DE4232827B4

DE4232827B4 - Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung für ein Kernspintomographiegerät

Info

Publication number: DE4232827B4
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: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2012-10-01
Also published as: DE4232827A1; JP3391860B2; US5471142A; JPH06261880A

Abstract

Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung für ein Kernspintomographiegerät, dadurch gekennzeichnet, 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 Kombinationsnetzwerk (36) angeschlossen ist, in dem zwischen den Ausgangssignalen (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.

Description

Die Erfindung betrifft eine zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung für ein Kernspintomographiegerät. Mit zirkular polarisierten Antennen läßt sich das Signal-Rausch-Verhältnis in der MR-Bildgebung bei gleicher Aufnahmezeit gegenüber linear polarisierten Antennen deutlich verbessern. Zirkular polarisierte Ganzkörperantennen können einfach dadurch realisiert werden, daß man am Umfang eines zylinderförmigen 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. Butterfly-Anordnung eine Feldkomponente erzeugt, die im Untersuchungsbereich 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 häufig sog. Antennenarrays verwendet, d.h. eine Kette von mehreren Teilantennen. Ein derartiges Array ist beispielsweise in der PCT-Patentanmeldung WO 89/05115 beschrieben. Dieses Array ist jedoch linear polarisiert und weist somit ein entsprechend schlechteres Signal-Rausch-Verhältnis auf.

