DE60225039T2

DE60225039T2 - Rf-spule mit zwei parallelen endleitern

Info

Publication number: DE60225039T2
Application number: DE60225039T
Authority: DE
Inventors: Eerke Holle
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: DE60225039D1; WO2003036318A1; JP2005506167A; US6982553B2; ATE386275T1; EP1440325A1; US20040245989A1; EP1440325B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine HF-Spule zum Einsatz in einem Gerät zur Magnetresonanzbildgebung, wobei die HF-Spule mit einer Anzahl von im Wesentlichen parallelen stabförmigen elektrischen Leitern mit regelmäßigem Abstand, die zumindest im Wesentlichen gemäß einem imaginären Zylinder angeordnet sind, und einer um den genannten Zylinder angeordneten HF-Abschirmung ausgestattet ist, wobei die genannten stabförmigen Leiter zumindest an einem ihrer Enden mit Hilfe eines elektrischen Endleiters miteinander verbunden sind, der in einer Ebene quer zu den stabförmigen Leitern verläuft.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Gerät zur Magnetresonanzbildgebung, das mit einem Hauptmagnetsystem zum Erzeugen eines Hauptmagnetfeldes in einem Messvolumen, einem Hilfsmagnetsystem zum Erzeugen zumindest eines Gradienten des Hauptmagnetfeldes, einer HF-Sendespule zum Erzeugen eines HF-Signals in dem Messvolumen, einer HF-Empfangsspule zum Empfangen eines von einem in dem Messvolumen während des Betriebs vorliegenden Objekt erzeugten HF-Signals und einem Prozessor zum Umwandeln des empfangenen HF-Signals in ein Bild des Objekts ausgestattet ist.
Eine HF-Spule des eingangs erwähnten Typs und ein Gerät zur Magnetresonanzbildgebung des eingangs erwähnten Typs, wobei das Bildgebungsgerät mit einer derartigen HF-Spule ausgestattet ist, sind in dem Dokument US-A-4.737.718 dargelegt. Die bekannte HF-Spule ist eine so genannte Vogelkäfig-Spule. Das bekannte Bildgebungsgerät wird dazu verwendet, Bilder der inneren Struktur von lebenden Objekten mit Hilfe des Verfahrens der Kernspinresonanz zu erzeugen. Mit Hilfe des Hauptmagnetsystems des Bildgebungsgerätes wird ein Hauptmagnetfeld mit einer im Wesentlichen konstanten Feldstärke und einer im Wesentlichen konstanten Richtung in dem Messvolumen erzeugt, in dem das Objekt platziert wird. Mit Hilfe des Hilfsmagnetsystems werden in drei orthogonalen Richtungen Gradienten des Hauptmagnetfeldes erzeugt. Da die zur Erzeugung des Bildes erzeugte Kernspin-Resonanzfrequenz der Atomkerne proportional zur Feldstärke des resultierenden Hauptmagnetfeldes ist, werden aufeinander folgende Positionen in dem Objekt ausgewählt, indem die genannten Gradienten variiert werden. Für jede ausgewählte Position wird mit Hilfe der HF-Sendespule in dem Messvolumen ein HF-Signal erzeugt, dessen Frequenz der Kernspin-Resonanzfrequenz an der ausgewählten Position entspricht, und ein HF-Signal wird mit Hilfe der HF-Empfangsspule empfangen, welches an der ausgewählten Position infolge der verursachten Kernspinresonanz erzeugt wird. In dem bekannten Bildgebungsgerät wird die HF-Sendespule auch als HF-Empfangsspule eingesetzt. Anschließend wird von dem Prozessor aus den für die aufeinander folgend ausgewählten Positionen empfangenen HF-Signalen ein Bild des Objekts erzeugt.
Das in dem Messvolumen durch die bekannte HF-Spule erzeugte HF-Signal ist ein Magnetfeld, das in einer Richtung senkrecht zum Hauptmagnetfeld verläuft und sich in einer senkrecht zum Hauptfeld stehenden Ebene dreht, wobei die Frequenz des genannten Magnetfeldes der genannten Kernspin-Resonanzfrequenz entspricht. Zu diesem Zweck verlaufen die stabförmigen Leiter der HF-Spule parallel zum Hauptmagnetfeld, und Wechselströme mit einer Frequenz, die der genannten Kernspin-Resonanzfrequenz entspricht, werden in den stabförmigen Leitern erzeugt, wobei eine Phasendifferenz von 2π/N zwischen den Wechselströmen in jedem Paar aus nebeneinander liegenden stabförmigen Leitern vorliegt, wobei N die Anzahl der stabförmigen Leiter angibt. Die genannte Wechselstromfrequenz und die genannte Phasendifferenz werden in der bekannten HF-Spule dadurch genau erzielt, dass in den beiden Endleitern, die in der bekannten HF-Spule ringförmig sind und die Enden der stabförmigen Leiter auf beiden Seiten der HF-Spule miteinander verbinden, ein Kondensator mit geeigneter Kapazität zwischen jedem Paar aus nebeneinander liegenden Enden angeordnet ist. Mit Hilfe der um die im Kreis zylindrisch angeordneten stabförmigen Leiter geschaffenen HF-Abschirmung werden die Umgebung der HF-Spule und im Besonderen das Hauptmagnetfeld und das Hilfsmagnetfeld magnetisch und elektrisch gegen die HF-Spule abgeschirmt, so dass Umgebungseinflüsse mit störender Auswirkung auf den Betrieb der HF-Spule so weit wie möglich ausgeschlossen werden.
