DE202007015620U1

DE202007015620U1 - Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen

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Publication number: DE202007015620U1
Application number: DE202007015620U
Authority: DE
Original assignee: IMST GmbH
Current assignee: IMST GmbH
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2017-11-10

Abstract

Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen,
– mit jeweils einer metallisch leitenden oder metallenen Grundplatte (1),
– mit zwei metallisch leitenden oder metallenen Leiterstreifen (4) und (5) als hochfrequente Nahfeld-Wechselwirkungselemente,
– mit einem Dielektrikum, bestehend aus einer ersten dielektrische Platte (2) und einer zweiten dielektrische Platte (3) zwischen den Leiterstreifen (4) und (5) und der Grundplatte (1), wodurch die Leiterstreifen (4) und (5) und die Grundplatte (1) galvanisch voneinander isoliert werden,
– wobei jedes planare Resonatorsegment (109) so konstruiert ist, das es als selbständiges Antennenmodul einzeln angesteuert werden kann und sowohl einzeln als auch als modulares Bestandteil einer komplexen, schaltbaren Antennenvorrichtung verwendet werden kann,
– wobei die zwei Leiterstreifen (4) und (5) zusammen eine Resonanzleitungs-Antennenvorrichtung in Form eines resonanten Dipols bilden,
– wobei sich die mechanische Gesamtlänge der Resonanzleitung des so gebildeten Dipols aus der Summe der einzelnen Längen der jeweiligen Leiterstreifen...

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung zum Erzeugen eines homogenen hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feld) zur Initiierung der Spinanregung im Untersuchungsvolumen eines Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen (MRT: Magnet Resonanz Tomograph, bzw. MRB: Magnet Resonanz Bildgebung und MRI: magnet resonance imaging). Die Antennenvorrichtung besteht aus zahlreichen (z. B. acht bis sechzehn) einzelnen, elektromagnetisch weitgehend voneinander entkoppelten Resonatorsegmenten, die im Umfang des zylindrischen Untersuchungsvolumens gleichmäßig verteilt angebracht sind und durch eine Steuereinrichtung separat angesteuert werden können. Die Antennenvorrichtung dient zeitlich unmittelbar nacheinander einerseits als Nahfeld-Sendeantenne zur Initiierung der Spinanregung der Protonen im jeweils zu untersuchenden Objekt und andererseits als Nahfeld-Empfangsantenne zum Empfang der hochfrequenten Echosignale. Die einzelnen Resonatorsegmente der Antennenvorrichtung verlaufen in ihrer Längsrichtung parallel zur Längsachse des Grundfeldmagneten. Mit Hilfe der von Leistungsgeneratoren gespeisten Resonatorsegmente wird zur Bildaufnahme ein kurzzeitig gepulstes, lokales, möglichst homogenes, hochfrequentes Magnetfeld (B1-Feld) zur Auslenkung der Kernspins in den zu untersuchenden Objekten im Inneren des Untersuchungsvolumens erzeugt. In den Pulspausen werden die hochfrequenten elektromagnetischen Signale der wieder in die Ausgangslage zurückkehrenden Seins mit den gleichen Resonatorsegmenten empfangen und der rechnerbasierten Auswerteeinrichtung des Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen zur Bildgenerierung zugeführt.
Neben dem hochfrequenten Magnetfeld (B1-Feld) zur Auslenkung der Seins (die eigentliche Signalerzeugung) sind noch weitere statische Magnetfelder notwendig. Zur Lokalisierung der einzelnen Signale werden magnetische Gradientenfelder verwendet und zur Ausrichtung der Seins dient ein von den Hauptfeldspulen erzeugtes, sehr starkes, homogenes, statisches Magnetfeld mit magnetischen Flussdichten im Bereich bis zu einigen Tesla.
Mit zunehmender magnetischer Flussdichte werden feinere Strukturen darstellbar. Allerdings steigt gleichzeitig auch der technische Aufwand zur Erzeugung dieser hohen magnetischen Flussdichten ganz enorm an.
Für diagnostische Zwecke werden als Kompromiss zwischen der erzielbaren Bildauflösung und den damit verbundenen Anschaffungs- und Betriebskosten derzeit noch typischerweise magnetische Flussdichten im Bereich von etwa 1,5 Tesla verwendet. Seit dem Jahr 2006 werden bei Neuanschaffungen zunehmend Maschinen mit magnetischen Flussdichten von 3,0 Tesla aufgestellt. Die Universität Marburg besitzt seit 2005 ein kommerzielles 7-Tesla-Gerät (Siemens) für experimentelle Kopfuntersuchungen. Im Forschungszentrum Jülich soll bis 2008 eine Anlage mit 9,4 Tesla errichtet werden. In der physikalischen Forschung werden Hochfeldgeräte mit Werten der magnetischen Flussdichten bis zu 20 Tesla eingesetzt.
In Abhängigkeit von der magnetischen Flussdichte des statischen Hauptfeldes ändert sich allerdings auch die Frequenz der Präzessionsbewegung der Kernseins, die sogenannte Larmorfrequenz. Diese entspricht weitgehend der Wechselwirkungsfrequenz des hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feldes) zur Auslenkung der Seins der an der Bilderzeugung beteiligten Protonen. Dabei ist der Zusammenhang linear. Bei einer Stärke der magnetischen Flussdichte des Hauptfeldes von 7 Tesla beträgt die Larmorfrequenz der Wasserstoffprotonen etwa 300 MHz. Dies bedeutet, dass die Antennenvorrichtung zum Erzeugen eines homogenen hochfrequenten Magnetfeldes (B1-Feld) zur Initiierung der Spinanregung im Untersuchungsvolumen eines Hochfeld-Magnetresonanz-Tomographen an diese mit zunehmender magnetischer Flussdichte ansteigende Larmorfrequenz angepasst sein muss. Genügten bisher für Niederfeld-Geräte noch relativ einfach herzustellende Hochfrequenzspulen als geeignete Wechselwirkungselemente, so müssen bei Hochfeld- oder gar Ultrahochfeld-Geräten zunehmend induktivitätsarme Nahfeld-Antennen verwendet werden, um das erforderliche hochfrequente Magnetfeld (B1-Feld) aufzubauen. Die spezielle Gestaltung der zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendeten Resonatorsegmente hat also einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der mit modernen Hochfeld-Geräten erzielten Bilder. Die Resonatorsegmente müssen nicht nur genügend intensive Hochfrequenzfelder (Eingangsleistung pro Resonatorsegment kurzzeitig ca. 1 kW) verzögerungsfrei erzeugen können, sie müssen diese hohe Impulsleistung auch noch möglichst gleichmäßig im gesamten Untersuchungsvolumen in eine hochfrequente magnetische Flussdichte umwandeln.
Bei sehr hohen Werten der magnetischen Flussdichte und damit sehr hohen Larmorfrequenzen weisen herkömmliche Käfigspulen (birdcage coils) für das Untersuchungsvolumen mit mäßig schmalen Kupferstreifen als Sprossen eine verhältnismäßig hohe Induktivität auf, die sehr geringe Kapazitätswerte erfordert, um die Spulenanordnung insgesamt in den Resonanzzustand zu bringen. Dies ist aus mehreren Gründen problematisch. Es wird ein hohes Spannungspotential an den Kondensatoren erzeugt, welches zu einem örtlichen elektrischen Streufeld führen kann, das hochfrequente Energie in Form von Wärme in den zu untersuchenden Patienten einbringen kann. Damit trägt dieser Effekt zur Erhöhung der absorbierten SAR-Rate bei, was in der Folge schließlich zu einer Verlängerung der für die Bildgebung erforderlichen Zeit führt. Außerdem kann ein beträchtlicher zu kompensierender elektromagnetischer Strahlungsverlust auftreten, der von den speisenden Leistungsgeneratoren zusätzlich aufgebracht werden muss, wodurch sich in der Folge schließlich das Signal/Rausch-Verhältnis (SNR, Signal to Noise Ratio) der empfangenen Signale und damit die Bildqualität signifikant verschlechtert.
