DE4232884A1

DE4232884A1 - Antennenanordnung für ein Kernspinresonanzgerät

Info

Publication number: DE4232884A1
Application number: DE4232884A
Authority: DE
Inventors: Norihiko Mikoshiba; Yutaka Watanabe; Wilhelm Dr Ing Duerr
Original assignee: Siemens AG; Siemens Asahi Medical Technologies Ltd
Current assignee: Siemens AG; Siemens KK
Priority date: 1992-09-30
Filing date: 1992-09-30
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2012-10-01
Also published as: JP3471862B2; JPH07372A; US5467017A; DE4232884C2

Description

Für Kernspinresonanzgeräte benötigt man bekanntlich neben starken magnetischen Grundfeldern magnetische Gradientenfel der und Hochfrequenzfelder für die Anregung von Kernspins. Bei den weit verbreitenden supraleitenden Magneten verwendet man im allgemeinen eine Helmholtz-Spulenanordnung, in deren Inneren der Untersuchungsraum liegt. Die Richtung des Grund magnetfeldes liegt somit in Längsrichtung des zu untersuchen den Patienten. Zur Auslenkung der Kernspins wird ein Hochfre quenzfeld eingestrahlt, das magnetische Feldkomponenten senk recht zur Richtung des Grundmagnetfeldes aufweist.

Hierzu kann beispielsweise eine Antennenstruktur verwendet werden, wie sie in der US-PS 4,506,224 dargestellt ist. Dabei verlau fen Stäbe in Längsrichtung des Magneten, also in Richtung des Grundmagnetfeldes.

Kernspintomographiegeräte, die mit normal leitenden Magneten oder mit Permanentmagneten betrieben werden, weisen meist ei ne C- oder H-Form auf oder sind mit vier Säulen ausgeführt. Das Grundmagnetfeld wird zwischen zwei Polplatten erzeugt und liegt somit senkrecht zur Längsrichtung des Patienten. Der offene Untersuchungsraum derartiger Magnetstrukturen hat ge genüber dem geschlossenen, rohrförmigen Untersuchungsraum, wie er bei supraleitenden Magneten üblich ist, mehrere Vor teile. Das Untersuchungsvolumen bleibt während der Untersu chung relativ problemlos zugänglich, so daß interventionelle Untersuchungen durchgeführt werden können. Ferner ist bei derartigen offenen Systemen kaum die Gefahr gegeben, daß der untersuchte Patient klaustrophobische Zustände bekommt.

Bei Polplatten-Magneten ist man bestrebt, den Polplattenab stand möglichst klein zu halten, damit das Magnetgewicht klein bleibt und eine bessere Grundfeldhomogenität zu errei chen ist. Alle Einbauten zwischen den Polplatten, z. B. auch die Hochfrequenzantennen, müssen daher so flach wie möglich gehalten werden. Ferner müssen sie so gestaltet werden, daß die Zugänglichkeit des Untersuchungsvolumens für interventio nelle Untersuchungen nicht beeinträchtigt wird.

In der DE-A1-03 59 374 ist eine Antennenanordnung beschrie ben, bei der jeder Polplatte eine Teilantenne mit relativ großflächigen Leitern sowie mit einem Rückleiter zugeordnet ist. Die großflächigen Leiter wirken zusammen mit dem Rück leiter als Transmission-Line, die auf die Hochfrequenz abge stimmt ist. Die großflächigen Leiter an den beiden Polplatten sind entgegengesetzt von Strom durchflossen. Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß durch den Rückleiter Störungen der Hochfrequenzverteilung verursacht werden.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Antennenanord nung der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß sie mög lichst flach und mit guter Homogenität und Empfindlichkeit ausgeführt werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Mit der Struktur von Schirm und Leitern wird eine gu te Homogenität des erzeugten Hochfrequenzfeldes erzielt.

Bei gleichem Abstand a zwischen Hin-Rückleiter einerseits und Leiterschirm andererseits ist die Empfindlichkeit bei der ge schirmten Leiteranordnung deutlich höher als bei einer Anord nung Hin-Rückleiter. Dies läßt sich leicht einsehen, wenn man gedanklich den Schirm durch entsprechende Spiegelströme er setzt. Der entstehende Stromdipol hat dann den Abstand 2a zwischen Hin- und Rückleiter und erzeugt demnach bei gleichem Strom ein entsprechend höheres Nutzfeld als die einfache Hin- Rückleiteranordnung.

