DE4030877A1 - Doppel-oberflaechenspule fuer ein kernspinresonanzgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Doppel-Oberflächenspule für ein Kernspinresonanzgerät mit zwei Einzelspulen, die wahlweise über ein Anpaßnetzwerk mit einer Sende-Empfangsschaltung verbindbar sind, wobei beide Einzelspulen einen gemeinsamen Verbindungs­ punkt aufweisen.

Eine in mehrere, getrennt aktivierbare Einzelspulen aufgeteilte derartige Oberflächenspule ist beispielsweise aus der EP-Al­ 02 80 908 bekannt.

Oberflächenspulen werden in der Kernspintomographie verwendet, wenn bestimmte Teile des Untersuchungsobjektes mit verbessertem Signal-Rausch-Verhältnis ausgewertet werden sollen. Dabei wird im allgemeinen mit einer Ganzkörperantenne gesendet und mit der Oberflächenspule empfangen.

Das optimale Signal-Rausch-Verhältnis erhält man, wenn man eine Oberflächenspule so ausgestaltet, daß ihr Empfangsbereich gera­ de den interessierenden Teil des Untersuchungsobjektes erfaßt. Hierzu ist es in bestimmten Anwendungsfällen zweckmäßig, wenn der Empfangsbereich der Oberflächenspule umgeschaltet werden kann. In der oben genannten EP-Al-02 80 908 wurde hierzu eine leiterförmige Spulenstruktur vorgeschlagen, bei der die wirksa­ me Fläche der Oberflächenspule und die Lage des Untersuchungs­ bereiches verändert werden kann. Diese Anordnung ist insbeson­ dere für die Wirbelsäulendiagnostik geeignet, da z. B. unter­ schiedliche Bereiche der Wirbelsäule nacheinander ohne mecha­ nische Verschiebung der Oberflächenspule untersucht werden können.

In manchen Anwendungsfällen reichen Doppel-Oberflächenspulen aus, um die gewünschte räumliche Selektivität zu erzielen. Dies ist z. B. in der Mammographie der Fall, wo wahlweise die rechte oder die linke Brust oder beide zusammen abgebildet werden sol­ len. Für solche Doppel-Oberflächenspulen ist die aus der bereits genannten EP-Al-02 80 908 bekannte Struktur wegen der vielen Steuersignale für Varaktordioden sowie wegen der unnötig hohen Streukapazität aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Schaltung für eine Doppel-Oberflächenspule anzugeben, die für diesen Anwendungs­ fall besser geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß beidsei­ tig des Verbindungspunktes in jede Einzelspule ein erster steu­ erbarer Schalter eingefügt ist und daß jeweils die dem gemein­ samen Verbindungspunkt abgewandten Anschlüsse der ersten Schal­ ter mit der Anpaßschaltung verbunden sind. Damit kommt man mit einer geringen Anzahl von PIN-Dioden und Steuersignalen aus.

Vorteilhafterweise ist in jede Einzelspule zwischen dem gemein­ samen Verbindungspunkt und dem jeweiligen Anschlußpunkt an die Anpaßschaltung ein zweiter steuerbarer Schalter eingefügt, der geöffnet wird, solange die zugeordnete Einzelspule nicht in Em­ pfangsbetrieb ist. Damit wird eine Entkopplung der nicht benö­ tigten Einzelspule erreicht.

Die steuerbaren Schalter werden zweckmäßigerweise als PIN-Dio­ den ausgeführt, wobei jeder PIN-Diode ein Blockkondensator in Reihe geschaltet ist und wobei jeder PIN-Diode eine Steuerspan­ nung über eine Drossel zugeführt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als zweiter Schalter eine PIN-Diode vorgesehen ist, deren Schalterwirkung durch ein /4- Glied invertiert ist, da man in diesem Falle mit nur zwei Steuerspannungen für alle Schalter auskommt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 5 bis 7 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kernspin-Resonanzge­ rätes,

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dop­ pel-Oberflächenspule.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Schalterwirkung der zweiten PIN-Dioden durch ein λ/4- Glied invertiert ist.

Fig. 4 zeigt eine dynamische Steuerspannung.

