DE10056807A1 - HF-Flächenresonator für Magnetresonanz-Bildgerät - Google Patents

Abstract

Es wird ein HF-Flächenresonator ("HF-Spule") zum Senden und/oder Empfangen von zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen beschrieben, der insbesondere für Magnetresonanz-Bildgeräte (MR-Bildgeräte) vorgesehen ist, bei denen ein Untersuchungsobjekt senkrecht durchsetzendes Grundmagnetfeld (Vertikalfeld) und ein zirkular polarisiertes Hochfrequenzfeld erzeugt wird. Es werden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, mit denen ein gewünschter Verlauf der Feldstärke in radialer Richtung sowie in Zirkulationsrichtung erzielt werden kann. Hierzu gehören die Anzahl, die Form und die Länge von sich radial erstreckenden Leiterstrukturen (30x, 31x, 32x, 33x; 40x, 41x, 42x, 43x) sowie von Rückstrom-Leiterschleifen (310 bis 390; 410 bis 490), die Form von HF-Abschirmungen (12, 13), weiterhin kapazitive Elemente (Cix, Cax) zwischen den Leiterstrukturen und den Leiterschleifen einerseits sowie einem Bezugspotential andererseits sowie kapazitive Elemente (Clx) in den Leiterstrukturen und/oder Leiterschleifen. Schließlich kann ein gewünschter Verlauf der Feldstärke auch durch Trennen von Teilen des Flächenresonators mittels schaltbarer Dioden (Dx) erzielt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen HF-Flächenresonator ("HF-Spule") zum Senden und/oder Empfangen von zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen, insbesondere für Magnetresonanz-Bildgeräte (MR-Bildgeräte), bei denen ein Untersuchungsobjekt senkrecht durchsetzendes Grundmagnetfeld (Vertikalfeld) und ein zirkular polarisiertes Hochfrequenzfeld erzeugt wird, sowie ein MR-Bildgerät mit einem solchen HF-Flächenresonator.

Bei solchen MR-Bildgeräten wird das Grundmagnetfeld im allgemeinen zwischen zwei Polplatten erzeugt, zwischen denen sich ein Untersuchungsbereich zum Beispiel für einen Patienten befindet. Das Grundmagnetfeld tritt dabei im wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Längsachse des Patienten (d. h. im allgemeinen vertikal) durch diesen hindurch, so dass er im Gegensatz zu Bildgeräten mit einem rohrförmigen Untersuchungsraum, bei denen das Grundmagnetfeld in Richtung der Längsachse des Patienten verläuft, auch während der Bilderzeugung von fast allen Seiten gut zugänglich bleibt und insbesondere auch interventionelle Untersuchungen durchgeführt werden können. Systeme dieser Art werden deshalb auch als offene MR-Systeme bzw. offene MR-Bildgeräte bezeichnet.

Zur Erzeugung eines ausreichend hohen und homogenen Grundmagnetfeldes ist es vorteilhaft, den Abstand der Polplatten möglichst gering zu halten. Um andererseits die Zugänglichkeit des zwischen den Polplatten liegenden Untersuchungsbereiches und den Patientenkomfort nicht zu beeinträchtigen, ist ein möglichst großer Abstand erwünscht, der jedoch ein inhomogenes Feld zur Folge haben kann. Zur Erzeugung des Hochfrequenzfeldes sowie zur Erfassung von MR-Relaxationsvorgängen werden deshalb möglichst flache oder zumindest flächenartige HF-Leiterstrukturen ("Flächenresonatoren") verwendet, die jeweils möglichst nahe über den Polplatten (bzw. an einer HF-Abschirmung) angeordnet sind.

Ein solcher Flächenresonator ist aus der US-PS 5.153.517 bekannt. Dieser setzt sich aus zwei Teilsystemen zusammen, die jeweils durch zwei ebene Stromschleifen gebildet und so angeordnet sind, dass sie in einer Ebene senkrecht zu der Richtung des Grundmagnetfeldes liegen und ein zirkular polarisiertes Hochfrequenzfeld erzeugen können. Hochfrequenz- Spulen dieser Art haben den Vorteil, dass die erforderliche Sendeleistung im Vergleich zu anderen Konfigurationen relativ gering ist, da im wesentlichen nur solche (nämlich zirkulare) Feldkomponenten erzeugt oder erfasst werden, die für die Anregung der Kernmagnetisierung bzw. die Erfassung der Relaxationsvorgänge relevant sind.

