DE102012206008B4

DE102012206008B4 - Reduzierung von Kopplungseffekten zwischen Spulenelementen einer Magnetresonanzspulenanordnung

Info

Publication number: DE102012206008B4
Application number: DE102012206008.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Vester
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2012-04-12
Filing date: 2012-04-12
Publication date: 2018-04-19
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: US9864024B2; DE102012206008A1; US20130271143A1

Abstract

Magnetresonanzspulenanordnung (1) für eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens zwei Spulenelemente (2), die über einen Verstärker auslesbar und/oder ansteuerbar sind, und eine Anpassungsschaltung (5) zur Leistungs- und/oder Rauschanpassung zwischen dem Spulenelement (2) und dem Verstärker, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile der Anpassungsschaltung (5) zu einer Breitbandanpassung auf ein Frequenzband (12) dimensioniert sind, wobei das Frequenzband (12) durch die äußersten relevanten, aufgrund der Wechselwirkung eines Spulenelements (2) mit wenigstens einem benachbarten Spulenelement (2) auftretenden, von der Resonanzfrequenz verschobenen Kopplungsmoden begrenzt wird, wobei die das Frequenzband begrenzenden, äußersten relevanten Kopplungsmoden aufgrund einer Eigenmoden-Simulation und/oder einer Messung anhand von Schwellwerten ermittelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanzspulenanordnung für eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens zwei Spulenelemente, die über einen Verstärker auslesbar und/oder ansteuerbar sind, und eine Anpassungsschaltung zur Leistungs- und/oder Rauschanpassung zwischen dem Spulenelement und dem Verstärker, sowie ein Verfahren zur Reduzierung von Kopplungseffekten bei einer solchen Spulenanordnung.
Im Rahmen der Magnetresonanzbildgebung werden Spulenanordnungen in zweierlei Hinsicht verwendet. Zum einen werden Sendespulenanordnungen, beispielsweise sogenannte Body Coils, verwendet, um eine Hochfrequenzanregung zu realisieren. Über Empfangsspulenanordnungen, beispielsweise sogenannte Lokalspulen, können Magnetresonanzsignale empfangen werden. Auch kombinierte Sende- und Empfangsspulenanordnungen sind im Stand der Technik bereits bekannt.
Empfangsspulenanordnungen, insbesondere im Fall des parallelen Sendens (pTX) auch Sendespulenanordnungen, weisen dabei mehrere getrennt ansteuerbare oder auslesbare Spulenelemente auf, insbesondere Leiterschleifen. Im Betrieb tritt hierbei das Problem auf, dass diese Spulenelemente aufgrund einer gewissen Nähe zumindest im Fall benachbarter Spulenelemente miteinander gekoppelte Systeme bilden. Durch die unerwünschte Kopplung zwischen Elementen einer solchen Spulenanordnung (oft auch als Antennenarray bezeichnet) erscheint im Empfangsfall ein erhöhter Rauschbeitrag der Vorverstärker, im Sendefall jedoch wird der von den Spulenelementen angenommene Anteil der Sendeleistung reduziert, es kommt also zu Verlusten.
Ansätze zur Lösung des Problems zielen im Stand der Technik auf eine Entkopplung der Spulenelemente voneinander ab, das bedeutet, es wird versucht, die Ursache des Problems, die Kopplung, zu beseitigen. Dafür sind mehrere Ansätze bereits bekannt, beispielsweise eine Entkopplung unmittelbar benachbarter Spulenelemente durch geometrischen Überlapp oder die Verwendung von Entkopplungskondensatoren zwischen den Spulenelementen. Die Kopplung an weiter entfernt liegende Spulenelemente wird meist hingenommen.