Fig. 5 zeigt eine statische Steuerspannung.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten prinzipiellen Aufbau eines Kern­ spin-Resonanzgerätes zur Ermittlung von Bildern oder Spektren eines Untersuchungsobjektes sind mit 1 und 2 sowie 3 und 4 Spu­ len bezeichnet, die ein magnetisches Grundfeld B_o erzeugen, in welchem sich bei medizinischer Anwendung der zu untersuchende Körper 5 eines Patienten befindet. Diesem sind außerdem Gradien­ tenspulen zugeordnet, die zur Erzeugung unabhängiger, zueinan­ der senkrechter Magnetfeldgradienten der Richtungen x, y und z gemäß dem Koordinatenkreuz 6 vorgesehen sind. In Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur die Gradientenspulen 7 und 8 ge­ zeichnet, die zusammen mit einem Paar gegenüberliegender, gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradienten in x-Richtung dienen. Die gleichartigen, nicht gezeichneten Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradienten in y-Richtung liegen parallel zum Körper 5 und oberhalb sowie unterhalb von ihm, die Gradientenspulen für das Gradientenfeld in z-Richtung liegen quer zu seiner Längsachse am Fuß- und am Kopfende. Die Anordnung enthält außerdem noch einen zur Erzeugung der Kern­ resonanzsignale dienenden Körper-Resonator 9 als Antenne. Zur Aufnahme der Kernresonanzsignale ist eine Oberflächenspule 19 vorgesehen, die alternativ zum Körper-Resonator 9 auch zur Er­ zeugung der Kernresonanzsignale dienen kann.

Das eigentliche Untersuchungsinstrument besteht aus den von ei­ ner strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1, 2, 3, 4, 7 und 8 sowie dem Körper-Resonator 9 und der Oberflächenspule 19. Zum Betrieb der Spulen 1 bis 4 ist ein Netzgerät 11 vorgesehen. An einer Gradientenstromversorgung 12 liegen die Gradienten­ spulen 7 und 8 sowie weitere, nicht dargestellte Gradientenspu­ len an. Ein von einem Prozeßrechner 17 gesteuerter Hochfrequenz­ sender 14 ist mit dem Körper-Resonator 9 verbunden. Die Ober­ flächenspule 19 ist über einen Signalverstärker 15 ebenfalls an den Prozeßrechner 17 gekoppelt, an dem zur Ausgabe eines Bildes ein Bildschirmgerät 18 angeschlossen ist. Die Komponenten 14 und 15 bilden eine Sende-Empfangsschaltung 16 zur Signalerzeu­ gung und -aufnahme.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Die Doppel-Oberflächenspule besteht aus zwei Leiterschleifen L1 und L2 mit einem gemeinsamen Verbindungssteg St. Eine derartige Doppel-Oberflächenspule könnte beispielsweise vorteilhaft in der Mammographie, als Kniespule oder als Wirbelspule eingesetzt werden, wobei die Form der Leiterschleifen L1 und L2 selbstver­ ständlich dem jeweiligen Einsatzfall angepaßt wird.

Im Ausführungsbeispiel sind in jeder Leiterschleife L1 und L2 zwei steuerbare Schalter S11, S12 bzw. S21, S22 vorgesehen. Die ersten steuerbaren Schalter S11 und S21 sind an den Verbindungs­ steg St angeschlossen. Die jeweils dem Verbindungssteg St abge­ wandten Anschlüsse der Schalter S11 und S21 sind mit einer An­ paßschaltung A verbunden. Die Anpaßschaltung enthält eingangs­ seitig die Reihenschaltung eines einstellbaren Kondensators C1 und einer ersten Varaktordiode V1. Ein Eingang ist ferner über eine zweite Varaktordiode V2 mit dem Innenleiter einer Koaxial­ leitung K verbunden, die zur Sende-Empfangseinheit 15 nach Fig. 1 führt. Der Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator C1 und der Varaktordiode V1 ist an den Außenleiter des Koaxialka­ bels K angeschlossen und liegt damit auf Massepotential.

Mit dem Kondensator C1 können die beiden Einzelspulen L1 und L2 symmetrisch bezüglich des Massepotentials eingestellt werden. Mit den Varaktordioden V1 und V2 erfolgt eine Impedanzanpassung der Oberflächenspule. Mit Hilfe von Steuerspannungen, die in Fig. 2 der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind, kann die Impedanz auch bei wechselnden Lastverhältnissen an der Oberflächenspule angepaßt werden.

In jede Einzelspule L1, L2 ist in Serie ein zweiter Schalter S12 bzw. S22 eingefügt.

Im Ausführungsbeispiel besteht jeder Schalter S11, S12, S21, S22 aus einer PIN-Diode P11, P12, P21, P22 mit einem dazu in Reihe geschalteten Kondensator C11, C12, C21, C22. Dem Verbin­ dungspunkt von PIN-Diode und Kondensator wird jeweils über ei­ nen Steuereingang E1 bis E4 und eine Drossel L11, L12, L21, L22 ein Steuerstrom oder eine Sperrspannung zugeführt. Durch die Drosseln L11, L12, L21, L22 wird verhindert, daß ein hochfre­ quenter Strom zur Steuereinrichtung fließt. Ferner sind die Steuereingänge E1 bis E4 über Blockkondensatoren C13, C14, C21, C24 mit Bezugspotential verbunden, so daß verbleibende hochfre­ quente Ströme nach Gleichspannungs-Bezugspotential abgeleitet werden.

