DE4238831A1 - Hochfrequenzeinrichtung einer Anlage zur Kernspintomographie mit einer Oberflächenspule - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenz-Einrich­ tung einer Anlage zur Kernspintomographie, die einen Hoch­ frequenz-Senderteil mit einer Sendeantenne zur Anregung von Kernspins in einem zu untersuchenden Körper und einen Hochfrequenz-Empfangsteil zum Empfang von durch die Kern­ spinanregung hervorgerufenen Hochfrequenz-Signalen ent­ hält, wobei eine an dem Körper anzuordnende Oberflächen­ spule vorgesehen ist. Eine entsprechende Hochfrequenz(HF)- Einrichtung geht aus der DE-OS 41 13 120 hervor.

Anlagen zum Erzeugen von Schnittbildern eines zu unter­ suchenden Objektes, insbesondere eines menschlichen Kör­ pers oder Körperteils, unter Anwendung magnetischer Kern­ resonanzen sind an sich bekannt. Hierbei wird der zu un­ tersuchende Körper in ein homogenes Magnetfeld, das so­ genannte Grundfeld, eingebracht, das in dem Körper eine Ausrichtung der Kernspins von Atomkernen, insbesondere von an Wasser gebundenen Wasserstoffatomkernen (Protonen), be­ wirkt. Mittels hochfrequenter Anregungsimpulse werden dann diese Kerne zu einer Präzessionsbewegung angeregt. Nach dem Ende eines Anregungsimpulses präzedieren die Atomkerne mit einer Frequenz, die von der Stärke des Grundfeldes ab­ hängt und pendeln sich dann aufgrund ihrer Spins nach einer vorbestimmten Relaxationszeit wieder in die durch das Grundfeld vorgegebene Vorzugsrichtung ein. Durch rech­ nerische oder meßtechnische Analyse der integralen Kern­ signale kann aus der räumlichen Spindichte oder der Ver­ teilung der Relaxationszeiten innerhalb einer Körper­ schicht ein Bild erzeugt werden. Die Zuordnung des in Folge der Präzessionsbewegung nachweisbaren Kernresonanz­ signals zum Ort seiner Entstehung erfolgt durch Anwendung linearer Feldgradienten. Die entsprechenden Gradientenfel­ der können dem Grundfeld überlagert und so gesteuert wer­ den, daß nur in einer abzubildenden Schicht eine Anregung der Kerne erfolgt. Eine auf diesen physikalischen Effekten basierende Bilddarstellung ist bekannt unter der Bezeich­ nung Kernspin-Tomographie (KST) oder NMR-Tomographie (Nuc­ lear Magnetic Resonance).

Zur Hochfrequenz(HF)-Anregung der Kernspins ist ein Sen­ derteil mit einer Antenne erforderlich, die z. B. gemäß der eingangs genannten DE-OS als ein sogenannter Ganzkörperre­ sonator ausgebildet ist. Hierzu ist die Sendeantenne als resonante Rundhohlleiterantenne ausgebildet. Sie weist des­ halb mehrere elektrische Leiterelemente auf, die sich pa­ rallel zur Zylinderachse des als Solenoid gestalteten Grundfeldmagneten erstrecken. Diese Leiterelemente sind von einem gemeinsamen, für die niederfrequenten Gradientenfel­ der durchlässigen, jedoch für die HF-Felder undurchlässi­ gen Hüllrohr, einem sogenannten HF-Schirm, aus elektrisch gut leitendem Material umgeben. In dieser Rundhohlleiter­ antenne werden resonante Schwingungsverhältnisse zum Sen­ den eingestellt.

Mit der bekannten KST-Anlage sollen insbesondere Körper­ bereiche mit verhältnismäßig geringer Ausdehnung abgebil­ det werden. Hierzu dient eine Oberflächen- oder Lokalspu­ le, die einfach auf den abzubildenden Körperteil, bei­ spielsweise einen Wirbel, das Mittelohr oder ein Auge, aufgelegt wird. Mit solchen Oberflächenspulen erhält man nämlich ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis, da Rausch­ signale nur aus einem verhältnismäßig kleinen Körperbe­ reich empfangen werden. Die Oberflächenspule besteht im einfachsten Fall aus einer kreisförmigen Drahtschleife, die hochfrequenzmäßig beschaltet ist. Um Auswirkungen einer HF-Feldinhomogenität möglichst gering zu halten, verwendet man bei der bekannten KST-Anlage diese Oberflä­ chenspule lediglich zum Empfang von durch die Kernspinan­ regung hervorgerufenen HF-Signale, während die Anregung der Kernspins mit der als Rundhohlleiterantenne gestalte­ ten Ganzkörperantenne erfolgt. In dieser bekannten Aus­ führungsform einer HF-Einrichtung sind somit für eine Bilderzeugung zwei verschiedene HF-Teile, nämlich ein HF-Senderteil und ein HF-Empfangsteil vorgesehen.