Ferner ist aus der Druckschrift US 4 450 408 A ein verlustarmer, breitbandiger Eingangskreis zum Abtasten und Zuführen eines Magnetresonanzsignals zu einem Vorverstärker bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine alternative, einfach realisierbare Art zur Reduzierung des durch die Kopplung von Spulenelementen erzeugten Rauschens und/oder der Leistungsverluste anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Magnetresonanzspulenanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Bauteile der Anpassungsschaltung zu einer Breitbandanpassung auf ein Frequenzband dimensioniert sind, wobei das Frequenzband durch die äußersten relevanten, aufgrund der Wechselwirkung eines Spulenelements mit wenigstens einem benachbarten Spulenelement auftretenden, von der Resonanzfrequenz verschobenen Kopplungsmoden begrenzt wird.
Der Erfindung liegen dabei einige Gedankenschritte zu den Ursachen der zu reduzierenden Effekte zugrunde. Es ist bekannt, dass im Sendefall eine Leistungsanpassung (Impedanzanpassung) erfolgt, das heißt, die Ausgangsimpedanz des Leistungsverstärkers wird über eine Anpassungsschaltung, die meist dem Spulenelement zugeordnet ist, der Eingangsimpedanz des Spulenelements angepasst. Im Empfangsfall findet eines Rauschanpassung statt, das bedeutet, es wird die Ausgangsimpedanz des Spulenelementes so gewählt oder derart transformiert, dass sie der rauschoptimalen Quellimpedanz des Vorverstärkers nahekommt, wozu ebenso eine entsprechende Anpassungsschaltung dem Spulenelement zugeordnet sein kann. Für Spulenelemente, die sowohl Senden als auch Empfangen sollen, kann eine feste Impedanz des Spulenelements (z.B. 50 Ohm) durch die Anpassungsschaltung vorgegeben werden, wobei durch weitere, im Leistungsverstärker und im Vorverstärker eingebaute Anpassschaltungen erreicht wird, dass die gewählte Impedanz (50 Ohm) gleich der optimalen Lastimpedanz des Leistungsverstärkers und der rausch-optimalen Quellimpedanz des Vorverstärkers ist.
Es wurde festgestellt, dass die Ursache für die Leistungsverluste beim Senden und das erhöhte Rauschen beim Empfang die Reflexion aufgrund einer nicht optimalen Anpassung ist. Denn die Anpassung bei den Spulenelementen wird üblicherweise so durchgeführt (und die Bauelemente der Anpassungsschaltung mithin so dimensioniert), dass davon ausgegangen wird, dass Senden und Empfangen bei der Resonanzfrequenz, konkret also der Magnetresonanzfrequenz, stattfindet, was für ein einziges, entkoppeltes Spulenelement korrekt ist. Durch die Kopplung an andere Spulenelemente entsteht jedoch eine Vielzahl von Kopplungsmoden, für den Fall von zwei gekoppelten Spulenelemente beispielsweise entstehen zwei von der Resonanzfrequenz als Mittenfrequenz gleich beabstandete Kopplungsmoden, von denen eine eine gleichsinnige Schwingung betrifft, die andere eine gegensinnige Schwingung. Es sollen jedoch beide Moden berücksichtigt werden, und es soll für die beide eine Reduzierung der Kopplungseffekte gegeben werden. Dies sei für den Empfangsfall nun näher erläutert.
