DE4343931C2 - Lokalantenne für ein Magnetresonanzgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lokalantenne für ein Magnetre­ sonanzgerät mit einer ersten und einer dazu axial beabstan­ deten zweiten Spule, die beide eine Windung umfassen, wobei die Windung der ersten Spule in einer Draufsicht die Windung der zweiten Spule umschließt und wobei die Spulen über elek­ trische Verbindungsmittel so miteinander verbunden sind, daß im Sendefall in den Spulen fließende Ströme eine glei­ che Phasenlage aufweisen.

In diagnostischen Magnetresonanzgeräten werden Lokalantennen für Untersuchungen von Teilgebieten eingesetzt, weil sie ge­ genüber den fest im Gerät eingebauten Ganzkörperantennen im Empfangsfall ein Signal mit einem geringeren Rauschanteil liefern. Auch beim Senden können Lokalantennen Vorteile ha­ ben, weil nur in einem kleinen Untersuchungsgebiet die Atom­ kerne angeregt werden. Diese Eigenschaft wird z. B. bei spek­ troskopischen Untersuchungen genutzt. Zur Anwendung werden Lokalantennen in die Nähe des Untersuchungsgebiets gebracht, wobei sich das im Empfangsfall genutzte Signal-Rauschverhält­ nis und die im Sendefall genutzte Selektivität mit zunehmen­ der Nähe zum Untersuchungsgebiet verbessern. Nachteilig dabei ist jedoch die in Antennenleiternähe starke Inhomogenität der im Sendebetrieb erzeugten magnetischen Hochfrequenzfelder und der im Empfangsbetrieb vorhandenen Empfindlichkeit für magne­ tische Hochfrequenzfelder. Die Inhomogenität bewirkt im Sen­ debetrieb eine örtlich starke Belastung des Untersuchungsge­ biets durch elektromagnetische Hochfrequenzfelder. Ohne be­ sondere Maßnahmen zur Feldkompensation muß ein Sicherheitsab­ stand zwischen der Lokalantenne und dem Untersuchungsgebiet eingehalten werden. Wünschenswert wäre jedoch eine homogene Antennencharakteristik.

Eine Lokalantenne der eingangs genannten Art ist aus der US- PS 4,816,766 bekannt als Teil einer Helmholtz-Antennenanord­ nung bekannt. Die dort offenbarte Helmholtz-Antennenanordnung besteht aus vier koaxial angeordneten und axial beabstandeten Einzelspulen. Die Einzelspulen umfassen jeweils eine Windung. Der Durchmesser der Windung der beiden äußeren Einzelspulen ist kleiner als der Durchmesser der Windung der beiden inne­ ren Einzelspulen, so daß die inneren Einzelspulen in einer Draufsicht die äußeren Einzelspulen umschließen. Zu dem vor­ stehend angeführten Problem der Feldüberhöhung in Leiternähe der Einzelspulen ist in der US-PS 4,816,766 nichts ausge­ führt.

