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Die Erfindung betrifft ein Kernspinresonanzgerät mit einem Magnetsystem
zum Erzeugen eines statischen Magnetfelds, mit einem Spulensystem zum Erzeugen
eines Gradientenfelds, mit einer Hf-Senderspule, und mit einem Hf-
Empfängerspulensystem zum Detektieren von in einem Objekt erzeugten
Kernspinresonanzsignalen, wobei das Hf-Empfängerspulensystem eine erste und eine
zweite Empfängerspule enthält, die mittels gegenseitiger Induktivitat miteinander
koppelbar sind, ein Entkopplungsnetz zum Ausgleichen der gegenseitigen Induktivität
vorgesehen ist, das Netz eine erste und eine zweite Klemme enthält, die mit einem
ersten Ende bzw. einem zweiten Ende der ersten Empfängerspule verbunden sind, und
weiter eine dritte und eine vierte Klemme enthält, die mit einem ersten bzw. eine zweite
Schaltung einem zweiten Ende der zweiten Empfängerspule verbunden sind, das
Entkoppelnetz außerdem eine erste Schaltung änderbarer Impedanz, die die erste und die
dritte Klemme miteinander verbindet, und eine zweite Schaltung änderbarer Impedanz
enthält, die die zweite und die vierte Klemme miteinander verbindet, und jede der
ersten und zweiten Schaltungen wenigstens einen Kondensator enthält. Die Erfindung
bezieht sich ebenfalls auf ein Hf-Empfängerspulensystem, das zur Verwendung in einem
derartigen Gerät geeignet ist.
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Ein derartiges Kernspinresonanzgerät ist aus US-A-4 769 605 bekannt. In
der bekannten Anordnung können die erste und zweite Schaltung aus je einem
Drehkondensator bestehen. Das Entk6ppelnetz ist dabei ganz einfach und preiswert, hat
jedoch auch einige praktische Nachteile. Ein erster Nachteil, wie in US-A-4 769 605
erwähnt, besteht darin, daß die Kondensatoren einen sehr geringen Wert haben sollen,
beispielsweise weniger als 1 pF, und daß es ist besonders schwer ist,
Drehkondensatoren mit einem so niedrigem Wert genau herzustellen. Außerdem müssen
die beiden Kondensatoren gleichzeitig verdreht werden, was die Schwierigkeiten weiter
vergrößert. Statt des einfachen Entkoppelnetzes mit nur zwei Kondensatoren, wird
vorzugsweise ein komplizierteres Netz mit wenigstens fünf Kondensatoren verwendet.
Eine andere Schwierigkeit liegt darin, daß die Polarität einer Kopplung infolge der
gegenseitigen Indulktivität zwischen den Empfängerspulen oft nicht von vornherein
bekannt ist. Daher muß das Entkoppelnetz sich zum Ausgleichen sowohl der positiven
als auch der negativen gegenseitigen Induktivität eignen. Die erwähnte Patentschrift gibt
eine Beschreibung von zwei Verfahren zum Erzielen dieser Aufgabe. Mit dem ersten
Verfahren wird das Entkoppelnetz über Schalter mit den Spulen verbunden, so daß die
Verbindungen des Netzes mit den Spulen bei einer möglichen anderen Polarität der
gegenseitigen Indulktivität austauschbar sind. Mit dem zweiten Verfahren wird ein ganz
kompliziertes Entkoppelnetz benutzt, das aus wenigstens zehn Kondensatoren besteht.
Es wird klar sein, daß beide Verfahren zu komplizierte, teure und störanfällige
Entkoppelnetze führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kernspinresonanzgerät
eingangs erwähnter Art zu schaffen, in dem eine unerwünschte Kopplung infolge
gegenseitiger Induktivität zwischen den Empfängerspulen durch den Einsatz ganz
einfacher Mittel ausgleichbar ist, ungeachtet der Polarität der gegenseitigen
Indulktivität. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Anordnung erfindungsgemaß dadurch
gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Schaltungen ebenfalls wenigstens eine
Spule enhält.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine positive
gegenseitige Induktivität ausgleichbar ist, wenn die Impedanz der ersten und der zweiten
Schaltung kapazitiv ist, und daß eine negative gegenseitige Induktivität ausgeglichen
werden kann, wenn diese Impedanz induktiv ist. Da die ersten und zweiten Schaltungen
sowohl Spulen als auch Kondensatoren enthalten, ist es einfach möglich, ihre
Impedanzen zu steuern, so daß die Spulen oder die Kondensatoren die Art der restlichen
Impedanz bestimmen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemaßen Anordnung
ist dadurch gekennzeichnet, daß jede der ersten und zweiten Schaltungen aus einer
parallelen Verbindung wenigstens einer Spule und eines Kondensators besteht. Dieses
Ausführungsbeispiel bietet den Vorteil, daß es unter Verwendung von nur wenigen
Bauteilen ganz einfach herstellbar ist.
