DE4419730C2

DE4419730C2 - HF-Sonde für einen Kernspintomographen und Kernspintomograph

Info

Publication number: DE4419730C2
Application number: DE4419730A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Nabeshima; Tetsuhiko Takahashi; Yoshikuni Matsunaga; Etsuji Yamamoto; Kageyoshi Katakura
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 1993-06-08
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1999-07-29
Anticipated expiration: 2014-06-07
Also published as: US5489847A; JPH06343618A; JP3216938B2; DE4419730A1

Description

Die Erfindung betrifft eine HF-Sonde, die sich als Signalmeß einrichtung für einen Kernspintomographen (nachfolgend mit KST abgekürzt) eignet, bei dem Kernspinresonanz(nachfolgend mit KSR abgekürzt)-Signale von Wasserstoff, Phosphor usw. bei einer Person gemessen werden, um die Dichteverteilung von Kernen, die Relaxationszeitverteilung usw. als Bild darzu stellen. Die Erfindung betrifft ferner einen Kernspintomographen mit einer solchen Sonde.

In einem KST-Gerät werden Signale, die von einem interessie renden Teil eines Objekts (z. B. einer Person) herrühren, durch eine resonante Hochfrequenzspule gemessen. Gemäß einem bekannten Verfahren zum Erhöhen der Empfindlichkeit der Spule werden mehrere Spulen nebeneinander angeordnet und von den verschiedenen Spulen erhaltene Signale zusammengesetzt, um ein KSR-Signal zu synthetisieren. Das Prinzip dieses Verfah rens ist in JP 2-500175 A oder in "Magnetic Resonance in Medicine", Vol. 16, S. 192-225 (1990) beschrieben.

Bei der bekannten Technik ist es erforderlich, daß, wenn die Ausgangssignale einer Sonde zusammengesetzt werden sollen, um ein synthetisiertes Signal zu erfassen, mehrere Ausgangssi gnale der Sonde getrennt erfaßt werden, um das S/R-Verhältnis zu erhöhen. Aus diesem Grund sollte auch eine elektromagneti sche Kopplung zwischen verschiedenen Spulen vermieden werden, um eine Störungskorrelation zwischen verschiedenen Spulen zu verringern.

Aus der US 4 825 162 ist eine HF-Sonde bekannt, bei der die zwischen nebeneinanderliegenden Spulenschleifen auftre tende elektromagnetische Kopplung durch eine in den Überlap pungsbereichen der Spulenschleifen erzeugte elektromagneti sche Gegenkopplung kompensiert wird. Die Kompensation ist je doch nur bei einer schwachen elektromagnetischen Kopplung wirksam.

Diese bekannte Entkopplungstechnik wird auch in der US 5 196 796 A sowie der EP 0 412 824 A2 eingesetzt. In der EP 0 412 824 A2 wird darüber hinaus noch als weitere Entkopplungs technik für eine Oberflächenspulenanordnung die Verwendung einer zusätzlichen Entkopplungsspule vorgeschlagen. Auch hiermit läßt sich nur eine schwache elektromagnetische Kopp lungen kompensieren.

Bei allen diesen bekannten Entkopplungseinrichtungen mit ei nem Überlappungsbereich tritt jedoch das zu messende HF-Ma gnetfeld durch diesen Überlappungsbereich und beeinflußt so die Kompensation der elektromagnetischen Kopplung.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine HF-Sonde für einen Kernspintomographen bereitzustellen, durch die selbst eine starke elektromagnetische Kopplung zwischen hintereinander angeordneten Spulenschleifen kompensiert werden kann, ohne vom zu messenden HF-Magnetfeld beeinflußt zu werden.

Diese Aufgabe wird bei einer HF-Sonde durch die im Anspruch 1 und bei einem Kernspintomograph durch die im Anspruch 18 an gegebenen Maßnahmen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Bei der Erfindung werden mehrere Spuleneinheiten mit ungefähr derselben Resonanzfrequenz dicht beieinander angeordnet, wo bei jede Spuleneinheit aus einer resonanten HF-Sonde für KST mit einer Leiterschleife, einem Kondensator für Resonanz zwecke und einer Induktivität, die mit der Leiterschleife in Reihe geschaltet ist, besteht, wobei die Spuleneinheiten so angeordnet sind, daß elektromagnetische Kopplung zwischen verschiedenen Induktivitäten entsteht, die mit jeder der Lei terschleifen verbunden sind, um die elektromagnetische Kopp lung zwischen den verschiedenen Leiterschleifen zu kompensie ren.

Es kann eine Quadraturmeßsonde aufgebaut werden, in der durch die erfindungsgemäße HF-Sonde für KST ein HF-Magnetfeld in einer ersten Richtung, z. B. der X-Richtung, gemessen wird, und in der ein zweites HF-Magnetfeld, das rechtwinklig zur Richtung des ersten HF-Magnetfelds steht, z. B. in Y-Richtung, durch eine andere HF-Sonde gemessen wird. Genauer gesagt, ist die erste HF-Sonde für KST eine Zylinderspule oder eine Zy linderarrayspule und die zweite HF-Sonde für KST ist eine Sattelspule oder eine Sattelarrayspule. Ferner kann die er findungsgemäße HF-Spule für KST dazu verwendet werden, Signale in einem KST-Gerät zu messen oder ein HF-Magnetfeld zu erzeugen. Sie kann ferner dazu verwendet werden, eine Brust oder ein Kiefergelenk abzubilden. Ferner kann elektro magnetische, induktive Kopplung über eine Hilfsleiterschlei fe unter Verwendung eines Kabels usw. erzielt werden, oder es können mehrere Induktivitäten sehr dicht an den jeweili gen Leiterschleifen angeordnet sein, mit denen die Indukti vitäten verbunden sind.

