DE4138690A1 - Zirkular polarisierende lokalantenne fuer ein kernspinresonanzgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zirkular polarisierende Lokalan­ tenne für ein Kernspinresonanzgerät mit zwei Antennensystemen.

In Kernspinresonanzgeräten, wie z. B. Kernspinresonanz-Bildge­ räte zur medizinischen Diagnose, werden zur Anregung der Kerne entweder linear oder zirkular polarisierte magnetische Hoch­ frequenzfelder verwendet. Ein lineares Feld kann man sich aus zwei gleich großen, gegenläufig zirkular polarisierten Felder zusammengesetzt denken. Wirksam für die Anregung ist aber nur eine der beiden zirkularen Feldanteile. Des bedeutet, daß bei einer linear polarisierenden Antenne für eine gleiche Anregung theoretisch zweimal soviel Leistung benötigt wird wie bei einer zirkular polarisierenden Antenne.

Bei medizinischen Kernspinresonanz-Bildgeräten lassen Vor­ schriften zum Schutz des Patienten nur eine maximale Sende­ leistung zu. Das schränkt die möglichen Sequenzen ein, ins­ besondere die Anzahl der abgetasteten anatomischen Schichten in einer vorgegebenen Untersuchungszeit. Daher können mit zirkular polarisierenden Antennen in der gleichen Zeit theo­ retisch zweimal, praktisch nicht ganz zweimal soviel Schichten abgetastet werden wie mit einer linear polarisierenden Antenne.

Auch die Verwendung von zirkular polarisierenden Empfangsan­ tennen hat Vorteile. Eine zirkular polarisierende Empfangs­ antenne ist zusammengesetzt aus zwei linear polarisierenden Antennen, die das Kernspinresonanz-Nutzsignal aus zueinander orthogonalen Raumrichtungen empfangen. Die empfangenen Signale werden dann nach einer 90°-Phasenverschiebung eines Signals phasengleich addiert. Damit verdoppelt sich das Nutzsignal während sich der Effektivwert des Rauschens um den Faktor 2 erhöht. Eine zirkular polarisierende Emfangsantenne hat damit gegenüber einer linear polarisierenden Empfangsantenne einen theoretischen Signal-Rausch-Gewinn von 2. Der Signal-Rausch- Gewinn erreicht in der Praxis jedoch nicht ganz den theo­ retischen Wert. Daraus ergibt sich, daß sowohl beim Senden als auch beim Empfang zirkular polarisierende Antennen Vor­ teile haben.

Eine bei einem medizinischen Kernspinresonanz-Bildgerät zur Erzeugung und zum Empfang eines zirkular polarisierten Hoch­ frequenzfeldes vorgesehene sogenannte Ganzkörperantenne oder ein Body-Resonator ist in der DE-OS 31 33 432 offenbart. Auf einer gedachten Zylindermantelfläche befinden sich zwei ge­ genüberliegend angeordnete Spulengruppen wobei die Spulen­ achsen der Spulengruppen senkrecht aufeinanderstehen.

Zur Erzeugung eines zirkularen magnetischen Hochfrequenz­ feldes werden die Spulengruppen mit um 90° gegeneinander phasenverschobenen Hochfrequenzströmen gespeist. Ein zu untersuchender Patient wird zur Erstellung von Tomogrammen in Längsrichtung innerhalb der zylindrischen Spulenanordnung gelagert, so daß sich die einzelnen Spulen oberhalb und unterhalb sowie zu beiden Seiten des Patienten befinden.

