DE102006017438A1 - Resonator für Magnetresonanzanwendungen - Google Patents
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Abstract
Ein Resonator für Magnetresonanzanwendungen weist ein sich in einer Erstreckungsrichtung (x) erstreckendes Leiterelement (1) auf. Bei Betrieb des Leiterelements (1) mit einer Resonanzfrequenz oszilliert in dem Leiterelement (1) in der Erstreckungsrichtung (x) ein Resonanzstrom. Das Leiterelement (1) ist auf die Resonanzfrequenz abgestimmt. Es ist als Vielschichtleiter mit einer Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten Schichten (2) ausgebildet. Die Schichten (2) weisen, in der Erstreckungsrichtung (x) gesehen, Schichtenden (4) auf, die zumindest kapazitiv miteinander gekoppelt sind. Das Leiterelement (1) ist derart ausgebildet, dass bei Betrieb des Leiterelements (1) mit der Resonanzfrequenz in den Schichten (2) in der Erstreckungsrichtung (x) Schichtströme fließen, die untereinander zumindest im Wesentlichen gleich groß sind.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Resonator für Magnetresonanzanwendungen, der ein sich in einer Erstreckungsrichtung erstreckendes Leiterelement aufweist.
- Derartige Resonatoren sind allgemein bekannt.
- Resonatoren für Magnetresonanzanwendungen weisen – wie viele andere Resonatoren auch – ein Leiterelement auf, das sich in einer Erstreckungsrichtung erstreckt. Bei Betrieb des Leiterelements mit einer Resonanzfrequenz oszilliert in dem Leiterelement in der Erstreckungsrichtung ein Resonanzstrom. Der Resonanzstrom ist besonders hoch, wenn das Leiterelement auf die Resonanzfrequenz abgestimmt ist.
- Bei Magnetresonanzanwendungen hängt die Larmorfrequenz, mit der die korrespondierende Magnetresonanzanlage betrieben wird, zum Einen von der Stärke des Grundmagnetfeldes der Magnetresonanzanlage und zum Anderen von dem Element ab, dessen angeregter Spin detektiert werden soll. Für Wasserstoff beispielsweise beträgt das gyromagnetische Verhältnis ca. 42,4 MHz/T.
- Magnetresonanzanlagen werden üblicherweise mit Grundmagnetfeldern betrieben, die zwischen 0,2 und 1,5 T liegen. In jüngerer Zeit sind auch Magnetresonanzanlagen bekannt geworden, die stärkere Grundmagnetfelder aufweisen, insbesondere Grundmagnetfelder von 3 T, in manchen Fällen sogar bis zu 7 T und darüber. Dementsprechend liegt die Larmorfrequenz von Magnetresonanzanlagen üblicherweise zwischen 8,5 MHz und ca. 63,5 MHz, in Einzelfällen aber auch darüber.
- Die Larmorfrequenz ist die Frequenz, auf die bei Magnetresonanzanwendungen die Resonatoren abgestimmt sein sollten. Sie entspricht also im Idealfall der Resonanzfrequenz des Resonators.
- Wie allgemein bekannt ist, ist ein Leiterelement ohne weitere Maßnahmen bei einer Resonanzfrequenz resonant, wenn seine Länge ein ganzzahliges Vielfaches der Hälfte der Wellenlänge der Resonanzfrequenz beträgt. Wie sich durch Nachrechnen ergibt, beträgt die Länge eines λ/2-Stabes bei einer Magnetresonanzanlage mit einem Grundmagnetfeld von 1,5 T somit ca. 2,5 m. Derartige Längen sind bei Resonatoren für Magnetresonanzanwendungen jedoch unrealistisch. Die Stäbe von Ganzkörperantennen weisen beispielsweise Längen auf, die in der Regel bei maximal 60 cm liegen. Lokalspulen sind oftmals sogar noch viel kleiner. Daher ist es bei Resonatoren für Magnetresonanzanwendungen ohne weitere Maßnahmen nicht möglich, die Abstimmung auf die Larmorfrequenz nur durch entsprechende Dimensionierung des Leiterelements zu erreichen. Vielmehr ist es allgemein üblich, eine entsprechende Beschaltung vorzusehen, wobei die Beschaltung die Abstimmung des Leiterelements auf die Resonanzfrequenz bewirkt.
