DE4113120A1 - Kernspintomograph - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernspintomographen mit einer Sendeantenne zur Anregung der Kernspins und einer Empfangsantenne in der Form einer Lokalspule.

Es sind Geräte zum Erzeugen von Schnittbildern eines Untersu­ chungsobjektes, vorzugsweise eines menschlichen Körpers, mit magnetischer Kernresonanz bekannt. Diese sogenannten Kernspin­ tomographen enthalten einen Grundfeldmagneten, der die Kern­ spins im menschlichen Körper ausrichtet, und ferner Gradien­ tenspulen, die ein räumlich unterschiedliches Magnetfeld er­ zeugen, sowie Hochfrequenzantennen zur Anregung der Kernspins und zum Empfang der von den angeregten Kernspins emittierten Signale. Beim Einsatz einer derartigen Hochfrequenzantenne, die eine Anregungs- und eine Meßspule enthält, wird die Induk­ tivität der Spule zusammen mit einer veränderbaren Kapazität als LC-Resonanzkreis gestaltet, wobei dann die Kondensatoran­ ordnung der gewünschten Frequenz entsprechend abgestimmt wird.

In einer bekannten Ausführungsform eines Kernspintomographen mit einem im allgemeinen supraleitenden Grundfeldmagneten, der als Solenoid gestaltet ist und dessen Grundfeld sich in Rich­ tung der Zylinderachse erstreckt, kann die Anregungsspule der Antenne beispielsweise aus Leitern bestehen, die sich parallel zur Zylinderachse erstrecken und in einem für niederfrequente Gradientenfelder frequenzdurchlässigen, jedoch für die hoch­ frequenten Antennenfelder undurchlässigen Hüllrohr, einem so­ genannten Hochfrequenzschirm aus elektrisch gut leitendem Ma­ terial, angeordnet sind. Die Enden dieser Leiter sind jeweils über wenigstens einen Resonanzkondensator mit dem Hüllrohr verbunden. Zwischen dem Leiter und dem Hüllrohr bildet sich ein gleichphasig schwingendes Hochfrequenzfeld aus. Das Hüll­ rohr ragt über die stirnseitigen Enden der Leiter hinaus, so daß eine Rundhohlleiterantenne mit aperiodischer Wellenaus­ breitung entsteht, deren Koppelelemente die Leiter der Anre­ gungsspule der Antenne sind (US-Patent 46 80 550).

Zur Abbildung kleinerer Körperpartien werden in solchen Kern­ spintomographen sogenannte Oberflächenspulen oder Lokalspulen eingesetzt. Mit diesen Lokalspulen erhält man ein gutes Si­ gnal-Rausch-Verhältnis, da Rauschsignale nur aus einem ver­ hältnismäßig kleinen Körperbereich empfangen werden. Diese Oberflächenspulen bestehen im einfachsten Fall aus einer kreisförmigen Drahtschleife, die hochfrequenzmäßig beschaltet ist. Um die Auswirkungen einer Feldinhomogenität möglichst gering zu halten, verwendet man diese Lokalspule lediglich als Meßspule, während als Anregungsspule eine Ganzkörperantenne eingesetzt wird, die ein Hochfrequenzfeld mit guter Feldhomo­ genität erzeugt. In dieser Ausführungsform eines Antennensy­ stems sind somit an der Bilderzeugung zwei verschiedene reso­ nante Hochfrequenz-Antennen beteiligt.

Zur Vermeidung der Verkopplung der hochfrequenten Wechselfel­ der der Anregungsantenne und der Empfangsantenne kann beim Senden die Empfangsantenne und beim Empfang die Sendeantenne über gleichstromgesteuerte Hochfrequenzschalter, vorzugsweise eine Schaltung mit PIN-Dioden, verstimmt werden (US-Patent 48 01 885). Dabei wird die Verkopplung über die hochfrequenten Magnetfelder reduziert. Zusätzlich kann jedoch noch eine Ver­ kopplung des elektrischen Feldes der Sendeantenne mit der Zu­ leitung der Lokalspule auftreten.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Kern­ spintomographen mit einer Lokalspule als Empfangsantenne diese Kopplung der Zuleitung der Lokalspule mit dem Hochfrequenzfeld der Sendeantenne zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit dem kennzeich­ nenden Merkmal des Anspruchs 1. Für eine Zuleitung zur Empfangsantenne, die solche Entkopplungselemente enthält, vor­ zugsweise zusätzliche Induktivitäten, ist eine besondere Ka­ belführung nicht mehr erforderlich und die Leistungsdichte innerhalb der Zuleitung während der Sendephase wird auf ver­ hältnismäßig geringe Werte begrenzt. Weitere besonders vor­ teilhafte Ausführungsformen der Antenne ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dieses Kernspin­ tomographen besteht darin, daß als Entkopplungselemente Man­ telwellensperren vorgesehen sind, die ein Toroid bilden (US- Patentschrift 49 22 204).

