DE4113120C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Hochfrequenz-Antennensystem für einen Kernspintomographen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein derartiges Antennensystem geht aus der Veröffentlichung "ntz Archiv", Bd. 11, 1989, H. 5, Seiten 237 bis 242 hervor.

Es sind Geräte zum Erzeugen von Schnittbildern eines Untersuchungsobjektes, vorzugsweise eines menschlichen Körpers, mit magnetischer Kernresonanz bekannt. Diese sogenannten Kernspintomographen enthalten einen Grundfeldmagneten, der die Kernspins im menschlichen Körper ausrichtet, und ferner Gradientenspulen, die ein räumlich unterschiedliches Magnetfeld erzeugen, sowie Hochfre­ quenz(HF)-Antennen zur Anregung der Kernspins und zum Empfang der von den angeregten Kernspins emittierten Signale. Beim Einsatz einer derartigen HF-Antenne, die eine Anregungs- und eine Meßspule enthält, wird die Induktivität der Spule zusammen mit einer veränderbaren Kapazität als LC-Resonanzkreis gestaltet, wobei dann die Kondensatoranordnung 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 Richtung 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 hochfrequenten Antennenfelder undurchlässigen Hüllrohr, einem sogenannten HF-Schirm aus elektrisch gut leitendem Material, 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 HF-Feld aus. Das Hüllrohr ragt über die stirnseitigen Enden der Leiter hinaus, so daß eine Rundhohlleiterantenne mit aperiodischer Wellenausbreitung entsteht, deren Koppelelemente die Leiter der Anregungsspule der Antenne sind (US-Patent 46 80 550).

Zur Abbildung kleinerer Körperpartien werden in solchen Kernspintomographen sogenannte Oberflächenspulen oder Lokalspulen eingesetzt. Mit diesen Lokalspulen erhält man ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis, da Rauschsignale nur aus einem verhältnismäßig 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 HF-Feld mit guter Feldhomogenität erzeugt. In dieser Ausführungsform eines Antennensystems sind somit an der Bilderzeugung zwei verschiedene resonante HF-Antennen beteiligt.

Zur Vermeidung der Verkopplung der hochfrequenten Wechselfelder der Anregungsantenne und der Empfangsantenne kann beim Senden die Empfangsantenne und beim Empfang die Sendeantenne über gleichstromgesteuerte HF-Schalter, 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 Verkopplung des elektrischen Feldes der Sendeantenne mit der Zuleitung der Lokalspule auftreten.

Aus der eingangs genannten Literaturstelle aus "ntz Archiv" ist es bekannt, bei zum Senden und Empfangen gemeinsam verwendeten HF-Antennen zur Unterdrückung von Mantelwellen, die auf den Antennenzuleitungen durch Wechselwirkung zwischen unsymmetrischen Koaxialleitungen und dem HF-Feld entstehen und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verschlechtern, Symmetrierglieder wie z. B. Mantelwellensperren anzuordnen. Derartige Mantelwellensperren sind beispielsweise der DE-OS 38 11 983 zu entnehmen. Wegen der Toroid-Form dieser daraus bekannten Entkopplungselemente lassen sich unerwünschte Streufelder und damit Verkopplungen dieser Elemente mit dem Antennenfeld vermeiden. Ferner ist in der Literaturstelle aus "ntz Archiv" für den Fall getrennter HF-Antennen zum Senden und Empfangen vorgeschlagen, während der Sendeimpulse die Empfangsantenne mit Hilfe von Kapazitätsdioden zu verstimmen und so von der Sendeantenne zu entkoppeln.