Gemäß der Erfindung kann elektromagnetische Kopplung zwi schen mehreren Spulen durch elektromagnetische Kopplung zwi schen mit den Spulen verbundenen Induktivitäten beseitigt werden. Im Ergebnis entsteht keine Störsignalkorrelation zwischen verschiedenen Spulen, und es ist möglich, eine HF- Sonde für KST zu schaffen, die dazu in der Lage ist, Signale mit hohem S/R-Verhältnis bei großem Gesichtsfeld zu messen.

Erfindungsgemäß wird der durch die Induktivitäten fließende Strom dazu verwendet, die elektromagnetische Kopplung zwi schen den Spulen zu beseitigen. Dieses Verfahren hat den Vor teil, daß das Beseitigen stabiler als bei dem Verfahren her beigeführt werden kann, bei dem eine Schaltung unter Verwendung eines Kondensators zum Beseitigen elektromagnetischer Kopplung verwendet wird, da hier nur wenige Einstellparameter erforderlich sind. Ferner ist aktives Entkoppeln oder Herstellen von Potentialungebun denheit der Sonde leicht erzielbar, da der Aufbau einfach ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsbeispielen näher beschrieben.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen HF-Sonde zeigt;

Fig. 2A und 2B sind Diagramme zum Erläutern der Frequenz charakteristik einer Spule;

Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Empfindlichkeitsverteilung der in Fig. 1 dargestellten HF-Sonde zeigt;

Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild der in Fig. 1 gezeigten HF- Sonde;

Fig. 5 ist ein konkretes Beispiel für eine in Fig. 1 gezeig te Induktivität;

Fig. 6 zeigt ein anderes konkretes Beispiel für eine in Fig. 1 gezeigte Induktivität;

Fig. 7 zeigt noch ein anderes konkretes Beispiel für eine in Fig. 1 gezeigte Induktivität;

Fig. 8A ist ein Diagramm, das ein anderes Ausführungsbei spiel einer erfindungsgemäßen HF-Sonde zeigt;

Fig. 8B zeigt ein konkretes Beispiel für einen Induktivi tätsabschnitt in Fig. 8A;

Fig. 9A ist ein Diagramm, das noch ein anderes Ausführungs beispiel einer erfindungsgemäßen HF-Sonde zeigt;

Fig. 9B ist ein Ersatzschaltbild der in Fig. 9A gezeigten HF-Sonde;

Fig. 10 zeigt ein Beispiel, gemäß dem eine erfindungsgemäße HF-Sonde auf eine Quadraturmeßsonde angewandt ist;

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Em pfangssystems in der in Fig. 10 gezeigten Quadraturmeßsonde zeigt;

Fig. 12 zeigt ein Beispiel, gemäß dem eine erfindungsgemäße HF-Sonde auf einen Mehrelementresonator angewandt ist;

Fig. 13 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines allgemeinen Mehrelementresonators zeigt;

Fig. 14 ist eine Querschnittsdarstellung einer erfindungsge mäßen HF-Sonde, in der durch einen Pfeil A in Fig. 12 ange gebenen Richtung;

Fig. 15 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel zeigt, mit dem die Spulencharakteristik einer erfindungsgemäßen HF-Sonde weiter stabilisiert werden kann; und

Fig. 16 ist ein Diagramm, das den Aufbau eines KSR-Geräts unter Verwendung einer erfindungsgemäßen HF-Sonde zeigt.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für die konkrete Form einer reso nanten HF-Sonde, bei der es sich um ein erstes Ausführungs beispiel der Erfindung handelt. Spulen 1 und 2 sind kreis förmige Spulenschleifen mit einem Durchmesser von 250 mm und einer Breite von 25 mm. Die Mittelachsen (y-Achsen) der Spulen 1 und 2 stimmen miteinander überein, und Kupferplat ten, die die kreisförmigen Spulenschleifen bilden, sind ein ander mit einem Abstand von 125 mm zwischen ihren Mitten überlagert. Die Leiterschleifen 11 und 21 sind an einer Oberfläche eines zylindrischen Spulenhalters aus Acrylharz befestigt, der in Fig. 1 nicht dargestellt ist. Resonanzkon densatoren 12 und 22 sind mit den Leiterschleifen 11 bzw. 21 in Reihe geschaltet, und mit 16 und 26 sind Anpaßkondensato ren bezeichnet. Die Richtungen der von den Resonanzkondensa toren erzeugten HF-Magnetfelder stimmen mit der Richtung der Mittelachsen der Spulen 1 und 2 überein. Ein Objekt ist z. B. der Kopf einer Person oder eines diesen simulierenden Phantoms, und es wird innerhalb der zwei Leiterschleifen 11 und 21 angeordnet. 6 und 7 kennzeichnen Einspeisepunkte. Ein starkes statisches Magnetfeld 4 in einem KST-Gerät schneidet die Richtung der Mittelachse der Spulen typischerweise unter rechtem Winkel, wie in Fig. 1 dargestellt. Da die von den Schleifen 11 und 21 erzeugten Magnetfelder einander überla gert sind, erfolgt Kopplung zwischen diesen, und das Ausmaß der Kopplung wird durch den Abstand zwischen den zwei Spulen bestimmt. Induktivitäten 13 und 23, die ein wesentliches Merkmal der Erfindung darstellen, erstrecken sich von den verschiedenen Leiterschleifen aus, und sie sind so angeord net, daß sie extrem dicht beieinander liegen, wie in Fig. 1 dargestellt. Das Ausmaß der Dichtheit der Induktivitäten 13 und 23 wird so eingestellt, daß die Kopplung zwischen ihnen die Kopplung zwischen den oben genannten Schleifen 11 und 21 kompensiert. Eine magnetische Abschirmung 5 kann zwischen den Induktivitäten 13, 23 und dem Objekt 41 vorhanden sein.

