EP1714162A1 - Spulenarray für die bildgebende magnetische resonanz mit ver ringerter kopplung zwischen benachbarten spulen - Google Patents

Spulenarray für die bildgebende magnetische resonanz mit ver ringerter kopplung zwischen benachbarten spulen

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EP1714162A1
EP1714162A1 EP05714956A EP05714956A EP1714162A1 EP 1714162 A1 EP1714162 A1 EP 1714162A1 EP 05714956 A EP05714956 A EP 05714956A EP 05714956 A EP05714956 A EP 05714956A EP 1714162 A1 EP1714162 A1 EP 1714162A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
conductor
coils
shielding
overlap
Prior art date
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Ceased
Application number
EP05714956A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Titus Lanz
Mark Griswold
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Rapid Biomedizinische Gerate Rapid Biomedical GmbH
Original Assignee
Rapid Biomedizinische Gerate Rapid Biomedical GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Rapid Biomedizinische Gerate Rapid Biomedical GmbH filed Critical Rapid Biomedizinische Gerate Rapid Biomedical GmbH
Publication of EP1714162A1 publication Critical patent/EP1714162A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/341—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils
    • G01R33/3415—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils comprising arrays of sub-coils, i.e. phased-array coils with flexible receiver channels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
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    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/36—Electrical details, e.g. matching or coupling of the coil to the receiver
    • G01R33/3642—Mutual coupling or decoupling of multiple coils, e.g. decoupling of a receive coil from a transmission coil, or intentional coupling of RF coils, e.g. for RF magnetic field amplification
    • G01R33/365—Decoupling of multiple RF coils wherein the multiple RF coils have the same function in MR, e.g. decoupling of a receive coil from another receive coil in a receive coil array, decoupling of a transmission coil from another transmission coil in a transmission coil array
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    • G01R33/42—Screening
    • G01R33/422—Screening of the radio frequency field

Definitions

  • the invention relates to an imaging device for using nuclear magnetic resonance (WMR) using coils which are used to transmit and / or receive the frequency signals (Lamor frequency) and which are combined in arrays, the single coil consists of a conductor track that defines a surface.
  • WMR nuclear magnetic resonance
  • the use of nuclear magnetic resonance has become widespread as an important imaging method.
  • the effect is used here that atoms in a homogeneous magnetic field are excited due to absorption when energy is supplied by means of electromagnetic waves of certain frequencies.
  • the frequency is determined from the strength of the constant magnetic field and the special characteristic properties of the core.
  • the excited spins return to their basic state, that is, the lowest energy state, and emit an electromagnetic signal that is recorded via receiving coils and used to construct the image.
  • the same coil elements can contribute to the excitation (sending Egg N 25 nes signal) and also be used for reception.
  • a larger number of coils are combined in so-called arrays. The greater the density, i.e.
  • MTL coils microwave transmission line
  • WO 02/315 22 So-called MTL coils (microstrip transmission line) are known from the prior art (see for example WO 02/315 22), which in their simplest construction consist of a strip-shaped conductor which is applied to a dielectric and on its opposite side there is a conductive base plate.
  • the invention is based on the central object of further improving the imaging method according to the NMR principle, which essentially improves the performance of certain resolution capabilities.
  • an electrical conductor is arranged, which is arranged outside or inside the coil, rotates completely around it and is self-contained.
  • the term “completely revolves and is self-contained” means that the conductor represents a closed loop which is spatially oriented on the conductor track of the coil, that is to say in the vicinity, in the most general case with a variable distance and along the conductor track ,
  • the solution according to the invention is based on the knowledge that a high resolving power is achieved when the array formed by the individual coils has a maximum density, ie that as many coils as possible are as close as possible to one another. This goal is achieved by coils with small dimensions, the relative distance between which is chosen to be as small as possible.
  • the last requirement has the decisive disadvantage that mutual influences and couplings are adjacent Coils, be it when sending or receiving, cannot be excluded.
  • the proposed solution according to the invention is to surround the coil formed from a strip-shaped conductor, which can essentially consist of an open loop in a manner known from the prior art, with a closed electrical conductor. It runs essentially in the area described by the coil. However, it should not be excluded that the closed conductor can extend perpendicular to the plane described by the coil. A larger number of the above-described individual coils is combined into an array in a known manner.
  • the protection also expressly includes structural arrangements in which one conductor runs inside and another conductor runs outside the conductor track of the coil.
  • the coil transmits and / or receives the corresponding radio frequencies essentially in the direction perpendicular to the surface described by the coil.
  • the additionally attached, rotating and self-contained conductor acts as a shield against both electrical and magnetic fields.
  • the surrounding electrical fields end at the conductor, which holds the electrical fields in the manner of a Faraday cage.
  • the impact of the alternating magnetic fields also causes the formation of eddy currents which, according to Lenz's rule, are opposite to the magnetic fields which generate the eddy currents and thus contribute to their compensation.
  • the result is an electrical as well as a magnetic shield.