Ferner wird eine gute Entkopplung zwischen Gradienten- und HF-System erreicht, wodurch Störungen von außen weitgehend unterdrückt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 18 dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für die Antennenanordnung in schemati scher Darstellung in Frontansicht,

Fig. 2 dieselbe Anordnung in Seitenansicht,

Fig. 3 eine Anordnung mit einem Phasenschieber zwischen den beiden Teilantennen,

Fig. 4 und 5 eine Antennenanordnung mit einer eigenen Rück stromplatte,

Fig. 6 bis 12 verschiedene Möglichkeiten zur Ankopplung der Leiterstruktur an den Schirm, um die Homogenität des Hochfrequenzfeldes zu verbessern,

Fig. 13 eine Leiterstruktur in Form einzelner Streifen,

Fig. 14 und 15 Leiterstrukturen, deren Kontur an das Untersu chungsvolumen angepaßt ist und

Fig. 16 und 17 Leiterstrukturen, bei denen die einzelnen Lei terstreifen unterschiedlichen Abstand zum Schirm auf weisen und

Fig. 18 eine zirkular polarisierende Antennenstruktur.

Das Prinzip der Erfindung wird zunächst anhand der schemati schen Darstellungen nach den Fig. 1 und 2 erläutert, wobei Fig. 1 eine Frontansicht und Fig. 2 eine Seitenansicht der An ordnung darstellen. Im Ausführungsbeispiel wird ein C-förmi ger Magnet mit zwei Polplatten 1 und 2 und einem Joch 3 ver wendet. Das Magnetfeld wird durch eine Spule 3a erzeugt.

Die für ein Kernspintomographiegerät erforderlichen Shim-Spu len zur Verbesserung der Grundfeldhomogenität und die Gra dientenspulen sind in den Fig. 1 und 2 der Übersichtlichkeit wegen weggelassen, da sie nicht zur Erfindung beitragen.

An beiden Polplatten 1 und 2 ist jeweils ein geerdeter Hoch frequenzschirm 4 bzw. 5 vorgesehen. Die beiden Hochfrequenz schirme 4 und 5 können im Bereich des Joches 3 über eine Ver bindung 4a miteinander verbunden sein, so daß insgesamt ein U-förmiger Schirm entsteht, der an der dem Joch 3 abgewandten Seite offen ist, so daß die Zugänglichkeit zum Untersuchungs objekt kaum beeinträchtigt wird. Jeweils in einem Abstand a zu den Schirmen 4 und 5 ist im Bereich der Polplatten 1 und 2 eine Leiterstruktur 6 bzw. 7 angeordnet. Die Leiterstrukturen 6 und 7 sind jeweils über mehrere, über die Breite verteilte Kondensatoren 8 und 9 bzw. 10 und 11 mit dem Schirm 4 bzw. 5 verbunden. Zur Erzeugung eines Hochfrequenzfeldes müssen die Leiterstrukturen 6 und 7 in zueinander entgegengesetzter Richtung von Strom durchflossen werden. Beim Ausführungsbei spiel nach Fig. 1 geschieht dies dadurch, daß ein Hochfre quenzsender 12 über Koaxialleitungen 13, 14 und Anpaßkonden satoren 42, 43 an entgegengesetzten Enden der Leiterstruktu ren 6 bzw. 7 angeschlossen ist. Der Mantel der Koaxialleiter 13, 14 ist mit dem jeweiligen Schirm 4 bzw. 5 verbunden.

In Fig. 1 ist ein Koordinatenkreuz 15 eingezeichnet. Das Grundmagnetfeld B₀ verläuft von der Polplatte 1 zur Polplatte 2, also in dem definierten Koordinatensystem in -y-Richtung. Die von der Antennenanordnung erzeugte magnetische Feldkomponente B₁ muß senkrecht zum Grundmagnetfeld B₀ ver laufen. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verläuft sie in x- Richtung.

Der Abstand a zwischen Schirm 4 bzw. 5 und Leiterstruktur 6 bzw. 7 wird möglichst klein gehalten, um den Untersuchungs raum nicht mehr als nötig zu verkleinern oder um bei vorgege benem Untersuchungsraum mit einem möglichst geringem Abstand zwischen den Polplatten 1 und 2 auszukommen. Der Wirkungsgrad der Antenne wird zwar um so schlechter, je näher die Leiter strukturen 6, 7 am Schirm 4 bzw. 5 angeordnet sind. Dies spielt jedoch für Sendeantennen eine eher untergeordnete Rolle, da die Einbuße an Wirkungsgrad durch einen leistungs stärkeren Sender wieder ausgeglichen werden kann. Kritischer wäre ein geringer Abstand bei Einsatz der Antenne als Em pfangsantenne, da dort eine Verschlechterung des Wirkungsgra des mit einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses verbunden wäre. Dies läßt sich jedoch dadurch umgehen, daß man die beschriebene Antennenstruktur nur zum Senden benutzt und zum Empfangen Lokalspulen vorsieht. Bei einer realisier ten Anordnung hat sich ein Abstand a = 2 cm zwischen Leiter struktur und Schirm als guter Kompromiß erwiesen.

