DE4232827A1

DE4232827A1 - Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung für ein Kernspintomographiegerät

Info

Publication number: DE4232827A1
Application number: DE4232827A
Authority: DE
Inventors: Jianmin Dipl Ing Wang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2012-10-01
Also published as: JP3391860B2; US5471142A; DE4232827B4; JPH06261880A

Description

Die Erfindung betrifft eine zirkular polarisierte Lokal-An tennenanordnung für ein Kernspintomographiegerät. Mit zir kular polarisierten Antennen läßt sich das Signal-Rausch- Verhältnis in der MR-Bildgebung bei gleicher Aufnahmezeit gegenüber linear polarisierten Antennen deutlich verbes sern. Zirkular polarisierte Ganzkörperantennen können ein fach dadurch realisiert werden, daß man am Umfang eines zy linderförmigen Untersuchungsraums zwei um 90° versetzte Teilantennen anordnet.

In der US-Patentschrift 4,816,765 ist eine Lokalspule mit flacher Bauweise dargestellt, die ebenfalls ein zirkular polarisiertes Feld erzeugt. Dabei wird durch eine sog. But terfly-Anordnung eine Feldkomponente erzeugt, die im Unter suchungsbereich parallel zur Lokalspule liegt. Durch eine in der Mitte der Butterfly-Anordnung liegende weitere Spule wird eine Feldkomponente senkrecht zur Fläche der Oberflächenspule erzeugt.

Beispielsweise zur Untersuchung der Wirbelsäule oder zur Untersuchung von transversalen Körperschichten werden häu fig sog. Antennenarrays verwendet, d. h. eine Kette von meh reren Teilantennen. Ein derartiges Array ist beispielsweise in der PCT-Patentanmeldung WO 89/05 115 beschrieben. Dieses Array ist jedoch linear polarisiert und weist somit ein entsprechend schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis auf.

Die aus der obengenannten US-Patentschrift 4,816,765 be kannte zirkular polarisierte Oberflächenspule ist für Ar rays, die sich quer zum Grundmagnetfeld erstrecken, wegen der dann auftretenden Verkopplung zwischen den Einzelspulen nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Struktur einer zirkular polarisierten Lokalantenne anzugeben, bei der in Arrays, die sich quer zum Grundmagnetfeld erstrecken, eine problem lose Entkopplung zwischen den Einzelelementen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lokal-Antennenanordnung aus einem Array von mindestens drei linear polarisierten Lokalspulen besteht, die sich gegen seitig so weit überlappen, daß sie geometrisch entkoppelt sind, wobei jede Lokalspule gesondert an ein Kombinations netzwerk angeschlossen ist, in dem zwischen den Ausgangssi gnalen von drei Lokalspulen eine komplexe Verknüpfung der art hergestellt wird, daß man ein Hochfrequenzsignal er hält, das einer zirkularen Polarisation entspricht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem sowie Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 8 dargestellt. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Patienten in einem schematisiert dargestellten Horizontalschnitt eines Kernspintomographiegerätes,

Fig. 2 ein Array mit zwei sich überlappenden Spulen,

Fig. 3 den Feldlinienverlauf durch diese Spulen,

Fig. 4 eine Lokalantenne mit zirkularer Polarisation,

Fig. 5 die magnetischen Feldlinien dieser Anordnung,

Fig. 6 ein sich in z-Richtung erstreckendes Array von Lokal antennen mit zirkularer Polarisation,

Fig. 7 ein sich in x-Richtung erstreckendes Array von Lokal spulen mit zirkularer Polarisation,

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung von Lokalantennen in einem horizontalen Schnitt eines Kernspintomographen 1. Als Lokalantennen werden solche Antennen bezeichnet, die im Ge gensatz zu Ganzkörperantennen nur einen Teil des Untersu chungsraumes erfassen. Da für solche Lokalantennen im vor liegenden Fall Spulen eingesetzt werden, wird im folgenden von "Lokalspulen" gesprochen.

Bei Anlagen mit supraleitenden Magneten liegt der Patient 2 im allgemeinen auf einer Liege 3 innerhalb eines rohrförmi gen Untersuchungsraumes 4. Jeder Kernspintomograph weist ferner eine Ganzkörperantenne sowie Gradientenspulen auf, die jedoch in Fig. 1 nicht dargestellt sind, da die Erfin dung ausschließlich Lokalspulen betrifft. In Fig. 1 ist ein Koordinatenkreuz 7 dargestellt, das die Richtung des Grund magnetfeldes (also die Längsrichtung des Untersuchungsrau mes) als z-Richtung definiert. Die x-Richtung liegt senk recht dazu in der Zeichenebene, die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene. Diese Definitionen werden im folgenden beibehalten.