  • the arrangement of the conductor in the surface of the coil is a
  • Shielding causes essentially in this direction, so that the transmit and / or receive signals, which are emitted and / or received substantially perpendicular to the plane defined by the coil, remain unimpeded.
  • both electrical and magnetic alternating fields are almost completely shielded.
  • the neighboring coils are thus largely independent of one another and can therefore work (send and / or receive) at the smallest distance from one another and to the exclusion of mutual interference.
  • the proposed coil structure allows a significant improvement in the signal-to-noise ratio. This can increase the resolution and the recording speed.
  • the spatial arrangement of the course of the microstrip forming the coil is arbitrary in the area defined by the coil.
  • the shape of a circle, a rectangle, a hexagon or a polygon is preferred. For spatial reasons, it is precisely these shapes that allow the adjacent coils to be arranged in a dense manner, which laterally adjoin one another with their respectively assigned surfaces.
  • the curvature behavior of the surface defined by the coil is arbitrary. Is preferred in the special case
  • the conductor surrounding the coil and representing the shield has an arrangement outside the coil essentially in the area defined by the coil, as well as the necessity of being closed, as a mandatory requirement for effectiveness. Otherwise the compensating currents and voltages required to compensate for the electrical and magnetic fields would be impeded within the shield.
  • the distance between the coil and the conductor forming the shield can be chosen differently in the most general case. In a special embodiment, it is preferred that the distance between the coil and the conductor lying outside from the center and forming the shield can be chosen to be different over the circumference. However, an equidistance is preferred, i.e. a constant distance between the coil and the conductor over the entire circumference.
  • One of the positions is defined in that the two shields arranged outside the coils, but not the coils themselves, overlap one another.
  • the shields of one coil not only overlap the shield of the neighboring one (as above), but also the coil itself, the coils, however, not overlapping each other.
  • the shielding and overlap In the third possible position, shielding and overlap
  • each consisting of a coil and the associated shielding and as described in the most general case of the invention there are only three defined distances with a relative one-dimensional displacement, in which a complete electromagnetic decoupling takes place. in this connection it is not taken into account that there are further points arranged in mirror image in the case of a symmetrical arrangement.
  • the result is a complete electromagnetic decoupling of neighboring coils, a precise assignment of the received signals to a defined coil and the possibility of a denser packing of the fields (arrays).
  • the natural frequencies of the coils are based on the resonance frequency of the atoms.
  • the entire arrangement consisting of coil and shield has inductances and capacitances due to the construction.
  • the attachment of additional inductors and / or capacitors is necessary in many cases due to the need for tuning.
  • the conductor forming the shield be positioned in the area defined by the coil.
  • Those embodiments are also expressly protected in which the conductor forming the shield extends over the surface on one or both sides, essentially perpendicularly thereto.
  • band-shaped conductors are used as shielding, the extension beyond the plane defined by the coil is inevitable and generally leads to an improvement in the shielding properties.
  • Grounding is known from the theory of shielding electrical fields with the help of Faraday cages. Due to the symmetrical structure of the coil and shielding, symmetrical relationships occur with regard to the electrical charge shifts and / or eddy currents that form in the shielding, ie that compensation takes place within the shielding when viewed integrally. It is therefore not absolutely necessary to ground the shield because the shield remains at the same potential. Nevertheless, the grounding of the shield is proposed in an appropriate further training.
  • the coil circuit is connected externally via a supply (when sending) or via an evaluation unit (when receiving). With certain operating modes, one is interested in switching certain coils ineffective, e.g. if a coil is only for
  • PIN PIN diode
  • the name PIN is derived from the three areas of the diode (positive, intrinsic, negative) and is an externally switchable diode that is open in the working state and in the event of a short circuit, the coil is ineffective. The effect of the coil can easily be switched on and off by the control.
  • Ladder is basically free within the scope of the invention. Similar to the coil, a switchable diode can be used for bridging, which switches on and off by opening and closing the diode in the forward direction. Control is possible by using PIN diodes.
  • Figure 1 shows the structure of a coil according to the invention in a schematic representation in plan view.
  • FIGS 2 to 9 represent different structural solutions of the idea of the invention.
  • Figure 10 shows an overlap of the electrical conductors forming the shield of two adjacent coils.
  • the coil (1) consists of a single strip-shaped conductor which is arranged approximately rectangularly in its course and is fastened on a base plate. Not shown are the connections to a power supply in the case of operation as a transmitter coil or a frequency decoder when operated as a receiver coil, using a coaxial cable or other Connections can be made.
  • Such coils (1) constructed from a single strip are known from the prior art under the English name m ⁇ crostrip transmission line (MTL).
  • the development proposed according to the invention consists in that the coil (1) is attached to the surface (2) defined by it, a conductor (3) which is self-contained and surrounds the coil (1). In the most general case, earthing is not absolutely necessary.
  • This surrounding conductor (3) has the function of shielding both electrical and magnetic fields, the shielding of the electrical fields being carried out essentially on the principle of the Faraday cage and that of the alternating magnetic fields by induction of eddy currents which compensate for the impinging currents lead magnetic fields.