Im allgemeinen erscheinen dann, wenn zwei Spulen voneinander getrennt werden, die dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen und elektromagnetisch gekoppelt sind, in ihrer Impedanz/Fre quenz-Charakteristik für jede der zwei Spulen zwei Resonanz frequenzen (f₁, f₂), die sich von der in Fig. 2A dargestell ten Resonanzfrequenz "f" unterscheiden, wie in Fig. 2B dar gestellt. Selbst wenn die zwei in Fig. 1 dargestellten Spu len ohne Induktivitäten 13 und 23 vorliegen (oder wenn keine elektromagnetische Kopplung zwischen den Induktivitäten 13 und 23 besteht), zeigen sie eine Frequenz/Impedanz-Charak teristik (f ∝ |Z|), die der in Fig. 2B dargestellten ähnlich ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde als Ergebnis, daß diese Störsignalkorrelation durch die elektromagnetische Kopplung zwischen den Induktivitäten 13 und 23 beseitigt wurde, eine Frequenzcharakteristik erhal ten, die der, wie sie durch eine einzelne Spule erhalten wird und in Fig. 2A dargestellt ist, ähnlich war. Fig. 3 zeigt Meßergebnisse, wie sie für die Empfindlichkeitsvertei lung in Richtung der y-Achse der Spulen 1 und 2 bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten wurden. Wie es aus Fig. 3 deutlich erkennbar ist, weisen die Spulen Verteilungen auf, die sich völlig voneinander unterscheiden, und demgemäß ist erkennbar, daß keine Signalkorrelation zwi schen den Spulen 1 und 2 besteht. Auf ähnliche Weise ist er sichtlich, daß keine Störsignalkorrelation zwischen den Spu len existiert. Es ist erkennbar, daß die Eigenschaften einer hohen Empfindlichkeit und eines großen Gesichtsfeldes in axialer Richtung erhalten werden, wie aus Fig. 3 erkennbar, wenn die zwei Ausgangssignale der zwei Spulen gemeinsam ver wendet werden.

Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild für das erste Ausführungs beispiel der Erfindung. Die Spule 1, die eine resonante HF- Sonde für KST ist, besteht aus einer Leiterschleife 11, einem Resonanzkondensator 12 (Kapazität C₁) und einer Induk tivität 13 (Induktivitätswert L_1'), die mit der Leiter schleife in Reihe geschaltet ist. Die verteilten Konstanten der Leiterschleife 11 sind durch eine Ersatzinduktivität 14 (Induktivitätswert L₁) und einen Ersatzwiderstand 15 (Wider standswert R₁) repräsentiert. Ferner ist der Kondensator 12 (Kapazität C_1') ein Kondensator, der für Parallelresonanz und Impedanzanpassung vorhanden ist.

Die Spule 2 besteht aus einer Leiterschleife 21, einem Reso nanzkondensator 22 (Kapazität C₂) und einer Induktivität 23 (Induktivitätswert L_2'), die mit der Leiterschleife in Reihe geschaltet ist. Die verteilten Konstanten der Leiterschleife 21 sind durch eine Ersatzinduktivität 24 (Induktivitätswert L₂) und einen Ersatzwiderstand 25 (Widerstandswert R₂) re präsentiert. Es existiert eine Gegeninduktivität M₁ zwischen den Spulen 1 und 2 mit elektromagnetischer Kopplung, die durch M₁ ² = k₁ ²(L₁L₂) gegeben ist (wobei k₁ die Kopplungs konstante zwischen L₁ und L₂ ist), wobei die Induktivitätswerte L₁ und L₂ der Ersatzinduktivitäten 14 und 24 maßgeblich sind. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die elektromagnetische Kopplung zwischen den Spulen 1 und 2 unter Verwendung der Gegeninduktivität M₂ zwischen den Induktivitäten 13 und 23 mit elektromagnetischer Kopplung beseitigt, wobei diese Gegeninduktivität durch M₂ ² = k₂ ²(L_1'L_2') gegeben ist (wobei k₂ die Kopplungskonstante zwischen L_1' und L_2' ist), wozu die verschiedenen Konstanten so eingestellt werden, daß |M₁| = |M₂| gilt. Dabei sind die Induktivitäten 13 und 23 so gekoppelt, daß die Richtung des von der Induktivität 14 in der Induktivität 24 induzierten Stroms der Richtung des Stroms entgegengesetzt ist, der durch die Induktivität 13 in der Induktivität 23 induziert wird. Die Induktivitäten L_1' und L_2' sind vorzugsweise unge fähr das 0,1 bis 3-fache der Ersatzinduktivitäten L₁ und L₂. Der Grund hierfür ist der, daß dann, wenn L_1'und L_2' in bezug auf L₁ und L₂ zu klein sind, selbst dann, wenn k₂ so groß ist, wie es dem theoretischen Maximalwert entspricht (= 1), |M₁| < |M₂| ist, und es ist nicht möglich, die oben beschriebene Bedingung zu realisieren (|M₁| = |M₂|), was es unmöglich macht, die elektromagnetische Kopplung zu beseiti gen. Wenn dagegen L_1' und L_2' zu groß in bezug auf L₁ und L₂ sind, kommt es deswegen zu Strahlungsverlusten, und Lei tungsverluste aufgrund der zunehmenden Spulenlänge werden nicht mehr vernachlässigbar. Dies verringert die Ausgangsemp findlichkeit, was in der Praxis zu Schwierigkeiten führt.

Wenn diese Resonanzspulen 1 und 2 als HF-Sonde für Protonen (¹H) in einem statischen Magnetfeld von 0,3 T verwendet wer den, beträgt die Resonanzfrequenz 12,78 MHz. C₁ und C₂ sind 120 pF; C_1' und C_2' sind 2060 pF; L_1' und L_2' sind 0,91 µH. Die Induktivitäten 13 und 23 sind zylindrische Luftspulen mit 10 Windungen und mit einem Durchmesser von 15 mm aus mit Email beschichtetem Kupferdraht von 1 mm ∅. Der Gütewert der Resonanzspulen 1 und 2 beträgt ungefähr 190, wenn ein Objekt vorhanden ist, d. h. bei Belastung. L₁ und L₂ sind 0,42 µH, und R₁ und R₂ sind 0,22 Ω , was Ersatzkonstanten für die ver teilten Konstanten sind. Demgemäß ist die Induktivität L_1' (oder L_2') der Induktivität 13 ungefähr das 2,2-fache der Induktivität L₁ (oder L₂).