In Fig. 1 sind zwei Spulenarrays 5 und 6 mit Lokalspulen dargestellt. Für Abbildungen der Wirbelsäule ist es zweck mäßig, auf der Liegefläche des Patienten ein sich in dessen Längsrichtung (also in z-Richtung) des Patienten er streckendes Spulenarray anzubringen. Je dichter die Spulen am Untersuchungsobjekt (also z. B. der Wirbelsäule) sind, desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis der empfange nen Signale. Mit dem Spulenarray 6 kann man Längsschnitte durch den Patienten 2 darstellen. Um auch einen vollständi gen Transversalschnitt durch den Patienten 2 darstellen zu können, ist ein sich quer zum Patienten 2 (also in x-Rich tung gemäß dem Koordinatenkreuz 7) erstreckendes Spulenar ray erforderlich. Dabei kann es zweckmäßig sein, je ein solches Array unterhalb und oberhalb des Patienten 2 anzu bringen.

Aus der bereits erwähnten US-Patentschrift 4,816,765 sind zirkular polarisierte Lokalspulen bekannt, die gegenüber linear polarisierten Lokalspulen den Vorteil eines günsti geren Signal-Rausch-Verhältnisses haben. Ein Beispiel für eine solche Spule ist in Fig. 4 dargestellt. Die Spule be steht aus zwei Teilspulen, nämlich einer sogenannten But terfly-Spule 8 und einer in der Mitte der Butterfly-Spule 8 und symmetrisch zu dieser angeordneten Teilspule 9. Die Butterfly-Spule 8 weist zwei Hälften 8a und 8b auf, die über Kreuz in Reihe geschaltet sind, so daß die magneti schen Feldlinien der Spulenhälften 8a und 8b entgegenge setzte Richtung haben. Die beiden Teilspulen 8 und 9 sind jeweils mit einem Netzwerk 10 derart verbunden, daß eine zirkulare Polarisation entsteht.

Anhand von Fig. 5 wird dargestellt, wie man mit der Lokal- Spulenanordnung nach Fig. 4 in einem Untersuchungsbereich B die für die zirkulare Polarisation erforderlichen senkrecht aufeinander stehenden Feldkomponenten erhält. Die Feldli nien der Butterfly-Spule 8 verlaufen von der Teilspule 8a zur Teilspule 8b und damit im Untersuchungsbereich B im wesentlichen parallel zur Ebene der Lokalspule. Die Feldlinien der Teilspule 9 verlaufen dagegen im Untersu chungsbereich B im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Lo kalspule. Damit stehen die Feldlinien der Butterfly-Spule 8 im Untersuchungsbereich B weitgehend senkrecht auf den Feldlinien der Teilspule 9, so daß man die für die zirku rare Polarisation erforderlichen senkrecht aufeinander ste hende Feldkomponenten erhält. Dabei liefert die Teilspule 9 die Vertikalkomponente, die Butterfly-Spule 8 die Horizon talkomponente. Im folgenden wird daher die Teilspule 9 auch als Vertikalspule und die Butterfly-Spule 8 als Horizontal spule bezeichnet.

Die Lokalspulenanordnung muß, wie in Fig. 4 dargestellt, so angeordnet werden, daß die Polarisationsebene senkrecht zur z-Richtung, also senkrecht zur Richtung des Grundmagnetfel des, liegt.

Die Spulenanordnung nach Fig. 4 bringt zwar gegenüber her kömmlichen, linear polarisierten Anordnungen eine Verbesse rung des Signal-Rausch-Verhältnisses, sie läßt sich für Lo kalspulen-Arrays jedoch nur bedingt einsetzen. Die Arrays bestehen aus einer Anordnung einzelner Lokalspulen, deren Signal parallel ausgelesen und zu einem Bild zusammenge setzt wird. Das mit Lokalspulen-Arrays erzielbare Signal- Rausch-Verhältnis entspricht dem Signal-Rausch-Verhältnis einer Einzelspule. Der Abbildungsbereich wird durch die Ge samtzahl der Einzelspulen begrenzt.

Bei Arrays ist eine weitgehende Entkopplung der Einzelspu len anzustreben. Eine unvollständige Entkopplung erschwert die Anpassung der Einzelspulen erheblich, führt zu einer Korrelation der Rauschanteile der Einzelspulen und damit zu einem starken Verlust im erzielbaren Signal-Rausch-Verhält nis.