  • the result is an extensive shielding of the coil (1) from the interference fields essentially acting in the direction of the surface (2) (this is the direction in which the adjacent coils of the array are arranged) but also the reduction of the influence neighboring coils through the considered.
  • the transmission and / or reception of signals which are essentially perpendicular to the surface (2) and thus perpendicular to the plane of the drawing are not influenced.
  • Figure 2 shows a solution in which the coil 1 is bridged by a capacitor 4, whereas the conductor 3 is self-contained, coaxial and spaced outwards.
  • FIG. 3 shows a comparable solution with the difference that a switchable diode 5 is used in addition to bridging the capacitor 4. By short-circuiting the capacitor, coil 1 is closed.
  • FIG. 4 shows an arrangement comparable to the aforementioned figure, with the difference that an inductance 7 is connected in series with the diode 5. As is known, the vibration behavior can be tuned in the desired manner by appropriate selection of the capacitor 4 and of the inductor 7.
  • FIG. 5 shows an arrangement in which the coil 1 opened via the capacitor 4 is surrounded by a conductor 3 in which the switchable diode 5 is arranged.
  • the shielding effect of the conductor 3 can be influenced in its effect by switching the diode 5 on / off.
  • FIG. 6 A realization of the concept according to the invention that differs fundamentally from the above-described arrangements can be found in FIG. 6.
  • the coil 1 is open.
  • a self-contained and shielding conductor 3 runs coaxially.
  • the conductor 3 can also (additionally) be installed inside the coil 1.
  • A consisting of an open and internally arranged coil 1 and a coaxial to the outside and serve as a shield
  • the arrangement of the conductor 3 is shown in FIG. 7. This arrangement is characterized by the installation of additional capacitances between the conductor and the coil.
  • the vibration behavior and in particular the resonance frequency can be influenced and set by appropriate selection of the number and size of the capacitances and the fact that electrical conductors have inductivities within the scope of high frequency ranges.
  • a capacitor 4 was installed instead of the diode, which represents an opening of the coil for direct current and a bridging of the corresponding resistor, which is frequency-dependent, for alternating current.
  • FIG. 9 shows an arrangement comparable to this, with the difference that the coil is bridged by a switchable diode 5. A short-circuiting of the coil is therefore possible without problems from the outside.
  • two adjacent coils 1 are shown in mutual overlap in FIG.
  • Each of these coils 1, which are identical in their structure, is surrounded on the outside with an electrical conductor 3 serving as a shield. All in all, countless relative arrangements of two coils (with shielding) to one another are conceivable, three of which exist in different positions, in which a complete electromagnetic decoupling of the adjacent coils takes place. One of these positions is shown.
  • the relative position of the two coils is such that the shielding electrical conductor 3 of one coil 1 overlaps the shielding electrical conductor 3 of the adjacent coil as well as the coil 1 itself. At the same time, the distance remains so large that the coils 1 themselves do not overlap.
  • the shielding of the second coil overlaps the coil described first. The assignment described leads to a complete electromagnetic decoupling of the two coils 1 shown.

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Abstract

Vorgeschlagen wird eine Abbildungsvorrichtung zur Nutzung der kernmagnetischen Resonanz (KMR) unter Verwendung von Spulen (1), die dem Senden und/oder Empfangen der Frequenzsignale (Lamorfrequenz) dienen und die in Feldern (Arrays) zusammengefasst sind, wobei die einzelne Spule (1) aus einer Leiterbahn besteht, die eine Fläche (2) definiert, wobei zumindest in der Fläche (2) ein elektrischer Leiter (3) angebract ist, der in Bezug auf die Spule (1) ausserhalb oder innerhalb angeordnet ist, diese vollständig umläuf und in sich geschlossen ist.

Description

SPULENARRAY FÜR DIE BILDGEBENDE MAGNETISCHE RESONANZ MIT VERRINGERTER KOPPLUNG ZWISCHEN BENACHBARTEN SPULEN
Die Erfindung bezieht sich auf eine Abbildungsvorrichtung zur Nutzung der kernmagnetischen Resonanz (WMR) unter Verwendung von Spulen, die dem Senden und/oder Empfangen der Frequenzsignale (Lamorfrequenz) dienen und die in Feldern (Arrays) zusammen- 10 gefasst sind, wobei die einzelne Spule aus einer Leiterbahn besteht, die eine Fläche definiert.