- Der Resonanzstrom ist hochfrequent. Bei hochfrequenten Strömen tritt der sogenannte Skineffekt auf, so dass der Resonanzstrom nicht mehr im gesamten Querschnitt des Leiterelements fließt, sondern nur noch in einem Randbereich. Der Randbereich weist eine Skintiefe auf, welche durch die Resonanzfrequenz und das Material, aus dem das Leiterelement besteht, bestimmt ist. Auf Grund des Skineffekts fließt der Resonanzstrom also nur noch in einem Bruchteil des Querschnitts des Leiterelements, so dass der effektive Widerstand des Leiterelements ansteigt.
- Es ist denkbar, den wirksamen Widerstand des Leiterelements durch Kühlen oder durch Verwenden eines supraleitenden Materials zu verringern. Diese Vorgehensweisen implizieren jedoch einen erheblichen technischen Aufwand und stellen darüber hinaus ein Sicherheitsrisiko für einen Patienten dar, der in der Magnetresonanzanlage untersucht wird. Diese Maßnahmen werden daher bei Magnetresonanzanlagen in der Praxis in aller Regel nicht eingesetzt.
- Theoretisch ist auch die Verwendung einer Hochfrequenzlitze denkbar. In der Praxis bringt die Verwendung einer Hochfrequenzlitze jedoch keinen Vorteil. Denn Litzenleiter verringern den Widerstand nur bis zu Frequenzen zu wenigen Megahertz, typischerweise 2 bis 4 MHz. Die Larmorfrequenz liegt jedoch deutlich oberhalb dieser Frequenz, nämlich bei mindestens 8,5 MHz.
- Es sind schon Leiterelemente bekannt geworden, die als Vielschichtleiter mit einer Vielzahl von Schichten ausgebildet sind. Beispielhaft wird auf die US-A-2,769,148 und die US-A-6,148,221 verwiesen. Wenn in einem derartigen Fall die einzelnen Schichten Schichtdicken aufweisen, die kleiner als die Skintiefe sind, lässt sich mit solchen Leiterelementen der effektive Widerstand bei der Resonanzfrequenz erheblich verringern. Die Schichten können entweder konzentrisch zueinander sein (sogenannter Clogstonleiter, siehe z. B. die US-A-2,769,148) oder planar sein (siehe z. B. die US-A-6,148,221). Könnten derartige Leiterelemente bei Resonatoren für Magnetresonanzanwendungen verwendet werden, wäre dies von Vorteil. Der Einsatz von Vielschichtleitern als Leiterelemente führt aber nicht ohne weiteres zu der erwarteten Reduzierung des effektiven Widerstands.
- Genauere Untersuchungen haben ergeben, dass das Problem darin besteht, dass für die optimale Aufteilung des Resonanzstroms auf die einzelnen Schichten des Vielschichtleiters nach einem Übergang von einem Massivleiter bzw. einer externen Beschaltung auf den Vielschichtleiter nur dann erfolgt, wenn dies durch entsprechende Ausgestaltung des Vielschichtleiters oder der externen Beschaltung gewährleistet ist. Die Stromverteilung kann sich somit nicht ohne weiteres einstellen. Darüber hinaus führen bereits geringfügige Inhomogenitäten des Vielschichtleiters zu einer erheblichen Reduzierung der erreichbaren Widerstandsverringerung. Der Einsatz von Vielschicht leitern bei Resonatoren für Magnetresonanzanwendungen wurde daher in der Praxis für nicht sinnvoll erachtet.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Resonator für Magnetresonanzanwendungen zu schaffen, bei dem der effektive Widerstand deutlich kleiner ist als bei einem Massivleiter.
