DE4309370A1 - Hochfrequenz-Einrichtung einer Anlage zur Kernspintomographie mit einer Empfangsschleife und einem Vorverstärker - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenz-Einrich­ tung einer Anlage zur Kernspintomographie mit einem Hoch­ frequenz-Empfangsteil zum Empfang von durch Kernspinanre­ gungen in einem zu untersuchenden Körper hervorgerufenen Hochfrequenz-Signalen, wobei der Hochfrequenz-Empfangsteil mindestens eine Empfangsschleife und mindestens einen Kon­ densator enthält, denen ein Vorverstärker einer signalver­ arbeitenden Elektronik zugeordnet ist, mit dem ein an dem Kondensator abgenommenes Empfangssignal zu verstärken ist.

Eine entsprechende Hochfrequenz(HF)-Einrichtung geht aus der DE-OS 41 13 120 hervor.

Anlagen zum Erzeugen von Schnittbildern eines zu untersu­ chenden Objektes, insbesondere eines menschlichen Körpers oder Körperteils, unter Anwendung magnetischer Kernreso­ nanzen sind an sich bekannt. Hierbei wird der zu unter­ suchende Körper in ein homogenes Magnetfeld, das soge­ nannte Grundfeld, eingebracht, das in dem Körper eine Aus­ richtung der Kernspins von Atomkernen, insbesondere von an Wasser gebundenen Wasserstoffatomkernen (Protonen), be­ wirkt. Mittels hochfrequenter Anregungsimpulse werden dann diese Kerne zu einer Präzissionsbewegung angeregt. Nach dem Ende eines Anregungsimpulses präzisieren die Atomkerne mit einer Frequenz, von der Stärke des Grundfeldes ab­ hängt, und pendeln sich dann aufgrund ihrer Spins nach einer vorbestimmten Relaxationszeit wieder in die durch das Grundfeld vorgegebene Vorzugsrichtung ein. Durch rech­ nerische oder meßtechnische Analyse der integralen Kern­ signale kann aus der räumlichen Spindichte oder der Ver­ teilung der Relaxationszeiten innerhalb einer Körper­ schicht ein Bild erzeugt werden. Die Zuordnung der infol­ ge der Präzisionsbewegung nachweisbaren Kernresonanzsig­ nale zum jeweiligen Ort ihrer Entstehung erfolgt durch An­ wendung linearer Feldgradienten. Hierzu werden die ent­ sprechenden Gradientenfelder dem Grundfeld überlagert und so gesteuert, daß nur in einer abzubildenden Schicht eine Anregung der Kerne erfolgt. Eine auf diesen physikalischen Effekten basierende Bilddarstellung ist bekannt unter der Bezeichnung Kernspin-Tomographie (KST) oder NMR (Nuclear Magnetic Resonance)-Tomographie.

Zur Hochfrequenz (HF)-Anregung der Kernspins ist ein Sen­ derteil mit einer Antenne erforderlich, die z. B. der ein­ gangs genannten DE-OS als ein sogenannter Ganzkörperreso­ nator ausgebildet ist. Hierzu ist die Sendeantenne als re­ sonate Rundhohlleiterantenne ausgebildet. Sie weist des­ halb mehrere elektrische Leiterelemente auf, die sich pa­ rallel zur Zylinderachse als Solenoid gestalteten Grund­ feldmagneten erstrecken. Diese Leiterelemente sind von einem gemeinsamen, für die niederfrequenten Gradientenfel­ der durchlässigen, jedoch für die HF-Felder undurchlässi­ gen Hüllrohr, einem sogenannten HF-Schirm, aus elektrisch gut leitendem Material umgeben. In dieser Rundhohlleiter­ antenne werden resonante Schwingungsverhältnisse zum Sen­ den eingestellt.

Mit der bekannten KST-Anlage sollen insbesondere Körperbe­ reiche mit verhältnismäßig geringer Ausdehnung abgebildet werden. Hierzu dient eine Oberflächen- oder Lokalspule, die einfach auf den abzubildenden Körperteil, beispiels­ weise einen Wirbel, das Mittelohr oder ein Auge, aufge­ legt wird. Die Oberflächenspule besteht im einfachsten Fall aus einer kreisförmigen Drahtschleife, die hochfre­ quenzmäßig beschaltet ist. Um Auswirkungen einer HF-Feld­ inhomogenität möglichst gering zu halten, verwendet man bei der bekannten KST-Anlage diese Oberflächenspule le­ diglich zum Empfang von durch die Kernspinanregung hervor­ gerufenen HF-Signalen, während die Anregung der Kernspins mit der als Rundhohlleiterantenne gestalteten Ganzkörper­ antenne erfolgt. In dieser bekannten Ausführungsform einer HF-Einrichtung sind somit für eine Bilderzeugung zwei ver­ schiedene HF-Teile, nämlich ein HF-Senderteil und ein HF- Empfangsteil vorgesehen.