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Die Steuerung der Impedanz der ersten und der zweiten Schaltung ist ganz
einfach und präzise in einem Ausführungsbeispiel, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
jede der ersten und zweiten Schaltungen einen Drehkondensator enthält, und die
Drehkondensatoren miteinander gekoppelte Steuerelemente enthalten. Dieselben Vorteile
werden in einem weiteren Ausführungsbeispiel erhalten, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß jede der ersten und zweiten Schaltungen eine variable Spule enthält, und die
variablen Spulen miteinander gekoppelte Steuerelemente enthalten. Es sei bemerkt, daß
ganz allgemein Drehkondensatoren einfacher und preisgünstiger als variable Spulen
sind, insbesondere wenn diese Spulen mit einem Hf-Schirm versehen werden und/oder
einen sehr hohen Qualitätsfaktor Q haben muß. Daher wird das erste der letztgenannten
zwei Ausführungsbeispiele bevorzugt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemaßen Anordnung ist
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Empfängerspule als Schmetterlingsspule
ausgebildet ist, und die zweite Empfangerspule als im wesentlichen flache Spule
ausgebildet ist. Die Schmetterlingspule kann dabei zum Empfangen horizontal
gerichteter Hf-Magnetfelder dienen, und die flache Spule, die eine beliebige Form
haben und beispielsweise eine einfache flache Spule sein kann, die zum Empfangen
vertikal gerichteter Hf-Magnetfelder dienen kann. Eine derartige Kombination von
Empfängerspulen bietet den Vorteil, daß die Kopplung durch gegenseitige Induktivität
durch geeignetes (symmetrisches) gegenseitiges Positionieren der beiden
Empfängerspulen minimisierbar ist, wie an sich aus EP-B-274 773 (PHN 11 934) bekannt ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemaßen
Kernspinresonanzanordnung,
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Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Gruppe von Hf-Spulen zur
Verwendung in der Anordnung nach Fig. 1,
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Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Schaltung einer
Hf-Empfängerspulensystem zur Verwendung in der Anordnung nach Fig. 1, und
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Fig. 4 ein Detail eines zweiten Ausführungsbeispiels einer derartigen
Schaltung.
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Eine Kernspinresonanzanordnung in schematischer Darstellung nach Fig.
1 enthält ein Magnetsystem 1 zum Erzeugen eines statischen homogenen Magnetfelds,
ein Magnetsystem 3 zum Erzeugen magnetischer Gradientenfelder, und
Stromversorgungsquellen 5 und 7 für das Magnetsystem 1 bzw. das Magnetsystem 3.
Ein Magnetspulensystem 9 dient zum Erzeugen eines Hf-Wechsel-Magnetfelds (im
weiteren mit Hf-Senderspule bezeichnet) und wird an eine Hf-Quelle 11 angeschlossen.
Zum Detektieren im Hf-Senderfeld in einem zu untersuchenden Objekt erzeugter
Kernspinresonanzsignale ist ein Hf-Empfängerspulensystem 3 vorgesehen. Das
Spulensystem 13 ist mit dem Signalverstärkermittel 15 zum Auslesen verbunden. Das
Signalverstärkermittel 15 ist mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter verbunden,
der an eine zentrale Steuereinheit 19 angeschlossen ist. Die zentrale Steuereinheit 19
steuert ebenfalls einen Modulator 21 für die Hf-Quelle 11, die Stromversorgungsquelle
7 für die Gradientenspulen 3, und einen Anzeigemonitor 23. Ein Hf-Oszillator 25
steuert sowohl den Modulator 21 als auch den phasenempfindlichen Gleichrichter 17,
der die Meßsignale bearbeitet. Zum möglichen Kühlen ist eine Kühlvorrichtung 27
vorgesehen, die Kühlkanäle 29 enthält. Eine Kühlvorrichtung dieser Art laßt sich als
Wasserkühlanlage für Widerstandsspulen oder als Flüssigstickstoff- oder
Hehum-Dewaranlage für supraleitende Spulen aufbauen. Die Hf-Senderspule 9 innerhalb der
Magnetsysteme 1 und 3 umfaßt einen Meßraum 31, der genügend Raum zum
Aufnehmen eines Patienten bei einem Apparat für medizinisch-diagnostische Messungen
enthält. Also können ein statisches Magnetfeld, Gradientenfelder für die Positionswahl
der abzubildenden Scheiben und ein räumlich homogenes Hf-Wechselfeld im Meßraum
31 erzeugt werden. Der Meßraum 31 ist gegen Störfelder mit einem Faraday-Käfig 33
abgeschirmt.