Die Dicke des Schirms 4, 5 sollte für eine gute Schirmwirkung etwa gleich der doppelten Eindringtiefe (Skin-Tiefe) der Hochfrequenz sein. Zur Vermeidung von Wirbelströmen, die durch Gradientenfelder induziert werden, kann der Schirm 4, 5 auch geschlitzt ausgeführt werden. Werden die Schlitze, die so anzuordnen sind, daß wirbelstrombahnen unterbrochen wer den, kapazitiv überbrückt, so bleibt die HF-Schirmwirkung weitgehend erhalten.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 werden die hochfrequenten Ströme für die beiden Leiterstrukturen 6 und 7 von derselben Seite her zugeführt. Um eine entgegengesetzte Stromrichtung zu erreichen, ist ein Phasenschieber 15 vorgesehen, der die Ströme für die Leiterstruktur 7 gegenüber denjenigen für die Leiterstruktur 6 um 180°.

Mit der geschirmten Leiteranordnung soll, auch eine Abstrah lung von HF-Energie verhindert werden, die ansonsten mit ei ner undefinierten Wechselwirkung mit Kabeln, Geräten und Per sonen im Untersuchungsraum verbunden ist. Aufgrund der Strom verteilung auf dem Schirm und der damit verbundenen Poten tialverteilung, ist bei dieser einseitig offenen U-Struktur jedoch noch eine leichte Hochfrequenzabstrahlung vorhanden.

Um diese verbleibende Hochfrequenzabstrahlung noch weiter zu reduzieren, kann man die normalerweise über den Schirm flie ßenden Rückströme über eine eigene Rückstromplatte führen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in einer Detail zeichnung für eine Polplatte in Fig. 4 in einem seitlichen Schnitt, in Fig. 5 in Draufsicht dargestellt. Auf den Schirm 4 wird unter Zwischenlage eines Isolators 41 eine Rückleiter platte 40 aufgelegt, die den Rückstrom führt. Die Dicke des Isolators 41 und damit der Abstand zwischen Rückstromplatte 40 und Schirm 4 wird sehr klein bemessen (ca. 1 . . . 2 mm), so daß der Wirkungsgrad der Antenne kaum beeinflußt wird. Die Schirmströme und daher auch die Abstrahlung sind aber deut lich reduziert.

Zur Vermeidung von Artefakten muß in der Kernspintomographie das Hochfrequenzfeld im Untersuchungsbereich möglichst weit gehend homogen sein. Dazu wird jede Leiterstruktur 6, 7 zweckmäßigerweise in einzelne Leiterstreifen aufgeteilt und der Strom durch die einzelnen Leiterstreifen so beeinflußt, daß die Homogenität des Hochfrequenzfeldes optimiert wird. Verschiedene Möglichkeiten hierzu sind jeweils am Beispiel einer einzelnen Teilantenne in den Fig. 6 bis 13 dargestellt.