Für die dazu erforderlichen Hochfeld- bzw. Ultrahochfeld-Antennenvorrichtungen sind zahlreiche Varianten verfügbar. Eine geeignete Hochfrequenz-Spulenanordnung zur Bildgabe eines Subjektvolumens unter Verwendung eines Magnetresonanz-Tomographen mit hoher magnetischer Flussdichte, die bei im Wesentlichen hohen Frequenzen betrieben werden kann, ist in der DE 10 2004 027 026 A1 (Verfahren und Vorrichtung für magnetresonanzbildgebende Systeme sehr hoher Feldstärke) beschrieben.
Die dort verwendete Spulenanordnung verfügt über eine Anzahl von Leitern, die zylindrisch angeordnet und rings um einen Patiententunnel des MRB-Systems vorgesehen sind, über eine Anzahl kapazitiver Elemente, die zwischen den jeweiligen Enden der Leiter (und diese miteinander verbindend) angeordnet sind, wobei die mehreren Leiter und die mehreren kapazitiven Elemente eine Hochpass-Birdcage-Konfiguration bilden und über eine Anzahl dynamischer Trennschalter, wobei jeder dynamische Trennschalter unter Ausbildung eines Parallelresonanzkreises parallel zu einem zugeordneten kapazitiven Element liegend elektrisch angekoppelt ist.
Die geschilderte Vorrichtung ist eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu den herkömmlichen Systemen und soll die Anregung bei Larmorfrequenzen bis zu 300 MHz ermöglichen.
Nachteilig an dieser Erfindung ist jedoch die Notwendigkeit von Trennschaltern für jedes Resonatorelement, die an den Enden kapazitiv miteinander verkoppelten Resonatoren, die dadurch nur schwer unabhängig voneinander einzeln erregt werden können und die Verwendung von resonanten TEM-Leitungen in Form von freischwebenden Leiterstreifen ohne metallene Masseebene (es wird nur eine virtuelle Masselinie verwendet). Die Verwendung von Halbleiterbauelementen (PIN-Dioden) zum Aufbau der hier notwendigen zahlreichen Trennschalter (für jede Resonanzleitung einen) kann die Zuverlässigkeit nachhaltig einschränken, da typischerweise mit Hochfrequenzimpulsen sehr hoher Puls-Leistung (im kW-Bereich) gearbeitet wird, was für Halbleiterbauelemente im Laufe der Zeit zunehmend schädlicher wird (Degradation durch lokale Überlastungen im Kristallgitter). Insgesamt scheint die Realisierung gemäß der DE 10 2004 027 026 A1 für den gewünschten Zweck zu kompliziert, dadurch zu teuer und zu störungsanfällig.
Durch die resonanzbedingte ungleichmäßige Stromverteilung über den transversalen Verlauf der jeweils in viertel Wellenlängen betriebenen Resonanzleitungen ist das aus dieser Vorrichtung resultierende hochfrequente Magnetfeld zudem relativ inhomogen, was unerwünschte Artefakte bei der Bildgebung verursachen kann.
Ein über das Untersuchungsvolumen homogen verteiltes B1-Feld würde hingegen ungestörte Bilder ohne aufwendige Korrekturrechnungen ermöglichen.
Ein Verfahren zur Homogenisierung eines B1-Feldes und Magnetresonanzsystem wird in der DE 10 2004 013 422 A1 beschrieben. Dazu wird die Messung in verschiedenen Iterationsschritten durchgeführt.
In einem ersten Iterationsschritt werden zunächst Messdaten erfasst, welche eine B1-Feldverteilung in zumindest einem Teil des Untersuchungsvolumens eines MRB-Systems repräsentieren. Dann wird mit Hilfe eines Computers eine automatische B1-Homogenitätsanalyse, basierend auf den erfassten Messdaten, durchgeführt. Dann wird automatisch aus einer Anzahl von möglichen Homogenisierungsaktionen eine bestimmte Homogenisierungsaktion auf Basis der B1-Homogenisierungsanalyse durchgeführt. Die Iteration wird beendet, wenn die diagnostizierte Homogenität für eine vorgesehene Magnetresonanz-Messung ausreichend ist. Mit diesem Verfahren soll insbesondere auch die vom zu untersuchenden Objekt verursachte Feldverzerrung kompensiert werden. Hierzu ist es gemäß der DE 10 2004 013 422 A1 erforderlich, dass das MRB-System eine geeignete Speichereinrichtung mit zahlreiche Homogenisierungsaktionen aufweist, welche bestimmten Homogenisierungs-Abweichungsklassen zugeordnet sind. Zur Steuerung der Homogenisierungsaktion wird die Hilfe einer Homogenisierungs-Steuereinrichtung benötigt.
Die Homogenisierungsaktion soll durch eine passende Einstellung bzw. Justage der Parameter der verschiedenen Komponenten des MRB-Systems durchgeführt werden. So können gezielt mitschwingende Antennenstrukturen geschaltet werden, um eine bestimmte B1-Feld-Vorverzerrung zu erreichen. Ebenso sollen Änderungen im B1-Feld durch Einstellungen der Messsequenz-Parameter erreicht werden können. Darüber hinaus soll eine gezielte Veränderung der dielektrischen Umgebung des Körpers mittels Wasserkissen oder anderer dielektrischer Elemente durch ein die dielektrische Umgebung modifizierendes Eingreifen des Bedienpersonals erfolgen. So soll zur Durchführung der Homogenisierungsaktion durch eine spezielle Homogenisierungsaktion-Steuereinrichtung und über eine Ausgabeeinrichtung (beispielsweise eine Promptgenerierungs-Einheit) Angaben über Kissengröße oder über bestimmte Typen der dielektrischen Kissen und die genauen Positionierdaten derselben an das Personal weitergegeben werden.
Das Verfahren ist zwar interessant, aber es ist zu personalintensiv und benötigt für die jeweiligen Iterationsschritte insgesamt zuviel Zeit. Außerdem ist der Aufwand zur Vorratshaltung der individuell anpassbaren dielektrischen Kissen praxisfremd, insbesondere im Hinblick auf die damit erzielbaren Vorteile an stückweise verbesserter Homogenität, die sehr lokaler Natur ist und die sich auch auf andere Weise erzielen lässt. Für das physikalische Labor mag dieses Verfahren Vorteile bringen, für die klinische Praxis ist jedoch alles schädlich, was die für die Untersuchung benötigte Zeit auch noch verlängert. Der Schlüssel zur raschen Erzielung gestochen scharfer Bilder mit Hilfe von Hochfeld- oder Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen liegt in der Bereitstellung geeigneter Antennen für das Untersuchungsvolumen. Damit lassen sich bereits im Vorfeld viele Probleme vermeiden, die ansonsten mit trickreichen Verfahren wieder bereinigt werden müssten.
Eine schon recht brauchbare Anordnung zum Erzeugen von Hochfrequenz-B1-Feldern in der MRB mit Flächenstromantennen ist in der DE 103 34 170 B3 gegeben. Diese Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung und/oder Detektion von Hochfrequenz-B1-Feldern in einem Untersuchungsvolumen eines Magnetresonanz-Tomographen, wobei die Anordnung eine Oberflächenspule umfasst, welche röhrenförmig aus einem leitfähigen Band aufgebaut ist, das an mindestens zwei aneinander angrenzenden Enden kapazitiv geschlossen ist, wobei das Verhältnis von Länge zu Breite des Bandes kleiner oder gleich 30 beträgt und wobei das Untersuchungsvolumen außerhalb des vom Band umschlossenen Raumgebiets anschließend an eine Außenfläche der Oberflächenspule angeordnet ist, so dass die von der Oberflächenspule erzeugten B1-Feldlinien im Untersuchungsvolumen im Wesentlichen parallel zu dieser Außenfläche verlaufen. Dadurch wird eine MRB-Sende- und Empfangs-Anordnung mit verbesserten Eigenschaften geschaffen, insbesondere bei der die Verteilung des B1-Feldes beeinflussbar ist.