Ein Problem bei der Dimensionierung und dem Einsatz dieser HF-Flächenresonatoren insbesondere bei hohen Feldstärken des Grundmagnetfeldes besteht jedoch im Hinblick auf die zur Resonatorebene senkrechte Strahlungscharakteristik des Hochfrequenzfeldes. Einerseits wird ein möglichst homogenes Feld, d. h. ein konstanter radialer Feldstärkeverlauf innerhalb des Untersuchungsbereiches gefordert, andererseits wird angestrebt, dass das Feld in dem radial außerhalb dieses Bereiches liegenden Raum relativ steil abfällt, um Rückfaltungsartefakte zu vermeiden, die durch den dort nicht mehr homogenen Verlauf des Grundmagnetfeldes sowie die ggf. neben dem Untersuchungsbereich stehenden Personen verursacht werden können.

Eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, einen HF-Flächenresonator insbesondere zur Anwendung in einem offenen Magnetresonanz- Bildgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem ein Hochfrequenzfeld erzeugt werden kann, das innerhalb eines Untersuchungsbereiches eine hohe Feldstärke mit homogenem, d. h. im wesentlichen konstantem oder zumindest stetigem Verlauf ohne die Bildqualität beeinträchtigende Feldstärkesprünge aufweist, das jedoch in einem Raum radial außerhalb dieses Bereiches relativ steil abfällt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit einem HF-Flächenresonator der eingangs genannten Art, der sich gemäß Anspruch 1 dadurch auszeichnet, dass eine Mehrzahl von sich von einem zentralen Bereich in Radialrichtungen erstreckenden Leiterstrukturen, sowie mindestens eine den zentralen Bereich umschließende Leiterschleife für einen Leiterstrukturen- Rückstrom vorgesehen ist, deren radialer Abstand von dem zentralen Bereich so gewählt ist, dass eine gewünschte Strahlungscharakteristik in einer zu dem Flächenresonator senkrechten Ebene erzielt wird.

Ein besonderer Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass auf relativ einfache Weise durch Anbringen zusätzlicher Leiterschleifen der genannten Art ein Abgleich der Strahlungs­ charakteristik des Resonators auch in eingebautem Zustand möglich ist.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Mit der Ausführung gemäß Anspruch 2 kann eine in radialer Richtung wesentlich gleichbleibendere Leitungsdichte (Anzahl von Leitungsabschnitten pro Flächeneinheit) erzielt werden, so dass sich ein entsprechend homogenerer Verlauf der Strahlungscharakteristik in radialer Richtung ergibt.

Mit der Ausführung gemäß Anspruch 3 kann in einfacher Weise eine in verschiedenen senkrechten Ebenen unterschiedliche Strahlungscharakteristik erzielt werden, wenn zum Beispiel das HF-Feld ausschließlich ein langgestrecktes Objekt durchsetzen soll.

Mit den in den Ansprüchen 4 bis 8 beschriebenen Merkmalen ist auf verschiedene Weisen eine weitere Beeinflussung der Stromverteilung auf dem Flächenresonator möglich, um einen gewünschten Verlauf der Strahlungscharakteristik zu erzielen.

Mit den Ausführungen gemäß den Ansprüchen 9 und 10 kann die Strahlungscharakteristik durch elektrisches Trennen von Teilen des Flächenresonators wirksam beeinflusst werden bzw. es können durch äußere Eingriffe in den Untersuchungsbereich verursachte Störungen des HF-Feldes kompensiert werden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Magnetresonanz-Bildgerätes;

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild mit den wesentlichen Komponenten eines MR-Bildgerätes;

Fig. 3 eine schematischen Darstellung einer ersten Ausführungsform eines HF- Flächenresonators;

Fig. 4 eine schematischen Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines HF-F­ lächenresonators;

Fig. 5 eine schematischen Darstellung einer dritten Ausführungsform eines HF- Flächenresonators;

Fig. 6 alternative Leiterstrukturen für einen HF-Flächenresonators;

Fig. 7 verschiedene Beispiele für weitere Leiterschleifen eines HF-Flächenresonators;

Fig. 8 verschiedene Beispiele für die Einschaltung von Kondensatoren in die Leiterstrukturen;

Fig. 9 ein weiteres Beispiel für eine Konfiguration eines HF-Flächenresonators;

Fig. 10 eine erste Ausführungsform eines HF-Abschirmung an einem HF- Flächenresonator;

Fig. 11 eine zweite Ausführungsform einer HF-Abschirmung an einem HF- Flächenresonator;

Fig. 12 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung der Speisung des HF-Flächenresonators;

Fig. 13 verschiedene Beispiele für die Einschaltung von Dioden in die Leiterstrukturen; und