- Die Aufgabe wird bei einem Resonator der eingangs genannten Art dadurch gelöst,
- – dass das Leiterelement als Vielschichtleiter mit einer Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten Schichten ausgebildet ist,
- – dass die Schichten in der Erstreckungsrichtung gesehen Schichtenden aufweisen, die zumindest kapazitiv miteinander gekoppelt sind, und
- – dass das Leiterelement derart ausgebildet ist, dass bei Betrieb des Leiterelements mit der Resonanzfrequenz in den Schichten in der Erstreckungsrichtung Schichtströme fließen, die untereinander zumindest im Wesentlichen gleich groß sind.
- Denn auf Grund der Ausbildung des Leiterelements als Vielschichtleiter besteht überhaupt erst die Möglichkeit, den effektiven Widerstand des Leiterelements gegenüber einem Massivleiter deutlich zu verringern. Auf Grund der Ausbildung des Leiterelements, welche die gleichmäßige Stromverteilung in den einzelnen Schichten bewirkt, wird diese Möglichkeit auch tatsächlich genutzt.
- In einer ersten möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung enden die Schichtenden an einem ersten bzw. einem zweiten Leiterende des Leiterelements. In diesem Fall sind vorzugsweise die Schichten an einer Vielzahl von Vertauschungsstellen jeweils zyklisch vertauscht.
- In einer Ausgestaltung der letztgenannten Ausführungsform sind die Vertauschungsstellen in der Erstreckungsrichtung gesehen gleichmäßig angeordnet. Dadurch kann ein besonders gleichmäßiger Stromfluss in den einzelnen Schichten bewirkt werden.
- Vorzugsweise gilt die Beziehung V = k·S/2 oder die Beziehung V = (k·S – 1)/2, wobei V die Vielzahl von Vertauschungsstellen und S die Vielzahl von Schichten sind. k ist eine ganze Zahl. Durch diese Maßnahme kann die Aufteilung des Resonanzstroms auf die einzelnen Schichten noch weiter vergleichmäßigt werden.
- Wenn die Schichten als plane Schichten ausgebildet sind, kann die zyklische Vertauschung der Schichten beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass an den Vertauschungsstellen jeweils mindestens eine der Schichten entsprechend gefaltet ist.
- In einer weiteren möglichen Ausführungsform weisen die Schichten quer zur Erstreckungsrichtung verlaufende Einkerbungen auf. Diese Ausgestaltung ist alternativ oder zusätzlich zum zyklischen Vertauschen der Schichten realisierbar.
- In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist das Leiterelement als Torus ausgebildet. Zwischen den Schichten sind Dielektrika angeordnet. In diesem Fall sind die Schichtenden einer Schicht in der Erstreckungsrichtung gesehen jeweils durch einen Spalt voneinander getrennt. Die Spalte sind in der Erstreckungsrichtung gesehen nicht alle an derselben Stelle angeordnet. Vorzugsweise sind die Spalte unmittelbar aneinander angrenzender Schichten entlang der Erstreckungsrichtung um einen Winkel versetzt, der geringfügig kleiner als 180° ist.
- Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
-
1 bis3 je einen Prinzipaufbau eines Resonators für Magnetresonanzanwendungen, -
4 den Resonator von3 im Schnitt in abgerollter Darstellung, -
5 den Resonator von3 im Querschnitt, -
6 einzelne Schichten, -
7 eine Modifikation des Resonators von2 und -
8 bis10 ein mögliches Herstellungsverfahren für den Resonator von7 . - Gemäß den
1 bis3 weist ein Resonator für Magnetresonanzanwendungen ein Leiterelement1 auf, das sich in einer Erstreckungsrichtung x erstreckt. Bei Betrieb des Leiterelements1 mit einer Resonanzfrequenz f oszilliert in dem Leiterelement1 in der Erstreckungsrichtung x ein Resonanzstrom I. - Die Resonanzfrequenz f korrespondiert bei Magnetresonanzanwendungen mit der Larmorfrequenz fL einer Magnetresonanzanlage. Das Leiterelement
1 erstreckt sich daher über eine Gesamtlänge L, die erheblich kleiner als die Hälfte der mit der Resonanzfrequenz f korrespondierenden Wellenlänge ist. Dennoch ist das Leiterelement1 auf die Resonanzfrequenz f abgestimmt. Details hierzu werden noch erläutert werden. - Das Leiterelement
1 ist als Vielschichtleiter ausgebildet. Es weist also eine Vielzahl von elektrisch leitenden Schichten2 auf, die elektrisch voneinander isoliert sind. - Bei dem Leiterelement
1 der1 und2 sind die Schichten2 als plane Schichten2 ausgebildet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für Ganzkörperspulen besonders geeignet. Prinzipiell ist die Ausgestaltung der1 und2 aber auch bei anderen Resonatoren für Magnetresonanzanwendungen anwendbar. - Bei den
1 und2 enden die Schichtenden4 in der Erstreckungsrichtung x jeweils an der gleichen Stelle. Die Schichtenden4 enden also an einem ersten bzw. einem zweiten Leiterende9 des Leiterelements1 . - Bei der Ausgestaltung von
3 ist das Leiterelement1 als Torus1 ausgebildet. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für Lokalspulen besonders geeignet. Prinzipiell ist aber auch die Anwendung bei anderen Resonatoren möglich. - Die Schichten
2 weisen sowohl bei der Ausgestaltung der1 und2 als auch bei der Ausgestaltung der3 in der Erstreckungsrichtung x gesehen Schichtenden4 auf. Die Schichtenden4 jeder Schicht2 sind zumindest kapazitiv miteinander gekoppelt, z. B. gemäß2 über eine Masseebene M. Sie können auch durch eine in den FIG nicht dargestellte Beschaltung miteinander verbunden sein. - Bei der Ausgestaltung gemäß
3 sind – siehe4 – die Schichtenden4 jeder Schicht2 jeweils durch einen Spalt5 voneinander getrennt. Der Spalt5 der äußersten Schicht2 kann gegebenenfalls mittels eines Kondensators überbrückt sein. Dies ist aber nicht zwingend. Quer zur Erstreckungsrichtung x ist zwischen je zwei Schichten2 jeweils ein Dielektrikum3 angeordnet. Als Material für das Dielektrikum3 kommen beispielsweise SiO2 und Al2O3 in Frage. Es sind aber auch andere elektrisch isolierende Materialien möglich. Sie sollten möglichst verlustarm sein. - Die einzelnen Schichten
2 sind bei der Ausgestaltung gemäß der3 und4 beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern auf einen elektrisch isolierenden Toruskern6 aufgebracht. Die Spalte5 können durch Masken oder Ätzprozesse erzeugt worden sein. Sie sind gemäß4 vorzugsweise in der Erstreckungsrichtung x gesehen nicht alle an derselben Stelle angeordnet. Dadurch kann ein Graben vermieden werden. - Vorzugsweise sind – siehe wieder
4 – die Spalte5 unmittelbar aneinander angrenzender Schichten2 in der Erstreckungsrichtung x gesehen um einen Winkel α versetzt. Der Winkel α kann prinzipiell einen beliebigen Wert annehmen. Vorzugsweise ist er geringfügig kleiner als 180°. - Die Resonanzfrequenz f des Leiterelements
1 der3 und4 ist einerseits durch die Abmessungen des Torus1 und zum Anderen durch die Anzahl, die Dicke und das Material der Dielektrika3 sowie durch den Winkel α bestimmt. Der elektrische Anschluss des Leiterelements1 kann an der äußersten Schicht2 erfolgen. Die innen liegenden Schichten2 sind in diesem Fall induktiv und kapazitiv gekoppelt. Es ist aber auch möglich, das Leiterelement der3 und4 mittels einer externen Koppelschleife induktiv anzukoppeln. - Durch die geeignete Wahl von Material und Dicke d der Schichten