Die in der DE 103 34 170 B3 vorgestellte Flächenstromantenne kommt in der physikalischen Wirkungsweise den hier weiter unten vorgestellten Resonatorsegmenten schon recht nahe. Es sind jedoch einige Nachteile erkennbar, wodurch die Flächenstromantenne in der DE 103 34 170 B3 als nicht besser geeignet erscheint. Die Flächenstromantenne verwendet keine planare, sondern eine recht voluminöse Bauform. Ober- und Unterseite befinden sich in einem relativ großen Abstand voneinander. Das Band ist einmal komplett herumgeführt, an zwei aneinander angrenzenden Enden kapazitiv geschlossen und wird in Resonanz betrieben.
Durch diese spezielle Formgebung ist der für das Untersuchungsvolumen zur Erzeugung des hochfrequenten Magnetfeldes maßgebliche Teil der Flächenstromantenne außerordentlich kurz. Die Gesamtlänge des Bandes ist signifikant kürzer als eine halbe Wellenlänge, wenn man zur groben Abschätzung die auseinander gefaltete Struktur betrachtet, die einem an den Enden kapazitiv belastetem Dipol entspricht. Nach dem Falten wird diese Länge nicht nur halbiert, da die Oberseite und die Unterseite etwa gleichlang sind, sondern der relativ große Abstand zwischen Oberseite und Unterseite führt zu einer weiteren Verkürzung der zur Felderzeugung im Untersuchungsvolumen wirksamen Länge. Zwar kann auch diese Flächenstromantenne sicherlich prinzipiell in Hochfeld-Magnetresonanz-Tomographen verwendet werden, das von dieser Antenne erfasste Untersuchungsvolumen wird wegen der durch die Bauform verschenkten Längenausdehnung allerdings bei noch höheren Larmorfrequenzen zu klein. Daher ist diese Bauform für Ultrahochfeld- Magnetresonanz-Tomographen sicherlich nicht geeignet.
Weiterhin muss bedacht werden, dass im Untersuchungsvolumen normalerweise ohnehin schon sehr beengte Raumverhältnisse herrschen. Die Flächenstromantenne muss mit ihrer Rückseite innerhalb des Untersuchungsvolumens weit genug vom Metall der Magnetresonanz-Tomographen entfernt sein, weil sonst das Streufeld der kapazitiv gekoppelten Enden über das Metall stark bedämpft oder die Resonanzfrequenz zu sehr verstimmt wird. Es kommt zum Abstand der Ober- und der Unterseite nun also noch der Abstand von den metallenen Teilen des Untersuchungsvolumens hinzu.
Zum Untersuchungsobjekt hin muss noch eine (relativ dünne) Isolierschicht angebracht werden, da die Haut des Patienten keinen unmittelbaren Kontakt mit dem Metall der Flächenantenne haben darf. Allerdings werden die betrachteten räumlichen Abstände in einem zylinderförmigen Untersuchungsvolumen sowohl oben und unten als auch rechts und links wirksam, d. h. das für das zu untersuchende Objekt zur Verfügung stehende Untersuchungsvolumen wird noch weiter eingeschränkt. Die in der DE 103 34 170 B3 beschriebene Flächenstromantenne ist trotz zweckdienlicher hochfrequenter magnetischer Eigenschaften durch ihre voluminöse Bauform insgesamt zu kurz und zu dick, um zwei wesentliche Nachteile zu benennen.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, verbesserte Nahfeldantennen für Betriebsfrequenzen im Dezimeterbereich (0,3 GHz bis 3 GHz), konstruiert als im Verbund (Array) oder einzeln zu betreibende, voneinander elektromagnetisch weitgehend entkoppelte Resonatorsegmente mit möglichst geringer Bauhöhe für eine Antennenvorrichtung zur Erzeugung eines möglichst homogenen, d. h. trotz vorhandener, das Magnetfeld beeinflussender Objekte, über nahezu das gesamte Untersuchungsvolumen in seiner Intensität möglichst gleichmäßig verteilten, hochfrequenten Magnetfeldes einer Hochfeld- bzw. Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen mit magnetischen Flussdichten von 7 Tesla und mehr, zur Verfügung zu stellen.
Dieses Problem wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Resonatorsegmente über nahezu den gesamten, für die Wechselwirkung mit dem hochfrequenten Magnetfeld wirksamen Verlauf eine das Magnetfeld erzeugende Stromdichte mit nahezu gleichgroßer Intensität aufweisen. Dadurch wird ohne weitere technische Maßnahmen ein im Untersuchungsvolumen weitestgehend homogenes hochfrequentes Magnetfeld erzeugt. Dadurch kann gleichzeitig sowohl die Qualität der Bilder verbessert als auch die für die Herstellung dieser Bilder benötigte Zeit verkürzt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente eine geringe Bauhöhe aufweisen. Dadurch kann das vorhandene Untersuchungsvolumen großzügig gestaltet werden, ohne den technischen Aufwand zur Erzeugung des statischen Grundfeldes zu erhöhen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente im Vergleich zum Freiraumwellenwiderstand niederohmig fehlangepasst sind und daher, ähnlich wie bei magnetischen Schleifenantennen (magnetic loop antennas), ein von den benachbarten Objekten wenig beeinflussbares Strahlungsnahfeld besitzen. Es treten somit signifikant weniger Feldverzerrungen auf, die durch die Patienten bzw. inhomogenen Unersuchungsobjekte verursacht werden. Dadurch können zusätzliche zeitaufwendige und personalintensive Homogenisierungsmaßnahmen entfallen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente durch die niederohmige Fehlanpassung auch untereinander nur sehr gering (typischerweise weniger als – 15 dB) verkoppelt sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente hinsichtlich des Fernfeldes zu niederohmig und damit fehlangepasst sind. Dies bedeutet, dass die von den Resonatorsegmenten im Betrieb ausgehende elektromagnetische Störstrahlung mit der Entfernung sehr rasch abklingt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente durch ihre Ausführungsform als modifizierte unsymmetrische Streifenleitungen (microstrip line) bereits von der Konstruktion her eine relativ große Massemetallisierung aufweisen, welche die von den Resonatorsegmenten im Betrieb ausgehende elektromagnetische Störstrahlung, ähnlich wie ein Farradaykäfig, nach außen weitgehend abschirmt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Resonatorsegmente separate, selbständige Einheiten sind, wodurch die gesamte Antennenvorrichtung modular aufgebaut sein kann und die einzelnen Resonatorsegmente bei Bedarf leicht ausgetauscht werden können. So kann bei einem anders gewählten Wert der Grundmagnetisierung z. B. die gleiche Grundkonstruktion der Antennenvorrichtung beibehalten werden und es werden dann an die veränderte Larmorfrequenz angepasste Resonatorsegmente verwendet.
Zur Erläuterung der Erfindung sind Zeichnungen gegeben, die im Folgenden näher beschrieben werden. Es zeigt
1 schematisch den typischen Aufbau eines Magnetresonanz-Tomographen,
2 schematisch und beispielhaft die typische Anordnung der Resonatorsegmente im Untersuchungsvolumen,
3 schematisch den Querschnitt einer Resonanzleitung in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die einer halben Wellenlänge entspricht,
4 schematisch den Querschnitt einer Resonanzleitung in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht,
5 schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen verteilten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die hier etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht,
6 schematisch die räumliche Darstellung eines verteilten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die hier etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht,
7 schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen verteilten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, mit zur Feinabstimmung verwendeten Kondensatoren zwischen Leiterstreifen und Massefläche,
8 schematisch die räumliche Darstellung eines verteilten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, mit zur Feinabstimmung verwendeten Kondensatoren zwischen Leiterstreifen und Massefläche,
9 schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen verteilten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, mit zur Feinabstimmung verwendeten Kondensatoren zwischen jeweils dem Ende und der Unterseite des Leiterstreifens,
10 schematisch die räumliche Darstellung eines verteilten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, mit zur Feinabstimmung verwendeten Kondensatoren zwischen jeweils dem Ende und der Unterseite des Leiterstreifens,
11 schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen konzentrierten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, wobei zur elektrischen Verlängerung der Resonanzleitung zusätzliche Spulen zwischen dem Ende der jeweiligen Resonanzleitung und der Massefläche geschaltet sind,
12 schematisch die räumliche Darstellung eines konzentrierten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, wobei zur elektrischen Verlängerung der Resonanzleitung zusätzliche Spulen zwischen dem Ende der jeweiligen Resonanzleitung und der Massefläche geschaltet sind,
13 schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen konzentrierten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, wobei zur elektrischen Verlängerung der Resonanzleitung zusätzliche Spulen zwischen dem Ende der jeweiligen Resonanzleitung und zu den zur Feinabstimmung verwendeten Kondensatoren zwischen Spulen und Massefläche geschaltet sind,
14 schematisch die räumliche Darstellung eines konzentrierten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht, wobei zur elektrischen Verlängerung der Resonanzleitung zusätzliche Spulen zwischen dem Ende der jeweiligen Resonanzleitung und zu den zur Feinabstimmung verwendeten Kondensatoren zwischen Spulen und Massefläche geschaltet sind.