Das mit der Oberflächenspule der bekannten KST-Anlage ein­ gefangene HF-Signal wird über ein Zuleitungs- bzw. An­ schlußkabel aus dem Untersuchungsbereich der Anlage nach außen einer signalverarbeitenden Elektronik zugeführt, die auf ihrer Eingangsseite einen zumindest einstufigen Vor­ verstärker aufweist.

Bei der Kernspintomographie ist das erreichbare Signal-zu- Rausch(S/N)-Verhältnis prinzipiell durch die Wirbelstromverluste im zu untersuchenden Körper begrenzt. Hierbei werden vorteilhaft mit einer Oberflächenspule Rauschsi­ gnale nur aus einem verhältnismäßig kleinen Körperbereich empfangen. Das S/N-Verhältnis wird jedoch durch das ther­ mische Rauschen der ohmschen Verluste in der Empfangsspule und das Eigenrauschen der signalverarbeitenden Elektronik verschlechtert. Außerdem führen HF-Verluste im Zuleitungs­ kabel zwischen der Elektronik und der Empfangsschleife zu einer weiteren Verschlechterung des S/N-Verhältnisses.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die HF- Einrichtung einer KST-Anlage mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß die vorstehend genannten Probleme hinsichtlich der Verschlechterung des S/N-Verhältnisses zumindest verringert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit dem Empfangssignal eine direkte Ansteuerung des in der Nähe des Kondensators angeordneten Vorverstärkers vorge­ sehen ist.

Bei der erfindungsgemäßen HF-Einrichtung ist also der Ein­ gang des Vorverstärkers unmittelbar an die verhältnismäßig hochohmige Signalquelle des HF-Empfangsteils angeschlos­ sen; d. h., eine Impedanztransformation des Ausgangs dieser Signalquelle ist nicht vorgesehen. Die damit verbundenen Vorteile bestehen zum einen darin, daß verlustbehaftete Kabel zwischen der Empfangsschleife und dem Vorverstärker nicht erforderlich sind. Zum anderen kann eine Transfor­ mation der Schleifenimpedanz in eine rauschoptimale Quell­ impedanz bezüglich des Vorverstärkers erfolgen. Dies be­ deutet, daß verlustbehaftete Anpaßglieder von z. B. 50 Ω auf eine rauschoptimale Quellimpedanz entfallen können.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der er­ findungsgemäßen HF-Einrichtung enthält wenigstens die min­ destens eine Empfangsschleife supraleitendes Material mit hoher Sprungtemperatur und ist diese Schleife auf einer Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur gehal­ ten. Wegen der Verwendung von Hochtemperatursupralei­ ter(HTSL)-Material für die Schleife erlaubt deren ohm­ scher Widerstand einen hohen Wirkungsgrad, da die Leer­ laufgüte der Schleife hoch ist. Außerdem erzeugen die bei der niedrigen Betriebstemperatur verbleibenden Schleifenwiderstände nur eine verminderte Rauschleistung. Ferner können noch erforderliche Anpaßschaltungen mit hochtemperatursupraleitenden Induktivitäten besonders verlustarm aufgebaut werden.

Im Falle einer Verwendung von HTSL-Material für die min­ destens eine Empfangsschleife ist eine Kühlung des Vor­ verstärkers besonders einfach zu realisieren. Damit wird vorteilhaft dessen elektronisches Rauschen deutlich re­ duziert.

Andere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen HF-Einrichtung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die schematische Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Empfangsteil einer erfindungsgemäßen HF-Ein­ richtung veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen solchen Empfangsteil. In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Be­ zugszeichen versehen.