Das mit der Oberflächenspule der bekannten KST-Anlage ein­ gefangene HF-Signal wird über ein Zuleitungs- bzw. An­ schlußkabel aus dem Untersuchungsbereich der Anlage nach außen einer signalverarbeitenden Elektronik zugeführt. Hierbei treten jedoch eine Reihe von Problemen auf:

• 1. Da das Zuleitungskabel sich auch in dem Untersuchungs­ bereich befindet, kann es hinderlich sein.
• 2. Beim Senden des HF-Senderteils mittels des Ganzkör­ perresonators bilden sich auf dem Zuleitungskabel störende Mantelwellen aus, die in besonders ungün­ stigen Fällen eine zu hohe Leistungsdichte an dem zu untersuchenden Körper zur Folge haben können. Es sind deshalb besondere Maßnahmen zur Unterdrückung solcher Mantelwellen erforderlich.
• 3. Während des Empfangs muß der Ganzkörperresonator des Senderteils entkoppelt sein oder verstimmt werden, damit er dem Feld der Oberflächenspule nur unwesent­ lich Energie entzieht.
• 4. Die HF-Verluste im Zuleitungskabel verschlechtern das Signal-zu-Rauschverhältnis, wenn ein Vorverstärker der nachgeordneten Elektronik nicht direkt an die Ober­ flächenspule angebaut wird. Dies ist jedoch nicht in allen Fällen möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die HF- Einrichtung einer KST-Anlage mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß die vorstehend genannten Probleme praktisch nicht mehr gegeben sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mindestens eine Oberflächenspule nur für eine induktive Kopplung ausgebildet ist, wobei die Kopplung zwischen der Oberflächenspule und der Sendeantenne erfolgt.

Bei den erfindungsgemäßen Maßnahmen wird von der Überle­ gung ausgegangen, zum Empfang die Sendeantenne des Sender­ teils als Kopplungsspule zu verwenden und die Feldkonzen­ tration im Schwingkreis der Oberflächenspule zum Empfang auszunutzen. Dabei kann die Sendeantenne insbesondere als ein Ganzkörperresonator ausgebildet sein. Daneben sind aber auch andere Ausführungsformen von Sendeantennen, z. B. in Form einer Kopfspule, möglich. Vorteilhaft ist, daß bei einer induktiv gekoppelten Oberflächenspule wie beim An­ meldungsgegenstand Einbußen an Signal-zu-Rauschverhältnis vernachlässigbar gering sind. Außerdem treten die geschil­ derten Probleme von Oberflächenspulen mit Zuleitungskabeln nicht auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemaßen HF-Ein­ richtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine erfindungsgemäße HF-Einrichtung schematisch veranschau­ licht ist. Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer Oberflächen­ spule dieser Einrichtung, während aus Fig. 3 die magne­ tischen Feldverhältnisse an einer Oberflächenspule hervor­ gehen. In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild mit einer HF- Einrichtung nach der Erfindung dargestellt. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 als Längsschnitt schematisch veranschau­ lichte, allgemein mit 2 bezeichnete HF-Einrichtung einer Anlage zur Kernspintomographie befindet sich z. B. in einem in der Figur nicht dargestellten, hohlzylinderförmigen Grundfeldmagneten. Die Zylinderachse liegt dabei in z- Richtung eines rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystems. In diese z-Richtung weist auch das magnetische Grundfeld des Grundfeldmagneten. Es ist in einem den Koordinaten­ ursprung K umschließenden Nutzvolumen hinreichend stark und homogen. Die HF-Einrichtung 2 enthält einen HF-Sender­ teil, mit dessen Sendeantenne 3 beispielsweise ein Ganz­ körperresonator zur Anregung von Kernspins in einem zu un­ tersuchenden Körper 4 ausgebildet ist. Dieser Körper ist in der Figur nur durch eine schraffierte Fläche schema­ tisch angedeutet und befindet sich innerhalb des von dem Ganzkörperresonator umschlossenen Raumes, wobei er sich insbesondere durch das Nutzvolumen erstreckt. Die Sende­ antenne weist zu einer beispielsweise linearen Polari­ sation zwei Antennenleiter 3a und 3b, die sich in z-Rich­ tung erstrecken. Diese Antennenleiter sind über Resonanz­ kondensatoren 5 und 6 mit einem hohlzylindrischen, kon­ zentrisch um die z-Achse angeordneten HF-Schirm 7 verbun­ den, der für niederfrequente Gradientenfelder durchlässig, jedoch für HF-Felder praktisch undurchlässig ist. Der Schirm 7 besteht aus elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise aus einer Kupferfolie, die auf einem nicht dargestellten Träger angeordnet sein kann, und hat eine axiale Ausdehnung a. Der HF-Schirm bildet zusammen mit den Antennenleitern 3a und 3b, deren Länge s wesentlich geringer als die Ausdehnung a sein kann, eine Rundhohllei­ terantenne, deren Koppelelemente die Antennenleiter 3a und 3b sind. Das von dieser Antenne im Sendefall erzeugte Magnetfeld sei durch seine Induktion B₁ angedeutet, deren ortsabhängige Richtung in der Figur in bekannter Weise durch Punkte und Kreuze veranschaulicht ist. Ein entspre­ chender Ganzkörperresonator ist z. B. aus der eingangs genannten DE-OS 41 13 120 zu entnehmen.

Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Einrichtung 2 wird davon ausgegangen, daß die Sendeantenne 3 des HF-Senderteils als ein Ganzkör­ perresonator in Form einer Rundhohlleiterantenne ausge­ führt ist. Selbstverständlich sind auch andere, an sich bekannte Antennenkonfigurationen, die resonante Schwing­ kreise darstellen, einsetzbar. Ein solches Ausführungsbei­ spiel wäre eine bekannte Kopfspule. Bei den nachfolgenden Erläuterungen sei jedoch ein Ganzkörperresonator gemäß Fig. 1 zugrundegelegt.

Die HF-Einrichtung 2 ist ferner mit einem HF-Empfangsteil ausgestattet, mit dem die durch Kernspinanregungen in dem Körper 4 hervorgerufenen HF-Signale empfangen und an eine nachgeordnete signalverarbeitende Elektronik weitergelei­ tet werden. Erfindungsgemäß enthält dieser Empfangsteil zur Messung in einem verhältnismäßig eng begrenzten Kör­ perbereich eine in der Figur nicht maßstabsgetreu einge­ zeichnete Oberflächenspule 10, die lediglich induktiv an die Sendeantenne 3 des HF-Senderteils gekoppelt ist. Die Oberflächenspule 10 wird von einer oder mehreren Win­ dungen einer Drahtschleife z. B. aus Kupfer gebildet, deren Durchmesser d z. B. zwischen 2 und 20 cm liegt und deren Drahtstärke z. B. 3 bis 7 mm beträgt. Die Drahtschleife ist über einen Kondensator 11 zu einem resonanten Schwingkreis geschlossen, wobei die Kondensatorkapazität C im allge­ meinen einen Wert zwischen 10 und 100 pF hat. Dem Konden­ sator 11 kann eine elektronische Schalteinheit 12 paral­ lelgeschaltet sein, mit der im Sendefall der Stromfluß in der Spule 10 so stark bedämpft wird, daß dann die Spule praktisch unwirksam ist und das Feld der Sendeantenne nicht verzerrt.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild des mit einer Oberflächen­ spule 10 gebildeten resonanten Schwingkreises. Aus Fig. 3 gehen die zugehörenden Feldverhältnisse an der Oberflä­ chenspule 10 hervor. Dabei sind folgende Bezeichnungs­ weisen gewählt:

B₁ für die magnetische Induktion des homogenen äußeren Feldes des Senderteils bzw. Ganzkörperresonators,
B₂ für die magnetische Induktion des das an der Oberflä­ chenspule 10 hervorgerufenen Feldes,
R für den Widerstand der leitenden Teile der Ober­ flächenspule und die Belastung der Oberflächenspule durch das Gewebe des zu untersuchenden Körpers,
L für die Induktivität der mindestens einen Windung der Oberflächenspule,
C für die Kapazität des Kondensators 11 in der Oberflä­ chenspule 10 und
U₁ für die an der Oberflächenspule 10 induzierte Spannung.