Zur Erläuterung der Erfindung müssen zunächst die wichtigsten Komponenten eines Magnetresonanz-Tomographen grob lokalisiert werden. Der typische Aufbau eines Magnetresonanz-Tomographen ist in 1 gezeigt. Das Gehäuse (101) des Magnetresonanz-Tomographen umschließt im wesentlichen die zylinderförmigen, mit hohem technischen Aufwand gekühlten (supraleitenden) Hauptfeldspulen (102), die zur Erzeugung eines homogenen statischen magnetischen Feldes auf der Basis von massiven Helmholtz-Spulenanordnungen aufgebaut und um kleinere Hilfsspulen zur Kompensation von Feldverzerrungen erweitert sind. Weiterhin sind Spulenanordnungen zur Erzeugung von magnetischen Gradientenfeldern (103) vorhanden, die magnetische Felder mit linear zunehmendem Intensitätsverlauf in den drei Raumkoordinatenrichtungen erzeugen können, um eine lokale Zuordnung der jeweiligen Raumkoordinaten der einzelnen Spin-Impuls-Signale bzw. Echosignale zu erhalten. Der Patient (106) bzw. das zu untersuchende Objekt befinden sich auf einem verschiebbaren Schlitten (107) und werden zur untersuchenden Bildgebung durch eine meist etwa zylinderförmige Öffnung (105) so tief in den Magnetresonanz- Tomographen hineingeschoben, dass die zu untersuchende Körperstelle bzw. die zu untersuchende Objektstelle sich vorzugsweise in der Mitte des eigentlichen Untersuchungsvolumens (108) befindet, welches nur einen geringen Teil des Gesamtvolumens des Gehäuses (101) des Magnetresonanz-Tomographen ausmacht.
Innerhalb des Untersuchungsvolumens befindet sich in der unmittelbaren Nähe zum Patienten (106) die Antennenvorrichtung mit den einzelnen Resonatorsegmenten (109) zur Erzeugung des hochfrequenten B1-Feldes und zum Empfang der mit etwa der Larmorfrequenz abgestrahlten Echosignale der in die Ausgangslage zurück präzisierenden Protonen-Spins.
In 2 ist schematisch und beispielhaft die typische zylinderförmige Anordnung der einzeln ansteuerbaren modularen Resonatorsegmente (109) im Untersuchungsvolumen (108) im Querschnitt der Zylinderachse zu erkennen. In dieser Darstellung wird auch deutlich, dass die hier erfindungsgemäß verwendeten Resonatorsegmente (109) durch ihren Aufbau in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik relativ flach sind. Wären die Resonatorsegmente deutlich dicker, wie es z. B. bei den oben erwähnten Flächenstrom-Antennen-Konstruktionen der Fall ist, dann wird der für den Patienten zur Verfügung stehende Teil des Untersuchungsvolumens von allen Seiten gleichzeitig stark verringert, was die ohnehin oft schon vorhandenen Klaustrophobie-Ängste signifikant fördern dürfte.
Zur Erläuterung der besonderen Wirkungsweise der hier vorgestellten neuen Resonatorsegmente wird zunächst ein klassischer Leitungsdipol mit einer Gesamtlänge von einer halben Wellenlänge betrachtet. Die 3 zeigt schematisch den Querschnitt einer solchen Resonanzleitung in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die einer halben Wellenlänge entspricht.
Microstrip-Technik bzw. Mikrostreifenleitungstechnik oder unsymmetrische Streifenleitungstechnik sind einige der zahlreichen verschiedenen Bezeichnungen für ein und dieselbe Leitungstechnik mit planarer Struktur und bedeutet, dass sich ein Leiterstreifen mit einer bestimmten Breite in einem bestimmten Abstand über einer ausgedehnten Grundmetallisierung als Massefläche befindet. Dabei bestimmt das Verhältnis der Breite des Leiterstreifens zum Abstand von der Massefläche den Wellenwiderstand dieser Leitung. Je breiter der Leiterstreifen und je geringer der Abstand dieses Leiterstreifens von der Massefläche, umso geringer ist der Wellenwiderstand der Leitung.
Zwischen dem Leiterstreifen und der Massefläche befindet sich in der Regel ein beide Metallisierungen tragendes Substratmaterial oder Dielektrikum mit einer bestimmten Permittivitätszahl. Auch diese Permittivitätszahl hat einen Einfluss auf den Wellenwiderstand. Mit zunehmender Permittivitätszahl verringert sich der Wert des Wellenwiderstandes der unsymmetrischen Streifenleitung. Im Grenzfall kann dieses Dielektrikum auch überwiegend Luft sein, dann muss die Anordnung wegen des Fortfalls der Stützfunktion des Substratmaterials allerdings einige zusätzliche dielektrische Hilfsstützen verwenden. Die 2 zeigt schematisch den Querschnitt durch solche Resonatorsegmente (109) in der geschilderten unsymmetrischen Streifenleitungstechnik, die selbsttragend auf einem Substratmaterial mit vorgegebener Gesamtbreite als selbständige modulare Einheiten aufgebaut sind. Die jeweiligen Metallisierungen für die Leiterstreifen (es sind nur die Hauptresonanzleitungen skizziert) und die Massefläche sind als dicke schwarze Streifen im Querschnitt dargestellt.
Die in 3 gezeigte Darstellung zeigt ein Resonatorsegment in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik im Querschnitt der Längsachse, also im Vergleich zur Darstellung in 2 um 90 Grad gedreht. Die jeweiligen Leiterstreifen (14) und (15) befinden sich auf der Oberseite eines Substrates (12) mit der Höhe (H3). Die Metallisierung der Massefläche (11) hat also von den eigentlichen Leiterstreifen (14) und (15) den Abstand dieser Höhe (H3). Die Leiterstreifen (14) und (15) sind am Speisepunkt (16) benachbart, aber nicht unmittelbar miteinander verbunden. Sie sind jeweils mit einer abgestimmten Speiseleitung aus zwei Leitern (17) verbunden, die beispielsweise von den inneren Leitungen einer Twinaxialleitung gebildet werden, welche die Massefläche unterhalb des Einspeisepunktes (16) durchbricht und deren abschirmender Außenmantel (18) an der Durchbruchstelle mit der Massefläche (11) der unsymmetrischen Streifenleitung elektrisch leitend verbunden ist. Recktanz-Elemente, die, wie der Fachmann weiß, zur Impedanz-Anpassung notwendigerweise verwendet werden müssen, sind aus Gründen der besseren Übersicht hier nicht zusätzlich in den schematischen Bildern eingezeichnet!