Eine Kompensation der magnetischen Feldüberhöhung in Anten­ nenleiternähe ist jedoch aus der US-PS 4 752 738 bekannt. Eine erste Spule ist vorgesehen, unmittelbar auf die Oberflä­ che des Untersuchungsgebiets aufgelegt zu werden. Eine gleichgroße zweite Spule, jedoch mit doppelter Windungszahl wie die erste Spule, ist mit einem Abstand in axialer Rich­ tung von der ersten Spule angeordnet. Die magnetische Feld­ überhöhung der Lokalantenne wird dadurch kompensiert, daß die Stromflußrichtung in den beiden Spulen entgegengesetzt ist. Bei einigen Anwendungen wirkt sich jedoch die verminderte Systemgüte der Lokalantenne und damit die verminderte Emp­ findlichkeit negativ aus. Die Systemgüte wird durch das L-C- Verhältnis bestimmt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Lokalan­ tenne anzugeben, bei der die magnetische Feldüberhöhung in Antennenleiternähe kompensiert ist, ohne die Empfindlichkeit nennenswert zu verschlechtern.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Zwischenraum zwi­ schen den beiden Spulen und der axiale Abstand der beiden Spulen zueinander so ausgebildet sind, daß eine lokale Feld- bzw. Empfindlichkeitsüberhöhung in unmittelbarer Nähe der Windung der ersten Spule durch die zweite Spule kompensiert ist. Die grö­ ßere Spule ist dabei als Meßspule vorgesehen, die in unmit­ telbare Nähe zum Untersuchungsgebiet gebracht wird. Die klei­ nere zweite Spule kompensiert die Feldüberhöhungen der Meß­ spule. Das geschieht dadurch, daß im Sendebetrieb im Zwi­ schenraum zwischen den beiden Spulen ein gegenphasiges Feld aufgebaut wird, während im Empfangsbetrieb Magnetfeldänderungen im Zwischenraum in den beiden Spulen gegenphasige Ströme indu­ zieren. Dabei wird die sehr große Feld- bzw. Empfindlich­ keitsüberhöhung insbesondere an der Spulen- bzw. Windungsin­ nenseite der Meßspule kompensiert. Über die Windungsgröße der Kompensationsspule und mittels des axialen Abstands der bei­ den Spulen kann die Feldkompensation eingestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die erste und die zweite Spule einen gleichen Wickelsinn auf und sind elektrisch parallel geschaltet. Damit ist die Induktivität der Lokalantenne gering gehalten.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß eine dritte Spule mit einer Windung in entgegenge­ setzter Richtung wie die erste Spule axial beabstandet von der zweiten Spule angeordnet ist, daß in einer Draufsicht die eine Windung der dritten Spule die eine Windung der zweiten Spule umschließt und daß die dritte Spule mit der ersten und zweiten Spule über elektrische Verbindungsmittel so verbunden ist, daß in den Spulen fließende Ströme eine gleichen Phasen­ lage aufweisen. Damit läßt sich mit einer einzigen Kompensa­ tionsspule die Feldüberhöhung in zwei Meßspulen kompensieren.

Ist die dritte Spule gleich wie die erste Spule ausgebildet, wird eine Vorzugsseite der Lokalantenne vermieden. Die Lo­ kalantenne weist somit ein gleiches Verhalten auf, unab­ hängig, welche Seite in unmittelbare Nähe zum Untersuchungs­ gebiet gebracht ist.

Durch eine unterschiedlich große erste und dritte Spule kann ein Benutzer verschieden große Untersuchungsgebiete durch 180°-Drehung der Lokalantenne untersuchen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die Win­ dungen der Spulen mit koaxialen Faradayabschirmungen ver­ sehen. Damit wird die kapazitive Verstimmung der Lokalantenne durch das Untersuchungsgebiet verringert. Außerdem können direkt unsymmetrische Übertragungsglieder angeschlossen werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von 6 Figuren er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Lokalantenne mit einer Meß­ spule und einer Kompensationsspule,

Fig. 2 eine Lokalantenne, bei der die Windungen gegenüber der Lokalantenne nach Fig. 1 mit einer Faradayabschirmung versehen sind,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Lokalantenne nach Fig. 1,

Fig. 4 ein Feldprofil der Oberflächenantenne,

Fig. 5 eine Lokalantenne ohne Vorzugsrichtung und

Fig. 6 eine Lokalantenne für zwei verschieden große Untersu­ chungsgebiete.