Bei der Resonanzfrequenz wird die durch Selbstinduktion erzeugte Spannung U₂ durch die am Kondensator erzeugte Spannung -U₂ kompensiert, und der Strom I durch die Spule 10 ist nur durch den Verlustwiderstand R begrenzt. Es ergibt sich dann ein überhöhtes sekundäres Feld B₂ = j × Q₂ × B₁, wobei Q₂ die Kreisgüte am zu untersu­ chenden Körper 4 ist. Im allgemeinen gilt 30 < Q₂ < 200 für typische Oberflächenspulen am menschlichen Körper. Im Resonanzfall wird also das Magnetfeld B₂ im Schwingkreis konzentriert (vgl. Fig. 3). Die damit verbundene Erhö­ hung der Empfangsempfindlichkeit ist etwa proportional zu der Kreisgüte Q₂.

Eine Anpaßschaltung des HF-Senderteils (Ganzkörperresona­ tors) kann Impedanzänderungen der Oberflächenspule 10 bei verschiedenen Belastungen ausgleichen. Die bei bekannten HF-Einrichtungen normalerweise verwendete variable Anpaß­ schaltung in der Oberflächenspule kann somit vorteilhaft entfallen.

Für eine wirksame induktive Ankopplung der Empfangsspule (Oberflächenspule) 10 an den Ganzkörperresonator sollte die geometrische Größe der Empfangsspule bei gegebenen Abmessungen des zu untersuchenden Körpers 4 aus physika­ lischen Gründen nicht zu klein gewählt werden. Will man dennoch eine sehr kleine Oberflächenspule vorsehen, bei­ spielsweise in Form einer Augenspule, so kann vorteilhaft eine Ineinanderschachtelung mehrerer drahtlos gekoppelter Empfangsspulen, z. B. der Augenspule in einer größeren Kopfspule, vorgesehen werden. Dieses System von Oberflä­ chenspulen ist dann seinerseits induktiv an die Antenne des HF-Senderteils gekoppelt.

Um dasselbe äußere Feld B₁ zu erzeugen, würde an einem Ganzkörperresonator mit induktiv gekoppelter Oberflächen­ spule eine vergleichsweise größere Leistung als bei feh­ lender Spule benötigt, da dem Ganzkörperresonator die durch das Feld der Induktion B₂ umgesetzte Leistung zu­ geführt werden müßte. Er wird also durch die Oberflächen­ spule stark bedämpft. Damit spielen jedoch die Leiterver­ luste des Körperresonators vorteilhaft nur noch eine ge­ ringe Rolle.

Eine von der Belastung durch den zu untersuchenden Körper abhängige Anpassung kann in der Oberflächenspule 10 nicht erfolgen; sie soll lediglich in Resonanz bleiben. Bela­ stungsänderungen der Oberflächenspule werden an den äuße­ ren Ganzkörperresonator invers weitergereicht und können dort angepaßt werden. Eine stärkere Belastung der Oberflä­ chenspule bewirkt dabei eine geringere Belastung des Ganzkörperresonators.

Für die Funktionsweise der HF-Einrichtung nach der Erfin­ dung sind zwei mögliche Anwendungsfälle zu unterscheiden, nämlich ob die Oberflächenspule lediglich als Empfangs­ spule dient, oder ob sie auch für den Sendefall herange­ zogen werden soll.

Im ersten Fall muß die nur zum Empfang eingesetzte Spule beim Senden unwirksam gemacht werden, um so die Homoge­ nität des Ganzkörperresonators zu erhalten. Dies kann ge­ mäß dem in Fig. 4 gezeigten Schaltbild z. B. mit einer elektronischen Schalteinheit 12 bewirkt werden. Diese Schalteinheit kann in an sich bekannter Weise mit Hilfe von einem Paar von antiparallelgeschalteten Dioden 13a und 13b gebildet werden, die über eine Hilfsspule 14 und einen Hilfskondensator 14′ zur Unterdrückung von Gradientenwir­ belströmen dem Schwingkreiskondensator 11 parallelgeschal­ tet sind. Wegen der starken Lastunterschiede des Ganzkör­ perresonators 15 beim Senden und Empfang ist eine separate Anpaßschaltung 16 vor einem Empfangs(vor)verstärker 17 sinnvoll. Wird sie variabel gestaltet, so können auch un­ terschiedliche Oberflächenspulen optimal rauschangepaßt werden.