Die beiden Leiterstreifen (14) und (15) bilden die eigentlichen Resonanzleitungen. Sie sind gleichlang und verlaufen vom Speisepunkt (16) bis zum abrupten Ende des Substrates. Da an den Enden kein metallener Leiterstreifen mehr ist, weil auch die Leiterstreifen (14) und (15) dort enden, kann dort auch keine hochfrequente Stromstärke mehr vorliegen. Das jeweils abrupte mechanische Ende der Leiterstreifen (14) und (15) legt somit die elektrischen Randbedingungen für das resonanzfähige Gebilde fest. Wird im Speisepunkt (16) nun eine hochfrequente Wechselspannung zugeführt, deren Frequenz genau der halben Wellenlänge (oder ein Vielfaches davon) der von der Gesamtlänge der beiden Leiterstreifen (14) und (15) gebildeten Resonanzleitung entspricht, so bildet die in 3 gezeigte Anordnung den bekannten klassischen Halbwellen-Dipol in unmodifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik.
Führen wir bei dieser Anordnung nun eine geeignete Hochfrequenz-Magnetfeld-Sonde (S) im gleichmäßigen Abstand (D) parallel zur Substratoberfläche in x-Richtung und detektieren wir den ortsabhängigen Wert des Absolutbetrages der von der Resonanzleitung insgesamt erzeugten magnetischen Flussdichte (A) in diesem Abstand, so ergibt sich der allgemein bekannte ortsabhängige Verlauf des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte eines Halbwellen-Dipols (A1), der gleichzeitig auch den verteilten Verlauf der im Leiterstreifen fließenden hochfrequenten Stromstärke widerspiegelt, weil die vom stromdurchflossenen Leiterstreifen erzeugte magnetische Flussdichte direkt proportional zur Stromstärke im Leiterstreifen ist.
Würde man nun ein solches Resonatorsegment direkt und unmodifiziert zur Bilderzeugung im MRT verwenden, so wären die Probleme vorprogrammiert. Nur im mittleren Bereich der Längsachse (in x-Richtung), also in der Nähe des Einspeisepunktes (16), ist der Wert des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte (A1) einigermaßen gleich hoch. Dann fällt der Wert des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte (A1) gemäß dem Verlauf einer Kosinusfunktion entsprechend zu den offenen Enden der Leiterbahnen (14) und (15) hin rasch ab. Der sinnvoll nutzbare Bereich im Untersuchungsvolumen ist stark eingeschränkt. Trotzdem wird in vielen Fällen bisher genau so verfahren, weil man es nicht besser weiß.
Der Kern der Erfindung besteht nun darin, die Resonanzleitungen in einem ersten Schritt zunächst signifikant zu verlängern und eine Resonanzleitung bei einer Länge zu betreiben, die mehr als der halben Wellenlänge und weniger als einer ganzen Wellenlänge entspricht und dann in einem zweiten Schritt denjenigen Teil der Resonanzleitung, der die kosinusförmig abfallende Intensitätswerte der magnetischen Flussdichte bewirkt, mechanisch oder elektrisch so von dem zu erzeugenden B1-Feld zu separieren, dass nur die Bereiche der Streifenleitungen als Resonanzleitungen mit dem Untersuchungsvolumen (108) Wechselwirken können, die annähernd gleichhohe Werte des Absolutbetrages der hochfrequenten magnetischen Flussdichte (B1-Feld) im Feldraum erzeugen.
4 Zeigt eine Resonanzleitung gemäß den Erläuterungen zu 3, allerdings jetzt erfindungsgemäß mit signifikant längeren als Resonanzleitung dienenden Leiterstreifen (24) und (25), wobei die Gesamtlänge beider Leitungen mehr als der halben Wellenlänge und weniger als einer ganzen Wellenlänge entspricht. Diese sind jeweils mit einer abgestimmten Speiseleitung aus zwei Leitern (27) verbunden, die beispielsweise von den inneren Leitungen einer Twinaxialleitung gebildet werden, welche die Massefläche unterhalb des Einspeisepunktes (26) durchbricht und deren abschirmender Außenmantel (28) an der Durchbruchstelle mit der Massefläche (21) der unsymmetrischen Streifenleitung elektrisch leitend verbunden ist. Mit Hilfe entsprechend angepasster Speiseleitungen (27), welche die als Resonanzleitungen betriebenen Leiterstreifen (24) und (25) im Speisepunkt (26) mit elektromagnetischer Energie versorgen, ergibt sich der ortsabhängige Verlauf des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte eines Mehr-als-Halbwellen-und-weniger-als-Vollwellen-Dipols (A2), der gleichzeitig auch den verteilten Verlauf der in diesen Leiterstreifen fließenden hochfrequenten Stromstärke widerspiegelt, weil die vom jeweiligen stromdurchflossenen Leiterstreifen erzeugte magnetische Flussdichte direkt proportional zur Stromstärke im Leiterstreifen ist. Der Absolutbetrag der hochfrequenten magnetischen Flussdichte besitzt nun über einen weiten Bereich einen ausreichend hohen Wert und ist bis auf eine kleine Einbuchtung der Intensität im Bereich des Speisepunktes (26) im Mittel betragsmäßig weitgehend gleichgroß. Der für die Bildgebung nutzbare Bereich ist signifikant vergrößert. Allerdings fällt auch bei der in 4 gezeigten Anordnung der Wert der magnetischen Flussdichte gemäß dem Verlauf einer Kosinusfunktion entsprechend zu den offenen Enden der als Resonanzleitungen betriebenen Leiterbahnen (24) und (25) hin rasch ab. Diese Bereiche lassen sich im Untersuchungsvolumen nur sehr stark eingeschränkt nutzen.
Erfindungsgemäß wird nun der Teil der Resonanzleitung, der die kosinusförmig abfallende Intensitätswerte des Absolutbetrages der magnetischen Flussdichte bewirkt, zunächst mechanisch von dem zu erzeugenden B1-Feld separiert. Dadurch können nur die Bereiche der Streifenleitungen als Resonanzleitungen mit dem Untersuchungsvolumen (108) Wechselwirken, welche annähernd die gleichen Werte des Absolutbetrages der hochfrequenten magnetischen Flussdichte im betrachteten Feldraum erzeugen. Die 5 zeigt den Querschnitt einer so modifizierten Anordnung des erfindungsgemäßen Resonatorsegmentes in damit gleichzeitig auch modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer mechanischen Länge der Resonanzleitung, die in etwa der Gesamtlänge der in 4 gezeigten Resonanzleitung entspricht. Wie hier deutlich zu erkennen ist, wird der Teil der Resonanzleitung, der die kosinusförmig abfallende Intensitätswerte der magnetischen Flussdichte bewirkt, erfindungsgemäß unterhalb der Hauptresonanzleitungen (4) und (5) angeordnet. Es ergibt sich entlang des Resonatorsegmentes (in x-Richtung) der ortsabhängige Verlauf des Absolutbetrages der hochfrequenten magnetischen Flussdichte des erfindungsgemäßen Dipols (A3). Der Absolutbetrag der hochfrequenten magnetischen Flussdichte besitzt nun über einen weiten Bereich einen ausreichend hohen Wert und ist bis auf eine kleine Einbuchtung der Intensität im Bereich des Speisepunktes (6) und unmittelbar an den jeweiligen Enden im Mittel weitgehend gleich. Der für die Bildgebung nutzbare Bereich des Resonatorsegmentes ist durch diese Maßnahme signifikant vergrößert. An den Enden des Resonatorsegmentes bleibt der Absolutbetrag der hochfrequenten magnetischen Flussdichte zunächst noch auf hohem Niveau und fällt dann relativ abrupt ab.
Man kann sich den Verlauf des Absolutbetrages der hochfrequenten magnetischen Flussdichte des erfindungsgemäßen Dipols (A3) sehr anschaulich näherungsweise so erklären, dass sich die jeweiligen Werte der zu den Enden hin kosinusförmig abfallenden Beträge der magnetischen Flussdichte insgesamt so überlagern, als wären sie jeweils ab der Länge (L1) der Hauptresonanzleitungen (4) bzw. (5) über den Verlauf der Länge (L2) der leerlaufenden Leiterbahnenden gespiegelt. Dies bedeutet, zu dem relativ hohen Wert des Betrages der magnetischen Flussdichte in etwa der Mitte der Länge (L1) der Hauptresonanzleitungen (4) bzw. (5) überlagert sich additiv der verschwindend geringe Wert des Betrages der magnetischen Flussdichte am Ende der leerlaufenden Leiterbahn und verändert den Gesamtwert dort nicht. Anders sieht es an der Stelle aus, bei der die Hauptresonanzleitungen (4) bzw. (5) nach unten abgeknickt werden. Da überlagern sich die entsprechenden Felder mit signifikanten Werten und homogenisieren dadurch noch zusätzlich den Gesamtverlauf der hochfrequenten magnetischen Flussdichte über die Länge des gesamten Resonatorsegmentes.