Fig. 5 zeigt ein konkretes Beispiel für die in Fig. 1 ge zeigten Induktivitäten 13 und 23. Beide Induktivitäten 13 und 23 sind Luftspulen mit 10 Windungen und einem Durchmes ser von 15 mm aus einem Draht von 1 mm ∅, wie oben beschrie ben. Die Mittelachse 131 der Induktivität 13 fällt ungefähr mit der Mittelachse 231 der Induktivität 23 zusammen, und der Abstand zwischen den Induktivitäten 13 und 23 beträgt 3-4 mm. Ein Draht 132, der die Induktivität 13 mit der Leiterschleife 11 verbindet, und ein Draht 232, der die In duktivität 23 mit der Leiterschleife 21 verbindet, sind so angeordnet, daß der Abstand zwischen der weggehenden und der zurückkehrenden Leitung derselben so klein wie möglich ist, damit kein überflüssiger Magnetfluß, der zu einem induzier ten Strom führt, hindurchtritt. Es stellte sich heraus, daß die Anzahl von Windungen der Luftspulen vorzugsweise 1-10 beträgt, daß ihre Querschnittsfläche 10-10.000 mm² beträgt und daß die Querschnittsfläche des die Luftspulen bildenden Drahts 3-100 mm² beträgt. Jedoch müssen die Luftspulen nicht notwendigerweise kreisförmig sein, sondern sie können rechteckig sein oder sie können jede beliebige andere Form aufweisen.

Nachfolgend wird ein Verfahren zum Einstellen der Kopplungs koeffizienten der Induktivitäten erläutert. Die elektroma gnetische Kopplung zwischen den Induktivitäten 13 und 23 kann einfach von außen her dadurch eingestellt werden, daß sie verstellt werden, um den Abstand 51 zwischen ihnen zu verändern, oder daß die Mittelachse 131 der Induktivität 13 gegen die Mittelachse 231 der Induktivität 23 versetzt wird, um den Abstand 52 zwischen diesen zu ändern. Jede wohlbe kannte Technik wie ein Gleitmechanismus unter Verwendung einer Schraube usw. kann für den Verstellmechanismus verwen det werden. Wenn berücksichtigt wird, daß der Verstellmecha nismus in einem starken Magnetfeld verwendet wird, ist es bevorzugt, ihn aus unmagnetischem Material, z. B. aus Acryl harz usw. herzustellen. Das Antreiben der Schraube für den Verstellmechanismus kann von Hand oder automatisch erfolgen. Für automatisches Antreiben kann ein Ultraschallmotor ver wendet werden. Für automatisches Antreiben ist es auch mög lich, die Wechselwirkung zwischen den Spulen für jedes Ob jekt automatisch einzustellen, wobei sich die Wechselwirkung leicht abhängig von der Form des Objekts ändert.

Fig. 5 zeigt einen Aufbau zum Einstellen des Abstands 52. Er ist so aufgebaut, daß ein beweglicher Träger 43, der die In duktivität 23 hält, durch Drehen einer Schraube 45 entlang einer Führung 42 nach links und rechts verstellt werden kann. Die Schraube 45 wird durch einen an einem Gehäuse be festigten Halter 44 gehalten. Der Abstand 51 kann ebenfalls durch einen ähnlichen Aufbau eingestellt werden, und ein Beispiel hierfür ist in den Fig. 8A und 8B gezeigt. Details dazu werden später erläutert.

Gemäß der Erfindung ist es bevorzugt, daß die Richtung "x" des von den Leiterschleifen 11, 21 gemessenen (oder erzeug ten) HF-Magnetfelds sowie die Richtung "y" des von den Lei terschleifen 13, 23 gemessenen (oder erzeugten) Hauptmagnet felds so angeordnet sind, daß sie einander rechtwinklig schneiden. Da in diesem Fall in den Induktivitäten 13, 23 durch das HF-Magnetfeld kein Strom induziert wird, wird die elektromagnetische Kopplung zwischen den verschiedenen Induktivitäten durch das HF-Magnetfeld nicht beeinflußt, und sie ist daher stabil. Obwohl beim vorliegenden Ausführungs beispiel die Induktivitäten 13, 23 zum Beseitigen der elek tromagnetischen Kopplung in der Nähe der Spulen 11, 21 angeordnet sind, können die Ausgangssignale der verschiede nen Spulen über Kabel 132, 232 entnommen werden, und die Induktivitäten 13, 23 zum Beseitigen der elektromagnetischen Kopplung können in der Mitte der jeweiligen Kabel angeordnet sein. Wenn Zylinderspulen verwendet werden, können sie anders angeordnet sein als die in Fig. 5 dargestellten Leiter, was nachfolgend erläutert wird.

Fig. 6 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der in Fig. 1 dargestellten Induktivitäten 13, 23. Fig. 6 zeigt ein Bei spiel, bei dem zwei Luftspulen so angeordnet sind, daß jede Windung einer derselben zwischen zwei benachbarte Windungen der anderen gelegt ist, mit Ausnahme in den Endabschnitten. Dabei kann die Einstellung der Relativposition der zwei Luftspulen dadurch herbeigeführt werden, daß die Mittelachse 131' der Induktivität 13 und die Mittelachse 231' der Induk tivität 23 verstellt werden (in Fig. 6 stimmen die Mittel achsen 131', 231' miteinander überein), ähnlich wie bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel für die in Fig. 1 gezeigten Induktivitäten 13, 23. Außer den Zylinder spulen können, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist, für die In duktivitäten 13 und 23 auch 8-förmige Spulen verwendet wer den. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Induk tivitäten für ein räumlich gleichförmiges HF-Magnetfeld kei nen Strom induzieren. Demgemäß ist es möglich, eine stabile Sonde zu realisieren, die von externen Situationen nicht beeinflußt wird. Auch in diesem Fall kann die Kopplungskon stante dadurch eingestellt werden, daß die Relativpositionen derselben verändert werden, ähnlich wie bei den in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispielen.