Bei einem HF-Antennensystem mit getrennter Sende- und Empfangsantenne führt die Zuleitung einer als Empfangsantenne dienenden Lokalspule zwangsläufig durch das Feld des Grundfeldmagneten sowie der Sendeantenne. Befindet sich nun diese Zuleitung in einem Bereich außerhalb von Äquipotentialflächen des Sendefeldes, so treten an der Oberfläche der Zuleitungen Potentialunterschiede auf, und das in die elektrisch leitenden Teile der Zuleitung eindringende Feld ruft aufgrund einer Kraftwirkung auf freie Ladungsträger einen Stromfluß hervor. Das damit verbundene elektromagnetische Feld kann einen Patienten, auf dessen Körper die Zuleitung aufliegen kann, in unerwünschter Weise lokal erwärmen. Bei einer vorbestimmten Länge der Zuleitung kann es in Verbindung mit ihrer Lage im Feld der Sendeantenne zu Resonanzen und stehenden Wellen auf der Zuleitung kommen, die zu verhältnismäßig hohen Strömen führen. Außerdem kann durch diese Verkopplung eine Verzerrung des Feldes der Sendeantenne und damit eine entsprechende Bildstörung entstehen. Diese Schwierigkeiten versucht man dadurch zu umgehen, daß man die Zuleitungen zu Lokalspulen im Bereich der unerwünschten Kopplung so weit wie möglich auf Äquipotentialflächen legt (vgl. z. B. Betriebsanleitung zum "Siemens MAGNETON SP/MAGNETON SP4000, Version A2.5", Teil 1, 1989, Kapitel E1, Abs. 7.2). Die entsprechenden Maßnahmen sind jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem HF-Antennensystem der eingangs genannten Art mit einer Lokalspule als Empfangsantenne diese unerwünschten Folgen einer Kopplung der Lokalspulenzuleitung mit dem HF-Feld der Sendeantenne mit verhältnismäßig einfachen Mitteln zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1.

Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des HF-Antennensystems verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß für die Zuleitung zur Empfangsantenne, die solche Entkopplungselemente enthält, vorzugsweise zusätzliche Induktivitäten, eine besondere Kabelführung nicht mehr erforderlich ist. Außerdem wird die Leistungsdichte innerhalb der Zuleitung während der Sendephase auf verhältnismäßig geringe, ungefährliche Werte begrenzt.

Weitere besonders vorteilhafte Ausführungsformen des Antennensystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des HF-Antennensystems besteht darin, daß als Entkopplungselemente Mantelwellensperren vorgesehen sind, die ein Toroid bilden (DE-OS 38 11 983).

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein HF-Antennensystem mit einer Anordnung der Antennenleiter in einem HF-Schirm als Querschnitt schematisch veranschaulicht ist. In den Fig. 2 bis 4 ist jeweils eine Ausführungsform von Entkopplungselementen des Antennensystems dargestellt. Fig. 5 zeigt ein Entkopplungselement in der Ausführung als toroidale Mantelwellensperre.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines HF-Antennensystems als Teil eines Kernspintomographen mit einem in der Figur nicht dargestellten hohlzylindrischen Grundfeldmagneten. Für die Anregungsspule einer zirkular polarisierenden Senderantenne sind 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 HF-Schirm 6 verbunden, der für die niederfrequenten Gradientenfelder durchlässig und für HF-Felder undurchlässig ist und aus elektrisch gut leitendem Material, beispielsweise einer Kupferfolie, besteht, die auf einem nicht dargestellten Träger befestigt ist. Der HF- 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 HF-Schirm 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 DE-OS 38 11 983 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 HF-Schirms 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. Hochfrequenz-Antennensystem für einen Kernspintomographen mit einer Sendeantenne zur Anregung von Kernspins und einer Empfangsantenne in der Form einer Lokalspule, sowie mit einer entkoppelten Zuleitung zu der Lokalspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (9) zur Lokalspule (8) mittels mehrerer in Reihe liegender, untereinander um vorbestimmte Abstände (a) beabstandeter Entkopplungselemente (10) in entsprechende voneinander entkoppelte Leiterelemente unterteilt ist, wobei die Abstände (a) so gewählt sind, daß keine Resonanzen und stehenden Wellen auf der Zuleitung (9) auftreten.

2. Hochfrequenz-Antennensystem nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch Induktivitäten als Entkopplungsele­ mente.

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

4. Hochfrequenz-Antennensystem 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. Hochfrequenz-Antennensystem nach Anspruch 2, gekenn­ zeichnet durch jeweils zwei Zylinderspulen (22, 23) in der Form einer 8 als Entkopplungselemente (10).

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

7. Hochfrequenz-Antennensystem 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. Hochfrequenz-Antennensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine toroidale Mantelwellensperre (30) als Entkopplungselement (10) vorgese­ hen ist.

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