Fig. 14 ein Blockschaltbild einer in die Leiterstrukturen einzuschaltenden Diodenschaltung.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Magnetresonanz-Bildgerätes, das auch als Kernspinuntersuchungsgerät bezeichnet wird. Zwischen zwei Säulen 25, 26 befindet sich ein Untersuchungsbereich mit einem Untersuchungsobjekt 1, zum Beispiel einem Patienten, der von fast allen Seiten gut zugänglich ist. Das Gerät weist eine aus einem ersten oberen und einem zweiten unteren Magneten 2, 3 gebildete Anordnung zur Erzeugung eines den Untersuchungsbereich vertikal (x-Richtung) durchsetzenden, homogenen, stationären Grundmagnetfeldes (Hauptfeld zur Magnetisierung des Untersuchungsobjektes, d. h. zur Ausrichtung der Kernspins) auf, dessen magnetische Flussdichte (magnetische Induktion) in der Größenordnung von einigen Zehntel Tesla bis einigen Tesla liegen kann.

Zur räumlichen Unterscheidung und Auflösung der von dem Untersuchungsobjekt 1 ausgehenden Signale sind drei obere Gradient-Magnetfeldspulen 3, 4, 5 und drei untere Gradient-Magnetfeldspulen 6, 7, 8 (nicht im einzelnen dargestellt) vorgesehen, mit denen drei in Richtung der x-Achse verlaufende Gradient-Magnetfelder erzeugt werden. Ein erstes Gradient-Magnetfeld ändert sich dabei im wesentlichen linear in Richtung der x- Achse, ein zweites Gradient-Magnetfeld ändert sich im wesentlichen linear in Richtung der y-Achse, und ein drittes Gradient-Magnetfeld ändert sich im wesentlichen linear in Richtung der z-Achse.

Zur Anregung einer Kernmagnetisierung (Kernspinresonanz) in dem Untersuchungsobjekt ist weiterhin über dem Objekt eine durch einen HF-Impuls beaufschlagbare Hoch­ frequenz-Sendespule 30 (HF-Flächenresonator) angeordnet, durch die das Objekt mit einem HF-Magnetfeld durchsetzt werden kann. Zur Erfassung der sich an die Anregung anschließenden Relaxation, die eine erneute Änderung der Magnetisierungszustände in dem Objekt bewirkt, dient eine unter dem Objekt angeordnete Hochfrequenz-Empfangs­ spule 40 (HF-Flächenresonator), in der durch diese Änderung eine korrespondierende Spannung induziert wird. Durch entsprechendes Umschalten kann zum Senden und Empfangen auch ein gemeinsamer HF-Flächenresonator verwendet werden, oder es dienen beide HF-Flächenresonatoren zum abwechselnden gemeinsamen Senden und Empfangen. Zwischen den HF-Flächenresonatoren 30; 40 und den jeweils benachbarten Gradient- Magnetfeldspulen 3, 4, 5 bzw. 6, 7, 8 ist jeweils eine HF-Abschirmung 12, 13 zur jeweiligen Abschirmung der HF-Flächenresonatoren gegen die Gradient-Magnetspulen angeordnet. Die von den Flächenresonatoren empfangenen Signale werden zur MR- Bilderzeugung ausgewertet, wobei die Gradient-Magnetfelder eine Lokalisierung der angeregten Zustände ermöglichen.

Die zum Betrieb dieser MR-Bildgeräte wesentlichen Komponenten sind schematisch in Fig. 2 dargestellt und umfassen eine Steuereinheit 17, die einen Gradienten-Wellenform- Generator 20 ansteuert, an dessen Ausgängen jeweils ein erster, ein zweiter und ein dritter Gradientenverstärker 21, 22, 23 angeschlossen ist. Diese Verstärker erzeugen jeweils den Strom für die Gradientspulen 3, 4, 5; 6, 7, 8. Die Verstärkungsfaktoren dieser Verstärker sind unabhängig voneinander einstellbar, wobei die Spulen die Gradientfelder in den x-, y- entsprechenden drei Raumrichtungen in dem untersuchten Bereich vorgenommen werden kann.

Weiterhin wird durch die Steuereinheit 17 ein HF-Generator 18 angesteuert, mit dem zur MR-Bilderzeugung im wesentlichen die Frequenz der HF-Impule auf die von den Gradientfeldern abhängigen Larmor-Frequenzen abgestimmt wird. Die HF-Impulse werden einem Verstärker 19 zugeführt, dessen Verstärkung durch die Steuereinheit 17 gesteuert wird, und gelangen anschließend zu dem sendenden HF-Flächenresonator 30.

