DE4333182A1 - Doppeltresonante Antennenanordnung für ein Magnetresonanzgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine doppeltresonante Antennenanora­ nung für ein Magnetresonanzgerät mit mindestens einem Leiterstück, das ein Untersuchungsgebiet definiert.

In der medizinischen Diagnostik werden Magnetresonanzgeräte sowohl zur Bildgebung als auch zur Spektroskopie eingesetzt. Dabei werden zur Anregung der Atomkerne bei der Bildgebung andere Arbeitsfrequenzen benötigt als bei der Spektroskopie. So beträgt die Arbeitsfrequenz bei einem Grundmagnetfeld von 1,5 T bei der Bildgebung 64 MHz, während zur Spektroskopie von z. B. Phosphor 26 MHz benötigt wird. Derartig große Unterschiede in den Arbeitsfrequenzen erfordern Antennenan­ ordnungen mit entsprechenden Resonanzfrequenzen. Es ist zweckmäßig, eine Antennenanordnung zu verwenden, die auf beide Arbeitsfrequenzen eingestellt oder einstellbar ist.

Es gibt verschiedene Ansätze für eine Realisierung von An­ tennenanordnungen mit zwei Arbeitsfrequenzen. In der US-PS 5 038 105 ist eine Antennenanordnung beschrieben, bei der ein erster Anschluß für eine erste Arbeitsfrequenz und ein zwei­ ter Anschluß für eine zweite Arbeitsfrequenz vorgesehen ist. Diese Antennenanordnung weist somit ein unterschiedliches Resonanzverhalten in Abhängigkeit davon auf, über welchen Anschluß ein Sendesignal eingespeist oder ein Empfangssignal abgegriffen wird. Nachteilig ist dabei, daß zwei Anschlüsse vorgesehen sind und daß somit zwei Anschlußleitungen zur Antennenanordnung verlegt werden müssen.

Bei der in der EP-A 0 256 370 beschriebenen Antennenanordnung werden die verschiedenen Arbeitsfrequenzen über von außen ge­ steuerte Abstimmelemente erzeugt. Hier ist zwar ein für alle Frequenzen gemeinsamer Anschluß vorgesehen, jedoch werden zusätzliche Steuerleitungen zur Umschaltung von Abstimm­ elementen benötigt.

In der PCT-Veröffentlichung wo 90/12 328 ist eine doppelt­ resonante "Bird-cage"-Antennenanordnung beschrieben. Bird­ cage-Antennenanordnungen unterscheiden sich von anderen An­ tennenanordnungen dadurch, daß eine diskrete Phasenverteilung um den Umfang der Spule von Null bis 360° eingehalten werden muß. Die dort beschriebene Antennenanordnung besitzt einen einzigen Anschluß für zwei Arbeitsfrequenzen und ist ohne Umschaltelemente doppeltresonant. Das wird dadurch erreicht, daß die einzelnen Elemente, die die Bird-cage-Anten­ nenanordnung bilden, sich bei niedrigen Frequenzen als Tief­ paß und bei hohen Frequenzen als Hochpaß verhalten. Das kann sowohl bei einer Bandpaß-Bird-cage-Antennenanordnung als auch bei einer Bandsperren-Bird-cage-Anordnung durch Hinzufügen von Reaktanzen erreicht werden. Nachteilig bei einer derar­ tigen Bird-cage-Antennenanordnung ist, daß nur für eine der beiden Arbeitsfrequenzen eine ausreichend homogene Antennen­ charakteristik erzielbar ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine doppelt­ resonante Antennenanordnung mit ausreichender Homogenität der Antennencharakteristik bei beiden Arbeitsfrequenzen anzu­ geben, die ohne Umschaltelemente betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Reihenschaltung aus einem kapazitiven Element und einem induktiven Element min­ destens einem Teil des Leiterstücks parallel geschaltet ist. Damit bildet die Antennenanordnung einen doppeltresonanten Schwingkreis, der zum Betrieb mit zwei verschiedenen Frequen­ zen nicht umgeschaltet werden muß.

