7 und 8 versehen ist. Die äußere Windung 23 der Antiparallelspule 22 enthält ebenfalls mindestens einen Resonanzkondensator 29, der mit den Anschlüssen 18 und 19 ver­ sehen ist.

Wie der Seitenansicht der Fig. 10 zu entnehmen ist, sind die beiden Windungen 23 und 25 der Antiparallelspule 22 sowie die beiden Parallelleiter, von denen in der Figur nur der Leiter 5 angedeutet ist, koaxial zur y-Achse jeweils in verschiedenen Ebenen angeordnet. Der nicht näher bezeichnete Durchmesser der Kurzschlußwindung 25 entspricht etwa der Ausdehnung des Abbil­ dungsvolumens G. Die Rückführung 27 mit dem Resonanzkondensator 28 ist von den Parallelleitern 4 und 5 so weit entfernt, daß sie nur einen geringen Einfluß auf das Magnetfeld im Abbil­ dungsvolumen G hat.

Aus der Draufsicht gemäß Fig. 11 sind die Anordnung der äuße­ ren Windung 23 mit ihrem Resonanzkondensator 29 und die zuge­ ordnete Kurzschlußwindung 25 der Antiparallelspule 22 sowie die Parallelleiter 4 und 5 mit dem Resonanzkondensator 28 in ihrer gemeinsamen Rückführung 27 zu entnehmen.

Die kapazitive Ankopplung des zirkular polarisierten Oberflä­ chenresonators an einen Hochfrequenzgenerator als Sender 31 und einen Empfänger 32 ist in Fig. 12 veranschaulicht. Der Reso­ nanzkondensator 28 der Parallelleiter 4 und 5 ist über einen Abstimmkondensator 34 und gekoppelte Anpaßkondensatoren 36 und 37 sowie ein Symmetrierglied 41 und eine Sende- und Empfangs­ weiche 40, vorzugsweise einen 90°-Hybrid-Leistungsteiler, so­ wohl an den Sender 31 als auch an den Empfänger 32 angeschlos­ sen. In gleicher Weise ist der Resonanzkondensator 29, mit dem die Antiparallelspule 12 oder 22 verbunden ist, über einen Ab­ stimmkondensator 35 und gekoppelte Anpaßkondensatoren 38 und 39 sowie ein Symmetrierglied 42 und die Sende- und Empfangs­ weiche 40 sowohl an den Sender 31 als auch an den Empfänger 32 angeschlossen.

Claims (5)

1. Zirkular polarisierter Oberflächenresonator für die Kern­ spintomographie mit folgenden Merkmalen:

• a) zwei erste parallel zueinander angeordnete Leiter (4, 5) mit gleicher Richtung ihrer Ströme (I₄, I₅) bilden mit Rückfüh­ rungen (6 bzw. 7) jeweils eine Parallelspule (2, 3) mit je­ weils mindestens einer Windung,
• b) zwei weitere parallel zueinander angeordnete Leiter (13, 14) mit entgegengesetzter Richtung ihrer Ströme (I₁₃, I₁₄) bil­ den mit Rückführungen (15, 16) eine gemeinsame Antiparallel­ spule (12) mit mindestens einer Windung,
• c) die Antiparallelspule (22) besteht aus koaxialen Windungen.

2. Oberflächenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (23, 24) in verschiedenen Ebenen in einem vorbestimmten Abstand (H) zuein­ ander angeordnet sind (Fig. 5).

3. Oberflächenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Windungen als Kurzschlußwindung (25) ausgeführt ist (Fig. 6).

4. Oberflächenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelspulen (2, 3) zwischen einer äußeren Windung (23) und einer inneren Windung (24) der Antiparallelspule (22) angeordnet sind und daß die Parallelspulen (2, 3) und die äußere Windung (23) und die inne­ re Windung der Antiparallelspule (22) koaxial zueinander und in verschiedenen Ebenen angeordnet sind (Fig. 9 bis 11).

5. Oberflächenresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelspulen und die Antiparallelspule jeweils über einen Resonanzkondensator (28 bzw. 29) an einen Sender (31) und an einen Empfänger (32) kapa­ zitiv angekoppelt sind (Fig. 12).