Bei der HF-Einrichtung nach der Erfindung für eine Anlage zur Kernspintomographie wird von gebräuchlichen Ausfüh­ rungsformen derartiger Einrichtungen ausgegangen. In den Figuren nicht dargestellte Teile sind an sich bekannt. Die HF-Einrichtung setzt sich dabei aus einem HF-Sende­ teil und einem HF-Empfangsteil zusammen. Fig. 1 zeigt als Ersatzschaltbild einen HF-Empfangsteil 2 der Einrichtung. Der Empfangsteil 2 enthält als HF-Antenne mindestens eine Empfangsschleife 3 der Induktivität L, die beispielsweise über zwei Kondensatoren 4 und 5 zu einem vorzugsweise re­ sonanten Antennenkreis geschlossen ist. Die Kondensatoren haben insbesondere jeweils dieselbe Kapazität C. Damit entsteht in der Mitte des Schleifenumfangs der Empfangs­ schleife 3 ein Potentialminimum. In diesem kann die Gleichspannungszuführung für den Eingang eines nachgeord­ neten Vorverstärkers angeschlossen werden. Der Antennen­ kreis ist somit vorteilhaft durch einen quer durch die Schleife geführten diagonalen Leiterteil 6 in zwei zumin­ dest annähernd symmetrische Hälften H1 und H2 unterteilt. Dadurch lassen sich auch Verluste durch kapazitive Kopp­ lung zu einem zu untersuchenden Körper (Patienten) klein halten und Mantelwellen auf der Leitung vermeiden. Der Diagonalleiter 6 ist zweckmäßig auf Erdpotential gelegt.

Das mit der Empfangsschleife 3 detektierte HF-Signal 7 wird an einem der Kondensatoren, z. B. über Kondensator 4, abgenommen und erfindungsgemäß unmittelbar, d. h. ohne be­ sondere Impedanztransformation bzgl. des Schwingkreises als Signalquelle, auf den vorzugsweise hochohmigen Eingang eines Vorverstärkers, beispielsweise eines Operationsver­ stärkers, gegeben. Gemäß dem dargestellten Ausführungs­ beispiel ist als Vorverstärker ein Feldeffekttransistor (FET) 8 vorgesehen, dem das HF-Signal 7 an seinen Gate- Anschluß 8a gelegt wird. Zur Einstellung des Arbeitspunk­ tes des FETs 8 kann dessen Source-Anschluß 8b über ein RC-Glied mit Source-Kondensator 10 der Kapazität Cs und Source-Widerstand 11 der Impedanz Rs an Erdpotential gelegt sein. An einem Drain-Anschluß 8c wird das vor­ verstärkte HF-Signal abgenommen und eine Drain-Spannung angelegt.

Für ein gutes S/N-Verhältnis soll der Transistor möglichst rauschangepaßt betrieben werden. Dies erfordert für einen FET eine hohe Quellimpedanz von einigen kΩ. Außerdem sollte der Frequenzgang und die Belastungsabhängigkeit der Signalempfindlichkeit gering sein. Dies wird praktisch ohne Verschlechterung des S/N-Verhältnisses durch eine Leistungsfehlanpassung des Vorverstärkers erreicht. Zweck­ mäßig wird hierzu die Schleife 3 durch den Verstärker stark bedämpft. Dann können auch mehrere Empfangsschlei­ fen mit geringer gegenseitiger Wechselwirkung in einer Array-Anordnung betrieben werden.

Um das die Kernresonanz anregende Sendefeld nicht zu ver­ zerren, sollte beim Sendebetrieb der in der Empfangsschlei­ fe 3 induzierte Strom verhältnismäßig klein sein. Durch eine geeignete Schaltung kann der Schleifenschwingkreis beim Senden hochohmig gemacht werden. Hierbei sollte eine Verstimmung der Empfangsschleife beim Senden sehr zuver­ lässig erfolgen, um so eine Gefährdung eines Patienten durch resonante Überhöhung auszuschließen. Außerdem soll­ te die beim Senden in der Empfangsschleife induzierte Spannung vor dem Eingang des Vorverstärkers begrenzt wer­ den, um so eine Zerstörung des Vorverstärkers auszuschlie­ ßen. Aufgrund dieser Forderungen ist bei der Ausführungs­ form des Empfangsteils 2 eine Zusatzschaltung mit einer Entkopplungsspule 13, einer Schaltdiode 14 und einem Ab­ blockkondensator 15 vorgesehen. Die Spule 13 mit einer Induktivität L1 liegt dabei in dem Signalweg zwischen dem Kondensator 4 und dem Gate-Anschluß 8a, an dem auch die Kathode der Diode 14 liegt. Die Anode dieser Diode ist über den als HF-Kurzschluß dienenden Abblockkondensator 15 der Kapazität Cb an Erdpotential gelegt. Während des Sen­ debetriebs kann die Schaltdiode 14 durch einen an ihre Anode an einem Anodenanschluß 14a angelegten Steuerstrom niederohmig gemacht werden. Die in der Spule 13 induzierte Spannung läßt dann durch die Spule 13 und die Diode 14 einerseits und durch den Kondensator 4 andererseits ent­ gegengesetzt gleiche Ströme fließen, so daß der Gesamt­ strom praktisch null ist. Damit ist der Schwingkreis ge­ öffnet. Die Diode wirkt dabei gleichzeitig als ein span­ nungsbegrenzendes Element.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest die Empfangs­ schleife 3 aus supraleitendem Material besteht. Als supra­ leitendes Material kann vorzugsweise sogenanntes Hochtem­ peratursupraleiter (HTSL)-Material vorgesehen werden. Bei den verwendbaren HTSL-Materialien handelt es sich um be­ kannte metalloxidische Supraleitermaterialien mit hoher Sprungtemperatur T_c von insbesondere über 77 K. Die Zu­ sammensetzung entsprechender HTSL-Materialien basiert da­ bei auf metallische Komponenten und Sauerstoff enthalten­ den 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 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 ohmsche Widerstand von YBa₂Cu₃O_7-x deutlich unter dem von gekühltem Kupfer und kann daher praktisch vernachlässigt werden.

