DE4218635C2 - Hochfrequenz-Empfangsantenne einer Einrichtung zur Kernspintomographie mit mindestens einem Kondensator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenz-Empfangs­ antenne einer Einrichtung zur Kernspintomographie mit min­ destens einem Kondensator. Eine entsprechende Antenne ist der EP 0 268 083 B1 zu entnehmen.

Es sind Einrichtungen zum Erzeugen von Schnittbildern eines Untersuchungsobjektes, vorzugsweise eines anatomi­ schen Körpers, mittels magnetischer Kernspinresonanz (bzw. Nuclear Magnetic Resonance) bekannt. Bei entsprechenden Kernspintomographie-Einrichtungen wird durch rechnerische oder meßtechnische Analyse integraler Protonenresonanz­ signale aus der räumlichen Spindichte oder auch aus der Relaxationszeitverteilung des zu untersuchenden Körpers ein Bild konstruiert. Der Körper wird hierzu in ein star­ kes homogenes Magnetfeld, das sogenannte Grundfeld, ein­ gebracht, das die Kernspins in einem Abbildungsvolumen ausrichtet. Ferner sind gepulste Gradientenspulen vorge­ sehen, die zur Ortsauflösung im Abbildungsvolumen ein räumlich veränderliches Magnetfeld erzeugen. Eine Hoch­ frequenz(HF)-Antenne dient zur Anregung der Kernspins zu einer Präzession. Zum Empfang der Kernspinsignale in Folge dieser Präzession werden vielfach besondere HF-Empfangsan­ tennen vorgesehen.

Zur Abbildung einzelner Körperbereiche mit verhältnismäßig geringer Ausdehnung können als HF-Empfangsantennen soge­ nannte Oberflächenspulen oder Lokalspulen verwendet wer­ den. Diese Spulen sind im allgemeinen als Flachspulen mit einer oder mehreren Windungen ausgebildet. Sie werden ein­ fach auf den abzubildenden Körperbereich, beispielsweise einen Wirbel, das Mittelohr oder auch ein Auge, aufgelegt. Bei solchen HF-Oberflächenantennen muß die Einkopplung elektrischer Felder in das leitfähige Untersuchungsobjekt wie z. B. den menschlichen Körper vermieden werden, um die Verluste klein zu halten. Dazu werden die elektrischen Felder in einem oder mehreren Kondensatoren konzentriert.

Eine entsprechende Ausführungsform einer bekannten Ober­ flächenantenne ist zu einem sogenannten "Loop-gap"-Resona­ tor ausgebildet. Dessen Spule besteht dabei aus einer einzigen Windung eines bandförmigen metallischen Leiters, dessen plattenförmige Enden einen Kondensator bilden. Der Leiter wird im allgemeinen als Oberflächenschicht auf einen Träger aus elektrisch isolierendem Material aufge­ bracht, der z. B. aus Kunststoff oder auch aus Plexiglas besteht. Durch den Abstand und die Größe der plattenförmi­ gen Enden sowie durch die Auswahl eines Dielektrikums kann dabei die Kapazität des Kondensators eingestellt werden, die mit der Induktivität der Windung in Resonanz gebracht wird (vgl. "Journal of Magnetic Resonance", Vol. 61, 1985, Seiten 571 bis 578). Die Gute dieses resonanten Empfangs­ kreises bestimmt das erreichbare Signal-zu-Rausch-Verhält­ nis. Ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis bedeutet hohe Empfindlichkeit der Messung und kurze Meßzeit und stellt somit eine entscheidende Größe der Kernspintomographie- Einrichtung dar. Neben den Leiterverlusten in den Anten­ nenschleifen stellen die Leiter- und die dielektrischen Verluste in den HF-Kondensatoren eine limitierende Größe dar; Gütewerte von 1000 bis 2000 können dabei vielfach als Obergrenze gelten.

Aus der US 4,646,097, der GB 2 151 791 A und der DE 35 12 682 A sind in Kernspin­ tomographie-Anlagen einsetzbare HF-Antennen mit ausgeprägter dreidimensionaler Gestalt bekannt, die jeweils Kondensatoren aufweisen. Hinweise auf eine Verwendung von supraleitendem Material sind nicht gegeben.

In der GB 2 244 403 A ist ein schraubenförmiger HF-Resonator beschrieben, der supra­ leitendes Material enthalten kann. Einzelheiten von Kondensatoren eines Netzwerkes dieses Resonators sind nicht offenbart.