Ähnlich wie die oben beschriebene Ganzkörperantenne ist auch eine Lokalantenne der eingangs genannten Art zur Untersuchung des Kopfes aufgebaut, mit der ebenfalls zirkulare magnetische Hochfrequenzfelder erzeugt werden können. Werden nun mit der herkömmlichen Ganzkörperantenne Schnittbilder nur eines Kör­ perteils aufgenommen, so empfängt eine Ganzkörperantenne wegen ihrer großen Empfangsfläche auch Rauschsignale aus den übrigen Körperteilen. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird somit bei Teiluntersuchungen verschlechtert. Daher werden für Teilun­ tersuchungen auch Lokalantennen verwendet, die jedoch wegen der meist besseren Handhabbarkeit und einfacheren Signalverarbei­ tung vorwiegend als linear polarisierende Antenne aufgebaut sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, in einem Kern­ spinresonanzgerät bei der Untersuchung von Teilbereichen das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbesseren.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das erste Antennensytem als Rahmenspule ausgebildet ist, und daß zweite Antennen­ system aus mindestens einer Teilspule besteht und daß die Rahmenspule und die Teilspule ineinander gefügt sind und sich gegenseitig umschließen. Die von den beiden Antennen­ systemen erzeugten Hochfrequenzfelder stehen im Innenraum der Rahmenspule senkrecht aufeinander bzw. die beiden An­ tennensystme empfangen aus dem Innenraum aus zwei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen die Hochfrequenzsignale. Bei entsprechender 90°-Phasenverschiebung der Signale der beiden Antennensysteme zueinander wird ein zirkular polari­ siertes Hochfrequenzfeld erzeugt bzw. die Signale eines zir­ kular polarisierten Hochfrequenzfeldes empfangen. Damit wird eine weitgehend homogene Charakteristik erzielt und das Signal-Rausch-Verhältnis gegenüber linear polarisierenden Lokalantennen erhöht. Daraus resultiert bei medizinischen Kern­ spinresonanz-Bildgeräten eine bessere Bildqualität.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß das zweite Antennensystem aus zwei Teilspulen besteht, und daß die zwei Teilspulen in der Rahmenspule gegenüber­ liegend angeordnet sind. Mit dieser Anordnung läßt sich der homogene Bereich des zirkularen Feldes bzw. der Emp­ findlichkeit vergrößern. Bei der Signalzuführung bzw. Sig­ nalabnahme der beiden Teilantennen ist eine 180°-Phasenver­ schiebung zu berücksichtigen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Teilspulen senkrecht auf der Rahmenspule stehen. Damit werden besondere Maßnahmen zur Entkopplung der beiden Antennensysteme überflüssig.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Rahmenspule aus zwei U-förmigen Leiterstücken, deren Schenkel sich gegenüberstehen und wobei die gegenüberstehenden Schen­ kel über Kondensatoren miteinander verbunden sind. Die Kon­ densatoren wirken als Verkürzungskondensator. Der Spulen­ querschnitt kann bei entsprechender Wahl der Kondensatoren an die Größe der zu untersuchenden Körperteile angepaßt werden, so daß die Rahmenspule nicht unnötig groß und das Signal- Rausch-Verhältnis nicht damit verschlechtert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Leiterstücke parallel zur Spulenfläche Schlitze aufweisen. Über die Schlitzbereite, -form und -tiefe, kann die Homogenität der Felder gesteuert werden. Außerdem werden damit Wirbelstromverluste in der Rahmenspule herabgesetzt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung eines Aus­ führungsbeispiels anhand von drei Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine Rahmenspule, für ein erstes Antennensystem;

Fig. 2 in perspektivischer Ansich eine zirkular polarisierende Lokalantenne;

Fig. 3 eine Schaltung zur Entkopplung der beiden Antennen­ systeme.

Fig. 1 zeigt eine Rahmenspule 2, die ein erstes Antennensystem für eine zirkular polarisierende Lokalantenne bildet. Die Rahmenspule besteht aus zwei U-förmigen Leiterstücken 4, 6, deren Schenkel 8 und 10 sich gegenüberstehen und über Kon­ densatoren 12 miteinander verbunden sind. Die U-förmigen Leiterstücke 4 und 6 umschließen eine rechteckige Spulen­ fläche. Parallel zur Spulenfläche ist in jedem Leiterstück 4 und 6 ein Schlitz 14 eingebracht. Über die Schlitzbreite, Schlitzform und Schlitztiefe kann das von der Spule erzeugte Feld bzw. die Richtcharakteristik gesteuert werden. Mit den Enden der Schenkel 10 der beiden U-förmigen Leiterstücke 4 und 6, also parallel zu den Anschlüssen eines der beiden Kondensatoren 12, sind Anschlüsse 16 verbunden, über die der Rahmenspule 2 ein Sendesignal zugeführt bzw. ein Empfangssignal abgenommen werden kann.