Die aus der oben genannten US-Patentschrift 4,816,765 bekannte zirkular polarisierte Oberflächenspule ist für Arrays, 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 problemlose 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 gegenseitig so weit überlappen, daß sie geometrisch entkoppelt sind, wobei jede Lokalspule gesondert an ein Kombinationsnetzwerk angeschlossen ist, in dem zwischen den Ausgangssignalen von drei Lokalspulen eine komplexe Verknüpfung derart hergestellt wird, daß man ein Hochfrequenzsignal erhält, das einer zirkularen Polarisation entspricht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der 1 bis 9 dargestellt. Dabei zeigen:
1 einen Patienten in einem schematisiert dargestellten Horizontalschnitt eines Kernspintomographiegerätes,
2 ein Array mit zwei sich überlappenden Spulen,
3 den Feldlinienverlauf durch diese Spulen,
4 eine Lokalantenne mit zirkularer Polarisation,
5 die magnetischen Feldlinien dieser Anordnung,
6 ein sich in z-Richtung erstreckendes Array von Lokalantennen mit zirkularer Polarisation,
7 ein sich in x-Richtung erstreckendes Array von Lokalspulen mit zirkularer Polarisation,
8 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt schematisch die Anordnung von Lokalantennen in einem horizontalen Schnitt eines Kernspintomographen 1. Als Lokalantennen werden solche Antennen bezeichnet, die im Gegensatz zu Ganzkörperantennen nur einen Teil des Untersuchungsraumes erfassen. Da für solche Lokalantennen im vorliegenden 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 rohrförmigen Untersuchungsraumes 4. Jeder Kernspintomograph weist ferner eine Ganzkörperantenne sowie Gradientenspulen auf, die jedoch in 1 nicht dargestellt sind, da die Erfindung ausschließlich Lokalspulen betrifft. In 1 ist ein Koordinatenkreuz 7 dargestellt, das die Richtung des Grundmagnetfeldes (also die Längsrichtung des Untersuchungsraumes) als z-Richtung definiert. Die x-Richtung liegt senkrecht dazu in der Zeichenebene, die y-Richtung senkrecht zur Zeichenebene. Diese Definitionen werden im folgenden beibehalten.
In 1 sind zwei Spulenarrays 5 und 6 mit Lokalspulen dargestellt. Für Abbildungen der Wirbelsäule ist es zweckmäßig, auf der Liegefläche des Patienten ein sich in dessen Längsrichtung (also in z-Richtung) des Patienten erstreckendes Spulenarray anzubringen. Je dichter die Spulen am Untersuchungsobjekt (also z.B. der Wirbelsäule) sind, desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis der empfangenen Signale. Mit dem Spulenarray 6 kann man Längsschnitte durch den Patienten 2 darstellen. Um auch einen vollständigen Transversalschnitt durch den Patienten 2 darstellen zu können, ist ein sich quer zum Patienten 2 (also in x-Richtung gemäß dem Koordinatenkreuz 7) erstreckendes Spulenarray erforderlich. Dabei kann es zweckmäßig sein, je ein solches Array unterhalb und oberhalb des Patienten 2 anzubringen.
Aus der bereits erwähnten US-Patentschrift 4,816,765 sind zirkular polarisierte Lokalspulen bekannt, die gegenüber linear polarisierten Lokalspulen den Vorteil eines günstigeren Signal-Rausch-Verhältnisses haben. Ein Beispiel für eine solche Spule ist in 4 dargestellt. Die Spule besteht aus zwei Teilspulen, nämlich einer sogenannten Butterfly-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 magnetischen Feldlinien der Spulenhälften 8a und 8b entgegengesetzte Richtung haben. Die beiden Teilspulen 8 und 9 sind jeweils mit einem Netzwerk 10 derart verbunden, daß eine zirkulare Polarisation entsteht.
Anhand von 5 wird dargestellt, wie man mit der Lokalspulenanordnung nach 4 in einem Untersuchungsbereich B die für die zirkulare Polarisation erforderlichen senkrecht aufeinander stehenden Feldkomponenten erhält. Die Feldlinien 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 Untersuchungsbereich B im wesentlichen senkrecht zur Ebene der Lokalspule. 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 zirkulare Polarisation erforderlichen senkrecht aufeinander stehende Feldkomponenten erhält. Dabei liefert die Teilspule 9 die Vertikalkomponente, die Butterfly-Spule 8 die Horizontalkomponente. Im folgenden wird daher die Teilspule 9 auch als Vertikalspule und die Butterfly-Spule 8 als Horizontalspule bezeichnet.
Die Lokalspulenanordnung muß, wie in 4 dargestellt, so angeordnet werden, daß die Polarisationsebene senkrecht zur z-Richtung, also senkrecht zur Richtung des Grundmagnetfeldes, liegt,
Die Spulenanordnung nach 4 bringt zwar gegenüber herkömmlichen, linear polarisierten Anordnungen eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, sie läßt sich für Lokalspulen-Arrays jedoch nur bedingt einsetzen. Die Arrays bestehen aus einer Anordnung einzelner Lokalspulen, deren Signal parallel ausgelesen und zu einem Bild zusammengesetzt wird. Das mit Lokalspulen-Arrays erzielbare Signal-Rausch-Verhältnis entspricht dem Signal-Rausch-Verhältnis einer Einzelspule. Der Abbildungsbereich wird durch die Gesamtzahl der Einzelspulen begrenzt.
Bei Arrays ist eine weitgehende Entkopplung der Einzelspulen 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-Verhältnis.