Bei linear polarisierten Spulen wird eine ausreichende Ent kopplung durch Teilüberlappung der Einzelspulen erreicht - man spricht dann von "geometrischer Entkopplung".

Das Prinzip der geometrischen Entkopplung wird nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 erklärt. Dabei wird der Einfachheit halber von zwei kreisförmigen, sich überlappenden Spulen gemäß Fig. 2 ausgegangen. Fig. 3 zeigt den Verlauf der von der linken Spulen ausgehenden magnetischen Feldlinien in Seitenansicht. Dabei wird deutlich, daß die die rechte Spule durchsetzenden Feldlinien im Überlappungsbereich eine entgegengesetzte Richtung als außerhalb des Überlappungsbe reiches haben. Durch entsprechende Dimensionierung der Überlappung kann erreicht werden, daß der magnetische Fluß im Überlappungsbereich genauso groß wie außerhalb des Über lappungsbereiches ist. Da jedoch die Flußrichtungen entge gengesetzt sind, hebt sich die Wirkung des von der linken Spule ausgehenden Magnetfeldes in der rechten Spule auf. Dasselbe gilt auch für das von der rechten Spule ausgehende Magnetfeld. Dieser Zustand wird als geometrische Entkopp lung bezeichnet.

Eine geometrische Entkopplung ist bei entsprechender Dimen sionierung zwar auch bei einem Array mehrerer zirkular po larisierten Lokalspulen nach Fig. 4 möglich, solange sich das Array in Richtung des Grundmagnetfeldes, also in z- Richtung, erstreckt. In Fig. 6 ist ein Array mit zwei zirku lar polarisierten Lokalspulen dargestellt. Wenn die Über lappung zwischen den Teilspulen 9, 9′, 8a, 8a′; 8b, 8b′ entsprechend dimensioniert wird, so kann eine geometrische Entkopplung jeweils zwischen den obengenannten Teilspulen erreicht werden. Bei einem zirkular polarisierten Array, das sich in x-Richtung erstreckt, müßten die zirkular pola risierten Lokalspulen wie in Fig. 7 dargestellt angeordnet werden, da die Polarisationsebene senkrecht zur Richtung des Grundmagnetfeldes, also zur z-Richtung, liegen muß. Da bei könnte man zwar jeweils die Vertikalspulen 9, 9a gegen einander geometrisch entkoppeln. Eine gleichzeitige geome trische Entkopplung der Horizontalspulen 8, 8′ gegeneinan der sowie eine wechselseitige geometrische Entkopplung zwi schen den Vertikal- und Horizontalspulen ist jedoch nicht möglich. Entkopplungsschaltungen, z. B. mit Überträgern, führen ebenfalls nicht zu brauchbaren Ergebnissen.

Eine geometrische Entkopplung für ein Array, das sich in einer Richtung senkrecht zum Magnetfeld, also in x- oder y- Richtung, erstreckt, kann jedoch mit dem in Fig. 8 darge stellten Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht werden. Dabei besteht das Array aus vier gleichen, in x-Richtung nebeneinander mit gleichem Abstand angeordneten Lokalspulen 20 bis 23, von denen jede für sich betrachtet linear pola risiert ist. Jede Lokalspule 20 bis 23 wird über ein Anpaß netzwerk, das jeweils aus einem Parallelkondensator 24 bis 30 und einem Längskondensator 25 bis 31 besteht, an einen Vorverstärker 32 bis 35 angeschlossen. Die Ausgangssignale a₁ bis a₄ der Vorverstärker 32 bis 35 werden in ein Kombi nationsnetzwerk 36 eingespeist. Am Ausgang des Kombina tionsnetzwerkes 36 werden zwei zirkular polarisierte Signa le b₅ und b₆ abgegriffen.

Im Kombinationsnetzwerk 36 wird folgende komplexe Verknü pfung zwischen den Ein- und Ausgangssignalen hergestellt:

b₅ = S₅₁a₁ + S₅₂a₂ + S₅₃a₃
b₆ = S₆₂a₂ + S₆₃a₃ + S₆₄a₄.