Die Nutzung der magnetischen Kernresonanz hat als ein wichtiges bildgebendes Verfahren weite Verbreitung gefunden. Hierbei wird der 15 Effekt genutzt, dass Atome in einem homogenen magnetischen Feld bei Zuführung von Energie vermittels elektromagnetischer Wellen bestimmter Frequenzen aufgrund Absorption eine Anregung erfahren. Die Frequenz bestimmt sich hierbei aus der Stärke des konstanten Magnetfeldes und den speziellen charakteristischen Eigenschaf- 20 ten des Kernes. Nach kurzer Zeit kehren die angeregten Spins in ihren Grundzustand, also den tiefsten Energiezustand zurück und emittieren ein elektromagnetisches Signal, dass über Empfangsspulen erfasst und zur Konstruktion des Bildes genutzt wird. Grundsätzlich können die gleichen Spulenelemente zur Anregung (Senden ei- N 25 nes Signals) als auch zum Empfang genutzt werden. Hierzu wird eine größere Anzahl an Spulen in sog. Arrays zusammengefasst. Je größer die Dichte, also die Anzahl der einzelnen Spulen pro Flächeneinheit, umso besser wird das Signal-/Rausch- Verhältnis. Hiermit kann z. B. die Auflösung des hieraus hergeleiteten Bildes 30 erhöht werden. Entscheidender Vorzug ist weiter die Möglichkeit der Nutzung parallelbildgebender Verfahren, die eine höhere Aufnahmegeschwindigkeit realisierbar machen.
Aus dem Stande der Technik (siehe beispielsweise die WO 02/315 22) sind sog. MTL-Spulen (Microstrip transmission line) bekannt, die in ihrem einfachsten Aufbau aus einem streifenförmigen Leiter bestehen, der auf einem Dielektrikum aufgebracht wird und an dessen gegenüberliegender Seite sich eine leitfähige Grundplatte befindet.
Der Erfindung liegt die zentrale Aufgabe zugrunde, das im wesentlichen die Leistungsfähigkeit bestimmter Auflösungsvermögen bildgebende Verfahren nach dem NMR-Prinzip weiter zu verbessern.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass zumindest in der Fläche ein elektrischer Leiter angebracht ist, der in Bezug auf die Spule außerhalb oder innerhalb angeordnet ist, diese vollständig umläuft und in sich geschlossen ist.
Der Begriff „vollständig umläuft und in sich geschlossen" meint, dass der Leiter eine geschlossene Schleife darstellt , die in ihrem räumli- chen Verlauf an der Leiterbahn der Spule orientiert ist, also in Nachbarschaft, im allgemeinsten Fall mit variablem Abstand und entlang der Leiterbahn verläuft.
Der erfindungsgemäßen Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein hohes Auflösungsvermögens dann erreicht wird, wenn das durch die einzelnen Spulen gebildete Array ein Maximum an Dichte aufweist, d.h. dass möglichst viele Spulen möglichst nahe beieinander liegen. Dieses Ziel erreicht man durch in ihren Abmessungen kleinbauende Spulen, deren relativer Abstand möglichst gering gewählt wird. Die letzte Forderung hat jedoch den entscheidenden Nachteil, dass wechselseitige Beeinflussungen und Kopplungen benachbarten Spulen, sei es beim Senden oder Empfangen, nicht auszuschließen sind. Ausgehend von diesen Erkenntnissen geht der erfindungsgemäße Lösungsvorschlag dahin, die aus einem streifenförmigen Leiter gebildete Spule, die im wesentlichen aus einer aus dem Stande der Technik bekannten Weise aus einer offenen Schleife bestehen kann, nach außen oder innen zu mit einem geschlossenen elektrischen Leiter zu umgeben. Er verläuft im wesentlichen in der durch die Spule beschriebenen Fläche. Allerdings soll nicht ausgeschlossen werden, dass sich der geschlossene Leiter senkrecht zu der durch die Spule beschriebenen Ebene erstrecken kann. Eine größere Anzahl dieser vorbeschriebenen einzelnen Spulen wird in bekannter Weise zu einem Array zusammengefasst.
Im Rahmen der Erfindung ist denkbar, den Leiter innerhalb oder aus- serhalb der Leiterbahn der Spule anzubringen, weil die zur Kompensation im Leiter durch auftreffende Wellenfelder erzeugten Ladungsverschiebungen und Ströme die vom Leiter ausgehenden Felder vom Ort der Anbringung (innerhalb oder ausserhalb der Spule) weitgehend unbeeinflusst bleiben. Vielmehr tritt die Abschirmeffekt bei bei- den Anordnungen ein. Grundsätzlich bestehende Unterschiede beider Anordnungen sind bei entweder großem Abstand zwischen Spule und Leiter und/oder geringer Entfernung des Messpunktes feststellbar. Die Unterschiede werden bei geringem Abstand oder hinreichend großer Entfernung verschwindend gering.
Ausdrücklich vom Schutz umfasst sind auch bauliche Anordnungen, in denen sich ein Leiter innerhalb und ein weiterer Leiter außerhalb der Leiterbahn der Spule verläuft.