Ein Nachteil des bekannten Gerätes zur Magnetresonanzbildgebung und im Besonderen der darin eingesetzten bekannten HF-Spule besteht darin, dass in dem Messvolumen durch den in jedem der elektrischen Endleiter vorliegenden elektrischen Strom ein Magnetfeld erzeugt wird, das an der Position der Ebene, in der sich der betreffende Endleiter befindet, zumindest im Wesentlichen parallel zu den stabförmigen Leitern und somit quer zum Magnetfeld der stabförmigen Leiter verläuft. Infolgedessen ist das Magnetfeld der Endleiter nicht wirksam und verursacht Verluste und als Ergebnis der Wärmeableitung einen unerwünschten Temperaturanstieg des in dem Messvolumen vorliegenden Objekts. Der genannte Nachteil der bekannten HF-Spule tritt nicht auf, wenn eine so genannte trans versalelektromagnetische Spule eingesetzt wird, wie sie in dem Dokument DE-101 09 489 A1 beschrieben wird, einem weiteren bekannten Typ einer HF-Spule, die keinen Endleiter umfasst; stattdessen sind die stabförmigen elektrischen Leiter elektrisch mit der HF-Abschirmung verbunden, die bei diesem Typ zylindrisch konstruiert und um die stabförmigen Leiter herum angeordnet ist. Eine derartige transversalelektromagnetische Spule weist jedoch den Nachteil auf, dass das Fehlen eines Endleiters, der die Enden der stabförmigen Leiter miteinander verbindet, bewirkt, dass die elektrische Kopplung zwischen den stabförmigen Leitern zu schwach ist, so dass eine gewünschte Phasendifferenz zwischen den Wechselströmen in den stabförmigen Leitern sowie eine gewünschte Größe und Frequenz der genannten Wechselströme in den stabförmigen Leitern wesentlich weniger genau erzielt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Spule und ein Gerät zur Magnetresonanzbildgebung der eingangs erwähnten Arten zu schaffen, wobei die HF-Spule praktisch kein Magnetfeld in einer Richtung quer zum Magnetfeld der stabförmigen Leiter erzeugt und wobei eine gewünschte Phasendifferenz zwischen den Wechselströmen und eine gewünschte Größe und Frequenz der Wechselströme in den stabförmigen Leitern erzielt werden können, die zumindest so genau wie in der aus dem Dokument US-A-4 737 718 bekanten HF-Spule sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine HF-Spule der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer elektrischer Endleiter nahe und parallel zu dem genannten Endleiter angeordnet wird, wobei der weitere elektrische Endleiter nahe dem Ende jedes stabförmigen Leiters elektrisch leitend mit der HF-Abschirmung verbunden ist, und ist ein Gerät zur Magnetresonanzbildgebung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die darin eingesetzte HF-Sendespule eine erfindungsgemäße HF-Spule ist.
Es hat sich herausgestellt, dass das Magnetfeld der HF-Spule, d. h. das Magnetfeld der stabförmigen Leiter und das Magnetfeld des Endleiters, während des Betriebs elektrische Ströme in der HF-Abschirmung erzeugt, die den elektrischen Strömen in den stabförmigen Leitern und in dem Endleiter entgegengesetzt gerichtet sind. Da die erfindungsgemäße HF-Spule mit einem weiteren Endleiter ausgestattet ist, der nahe und parallel zum Endleiter angeordnet ist und nahe dem Ende jedes stabförmigen Leiters elektrisch leitend mit der HF-Abschirmung verbunden ist, erzeugt das Magnetfeld des Endleiters einen elektrischen Strom vorwiegend in dem weiteren Endleiter anstelle in der HF-Abschirmung. Da der weitere Endleiter nahe und parallel zum Endleiter angeordnet ist, bilden der Endleiter und der weitere Endleiter zusammen eine elektrische Übertragungsleitung, wobei der genannte weitere Endleiter eine Rückleitung des Endleiters bildet, d. h. der in dem weiteren Endleiter erzeugte Strom ist im Wesentlichen genauso groß wie der Strom im Endleiter und ihm entgegengesetzt gerichtet. Aufgrund dieser Tatsache erzeugt der weitere Endleiter in dem Messvolumen ein Magnetfeld, das im Wesentlichen genauso groß wie das Magnetfeld des Endleiters und ihm entgegengesetzt gerichtet ist, woraufhin die HF-Spule lediglich ein sehr eingeschränktes wenn überhaupt ein Magnetfeld in einer quer zum Magnetfeld der stabförmigen Leiter verlaufenden Richtung. Wie im Fall der in dem Dokument US-A-4.737.718 dargelegten HF-Spule sind die Enden der stabförmigen Leiter mit Hilfe des Endleiters miteinander verbunden, woraufhin die gewünschte Phasendifferenz zwischen den Wechselströmen und die gewünschte Größe und Frequenz der Wechselströme in den stabförmigen Leitern genau erzielt werden können, genau wie im Fall der bekannten HF-Spule, indem beispielsweise ein Kondensator mit einer geeigneten Kapazität in dem Endleiter zwischen jedem Paar aus nebeneinander liegenden stabförmigen Leitern angeordnet wird.