Die Ansteuerung von PIN-Dioden ist beispielsweise in dem Buch G. Kesel et al, "Signalverarbeitende Dioden", Berlin 1982, Sei­ ten 54-56, beschrieben.

Die den PIN-Dioden P11, P12, P21, P22 zugeführten Steuer-Gleich­ ströme werden über Drosseln L13 bzw. L23 und Steuereingänge E5 bzw. E6 nach dem Gleichstrom-Bezugspotential DC₀ geführt. Die Drosseln L13, L23 sind an den Anschlußpunkten für die Anpaß­ schaltung A angeschlossen. Auch hier sind wieder Kondensatoren C15, C25 vorgesehen, die Hochfrequenzanteile, die nach den Dros­ seln L13, L23 verbleiben, kurzschließen.

Bei der dargestellten Anordnung können wahlweise die Einzel­ spule L1, die Einzelspule L2 oder beide Spulen aktiv geschaltet werden. Wenn beispielsweise die Einzelspule L1 aktiv geschaltet werden soll, so wird über die Drossel L21 die PIN-Diode P21 leitend geschaltet, während die PIN-Diode P11 durch eine über die Drossel L11 angelegte Sperrspannung gesperrt bleibt. Der Kondensator C21 verhindert, daß der Steuerstrom für die PIN- Diode P21 ungewollt abfließt. Er ist aber so dimensioniert, daß er für die Hochfrequenz eine niedrige Impedanz darstellt. Wäh­ rend des Empfangsbetriebes der Einzelspule C1 wird ferner über die Drossel L12 die PIN-Diode P12 leitend geschaltet, wobei hier wiederum der Kondensator C12 ein Abfließen des Steuerstro­ mes verhindert. Damit ist während des Empfangsbetriebes die Ein­ zelspule L1 an die Anpaßschaltung A und damit über das Koaxial­ kabel K an die Sende-Empfangseinheit 16 angeschlossen. Gleich­ zeitig wird die PIN-Diode P22 durch eine Sperrspannung über die Drossel L22 gesperrt, so daß die Einzelspule L2 unterbrochen ist. Während des Sendebetriebes der Ganzkörperantenne werden die PIN-Diode P12 und P22 durch eine Sperrspannung in den Sperr­ zustand geschaltet, so daß die gesamte Oberflächenspule von der Ganzkörperantenne entkoppelt ist.

Wenn die Einzelspule L2 aktiv geschaltet werden soll, wird - zumindest im Empfangsbetrieb - die PIN-Diode P11 in den leiten­ den Zustand Empfangsbetriebes und - ausschließlich während des Empfangsbetriebes - die PIN-Diode P22 in den leitenden Zustand geschaltet, so daß nunmehr die Einzelspule L2 an die Anpaß­ schaltung A angeschlossen ist. Die PIN-Dioden P12 und P21 blei­ ben gesperrt.

Schließlich ist es auch möglich, beide Einzelspulen L1 und L2 gleichzeitig aktiv zu schalten, indem bei Empfangsbetrieb die PIN-Dioden P12 und P22 leitend geschaltet werden, während die PIN-Dioden P11 und P21 gesperrt bleiben.

Eine Vereinfachung der Ansteuerung wird dadurch erreicht, daß man die Schalter S12 und S22 aus Fig. 2 durch eine Anordnung gemäß Fig. 3 ersetzt. Dabei wird durch in den Stromkreis einge­ fügtes λ/4-Glied die Schaltwirkung der PIN-Dioden P12 und P22 invertiert. Im Stromkreis der Einzelspulen L1 bzw. L2 liegt da­ bei jeweils ein Kondensator C14 bzw. C24. Dieser Kondensator ist von der Reihenschaltung einer Drossel L14 bzw. L24 mit ei­ nem Kondensator C15 bzw. C25 überbrückt. Parallel zum Konden­ sator C15 bzw. C25 liegt jeweils die PIN-Diode P12 bzw. P22. Ansonsten entspricht die Schaltung nach Fig. 3 derjenigen von Fig. 2.

Die Kondensatoren C14, C15 bzw. C24, C25 und die Drosseln L14 bzw. L24 sind so dimensioniert, daß sich - je nach Schaltzu­ stand der PIN-Dioden P12 und P22 - ein auf die Betriebsfrequenz des Kernspinresonanzgerätes abgestimmter Parallel- oder Serien­ schwingkreis ergibt.