Fig. 8A zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel der Er findung. Was sich bei diesem Ausführungsbeispiel von dem in Fig. 5 gezeigten unterscheidet, ist eine Hilfsspule 60, die die elektromagnetische Kopplung zwischen den Induktivitäten bewirkt. Die elektromagnetische Kopplung wird zwischen der Induktivität 13 und einer Induktivität 60-1 sowie zwischen der Induktivität 23 und einer Induktivität 60-2 bewirkt, wie in Fig. 8B gezeigt.

Wenn eine Schraube 54 verdreht wird, wird ein verstellbarer Träger 52, an dem die Induktivitäten 60-1, 60-2 sowie die Hilfsspule 60 befestigt sind, entlang einer Führung 51 ver stellt, und auf diese Weise wird die Kopplung zwischen den Induktivitäten 13 und 60-1 sowie zwischen den Induktivitäten 23 und 60-2 eingestellt. Die Schraube 54 wird von einem Hal ter 53 gehalten, der seinerseits an einem Gehäuse befestigt ist.

Fig. 9A zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem drei Spuleneinheiten verwendet werden, und Fig. 9B zeigt das zugehörige Ersatzschaltbild. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektromagnetische Kopplung zwischen einer Ersatzinduktivität 64 einer Spule 61 und einer Ersatz induktivität 65 einer Spule 62 dadurch beseitigt, daß die elektromagnetische Kopplung (Gegeninduktivität) zwischen In duktivitäten 61-1 und 62-1 verwendet wird, und die elektro magnetische Kopplung zwischen einer Ersatzinduktivität 65 der Spule 62 und einer Ersatzinduktivität 66 einer Spule 63 ist unter Verwendung elektromagnetischer Kopplung (Gegen induktivität) zwischen den Induktivitäten 62-1 und 63-1 be seitigt, ähnlich wie bei Fig. 4. Die elektromagnetische Kopplung zwischen den Spulen 61 und 63 ist im allgemeinen ausreichend klein. Wenn dies jedoch zu einer Schwierigkeit führt, kann Isolierung durch ein ähnliches Verfahren gewähr leistet werden, wie es oben beschrieben wurde. Der für die sen Fall erforderliche Aufbau ist in der Figur nicht ge zeigt. Durch den oben angegebenen Aufbau kann Isolierung für jede der Spulen 61, 62 und 63 erzielt werden, die das Spu lenarray 6 bilden.

Konkrete Beispiele für die Induktivitäten sind diejenigen, wie sie bei den verschiedenen, zuvor beschriebenen Ausfüh rungsbeispielen beschrieben wurden.

Fig. 10 zeigt ein Beispiel, bei dem die Erfindung auf eine Quadraturmeßsonde angewandt ist. Beim vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel ist ein aus den in Fig. 1 gezeigten Resonanz spulen 1 und 2 bestehendes Spulenarray 3 in Richtung der Körperachse (y-Achse) des Objekts (das in der Figur nicht dargestellt ist) angeordnet. In Fig. 10 sind die Induktivi täten 13 und 23 dargestellt, die den Leiterschleifen hinzu gefügt sind und die ein wesentliches Merkmal der Erfindung sind. Das vom Spulenarray erzeugte HF-Magnetfeld liegt in y-Richtung und das statische Magnetfeld liegt in z-Richtung. Wenn eine Quadraturmeßsonde gebildet wird, ist eine Spule erforderlich, die ein HF-Magnetfeld in x-Richtung erzeugt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das HF-Magnetfeld in x-Richtung unter Verwendung eines Sattelspulenarrays 8, das aus Sattelspulen 8-1 und 8-2 besteht, erzeugt. Um Iso lierung zwischen den Sattenspuleneinheiten zu gewährleisten, kann eine Maßnahme ähnlich wie bei dem in Fig. 1 dargestell ten Ausführungsbeispiel ergriffen werden, d. h., daß Induk tivitäten mit den Sattelspulen in Reihe geschaltet werden und die elektromagnetische Kopplung zwischen diesen Indukti vitäten verwendet wird. Da jedoch die Kopplung zwischen ver schiedenen Spulen bei einem Sattenspulenarray klein ist, kann ein bisher wohlbekanntes Verfahren verwendet werden, durch das elektromagnetische Kopplung dadurch beseitigt wird, daß jeweils zwei von mehreren Sattelspulen nur gering überlappt werden. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel hat, da die Quadraturmeßsonde unter Verwendung von zwei Gruppen von Spulenarrays realisiert wird, eine so erhaltene Sonde das Merkmal, daß sie ein extrem hohes Gesamt-S/R-Verhältnis und ein großes Gesichtsfeld aufweist. Ferner kann sie auch als umschaltbare Spule für einen Genick- und Kopfabschnitt dadurch verwendet werden, daß die Sattenspuleneinheiten 8-1, 8-2 sowie die Resonanzspuleneinheiten 1, 2 durch einen Schalter usw. umgeschaltet werden.