Die in der 5 gezeigte Darstellung ist schematisch und nicht maßstäblich. Das Bild dient der Erläuterung und der Bezeichnung der charakteristischen Größen. In der Praxis ist dieses Resonatorsegment keineswegs so klobig, sondern ein schlankes, robustes und elegantes Gebilde.
Es werden zum Aufbau dieses Resonatorsegmentes mit dem erfindungsgemäß hier verteilten Dipol (d. h. der Dipol besteht primär vollständig aus – über den Raum verteilten – Leiterstreifen, zusätzliche Kondensatoren werden nur zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz verwendet – im Gegensatz zum weiter unten beschriebenen konzentrierten Dipol, bei dem Teile der Resonanzleitung durch konzentrierte Bauteile wie Spulen ersetzt werden) zunächst eine metallene (z. B. versilbertes oder vergoldetes Kupfer) Bodenplatte (1) zur Realisierung der erforderlichen Massefläche verwendet, auf die eine erste dielektrische Platte (2) mit einer bestimmten Permittivitätszahl und der Plattenhöhe (H1) angebracht ist. Darüber befindet sich eine zweite dielektrische Platte (3) mit einer bestimmten Permittivitätszahl und einer geeigneten Plattenhöhe (H2), die keineswegs gleich der Plattenhöhe (H1) sein muss, sondern unabhängig davon entsprechend geeignet gewählt (z. B. nur halb so hoch) werden kann. Auf der Oberseite, auf den Seitenwänden und auf der Unterseite dieser zweiten dielektrischen Platte sind die Resonanzleiterstrukturen angebracht. Dies kann z. B. eine versilberte Kupferfolie sein, die in eingefräste Vertiefungen der zweiten dielektrischen Platte eingelassen ist und somit die Hauptresonanzleitungen (4) bzw. (5) mit jeweils der Länge (L1), die seitlichen Leiterbahnen mit jeweils der gleichen Länge wie die Höhe (H2) und die an der Unterseite der zweiten dielektrischen Platte verlaufenden leerlaufenden Leiterbahnenden mit jeweils der Länge (L2) bilden. Der Außenmantel (8) der twinaxialen Speiseleitung (7) ist mit der Bodenplatte (1) verlötet. Durch eine durch Bodenplatte und Substrate durchgehende Bohrung (in der Zeichnung nicht dargestellt) gelangen die angepassten (Anpassungselemente in der Zeichnung nicht dargestellt) Speiseleitungen (7) zum Speisepunkt (6) der beiden Hauptresonanzleitungen (4) und (5). Wie leicht zu erkennen ist, sind die Resonanzleitungen nur im Bereich vom Speisepunkt bis zu den jeweiligen Abständen (L1–L2) vom Ende der Substratplatten unsymmetrische Streifenleitungen, wie sie aus der Literatur bekannt sind. Für den darüber hinausgehenden Bereich muss von einer modifizierten unsymmetrischen Doppelstreifenleitung gesprochen werden, weil eine solche Streifenleitung mit zwei Leiterstreifen in zwei dielektrischen Ebenen ein (hier erforderlicher) Sonderfall ist.
Eine anschauliche, schematische räumliche Darstellung des erfindungsgemäßen Resonatorsegmentes ist in 6 gegeben. Diese Darstellung zeigt das erfindungsgemäße unmodifizierte Grundelement des verteilten Resonatorsegmentes.
Praktische Versuche haben jedoch ergeben, dass es wünschenswert ist, die starre, mechanisch vorgegeben Länge der Resonanzleitungen des verteilten Resonatorsegmentes elektrisch zu verändern, um eine möglichst optimale Abstimmung der Resonanzfrequenz des Resonatorsegmentes mit der jeweiligen Larmorfrequenz des MRT zu ermöglichen. Dazu werden zusätzliche spannungsfeste Kondensatoren (CS1) verwendet, die sowohl mit den freilaufenden Enden der jeweiligen Resonanzleitungen, als auch mit der Bodenplatte elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Dadurch lässt sich die Resonanzfrequenz des Resonatorsegmentes in Abhängigkeit vom Kapazitätswert der spannungsfesten Kondensatoren (CS1) reduzieren. Die 7 zeigt schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen verteilten Resonatorsegmentes in teilweise modifizierter und teilweise unmodifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit zur Feinabstimmung verwendeten spannungsfesten Kondensatoren (CS1) zwischen Leiterstreifen und Massefläche.
In der 8 ist schematisch die zugehörige räumliche Darstellung der Anordnung wiedergegeben. Durch diese räumliche Darstellung wird auch das Problem des erhöhten herstellungstechnischen Aufwandes bei dieser Vorgehensweise deutlich. Zur Platzierung der spannungsfesten Kondensatoren (CS1) sind jedoch zwei durch die erste Substratplatte (2) durchgehende Ausfräsungen oder Ausstanzungen zur Aufnahme der spannungsfesten Kondensatoren (CS1) notwendig, was einen zusätzlichen technischen Aufwand erfordert.
Alternativ kann auch die Vorgehensweise gemäß 9 gewählt werden. Dort sind zur Feinabstimmung zwei Kondensatoren (CS2) zwischen den leerlaufenden Enden der Resonanzleitungen und der Unterseite der Hauptresonanzleitungen (4) und (5) angebracht. Diese auf den ersten Blick zunächst ungewöhnliche Vorgehensweise funktioniert tatsächlich. Zwischen den jeweils leerlaufenden Leitungsenden und der jeweiligen Unterseite der Hauptresonanzleitungen (4) und (5) herrscht im Resonanzfall eine signifikante hochfrequente Potentialdifferenz, die einen Stromfluss durch die Kondensatoren (CS2) bewirkt und damit hinsichtlich der Variation der Resonanzfrequenz des Resonatorsegmentes wirksam wird. Die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren kann geringer gewählt werden und die Möglichkeit zur Abstimmung ist bei diskreten vorgegebenen Kapazitätswerten genauer, weil der Einfluss der Kondensatoren auf die Resonanzfrequenz der Resonatorsegmente bei dieser Variante (wegen der kleineren Differenzspannung) geringer ist.
In der 10 ist schematisch die zugehörige räumliche Darstellung dieser Anordnung wiedergegeben. Durch diese räumliche Darstellung wird ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion deutlich, die eine weitere Variante einer Konstruktion eines preiswerten aber hochzweckmäßigen Resonatorsegmentes ermöglicht.