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 die Anordnung der Antennen­ leiter im Hochfrequenzschirm als Querschnitt schematisch ver­ anschaulicht ist. In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils eine Aus­ führungsform der Entkopplungselemente dargestellt. Fig. 5 zeigt ein Entkopplungselement in der Ausführung als toroidale Mantelwellensperre.

In der Ausführungsform eines Kernspintomographen gemäß Fig. 1 mit einem in der Figur nicht dargestellten hohlzylindrischen Grundfeldmagneten sind für die Anregungsspule einer zirkular polarisierenden Antenne beispielsweise vier Antennenleiter vorgesehen, von denen in der Figur nur zwei dargestellt und mit 2 und 3 bezeichnet sind. Diese Antennenleiter sind über Resonanzkondensatoren 4 und 5 mit einem hohlzylindrischen Hochfrequenzschirm 6 verbunden, der für die niederfrequenten Gradientenfelder durchlässig und für Hochfrequenzfelder un­ durchlässig ist und aus elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise einer Kupferfolie, besteht, die auf einem nicht dargestellten Träger befestigt ist. Der Hochfrequenz­ schirm 6 mit der Länge L bildet mit den Antennenleitern 2 und 3, deren Länge S wesentlich geringer ist, eine Rundhohlleiter­ antenne mit aperiodischer Wellenausbreitung, deren Koppelele­ mente die Antennenleiter 2 und 3 sind. Zur Messung in einem verhältnismäßig eng begrenzten Körperbereich ist eine Lokal­ spule 8 mit einer Zuleitung 9 vorgesehen.

Das elektrische Feld der Antennenleiter 2 und 3 ist in der Figur durch nicht näher bezeichnete Pfeile angedeutet, deren Länge die Stärke des elektrischen Feldes E angeben soll. Das Grundfeld verläuft in Richtung der z-Achse eines Koordinaten­ systems und die z-Achse selbst stellt eine Äquipotentialfläche dar. Ferner besteht eine Äquipotentialfläche in der Ebene z=0, die in der Figur strichpunktiert angedeutet ist. Bei dieser linear polarisierenden Antenne ist auch die Ebene y=0 eine Äquipotentialfläche. Befindet sich die Zuleitung 9 zur Lokal­ spule 8 im Feld E in einem Bereich außerhalb der genannten Äquipotentialflächen, so bestehen auf der Leiteroberfläche Potentialunterschiede und das in den Leiter eindringende Feld ruft aufgrund der Kraftwirkung auf die freien Ladungsträger einen Stromfluß hervor, dessen elektromagnetisches Feld den Patienten, auf dessen Körper die Zuleitung aufliegen kann, lokal erwärmen kann. Bei vorbestimmter Länge der Zuleitung 9 in Verbindung mit ihrer Lage im Hochfrequenzschirm 6 kann es zu Resonanzen und somit zu stehenden Wellen auf der Zuleitung 9 kommen. Dann sind die beim Senden auf der Abschirmung der Zuleitung 9 induzierten Ströme verhältnismäßig hoch. Ferner kann durch diese Verkopplung eine Verzerrung des Feldes E der Antennenleiter 2 und 3 und damit eine entsprechende Bildstö­ rung entstehen.

Gemäß der Erfindung sind deshalb in der Zuleitung 9 zur Lokal­ spule 8 in vorbestimmten Abständen a Entkopplungselemente 10, vorzugsweise Induktivitäten, vorgesehen, deren hoher Wider­ stand die Zuleitung 9 in einzelne voneinander entkoppelte Leiterelemente mit der Länge a aufteilt. Der Abstand a dieser Entkopplungselemente wird im allgemeinen 20 cm nicht wesent­ lich überschreiten und vorzugsweise etwa 10 cm betragen.

In Reihe mit den Entkopplungselementen 10 am Eingang der Lo­ kalspule 8 kann vorzugsweise noch ein in der Figur nicht dar­ gestellter Empfangsverstärker angeordnet sein.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird ein Entkopplungs­ element 10 beispielsweise dadurch gebildet, daß ein Koaxial­ leiter der Zuleitung mit einem Innenleiter 12 und einer Ab­ schirmung 13 mit wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei Schleifen 14 mit entsprechend hoher Induktivität versehen wird, die durch einen Resonanzkondensator 16 überbrückt wer­ den. Der Resonanzkondensator 16 dient zur Erhöhung der Impe­ danz des Entkopplungselements 10 und bildet deshalb einen Parallelresonanzkreis mit der Induktivität der Schleifen 14. Bei einem Kernspintomographen für beispielsweise 40 MHz und mit einer Induktivität der drei Schleifen 14 von beispiels­ weise 1 µH wird die Kapazität des Resonanzkondensators 16 beispielsweise etwa 10 pF betragen. Die Leiterschleifen 14 und der Resonanzkondensator 16 können beispielsweise in ein nicht näher bezeichnetes Gehäuse eingegossen sein.