Die induktive Kopplung zwischen Spulenelementen kann als das Einfügen einer Lambda/4-Linie zwischen der Masse zweier Quellwiderstände verstanden werden, wie durch Reykowski und Wang, „Rigid NMR analysis of coupled coils...“, Proceedings of ISMRM 2000, Seite 1402, gezeigt wurde, vgl. auch Reykowski, Saylor und Dünsing, „Do we need preamplifier decoupling?“ in Proceedings of ISMRM 2011, Seite 3883. Rauschstrom von einem Vorverstärker wird dabei als eine zusätzliche Rauschspannung in das andere System übertragen. Diese „Rauschkopplung“ kann für zwei Spulenelemente als eine Nichtüberstimmung ihrer zwei fundamentalen Kopplungsmoden wie oben bereits erwähnt verstanden werden, nämlich einer geraden („even“) Kopplungsmode mit parallelen Strömen und Feldern und einer ungeraden („odd“) Kopplungsmode mit antiparallelen Strömen und Feldern. Betrachtet man nun äquivalente Stromkreise für die beiden Moden, stellt man zusammenfassend fest, dass für die gerade Kopplungsmode die Fehlanpassung dieselbe ist wie bei einem einzigen Verstärker, bei dem eine Abweichung der Impedanz durch eine durch die Kopplung bestimmte relative Blindimpedanz jkQ nach oben gegeben ist, nämlich 1*(1+jkQ) anstatt 1, bei der ungeraden Kopplungsmode eine Abweichung nach unten, nämlich 2*(1-jkQ) statt 2. Mithin liegt für beide Spulen eine zwar betragsmäßig gleiche Abweichung von der rauschoptimalen Impedanz im hier diskutierten Empfangsfall vor, jedoch in unterschiedliche Richtungen, so dass eine auf einen der Kopplungsmoden bezogene Korrektur den Rauscheffekt des anderen Mode deutlich erhöhen würde. Dies ist nicht gewünscht, da damit allenfalls für bestimmte Teile des Bildes eine Verbesserung erreichbar wäre, nicht jedoch für den gesamten Aufnahmebereich bzw. Objektraum.
Daher zielt das erfindungsgemäße Verfahren mit seiner Lösung darauf ab, die Reflektionen (im beschriebenen Fall) für beide Kopplungsmoden simultan zu reduzieren. Es wird vorgeschlagen, eine aus anderen Anwendungsbereichen für Einzelantennen bekannte Breitbandanpassung durchzuführen, indem ein Frequenzband durch die beiden äußersten relevanten Kopplungsmoden definiert wird. Welche dies sind, ist anhand einer entsprechenden Untersuchung für die entsprechende Spulenanordnung zu klären, wobei das Spektrum durch Simulationsrechnungen und/oder Messungen, beispielsweise eine Doppelsondenmessung, ermittelt werden kann. Durch einen Benutzer oder automatisch, beispielsweise anhand von Schwellwerten, kann dann entschieden werden, welche Kopplungsmoden relevant sind.
Die Idee der Breitbandanpassung, die erstmals von H. A. Wheeler vorgeschlagen wurde, ist, dass minimale Reflektion, also ein minimaler Reflektionsfaktor, an den Rändern des Frequenzbandes erzielt werden kann, wenn auf den Betrag der Quellimpedanz an den Rändern angepasst wird, und nicht auf den in der Bandmitte allein vorhandenen Realteil. Im vorliegenden Fall wird dazu ein als Teil der Anpassungsschaltung realisierter Transformator verwendet. Für die oben dargelegte Situation mit zwei Spulenelementen im Empfangsfall wiese der Umwandler ein Impedanzverhältnis von |1+jkQ| auf. Zur Breitbandanpassung im Fall einer einzigen Antenne, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, sei auch auf einen zusammenfassenden Artikel über das Werk von Wheeler, „Harold A. Wheeler's Antenna Design Legacy", von Alfred R. Lopez, in: Systems, Applications and Technology Conference, 2007, LISAT 2007, IEEE Long Island, Seiten 1-6, verwiesen.
Das im Stand der Technik bereits bekannte Konzept der Anpassung über eine größere Frequenzbandbreite wird auf ein bei nur einer festen Resonanzfrequenz, der Magnetresonanzfrequenz, betriebenes, aber durch Verkopplung verstimmtes Spulenelementsystem, die Magnetresonanzspulenanordnung, übertragen. Durch dieses erfindungsgemäße Vorgehen wird es mithin ermöglicht, durch Anpassung jedes Spulenelementes an seinen Verstärker eine geringere Fehlanpassung über eine höhere Frequenzbandbreite zu erhalten. Dadurch werden im Sendefall die zu den Sendern zurücklaufenden Verlustleistungen reduziert und im Empfangsfall der Anstieg des Vorverstärkerrauschbeitrags verringert. Die Erfindung lässt sich also für das Senden und das Empfangen anwenden, so dass bei einer Empfangsspulenanordnung der Verstärker ein Vorverstärker und/oder bei einer Sendespulenanordnung der Verstärker ein Leistungsverstärker ist.