Die in Fig. 1 in einer Draufsicht gezeigte Antennenanordnung ist als Lokalantenne für ein Magnetresonanzgerät ausgebildet. Sie umfaßt eine erste Spule 2 mit einer kreisförmigen Windung als Meßspule und eine koaxial zur ersten Spule 2 angeordneten zweiten Spule 4 mit ebenfalls einer kreisförmigen Windung. Die erste Spule 2 ist größer und umschließt die zweite Spule 4. In der Draufsicht nicht zu erkennen ist, daß die beiden Spulen 2 und 4 axial beabstandet in parallelen Ebenen liegen, wie in Fig. 3 in einer Seitenansicht gezeigt. Die Enden 6 bzw. 8 der Spulen 2 und 4 sind über elektrische Verbindungsmittel 10 so miteinander verbunden, daß in den Spulen 2, 4 fließende Ströme, veranschaulicht durch einen Pfeil 12, eine gleiche Phasenlage aufweisen. Über elektrische Anschlüsse 14, die mit den Enden 6, 8 und den Verbindungsmitteln 10 verbunden sind, kann ein Antennensignal zugeführt oder abgegriffen werden.

Fig. 2 zeigt eine zweite Lokalantenne, bei der die Windungen der Spulen 2 und 4 im Unterschied zur Lokalantenne nach Fig. 1 jeweils mit einer aus der US-PS 4 816 766 bekannten Faraday- Abschirmung 16 versehen sind. Die Faraday-Abschirmung 16 um­ schließt die Windungen der Spulen 2 und 4 konzentrisch und weist jeweils eine Unterbrechung auf, die in der Nähe des Strommaximums auf den Spulen 2 und 4 angeordnet ist. Die Faraday-Abschirmungen 16 erlauben den Anschluß von unsymme­ trischen Übertragungsgliedern, wie z. B. unsymmetrische Anpaßnetzwerke zur Abstammung der Lokalantenne auf die Arbeitsfrequenz und zur Anpassung der Lokalantenne an den Wellenwiderstand einer Koaxialleitung, und vermindern eine kapazitive Verstimmung durch das Untersuchungsgebiet.

Über den in Fig. 3 erkennbaren Abstand a der beiden Spulen 2 und 4 zueinander und dem Durchmesser D der Kompensationsspule 4 läßt sich der Feldverlauf in der Nähe der Antennenleiter der Spule 2 beeinflussen. Vorausgesetzt ist in beiden Spulen 2 und 4 eine gleiche Stromrichtung, veranschaulicht durch in den Windungsleiterquerschnitt eingezeichnete Kreuze und Punkte, so daß die von den Strömen erzeugten magnetischen Felder in einem Zwischenraum 20 zwischen den beiden Spulen 2 und 4 gegensinnig verlaufen. Der Abstand a liegt im Bereich von 10% des Durchmessers der Meßspule 2, was im allgemeinen mindestens der dreifache Leiterdurchmesser des Spulenleiters ist.

Die sich im Sendebetrieb einstellende axiale Komponente der Feldstärke entlang einer Meßlinie 22, die sich einige Milli­ meter oberhalb der Meßspule 2 befindet und parallel zum Durchmessers der Spule 2 verläuft, ist in Fig. 4 durch eine ausgezogene Kurve 24 gezeigt. Analog ist im Empfangsfall die Empfindlichkeit homogenisiert. Deutlich zu erkennen ist die gegenüber einer nicht kompensierten Lokalantenne gleich­ mäßigere Feldverteilung, die durch eine gestrichelte Linie 26 dargestellt ist.

Fig. 5 zeigt in einer Seitenansicht eine Lokalantenne, die keine Vorzugsrichtung aufweist. Dazu ist gegenüberliegend zur ersten Spule 2, also in entgegengesetzter Richtung wie die erste Spule 2, eine dritte Spule 28 mit einer kreisförmigen Windung koaxial beabstandet von der zweiten Spule 4 angeord­ net. Die erste und dritte Spule 2 bzw. 28 sind gleich groß, so daß die Lokalantenne eine gleiche Charakteristik in den beiden gegenüberliegenden axialen Richtungen aufweist. Auch hier muß in den einzelnen Spulen 2, 4, 28 die Phasenlage der Ströme gleich sein, was wiederum durch Kreuze und Punkte in den Windungsleiterquerschnitten symbolisiert ist. Die dazu benötigten elektrischen Verbindungsmittel 10 sind in Fig. 5 aus Übersichtlichkeitsgründen jedoch nicht dargestellt.