Der EP 0 455 527 A ist ein Streifenresonator mit metalloxidischem Supraleitermaterial hoher Sprungtemperatur zu entnehmen. Dieser Resonator weist einen Einkoppelkonden­ sator mit einem normalleitenden Teil und einem Teil aus dem Supraleitermaterial auf.

Bei bisherigen HF-Antennen von Einrichtungen zur Kernspin­ tomographie war die Resonanzkreisgüte weniger durch die verwendeten Kondensatoren mit Luft als Dielektrikum als durch die ohmschen Verluste im Antennenleitermaterial und die Verluste durch die Ankopplung an den zu untersuchen­ den Körper begrenzt. Man ist nun bestrebt, den Abstand der HF-Empfangsantenne von dem zu untersuchenden Körper zu vergrößern, wodurch die Ankopplung entsprechend verringert wird. Damit wird es erforderlich, die Güte des Antennen- Resonanzkreises zu erhöhen, um ein etwa gleiches Signal- zu-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten. In diesem Falle werden die Verluste in den Kondensatoren relevant und müssen verbessert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Ver­ luste von Kondensatoren mit den eingangs aufgeführten Merkmalen zu verringern, um so größere Abstände einer HF- Empfangsantenne von einem zu untersuchenden Körper zu er­ möglichen.

Diese Aufgabe wird für eine Empfangsantenne mit den ein­ gangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mindestens eine Kondensator eine Schichtstruktur aus supraleitenden Schichtteilen aus einem metalloxidi­ schen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur mit dazwischenliegender fester Dielektrikumsschicht aufweist.

Die mit dieser Ausgestaltung des Antennenkondensators ver­ bundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, daß durch die Verwendung bekannter Hochtemperatursupralei­ ter(HTSL)-Materialien bei den für Empfangsantennen in Kernspintomographie-Einrichtungen üblichen Frequenzen im Megahertz-Bereich die ohmschen Verluste um mehrere Größen­ ordnungen kleiner sind als von entsprechend gekühltem Kup­ fer. Mit für diese HTSL-Materialien üblichen Substratmate­ rialien als Dielektrika lassen sich Gütewerte bis über 10 000 erreichen. Falls ein Aufbau der mindestens einen Antennenschleife der HF-Empfangsantenne ebenfalls mit dem HTSL-Material des Kondensators vorgesehen wird, läßt sich vorteilhaft der Kondensator leicht in diesen Aufbau inte­ grieren. Bei dem erfindungsgemäß gestalteten Mehrschicht­ kondensator braucht es sich aber nicht unbedingt um einen in eine Antennenschleife integrierten Kondensator zu han­ deln. Vielmehr können statt dessen oder auch zusätzlich entsprechende Kondensatoren für ein Anpaßnetzwerk der An­ tenne verwendet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kon­ densators gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren

Fig. 1 eine HF-Empfangsantenne mit zwei erfindungsgemäß ausgeführten Kondensatoren veranschaulicht ist.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem dieser Kondensatoren. In den

Fig. 3 und 4 sind zwei prinzipielle Ankopplungs­ möglichkeiten von HF-Empfangsantennen nach der Erfindung angedeutet. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 in Schrägansicht veranschaulichte, allge­ mein mit 2 bezeichnete planare HF-Empfangsantenne einer Einrichtung zur Kernspintomographie enthält in ihrer z. B. einzigen Schleife zwei Mehrschichtkondensatoren 3 und 4, von denen Fig. 2 einen Querschnitt z. B. durch den Kon­ densator 3 zeigt. Diese Kondensatoren sind jeweils durch Überlappungen der Enden von zwei streifenförmigen Leiter­ stücken 2a und 2b der Antennenschleife als eine mehrla­ gige Schichtstruktur aus zwei Schichtteilen 5a und 5b bzw. 5a′ und 5b′ aus einem HTSL-Material und einem dazwischen­ liegenden festen Dielektrikum 6 bzw. 6′ ausgebildet. Selbst­ verständlich ist es auch möglich, zur Ausbildung der Kon­ densatoren 3 und/oder 4 die Überlappungen der einzelnen supraleitenden Schichtteile zu vertauschen, so daß dann z. B. für den Kondensator 3 der Schichtteil 5a (als oberer Schichtteil) den Schichtteil 5b überlappen würde. Auch die übrigen Teile der supraleitenden Leiterstücke 2a und 2b können vorteilhaft aus demselben HTSL-Material als Dünnschichtstrukturen hergestellt werden. Gegebenenfalls ist es aber möglich, für die Leiterstücke 2a und 2b unter­ schiedliche Materialien vorzusehen.