Eine besondere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule ist dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Endleiter mit der HF-Abschirmung durch einen flanschförmigen elektrischen Leiter verbunden ist. Durch den Einsatz des genannten flanschförmigen elektrischen Leiters wird eine besonders effiziente elektrische Kopplung zwischen dem weiteren Endleiter und der HF-Abschirmung erreicht, so dass die von dem Endleiter in dem weiteren Endleiter und der HF-Abschirmung erzeugten elektrischen Ströme fast vollständig in dem weiteren Endleiter konzentriert werden und ein maximaler Kompensationseffekt des Magnetfeldes des weiteren Endleiters erzielt wird.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule ist dadurch gekennzeichnet, dass die stabförmigen Leiter an beiden Enden mit Hilfe eines Endleiters miteinander verbunden werden, der in einer Ebene quer zu den stabförmigen Leitern verläuft, wobei ein weiterer Endleiter nahe und parallel zu jedem Endleiter angeordnet wird, wobei der weitere Endleiter nahe dem betreffenden Ende jedes stabförmigen Leiters elektrisch leitend mit der HF-Abschirmung verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform werden die stabförmigen Leiter auf beiden Seiten der HF-Spule mit Hilfe eines getrennten Endleiters miteinander verbunden, so dass das von den stabörmigen Leitern umgebene Messvolumen von beiden Seiten der HF-Spule zugänglich ist. Das unerwünschte Magnet feld jedes der beiden Endleiter wird durch das Magnetfeld des nahe und parallel zu dem betreffenden Endleiter angeordneten weiteren Endleiters kompensiert.
Noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule ist dadurch gekennzeichnet, dass der Endleiter und der weitere Endleiter im Wesentlichen ringförmig und an im Wesentlichen gleichen axialen Positionen im Verhältnis zu den stabförmigen Leitern angeordnet sind, wobei der Durchmesser des ringförmigen Endleiters größer als der Durchmesser des weiteren ringförmigen Endleiters ist. Bei dieser Ausführungsform befindet sich der weitere ringförmige Endleiter vorwiegend zwischen dem ringförmigen Endleiter und dem von den stabförmigen Leitern umgebenen Messvolumen. Infolgedessen ist das elektrische Feld des ringförmigen Endleiters zum Messvolumen hin durch den weiteren ringförmigen Endleiter abgeschirmt, so dass elektrische Feldverluste des ringförmigen Endleiters, die der Tatsache zuzuschreiben sind, dass die vergleichsweise hohen elektrischen Spannungen in dem ringförmigen Endleiter bewirken, dass kapazitiv elektrische Ströme in dem in dem Messvolumen vorliegenden Objekt erzeugt werden, soweit wie möglich eingeschränkt werden.
Eine besondere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule ist dadurch gekennzeichnet, dass der Endleiter und der weitere Endleiter im Wesentlichen ringförmig sind, an aufeinander folgenden axialen Positionen im Verhältnis zu den stabförmigen Leitern angeordnet sind und jeweils eine Hauptfläche aufweisen, die quer zu den stabförmigen Leitern verläuft. Bei dieser Ausführungsform ist die mechanische Konstruktion des Endleiters und des weiteren Endleiters vergleichsweise einfach, und der weitere Endleiter kann mit Hilfe einer vergleichsweise einfachen Konstruktion mit der HF-Abschirmung verbunden werden.
Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule ist dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Endleiter im Wesentlichen den Endleiter umgibt. Bei dieser Ausführungsform bilden der Endleiter und der weitre Endleiter zusammen im Wesentlichen eine koaxiale elektrische Übertragungsleitung. Aufgrund dieser Tatsache wird das Magnetfeld des Endleiters im Wesentlichen vollständig durch das Magnetfeld des weiteren Endleiters kompensiert, und das elektrische Feld des Endleiters ist im Wesentlichen vollständig durch den weiteren Endleiter abgeschirmt.
Noch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule ist dadurch gekennzeichnet, dass der Endleiter nahe dem Ende jedes stabförmigen Leiters mit dem weiteren Endleiter durch einen Kondensator elektrisch verbunden ist. Bei dieser Aus führungsform wird erreicht, dass die gewünschte Phasendifferenz zwischen den Wechselströmen und die gewünschte Größe und Frequenz der Wechselströme in den stabförmigen Leitern vergleichsweise kaum empfindlich gegenüber Toleranzen in den Kapazitätswerten der genannten Kondensatoren sind. Aufgrund dieser Tatsache kann die Resonanzfrequenz der HF-Spule genau gleich der Kernspin-Resonanzfrequenz gemacht werden, indem die Kapazität der Kondensatoren geeignet gewählt wird.
Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Gerätes zur Magnetresonanzbildgebung und Ausführungsformen einer in ihm eingesetzten erfindungsgemäßen HF-Spule sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Gerätes zur Magnetresonanzbildgebung, das mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule ausgestattet ist;
2 eine schematische Schnittansicht in Längsrichtung der in dem Gerät zur Magnetresonanzbildgebung gemäß 1 verwendeten HF-Spule;
3a eine Schnittansicht längs der Linie IIIa-IIIa in 2;
3b eine Schnittansicht längs der Linie IIIb-IIIb in 2;
4 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule und
5 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule.