Bei den hier in Frage kommenden Arbeitsfrequenzen z. B. bei 1,5 T starken Grundmagnetfeld 64 MHz/26 MHz <Phosphor), 64 MHz/17 MHz (Natrium), 64 MHz/16 MHz (¹³Kohlenstoff), 64 MHz/60 MHz (Fluor), kann das induktive Element als Lei­ ter ausgebildet sein, der im wesentlichen parallel zu dem Teil des Leiterstücks angeordnet ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Reihenschaltung über einen elektrischen Schiebekontakt mit dem Leiter verbun­ den, so daß die Länge des Teils des Leiterstücks, dem die Reihenschaltung parallel geschaltet ist, einstellbar ist. Damit kann die Antennenanordnung zusätzlich in der Frequenz variiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt das Leiterstück mindestens ein Variometer. Hiermit ist eine zu­ sätzliche Entkopplungsmöglichkeit gegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Magnetresonanzgeräts für Bildgebung und Spektroskopie,

Fig. 2 eine doppelresonante Antennenanordnung, ausgeführt als zirkular polarisierende Antenne und

Fig. 3 die Ausführung eines Schiebekontakts zum Verändern der Länge des Leiterstücks.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten prinzipiellen Aufbau eines Magnetresonanzgeräts zur Ermittlung von Bildern und Spektren eines Untersuchungsobjekts sind mit 1 und 2 sowie 3 und 4 Spulen bezeichnet, die ein magnetisches Grundfeld B₀ erzeu­ gen, in welchem sich bei medizinischer Anwendung der zu un­ tersuchende Körper 5 eines Patienten befindet. Dem Grundfeld B₀ sind außerdem Gradientenspulen zugeordnet, die zur Erzeu­ gung unabhängiger, zueinander senkrechter Magnetfeldgradien­ ten der Richtungen x, y und z gemäß einem Koordinatenkreuz 6 vorgesehen sind. In Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur Gradienentspulen 7 und 8 gezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegenüberliegender, gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradienten in x-Richtung dienen. Die gleichartigen nicht gezeichneten Gradientenspulen zur Er­ zeugung eines Gradienten in y-Richtung liegen parallel zum Körper 5 und oberhalb sowie unterhalb von ihm. Die Gradien­ tenspulen für das Gradientenfeld in z-Richtung liegen quer zu seiner Längsachse am Fuß- und am Kopfende. Die Anordnung ent­ hält auch außerdem noch eine zur Erzeugung der Magentreso­ nanzsignale dienende Ganzkörperantennen 9. Zur Aufnahme der Magnetresonanz-Signale ist auch eine Lokalantenne 19 vor­ gesehen, die alternativ zur Ganzkörperantenne 9 zur Anregung der Magnetresonanz-Signale eingesetzt werden kann.

Das eigentliche Untersuchungsinstrument besteht aus den von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1, 2, 3, 4, 7 und 8 sowie der Ganzkörperantenne 9 und/oder der Lokal­ antenne 19. Zum Betrieb der Spulen 1 bis 4 ist ein Netzgerät 11 vorgesehen. An einer Gradientenstromversorgung 12 liegen die Gradientenspulen 7 und 8 sowie weitere nicht dargestellte Gradientenspulen an. Ein von einem Prozeßrechner 17 gesteuer­ ter Hochfrequenzsender 14, der zwei Arbeitsfrequenzen von z. B. f₁ = 26 MHz und f₂ = 64 MHz erzeugen kann, ist mit der Ganzkörperantenne 9 verbunden. Die Lokalantenne 19 ist über einen Signalverstärker 15 ebenfalls wie die Ganzkörperantenne 9 an den Prozeßrechner 17 gekoppelt, an dem zur Ausgabe eines Bildes oder Daten des Spektrums ein Bildschirmgerät 18 angeschlossen ist. Die Komponenten 14 und 15 bilden eine Sende-Empfangseinheit zur Signalerzeugung und Signalaufnahme.

Die in Fig. 2 dargestellte doppeltresonante Antennenanordnung 22 eignet sich vom prinzipiellen Aufbau und abgesehen von den Abmessungen sowohl zur Verwendung als Ganzkörperantenne 9 wie auch als Lokalantenne 19, z. B. für Untersuchungen am Kopf. Die doppeltresonante Antennenanordnung 22, die hier als zirkular polarisierende Antennenanordnung 22 ausgeführt ist, geht aus von einer einfach resonanten Anordnung, wie sie in der US 4 506 224 beschrieben ist. Auf einem Zylindermantel sind vier gleiche Leiterstücke 24 in axialer Richtung ange­ ordnet. Die Leiterstücke 24 haben einen gleichen Abstand zu­ einander, so daß zwei Leiterstücke 24 jeweils 1/4 des Zylin­ dermantels begrenzen. Jeweils ein Ende der Leiterstücke 24 ist mit einem kreisförmigen Leiter 26 direkt elektrisch lei­ tend verbunden. Die anderen Enden der Leiterstücke 24 sind jeweils über einen Kondensator 28 mit einem zweiten kreis­ förmigen Leiter 26 elektrisch leitend verbunden. Die Leiter­ stücke 24 einschließlich der kreisförmigen Leiter 26 um­ grenzen und definieren somit ein Untersuchungsgebiet.