Es werden zum Aufbau dieser neuen Variante des Resonatorsegmentes mit dem erfindungsgemäß verteilten Dipol zunächst wieder eine metallene Bodenplatte (1) zur Realisierung der erforderlichen Massefläche verwendet. Auf diese Bodenplatte (1) wird, wie bereits beschrieben, eine erste dielektrische Platte (2) mit einer bestimmten Permittivitätszahl und der Plattenhöhe (H1) angebracht. Darüber befindet sich nun – und das ist neu – keine zweite dielektrische Platte (3) mit einer bestimmten Permittivitätszahl und einer geeigneten Plattenhöhe (H2), sondern diese zweite dielektrische Platte (3) wird durch Luft als Dielektrikum mit der Permittivitätszahl 1 ersetzt. Die Resonanzleiterstrukturen werden aus gebogenen bzw. abgewinkelten versilberten oder vergoldeten Kupferplatten hergestellt. Die zur Feinabstimmung verwendeten, angelöteten Kondensatoren (CS2) dienen gleichzeitig als mechanische Stütze und stabilisieren die gesamte Konstruktion noch zusätzlich. Durch die Wahl selbsttragender versilberter oder vergoldeter Kupferplatten für die Resonanzleitungen und die Wahl von Luft als Dielektrikum steigt die Güte der Resonanzleitungen der Resonatorsegmente außerordentlich an, was sowohl die für die Bildgebung erforderliche Generatorleistung reduziert, als auch das Signal/Rausch-Verhältnis positiv beeinflusst und damit die Bildqualität verbessert bzw. die für die Bildaufnahme notwendige Gesamtzeit verkürzt. Da die Permittivitätszahl von Luft den geringsten möglichen Wert von 1 besitzt, wird die für die betreffende Resonanzfrequenz optimal wirksame Länge der Resonatorsegmente auf den maximal möglichen Wert vergrößert. Dies bedeutet eine noch weiter mögliche Vergrößerung des Untersuchungsvolumens (108). Herstellungstechnisch entfällt zudem die für die Aufnahme der Kondensatoren (CS2) in der Substratplatte erforderliche Fräsung oder Stanzung, da die zweite Substratplatte ersatzlos entfällt, was wiederum Materialkosten spart. Ein gemäß 10 mit Luft als Dielektrikum konstruiertes Resonatorsegment (109) stellt hinsichtlich der charakteristischen elektrischen Eigenschaften sicherlich das Optimum dar.
Vernachlässigbar geringfügig schlechtere elektrische Eigenschaften weist die Konstruktion des Resonatorsegmentes gemäß 11 auf. Es handelt sich hierbei um den bereits oben erwähnten konzentrierten Dipol, bei dem ein Teil der Resonanzleitung durch konzentrierte Bauteile (Spulen) ersetzt wird. Anstelle der abgeknickten, am Ende leerlaufenden Leitungen werden nun jeweils zwei Spulen (SP) einerseits an der gleichen Stelle der Hauptresonanzleitungen (4) und (5) angebracht, wo bei den Konstruktionen zuvor die Leiterbahn im rechten Winkel abgeknickt worden ist und andererseits mit dem Massepotential, also der Bodenplatte (1) verbunden. Dabei sind die Induktivitätswerte der Spulen (SP) so dimensioniert, dass sich exakt die gleichen Impedanzverhältnisse wie zuvor bei den am Ende leerlaufenden Resonanzleitungen an dieser Verbindungsstelle einfinden. Dabei sind zwei Dinge zu beachten: zum einen muss der Induktivitätswert der Spulen (SP) die elektrische Länge der zuvor um die seitliche Länge (H2) und um die Länge (L2) verlängerten Resonanzleitungen kompensieren, weil diese ja nicht mehr vorhanden sind und zum anderen haben sich die Randbedingungen verändert, d. h. anstelle einer am Ende leerlaufenden Leitung findet sich nun eine am Ende kurzgeschlossenen Leitung. Dies bedeutet, das jeder der Spulen (SP) noch zusätzlich zu den Längen (H2) und (L2) jeweils die Länge einer Resonanzleitung kompensieren muss, die einer viertel Wellenlänge entspricht (Viertel-Wellenlängen-Resonanztransformation: der Kurzschluss wird in einen Leerlauf gewandelt). Da in diesem Fall keine von außen beeinflussbare Streufelder am Ende einer leerlaufenden Leitung existieren ist das hochfrequente elektrische Verhalten einer solchen Konstruktion außerordentlich stabil. In der 12 ist schematisch die zugehörige räumliche Darstellung dieser Anordnung wiedergegeben. Die Induktivität ist hier schematisch als planare mäanderförmige Struktur skizziert, die auch hohe Impulsstromstärken zu verarbeiten vermag. Während die für die Resonanzleitungen verwendeten Leiterstreifen (4) und (5) in bekannter unsymmetrischer Streifenleitertechnik gefertigt sind, entspricht die Anbringung der mäanderförmigen Spulen (9) nicht der bekannten Standarttechnik zur Herstellung von unsymmetrischen Streifenleitern, da diese seitlich auf der Stirnkante der Substrate aufgebracht sind. Somit handelt es sich auch hierbei wieder um eine modifizierte unsymmetrische Streifenleitungstechnik.
Nachteilig bei den in 11 bzw. 12 Konstruktionen ist, dass der relativ hohe Induktivitätswert in planarer Technik nur relativ aufwendig herstellbar ist und mögliche Fertigungstoleranzen die Resonanzfrequenzen der Resonatorsegmente nachteilig beeinflussen könnten. Eine Möglichkeit zur nachträglichen Feinabstimmung der Resonatorsegmente mit Hilfe geeigneter Kondensatoren erscheint wünschenswert.
Die Realisation einer solchen Möglichkeit ist in 13 gezeigt. Dieses Bild zeigt schematisch den Querschnitt eines erfindungsgemäßen konzentrierten Resonatorsegmentes in modifizierter unsymmetrischer Streifenleitungstechnik in Längsrichtung mit einer Länge des Resonators, die in etwa dreiviertel der Wellenlänge entspricht. Dabei sind zur elektrischen Verlängerung der Resonanzleitungen zusätzliche Spulen (SP) jeweils zwischen dem Ende der jeweiligen Leiterstreifen (4) und (5) als Resonanzleitungen in unsymmetrischer Streifenleitungstechnik und zu (zur Feinabstimmung verwendeten) Kondensatoren (C) zwischen dem jeweiligen Spulenende und der Massefläche geschaltet.
In der 14 ist schematisch die zugehörige räumliche Darstellung dieser Anordnung wiedergegeben. Die Induktivitätswerte der auf den Stirnseiten in modifizierter Streifenleitungstechnik angebrachten mäanderförmigen Spulen (9), können für diese Konstruktion wieder deutlich geringer gewählt werden, weil es sich nun wieder in elektrischer Hinsicht um ein kapazitiv belastetes offenes Ende einer Resonanzleitung handelt, d. h. die ursprünglich zusätzlich zu kompensierende Resonanzleitungslänge von einer viertel Wellenlänge kann nun wieder entfallen. Dadurch können mäanderförmige Spulen (9) sehr leicht in robuster, impulsfester planarer Form hergestellt werden. Die zur Feinabstimmung notwendigen Kondensatoren können beispielsweise als impulsfeste sogenannte MIM-Kondensatoren (10) (MIM: metal-isolator-metal) in Schichtenstruktur hergestellt werden, die sich durch ein lokales Wegbrechen der oberen Metallisierung leicht (allerdings nur in einer Richtung zu geringeren Kapazitätswerten hin) abstimmen lassen. Dadurch kann mit Hilfe eines Stehwellenmessgerätes auch leicht noch ein Feinabgleich nach dem Einbau des Resonatorsegmentes direkt am Einsatzort erfolgen.