Alternativ kann auch eine Nutzung der Oberflächenspulen- Feldkonzentration beim Senden von Vorteil sein, um den Leistungsbedarf und die gesamte Wärmebelastung des zu un­ tersuchenden Körpers zu verringern. Außerdem lassen sich durch eine örtlich selektive Oberflächenspulenanregung Artefakte durch außerhalb des gewünschten Bereichs liegen­ de Körperteile stark reduzieren. Die Belastung durch die Oberflächenspule kann mit der beim Senden und Empfangen wirksamen Anpaßschaltung des Ganzkörperresonators ausge­ glichen werden.

Wichtig ist eine exakte Leistungsüberwachung, um eine ver­ sehentliche Fokussierung bei voller Körpersendeleistung sicher zu vermeiden. In der Oberflächenspule kann deshalb zusätzlich eine Sicherung, beispielsweise eine Schmelz­ sicherung, eingebaut sein, die bei zu hoher mittlerer Leistung den Schwingkreis unterbricht.

Das Feld B₂ der passiv angekoppelten Oberflächenspule kann linear oder zirkular polarisiert sein. Unabhängig davon kann eine Anregung mit linear polarisierten oder zirkular polarisierten Feldern des Ganzkörperresonators vorgesehen werden. Fig. 4 zeigt das Schaltbild für den Fall einer linearen Polarisation eines Ganzkörperresonators 15 wie auch einer Oberflächenspule 10. Der Ganzkörperresonator 15 ist als eine einseitig geerdete Schleife 18 darge­ stellt, die durch einen Kondensator 19 unterbrochen ist. Der Ganzkörperresonator ist über einen Kondensator 20 mit einer Schaltelektronik 21 verbunden. Über diese Elektronik werden im Sendebetrieb die von einer Senderelektronik 22 erzeugten HF-Signale dem Ganzkörperresonator 15 zugeführt. Demgegenüber wird bei Empfangsbetrieb das von der Oberflä­ chenspule 10 empfangene und induktiv auf dem Ganzkörper­ resonator 15 übertragene HF-Signal 23 über diese Schalt­ elektronik 21 der Anpaßschaltung 16 zugeleitet. Deren Signal wird in der nachgeordneten Empfangselektronik 17 weiterverarbeitet.

Claims (9)

1. Hochfrequenz-Einrichtung einer Anlage zur Kernspin­ tomographie, die

• - einen Hochfrequenz-Senderteil mit einer Sendeantenne zur Anregung von Kernspins in einem zu untersuchenden Kör­ per und
• - einen Hochfrequenz-Empfangsteil zum Empfang von durch die Kernspinanregung hervorgerufenen Hochfrequenz-Signa­ le

enthält, wobei eine an dem Körper anzuordnende Oberflä­ chenspule vorgesehen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die mindestens eine Oberflächen­ spule (10) nur für eine induktive Kopplung ausgelegt ist, wobei die Kopplung zwischen der Oberflächenspule (10) und der Sendeantenne (3) erfolgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die induktive Kopplung zwischen der Oberflächenspule (10) und der Hochfrequenz- Sendeantenne (3) nur für den Empfangsfall vorgesehen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberflächenspule (10) mit einer elektronischen Schalteinheit (12) versehen ist zum Dämpfen der induktiven Kopplung zwischen der Oberflä­ chenspule (10) und der Hochfrequenz-Sendeantenne (3) im Sendefall.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Schalteinheit (12) zwei antiparallel geschaltete Dioden (13a, 13b) aufweist, die in Reihe mit einer Hilfsspule (14) geschaltet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberflächenspule als Teil der Sendeantenne des Hochfrequenz-Senderteils vorge­ sehen ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ober­ flächenspule als ein Spulensystem aus mehreren ineinander­ geschachtelten, nur induktiv gekoppelten Spulen ausgebil­ det ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß bei einer induktiven Kopplung zwischen der Oberflächenspule (10) und der Hochfrequenz-Sendeantenne (3) im Sendefall in die Oberflächenspule eine Schmelzsicherung eingebaut ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hoch­ frequenz-Sendeantenne (3) als eine Rundhohlleiterantenne eines Ganzkörperresonators (15) ausgebildet ist.