In konkreter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass gegenüber einer nur auf die Resonanzfrequenz bezogenen Anpassung die Ankopplung des Spulenelements an den Verstärker erhöht ist, insbesondere bei einem seriell geschalteten Kondensator und einem parallel geschalteten Kondensator als Bauteile die Kapazität des seriell geschalteten Kondensators erhöht ist und/oder die Kapazität des parallel geschalteten Kondensators erniedrigt ist. Es wird also eine stärkere Ankopplung des Verstärkers an das Spulenelement vorgeschlagen, was beispielsweise bei entsprechender Ausgestaltung der Anpassungsschaltung durch Erhöhung der Kapazität eines seriellen Kondensators und Erniedrigung der Kapazität eines parallelen Kondensators erfolgen kann. In einem Smith-Diagramm bedeutet das zur Durchführung der Breitbandanpassung, dass die Ränder des Frequenzbandes bei einem Realteil des Reflektionsfaktors von Null liegen.
Neben der Magnetresonanzspulenanordnung betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Reduzierung von Kopplungseffekten bei einer Magnetresonanzspulenanordnung für eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens zwei Spulenelemente, die über einen Verstärker auslesbar und/oder ansteuerbar sind, und eine Anpassungsschaltung zur Leistungs- und/oder Rauschanpassung zwischen dem Spulenelement und dem Verstärker, welches sich dadurch auszeichnet, dass die Bauteile der Anpassungsschaltung zu einer Breitbandanpassung auf ein Frequenzband dimensioniert werden, wobei das Frequenzband durch die äußersten relevanten, aufgrund der Wechselwirkung eines Spulenelements mit wenigstens einem benachbarten Spulenelement auftretenden, von der Resonanzfrequenz verschobenen Kopplungsmoden begrenzt wird. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Magnetresonanzspulenanordnung lassen sich analog auf das Verfahren übertragen.
Insbesondere kann mithin vorgesehen sein, dass die äußersten relevanten Kopplungsmoden aufgrund einer Eigenmoden-Simulation und/oder einer Messung, insbesondere einer Doppelsonden-Messung, ermittelt werden, wie bereits bezüglich der erfindungsgemäßen Magnetresonanzspulenanordnung dargelegt wurde. Die Relevanz von Moden kann unter Einbeziehung von Hintergrundwissen durch einen Benutzer bestimmt oder unter Nutzung geeigneter Kriterien ermittelt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

1 eine Prinzipskizze einer Magnetresonanzspulenanordnung,
2 ein Smith-Diagramm des Reflektionsfaktors bei einer Ausgestaltung mit zwei Spulenelementen,
3 einen den Reflektionsfaktor gegen die Frequenz zeigenden Graphen, und
4 eine mögliche Realisierung der Anpassungsschaltung.

1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzspulenanordnung 1, hier beispielhaft einer Empfangsspulenanordnung, wobei sich das erfindungsgemäße Prinzip selbstverständlich auch auf kombinierte Sende- und Empfangsspulenanordnungen und reine Sendeanordnungen übertragen lässt. Mit letzteren lässt sich ein paralleles Senden realisieren, bei dem auch mit unterschiedlichen Phasen gearbeitet werden kann, so dass auch im reinen Sendefall eine statische Änderung der Impedanz zur Reduzierung von Kopplungseffekten nicht zweckmäßig ist.
Die Magnetresonanzspulenanordnung 1 umfasst mehrere Spulenelemente 2, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur zwei dargestellt sind. Die Spulenelemente sind induktiv aneinander gekoppelt, vergleiche Pfeil 3, so dass sich Kopplungseffekte ergeben, die hier einen negativen Einfluss auf das Rauschen von Vorverstärkern 4 haben, an die die Spulenelemente 3 über eine Anpassungsschaltung 5 mit einem Impedanzumwandler gekoppelt sind.