Wie Fig. 1 ferner zu entnehmen ist, sind zu beiden Sei­ ten des Kondensators 3 die supraleitenden Leiterstücke 2a und 2b der Antennenschleife jeweils mit einem Anschluß­ leiter 7a bzw. 7b verbunden, der zu einem nicht darge­ stellten Vorverstärker führt.

Selbstverständlich muß für die HTSL-Material enthalten­ den Teile der HF-Empfangsantenne nach der Erfindung und des ihr zugeordneten mindestens einen Mehrschichtkonden­ sators eine entsprechende Kühlung unter die Sprungtempe­ ratur T_c des verwendeten HTSL-Materials, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, vorgesehen sein.

Bei den verwendbaren HTSL-Materialien handelt es sich um bekannte metalloxidische Supraleitermaterialien mit hoher Sprungtemperatur T_c von insbesondere über 77 K. Die Zu­ sammensetzung entsprechender HTSL-Materialien basiert dabei auf metallische Komponenten und Sauerstoff enthal­ tenden Stoffsystemen. Als Ausführungsbeispiel sei aus dem speziellen Stoffsystem Y-Ba-Cu-O das HTSL-Material YBa₂Cu₃O_7-x (mit 0,5 < x < 1) ausgewählt. Das HTSL-Mate­ rial insbesondere für die Schichtteile 5a, 5b, 5a′ und 5b′ ist jedoch nicht auf dieses spezielle Stoffsystem be­ schränkt; d. h., es sind ebensogut auch andere mehrkompo­ nentige oxidkeramische HTSL-Materialien geeignet, welche diesem speziellen Stoffsystem nicht zuzurechnen sind und zumindest teilweise andere und/oder zusätzliche metalli­ sche Komponenten und Sauerstoff enthalten. Die ohmschen Verluste dieser Materialien sind vorteilhaft äußerst ge­ ring. So liegt z. B. bei 10 MHz der nach der BCS-Theorie skalierte ohmsche Widerstand von YBa₂Cu₃O_7-x um mehr als sechs Größenordnungen unter dem von gekühltem Kupfer und kann daher praktisch vernachlässigt werden.

Das HTSL-Material der Leiterstücke 2a und 2b mit ihren Schichtteilen (Enden) 5a, 5a′ bzw. 5b, 5b′ wird vorteil­ haft mittels bekannter Verfahren insbesondere epitaktisch auf der jeweiligen Unterlage abgeschieden und soll eine hohe kritische Stromtragfähigkeit (Stromdichte) in der Größenordnung von mindestens 10⁴ A/m² in der Nähe der Sprungtemperatur T_c des HTSL-Materials gewährleisten. Die jeweilige Unterlage sollte hierzu zweckmäßigerweise so texturiert sein, daß die für die Stromtragfähigkeit in dem HTSL-Material verantwortlichen Cu-O-Kristallebenen als kristalline a-b-Ebenen zumindest annähernd parallel zum jeweiligen Oberflächenteil der Unterlage zu liegen kommen.

Die Unterlage unter den supraleitenden Leiterstücken 2a und 2b der Antenne 2 kann insbesondere durch ein an sich bekanntes Substrat 8 gebildet sein, auf dem das HTSL-Ma­ terial vorzugsweise epitaktisch aufwachsen kann. Entspre­ chende Substratmaterialien, deren jeweilige kristalline Einheitszelle vorteilhaft an die entsprechenden Abmessun­ gen der Einheitszelle des verwendeten HTSL-Materials ange­ paßte Maße hat, sind z. B. SrTiO₃, BaTiO₃, LaAlO₃, NdAlO₃, NdGaO₃, MgO, MgAl₂O₄ oder Y-stabilisiertes ZrO₂. Auch ist als Substrat Al₂O₃ oder Si, das zudem noch dotiert oder als Si-Verbindung vorliegen kann, geeignet, wobei diese Materialien im allgemeinen mit einer diffusionshemmenden Zwischenschicht, einer sogenannten "Bufferlayer", abge­ deckt sind. Die Substratmaterialien werden vorteilhaft auch unter dem Gesichtspunkt ausgewählt, daß sie einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das HTSL-Material aufweisen. Für ein konkretes Ausführungs­ beispiel sei unter diesen Gesichtspunkten ein LaAlO₃- Substrat 8 als Unterlage ausgewählt.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn als Dielektrika 6 und 6′ ein Material vorgesehen wird, wie es auch für das Substrat 8 geeignet ist. Denn die genannten Materialien weisen Verlustwinkel auf, die Güten von über 10 000 er­ lauben.