Fig. 2 zeigt ausgehend von dem ersten Antennensytem nach Fig. 1 eine zirkular polarisierende Lokalantenne, wie sie in einem Kernspinresonanz-Bildgerät, insbesondere für die Mammographie, eingesetzt wird. Das erste Antennensystem 2 und ein zweites Antennensystem 17 sind ineinandergefügt und umschließen sich gegenseitig, ähnlich wie die Glieder einer Kette ineinander­ gefügt sind und sich gegenseitig umschließen. Das zweite An­ tennensystem 17 besteht hier aus zwei Teilspulen 18, 19, die jeweils die Rahmenspule 2 über die gesamte Länge der Schenkel 8 und 10 der Leiterstücke 4 und 6 umschließen. Damit ist eine homogene Charakteristik über einen großen, innerhalb der Rah­ menspule 2 liegenden Volumenbereich erreicht. Jede Teilspule 18, 19 besteht aus einer einzigen rechtwinklig gebogenen Leiterschleife, so daß auch die Teilspulen 18, 19 eine recht­ eckige Spulenfläche aufweisen.

Die Leiterschleifen der Teilspulen 18, 19 sind auf dem außer­ halb der Rahmenspule 2 gelegenen Teil mit einer Unterbrechung 20 versehen, die mit einem Kondensator 22 überbrückt ist. Der Kondensator 22 dient ebenso wie der Kondensator 12 zur Fest­ legung der gewünschten Resonanz-Frequenz der Teilspulen 18, 19. Jede Teilspule 18, 19 weist eigene Anschlüsse 24 auf, über die den Teilspulen ein Sendesignal parallel zum Kondensator 22 zugeführt bzw. ein Empfangssignal abgegriffen werden kann. In Fig. 2 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Anschlüsse 24 für die Teilspule 19 dargestellt.

Jede Teilspule 18, 19 ist mit zwei Schlitzen 26 versehen, die parallel zur Spulenfläche verlaufen. Ebenfalls wie bei der Rahmenspule 2 kann die Antennencharakteristik über die Schlitzbreite, Schlitzform und Schlitztiefe gesteuert werden. Außerdem kann die Antennencharakteristik der Lokalspule be­ einflußt werden, wenn die Teilspulen 18 und 19 gegeneinander und in bezug zur Rahmenspule 2 verschoben werden. Die Schlitze 20 setzen außerdem die Verluste durch Wirbelströme herab.

Die beiden Antennensysteme 2 und 18, 19 sind hier mit einem dünnen Kupferband realisiert. Beide Systeme können auch aus kupferkaschiertem Material, aus Draht oder Rohr aufgebaut werden.

Die zirkulare Charakteristik der Lokalspule wird im folgen­ den beispielhaft für den Sendevorgang beschrieben. Dazu wird auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem 28 Bezug ge­ nommen, dessen x- und y-Achse in der Papierebene liegen und dessen z-Achse senkrecht nach oben auf der Papierebene steht. Der Rahmenspule 2 wird über die Anschlüsse 16 ein Hochfre­ quenzstrom i1 zugeführt, dessen positive Richtung durch die Pfeile 30 definiert ist. Der Hochfrequenzstrom i1 erzeugt im Inneren der Rahmenspule ein magnetisches Feld in y-Richtung, das hier mit By bezeichnet ist. Der Teilspule 18 wird über die hier nicht dargestellten Anschlüsse 24 ein Hochfrequenzstrom i2 mit der gleichen Frequenz wie i1 zugeführt, der jedoch ge­ genüber dem Strom i1 um 90° phasenverschoben ist. Die positive Stromrichtung ist durch die Pfeile 32 definiert. Der Hochfre­ quenzstrom i2 erzeugt innerhalb der Rahmenspule 2 ein Magnet­ feld in x-Richtung was hier als Bx bezeichnet ist. Gleichfalls erzeugt ein Hochfrequenzstrom i3 in der Teilspule 19 ein Mag­ netfeld Bx in x-Richtung. Durch die 90°-Phasenverschiebung zwi­ schen den Strömen i1 und i2, i3 rotiert der resultierende Feld­ vektor B in der x-y-Ebene.