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Em pfangssystems, wie es für die in Fig. 10 dargestellte Qua draturmeßsonde geeignet ist. Signale von der Sattenspulen einheit 8-1 und der Resonanzspuleneinheit 1 (siehe Fig. 10) werden an Eingangsanschlüsse 90-1 bzw. 90-2 eingegeben, wäh rend Signale von der Sattelspuleneinheit 8-2 und der Reso nanzspuleneinheit 2 (siehe Fig. 10) an Eingangsanschlüssen 90-3 bzw. 90-4 eingegeben werden. Die an den Eingangsan schlüssen 90-1, 90-2, 90-3 und 90-4 eingegebenen Signale werden durch Vorverstärker 91-1, 91-2, 91-3 bzw. 91-4 ver stärkt. Die Phasen der Ausgangssignale der Vorverstärker 91-1 und 91-2 (sowie 91-3 und 91-4) werden durch Phasen schieber 94-1 bzw. 94-2 (und 94-3 bzw. 94-4) so eingestellt, daß sie gleichphasig sind. Genauer gesagt, wird das Ausmaß der Phasenverschiebung z. B. für den Phasenschieber 94-1 (und 94-3) auf 0° eingestellt und auf +90° oder -90° für den Phasenschieber 94-2 (und 94-4). Die Verstärkungen der Aus gangssignale der Phasenschieber 94-1 und 94-2 (94-3 und 94-4) werden durch Dämpfungsglieder 95-1 bzw. 95-2 (95-3 bzw. 95-4) so eingestellt, daß sie optimal sind. Die Aus gangssignale der Dämpfungsglieder 95-1 und 95-2 (95-3 und 95-4) werden durch einen Addierer 93-1 (93-2) addiert. Der Ausgang des Addierers 93-1 (93-2) ist mit einem Quadratur phasendetektor 96-1 (96-2) verbunden. Die Ausgangssignale der Quadraturphasendetektoren 96-1 und 96-2 sind verschiede nen Frequenzbereichen zugeordnet, sie werden durch einen Addierer 93-3 addiert, nachdem Störsignale in nicht erfor derlichen Frequenzbereichen durch ein Filter 92-1 (92-2) entfernt wurden, und dann erfolgt Umwandlung in ein digita les Signal durch einen A/D-Umsetzer 97. Die Filter 92-1 und 92-2 wie auch der Addierer 93-3 können durch einen analogen Hochgeschwindigkeitsschalter ersetzt werden. Ferner können die Ausgangssignale der Quadraturphasendetektoren 96-1 und 96-2 auf digitale Weise addiert werden, nachdem sie direkt A/D-umgesetzt wurden. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Signale von jeweiligen Spulen, die auf Quadraturweise angeordnet sind, wie die Sattelspuleneinheit 8-1 und die Resonanzspuleneinheit 1 wie auch die Sattelspuleneinheit 8-2 und die Resonanzspuleneinheit 2, in ihrer Phase und ihrer Verstärkung eingestellt, und sie werden addiert, und danach werden die so erhaltenen addierten Signale für die jeweili gen auf Quadraturweise angeordneten Spulen weiter addiert. Auf diese Weise kann Quadraturmessung durch das Spulenarray stabil ausgeführt werden.

Fig. 12 zeigt ein Beispiel, bei dem die Erfindung auf einen Mehrelementresonator (MER) angewandt ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel sind bei einer zusammengesetzten HF- Sonde für KST, die aus mindestens zwei MERs 101 und 102 be steht, deren Achsen ungefähr in einer geraden Linie in einem statischen Magnetfeld angeordnet sind und deren Durchmesser ungefähr einander gleich sind, zwei Gruppen von Induktivitä ten 103 und 104, 105 und 106, die mit den Leiterschleifen 107 und 108 am extremen Ende der MERs in Reihe geschaltet sind, als Entkopplungsmechanismen angeordnet, um eine Kopp lung aufgrund von Komponenten in den zwei Richtungen x und y des Hochfrequenzmagnetfelds für die zwei MERs 101 und 102 zu beseitigen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die wechselseitige Beeinflussung zwischen den MERs für ein ro tierendes Magnetfeld vollständig und stabil beseitigt wer den, da die Kopplung des Magnetfelds in x-Richtung durch einen ersten Entkopplungsmechanismus 103 und 104 beseitigt wird, während die Kopplung des Magnetfelds in y-Richtung durch einen zweiten Entkopplungsmechanismus 105 und 106 be seitigt wird. Der Aufbau eines MERs besteht aus einem Paar Leiterschleifenelemente 81 und 82, die entlang einer gemein samen Achse voneinander beabstandet sind, mehreren axialen Leitersegmenten (Stufen) 83, die die Leiterschleifenele mente 81 und 82 elektrisch miteinander verbinden, und mehre ren kapazitiven Elementen 84, die in den Leiterschleifen an geordnet sind, wie in Fig. 13 gezeigt. Dies wird allgemein als ein Hochpaß-MER bezeichnet. Der Einspeise- und der Em pfangsvorgang des MERs 101 erfolgt durch induktive Kopplung über Aufnahmespulen, was über einen Port 111 für die x-Rich tung und einen anderen Port 112 für die y-Richtung erfolgt. Andererseits erfolgt der Einspeise- und Empfangsvorgang für den MER 102 durch induktive Kopplung über Aufnahmespulen, was über einen Port 121 für die x-Richtung und einen anderen Port 122 für die y-Richtung erfolgt.

Magnetfeld-Wechselwirkung in x-Richtung wird durch die In duktivitäten 103 und 104 entfernt, während Magnetfeld-Wech selwirkung in y-Richtung durch die Induktivitäten 105 und 106 entfernt wird. Die Induktivitäten 103 und 104 wie auch die Induktivitäten 105 und 106 sind dicht beieinander ange ordnet, um elektromagnetisch gekoppelt zu sein.

Fig. 14 ist ein Querschnitt durch Fig. 12 entlang derjenigen Richtung gesehen, die in Fig. 12 durch einen Pfeil A gekenn zeichnet ist. Wie in Fig. 14 gezeigt, liegen die Induktivi tät 105 und die Induktivität 103 an Positionen, die im MER 101 um 90° voneinander abweichen, und die Aufnahmespulen 111 und 112 sowie die Induktivitäten 103 und 105 sind jeweils in denselben Richtungen ausgerichtet. Die entsprechenden Ele mente im MER 102 sind ähnlich angeordnet. Die Positionen, an denen die Induktivitäten eingefügt sind, sind Abschnitte, in denen der HF-Strom am stärksten konzentriert ist, wenn Ein speisen über den x- bzw. y-Port erfolgt, und dort zeigt sich die Wirkung der Erfindung am besten. Obwohl beim vorliegen den Ausführungsbeispiel zwei Gruppen von Induktivitäten ver wendet werden, können vier Gruppen von Induktivitäten ver wendet werden, wobei andere Induktivitäten an einander ge genüberstehenden Positionen weiter hinzugefügt werden.