1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät zur Magnetresonanzbildgebung, nachfolgend als MRI-Gerät bezeichnet, das zur Erzeugung von Bildern der inneren Struktur eines Patienten oder eines Teils von ihm, wie beispielsweise des Kopfes, mit Hilfe des Kernspin-Resonanzverfahrens eingesetzt wird. Zu diesem Zweck umfasst das MRI-Gerät ein Hauptmagnetsystem 1, das in dem dargestellten Beispiel eine Anzahl von supraleitenden Elektromagneten 3 umfasst. Das MRI-Gerät umfasst ein Tieftemperatur-Kühlsystem 5 mit Kühlflüssigkeitsleitungen 7 zum Kühlen der Elektromagneten 3 und eine elektrische Stromversorgung 9 für die Elektromagneten 3. Das MRI-Gerät umfasst ferner ein Messvolumen 11 zum Aufnehmen eines zu untersuchenden Patienten. Während des Betriebs erzeugt das Hauptmagnetsystem 1 ein Hauptmagnetfeld B in dem Messvolumen 11, wobei das Hauptmagnetfeld parallel zu einer Hauptrichtung Z des Messvolumens 11 gerichtet ist und eine im Wesentlichen konstante Feldstärke innerhalb des Messvolumens 11 aufweist. Das MRI-Gerät umfasst ferner ein Hilfsmagnetsystem 13 mit einer Anzahl von elektromagnetischen Gradientenspulen 15. Die Gradientenspulen 15 erzeugen während des Betriebs Gradienten des Hauptmagnetfeldes B in der Hauptrichtung Z, in einer X-Richtung senkrecht zur Hauptrichtung Z und in einer Y-Richtung senkrecht zur Hauptrichtung Z und zur X-Richtung. Zu diesem Zweck sind in den Gradientenspulen 15 elektrische Ströme erforderlich, die von einem Leistungsverstärker 17 des MRI-Gerätes zugeführt werden. Das MRI-Gerät umfasst ferner eine erfindungsgemäße Hochfrequenz-Sendespule 19, nachfolgend als HF-Spule bezeichnet. Die genannte HF-Spule 19 erzeugt während des Betriebs ein Hochfrequenzsignal, nachfolgend als HF-Signal bezeichnet, mit einer vorher festgelegten Frequenz in dem Messvolumen 11. Die Atomkerne, in dem dargestellten Beispiel Wasserstoffatome, die zur Erzeugung von Bildern mit Hilfe des Kernspin-Resonanzverfahrens eingesetzt werden, besitzen eine magnetische Kernspin-Resonanzfrequenz, die proportional zur Feldstärke des aus den genannten Gradienten resultierenden Hauptmagnetfeldes sind. Während des Betriebs werden die genannten Gradienten in Übereinstimmung mit einem vorher festgelegten Programm verändert. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Kernspin-Resonanzfrequenz der Frequenz des HF-Signals lediglich in einer Anzahl von aufeinander folgend ausgewählten Positionen im Patienten entspricht. Bei jeder so ausgewählten Position wird mit Hilfe der HF-Spule 19 ein Kernspin-Resonanzsignal empfangen, das von den an den ausgewählten Positionen vorliegenden Atomkernen als Ergebnis der erzeugten Kernspinresonanz erzeugt wird. Anschließend wird aus den somit für die aufeinander folgend ausgewählten Positionen empfangenen Kernspin-Resonanzsignalen ein Bild der inneren Struktur des Patienten erzeugt. Zur Durchführung des oben beschriebenen Prozesses umfasst das MRI-Gerät eine Steuereinheit 21, in der das genannte Programm gespeichert ist; dieses Programm bestimmt die aufeinander folgend zu erzeugenden Gradienten des Hauptmagnetfeldes B sowie die aufeinander folgend zu erzeugenden HF-Signale. Die Steuereinheit 21 steuert den Leistungsverstärker 17 sowie eine HF-Sende-Empfangseinrichtung 23, an die die HF-Spule 19 angeschlossen ist. Die Steuereinheit 21 steuert ferner eine HF-Quelle 25, die zusammen mit der HF-Sende-Empfangseinrichtung 23 die von der HF-Spule 19 zu sendenden HF-Signale erzeugt. Das MRI-Gerät umfasst ferner einen Prozessor 27 zum Umwandeln der von der HF-Spule 19 empfangenen Kernspin-Resonanzsignale in ein Bild. Zu diesem Zweck umfasst der Prozessor 27 einen Signalverstärker 29 zum Verstärken der von der HF-Spule 19 empfangenen Kernspin-Resonanzsignale, einen Demodulator 31 zum Demodulieren der verstärkten Kernspin-Resonanzsignale, eine Rekonstruktionseinheit 33 zum Ableiten von Bildsignalen von den demodulierten Kernspin-Resonanzsignalen und einen Monitor 35 zum Anzeigen des derart erzeugten Bildes. Bei dem dargestellten Beispiel bildet die HF-Spule 19 die HF-Sendespule zum Senden der HF-Signale sowie die HF-Empfangsspule zum Empfangen der in dem Messvolumen 11 erzeugten Kernspin-Resonanzsignale. Es ist jedoch anzumerken, dass die Erfindung ebenso Ausführungsformen eines MRI-Gerätes umfasst, die eine getrennte HF-Sendespule zum Erzeugen der HF-Signale und eine getrennte HF-Empfangsspule zum Empfangen der erzeugten Kernspin-Resonanzsignale umfasst.
Wie in den 2 und 3a dargestellt, ist die erfindungsgemäße, in dem MRI-Gerät eingesetzte HF-Spule 19 mit einer Anzahl von, in dem dargestellten Beispiel zwölf, stabförmigen elektrischen Leitern 37 ausgestattet, die mit regelmäßigem Abstand zu einen imaginären kreisförmigen Zylinder 39 angeordnet sind und parallel zur Hauptrichtung Z und dem Hauptmagnetfeld B verlaufen. Die ersten Enden 41 der stabförmigen Leiter 37 sind mit einem ringförmigen elektrischen Endleiter 43 verbunden, und die zweiten Enden 45 sind mit einem ringförmigen elektrischen Endleiter 47 verbunden, wobei die ringförmigen Endleiter 43 und 47 jeweils im Wesentlichen in einer Ebene liegen, die senkrecht zu den stabförmigen Leitern 37 steht. Um den imaginären kreisförmigen Zylinder 39 herum umfasst die HF-Spule 19 eine Hochfrequenzabschirmung 49, nachfolgend als HF-Abschirmung bezeichnet, die in dem dargestellten Beispiel kreisförmig zylindrisch ist und konzentrisch im Verhältnis zu dem imaginären kreisförmigen Zylinder 39 angeordnet ist.