Für die komplexen Koeffizienten S₅₁ bis S₅₃; S₆₂ bis S₆₄ gelten im Idealfall:

Die Differenz der auf das Kombinationsnetzwerk 36 zulaufen den Signale a₁ und a₃ bzw. a₂ und a₄ entspricht den Aus gangssignalen zweier horizontal polarisierter, in x-Rich tung überlappender Spulen. Die zirkulare Polarisation der Dreiergruppe der Lokalspulen 20 bis 22 wird erreicht durch die Addition der um 90°-phasenverschobenen Signale a₂ und a₃. Die Dreiergruppe der Spulen 20 bis 22 stellt damit im Ergebnis eine zirkular polarisierte Lokalspule dar, die das Signal b₅ liefert. Die Lokalspulen 21 bis 23 sind wiederum zu einer zweiten Gruppe zusammengefaßt, die in analoger Weise zur ersten Gruppe der Lokalspulen 20 bis 22 ein zwei tes zirkular polarisiertes Signal b₆ liefern. Aus den in Reihe angeordneten Lokalspulen 20 bis 23 werden somit zwei in einer Ebene senkrecht zur z-Richtung zirkular polari sierte Lokalspulen gebildet, die in x-Richtung räumlich versetzt sind. Die Lokalspulen 21 und 22 liefern gleichzei tige horizontale und vertikale Teilsignale in benachbarten Array-Elementen.

Das Prinzip kann auch für eine größere Anzahl von Einzel spulen angewendet werden. Zur Realisierung eines N-kanali gen, zirkular polarisierten Arrays sind N+2 linear polari sierte Lokalspulen nötig.

Den Betrag der Koeffizienten S₅₁ bis S₅₃ und S₆₂ bis S₆₄ erhält man durch eine Normierung der horizontal und ver tikal polarisierten Signalkomponenten auf gleiche Rausch leistung. In der Regel ist das Signal-Rausch-Verhältnis der vertikalen Signalkomponente etwas höher als das Signal- Rausch-Verhältnis der horizontalen. Für eine optimale Kom bination sind die Koeffizienten entsprechend den unter schiedlichen Rauschleistungen zu verkleinern.

Die Berechnung der zirkularen Ausgangssignale b₅ und b₆ aus den Signalen a₁ bis a₄ der linear polarisierten Einzelspu len 20 bis 23 kann entsprechend der oben angegebenen Formel entweder Hardware-mäßig oder Software-mäßig erfolgen. Bei einer Hardware-mäßigen Realisierung des Kombinationsnetz werkes 36 würde man zwei Rechnereingangskanäle für die Si gnale b₅ und b₆ benötigen, bei einer Software-mäßigen Ver knüpfung der Signale a₁ bis a₄ dagegen vier Rechnerein gangskanäle. Da diese Eingangskanäle relativ teuer sind, empfiehlt sich die Softwarelösung aus Kostengründen vor al lem für eine größere Zahl von Teilspulen, da die relative Einsparung an Rechnereingangskanälen dann entsprechend ge ringer wird.

Mit einer Softwarelösung können die obengenannten Verknü pfungskoeffizienten in Abhängigkeit vom jeweiligen Bild punkt optimiert werden, während sie bei einer Hardwarelö sung fest eingestellt sind.

Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung hat den Vorteil, daß die Lokalspulen 20 bis 23 wie herkömmliche linear polari sierte Arrays durch Teilüberlappung gut entkoppeln lassen.

Claims

1. Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung für ein Kernspintomographiegerät, dadurch ge kennzeichnet, daß die Antennenanordnung aus einem Array von mindestens drei linear polarisierten Lokalspulen (20 bis 23) besteht, die sich gegenseitig so weit überlappen, daß sie geometrisch entkoppelt sind, wobei jede Lokalspule (20 bis 23) gesondert an ein Kombinations netzwerk (36) angeschlossen ist, in dem zwischen den Aus gangssignalen (a₁ bis a₄) von jeweils drei Lokalspulen (20 bis 23) eine komplexe Verknüpfung derart hergestellt wird, daß man jeweils ein Hochfrequenzsignal (b₅, b₆) erhält, das einer zirkularen Polarisation entspricht.

2. Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung nach An spruch 1, dadurch gekennzeich net, daß bei einem Array mit 3+n Lokalspulen (20 bis 23) n+1 Kernresonanzsignale derart gewonnen werden, daß ein x-tes Kernresonanzsignal aus der Gruppe der Lokalspulen x . . . x+2 und jeweils ein weiteres Kernresonanzsignal aus der Gruppe der Lokalspulen (x+1) . . . (x+3) gewonnen wird, wobei x Werte zwischen 1 und n aufweist, so daß alle Lokalspulen (20 bis 23) mit Ausnahme der randseitigen zu mehreren Kern resonanzsignalen beitragen.

3. Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung nach An spruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß alle Lokalspulen (20 bis 23) gleich sind und einen im wesentlichen gleichen Abstand zu einander aufweisen.