Die Bauteile der Anpassungsschaltungen 5 sind dabei jeweils so dimensioniert, dass eine die Kopplung in Betracht ziehende Rauschanpassung vorgenommen wird, wobei die Impedanz nicht so transformiert wird, als läge eine einzige Betriebsfrequenz bei der Resonanzfrequenz (Magnetresonanzfrequenz) vor, sondern im Hinblick auf eine Breitbandanpassung. Diese bezieht sich auf ein Frequenzband, das durch die Frequenzen der zwei äußersten relevanten Kopplungsmoden bestimmt wird, die aufgrund der Kopplung der Spulenelemente 2 entstehen. Die Breite des Frequenzbandes hängt vom Grad der Verkopplung ab und kann beispielsweise 5 MHz betragen. Zur Auswahl dieser äußersten relevanten Kopplungsmoden kann das Spektrum durch eine Eigenmoden-Simulation und/oder eine Messung ermittelt werden.
Liegen mithin beispielsweise zwei Spulenelemente 2 vor, die miteinander koppeln, so existieren zwei fundamentale Kopplungsmoden, die beispielsweise bei f_H und f_L liegen können. Sollen beide erfasst werden, ergibt sich das Frequenzband zwischen den Werten f_H und f_L. Das Konzept der Breitbandanpassung sei durch das Smith-Diagramm („Smith chart“) in 2 näher erläutert. Darin ist der Reflektionsfaktor in der komplexen Ebene dargestellt. OC und SC markieren dabei die Grenzfälle offener Kreis („open circuit“) und Kurschluss („short circuit“). C und L stehen für rein kapazitive und induktive Grenzfälle, in denen Blindleistung erzeugt wird.
Die Kurve 6 gibt dabei den Fall wieder, wenn eine Impedanzanpassung ohne Berücksichtigung der Kopplung für ein Spulenelement 2 durchgeführt wird, beispielsweise also 50 Ohm auf 50 Ohm treffen. Bei der Resonanzfrequenz, die auch die Mittenfrequenz des Frequenzbandes darstellt (Punkt 7), liegt dann ein Reflektionsfaktor von Null vor, was ideal wäre, wenn nur diese Frequenz existierte. Durch die Kopplung kommt es aber zu der Aufspaltung; bei den Frequenzen f_H und f_L liegt ersichtlich auf der Kurve 6 ein deutlich von Null verschiedener Reflektionsfaktor vor, der hier das Vorverstärkerrauschen erhöht.
Daher wird nun die Impedanzanpassung gegenüber diesem Fall so verändert, das die Randfrequenzen f_H, f_L des Frequenzbandes bei einem Realteil des Reflektionsfaktors vom Null zu liegen kommen, vergleiche Kurve 8. Entsprechend verschiebt sich der Punkt 7 auf einem Punkt 9. Mit dieser Transformation ergibt sich der kleinste mögliche Betrag des Reflektionsfaktors, der gleichzeitig an beiden Bandgrenzen erreicht werden kann.
Der Effekt wird durch den Graphen in 3 näher erläutert. Dort gibt die Kurve 10 den Fall der Kurve 6 wieder. Zwar liegt bei der Resonanzfrequenz (Mittenfrequenz) f_M keine Reflektion vor, diese steigt aber schnell an, sobald man abweicht. Die Kurve 11 entspricht dem Fall der Kurve 8. Zwar liegt bei der Mittenfrequenz keine Reflektion von Null mehr vor, aber die Reflektion bleibt im gesamten Frequenzband 12 niedrig.