Das HF-Signal, das von der HF-Spule 19 erzeugt werden muss, um die Kernspinresonanz in dem Messvolumen 11 zu verursachen, ist ein elektromagnetisches Feld b, das senkrecht zum Hauptmagnetfeld B ausgerichtet ist und sich in einer senkrecht zum Hauptfeld B stehenden Ebene dreht, wobei seine Frequenz der Kernspin-Resonanzfrequenz entspricht. Zur Schaffung eines derartigen wechselnden, d. h. rotierenden, elektromagnetischen Feldes b werden in den stabförmigen Leitern 37 Wechselströme mit einer der Kernspin-Resonanzfrequenz entsprechenden Frequenz mit Hilfe von Mitteln erzeugt, die nachfolgend erläutert werden, und mit einer Phasendifferenz von 2π/N zwischen den Wechselströmen in jedem Paar aus nebeneinander liegenden stabförmigen Leitern 37, wobei N die Anzahl der stabförmigen Leiter 37 bezeichnet. 3a zeigt das elektromagnetische Feld b zu einem Zeitpunkt, an dem die elektrischen Ströme in den oberen und unteren stabförmigen Leitern 37' bzw. 37'' maximal sind, und das elektromagneti sche Feld b' zu einem Zeitpunkt, an dem die elektrischen Ströme in den linken und rechten stabförmigen Leitern 37''' bzw. 37'''' maximal sind. Da die Ströme in zwei gegenüberliegenden stabförmigen Leitern 37 immer gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, ist das resultierende elektromagnetische Feld b, b' im Wesentlichen homogen in einem wesentlichen Teil des Messvolumens 11 und im Wesentlichen senkrecht zur imaginären Ebene gerichtet, die durch die beiden stabförmigen Leiter 37 verläuft, wobei die Ströme zu einem gewissen Zeitpunkt ihr Maximum erreichen. Mit Hilfe der HF-Abschirmung 49, die ebenfalls schematisch in 1 dargestellt ist, werden die Umgebung der HF-Spule 19, im Besonderen das Hauptmagnetsystem 1 und das Hilfsmagnetsystem 13, magnetisch und elektrisch von der HF-Spule 19 abgeschirmt, so dass Umgebungseinflüsse mit einer störenden Auswirkung auf die Funktion der HF-Spule 19 so weit wie möglich ausgeschlossen werden.
Da die stabförmigen Leiter 37 an den ringförmigen Endleitern 43 und 47 befestigt sind, liegt während des Betriebs in jedem der ringförmigen Endleiter 43 und 47 ebenfalls ein Wechselstrom vor. Der Wechselstrom in den ringförmigen Endleitern 43 und 47 erzeugt ebenfalls ein wechselndes elektromagnetisches Feld b₁ in dem Messvolumen 11, wobei das wechselnde elektromagnetische Feld schematisch in 2 dargestellt ist, und an der Position der Ebene, in der die betreffenden ringförmigen Endleiter 43, 47 verlaufen, das genannte wechselnde elektromagnetische Feld im Wesentlichen parallel zu den stabförmigen Leitern 37 verläuft. Somit verläuft das elektromagnetische Feld b₁ im Wesentlichen quer zu dem elektromagnetischen Feld b der stabförmigen Leiter 37 und trägt infolgedessen kaum zur Erzeugung von Kernspinresonanz im Messvolumen 11 bei. Damit verhindert wird, dass das elektromagnetische Feld b₁ zu unerwünschten Temperaturanstiegen im Körper des Patienten aufgrund von Wärmeableitungseffekten führt, ist ein weiterer ringförmiger elektrischer Endleiter 51, 53 in der erfindungsgemäßen HF-Spule 19 nahe und parallel zu jedem der beiden ringförmigen Endleiter 43 und 47 angeordnet, wobei die weiteren ringförmigen Endleiter 51 und 53 jeweils mit Hilfe eines flanschförmigen elektrischen Leiters 55, 57 mit der HF-Abschirmung 49 verbunden sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass die elektrischen Ströme, die durch das elektromagnetische Feld b₁ in der HF-Abschirmung 49 erzeugt werden, wenn die weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53 nicht existieren würden, und die zu den elektrischen Strömen in den ringförmigen Endleitern 43 und 47 entgegengesetzt gerichtet sind, vorwiegend in den weiteren ringförmigen Endleitern 51, 53 anstatt in der HF-Abschirmung 49 erzeugt werden. Da die weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53 nahe und parallel zu den ringförmigen Endleitern 43, 47 angeordnet sind, bilden jeder ringförmige Endleiter 43, 47 und der betreffende weitere ringförmige Endleiter 51, 53 zusammen eine elektrische Übertragungsleitung, wobei der genannte weitere ringförmige Endleiter 51, 53 eine Rückleitung des betreffenden ringförmigen Endleiters 43, 47 bildet. Als Ergebnis ist der in dem weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53 erzeugte elektrische Strom im Wesentlichen genauso groß wie der elektrische Strom in dem betreffenden ringförmigen Endleiter 43, 47 und ihm entgegengesetzt gerichtet. Als Ergebnis erzeugt der weitere ringförmige Endleiter 51, 53 ein elektromagnetisches Feld b₂ in dem Messvolumen 11, wobei das elektromagnetische Feld, wie es schematisch in 2 dargestellt ist, im Wesentlichen genauso stark wie das Feld b₁ des betreffenden ringförmigen Endleiters 43, 47 und ihm entgegengesetzt gerichtet ist. Somit wird das Feld b₁ weitestgehend oder sogar vollständig durch das Feld b₂ kompensiert, so dass die erfindungsgemäße HF-Spule 19 lediglich ein sehr beschränktes oder sogar im Wesentlichen kein elektromagnetisches Feld im Messvolumen 11 in einer Richtung quer zum Feld b der stabörmigen Leiter 37 erzeugt. Aus diesem Grund werden Wärmeableitungseffekte im Zusammenhang mit dem Feld b₁ und unerwünschte Temperaturanstiege im Körper des Patienten soweit wie