Die Wirkungsweise ist wie folgt: In an sich bekannter Weise sendet und/oder empfängt die Spule die entsprechenden Radiofrequenzen im wesentlichen in Richtung senkrecht zu der durch die Spule beschriebenen Fläche. Der zusätzlich angebrachte, umlaufende und in sich geschlossenen Leiter wirkt als Abschirmung sowohl von elektrischen als auch magnetischen Feldern. Die umgebenden elektrischen Felder enden an dem Leiter, der nach Art eines Faradayschen Käfigs die elektrischen Felder abhält. Das Auftreffen der magnetische Wechselfelder bewirkt zudem die Ausbildung von Wirbelströmen, die nach der Lenzschen Regel den die Wirbelströme erzeugenden magnetischen Felder entgegengerichtet sind und somit zu deren Kompensation beitragen. Im Ergebnis ergibt sich folglich eine elektrische als auch eine magnetische Abschirmung.
Durch die Anordnung des Leiters in der Fläche der Spule wird eine
Abschirmung im wesentlichen in dieser Richtung bewirkt, sodass die Sende- und/oder Empfangssignale, die im wesentlichen senkrecht zu der durch die Spule definierten Ebene abgegeben und/oder empfangen werden, ungehindert bleiben. In Richtung der benachbarten Spu- len, die sich im wesentlichen in der durch den Leiter definierten Fläche anschließen, erfolgt eine nahezu vollständige Abschirmung sowohl elektrischer als auch magnetischer Wechselfelder. Somit sind die benachbarten Spulen weitgehend voneinander unabhängig und können somit im geringstem Abstand zueinander und unter Aus- schluss gegenseitiger Beeinflussung arbeiten (senden und/oder empfangen). Der vorgeschlagene Spulenaufbau erlaubt eine wesentliche Verbesserung des Signal-/ Rausch- Verhältnisses. Damit können das Auflösungsvermögen und die Aufnahmegeschwindigkeit erhöht werden. Die räumliche Anordnung der Verlauf des die Spule bildenden Mikro- strips ist in der durch die Spule definierten Fläche im allgemeinsten Falle beliebig. Bevorzugt ist die Form eines Kreises, eines Rechteckes, eines Sechseckes oder eines Polygons zu wählen. Gerade diese Formen erlauben aus räumlichen Gründen eine dichte Anordnung der benachbarten Spulen, die mit ihren jeweils zugeordneten Flächen seitlich aneinander anschließen.
Im allgemeinsten Fall beliebig ist das Krümmungsverhalten der durch die Spule definierten Fläche. Im speziellen Falle bevorzugt ist, aus
Gründen der Praktikabilität der Herstellung eine Ebene zu wählen.
Der die Spule umgebende und die Abschirmung darstellende Leiter hat zur zwingenden Voraussetzung der Wirksamkeit eine Anordnung außerhalb der Spule im wesentlichen in der durch die Spule definierten Fläche sowie zusätzlich die Notwendigkeit in sich geschlossen zu sein. Andernfalls wären die zu Kompensation der elektrischen und magnetischen Felder erforderlichen Ausgleichsströme und Spannungen innerhalb der Abschirmung behindert. Der Abstand zwischen Spule und dem die Abschirmung bildenden Leiter kann im allgemeinsten Fall unterschiedlich gewählt werden. In spezieller Ausgestaltung bevorzugt ist, dass der Abstand zwischen der Spule sowie dem vom Mittelpunkt aus gesehen außerhalb liegenden und die Abschirmung bildenden Leiter über den Umfang unterschiedlich gewählt werden kann. Bevorzugt ist jedoch eine Äquidistanz d.h. ein über dem gesamten Umfang konstanter Abstand zwischen Spule und Leiter.
Wie bereits erläutert, werden mehrere Spulen mit ihren erfindungs- gemäßen Abschirmungen in Feldern (Arrays) bei gegenseitiger flächenmäßiger Zuordnung und im Abstand zueinander angeordnet. Trotz der vorgeschlagenen Abschirmung verbleibt dann immer noch eine, wenn auch nur geringfügige Kopplung benachbarter Spulen. Aus mehreren Gründen ist eine derartige Kopplung von Nachteil: Zum einen wird das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert und die Einstellung der einzelnen Spulen gestaltet sich aufgrund der gegenseitigen Kopplung wesentlich schwieriger. Ebenso ist es prinzipiell ausgeschlossen, die empfangenen Signale vollständig einer einzigen Spule zuzuordnen. In einer wesentlichen Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird der Vorschlag genutzt, dass bei einer überlap- penden Anordnung benachbarter Spulen mit ihrer Abschirmung eine im allgemeinsten Fall nur teilweise Kompensation eintreten kann, die zu einer elektromagnetischen Entkopplung der Spulen führt. Es ist ein weiterer Verdienst der Erfindung erkannt zu haben, dass bei Betrachtung zweier Spulen mit Abschirmungen drei definierte Positio- nen gegenseitiger Überlappung existieren, in denen eine vollständige elektromagnetische Entkopplung der beiden benachbarten Spulen eintritt.
Eine der Positionen ist dadurch definiert, dass sich die beiden außerhalb der Spulen angeordneten Abschirmungen, jedoch nicht die Spulen selbst gegenseitig überlappen.