Gemäß Fig. 3 besteht ein Entkopplungselement 10 der Zuleitung 9 aus zwei oder mehreren Leiterschleifen 15 in der Form einer 8. Die Leiterschleifen 15 sind ebenfalls durch einen Resonanz­ kondensator 17 überbrückt. Diese Ausführungsform des Entkopp­ lungselementes 10 hat den Vorteil, daß die Leiterschleifen 15 intrinsisch von einem homogenen hochfrequenten Magnetfeld ent­ koppelt sind.

In der Ausführungsform eines Entkopplungselements 10 gemäß Fig. 4 sind zwei getrennte Zylinderspulen 22 und 23 mit jeweils mehreren nicht näher bezeichneten Windungen vorgese­ hen, die auf einem gemeinsamen Kern aufgewickelt sein können, vorzugsweise jedoch in der dargestellten Ausführungsform wie auf getrennten Kernen 24 bzw. 25 angeordnet sind. Diese Kerne 24 und 25 bestehen aus unmagnetischem Material, beispielsweise Kunststoff. Die beiden Zylinderspulen 22 und 23 sind ebenfalls in der Form einer 8 gewickelt und so verschaltet, daß sie ent­ gegengerichtete Eigenfelder erzeugen, die in der Figur durch Pfeile 26 und 27 angedeutet sind. Der Anfang der Zylinderspule 22 und das Ende der Zylinderspule 23 sind durch einen Resonanz­ kondensator 18 überbrückt. Beispielsweise erhält man für eine Zuleitung 9 zur Lokalspule 8 mit einer Gesamtlänge von 1 m und einer Länge a der einzelnen Leitungsstücke zwischen den Entkopplungselementen 10 von jeweils 10 cm sowie einem Außen­ durchmesser der Abschirmung 13 von beispielsweise 0,6 mm und mit insgesamt 10 Entkopplungselementen 10 und mit den beiden getrennten Zylinderspulen 22 und 23 mit jeweils 20 Windungen und einer Induktivität L = 2 µH der Zylinderspulen 22 und 23 und einer Kapazität des Resonanzkondensators 18 C = 6,2 pF und einer Betriebsfrequenz und Eigenresonanz der Entkopplungsele­ mente 10 von 40 MHz eine Zuleitung, mit der beim Einbringen der Lokalspule 8 in das nicht näher bezeichnete Abbildungs­ volumen um den Ursprung des Koordinatensystems im Hochfre­ quenzschirm 6 des Kernspintomographen praktisch keine Verkopp­ lung der Hochfrequenzfelder und somit weder eine Resonanzver­ schiebung und noch eine Änderung des Reflexionsfaktors.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist als Entkopplungsele­ ment 10 eine toroidale Mantelwellensperre vorgesehen, wie sie beispielsweise aus der erwähnten US-Patentschrift 49 22 204 bekannt ist. Die Windungen 28 der Zuleitung 9 sind auf einen Kern 29 aufgewickelt und der nicht näher bezeichnete Anfang und das Ende sind durch einen Resonanzkondensator 19 über­ brückt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist ein Kernspintomograph mit einem in Richtung der z-Achse, d. h. in Achsrichtung des hohlzylindrischen Hochfrequenzschirms 6 verlaufenden Grund­ feld, vorgesehen. Die Erfindung kann jedoch auch bei anderen Bauformen des Kernspintomographen, beispielsweise mit einem sogenannten C-Magneten oder H-Magneten, angewendet werden.

Claims (9)

1. Kernspintomograph mit einer Sendeantenne zur Anregung der Kernspins und einer Empfangsantenne in der Form einer Lokal­ spule, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (9) zur Lokalspule (8) mit Entkopplungselementen (10) versehen ist.

2. Kernspintomograph nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch Induktivitäten als Entkopplungsele­ mente.

3. Kernspintomograph nach Anspruch 2, gekenn­ zeichnet durch Leiterschleifen (14, 15) als Entkopp­ lungselemente.

4. Kernspintomograph nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leiterschleifen (14, 15) mit einem Resonanzkondensator (16, 17) versehen sind, der mit den Induktivitäten der Leiterschleifen (14, 15) einen Paral­ lelschwingkreis bildet.

5. Kernspintomograph nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch jeweils zwei Zylinderspulen (22, 23) in der Form einer 8 als Entkopplungselemente (10).

6. Kernspintomograph nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Zylinderspulen (22, 23) mit Windungen in der Form eines Rechtecks vorgesehen sind.

7. Kernspintomograph nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Windungen der Zylinder­ spulen (22, 23) auf einem Kern (24, 25) aus nichtmagnetischem Material mit wenigstens annähernd rechteckigem Querschnitt aufgewickelt sind.

8. Kernspintomograph nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine toroidale Mantelwellensperre (30) als Entkopplungselement (10) vorgese­ hen ist.

9. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ge­ kennzeichnet durch die Anordnung eines Empfangs­ verstärkers zwischen der Lokalspule (8) und den Entkopplungs­ elementen (10).