möglich oder fast vollständig ausgeschlossen. Eine besonders effiziente elektrische Kopplung zwischen den weiteren ringförmigen Endleitern 51, 53 und der HF-Abschirmung 49 wird aufgrund der Tatsache erzielt, dass in dem dargestellten Beispiel die weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53 mit der HF-Abschirmung 49 mit Hilfe der flanschförmigen Leiter 55, 57 verbunden sind, die jeweils einen nicht unterbrochenen Ring bilden. Infolgedessen werden die elektrischen Ströme, die durch das Feld b₁ in den weiteren ringförmigen Endleitern 51, 53 und in der HF-Abschirmung 49 erzeugt werden, im Wesentlichen vollständig in den weiteren ringförmigen Endleitern 51, 53 konzentriert, und es wird ein maximaler Kompensationseffekt des Feldes b₂ erzielt. Es ist jedoch anzumerken, dass ein erheblicher Kompensationseffekt des Feldes b₂ bereits in Ausführungsformen geboten wird, bei denen die weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53 mit der HF-Abschirmung 49 vorwiegend lediglich nahe den Enden 41,45 der stabförmigen Leiter 37 elektrisch leitend verbunden sind. Der im Anspruch 1 verwendete Ausdruck „nahe dem Ende jedes stabförmigen Leiters" umfasst jedoch nicht nur Ausführungsformen, bei denen der weitere ringförmige Endleiter an der Position des Endes oder nahe dem Ende jedes stabförmigen Leiters mit der HF-Abschirmung verbunden ist, sondern beispielsweise auch Ausführungsformen, bei denen der weitere ringförmige Endleiter an einer Position zwischen den Enden oder zentral zwischen den Enden jedes Paars aus nebeneinander liegenden stabförmigen Leitern mit der HF-Abschirmung verbunden ist.
Wie in 2 weiterhin dargestellt ist, sind der ringförmige Endleiter 43 und der weitere ringförmige Endleiter 51 sowie der ringförmige Endleiter 47 und der weitere ringförmige Endleiter 53 an im Wesentlichen gleichen axialen Positionen angeordnet, d. h. in der Hauptrichtung Z mit Bezug auf die stabförmigen Leiter 37 gesehen, und die ringförmigen Endleiter 43 und 47 haben jeweils einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser der weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53. Infolgedessen befinden sich die weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53 jeweils zwischen dem betreffenden ringförmigen Endleiter 43, 47 und dem Messvolumen 11, weshalb das elektrische Feld jedes ringförmigen Endleiters 43, 47 durch den betreffenden weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53 von dem Messvolumen 11 abgeschirmt ist. Aufgrund dieser Tatsache werden die elektrischen Feldverluste der ringförmigen Endleiter 43, 47, die dadurch verursacht werden, dass die vergleichsweise hohen elektrischen Spannungen in den ringförmigen Endleitern 43, 47 kapazitiv elektrische Ströme im Körper des Patienten erzeugen, soweit wie möglich eingeschränkt.
Die erforderlichen Wechselströme in den stabförmigen Leitern 37 werden in dem dargestellten Beispiel erzielt, indem zwei Paare aus gegenüberliegend angeordneten stabförmigen Leitern 37, in diesem Beispiel das Paar aus den Leitern 37' und 37'' und das Paar aus den Leitern 37''' und 37'''', über die HF-Sende-Empfangseinrichtung 23 mit der HF-Quelle 25 verbunden werden, wobei die gewünschte Phasendifferenz zwischen den Wechselströmen und die gewünschte Größe und Frequenz der Wechselströme in den anderen stabförmigen Leitern 37 erzielt werden, indem die Enden 41, 45 der stabförmigen Leiter 37 mit Hilfe der ringförmigen Endleiter 43, 47 miteinander verbunden werden und indem jeder ringförmige Endleiter 43, 47, wie in den 2 und 3b gezeigt, nahe dem Ende 41, 45 jedes stabförmigen Leiters 37 mit Hilfe eines Kondensators 59 mit geeigneter Kapazität mit dem betreffenden weiteren ringförmigen Endleiter 51, 53 elektrisch verbunden wird. Durch die Existenz des ringförmigen Endleiters 43, 47 wird eine starke elektrische Kopplung zwischen den stabförmigen Leitern 37 erreicht, wodurch die Anzahl der erforderlichen stabförmigen Leiter 37 beschränkt werden kann. Die Kapazität der Kondensatoren 59 sieht so aus, dass die HF-Spule 19 eine Resonanzfrequenz hat, die der Kernspin-Resonanzfrequenz entspricht. Durch die Anordnung der Kondensatoren 59 an den oben beschriebenen Positionen wird erreicht, dass die Resonanzfrequenz der HF-Spule 19 eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber Toleranzen in den Werten der genannten Kapazität zeigt. Es ist jedoch anzumerken, dass die Erfindung auch Ausführungsformen einschließt, bei denen in der HF-Spule 19 auf eine andere Art eine Resonanz erzeugt wird. Beispielsweise umfasst die Erfindung Ausführungsformen, bei denen ein Kondensator in den ringförmigen Endleitern 43, 47 zwischen den Enden 41, 45 jedes Paars aus nebeneinander liegenden stabförmigen Leitern angeordnet ist, Ausführungsformen, bei denen Kondensatoren in den stabförmigen Leitern 37 angeordnet sind, und Ausführungsformen, bei denen Kondensatoren in den ringförmigen Endleitern 43, 47 sowie in den stabförmigen Leitern 37 angeordnet sind.