In der zweiten möglichen Position überlappen die Abschirmungen der einen Spule nicht nur die Abschirmung der benachbarten (wie oben) sondern auch noch die Spule selbst, wobei die Spulen ihrerseits sich gegenseitig jedoch nicht überlappen. In der dritten möglichen Position überlappen sich Abschirmung und
Spule (Leiter) der beiden Spulen vollständig. Bei Betrachtung zweier Anordnungen, die jeweils aus einer Spule und der zugehörigen Abschirmung bestehen und wie im allgemeinsten Fall der Erfindung beschrieben, existieren nur drei definierte Ab- stände bei einer relativen eindimensionalen Verschiebung, bei denen eine vollständige elektromagnetische Entkopplung stattfindet. Hierbei ist unberücksichtigt, dass bei symmetrischen Anordnung spiegelbildlich angeordnete weitere Punkte existieren. Im Ergebnis erhält man eine vollständige elektromagnetische Entkopplung benachbarter Spulen, eine präzise Zuordnung der empfan- genen Signale zu einer definierten Spule sowie die Möglichkeit einer dichteren Packung der Felder (Arrays). Hinzu kommt eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
Die Eigenfrequenzen der Spulen sind abzustellen auf die Resonanz- frequenz der Atome. Die gesamte, aus Spule und Abschirmung bestehende Anordnung, weist durch den konstruktiven Aufbau bedingte Induktivitäten und Kapazitäten auf. Zur Abstimmung auf die Resonanzfrequenz des magnetischen Momentes des Kernes ist die Anbringung zusätzlicher Induktivitäten und/oder Kapazitäten in vielen Fällen aus der Notwendigkeit der Abstimmung erforderlich.
Im speziellen wird vorgeschlagen, die Kapazitiäten zwischen der Spule und der Abschirmung anzubringen; die Kapazitäten weisen somit ausgehend vom Mittelpunkt etwa in radiale Richtung.
In ihrer allgemeinsten Anspruchsfassung ist gefordert, dass der die Abschirmung bildende Leiter in der durch die Spule definierten Fläche zu positionieren ist. Ausdrücklich werden auch jene Ausführungsformen unter Schutz gestellt, bei denen sich der die Abschir- mung bildende Leiter ein - oder beidseitig über die Fläche heraus und zwar im wesentlichen senkrecht hierzu erstreckt. Im Falle der Verwendung bandförmiger Leiter als Abschirmung ist die Erstreckung über die durch die Spule definierte Ebene hinaus unvermeidbar und führt in der Regel zu einer Verbesserung der Abschirmungs- eigenschaften. Aus der Theorie der Abschirmung elektrischer Felder mit Hilfe Fara- dayscher Käfige ist dessen Erdung bekannt. Aufgrund des symmetrischen Aufbaues von Spule und Abschirmung treten im Hinblick auf die in der Abschirmung sich ausbildenden elektrischen Ladungsver- Schiebungen und/oder Wirbelströme symmetrische Verhältnisse auf, d.h., dass innerhalb der Abschirmung bei integraler Betrachtung eine Kompensation eintritt. Eine Erdung der Abschirmung ist daher nicht zwingend erforderlich, weil die Abschirmung auf gleichem Potential verbleibt. Dennoch wird in einer zweckmäßigen Weiterbildung die Erdung der Abschirmung vorgeschlagen.
Der Spulenkreis ist nach außen über eine Versorgung (beim Senden) oder über eine Auswerteeinheit (beim Empfangen) angeschlossen. Bei bestimmten Betriebsmoden ist man daran interessiert, bestimmte Spulen wirkungslos zu schalten, z.B. dann, wenn eine Spule nur zum
Senden oder nur zum Empfangen eingesetzt werden soll oder auch dann, wenn nur mit einzelnen Spulen gearbeitet werden soll. Hierfür wird vorgeschlagen, die Spule über eine PIN - Diode kurzzuschließen. Der Name PIN leitet sich aus den drei Bereichen der Diode ab (Positiv, Intrinsic, Negativ) und ist eine von außen schaltbare Diode, die im Arbeitszustand geöffnet ist und bei Kurzschließen die Spule wirkungslos schaltet. Durch die Ansteuerung lässt sich die Wirkung der Spule problemlos zu- und abschalten.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der als Abschirmung wirkende
Leiter ebenfalls über einen Schalter temporär offenbar. Mit Öffnung wird die Abschirmwirkung weggeschaltet; bei einem geschlossenen Leiter hingegen ist die Abschirmung zugeschaltet. Bei bestimmten Betriebszuständen, so z.B. beim Senden, empfiehlt sich zur Vermei- düng von Energieverlusten die Abschirmung wirkungslos zu machen, in dem sie bespielsweise in vorbeschriebener Weise weggeschaltet wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass im nicht aktiven Betriebszustand, d.h. bei weggeschalteter Spule eine weitere Wegschaltung auf der Abschirmung den entscheidenden Vorteil bietet, dass Verzerrungen des Magnetfeldes vermieden werden. Die bauli- ehe Konkretisierung des temporären Öffnens oder Schließens des
Leiters steht dem Rahmen der Erfindung grundsätzlich frei. Ähnlich wie bei der Spule kann eine schaltbare Diode zur Überbrückung eingesetzt werden, die das Zu- und Wegschalten durch Öffnen und Schließen der Diode in Durchlassrichtung vornimmt. Eine Ansteue- rung ist möglich durch Verwendung von PIN-Dioden.
Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Merkmale der Erfindung lassen sich dem nachfolgendem Beschreibungsteil entnehmen, indem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. Es zeigt:
Figur 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Spule in prinzipienhaf- ter Darstellung in Draufsicht.
Figuren 2 bis Figur 9 stellen verschieden bauliche Lösungen des erfindungsgemäßen Gedankens dar.
Figur 10 eine Überlappung der die Abschirmung bildenden elektrischen Leiter zweier benachbarter Spulen.
Die Spule (1) besteht in gezeigtem Ausführungsbeispiel aus einem einzigen streifenförmigen Leiter, der etwa rechteckförmig in seinem Verlauf angeordnet und auf einer Grundplatte befestigt ist. Nicht dargestellt sind die Verbindungen zu einer Stromversorgung im Fall des Betriebes als Sendespule oder einem Frequenzdecoder beim Betrieb als Empfangsspule, die mit Hilfe eines Koaxialkabels oder anderer Verbindungen hergestellt werden kann. Derartige aus einem aus einem einzigen Streifen aufgebaute Spulen (1) sind unter der englischen Bezeichnung mϊcrostrip transmission line (MTL) aus dem Stande der Technik bekannt.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Weiterbildung besteht darin, dass die Spule (1) auf der durch diese definierten Fläche (2) ein Leiter (3) angebracht ist, der in sich geschlossen ist und die Spule (1) umgibt. Eine Erdung ist im allgemeinsten Fall nicht zwingend erfor- derlich.
Dieser umgebende Leiter (3) hat die Funktion einer Abschirmung von sowohl elektrischen als auch magnetischen Feldern, wobei die Abschirmung der elektrischen Felder im wesentlichen nach dem Prinzip des Faradayschen Käfigs und die der magnetischen Wechselfelder durch Induktion von Wirbelströmen erfolgt, die zu einer Kompensation der auftreffenden magnetischen Felder führen.
Als Ergebnis erhält man eine weitgehende Abschirmung der Spule (1) von den im wesentlichen in Richtung der Fläche (2) einwirkenden Störfelder (es handelt sich hierbei um die Richtung in der sich die benachbarten Spulen des Arrays angeordnet sind) aber auch der Reduzierung der Beeinflussung benachbarter Spulen durch die betrachtete. Eine Beeinflussung von Senden und/oder Empfangen von Signalen, die im wesentlichen senkrecht zu der Fläche (2) und damit senkrecht zur Zeichenebene verlaufen, findet nicht statt.
In den nachfolgenden Zeichnungen werden in prinzipienhafter Darstellung unterschiedliche Lösungen des erfindungsgemäßen Gedankens wiedergegeben. Figur 2 zeigt eine Lösung bei welcher die Spule 1 über einen Kondensator 4 überbrückt ist, hingegen der Leiter 3 in sich geschlossen, koaxial verlaufend und nach außen beabstandet ist.
Eine vergleichbare Lösung zeigt Figur 3 mit dem Unterschied, dass zusätzlich zu Überbrückung des Kondensators 4 eine schaltbare Diode 5 eingesetzt ist. Durch Kurzschließen des Kondensator ergibt sich ein Schließen der Spule 1.
Figur 4 zeigt eine zu vorgenannter Figur vergleichbare Anordnung mit dem Unterschied, dass in Reihe zur Diode 5 eine Induktivität 7 geschaltet ist. Das Schwingungsverhalten lässt sich bekanntlich durch entsprechende Wahl des Kondensators 4 als auch der Induktivität 7 in der gewünschten Weise abstimmen.
Figur 5 zeigt eine Anordnung, bei welcher die über den Kondensator 4 geöffnete Spule 1 von einem Leiter 3 umgeben ist, in welchem die schaltbare Diode 5 Anordnung findet. Die Abschirmwirkung des Leiters 3 kann durch Zu/Abschalten der Diode 5 in seine Wirkung beein- flusst werden.
Eine von den vorbeschriebenen Anordnungen grundlegend abweichende Realisierung des erfindungsgemäßen Gedankens findet sich in Figur 6. Hierbei ist die Spule 1 offen. Nicht nur auf der Außenseite, sondern auch auf der Innenseite verläuft koaxial jeweils ein in sich geschlossener und der Abschirmung dienender Leiter 3. Im Unterschied zu oben kann eine Anbringung des Leiters 3 auch (zusätzlich) innerhalb der Spule 1 erfolgen.