Gegebenenfalls ist es auch möglich, die Kondensatoren 4 und 5 ebenfalls mit HTSL-Material aufzubauen und in die Schleife 3 zu integrieren. Ein entsprechender Aufbau ist Gegenstand der DE-Patentanmeldung P 42 18 635.8 vom 5.6.92.

Selbstverständlich muß für die HTSL-Material enthaltenden Teile der HF-Einrichtung eine entsprechende Kühlung unter die Sprungtemperatur T_c des verwendeten HTSL-Materials, beispielsweise mit flüssigem Stickstoff, vorgesehen sein.

Mit einer niedrigen Rauschzahl des Vorverstärkers läßt sich ein gutes S/N-Verhältnis über eine große Bandbreite erhalten. Dies ist vor allem bedeutsam, wenn eine hohe Güte der Empfangsschleife oder eine niedrige Arbeitsfre­ quenz bei kleiner statischer Magnetfeldstärke vorgesehen werden soll, also in den Fällen, in den HTSL-Empfangsschlei­ fen besonders vorteilhaft sind. Auch größere Impedanzände­ rungen aufgrund variabler Belastung mit verschiedenen Pa­ tienten können dann ohne individuelle Anpassungen tole­ riert werden.

Zur vollen Ausschöpfung der Vorteile von HTSL-Empfangs­ schleifen ist also eine sehr niedrige Verstärkerrausch­ zahl vorteilhaft. Dazu ist eine Bauform der Spulen mit quasi integriertem und gekühltem Vorverstärker besonders geeignet. Die Rauschzahl eines Transistors ist nämlich bei niedrigen Temperaturen wesentlich kleiner. So läßt sich die Rauschzahl eines FETs mit Kühlung von 300 K auf 77 K von z. B. 40 k auf 15 k vermindern.

Ein FET hat im allgemeinen eine Eingangsimpedanz, die deutlich größer ist als eine im Hinblick auf ein Rauschen optimierte Impedanz der Quelle, d. h. des Schwingkreises aus Schleife 3 und Kondensatoren 4 und 5. Deshalb ist es möglich, daß bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der parallelgeschaltete Transistor den Schwingkreis nicht ausreichend bedämpft. Um vorteilhaft eine gewünschte Lei­ stungsfehlanpassung des Vorverstärkers zu erreichen und eine hinreichende Breitbandigkeit zu gewährleisten, kann bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform eines HF- Empfangsteils 20 einer HF-Empfangseinrichtung nach der Er­ findung vor dem als Vorverstärker dienenden FET 8 ein wei­ teres Transformationsglied geschaltet werden. Dieses Transformationsglied setzt sich gemäß der gezeigten Aus­ führungsform aus einem Koppelkondensator 21 der Kapazität C2 in dem Signalweg und einer Gate-Spule 22 der Indukti­ vität L2 zusammen, die zu dem Gate-Anschluß 8a führt. Über diese Spule 22 kann gleichzeitig auch der Gleichstrom­ arbeitspunkt des FETs 8 mittels einer entsprechenden Gate- Spannung -U_g definiert werden. An den Anschlußpunkt 22a für diese Spannung ist der Abblockkondensator 15 ange­ schlossen. Wählt man nun ω _* L2 ≈ 1/(ω _* C2), so wird der hochohmige Transistoreingang im Leerlauf in einen Kurzschluß parallel zu einer Schutzdiode 23 transformiert. Ein im Zusammenwirken mit der Induktivität der Spule 13 so erhaltener Kurzschluß öffnet den Schwingkreis dann auch bei Empfang in der schon für den Sendefall beschriebenen Weise.