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule 19'. Teile der HF-Spule 19', die der oben beschriebenen HF-Spule 19 entsprechen, haben in 4 die gleichen Bezugszeichen. Der hauptsächliche Unterschied zwischen der HF-Spule 19' und der HF-Spule 19 liegt darin, dass die HF-Spule 19' auf beiden Seiten mit einem ringförmigen Endleiter 61 und einem weiteren ringförmigen Endleiter 63 ausgestattet, der nahe und parallel zu dem genannten ringförmigen Endleiter angeordnet ist, wobei die Endleiter an aufeinander folgenden axialen Positionen angeordnet sind, d. h. in der Hauptrichtung Z mit Bezug auf die stabförmigen Leiter 37 gesehen. Es ist anzumerken, dass der Einfachheit halber in 4 lediglich eine Seite der HF-Spule 19' dargestellt ist. Im Gegensatz zu den ringförmigen Endleitern 43, 47 und den weiteren ringförmigen Endleitern 51, 53 der HF-Spule 19, deren Hauptflächen parallel zu den stabförmigen Leitern 37 verlaufen, umfassen der ringförmige Endleiter 61 und der weitere ringförmige Endleiter 63 jeweils in dem dargestellten Beispiel zwei Hauptflächen 65, 67 bzw. 69, 71, die senkrecht zu den stabförmigen Leitern 37 verlaufen. Die Enden 41 der stabförmigen Leiter 37 der HF-Spule 19' sind an der Hauptfläche 65 des ringförmigen Endleiters 61 befestigt, die von dem weiteren ringförmigen Endleiter 63 abgewendet ist. Die Hauptfläche 71 des weiteren ringförmigen Endleiters 63, die von dem ringförmigen Endleiter 61 abgewendet ist, ist an einem flanschförmigen Endleiter 73 befestigt, über den der weitere ringförmige Endleiter 63 mit der HF-Abschirmung 49 verbunden ist. Die sich gegenüber liegenden Hauptflächen 67 und 69 des ringförmigen Endleiters 61 und des weiteren ringförmigen Endleiters 63 sind über einen Kondensator 59 nahe dem Ende 41 jedes stabförmigen Leiters 37 elektrisch miteinander verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist die mechanische Konstruktion des ringförmigen Endleiters 61 und des weiteren ringförmigen Endleiters 63 vergleichsweise einfach, und der genannte weitere ringförmige Endleiter 63 ist mit Hilfe einer vergleichsweise einfachen mechanischen Konstruktion an der HF-Abschirmung 49 befestigt.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Spule 19''. Teile der HF-Spule 19'', die der oben beschriebenen HF-Spule 19 entsprechen, haben in 5 die gleichen Bezugszeichen. Der hauptsächliche Unterschied zwischen der HF-Spule 19'' und der HF-Spule 19 liegt darin, dass die genannte HF-Spule 19'' auf beiden Seiten mit einem ringförmigen Endleiter 75 und einem weiteren ringförmigen Endleiter 77 ausgestattet ist, der nahe und parallel zu dem genannten Endleiter 75 angeordnet ist und ihn ihm Wesentlichen umgibt. Es ist anzumerken, dass in 5 der Einfachheit halber lediglich eine Seite der HF-Spule 19'' dargestellt ist. In dem dargestellten Beispiel hat der ringförmige Endleiter 75 einen kreisförmigen Querschnitt, während der weitere ringförmige Endleiter einen ringförmigen Querschnitt hat, der den ringförmigen Endleiter 75 koaxial umgibt. Die Enden 41 der stabförmigen Leiter 37 sind an dem ringförmigen Endleiter 75 befestigt, wobei der weitere ringförmige Endleiter 77 eine Öffnung 79 nahe dem Ende jedes stabförmigen Leiters 37 aufweist, damit der betreffende stabförmige Leiter 37 hindurch treten kann. Der weitere ringförmige Endleiter 77 ist an einem flanschförmigen elektrischen Leiter 81 befestigt, über den der weitere ringförmige Endleiter 77 mit der HF-Abschirmung 49 verbunden ist. In dem dargestellten Beispiel wird in der HF-Spule 19'' durch in 5 nicht dargestellte Kondensatoren in dem ringförmigen Endleiter 75 eine Resonanz erzeugt. Da der weitere ringförmige Endleiter 77 im Wesentlichen den ringförmigen Endleiter 75 umgibt, bilden der ringförmige Endleiter 75 und der genannte weitere ringförmige Endleiter 77 zusammen eine koaxiale elektrische Übertragungsleitung. Infolgedessen wird das elektromagnetische Feld des ringförmigen Endleiters 75 durch das elektromagnetische Feld des weiteren ringförmigen Endleiters 77 zumindest im Wesentlichen oder sogar vollständig kompensiert. Zusätzlich wird das elektrische Feld des ringförmigen Endleiters 75 durch den weiteren ringförmigen Endleiter 77 weitestgehend oder sogar vollständig abgeschirmt.
Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen HF-Spulen 19, 19' und 19'' sind auf beiden Seiten mit einem Endleiter 43, 47, 61, 75 und einem weiteren Endleiter 51, 53, 63, 77 ausgestattet, der nahe und parallel zu dem genannten Endleiter angeordnet ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Messvolumen 11 von beiden Seiten der HF-Spule 19, 19', 19'' für den Patienten oder einen Teil des Körpers des Patienten zugänglich ist. Es ist anzumerken, dass die Erfindung auch Ausführungsformen einer HF-Spule umfasst, die lediglich auf einer Seite mit einem Endleiter und einem weiteren Endleiter ausgestattet ist, der nahe und parallel zu dem genannten Endleiter angeordnet ist. Bei derartigen Ausführungsformen sind die stabförmigen Leiter auf der anderen Seite der HF-Spule mit Hilfe von beispielsweise einer geschlossenen Endplatte oder Abdeckung miteinander verbunden. Eine derartige geschlossene Endplatte garantiert eine vergleichsweise gute elektrische Kopplung zwischen den stabförmigen Leitern, in derartigen Ausführungsformen ist jedoch das Messvolumen lediglich von einer Seite der HF-Spule zugänglich. Ein derartiger eingeschränkter Zugang reicht für viele Anwendungen jedoch aus.