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In Fig. 2 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Quadraturflächen-
Spulensystems als Teil eines Hf-Empfängerspulensystems 13 dargestellt. Es besteht aus
einer ersten Empfängerspule in Form einer Schmetterlingspule und einer zweiten
Empfängerspule 37 in Form einer einfachen flachen Spule. Die Schmetterlingspule 35
ist mittels der Geometrie für das zu verwendende Senderfeld entkoppelt, aber da dies
nicht für die flache Spule 37 zutrifft, wird eine Entkoppelschaltung 39 hinzugefügt. Die
Peripherieform der Spulen 35 und 37 läßt sich beliebig wählen und kann beispielsweise
auch im wesentlichen kreisfürmig oder elliptisch sein. Für eine genauere Beschreibung
diese Oberflächenspulensystems 35, 37 sei auf das erwähnte Dokument EP-B-274 773
(PHN 11 934) verwiesen, in dem ebenfalls andere Kombinationen erster und zweiter
Empfängerspulen beschrieben werden, die sich zur Verwendung in der Anordnung nach
Fig. 1 eignen. Im erwähnten Dokument ist ebenfalls angegeben, daß aus dem
Blickpunkt der Symmetrie und daher einer minimalen Gefahr der Kopplung infolge
gegenseitiger Induktivität zwischen den Spulen 35, 37 ist es vorteilhaft, die Oberfläche
der einfachen Flachspule 37 möglichst homogen auf die zwei Hälften der
zusammengesetzten Spule 35 (Schmetterlingspule) zu verteilen. Jedoch wurde in der
Praxis gefunden, daß die genaue gewünschte Position der beiden Spulen zueinander
nicht immer realisierbar ist. Daher gibt es immer die Gefahr einer geringen
Restkopplung zwischen den zwei Spulen 35 und 37. Es nicht vorhersagbar, ob diese
Restkopplung positiv oder negativ sein wird. Wenn keine Schritte zum Ausgleichen
dieser Restkopplung genommen werden, wird das Signal/Rauschverhältnis der Schaltung
13, 15, 17 herabgesetzt, in der sich die Spulen 35 und 37 befinden.
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In Fig. 3 sind die Teile eines ersten Ausführungsbeispiels einer Schaltung
eines Hf-Empfangerspulensystems für eine Anordnung nach Fig. 1 dargestellt, die für
ein gutes Verständnis der Erfindung wichtig sind. Die erste Empfängerspule 35 bildet
eine erste Resonanzschaltung in Zusammenarbeit mit einer Reihenschaltung zweier
Kondensatoren 41 und 43, wobei ein erstes Ende der Spule an den Kondensator 41 und
ein zweites Ende an den Kondensator 43 angeschlossen werden. In Zusammenarbeit mit
einer Reihenschaltung von zwei Kondensatoren 45 und 47 bildet die zweite
Empfängerspule 37 eine zweite Resonanzschaltung, wobei ein erstes Ende der Spule an
den Kondensator 45 und ein zweites Ende an den Kondensator 47 angeschlossen sind.
Der Knotenpunkt der Kondensatoren 41 und 43 und der Knotenpunkt der Kondensatoren
45 und 47 werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Erde verbunden. Jedoch ist
dies nicht erforderlich zum Erzielen eines zufriedenstellendes Effekts der Erfindung.
Das erste Ende der ersten Empfängerspule 35 ist mit einem ersten Verstärker 15a und
das erste Ende der zweiten Empfängerspulen 37 ist mit einem zweiten Verstärker 15b
verbunden. Nach Bedarf kann der zweite Verstärker lsb mit dem zweiten Ende der
zweiten Empfängerspule 37 statt mit dem ersten Ende dieser Spule verbunden werden.
Die Verstärker 15a und 15b bilden zusammen das Signalverstärkermittel 15. Wie bereits
erläutert wurde, kann es gegenseitige Induktivität M (mit einer Doppelpfeilspitze
bezeichnet) zwischen den zwei Empfängerspule 35 und 37 geben, so daß die Spulen auf
unerwünschte Weise miteinander gekoppelt sind. Zum Ausgleichen dieser gegenseitigen
Induktivität ist ein Entkoppelnetz vorgesehen, das eine erste und eine zweite Klemme
49, 51 enthält, diemit dem ersten bzw. mit dem zweiten Ende der ersten
Empfängerspule 35 verbunden, und eine dritte und eine vierte Klemme enthält, die mit
dem ersten bzw. dem zweiten Ende der zweiten Empfängerspule 37 verbunden sind.