Entsprechend wird nun nicht, wie im Stand der Technik üblich, eine Impedanzanpassung auf die Eingangsimpedanz des Vorverstärkers 4 durchgeführt (entspräche Kurve 6), sondern auf einen anderen Wert, der der Kurve 8 entspricht. Hierdurch ergeben sich bestimmte Dimensionierungen der Bauteile, insbesondere eine stärkere Ankopplung der Spulenelemente 2 an die Vorverstärker 4.
Dies sei in einem Beispiel durch 4 näher erläutert. Dort ist als Anpassungsschaltung 5 eine einfache, einen seriell geschalteten Kondensator 13 mit der Kapazität Cs und einen parallel geschalteten Kondensator 14 mit der Kapazität Cp verwendende Variante gegeben. Im Vergleich zu den Anpassungsschaltungen des Standes der Technik ist vorliegend zur stärkeren Ankopplung des Spulenelements 2 an den Verstärker 4 die Kapazität Cs erhöht und/oder die Kapazität Cp erniedrigt. Selbstverständlich sind auch noch andere Varianten der Anpassungsschaltung 5 denkbar, die die Impedanz geeignet umwandeln und geeignet dimensionierte Bauteile zur Realisierung der Breitbandanpassung enthalten.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Magnetresonanzspulenanordnung
2: Spulenelement
3: Pfeil
4: Vorverstärker
5: Anpassungsschaltung
6: Kurve
7: Punkt
8: Kurve
9: Punkt
10: Kurve
11: Kurve
12: Frequenzband
13: Kondensator
14: Kondensator

Claims

Magnetresonanzspulenanordnung (1) für eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens zwei Spulenelemente (2), die über einen Verstärker auslesbar und/oder ansteuerbar sind, und eine Anpassungsschaltung (5) zur Leistungs- und/oder Rauschanpassung zwischen dem Spulenelement (2) und dem Verstärker, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile der Anpassungsschaltung (5) zu einer Breitbandanpassung auf ein Frequenzband (12) dimensioniert sind, wobei das Frequenzband (12) durch die äußersten relevanten, aufgrund der Wechselwirkung eines Spulenelements (2) mit wenigstens einem benachbarten Spulenelement (2) auftretenden, von der Resonanzfrequenz verschobenen Kopplungsmoden begrenzt wird, wobei die das Frequenzband begrenzenden, äußersten relevanten Kopplungsmoden aufgrund einer Eigenmoden-Simulation und/oder einer Messung anhand von Schwellwerten ermittelt sind.
Magnetresonanzspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Empfangsspulenanordnung der Verstärker ein Vorverstärker (4) und/oder bei einer Sendespulenanordnung der Verstärker ein Leistungsverstärker ist.
Magnetresonanzspulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüber einer nur auf die Resonanzfrequenz bezogenen Anpassung die Ankopplung des Spulenelements (2) an den Verstärker erhöht ist, insbesondere bei einem seriell geschalteten Kondensator (13) und einem parallel geschalteten Kondensator (14) als Bauteile die Kapazität des seriell geschalteten Kondensators (13) erhöht ist und/oder die Kapazität des parallel geschalteten Kondensators (14) erniedrigt ist.
Verfahren zur Reduzierung von Kopplungseffekten bei einer Magnetresonanzspulenanordnung für eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend wenigstens zwei Spulenelemente, die über einen Verstärker auslesbar und/oder ansteuerbar sind, und eine Anpassungsschaltung zur Leistungs- und/oder Rauschanpassung zwischen dem Spulenelement und dem Verstärker, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile der Anpassungsschaltung zu einer Breitbandanpassung auf ein Frequenzband dimensioniert werden, wobei das Frequenzband durch die äußersten relevanten, aufgrund der Wechselwirkung eines Spulenelements mit wenigstens einem benachbarten Spulenelement auftretenden, von der Resonanzfrequenz verschobenen Kopplungsmoden begrenzt wird, wobei die das Frequenzband begrenzenden, äußersten relevanten Kopplungsmoden aufgrund einer Eigenmoden-Simulation und/oder einer Messung ermittelt werden.