Wenn beispielsweise die PIN-Diode P12 bzw. P22 leitend geschal­ tet wird, so ist der parallel geschaltete Kondensator C15 bzw. C25 überbrückt und die Drossel L14 bzw. L24 bildet zusammen mit dem Kondensator C14 bzw. C24 einen Parallelresonanzkreis mit hoher Impedanz. Bei leitender PIN-Diode P12 bzw. P22 ist somit die zugeordnete Einzelspule L1 bzw. L2 hochfrequenzmäßig unter­ brochen. Wenn umgekehrt die PIN-Diode P12 bzw. P22 mit einer Sperrspannung beaufschlagt wird, so bildet die Drossel L14 bzw. L24 mit dem Kondensator C15 bzw. C25 einen Serienschwingkreis, der bei Resonanz eine niedrige Impedanz aufweist. Bei gesperr­ ter PIN-Diode P12 bzw. P22 ist somit die betreffende Einzelspu­ le nicht mehr unterbrochen.

Daraus ergibt sich, daß die Ansteuerung der PIN-Dioden P12, P22 gerade invers zu der im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Ansteuerung dieser PIN-Dioden erfolgt. Damit benötigt man nur noch zwei Steuersignale. Ein erstes Steuersignal S1, das in Fig. 4 dargestellt ist, ist dynamisch und alterniert in der Polarität entsprechend der Anregesequenz für die Kernresonanz­ signale. Zwischen einer Sperrspannung -U in negativer Richtung und einem in Leitrichtung liegenden Steuerstrom +I in positiver Richtung.

Ein zweites, in Fig. 5 dargestelltes Steuersignal S2 ist dyna­ misch und besteht beispielsweise aus einem zeitlich konstanten Steuerstrom +I.

Je nachdem, wie man die beiden Steuersignale S1 und S2 an die Steuereingänge E1 bis E4 anlegt, wird einer der bereits be­ schriebenen Betriebszustände erreicht. Soll beispielsweise die linke Einzelspule L1 angesteuert werden, so wird das statische Signal S2 an die Steuereingänge E2 und E4 geschaltet. Das dyna­ mische Signal S1 wird an die Steuereingänge E3 und E1 geschal­ tet. Bei Betrieb der rechten Einzelspule L2 werden die Signale umgetauscht, d. h. das statische Signal S2 wird an die Eingänge E1 und E3 gelegt, das dynamische Signal S1 an die Eingänge E2 und E4. Im Doppelbetrieb wird das dynamische Signal S1 an alle Eingänge E1 bis E4 gelegt.

Die dargestellte Anordnung zeichnet sich damit durch einen ge­ ringen Steuerungsaufwand aus, da nur zwei Steuersignale S1 und S2 benötigt werden.

Beim Betrieb beider Einzelspulen L1, L2 wird eine gute Feldho­ mogenität erreicht, da auf dem Verbindungssteg St kein Hoch­ frequenzstrom fließt.

Claims (7)

1. Doppel-Oberflächenspule für ein Kernspinresonanzgerät mit zwei Einzelspulen (L1, L2), die wahlweise über ein Anpaßnetz­ werk (A) mit einer Sende-Empfangsschaltung (16) verbindbar sind, wobei beide Einzelspulen (L1, L2) einen gemeinsamen Ver­ bindungspunkt (St) aufweisen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beidseitig dieses Verbindungspunktes (St) in jede Einzelspule (L1, L2) ein erster steuerbarer Schal­ ter (S11, S21) eingefügt ist und daß jeweils die dem gemeinsa­ men Verbindungspunkt (St) abgewandten Anschlüsse der ersten Schalter (S11, S21) mit der Anpaßschaltung (A) verbunden sind.

2. Doppel-Oberflächenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in jede Einzelspule (L1, L2) zwischen dem gemeinsamen Verbindungspunkt (St) und dem je­ weiligen Anschlußpunkt an die Anpaßschaltung (A) ein zweiter steuerbarer Schalter (S12, S22) eingefügt ist, der geöffnet wird, solange die zugeordnete Einzelspule nicht in Empfangs­ betrieb ist.

3. Doppel-Oberflächenspule nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (S11, S12, S21, S22) als PIN-Dioden (P11, P12, P21, P22) ausgeführt sind, wobei jeder PIN-Diode ein Blockkondensator (C11, C12, C21, C22) in Reihe geschaltet ist und wobei jeder PIN-Diode (P11, P12, P21, P22) eine Steuer­ spannung über eine Drossel (L11, L12, L21, L22) zugeführt wird.

4. Doppel-Oberflächenspule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Schalter (S12, S22) eine PIN-Diode (P12, P22) vorgesehen ist, deren Schaltwirkung durch ein λ/4-Glied invertiert ist.

5. Doppel-Oberflächenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußpunkte der Einzelspulen (L1, L2) an die Anpaßschaltung (A) über je eine Drossel (L13, L23) gleichstrommäßig an das Be­ zugspotential für die Steuerspannungen der PIN-Dioden (P11, P12, P21, P22) gelegt werden.

6. Doppel-Oberflächenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelspulen (L1, L2) nebeneinander angeordnet sind und zur Mammographie verwendet werden.

7. Doppel-Oberflächenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Verbindungspunkt (St) als Verbindungssteg ausgeführt ist.