Eine Variante der Lokalantenne nach Fig. 5 ist in Fig. 6 ge­ zeigt, wobei sich durch die unterschiedlich großen Durch­ messer der Meßspulen 2 und 28 unterschiedlich große Unter­ suchungsgebiete ergeben. Über den Abstand der Meßspulen 2 und 28 von der Kompensationsspule 4 läßt sich für beide Meßspulen 2, 28 eine homogene Charakteristik einstellen.

Die hier gezeigten Lokalantennen weisen kreisförmige Win­ dungen auf. Jedoch können spezielle Lokalantennen an ent­ sprechende Untersuchungsgebiete angepaßte Windungsformen aufweisen. So ist es ebenfalls möglich, Spulen mit recht­ eckiger, quadratischer, ovaler oder elliptischer Windungsform mit entsprechenden Kompensationsspulen zu versehen. Auch dann muß die Kompensationsspule in einer Draufsicht von der Meßspule umschlossen werden, so daß sich in dem Zwischenraum 20 die Felder aufheben. Des weiteren können die von den Win­ dungen umschlossenen Flächen gekrümmt sein, um eine weitere Anpassung an ein Untersuchungsobjekt zu erreichen.

Claims (10)

1. Lokalantenne für ein Magnetresonanzgerät mit einer er­ sten und einer dazu axial beabstandeten zweiten Spule (2 bzw. 4), die beide eine Windung umfassen, wobei die Windung der ersten Spule (2) in einer Draufsicht die Windung der zweiten Spule (4) umschließt und wobei die Spulen (2, 4) über elektri­ sche Verbindungsmittel (10) so miteinander verbunden sind, daß im Sendefall in den Spulen (2, 4) fließende Ströme (12) eine gleiche Phasenlage aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenraum (20) zwischen den beiden Spulen (2, 4) und der axiale Abstand (a) der beiden Spulen (2, 4) zueinander so ausgebildet sind, daß eine lokale Feld- bzw. Empfindlichkeitsüberhöhung in unmit­ telbarer Nähe der Windung der ersten Spule (2) durch die zweite Spule (4) kompensiert ist.

2. Lokalantenne nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Windung der ersten Spule (2) und die Windung der zweiten Spule (4) koaxial zueinander angeordnet sind.

3. Lokalantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windung der ersten Spule (2) und die Windung der zweiten Spule (4) parallel zueinander verlaufen.

4. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste Spule (2) und die zweite Spule (4) einen gleichen Wickelsinn aufweisen und über die Verbindungsmittel (10) elektrisch parallel geschaltet sind.

5. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine dritte Spule (28) mit einer Windung in entgegengesetzter Richtung wie die erste Spule (2) axial beabstandet von der zweiten Spule (4) angeordnet ist, daß in einer Draufsicht die Windung der dritten Spule (28) die Windung der zweiten Spule (4) um­ schließt und daß die dritte Spule mit der ersten und zweiten Spule (2, 4) über elektrische Verbindungsmittel (10) so ver­ bunden ist, daß im Sendefall in den Spulen (2, 4, 28) fließende Ströme (12) eine gleich Phasenlage aufweisen.

6. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Spule (2, 28) gleich sind.

7. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Spule (2, 28) verschieden groß sind.

8. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Win­ dungen der Spulen (2, 4) mit koaxialen Faraday-Abschirmungen (16) versehen sind.

9. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Win­ dungen der Spulen (2, 4, 28) parallel zueinander angeordnet sind.

10. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Win­ dungen der Spulen (2, 4, 28) kreisförmig ausgebildet sind.