Außerdem ist in Fig. 2 angedeutet, daß anstelle einer aktiv geschalteten Einzeldiode gemäß Fig. 1 ein antipa­ ralleles Diodenpaar 23, 24 zum Kurzschließen des von einem Sender induzierten Stromes benutzt werden kann.

Um noch niedrigere elektrische Streufelder zu erzeugen, kann die Empfangsschleife 25 des HF-Empfangsteils zusätz­ lich n-fach kapazitiv verkürzt werden. Gemäß dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel werden hierzu in die Schleife 25 drei weitere Kondensatoren 26, 27 und 28 eingesetzt. Die Kapazität dieser drei Kondensatoren wird zweckmäßig jeweils nur halb so groß wie die der Kondensatoren 4 und 5 gewählt. Außerdem ist bei dieser Ausführungsform nach Fig. 2 keine die Schleife 25 in zwei symmetrische Hälften unterteilende, geerdete Diagonalleitung vorgesehen.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, daß die HF-Empfangsteile 2 und 20 lediglich zum Empfang der HF-Signale eingesetzt werden sollen. Ge­ gebenenfalls ist es jedoch auch möglich, durch entspre­ chende elektronische Schaltungsmaßnahmen ihre Empfangs­ schleifen 3 bzw. 25 in an sich bekannter Weise auch für einen Sendebetrieb heranzuziehen.

Den Empfangsschleifen 3 und 25 kann ferner auch eine an­ dere Anzahl von Kondensatoren, beispielsweise nur ein ein­ ziger Kondensator, zugeordnet sein.

Ferner sind auch andere, an sich bekannte elektronische Schaltungsmaßnahmen zur Anpassung des Eingangswiderstandes des Vorverstärkers an den Quellenwiderstand unter dem Ge­ sichtspunkt einer Optimierung des S/N-Verhältnisses und einer Breitbandigkeit möglich. Der verhältnismäßig hoch­ ohmige Quellenwiderstand bleibt dabei erhalten, während der Eingangswiderstand herabgesetzt wird. So ist z. B. für einen FET als Vorverstarker eine bekannte Parallel-Gegen­ kopplungs-Schaltung mit einer Gegenkopplungsimpedanz zwi­ schen dem Gate-Anschluß und dem Drain-Anschluß geeignet (vgl. US-PS 5 051 700 oder DE-OS 40 24 166). Für einen FET-Vorverstärker kann man aber auch eine Variante einer Zwischenbasisschaltung vorsehen, wobei eine Kapazität zwi­ schen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß liegt, der über eine Induktivität zum Masse-Potential führt (vgl. z. B. H.H. Meinke, F.W. Gundlach (Hrsg.): "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", 3. Auflage, 1968, Seite 941).

Claims (6)

1. Hochfrequenz-Einrichtung einer Anlage zur Kernspin­ tomographie mit einem Hochfrequenz-Empfangsteil zum Empfang von durch Kernspinanregungen in einem zu unter­ suchenden Körper hervorgerufenen Hochfrequenz-Signalen, wobei der Hochfrequenz-Empfangsteil mindestens eine Empfangsschleife und mindestens einen Kondensator enthält, denen ein Vorverstärker einer signalverarbeitenden Elek­ tronik zugeordnet ist, mit dem ein an dem Kondensator ab­ genommenes Empfangssignal zu verstärken ist, da­ durch gekennzeichnet, daß mit dem Empfangssignal (7) eine direkte Ansteuerung des in der Nähe des Kondensators (4) angeordneten Vorverstärkers (8) vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens die mindestens eine Empfangsschleife (3, 25) supraleitendes Material mit hoher Sprungtemperatur enthält und auf einer Betriebs­ temperatur unterhalb der Sprungtemperatur gehalten ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (8) zumindest annähernd auf der Betriebstemperatur der Empfangsschleife (3, 25) gehalten ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vor­ verstärker einen Feldeffekttransistor (8) enthält.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß dem Vor­ verstärker (8) eine Zusatzschaltung zum Verstimmen des aus der mindestens einen Empfangsschleife (3, 25) und aus dem mindestens einen Kondensator (4, 5, 26 bis 28) gebil­ deten Schwingkreises während eines Sendebetriebs der Ein­ richtung vorgeschaltet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Vor­ verstärker (8) mit einer Transformationsschaltung zur Her­ absetzung seines Eingangswiderstandes versehen ist.