2 sowie von Material der Dielektrika3 und Abstand a der Schichten2 – siehe5 – kann erreicht werden, dass bei der Ausgestaltung gemäß den3 und4 bei Betrieb des Leiterelements1 mit der Resonanzfrequenz f in den Schichten2 in der Erstreckungsrichtung x Schichtströme IS fließen, die untereinander zumindest im Wesentlichen gleich groß sind. Der Begriff „im Wesentlichen gleich groß" ist in dem Sinne zu verstehen, dass der Quotient zwischen dem größten und dem kleinsten der Schichtströme IS kleiner als 3 ist. Vorzugsweise ist der Quotient sogar kleiner als 2, insbesondere kleiner als 1,25. - Auch bei den Ausgestaltungen der
1 und2 ist das Leiterelement1 derart ausgebildet, dass bei Betrieb des Leiterelements1 mit der Resonanzfrequenz f in den Schichten2 in der Erstreckungsrichtung x Schichtströme IS fließen, die untereinander zumindest im Wesentlichen gleich groß sind. Die6 bis10 zeigen zwei verschiedene mögliche Ausgestaltungen des Leiterelements1 , mit denen diese Gleichverteilung der Schichtströme IS erreicht werden kann. - Gemäß
6 sind in die einzelnen Schichten2 Einkerbungen7 eingebracht, die quer zur Erstreckungsrichtung x verlaufen und so die Längsinduktivität der jeweiligen Schicht2 erhöhen. Der jeweilige Schichtstrom IS muss daher in der jeweiligen Schicht2 mäanderartig fließen. Durch die Einkerbungen7 kann somit erreicht werden, dass jede Schicht2 bei der Reso nanzfrequenz f die gleiche Impedanz aufweist wie die anderen Schichten2 . - Alternativ oder zusätzlich zum Einbringen der Einkerbungen
7 in die Schichten2 ist es gemäß7 auch möglich, dass die Schichten2 an einer Vielzahl von Vertauschungsstellen8 jeweils zyklisch vertauscht sind. - Die Vertauschungsstellen
8 sind in der Erstreckungsrichtung x gesehen vorzugsweise gleichmäßig angeordnet. Eine Abschnittslänge1 des Leiterelements1 zwischen je zwei Vertauschungsstellen9 ist somit vorzugsweise konstant bzw. unabhängig von der Wahl der Vertauschungsstelle8 . - Die Vielzahl von Vertauschungsstellen
9 ist vorzugsweise derart gewählt, dass die Beziehung V = k·S/2 oder die Beziehung V = (k·S – 1)/2 gilt, wobei V die Vielzahl von Vertauschungsstellen8 , S die Vielzahl von Schichten2 und k eine ganze Zahl sind. Dies ist in6 für k = 1 und V = k·S/2 dargestellt. Der Grund dafür, dass bei der Darstellung von7 die erste Alternative (v = k·S/2) dargestellt ist, besteht darin, dass Abschnittsteillängen11 ,12 sich bei der Ausgestaltung gemäß7 zu der Abschnittlänge1 ergänzen. Die Alternative V = (k·S – 1)/2 müsste hingegen dann gewählt werden, wenn die Abschnittsteillängen11 ,12 die Bedingung 11 = 12 = 1 erfüllen würden. - In Verbindung mit den
8 bis10 wird nunmehr ein bevorzugtes Verfahren erläutert, mittels dessen die Vertauschungsstellen8 realisiert werden können. - Gemäß
8 ist im Bereich jeder Vertauschungsstelle8 in die jeweils unterste Schicht2 mittig jeweils ein Schlitz10 eingebracht. Auf Grund des Schlitzes10 ist es möglich, die unterste Schicht2 im Bereich der jeweiligen Vertauschungsstelle8 so zu falten, wie dies in9 dargestellt ist. Dadurch entsteht im Bereich der jeweiligen Vertauschungsstelle9 eine Öffnung11 , durch die – siehe10 – die anderen Schichten2 hindurch geführt werden können. Hinter der Vertauschungsstelle8 ist somit die zuvor unterste Schicht2 nunmehr zur obersten Schicht2 geworden. Die übrigen Schichten2 sind jeweils eins nach unten versetzt worden. An den Vertauschungsstellen8 ist somit jeweils eine der Schichten2 derart gefaltet, dass die Faltung dieser Schicht2 die zyklische Vertauschung der Schichten2 bewirkt. - Mittels der erfindungsgemäßen Vorgehensweise sind somit Vielschichtleiter nicht nur prinzipiell bei Resonatoren für Magnetresonanzanwendungen einsetzbar. Vielmehr ist auch der erwünschte Vorteil von Vielschichtleitern erreichbar, nämlich eine deutliche Widerstandsreduzierung bei der Resonanzfrequenz f .