Das Entkoppelnetz enthält eine erste Schaltung 57, die die erste Klemme 49 mit der
dritten Klemme verbindet, und eine zweite Schaltung, die die zweite Klemme 51 mit
der vierten Klemme verbindet. Jede der ersten und zweiten Schaltungen 57, 59 hat eine
variable Impedanz. In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht jede der
ersten und zweiten Schaltungen 57, 59 aus einer Parallelschaltung einer Spule 61 und
eines Kondensators 63. Die Spulen 61 sind gleich, wie auch die Kondensatoren 63.
Jeder der Kondensatoren 63 ist variabel zum Ermöglichen einer Änderung der Impedanz
der Schaltungen 57, 59. Zu diesem Zweck enthält jeder der Kondensatoren 63 ein
Steuerelement 65, und die zwei Steuerelemente werden dabei miteinander gekoppelt,
wie mit der gestrichelten Linie 67 angegeben. Die Steuerung kann mechanisch wie
elektrisch sein.
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In Fig. 4 ist ein Entkoppelnetz für eine zweites Ausführungsbeispiel einer
Schaltung des Hf-Empfängerspulensystems für die Anordnung nach Fig. 1 dargestellt.
Gleiche Bauteile werden mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 3 bezeichnet. Das
Entkoppelnetz nach Fig. 4 läßt sich statt des Entkoppelnetzes nach Fig. 3 verwenden,
andere Bauteile der Schaltung, die der Einfachheit halber in Fig. 4 ausgelassen wurden,
können gleich denen in Fig. 3 sein. Im Entkoppelnetz nach Fig. 4 besteht jede der
ersten und zweiten Schaltungen 57 und 59 aus einer Parallelschaltung einer Spule 69
und eines Kondensators 71. Im vorliegenden Beispiel sind die Spulen 69 derart
aufgebaut, daß sie variabel sind, und die Kondensatoren 71 derart, daß sie fest
eingestellt sind. Jede der Spulen 69 enthält ein Steuerelement 73, und die
Steuerelemente sind miteinander gekoppelt, wie mit einer gestrichelten Linie 75
angegeben.
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Der Betrieb der Entkoppelnetze wird nachstehend kurzgefaßt erläutert.
Die erste und die zweite Schaltung 57, 59 bilden in Zusammenarbeit mit der
Reihenschaltung der Kondensatoren 45 und 47 einen Spannungsteiler, so daß ein
geringer Teil der Spannung V&sub3;&sub5; an derersten Empfängerspule 35 an der zweiten
Empfangerspule 37 liegt. Dieser Teil V'37 ist ungefahr gleich:
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V'37 = Z2/Zk+Z2 V35
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Darin ist Z&sub2; die Impedanz der Reihenschaltung der Kondensatoren 45 und 47, und Zk
die Impedanz der reihengeschalteten ersten und zweiten Schaltungen 57 und 59 des
Koppelnetzes. Das Koppelnetz führt also eine zusätzliche Kopplung zwischen den
Empfängerspulen 35 und 37 ein, die von einem zusätzlichen Faktor k' dargestellt
werden kann:
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K' = V'37/V35 = Z2/Zk+Z2 V35
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Da Z2 kapazitiv ist, wird es klar sein, daß k' positiv ist, wenn Zk hauptsächlich
kapazitiv ist (was bedeutet, daß der Einfluß des Kondensators vorherrschend ist), und
negativ ist, wenn Zk hauptsächlich induktiv ist (was bedeutet, daß der Einfluß der Spule
vorherrscht). Also ermöglicht die Änderung von zk eine Wahl zwischen dem Ausgleich
einer positiven oder einer negativen Kopplung infolge der gegenseitigen Induktivität M
zwischen den Empfängerspulen 35 und 37.
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In den anhand der Fig. 3 und 4 beschriebenen Ausführungsbeispielen
besteht jede der ersten und zweiten Schaltungen 57, 59 aus einer Spule 61 oder 69 und
einem Kondensator 63 oder 71. Dies ist die einfachste und preisgünstigste Lösung.
Jedoch wird es klar sein, daß es auf andere Weise möglich ist, Netze mit einer größeren
Anzahl von Bauteilen für diese Schaltungen zu verwenden.
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Die Auswertung der Erfindung beschränkt sich nicht auf den Spulen 35
und 37, wie in Fig. 2 dargestellt. Ebenso ist es gleichwell möglich, Spulen mit einem
anderen Aufbau zu entkoppeln, wie beispielsweise die Spulen nach der Beschreibung in
DE-A-3 905 564.