Vorteilhaft kann die Dicke d der Dielektrikumsschichten 6 und 6′ klein gewählt werden, so daß bei geringem Flächen­ bedarf hohe Kapazitätswerte zu erhalten sind: 100 nm als Dicke d sind ausreichend, um eine elektrische Isolation zu gewährleisten. Ausgehend von einer solchen Schichtdicke er­ hält man z. B. bei Verwendung von LaAlO₃ als Dielektrikum mit einer dielektrischen Konstanten ε_r = 25 eine Kapazi­ tät von 1 nF auf einer Fläche von 6 _* 6 mm². Die zuge­ hörige Induktivität für eine Resonanzfrequenz von 50 MHz liegt bei 10 nH. Antennenschleifen mit praktikablen Durch­ messern D (vgl. Fig. 1) von < 5 cm haben Induktivitäten um 1 µH, so daß die Kapazitätswerte noch wesentlich klei­ ner gewählt werden können. Allerdings verwendet man in der Praxis häufig mehrere verteilte Kondensatoren entlang einer Antennenschleife, um so die elektrischen Streufelder abzusenken. Zwar steigt dadurch der Flächenbedarf durch die Serienschaltung der Kondensatoren wieder an, bleibt jedoch klein gegenüber der Fläche der Leiterschleife.

Wie anhand der Fig. 1 und 2 verdeutlicht wurde, eignet sich die erfindungsgemäße Gestaltung der Kondensatoren 3 und 4 für eine Empfangsantenne einer Einrichtung zur Kernspintomographie in besonderer Weise zu einer Integra­ tion mit Antennenschleifen aus epitaktischen Dünnfilmen aus HTSL-Material, die auf den genannten hochfrequenz­ tauglichen Substraten 8 hergestellt werden können. Solche HTSL-Antennen bieten gegenüber entsprechenden normallei­ tenden Antennen eine verbesserte Empfangsempfindlichkeit. Mittels Heteroepitaxie können gleichzeitig die HTSL-An­ tennenschleife und die HTSL-Mehrschichtkondensatoren 3 und 4 mit ihrem Aufbau aus supraleitendem Schichtteil 5a bzw. 5a′ - Dielektrikumsschicht 6 bzw. 6′ - supraleitendem Schichtteil 5b bzw. 5b′ erzeugt werden. Die Nachteile eines hybriden Aufbaus aus Einzelkondensatoren und Anten­ nenschleife, insbesondere Lötungen und Bondungen mit stö­ renden Kontaktwiderständen, werden dadurch vermieden.

Sowohl die Resonanzkondensatoren 3 und 4 gemäß den Fig. 1 und 2 als auch Kondensatoren eines Anpaßnetzwerks können mit einem erfindungsgemäßen Aufbau realisiert wer­ den. Das Anpaßnetzwerk bei HF-Empfangsantennen von Ein­ richtungen zur Kernspintomographie dient dazu, die im allgemeinen induktive Last, die eine HF-Antenne darstellt, an eine reelle Impedanz von z. B. 50 Ω eines Wellenlei­ ters oder eines Vorverstärkers anzupassen, um so Reflek­ tionsverluste zu vermeiden und ein maximales Signal in eine nachgeordnete Signalelektronik einspeisen zu können. Zwei verschiedene Ausführungsformen von entsprechenden An­ paßnetzwerken unter Verwendung von erfindungsgemäß ausge­ führten HTSL-Mehrschichtkondensatoren sind aus den Prin­ zipschaltbildern der Fig. 3 und 4 zu entnehmen. Dabei zeigt Fig. 3 eine symmetrische Ausführungsform, während in Fig. 4 eine asymmetrische Ausführungsform dargestellt ist.