Im Fall der oben beschriebenen erfindungsgemäßen HF-Spulen 19, 19', 19'' sind die stabförmigen elektrischen Leiter 37 gemäß einem imaginären kreisförmigen Zylinder 39 angeordnet und mit Hilfe von ringförmigen elektrischen Endleitern 43, 47, 61, 75 miteinander verbunden. Es ist anzumerken, dass die Erfindung im Allgemeinen Ausführungsformen umfasst, bei denen die stabförmigen Leiter zumindest ungefähr gemäß einem imaginären Zylinder angeordnet sind. Dies soll heißen, dass die HF-Spule senkrecht zur Hauptrichtung Z gesehen an jeder axialen Position ein entsprechendes oder im Wesentlichen entsprechendes Querprofil hat, das durch die Zusammenfassung der Querschnitte der stabförmigen Leiter gebildet wird. Im Gegensatz zu den dargestellten Beispielen braucht das Querprofil nicht kreisförmig zu sein; es kann als Alternative eine andere Art einer geschlossenen Kurve oder eines Polygons bilden. Bei derartigen Ausführungsformen entspricht die Form des Endleiters und des weiteren Endleiters derjenigen des genannten Querprofils.
Abschließend ist anzumerken, dass die Erfindung auch Ausführungsformen einer HF-Spule einschließt, bei denen sich die Position des weiteren Endleiters im Verhältnis zum Endleiter von derjenigen in den oben beschriebenen HF-Spulen 19, 19', 19'' unterscheidet. Ein Beispiel für eine derartige andere Position ist der Fall, in dem ein ringförmiger Endleiter und ein weiterer ringförmiger Endleiter an im Wesentlichen gleichen axialen Positionen im Verhältnis zu den stabförmigen Leitern angeordnet sind und der weitere ringförmige Endleiter einen größeren Durchmesser als der ringförmige Endleiter aufweist. Bei einer derartigen Ausführungsform ist das elektrische Feld des ringförmigen Endleiters im Bezug auf das Messvolumen nicht durch den weiteren ringförmigen Endleiter abgeschirmt, es besteht jedoch eine vergleichsweise große Freiheit bei der Auslegung der Befestigung des weiteren ringförmigen Endleiters an der HF-Abschirmung.

Claims

Hochfrequenzspule (HF-Spule) zum Einsatz in einem Gerät zur Magnetresonanzbildgebung, wobei die HF-Spule mit einer Anzahl von im Wesentlichen parallelen stabförmigen elektrischen Leitern (37) mit regelmäßigem Abstand, die zumindest im Wesentlichen gemäß einem imaginären Zylinder (39) angeordnet sind, und einer um den genannten Zylinder angeordneten HF-Abschirmung (49) ausgestattet ist, wobei die genannten stabförmigen Leiter zumindest an einem ihrer Enden mit Hilfe eines elektrischen Endleiters (43) miteinander verbunden sind, der in einer Ebene quer zu den stabförmigen Leitern verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer elektrischer Endleiter (51) nahe und parallel zu dem genannten Endleiter angeordnet wird, wobei der weitere elektrische Endleiter (51) nahe dem Ende jedes stabförmigen Leiters elektrisch leitend mit der HF-Abschirmung verbunden ist.
HF-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Endleiter mit der HF-Abschirmung durch einen flanschförmigen elektrischen Leiter (63) verbunden ist.
HF-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stabförmigen Leiter an beiden Enden mit Hilfe eines Endleiters miteinander verbunden werden, der in einer Ebene quer zu den stabförmigen Leitern (47, 43) verläuft, wobei ein weiterer Endleiter (51, 53) nahe und parallel zu jedem Endleiter angeordnet wird, wobei der weitere Endleiter nahe dem betreffenden Ende jedes stabförmigen Leiters elektrisch leitend mit der HF-Abschirmung verbunden ist.
HF-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endleiter und der weitere Endleiter im Wesentlichen ringförmig und an im Wesentlichen gleichen axialen Positionen im Verhältnis zu den stabförmigen Leitern angeordnet sind, wobei der Durch messer des ringförmigen Endleiters größer als der Durchmesser des weiteren ringförmigen Endleiters ist.
HF-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endleiter und der weitere Endleiter im Wesentlichen ringförmig sind, an aufeinander folgenden axialen Positionen im Verhältnis zu den stabförmigen Leitern angeordnet sind und jeweils eine Hauptfläche aufweisen, die quer zu den stabförmigen Leitern verläuft
HF-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Endleiter im Wesentlichen den Endleiter umgibt.
HF-Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Endleiter nahe dem Ende jedes stabförmigen Leiters mit dem weiteren Endleiter durch einen Kondensator (59) elektrisch verbunden ist.
Gerät zur Magnetresonanzbildgebung, das mit einem Hauptmagnetsystem zum Erzeugen eines Hauptmagnetfeldes in einem Messvolumen, einem Hilfsmagnetsystem zum Erzeugen zumindest eines Gradienten des Hauptmagnetfeldes, einer HF-Sendespule zum Erzeugen eines HF-Signals in dem Messvolumen, einer HF-Empfangsspule zum Empfangen eines von einem in dem Messvolumen während des Betriebs vorliegenden Objekt erzeugten HF-Signals und einem Prozessor zum Umwandeln des empfangenen HF-Signals in ein Bild des Objekts ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Sendespule eine HF-Spule nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7 ist.