Bei der Leiterstruktur nach Fig. 6 sind die einzelnen Leiter streifen 6a bis 6e nur am Einspeisepunkt miteinander verbun den. Am Einspeisepunkt ist ferner ein Kondensator 45 gegen Masse vorgesehen. An den dem Einspeisepunkt gegenüberliegen den Enden der Leiterstreifen 6a bis 6e sind jeweils einzelne Kondensatoren 17 bis 21 gegen Masse vorgesehen. Diese Konden satoren 17 bis 21 sind einstellbar, so daß die Ströme I_a bis I_e durch die einzelnen Leiterstreifen 6a bis 6e zur Optimie rung der Hochfrequenzfeldhomogenität jeweils einzeln einge stellt werden könnten.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind ebenfalls die ein speisungsseitigen Enden der Leiterstreifen 6a bis 6e mitein ander verbunden, die gegenüberliegenden Enden sind jeweils einzeln an Masse angeschlossen. Die Stromaufteilung wird hier durch Kondensatoren 22 bis 26 zwischen den einspeisungsseiti gen Enden der Leiterstreifen 6a bis 6e und Masse gesteuert.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 sind die Leiterstreifen 6a bis 6e beidseitig miteinander verbunden. Ferner sind an jedem Ende jedes Leiterstreifen 6a bis 6e Kondensatoren 22 bis 26 bzw. 17 bis 21 gegen Masse vorgesehen. Hier hat man durch die Kondensatorreihen auf beiden Leiterstreifenenden die Möglichkeit, die Stromverteilung zu optimieren.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 8 dadurch, daß an den der Einspeisungs seite abgewandten Enden der Leiterstreifen 6a bis 6e eine fe ste Verbindung zur Masse besteht.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 wird die Tatsache ausge nutzt, daß man nicht nur durch die Kapazität der Kondensato ren, sondern auch durch deren Anordnung die Stromverteilung beeinflussen kann. Hierbei sind die Kondensatoren 17 bis 23 nicht alle an den Enden der Leiterstreifen 6a bis 6e ange schlossen, sondern teilweise an deren endseitigen Verbin dungsleitungen. Durch die exakte Anschlußposition läßt sich die Homogenität des Hochfrequenzbildes beeinflussen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 8 lediglich dadurch, daß nur an der Ein speisungsseite Kondensatoren 21 bis 23 gegen Masse vorgesehen sind, während auf der gegenüberliegenden Seite der Leiter streifen 6a bis 6e zwei direkte Verbindungen mit Masse beste hen, durch deren Position wiederum die Grundfeldhomogenität beeinflußt werden kann.

Fig. 12 zeigt eine Ausführungsform, die sich von derjenigen nach Fig. 9 dadurch unterscheidet, daß in die einzelnen Lei terstreifen 6a jeweils einstellbare Kondensatoren 27 bis 31 eingefügt sind, durch die ebenfalls die Stromverteilung über die Leiterstreifen 6a bis 6e eingestellt werden kann. Die Kondensatoren 27 bis 31 könnten auch durch Induktivitäten er setzt werden, was nicht gesondert dargestellt ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 variiert die Breite der Leiterstreifen 6 über die Leiterstruktur, und zwar werden die Leiterstreifen von der Mitte nach außen breiter. Ferner wird der Abstand zwischen den Leiterstreifen 6 variiert. Dies stellt eine weitere Möglichkeit dar, die Homogenität des Hochfrequenzfeldes zu optimieren.

Das Untersuchungsvolumen eines Kernspintomographen ist im allgemeinen kugelförmig. Daher wären einer Kreisform angenä herte Leiterstrukturen dem Untersuchungsvolumen besser ange paßt als die bislang dargestellten Rechteckformen. Einer Kreisform angenäherte Leiterstrukturen können z. B. erreicht werden, wenn man entsprechend Fig. 14 die Verbindungsleiter 46, 47 einer Kreisform annähert. Alternativ könnte man auch die einzelnen Leiterstreifen entsprechend Fig. 15 als Kreisbö gen gestalten.

Weitere Möglichkeiten zur Optimierung der Hochfrequenzfeldho mogenität sind in den Fig. 16 und 17 dargestellt. Hierbei wird das Hochfrequenzfeld dadurch beeinflußt, daß die einzelnen Leiterstreifen vom Schirm einen unterschiedlichen Abstand aufweisen.

Die bisher dargestellten Antennenstrukturen erzeugen ein li near polarisiertes Hochfrequenzfeld im Untersuchungsraum. Mit einem zirkular polarisierten Hochfrequenzfeld könnte man bei gleichbleibender Anregung die Hochfrequenzleistung verringern (theoretisch um die Hälfte). Mit einer Antennenstruktur nach Fig. 18 kann man ein derartiges zirkular polarisiertes Hoch frequenzfeld erzeugen. Hierbei weist jede Teilantenne zwei Leiterstrukturen 6 und 6a auf, die um 90° gegeneinander ver dreht sind, d. h. die Leiterstreifen der Leiterstruktur 6 bil den zu den Leiterstreifen der Leiterstruktur 6a einen Winkel von 90°. Die Einspeisung des Hochfrequenzstromes erfolgt über einen 90°-Phasenschieber 50, der den Strom in die Leiter struktur 6a gegenüber dem Strom die Leiterstruktur 6 um 90° phasenverschiebt. Dadurch rotiert der magnetische Feldvektor des Hochfrequenzfeldes in der z-Ebene, d. h. es liegt eine zirkulare Polarisation vor.