Die in dem zum Empfang vorgesehenen HF-Flächenresonator 40 durch die Relaxation der angeregten Magnetisierungszustände induzierten MR-Signale werden in einem Quadratur- Demodulator 13 durch Mischung mit zwei um 90° gegeneinander versetzten Trägerschwingungen (mit einer durch die lokale Stärke der stationären Magnetfelder bestimmten Larmor- bzw. MR-Frequenz) eines Oszillators 24 demoduliert, so dass zwei Signale entstehen, die als Realteil und als Imaginärteil eines komplexen Signals aufgefasst werden können. Diese Signale werden einem Analog-Digitalwandler 14 zugeführt. Mit einer Bildverarbeitungseinheit 15 werden schließlich die MR-Bilder in bekannter Weise rekonstruiert und auf einem Monitor 16 wiedergegeben.

Fig. 3 zeigt schematisch als erste Ausführungsform die Grundstruktur der erfindungs­ gemäßen HF-Flächenresonatoren 30, 40 in dreidimensionaler Darstellung. Die Flächenresonatoren sind jeweils durch eine Anzahl x von radial verlaufenden ersten Leiterstrukturen 30x bzw. 40x (x = 1, 2, 3, . . .) gebildet, die sich zwischen einem zentralen Bereich 300 bzw. 400 und einem im wesentlichen ringförmigen Außenleiter 390 bzw. 490 erstrecken. Darüber hinaus befindet sich zwischen diesen mindestens ein weiterer ring­ förmig verlaufender Leiter 350 bzw. 450. Die an einem Bezugspotential liegenden ring­ förmig verlaufenden Leiter sind mit den radial verlaufenden Leiterstrukturen 30x, 40x verbunden und dienen als Rückleiter für die durch die Leiterstrukturen fließenden HF- Ströme.

Die Resonatoren 30, 40 sind jeweils in einer y/z-Ebene angeordnet, die parallel zu dem HF-Schirm 12, 13 (Fig. 1) liegt. Durch die im Zentrum besonders hohe Leitungsdichte (Anzahl von Leitern pro Flächeneinheit) wird bei einem Stromfluss durch die Leiterstrukturen hier zwar eine entsprechend hohe Hochfrequenz-Feldstärke erzeugt, diese nimmt jedoch in radialer Richtung entsprechend der abnehmenden Leitungsdichte ebenfalls ab. Der mindestens eine ringförmig verlaufende Leiter 350; 450, der ebenso wie der Außenleiter 390; 490 eine Spannungs-Nullstelle in der Leiterstruktur und damit einen Feldstärkeabfall erzeugt, wird deshalb radial so gelegt, dass die hohe Feldstärke im zentralen Bereich vermindert und dadurch der Abfall in Radialrichtung flacher und das HF-Feld insgesamt homogener und stetiger verläuft, bis es jenseits des Außenleiters 390; 490 relativ steil abfällt.

Eine weitere Maßnahme, mit der das Hochfrequenzfeld im zentralen Bereich abgesenkt und damit in dem gesamten Untersuchungsbereich bezüglich des radialen Verlaufes homogener gestaltet werden kann, besteht darin, den Abstand zwischen einem Flächenresonator 30; 40 und der benachbarten HF-Abschirmung 12, 13 im zentralen Bereich 300; 400 kleiner zu machen, als in radial äußeren Bereichen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Leiterstrukturen und/oder die betreffende HF-Abschirmung 12; 13 in der x/y-Ebene im wesentlichen konisch aufeinander zulaufen. Außerdem kann dadurch entweder das in dem Untersuchungsbereich zur Verfügung stehende Volumen etwas vergrößert werden, oder die Gradientenspulen können näher an den Untersuchungsbereich geführt werden, wodurch die Energieeinkopplung in das Untersuchungsobjekt verbessert wird.

Zur Erzeugung einer in der y/z-Ebene kreisförmigen Ausleuchtung des Untersuchungs­ objektes sind die Längen der Leiterstrukturen 30x; 40x so gewählt, dass der Außenleiter 390; 490 jeweils einen Kreis bildet. Alternativ dazu ist es auch möglich, einen in der y- oder z-Richtung gestreckten Verlauf der Ausleuchtung zu erzielen, wenn die Längen der Leiterstrukturen 30x; 40x in diesen Richtungen entsprechend größer sind, so dass die Außenleiter 390; 490 in der y/z-Ebene jeweils im wesentlichen ein Oval umschreiben.

Bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind die Leiterstrukturen 30x, 40x jeweils in Form eines geraden, durchgehend radial verlaufenden Leitungsabschnitts ausgeführt. Die Leiterstrukturen können jedoch auch aus mehreren Leitungsabschnitten zusammengesetzt sein, die jeweils einen von der Radialrichtung abweichenden Verlauf nehmen.