Claims (9)
- Resonator für Magnetresonanzanwendungen, der ein sich in einer Erstreckungsrichtung (x) erstreckendes Leiterelement (
1 ) aufweist, – wobei bei Betrieb des Leiterelements (1 ) mit einer Resonanzfrequenz (f) in dem Leiterelement (1 ) in der Erstreckungsrichtung (x) ein Resonanzstrom (I) oszilliert, – wobei das Leiterelement (1 ) auf die Resonanzfrequenz (f) abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, – dass das Leiterelement (1 ) als Vielschichtleiter mit einer Vielzahl von elektrisch voneinander isolierten Schichten (2 ) ausgebildet ist, – dass die Schichten (2 ) in der Erstreckungsrichtung (x) gesehen Schichtenden (4 ) aufweisen, die zumindest kapazitiv miteinander gekoppelt sind, und – dass das Leiterelement (1 ) derart ausgebildet ist, dass bei Betrieb des Leiterelements (1 ) mit der Resonanzfrequenz (f) in den Schichten (2 ) in der Erstreckungsrichtung (x) Schichtströme (IS) fließen, die untereinander zumindest im Wesentlichen gleich groß sind. - Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenden (
4 ) an einem ersten bzw. einem zweiten Leiterende (9 ) des Leiterelements (1 ) enden und dass die Schichten (2 ) an einer Vielzahl von Vertauschungsstellen (8 ) jeweils zyklisch vertauscht sind. - Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertauschungsstellen (
8 ) in der Erstreckungsrichtung (x) gesehen gleichmäßig angeordnet sind. - Resonator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beziehung V = k·S/2 oder die Beziehung v = (k·S – 1)/2 gilt, wobei V die Vielzahl von Vertauschungsstellen (
8 ), S die Vielzahl von Schichten (2 ) und k eine ganze Zahl sind. - Resonator nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (
2 ) als plane Schichten (2 ) ausgebildet sind und dass an den Vertauschungsstellen (8 ) jeweils mindestens eine der Schichten (2 ) derart gefaltet ist, dass die Faltung dieser Schicht (2 ) die zyklische Vertauschung der Schichten (2 ) bewirkt. - Resonator nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtenden (
4 ) an einem ersten bzw. einem zweiten Leiterende (9 ) des Leiterelements (1 ) enden und dass die Schichten (2 ) quer zur Erstreckungsrichtung (x) verlaufende Einkerbungen (7 ) aufweisen. - Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leiterelement (
1 ) als Torus (1 ) ausgebildet ist, dass zwischen den Schichten (2 ) Dielektrika (3 ) angeordnet sind, dass die Schichtenden (4 ) einer Schicht (2 ) in der Erstreckungsrichtung (s) gesehen jeweils durch einen Spalt (5 ) voneinander getrennt sind und dass die Spalte (5 ) in der Erstreckungsrichtung (x) gesehen nicht alle an derselben Stelle angeordnet sind. - Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (
5 ) unmittelbar aneinander angrenzender Schichten (2 ) in der Erstreckungsrichtung (x) gesehen um einen Winkel (α) versetzt sind, der geringfügig kleiner als 180° ist. - Resonator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dielektrika (
3 ) aus SiO2 oder Al2O3 bestehen.
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