Um eine möglichst gute Zirkularität des Feldes zu erzielen, sollten die Leiterstrukturen 6 und 6a den gleichen Abstand a zum Schirm haben. In der Praxis liegen diese auch sehr eng beieinander. Dadurch entsteht natürlich eine starke kapazi tive Verkopplung der Teilsysteme. Diese störende Verkopplung kann kompensiert werden durch mindestens eine Induktivität 44 zwischen beiden Leitersystemen 6, 6a. Diese kann z. B. an ei ner Ecke oder - wie in Fig. 18 dargestellt - auch an jeder Ecke angeordnet werden.

Claims

1. Antennenanordnung für ein Kernspinresonanzgerät, bei dem ein Grundmagnetfeld zwischen zwei Polplatten (1, 2) aufgebaut wird, wobei an jeder Polplatte (1, 2) eine Teilantenne (4 bis 7) angeordnet ist, bestehend aus einem geschlossenen, geerde ten, der jeweiligen Polplatte (1, 2) zugewandten Schirm (4, 5) und einer flächenhaften, in Abstand zum Schirm (4, 5) und im wesentlichen parallel zu diesem angeordneten Leiterstruk tur (6, 7), in die auf einer Seite ein Hochfrequenzstrom ein gespeist wird, wobei die den beiden Polplatten (1, 2) zuge ordneten Leiterstrukturen (6, 7) jeweils in entgegengesetzten Richtungen stromdurchflossen sind.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Leiterstruktur (6, 7) in einzelne Leiterstreifen (6a bis 6e) aufgeteilt ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (4, 5) minde stens eine Dicke aufweist, die gleich der doppelten Eindring tiefe der Hochfrequenz ist.

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Leiterstruktur (6, 7) und Schirm (4, 5) eine gegenüber dem Schirm (4, 5) und der Leiterstruktur (6, 7) isolierte Rück stromplatte (40) eingefügt ist, wobei der Hochfrequenzstrom zwischen Leiterstruktur (6, 7) und Rückstromplatte (40) zuge führt wird.

5. Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Rückstromplatte (40) und Schirm (4, 5) kleiner als 3 mm ist.

6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (4, 5) und ggfs. die Rückstromplatte (40) geschlitzt sind, wobei die Schlitze so angeordnet sind, daß Gradientenfeldern zugeordnete Wirbelstrombahnen unterbrochen werden, jedoch der Schirm (4, 5) hochfrequenz-undurchlässig bleibt.

7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, 10 dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation der Breite der einzelnen Leiterstreifen (6a bis 6e) der Leiterstruktur (6, 7) und deren Abstand voneinander die Feldhomogenität des von der Antennenanordnung erzeugten Hoch frequenzfeldes optimiert wird.

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch Variation des Abstandes (a) zwischen der Leiterstruktur (6, 7) und dem Schirm (4, 5) bzw. der Rückstromplatte (40) über die Fläche der Leiterstruktur (6, 7) die Feldhomogenität des von der Antennenanordnung erzeugten Hochfrequenzfeldes optimiert wird.

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkontur der Leiterstruktur (6, 7) entsprechend dem Unter suchungsvolumen zumindest teilweise wenigstens annähernd kreisförmig ist.

10. Antennenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Leiter streifen (6a bis 6e) innerhalb der Fläche der Leiterstruktur (6) gekrümmt sind.

11. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Ende jeder Leiterstruktur (6, 7) über wenigstens einen Kondensator (8 bis 11) mit dem Schirm (4, 5) bzw. der Rückstromplatte (40) verbunden ist.

12. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende jeder Leiterstruktur (6, 7) wenigstens an einer Stelle leitend mit dem Schirm (4, 5) bzw. der Rückstromplatte (40) verbunden ist.

13. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß min destens ein Ende jeder Leiterstruktur (6, 7) über mehrere Kon densatoren (17 bis 26) mit dem zugeordneten Schirm (4, 5) bzw. der Rückstromplatte (40) verbunden ist, wobei die Kapazität der Kondensatoren (17 bis 26) so gewählt wird, daß die Feld homogenität des erzeugten Hochfrequenzfeldes optimiert wird.

14. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in die einzelnen Leiterstreifen (6a bis 6e) Kondensatoren (27 bis 31) eingefügt sind, die so dimensioniert sind, daß die Feldhomogenität des erzeugten Hochfrequenzfeldes optimiert wird.

15. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstreifen (6a bis 6e) als Leiterbahnen auf einer isolie renden Platte ausgeführt sind.

16. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilantenne aus zwei um 90° gegeneinander gedrehten Leiter strukturen (6, 6a) besteht, die mit Strömen gespeist werden, die um 90° gegeneinander phasenverschoben sind.

17. Antennenanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leiter strukturen (6, 6a) über mindestens eine Induktivität (44) mit einander verbunden sind.