Eine diesbezügliche zweite Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt. Die HF-Flächen­ resonatoren 30; 40 sind durch (zweite) Leiterstrukturen 31x, 41x gebildet, die sich aus jeweils vier Leitungsabschnitten zusammensetzen, die die Form eines Parallelogramms bilden und sich wiederum zwischen dem zentralen Bereich 300; 400 und dem Außenleiter 390; 490 erstrecken. Auch hierbei kann neben dem Außenleiter mindestens ein ringförmig verlaufender Leiter 350; 450 gemäß Fig. 3 vorgesehen sein.

Bei der in Fig. 5 gezeigten dritten Ausführungsform ist die doppelte Anzahl von Leiterstrukturen 31x, 41x vorgesehen, wobei benachbarte Leiterstrukturen jeweils einen der inneren, das heißt im zentralen Bereich 300; 400 liegenden Leitungsabschnitte teilen. Im Hinblick auf den Außenleiter 390; 490 und eventuelle ringförmig verlaufende Leiter 350; 450 gilt wiederum das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. In dieser Darstellung bezeichnen die Pfeile auf den Leitungsabschnitten die Stromrichtungen durch diese.

Fig. 6 zeigt beispielhaft in einer Darstellung drei verschiedene Leiterstrukturen, nämlich die erste Leiterstruktur 30x; 40x gemäß Fig. 3, die zweite Leiterstruktur 31x; 41x gemäß den Fig. 4 und 5, sowie eine dritte Leiterstruktur 32x; 42x, die sich aus zwei in Reihe geschalteten, jeweils im wesentlichen parallelogrammförmigen Teilen zusammensetzt. Fig. 7 zeigt weiterhin neben der einfachsten ersten Leiterstruktur 30x, 40x eine vierte Leiterstruktur 33x, 43x die sich aus einer Reihenschaltung aus einem parallelo­ grammförmigen Teil sowie einem einzelnen radialen Leiterteil zusammensetzt.

Die Leiterstrukturen sind so gewählt und gestaltet, dass die Leitungsdichte, d. h. die Anzahl von Leitern pro Flächeneinheit, über einen möglichst großen radialen Bereich des Resonators weitgehend konstant bleibt. Dies hat zur Folge, dass auch der radiale Verlauf der Feldstärke des Hochfrequenzfeldes in dem Untersuchungsbereich entsprechend homogen ist.

Zur Vermeidung einer zu hohen Leitungsdichte im zentralen Bereich 300 (bzw. 400) und einer damit verbundenen Überhöhung der Feldstärke kann dieser Bereich gemäß Fig. 6 durch einen ersten ringförmigen Innenleiter 310; 410 gebildet sein, von dem die radial verlaufenden Leiterstrukturen 30x, 31x, 32x, 33x (40x, 41x, 42x, 43x) ausgehen. Gemäß Fig. 7 können konzentrisch zu dem ersten ringförmigen Innenleiter 310; 410 weitere ringförmige Leiter 350, 351, 390; 450, 451, 490 vorgesehen sein, die jeweils mit den radial verlaufenden Leiterstrukturen verbunden sind und als Rückleiter für die durch die Leiterstrukturen fließende Ströme dienen. Diese ringförmigen Leiter bewirken jeweils einen lokalen Abfall der HF-Feldstärke, so dass damit lokale Maxima des HF-Feldes abgesenkt und der radiale Verlauf des HF-Feldes insgesamt homogener gestaltet werden kann.

Durch geeignete Kombination dieser beiden Parameter, d. h. durch Auswahl der Art und Anzahl der Leiterstrukturen sowie der Anordnung und der Anzahl der ringförmigen Leiter ist eine weitere Optimierung der Homogenität des HF-Feldes möglich.

Als dritter Parameter, mit dem die Stromverteilung auf dem HF-Resonator zur Erreichung dieses Ziels beeinflusst werden kann, können Kondensatoren in die Leiterstrukturen eingebracht werden. Dies ist beispielhaft in Fig. 8 dargestellt.

Einerseits ist es möglich, die jeweiligen Verbindungspunkte der Leiterstrukturen 30x, 31x, 32x, 33x mit dem ersten ringförmigen Innenleiter 310; 410 beziehungsweise mit dem Außenleiter 390; 490 über jeweils einen Kondensator Cix bzw. Cax (x = 1, 2, 3, . . .) mit der HF-Abschirmung 12, 13 zu verbinden. Dies hat zur Folge, dass den Rückströmen neben den ringförmigen Leitern ein zweiter Weg zur Verfügung steht und Resonanzströme über Masse und die HF-Abschirmung abfließen können. Alternativ dazu kann zur Rückführung auch eine Rückführungsstruktur vorgesehen sein, die im wesentlichen identisch mit den Leiterstrukturen des HF-Resonators ist und zwischen dieser und der HF-Abschirmung angeordnet ist.