Nun wird eine konkrete Form für die MERs 101 und 102 be schrieben. Z. B. weist eine KST-Sonde zum Abbilden eines Kopfs bei 1,5 T einen Durchmesser von 300 mm und eine Länge von 200 mm auf, und die Anzahl von Stegen 83 ist 16. Jeder der Stege besteht aus einem Kupferrohr mit einem Durchmesser von 3 mm. Jedes der kapazitiven Elemente hat eine Kapazität von ungefähr 40 pF. Die Resonanzfrequenz des MERs beträgt 63,8 MHz (Protonen-Resonanzfrequenz). Die Impedanz des MERs kann einfach auf einen gewünschten Wert, z. B. auf 50 Ω , da durch eingestellt werden, daß der elektromagnetische Kopp lungszustand der Aufnahmespulen zum Körper des MERs einge stellt wird (durch Verändern der Relativposition derselben). Die Induktivitäten können eine Form ähnlich zu derjenigen aufweisen, wie sie z. B. unter Bezugnahme auf Fig. 5 erläu tert wurde. Der vorstehend beschriebene Aufbau kann auch auf eine Sonde für einen gesamten Körper, eine Sonde für örtli che Verwendung usw. angewandt werden, wobei je nach Bedarf die allgemein bekannte Technik verwendet wird. Beim vorlie genden Ausführungsbeispiel sind Wechselwirkungen in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Richtungen unabhängig von einander durch zwei Kopplungsmechanismen beseitigt. Demgemäß ist es möglich, da selbst bei einem rotierenden Magnetfeld keine Wechselwirkungen entstehen, eine Sonde für Quadratur messung zu realisieren und die Sondenempfindlichkeit zu er höhen. Obwohl bei der vorstehenden Erläuterung ein Quadra turmeßverfahren für ein Sende- und Empfangssystem verwendet wurde, kann hierfür ein lineares Verfahren verwendet werden, und in diesem Fall kann ein Paar Induktivitäten genutzt wer den. Ferner muß das Einspeiseverfahren für den MER nicht mit induktiver Kopplung arbeiten, sondern es kann mit kapaziti ver Kopplung arbeiten. Außerdem kann der MER statt vom Hoch paßtyp auch vom Tiefpaßtyp oder vom Bandpaßtyp sein. Auch in diesen Fällen werden diejenigen Resonatorabschnitte, in de nen der Strom am stärksten konzentriert ist, als Abschnitte ausgewählt, in denen die Induktivitäten eingefügt werden.

Ferner kann der MER ein Resonator mit geschlitztem Rohr sein.

Fig. 15 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum weiteren Stabili sieren der Charakteristik von Spulen, wie sie bei einer er findungsgemäßen HF-Sonde verwendet werden. Die elektromagne tische Kopplung zwischen verschiedenen Spulen kann weiter dadurch verringert werden, daß die scheinbare Impedanz in den Leiterschleifen dadurch erhöht wird, daß ein LC-Kreis verwendet wird, der aus Kondensatoren 71 und 74 sowie Induk tivitäten 72 und 75 wie auch Eingangsimpedanzen 73 und 76 von Verstärkern besteht. Demgemäß ist der Trennzustand zwi schen verschiedenen Spulen stabilisiert.

Ferner ist es möglich, eine magnetische Abschirmung zwischen dem Objekt und den Induktivitäten, wie sie für die verschie denen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert wurden, einzufügen. Auf diese Weise werden sie kaum von außen beeinflußt. Die magnetische Abschirmung kann plattenförmig sein, oder sie kann so ausgebildet sein, daß sie Induktivitä ten umschließt.

Darüber hinaus können die Induktivitäten usw. der Erfindung auch unabhängig von der Position angeordnet werden, an der das Objekt liegt, z. B. außerhalb des statischen Magnet felds.

Ferner kann der Aufbau der erfindungsgemäßen HF-Sonde geeig net abweichend von den vorstehend erläuterten Ausführungs beispielen modifiziert werden. Z. B. kann eine Sonde zusam men mit einem Verfahren verwendet werden, bei dem Isolation unter Verwendung von Kompensationsspulen gewährleistet wird. Darüber hinaus müssen die Spuleneinheiten 1 und 2 nicht not wendigerweise parallel zueinander stehen.

Fig. 16 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen KSR(Kern spinresonanz)-Geräts. Dieses KSR-Gerät ist dazu vorgesehen, ein Tomographiebild eines Objekts 41 unter Verwendung des KSR-Effekts zu erzielen, und es besteht aus einem ein stati sches Magnetfeld erzeugenden Magneten 30, einem Signalver arbeitungsabschnitt 38, einem HF-Sendeabschnitt 32, einem HF-Empfangsabschnitt 33, einem ein Gradientenmagnetfeld er zeugenden Abschnitt 35, einem Bildanzeigeabschnitt 40 und einem Steuerabschnitt 31, der die anderen Abschnitte steu ert. Der Magnet 30 zum Erzeugen des statischen Magnetfelds erzeugt ein starkes und gleichmäßiges statisches Magnetfeld um das Objekt 41 in einer Richtung rechtwinklig zu diesem, und er ist im Raum um das Objekt 41 angeordnet. Das Aus gangssignal des HF-Sendeabschnitts 32 wird an eine Sende-HF- Sonde 34 übertragen, um ein hochfrequentes Magnetfeld (HF- Magnetfeld) zu erzeugen. Das Ausgangssignal des Erzeugungs abschnitts 35 für das Gradientenmagnetfeld wird an Gradien tenmagnetfeld-Spulen 36 übertragen, um Gradientenmagnetfel der Gx, Gy und Gz in drei Richtungen, d. h. in Richtungen x, y und z, zu erzeugen. Es ist möglich, im Objekt 41 eine be liebige Tomographieebene festzulegen, abhängig davon, wie die Gradientenmagnetfelder an es angelegt werden. Der HF- Empfangsabschnitt 33 empfängt das Signal einer Empfangs-HF- Sonde. Für die Empfangs-HF-Sonde 37 und/oder die Sende-HF- Sonde 34 werden HF-Sonden verwendet, die so aufgebaut sind, wie es für die verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfin dung erläutert wurde. Das Ausgangssignal des HF-Empfangs abschnitts 33 wird im Signalverarbeitungsabschnitt 38 einer Verarbeitung wie einer Fouriertransformation, einem Bildauf bau usw. unterzogen, und danach erfolgt Darstellung im Bild anzeigeabschnitt 40. Die Sende-HF-Sonde 34, die Empfangs-HF- Sonde und die Gradientenmagnetfeld-Spulen 36 sind im Raum um das Objekt 41 herum angeordnet.