Claims

Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen, – mit jeweils einer metallisch leitenden oder metallenen Grundplatte (1), – mit zwei metallisch leitenden oder metallenen Leiterstreifen (4) und (5) als hochfrequente Nahfeld-Wechselwirkungselemente, – mit einem Dielektrikum, bestehend aus einer ersten dielektrische Platte (2) und einer zweiten dielektrische Platte (3) zwischen den Leiterstreifen (4) und (5) und der Grundplatte (1), wodurch die Leiterstreifen (4) und (5) und die Grundplatte (1) galvanisch voneinander isoliert werden, – wobei jedes planare Resonatorsegment (109) so konstruiert ist, das es als selbständiges Antennenmodul einzeln angesteuert werden kann und sowohl einzeln als auch als modulares Bestandteil einer komplexen, schaltbaren Antennenvorrichtung verwendet werden kann, – wobei die zwei Leiterstreifen (4) und (5) zusammen eine Resonanzleitungs-Antennenvorrichtung in Form eines resonanten Dipols bilden, – wobei sich die mechanische Gesamtlänge der Resonanzleitung des so gebildeten Dipols aus der Summe der einzelnen Längen der jeweiligen Leiterstreifen (4) und (5) ergibt, – wobei der so gebildete Dipol seinen Einspeisepunkt (6) in etwa der Mitte des Resonatorsegmentes besitzt und mit einer abgestimmten bzw. angepassten Zweidraht-Speiseleitung (7) gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrisch wirksame Gesamtlänge der Resonanzleitung des von den Leiterstreifen (4) und (5) gebildeten Dipols mehr als eine halbe Wellenlänge und weniger als eine ganze Wellenlänge der jeweils gewünschten Wechselwirkungsfrequenz (Larmorfrequenz) beträgt, wenn die Enden des Dipols in elektrischer Hinsicht einen Leerlauf bzw. einen kapazitiv beschwerten Leerlauf bilden – und die elektrisch wirksame Gesamtlänge der Resonanzleitung des von den Leiterstreifen (4) und (5) gebildeten Dipols mehr als eine ganze Wellenlänge und weniger als das Eineinhalbfache der Wellenlänge der jeweils gewünschten Wechselwirkungsfrequenz (Larmorfrequenz) beträgt, wenn die Enden des Dipols in elektrischer Hinsicht zur Bodenplatte (1) hin kurzgeschlossen sind – und wobei das Resonatorsegment so gestaltet ist, dass nur der mit hoher hochfrequenter Stromstärke weitgehend gleichmäßig stark durchströmte Teil der Resonanzleitung, also der Teil mit der jeweiligen Teillänge (L1) des Leiterstreifens (4) bzw. mit der jeweiligen Teillänge (L1) des Leiterstreifens (5), wobei dann dieser Teil der Resonanzleitung insgesamt eine Gesamtlänge (2·L1) besitzt, die sich aus der Summe (L1 + L1) der jeweiligen Teillängen (L1) ergibt und die insgesamt stets weniger als eine halbe Wellenlänge der jeweils gewünschten Wechselwirkungsfrequenz (Larmorfrequenz) misst, zum Aufbau eines hochfrequenten Feldes der magnetischer Flussdichte im Untersuchungsvolumen (108), also im unmittelbar benachbarten Raumbereich, d. h. in Entfernungen weniger Wellenlängen und darunter, im Wesentlichen beiträgt und – diejenigen Teile mit den jeweiligen Teillänge (L2) der als Resonanzleitung wirkenden Leiterstreifen (4) und (5), welche die kosinusförmig abfallenden bzw. schwankenden Intensitätswerte der magnetischen Flussdichte bewirken, mechanisch oder elektrisch dergestalt von dem zu erzeugenden B1-Feld separiert werden, dass jeweils lediglich die mit hoher hochfrequenter Stromstärke weitgehend gleichmäßig stark durchströmten Teillängen (L1) der Leiterstreifen (4) und (5) maßgeblich als Resonanzleitungen mit dem Untersuchungsvolumen (108) Wechselwirken können und diese dann annähernd gleichhohe Werte des Absolutbetrages der hochfrequenten magnetischen Flussdichte (B1-Feld) im Feldraum erzeugen.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden vom Einspeisepunkt (6) am weitesten distanzierten, am Ende jeweils leerlaufenden Enden der zwei Leiterstreifen (4) und (5) mechanisch dergestalt bügelförmig bzw. u-förmig unterhalb der auf der zweiten dielektrischen Platte (3) verbleibenden Hochstrom-Bereiche dieser zwei Leiterstreifen (4) und (5) geführt werden, dass – die zwei Leiterstreifen (4) und (5) jeweils mit einer bestimmten Teillänge (L1) auf der dem Untersuchungsvolumen (108) zugewandten Seite oberhalb der zweiten dielektrischen Platte (3) verbleiben, – dann seitlich entlang der Höhe (H2) dieser zweiten dielektrischen Platte (3) zur Bodenplatte hin weitergeführt werden, – schließlich auf der Unterseite der zweiten dielektrischen Platte (3) genau unterhalb und parallel zu der oberhalb verbliebenen mit hoher hochfrequenter Stromstärke weitgehend gleichmäßig stark durchströmten Teillängen (L1) der zwei Leiterstreifen (4) und (5) mit einer bestimmten Länge (L2), die signifikant kürzer als eine viertel Wellenlänge ist, weitergeführt werden – und schließlich dort enden, – wobei sich die Felder der von den jeweils mit unterschiedlichen lokalen Werten der Stromstärke durchflossenen Teilstücke mit den jeweiligen Längen (L1), (H2) und (L2) der Leiterstreifen (4) und (5) verursachten magnetischen Flussdichte in Richtung zum Untersuchungsvolumen (108) hin derart überlagern, dass sich ein weitgehend homogenes hochfrequentes magnetisches Feld im nahezu gesamten Untersuchungsvolumen (108) einstellt.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz der als Resonanzleitung wirkenden Leiterstreifen (4) und (5) zusätzliche Kondensatoren (CS1) zwischen den jeweiligen Enden der Leiterstreifen (4) und (5) und der Grundplatte (1) elektrisch leitend angebracht sind.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Feinabstimmung der Resonanzfrequenz der als Resonanzleitung wirkenden Leiterstreifen (4) und (5) zusätzliche Kondensatoren (CS2) zwischen den jeweiligen Enden der Leiterstreifen (4) und (5) und etwa der mittigen Unterseite dieser Leiterstreifen (4) und (5) elektrisch leitend angebracht sind.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden vom Einspeisepunkt (6) am weitesten distanzierten Leitungs-Teilstücke der am Ende jeweils leerlaufenden oder zur Bodenplatte (1) hin kurzgeschlossenen Enden der zwei Leiterstreifen (4) und (5) elektrisch dergestalt durch Recktanz-Elemente wie Spulen (Sp) oder Kondensatoren (C) ersetzt werden, dass – die zwei Leiterstreifen (4) und (5) jeweils mit den mit hoher hochfrequenter Stromstärke weitgehend gleichmäßig stark durchströmten Teillängen (L1) auf der dem Untersuchungsvolumen (108) zugewandten Seite oberhalb der zweiten dielektrischen Platte (3) verbleiben und – wobei die restliche Längen der zwei Leiterstreifen (4) und (5) jeweils durch entsprechende Recktanz-Elemente in elektrischer Hinsicht äquivalent ersetzt bzw. nachgebildet werden.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Recktanz-Elemente für die in elektrischer Hinsicht zu substituierenden beiden vom Einspeisepunkt (6) am weitesten distanzierten, am Ende jeweils zur Bodenplatte hin kurzgeschlossenen zwei Leiterstreifen (4) und (5) ausschließlich Spulen (Sp) verwendet werden, die unmittelbar mit der Grundplatte (1) elektrisch leitend verbunden sind.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Recktanz-Elemente für die in elektrischer Hinsicht zu substituierenden beiden vom Einspeisepunkt (6) am weitesten distanzierten, am Ende jeweils leerlaufenden zwei Leiterstreifen (4) und (5) eine Serienschaltung von jeweils einer Spule (Sp) mit einem Kondensator (C) verwendet werden, die unmittelbar mit der Grundplatte (1) elektrisch leitend verbunden sind.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der zweiten dielektrischen Platte (3) lediglich Luft als Dielektrikum verwendet wird und zur Erzielung mechanischer Stabilität als Ersatz für diese zweite dielektrischen Platte (3) dielektrische Stützen mit vernachlässigbar geringem Einfluss auf die charakteristischen elektrischen Eigenschaften verwendet werden.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle der ersten dielektrischen Platte (2) Luft als Dielektrikum verwendet wird und zur Erzielung mechanischer Stabilität als Ersatz für diese erste dielektrischen Platte (2) dielektrische Stützen mit vernachlässigbar geringem Einfluss auf die charakteristischen elektrischen Eigenschaften verwendet werden.
Resonatorsegmente zur Erzeugung eines homogenen B1-Feldes im Ultrahochfeld-Magnetresonanz-Tomographen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl anstelle der zweiten dielektrischen Platte (3) als auch anstelle der ersten dielektrischen Platte (2) jeweils Luft als Dielektrikum verwendet wird und zur Erzielung mechanischer Stabilität als Ersatz für diese zweite dielektrischen Platte (3) und für diese erste dielektrischen Platte (2) dielektrische Stützen mit vernachlässigbar geringem Einfluss auf die charakteristischen elektrischen Eigenschaften verwendet werden.