Weiterhin kann es auch vorteilhaft sein, eine oder mehrere der radialen Leiterstrukturen nicht mit dem ringförmigen Innenleiter 310; 410 und/oder dem Außenleiter 390; 490 zu verbinden, sondern nur über die dort angeordneten Kondensatoren Cix bzw. Cax an die HF-Abschirmung 12; 13 oder die Rückführungsstruktur zu führen.

Andererseits können Kondensatoren Clx (x = 1, 2, 3, . . .) auch direkt in die Leitungsabschnitte der Leiterstrukturen und 1 oder die ringförmigen Leiter eingesetzt werden, wodurch in Leitungsschleifen (Maschen) aus diesen Leitungsabschnitten Resonanzen und damit Stromveränderungen in dem Resonator hervorgerufen werden können.

Fig. 9 zeigt eine besondere Ausgestaltung des ringförmigen Außenleiters 390; 490, der durch eine koaxiale Struktur gebildet ist. Die radialen Leiterstrukturen 30x, . . . sind dabei mit deren Innenleiter 390i verbunden. Durch eine Veränderung der Länge der Abschirmung 390a zwischen den Verbindungspunkten kann insbesondere im Randbereich des HF-Flächenresonators eine Feinabstimmung der Homogenität des HF-Feldes vorgenommen werden. Die Abschirmung 390a liegt wie üblich an einem Bezugspotential. Prinzipiell können auch einer oder mehrere der anderen ringförmig verlaufenden Leiter 310, 350, 351; 410, 450, 451, durch eine solche koaxiale Struktur gebildet sein.

Eine weitere Möglichkeit zur Veränderung des HF-Feldverlaufes besteht darin, den Abstand zwischen dem HF-Flächenresonator und der HF-Abschirmung zu verändern. Dies wurde oben im Hinblick auf einen im Querschnitt (x/y Ebene) konischen Verlauf des HF- Flächenresonators (und/oder der HF-Abschirmung) bereits erläutert. Fig. 10 zeigt im Querschnitt eine erste Alternative dazu, bei der sich die HF-Abschirmung 13 in radialer Richtung an den HF-Flächenresonator 40 annähert. Da eine Verkleinerung des Abstandes zu einer Verminderung der HF-Feldstärke führt, kann mit dieser Konfiguration ein besonders steiler Abfall der Feldstärke an den Randbereichen des HF-Flächenresonators erzielt werden. Die gewünschte Homogenität im Innenbereich kann durch eine oder mehrerer der oben genannten Maßnahmen aufrechterhalten werden.

Fig. 11 zeigt eine zweite alternative HF-Abschirmung 13, die sich sowohl im zentralen Bereich, als auch im Randbereich an die HF-Flächenresonator 40 annähert. Damit kann die HF-Feldstärke sowohl im zentralen Bereich, als auch im Randbereich vermindert werden.

Die Speisung der Antenne erfolgt über mindestens zwei Einspeisungspunkte an den Leiterstrukturen 30x, . . . bzw. dem Außenleiter 390 (490), die in Umfangsrichtung zum Beispiel einen Winkelabstand von 90 Grad aufweisen und mit um den gleichen Betrag phasenverschobenen HF-Impulsen gespeist werden, so dass durch die Antenne ein zirkular polarisiertes HF-Feld ausgesendet wird. Fig. 12 zeigt beispielhaft eine vierphasige Einspeisung an jeweils einen Winkelabstand von 90 Grad aufweisenden Punkten. Die HF- Impulse werden mit einer Oszillatorschaltung 60 erzeugt und jedem Einspeisungspunkt über einen diesem zugeordneten Phasenschieber 61 bis 64 mit Verstärker 65 bis 68 zugeführt. Eine solche mehrphasige Einspeisung ermöglicht durch entsprechenden Abgleich der Phasenschieber bzw. Verstärker zum Beispiel eine Kompensation thermischer Ausdehnungen einzelner Leiterstrukturen sowie eine Kompensation von Dämpfungen des umlaufenden HF-Feldes, so dass damit auch eine Korrektur von Inhomogenitäten in Umfangsrichtung vorgenommen werden kann. Die Anzahl und die Verteilung der Einspeisungspunkte entlang des Außenleiters 390 (490) kann unabhängig von der mit Bezug auf die Fig. 3 bis 11 beschriebenen Konfiguration des HF-Flächenresonators gewählt werden.