Bei linear polarisierten Spulen wird eine ausreichende Entkopplung durch Teilüberlappung der Einzelspulen erreicht – man spricht dann von "geometrischer Entkopplung".
Das Prinzip der geometrischen Entkopplung wird nachfolgend anhand der 2 und 3 erklärt. Dabei wird der Einfachheit halber von zwei kreisförmigen, sich überlappenden Spulen gemäß 2 ausgegangen. 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 Überlappungsbereiches haben. Durch entsprechende Dimensionierung der Überlappung kann erreicht werden, daß der magnetische Fluß im Überlappungsbereich genauso groß wie außerhalb des Überlappungsbereiches ist. Da jedoch die Flußrichtungen entgegengesetzt 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 Entkopplung bezeichnet.
Eine geometrische Entkopplung ist bei entsprechender Dimensionierung zwar auch bei einem Array mehrerer zirkular polarisierten Lokalspulen nach 4 möglich, solange sich das Array in Richtung des Grundmagnetfeldes, also in z-Richtung, erstreckt. In 6 ist ein Array mit zwei zirkular polarisierten Lokalspulen dargestellt. Wenn die Überlappung zwischen den Teilspulen 9, 9', 8a, 8a'; 8b, 8b' entsprechend dimensioniert wird, so kann eine geometrische Entkopplung jeweils zwischen den oben genannten Teilspulen erreicht werden. Bei einem zirkular polarisierten Array, das sich in x-Richtung erstreckt, müßten die zirkular polarisierten Lokalspulen wie in 7 dargestellt angeordnet werden, da die Polarisationsebene senkrecht zur Richtung des Grundmagnetfeldes, also zur z-Richtung, liegen muß. Dabei könnte man zwar jeweils die Vertikalspulen 9, 9a gegeneinander geometrisch entkoppeln. Eine gleichzeitige geometrische Entkopplung der Horizontalspulen 8, 8' gegeneinander sowie eine wechselseitige geometrische Entkopplung zwischen den Vertikal- und Horizontalspulen ist jedoch nicht möglich. Entkopplungsschaltungen, z.B. mit Übertragern, 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 8 dargestellten 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 polarisiert ist. Jede Lokalspule 20 bis 23 wird über ein Anpaßnetzwerk, 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 Kombinationsnetzwerk 36 eingespeist. Am Ausgang des Kombinationsnetzwerkes 36 werden zwei zirkular polarisierte Signale b₅ und b₆ abgegriffen.
Im Kombinationsnetzwerk 36 wird folgende komplexe Verknüpfung 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 zulaufenden Signale a₁ und a₃ bzw. a₂ und a₄ entspricht den Ausgangssignalen zweier horizontal polarisierter, in x-Richtung 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 zweites 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 polarisierte Lokalspulen gebildet, die in x-Richtung räumlich versetzt sind. Die Lokalspulen 21 und 22 liefern gleichzeitige horizontale und vertikale Teilsignale in benachbarten Array-Elementen.
Das Prinzip kann auch für eine größere Anzahl von Einzelspulen angewendet werden. Zur Realisierung eines N-kanaligen, zirkular polarisierten Arrays sind N+2 linear polarisierte Lokalspulen nötig.
Den Betrag der Koeffizienten S₅₁ bis S₅₃ und S₆₂ bis S₆₄ erhält man durch eine Normierung der horizontal und vertikal polarisierten Signalkomponenten auf gleiche Rauschleistung. In der Regel ist das Signal-Rausch-Verhältnis der vertikalen Signalkomponente etwas höher als das Signal-Rausch-Verhältnis der horizontalen. Für eine optimale Kombination sind die Koeffizienten entsprechend den unterschiedlichen Rauschleistungen zu verkleinern.
Die Berechnung der zirkularen Ausgangssignale b₅ und b₆ aus den Signalen a₁ bis a₄ der linear polarisierten Einzelspulen 20 bis 23 kann entsprechend der oben angegebenen Formel entweder Hardware-mäßig oder Software-mäßig erfolgen. Bei einer Hardware-mäßigen Realisierung des Kombinationsnetzwerkes 36 würde man zwei Rechnereingangskanäle für die Signale b₅ und b₆ benötigen, bei einer Software-mäßigen Verknüpfung der Signale a₁ bis a₄ dagegen vier Rechnereingangskanäle. Da diese Eingangskanäle relativ teuer sind, empfiehlt sich die Softwarelösung aus Kostengründen vor allem für eine größere Zahl von Teilspulen, da die relative Einsparung an Rechnereingangskanälen dann entsprechend geringer wird.
Mit einer Softwarelösung können die oben genannten Verknüpfungskoeffizienten in Abhängigkeit vom jeweiligen Bildpunkt optimiert werden, während sie bei einer Hardwarelösung fest eingestellt sind.
Die in 8 dargestellte Anordnung hat den Vorteil, daß die Lokalspulen 20 bis 23 wie herkömmliche linear polarisierte Arrays durch Teilüberlappung gut entkoppeln lassen.

Claims

Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung für ein Kernspintomographiegerät, dadurch gekennzeichnet, 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 Kombinationsnetzwerk (36) angeschlossen ist, in dem zwischen den Ausgangssignalen (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.
Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , 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.
Zirkular polarisierte Lokal-Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lokalspulen (20 bis 23) gleich sind und einen im Wesentlichen gleichen Abstand zueinander aufweisen.