Jeweils zwei gegenüberliegend angeordnete Leiterstücke 24 bilden eine Teilantenne 30 und 32, die zueinander um 90° ge­ dreht sind. Bei einer Speisung der Teilantennen 30 und 32 mit um 90° phasenverschobenen Sendesignalen läßt sich ein zir­ kular polarisiertes hochfrequentes Magnetfeld im Untersu­ chungsgebiet erzeugen. Umgekehrt läßt sich nach einer Phasen­ verschiebung der Empfangssignale von 90° gegeneinander und anschließender Addition ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis im Empfangsfall erzielen.

Bei der vorliegenden zirkular polarisierenden Antennenan­ ordnung 22 sind zwar zwei Anschlüsse 34 vorgesehen für die 90° phasenverschobenen Signale, jedoch keine weiteren An­ schlüsse für Signale unterschiedlicher Arbeitsfrequenz. Jede Teilantenne 30, 32 besitzt nur einen einzigen Anschluß 34, obwohl sie doppeltresonant sind.

Die doppeltresonante Eigenschaft der Antennenanordnung 22 wird nun dadurch erreicht, daß einem Teil jedes Leiterstücks 24 eine Reihenschaltung aus einem kapazitiven Element 36 und einem induktiven Element 38 parallel geschaltet ist. Die in­ duktiven Elemente 38 bestehen aus im wesentlichen geraden Leitern, die jeweils parallel zum Leiterstück 24 angeordnet sind. Damit bildet jedes Leiterstück 24 zusammen mit dem Kondensator 28 und der Reihenschaltung einen doppeltreso­ nanten Schwingkreis.

Zur magnetischen Entkopplung der beiden Teilantennen 30 und 32 voneinander ist in jedem Leiterstück 24 und in jedem Ab­ schnitt eines kreisförmigen Leiters 26 zwischen den Leiter­ stücken 24 jeweils ein Variometer 40 eingefügt. Mit den Variometern 40 lassen sich die Induktivitäten der entspre­ chenden Leiterstücke 24 und Abschnitte 26 des kreisförmigen Leiters ändern.

Werden die Leiterstücke 24 jeweils mit einem im folgenden anhand von Fig. 3 beschriebenen Schiebekontakt ausgestattet, läßt sich die Länge des Leiterstücks 24 und damit die Induk­ tivität zur Abstimmung auf die untere Arbeitsfrequenzen einstellen. Die in Fig. 2 angegebenen Reihenschaltung aus kapazitiven Element 36 und induktiven Element 38 ist hier in zwei parallele Reihenschaltungen unterteilt, die jeweils aus einem kapazitiven Element 36a bzw. 36b und induktiven Element 38a bzw. 38b bestehen. Der Vorteil der Aufteilung in zwei parallel zum Leiterstück 24 angeordnete Reihenschaltungen liegt darin, daß ein großer Bedeckungswinkel auf dem Zylin­ dermantel erreicht wird, wobei gleichzeitig das Magnetfeld des Leiterstücks 24 die Parallelschaltung gut durchdringen kann. Wollte man den gleichen Bedeckungswinkel ohne Parallel­ schaltung durch eine einzige breite Leiterbahn des induktiven Elements 38 auszuführen, würde das Feld des Leiterstücks 24 durch Wirbelströme in dieser Leiterbahn verformt.

Die Kondensatoren 36a und 36b sind einseitig jeweils mit einem Schiebekontakt 42a und 42b verbunden, mit denen die Länge des Leiterstücks 24 einstellbar ist. Ein Teil des Leiterstücks 24 ist hier ebenfalls durch Parallelschaltungen des besseren Felddurchgriffs wegen ersetzt.

Claims (6)

1. Doppeltresonante Antennenanordnung für ein Magnetreso­ nanzgerät mit mindestens einem Leiterstück (24), das ein Untersuchungsgebiet definiert, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Reihenschaltung aus einem kapazitiven Element (36) und einem induktiven Element (38) mindestens einem Teil des Leiterstücks (24) parallel geschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das induktive Element (38) als im wesentlichen gerader Leiter ausgebildet ist und im wesentlichen parallel zu dem Teil des Leiterstücks (24) angeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung über einen elektrischen Schiebekontakt (42a, 42b) mit dem Leiterstück verbunden ist, so daß die Länge des Teils des Leiterstücks (24), dem die Reihenschaltung parallel ge­ schaltet ist, einstellbar ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Leiterstück (24) mindestens ein Variometer (40) umfaßt.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß vier glei­ che Leiterstücke (24) mit gleichem Abstand in axialer Rich­ tung auf einem Zylindermantel angeordnet sind und daß die Leiterstücke an gleichen Enden über jeweils einen Leiter (26) verbunden sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß an einem Ende jedes Leiterstücks jeweils ein Kondensator ange­ schlossen ist.