Bei der praktischen Anwendung des HF-Flächenresonators in einem Magnetresonanz- Bildgerät zur Untersuchung eines Patienten kann es erforderlich sein, lokale Empfangsspulen zu verwenden, die lokal eingesetzt werden. Diese Spulen koppeln magnetisch mit dem planaren HF-Flächenresonator und können diesen stören und zumindest in einzelnen geschlossenen Leiterschleifen (Maschen) unerwünschte Resonanzen anregen, die wiederum die Homogenität des gesamten HF-Feldes beeinträchtigen bzw. die Empfangsantenne stören (d. h. deren Signal/Rauschverhältnis vermindern) oder andere unerwünschte Folgen haben. Um dies zu vermeiden, sind gemäß Fig. 13 in einzelne oder mehrere Leitungsabschnitte schaltbare Dioden (zum Beispiel pin-Dioden) Dx geschaltet, mit denen die Leitungsabschnitte geöffnet und dadurch eine resonante Masche oder auch der gesamte HF-Flächenresonator abgeschaltet werden kann.

Darüber hinaus kann durch ein gezieltes Abschalten einzelner Leiterstrukturen der Feldverlauf bzw. dessen Homogenität an die Form eines Untersuchungsobjektes angepasst werden. Wenn zum Beispiel nur ein bestimmtes Organ (ROI - region of interest) eines Patienten untersucht werden soll, so kann zur Vermeidung einer unnötigen Strahlungs- (Feld-)belastung des Patienten die Form des ausgeleuchteten Bereiches in der y/z-Ebene durch elektronisches Umschalten so gestaltet werden, dass im wesentlichen nur dieses Organ dem HF-Feld ausgesetzt wird.

Schließlich ist es auch möglich, die Dioden in dem Außenleiter 390; 490 zum Umschalten zwischen entgegengesetzt zirkularen Polarisationsrichtungen und somit auch zwischen Sende- und Empfangsbetrieb zu verwenden, wenn zwischen den Dioden jeweils ein Einspeisungspunkt liegt.

Eine entsprechende Ansteuerschaltung für die pin-Dioden Dx ist in Fig. 14 gezeigt. Ein besonderer Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass die Ansteuerung über eine optische Faser 50 erfolgt, die im Gegensatz zu einer elektrischen Leitung den HF-Flächenresonator nicht beeinflusst. Die Versorgungsspannung der Dioden Dx wird dabei aus dem beim Senden durch die betreffende Leiterstruktur 30x, 390, . . fließenden HF-Strom gewonnen, so dass keine externe Versorgungsspannung notwendig ist. Im einzelnen dienen hierzu Gleichrichter-Dioden Dgl1, Dgl2, die über Kondensatoren Cx mit der betreffenden Leiterstruktur verbunden sind und den gleichgerichteten HF-Strom einer Einrichtung 51 zuführen. Diese Einrichtung 51 umfasst einen Kondensator zum Speichern der Ladungen und zum Glätten der Spannung, so dass die Diode Dx auch dann geschaltet werden kann, wenn die Antenne als Empfangsantenne betrieben wird. Zum Durchverbinden der Versorgungsspannung an die Diode Dx ist in der Einrichtung 51 ferner ein Optokoppler vorgesehen, mit dem die optische Faser 50 verbunden ist. Eventuelle restliche HF-Anteile in der Versorgungsspannung können schließlich mit Induktivitäten Lx von der Diode Dx abgeblockt werden.

Die Leiterstrukturen des HF-Flächenresonators sind vorzugsweise in Form von Streifenleitungen aus Kupfer mit einer Dicke von etwa 100 µm auf eine Trägerplatte aus Epoxy aufgebracht. Die HF-Abschirmung kann durch eine Kupferfolie mit einer Stärke von etwa 10 bis 20 µm gebildet sein. Es ist auch möglich, die Leiterstrukturen, die HF- Abschirmung sowie gegebenenfalls die gesonderte Leiterstruktur zur Rückleitung, einschließlich der beschriebenen Bauelemente (Kondensatoren, Dioden) in einem Epoxyblock als eine Einheit zu vergießen.

Um zu verhindern, dass sich eine solche Einheit in Folge der relativ hohen Verlustleistung beim Senden sowie der Nähe zu den Gradientenspulen 3, 4, 5; 6, 7, 8 zu stark erwärmt und dadurch mechanische Schäden verursacht und/oder die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigt werden, sind vorzugsweise Mittel zur Kühlung (nicht dargestellt) vorgesehen. Diese Mittel können einerseits durch Rohre gebildet sein, die in x-Richtung (vertikale Richtung) im Bereich der Außenleiter 390, 490 der HF-Flächenresonatoren verlaufen und durch die ein Kühlmittel (zum Beispiel eine Kühlflüssigkeit) geführt wird. Andererseits ist es auch möglich, die Leiterstrukturen des HF-Flächenresonators in Form von Rohren mit rechteckigem oder ovalem Querschnitt auszubilden und durch diese ein Kühlmittel hindurchzuführen.