Gemäß Fig. 3 ist in eine HTSL-Antennenschleife 10 einer HF-Empfangsantenne 11 nach der Erfindung nur ein einziger HTSL-Mehrschichtkondensator 3 integriert. Für eine kapa­ zitive Ankopplung eines Vorverstärkers an diese HF-An­ tenne 11 sind in Anschlußleitern 7a und 7b je ein HTSL- Mehrschichtkondensator 13 bzw. 14 als Koppelkondensatoren angeordnet. Diese Koppelkondensatoren sind entsprechend dem HTSL-Resonanzkondensator 3 in der Schleife 10 ausge­ führt. In der Figur soll ferner durch eine gestrichelte Linie 15 eine Trennung zwischen einem supraleitenden Be­ reich SB und einem normalleitenden Bereich NB angedeutet sein. Für den supraleitenden Bereich SB ist selbstver­ ständlich eine entsprechende Kühlung unter die Sprungtem­ peratur T_c des verwendeten HTSL-Materials vorzusehen.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von der nach Fig. 3 durch eine asymmetrische Ankopplung einer erfindungsgemäßen HF-Empfangsantenne 16. In die HTSL-An­ tennenschleife 17 dieser Antenne sind zwei erfindungsge­ mäß ausgeführte Mehrschichtkondensatoren 3 und 4 inte­ griert, zwischen denen ein mit einem Schirmmantel 18 eines koaxialen Wellenleiters 19 verbundener Anschlußleiter 20 angeschlossen ist. Der Innenleiter 21 dieses Wellenleiters 19 ist über einen Anschlußleiter 22 mit der Antennen­ schleife 17 verbunden, wobei in den Anschlußleiter 22 ein HTSL-Mehrschichtkondensator 23 als ein Koppelkondensator integriert ist. Dieser Mehrschichtkondensator 23 ist wie­ derum erfindungsgemäß ausgeführt. Statt des Wellenleiters 19 kann an die Anschlußleiter 20 und 22 auch direkt ein Vorverstärker angeschlossen sein. Eine Linie 15 deutet wiederum die Trennung zwischen supraleitendem und normal­ leitendem Bereich SB bzw. NB an.

Abweichend von den in den Fig. 3 und 4 skizzierten ka­ pazitiven Ankopplungsarten von Wellenleitern oder Vorver­ stärkern an erfindungsgemäße HF-Empfangsantennen 11 oder 16 mit HTSL-Material und mindestens einem integrierten HTSL-Mehrschichtkondensator 3, 4, 13, 14, 23 sind bei die­ sen Antennen selbstverständlich auch induktive Ankopplun­ gen, gegebenenfalls mit galvanisch angeschlossenen Wellen­ leitern, möglich.

Claims (4)

1. Hochfrequenz-Empfangsantenne einer Einrichtung zur Kernspintomographie mit mindestens einem Kondensator, gekennzeichnet durch eine zumindest weit­ gehend planare Schichtstruktur mit

• - wenigstens einer Antennenschleife (2a, 2b; 10; 17) aus einem metalloxidischen Supraleitermaterial mit hoher Sprungtemperatur und
• - mindestens einem Kondensator (3, 4, 13, 14, 23), der eine Schichtstruktur aus supraleitenden Schichtteilen (5a, 5b bzw. 5a′, 5b′) aus dem metalloxidischen Supra­ leitermaterial mit dazwischenliegender fester Dielek­ trikumsschicht (6 bzw. 6′) aufweist.

2. Empfangsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Antennenschleife (2a, 2b, 10, 17) auf einem Substrat (8) aus einem an das Supraleitermaterial angepaßten Substrat­ material ausgebildet ist.

3. Empfangsantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Schichtstruk­ tur des mindestens eines Kondensators (3, 4, 13, 14, 23) als Dielektrikum (6, 6′) zwischen zwei supraleitenden Schichtteilen (5a, 5b bzw. 5a′, 5b′) das Substratmaterial vorgesehen ist.

4. Empfangsantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstruktur des mindestens einen Kondensators (3, 4, 13, 14, 23) mit zwei sich überlappenden Enden (5a, 5b bzw. 5a′, 5b′) von Leiterstücken (2a, 2b) einer Antennenschlei­ fe (10, 17) oder mindestens eines mit dieser Antennen­ schleife verbundenen Anschlußleiters (7a, 7b, 22) ausge­ bildet ist.