Eine ideale zirkulare Charakteristik wird nur erreicht, wenn die beiden Antennensyteme 2, 17 gegenseitig entkoppelt sind. Die Entkopplung kann durch eine genau rechtwinklige Ausrich­ tung zueinander erreicht werden. Bestehen aufgrund von Tole­ ranzen doch Kopplungen zwischen den Antennensystemen 2, 17, dann können die unerwünschten Kopplungen durch Entkopplungs­ kondensatoren 34 gemäß der in Fig. 3 angegebenen Schaltung kom­ pensiert werden. Die Leiterstücke der Spulen 2, 18, 19 sind durch Induktivitäten symbolisiert. Die Entkoppelungskonden­ satoren 34 sind nun jeweils zwischen die Verkürzungskonden­ satoren 12 und 22 geschaltet, sie verbinden die beiden An­ tennensysteme kapazitiv miteinander.

Beim Einsatz wird die Lokalantenne so ausgerichtet, daß das magnetische Grundfeld des Kernspinresonanzgeräts in z-Richtung verläuft.

Die in Fig. 2 dargestellte zirkular polarisierende Lokalspule findet in einem Kernspinresonanz-Bildgerät in der Mammographie auch als Doppelbrustspule Verwendung. Dabei werden zwei Lokal­ spulen nach Fig. 2 nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Für andere Anwendungsgebiete ist ebenso eine zirkulare Helmholtz- Anordnung möglich, die induktiv oder galvanisch gekoppelt ist.

Claims (10)

1. Zirkular polarisierende Lokalantenne für ein Kernspin­ resonanzgerät mit zwei Antennensystemen, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Antennensystem als Rahmenspule (2) ausgebildet ist, daß das zweite Antennen­ system (17) aus mindestens einer Teilspule (18, 19) besteht und daß die Rahmenspule (2) und die Teilspule (18, 19) ineinander­ gefügt sind und sich gegenseitig umschließen.

2. Lokalantenne nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zweite Antennensystem (17) aus zwei Teilspulen besteht und daß die zwei Teilspulen in der Rahmenspule gegenüberliegend angeordnet sind.

3. Lokalantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspulen (18, 19) senkrecht auf der Rahmenspule (2) stehen.

4. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rahmen­ spule (2) eine rechteckige Spulenfläche aufweist.

5. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rahmen­ spule aus zwei U-förmigen Leiterstücken (4, 6) besteht, deren Schenkel (8, 10) sich gegenüberstehen, und daß die gegenüber­ stehenden Schenkel (8 bzw. 10) über Kondensatoren (12) mit­ einander verbunden sind.

6. Lokalantenne nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leiterstücke (4, 6) parallel zur Spulenfläche mindestens einen Schlitz (14) aufweisen.

7. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die min­ destens eine Teilspule (18, 19) eine rechteckige Spulenfläche aufweist.

8. Lokalantenne nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mindestens eine Teil­ spule (18, 19) aus einer einzigen rechtwinklig gebogenen Leiter­ schleife besteht.

9. Lokalspule nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterschleife an dem außerhalb der Rahmenspule gelegenen Teil eine Unterbrechung (20) auf­ weist, die mit einem Kondensator (24) überbrückt ist.

10. Lokalspule nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife parallel zur Spulenfläche Schlitze (26) aufweist.