Durch sinnvolle Kombination der mit Bezug auf die Fig. 3 bis 13 beschriebenen Merkmale lässt sich eine für nahezu jeden Anwendungsfall optimale Strahlungscharakteristik des HF-Flächenresonators erzielen.

Claims (11)

1. HF-Flächenresonator zum Senden und/oder Empfangen von zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von sich von einem zentralen Bereich (300; 400) in Radialrichtungen erstreckenden Leiterstrukturen (30x, 31x, 32x, 33x; 40x, 41x, 42x, 43x), sowie mindestens eine den zentralen Bereich umschließende Leiterschleife (310 bis 390; 410 bis 490) für einen Leiterstrukturen-Rückstrom, deren radialer Abstand von dem zentralen Bereich so gewählt ist, dass eine gewünschte Strahlungscharakteristik in einer zu dem Flächenresonator senkrechten Ebene erzielt wird.

2. HF-Flächenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstrukturen (30x, 31x, 32x, 33x; 40x, 41x, 42x, 43x) jeweils durch eine Mehrzahl von Leitungsabschnitten gebildet sind, die eine oder mehrere parallelogrammähnliche Formen bilden.

3. HF-Flächenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Leiterstrukturen (30x, 31x, 32x, 33x; 40x, 41x, 42x, 43x) entsprechend einer in einer senkrechten Ebene zu erzielenden Strahlungscharakteristik bemessen ist.

4. HF-Flächenresonator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine HF-Abschirmung (12; 13) für das HF-Feld des Flächenresonators in einer zu diesem im wesentlichen parallelen Ebene, wobei ein lokaler Abstand zwischen der HF-Abschirmung und dem Flächenresonator entsprechend einer zu erzielenden Strahlungscharakteristik bemessen ist.

5. HF-Flächenresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Leiterstrukturen (30x, 31x, 32x, 33x; 40x, 41x, 42x, 43x) und/ oder mindestens eine der Leiterschleifen (310 bis 390; 410 bis 490) zur Erzielung einer gewünschten Strahlungscharakteristik über jeweils einen Kondensator (Cix, Cax) mit der HF-Abschirmung (12; 13) verbunden ist.

6. HF-Flächenresonator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere Anordnung von Leiterstrukturen und Leiterschleifen, die im wesentlichen identisch mit derjenigen des Flächenresonators ist und im wesentlichen parallel zu diesem liegt, wobei mindestens eine der Leiterstrukturen (30x, 31x, 32x, 33x; 40x, 41x, 42x, 43x) und/oder mindestens eine der Leiterschleifen (310 bis 390; 410 bis 490) des Flächenresonators zur Erzielung einer gewünschten Strahlungs­ charakteristik über jeweils einen Kondensator (Cix, Cax) mit den Leiterstrukturen bzw. Leiterschleifen der weiteren Anordnung verbunden ist.

7. HF-Flächenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine Leiterstrukturen (30x, 31x, 32x, 33x; 40x, 41x, 42x, 43x) und/ oder in mindestens eine der Leiterschleifen (310 bis 390; 410 bis 490) zur Erzielung einer gewünschten Strahlungscharakteristik jeweils ein Kondensator (Clx) eingesetzt ist.

8. HF-Flächenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Leiterschleifen (310 bis 390; 410 bis 490) durch eine koaxiale Leiterstruktur gebildet ist, wobei die Länge einer Abschirmung (390a; 490a) der koaxialen Leiterstruktur zur Erzielung einer gewünschten Strahlungscharakteristik bemessen ist.

9. HF-Flächenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine der Leiterstrukturen (30x, 31x, 32x, 33x; 40x, 41x, 42x, 43x) und /oder in mindestens eine der Leiterschleifen (310 bis 390; 410 bis 490) jeweils eine schaltbare Diode (Dx) eingesetzt ist, wobei durch Sperren bzw. Durchschalten der Dioden die Strahlungscharakteristik des Flächenresonators umschaltbar ist.

10. HF-Flächenresonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dioden (Dx) pin-Dioden sind, deren Versorgungsspannung aus einem in dem Flächenresonator fließenden HF-Strom gewonnen wird und die mit einem über eine optische Faser (50) geführten Lichtsignal geschaltet werden.

11. Magnetresonanz-Bildgerät zur Erzeugung eines ein Untersuchungsobjekt senkrecht durchsetzendes Grundmagnetfeld (Vertikalfeld), gekennzeichnet durch einen HF-Flächenresonator nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines zirkular polarisiertes Hochfrequenzfeldes.