Claims

1. HF-Sonde für einen Kernspintomographen mit wenigstens zwei Resonanz-Spuleneinheiten (1, 2; 101, 102), wobei jede Spuleneinheit ein Leiterschleifenelement (11, 21; 81, 82), mindestens ein mit dem Leiterschleifenelement in Reihe ge schaltetes kapazitives Element (12, 22; 84) und ein mit dem Leiterschleifenelement in Reihe geschaltetes induktives Ele ment (13, 23; 103-106) aufweist,
wobei die Leiterschleifenelemente (11, 21; 81, 82) der Resonanz-Spulen einheiten (1, 2; 101, 102) voneinander getrennt und hintereinander im wesent lichen längs einer gemeinsamen Mittelachse angeordnet sind, so daß eine elektromagnetische Kopplung zwischen den Leiter schleifenelementen (11, 21; 81, 82) auftritt, und
wobei die induktiven Elemente (13, 23; 103-106) der Resonanz-Spuleneinheiten (1, 2; 101, 102) so an geordnet sind, daß eine zwischen den induktiven Elementen (13, 23; 103-106) auftretende elektromagnetische Kopplung die zwischen den Lei terschleifenelementen (11, 21; 81, 82) auftretende elektromagnetische Kopplung kompensiert und daß sich die Richtung des von den induktiven Elementen (13, 23; 103-106) erzeugten Magnetfeldes von der Richtung des durch die Leiterschleifenelemente (11, 21; 81, 82) gemessenen Ma gnetfeldes unterscheidet.

2. HF-Sonde nach Anspruch 1, wobei die Mittelachsen der Re sonanz-Spuleneinheiten (1, 2; 101, 102) rechtwinklig zu den die Leiterschleifenelemente (11, 21; 81, 82) enthaltenden Ebenen angeordnet sind.

3. HF-Sonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Resonanz-Spu leneinheiten (1, 2; 101, 102) längs eines HF-Magnetfeldes an geordnet sind, das durch die Resonanz-Spuleneinheiten (1, 2; 101, 102) gemessen wird.

4. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die in duktiven Elemente (13, 23; 103-106) Luftspulen sind.

5. HF-Sonde nach Anspruch 4, wobei jede Luftspule 1 bis 10 Windungen hat.

6. HF-Sonde nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Luftspulen eine Querschnittsfläche von 10-10.000 mm² aufweisen.

7. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Luft spulen aus einem Draht mit einer Querschnittsfläche von 3-100 mm² bestehen.

8. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die in duktiven Elemente (13, 23) einen Induktivitätswert aufweisen, der das 0,1 bis 3-fache der Induktivität der Leiterschleifen elemente (11, 21) ist.

9. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die in duktiven Elemente (13, 23) 8-förmig sind.

10. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine ma gnetische Abschirmung (5) in der Nähe der induktiven Elemente (13, 23) angeordnet ist.

11. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Leiterschleifenelemente (81, 82) einen Teil eines Mehrelemen tresonators (101, 102) bilden.

12. HF-Sonde nach Anspruch 11, wobei die induktiven Elemente (103-106) zwei Gruppen aufweisen, die so angeordnet sind, daß sie in bezug auf die Mittelachse des Mehrelementresonators (101, 102) einen 90°-Winkel einschließen.

13. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Leiterschleifenelemente (11, 21) einen Teil einer schleifen förmigen Spule oder einer Zylinderspule bilden.

14. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine Einrichtung (42-45, 51-54) zum Einstellen der Stärke der elektromagnetischen Kopplung zwischen den induktiven Elemen ten (13, 23) vorgesehen ist.

15. HF-Sonde nach Anspruch 14, wobei die Einstelleinrichtung eine Einrichtung (51, 52, 53, 54) zum Verändern des Abstands zwischen den induktiven Elementen (13, 23) aufweist.

16. HF-Sonde nach Anspruch 14, wobei die Einstelleinrichtung eine Einrichtung (42, 43, 44, 45) zum Verschieben der Achsen der induktiven Elemente (13, 23) aufweist.

17. HF-Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine Hilfsleiterschleife (60) mit mindestens zwei weiteren induk tiven Elemente (60-1, 60-2) in Reihenschaltung angeordnet ist, die als Zwischenglied zum elektromagnetischen Koppeln mit den induktiven Elementen (13, 23) dienen.

18. Kernspintomograph mit einer Einrichtung (30) zum Erzeu gen eines statischen Magnetfeldes, einer Einrichtung (35, 36) zum Erzeugen von Gradientenmagnetfeldern, einer Einrichtung (32, 34) zum Erzeugen eines HF-Magnetfeldes, einer Empfangs- HF-Sonde (37), einer Einrichtung (33, 38) zum Empfangen von Signalen von der Empfangs-HF-Sonde zum Aufbauen eines Bildes und einer Einrichtung (40) zum Anzeigen des Bildes, wobei die Empfangs-HF-Sonde (37) und/oder die Einrichtung (32, 34) zum Erzeugen eines HF-Ma gnetfeldes eine HF-Sonde gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17 ist.