Eine aus einer offenen und innen angeordneten Spule 1 und einem koaxial nach außen zu angeordneten und als Abschirmung dienen- den Leiter 3 bestehende Anordnung ist in der Figur 7 wiedergegeben. Charakteristisch für diese Anordnung ist die Anbringung zusätzlicher Kapazitäten zwischen Leiter und Spule. Durch entsprechende Wahl von Anzahl und Größe der Kapazitäten und der Tatsache, dass elektrische Leiter im Rahmen hoher Frequenzbereiche Induktivitäten aufweisen, lässt sich das Schwingungsverhalten und insbesondere die Resonanzfrequenz beeinflussen und einstellen.
In Figur 8 wurde anstelle der Diode ein Kondensator 4 eingebaut, der eine Öffnung der Spule für Gleichstrom und eine Überbrückung entsprechenden Widerstandes, die frequenzabhängig ist, für Wechselstrom darstellt.
Figur 9 zeigt eine hierzu vergleichbare Anordnung mit dem Unterschied, dass die Spule über eine schaltbare Diode 5 überbrückt ist. Ein Kurzschließen der Spule ist somit von Außen her unproblematisch möglich.
In prinzipienhafter Darstellung sind in Figur 10 zwei benachbarte Spulen 1 in gegenseitiger Überlappung gezeigt. Jede dieser in ihrem Aufbau identischen Spulen 1 ist außenseitig mit einem der Abschirmung dienenden elektrischen Leiter 3 umgeben. Insgesamt sind zahllose relative Anordnungen zweier Spulen (mit Abschirmung) zueinander denkbar, von denen drei verschiedene Positionen existieren, in denen eine vollständige elektromagnetische Entkopplung der benachbarten Spulen stattfindet. Eine dieser Positionen ist wiedergegeben. Gezeigt sind zwei im Aufbau identische Spulen 1 von sechseckiger Gestalt, die außenseitig durch den der Abschirmung dienenden e- lektrischen Leiter 3 koaxial umgeben sind. Die relative Position der beiden Spulen ist derart, dass der der Abschirmung dienende elektri- sehe Leiter 3 der einen Spule 1 den der Abschirmung dienenden e- lektrischen Leiter 3 der benachbarten Spule als auch die Spule 1 selbst überlappt. Gleichzeitig verbleibt der Abstand noch so groß, dass es zu einer Überlappung der Spulen 1 selbst nicht kommt. Umgekehrt überlappt die zweite Spule mit ihrer Abschirmung gleicher- maßen die erstbeschriebene Spule. Die beschriebene Zuordnung führt zu einer vollständigen elektromagnetischen Entkopplung der beiden dargestellten Spulen 1.

Claims

Patentansprüche
1. Abbildungsvorrichtung zur Nutzung der kernmagnetischen 5 Resonanz (KMR) unter Verwendung von Spulen (1), die dem Senden und/oder Empfangen der Frequenzsignale (Lamorfrequenz) dienen und die in Feldern (Arrays) zusammengefasst sind, wobei die einzelne Spule (1) aus einer Leiterbahn besteht, die eine Fläche (2) definiert, da- 10 durch gekennzeichnet, dass zumindest in der Fläche (2) ein elektrischer Leiter (3) angebracht ist, der in Bezug auf die Spule (1) außerhalb oder innerhalb angeordnet ist, diese vollständig umläuft und in sich geschlossen ist.
15
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens ein Leiter (3) innerhalb und außerhalb der Spule (1) angeordnet ist.
20
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der räumliche Verlauf von Spule (1) und/oder Leiter (3) ein Kreis, ein Rechteck, ein Sechs- o- 25 der Achteck oder ein Polygonzug ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (2) eine Ebene ist. 30
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Äquidistanz zwischen Spule (1) und dem umlaufenden Leiter (3).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Abschirmung bildende Leiter (3) außerhalb der Spule (1) angeordnet ist und dass sich die Leiter (3) benachbarter Spulen (1) und ggf. die 10 Spulen (1 ) selbst teilweise oder vollständig gegenseitig ü- berlagern.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 15 dass sich die Leiter (3) benachbarter Spulen (1 ), nicht jedoch die Spulen (1) selbst überlappen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 20 dass die die Abschirmung bildenden Leiter (3) sowohl den Leiter (3) als auch die Spule (1) der benachbarten Spule überlappen, eine Überlappung der Spulen (1) selbst nicht stattfindet.
25 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich sowohl die die Abschirmung bildenden Leiter (3) als auch die Leiterbahn der Spule (1) der benachbarten Spulen gegenseitig überlappen.
30
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Induktivitäten und/oder Kapazitäten in Spule (1) und/oder Leiter (3) eingebaut sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitäten zwischen Spule (1) und Leiter (3) angeordnet sind.
10 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der die Abschirmung bildende Leiter (3) sich ein- oder beidseitig senkrecht über die Fläche (2) hinaus erstreckt.
15
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (3) der Abschirmung geerdet ist.
20
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) über eine schaltbare Diode, insbesondere eine PIN-Diode, kurzschließbar ist.
25
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (3) über einen Schalter, z. B. eine schaltbare Diode, insbesondere PIN-Diode, tem- 30 porär geöffnet werden kann.
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