DE10124465A1 - Sende- und Empfangsspule für MR-Gerät - Google Patents
Sende- und Empfangsspule für MR-GerätInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzfeldern im Untersuchungsvolumen (100) eines MR-Gerätes. Um das Untersuchungsvolumen (100) herum sind innerhalb des Gradientenrohres (103) eine Mehrzahl von Resonatorsegmenten angeordnet, die zu einer Körperspule zusammengeschaltet sind. Jedes Resonatorsegment weist ein als flächenhafter Streifen ausgebildetes Leiterelement (104) auf, das parallel zur Längsachse des Hauptfeldmagneten verläuft. Die Resonatorsegmente sind voneinander mittels zwischengeschalteter Kapazitäten elektromagnetisch entkoppelt, so dass jedem Resonatorsegment ein separater Sendekanal (1-8) zugeordnet werden kann, über welchen die HF-Einspeisung in das betreffende Resonatorsegment erfolgt. Dadurch dass für jedes Resonatorsegment die Phase und die Amplitude der HF-Einspeisung individuell vorgebbar sind, ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung eine nahezu vollständige Kontrolle der Hochfrequenz-Feldverteilung im Untersuchungsvolumen (RF-Shimming).
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzfeldern im
Untersuchungsvolumen eines MR-Gerätes, mit einer aus einer Mehrzahl von Resonator
segmenten bestehenden Körperspule, wobei die Resonatorsegmente um das Untersu
chungsvolumen herum angeordnet sind und jeweils aus wenigstens einem parallel zur
Längsachse eines Hauptfeldmagneten verlaufenden Leiterelement und wenigstens einem
Kondensatorelement bestehen.
Außerdem betrifft die Erfindung ein MR-Gerät mit einer Anordnung zur Erzeugung von
Hochfrequenzfeldern gemäß der Erfindung.
Zum Hochfrequenzsystem üblicher MR-Geräte gehört eine Sende- und Empfangsspule,
wie zum Beispiel eine integrierte Körperspule (body coil), die für die Volumenbildgebung
des Untersuchungsvolumens nutzbar ist. Zur Erzielung einer verbesserten Empfangsquali
tät (verbesserter Rauschabstand, höhere Auflösung) können auch gesonderte Oberflächen
spulen oder sogenannte Phased-Array-Spulen verwendet werden. Bei den sowohl zur
Anregung als auch zur Detektion von MR-Signalen verwendeten Körperspulen handelt es
sich üblicherweise um sogenannte Käfig-Resonatoren (birdcage coil). Diese bestehen aus
einer Mehrzahl von um das Untersuchungsvolumen herum angeordneten und parallel zur
Hauptfeldrichtung verlaufenden Leiterstäben, welche an den Stirnseiten der Spule über
Ringleiter miteinander verbunden sind. Das Resonanzverhalten der Körperspule wird
durch Kondensatorelemente bestimmt, durch welche die Leiterelemente zu einem
Netzwerk verschaltet sind. Die erste Resonanzmode (Grundmode) dieser Resonatoren
zeichnet sich durch eine im gesamten Innenbereich des Resonators homogene B1-Feldver
teilung aus. Entsprechendes gilt für das räumliche Empfindlichkeitsprofil bei der Detek
tion. Aus diesem Grund wird die Körperspule bei der Volumenbildgebung üblicherweise
im Sende- und Empfangsbetrieb in der Grundmode betrieben. Möglich ist es auch, den
Resonator derart anzusteuern, dass bei det gleichen Frequenz orthogonale, das heißt ent
koppelte Resonanzen angeregt werden, was für die Quadraturdetektion ausgenutzt wird.
Bei der MR-Bildgebung erfolgt die Lokalisierung der Kernmagnetisierung innerhalb des
Untersuchungsvolumens mittels zeitlich veränderlicher räumlich inhomogener Magnet
felder (Magnetfeldgradienten). Zur Bilderzeugung wird das Kernspinsignal als Spannung,
die in der das Untersuchungsvolumen umgebenden Körperspule induziert wird, unter dem
Einfluss einer geeigneten Abfolge (Sequenz) von Hochfrequenz- und Gradientenpulse in
der Zeitdomäne aufgezeichnet. Die eigentliche Bildrekonstruktion erfolgt dann durch
Fouriertransformation der Zeitsignale. Durch die Zahl, den zeitlichen Abstand, die Dauer
und die Stärke der verwendeten Gradientenpulse ist die Abtastung des reziproken k-
Raumes vorgegeben, durch welchen der abzubildende Volumenbereich (FOV, "field of
view") sowie die Bildauflösung bestimmt sind. Durch Anforderungen an die Bildgröße und
Bildauflösung wird die Zahl der Phasenkodierungsschritte und damit die Dauer der Bildge
bungssequenz vorgegeben. Bei modernen MR-Geräten wird eine Bilderzeugung mit mög
lichst hoher Auflösung in möglichst kurzer Zeit angestrebt. Dadurch ergeben sich beson
dere Anforderungen an das Gradientensystem der MR-Geräte, wodurch ein möglichst
schnelles Schalten von möglichst starken Magnetfeldgradienten erreicht werden soll.
Bei MR-Geräten ist das Gradientensystem üblicherweise in einem sogenannten Gradien
tenrohr untergebracht, welches das Untersuchungsvolumen umgibt. Zwischen Gradienten
rohr und Körperspule ist eine Hochfrequenzabschirmung (HF-Schirm) angeordnet, durch
die einerseits Störsignale aus der Umgebung des Untersuchungsvolumens abgehalten und
andererseits Abstrahlung von Hochfrequenzleistung in die Umgebung des MR-Gerätes
verhindert wird. Eine Erhöhung der Gradientenfeldstärke kann beispielsweise durch
Reduzierung des Durchmessers des Gradientenrohres erreicht werden. Bleibt dabei das
Untersuchungsvolumen und der Innendurchmesser der Körperspule erhalten, so resultiert
gleichzeitig eine Reduzierung des Abstandes zwischen Hochfrequenzabschirmung und
Körperspule. Durch den geringen Abstand der Leiterelemente der Körperspule zu der
Hochfrequenzabschirmung ergibt sich nachteiligerweise eine Reduzierung der B1-Feldstär
ke beziehungsweise der Detektionsempfindlichkeit im Innenbereich der Spule. Dies hat
unerwünschterweise zur Folge, dass die benötigte Sendeleistung ansteigt und gleichzeitig
der Rauschabstand abfällt. Die Reduzierung des Rohrdurchmessers wirkt sich ferner nach
teilig auf das Resonanzverhalten der Körperspule aus, da die Frequenzabstände zwischen
den einzelnen Resonanzmoden zu klein werden, wodurch eine unerwünschte Modenkopplung
entsteht. Aus den genannten Gründen sind bei Verwendung von herkömmlichen
Käfig-Resonatoren als Sende- und Empfangsspule der Vergrößerung der Gradientenfeld
stärke durch Reduzierung des Rohrdurchmessers Grenzen gesetzt.
Alternativ kann eine Erhöhung der Gradientenfeldstärke durch Verwendung eines
Gradientenrohres mit asymmetrischem Querschnitt erreicht werden. Dies macht jedoch
auch den Einsatz von asymmetrischen Körperspulen erforderlich. Derartige asymmetrische
Resonatoranordnungen führen in der Praxis zu einer Reihe von Problemen. Einerseits ist es
schwierig, eine solche Körperspule zu orthogonalisieren, um einen Quadraturbetrieb mög
lich zu machen. Andererseits ist der Hochfrequenz-Feldverlauf im Spuleninneren von der
Stromverteilung in der Anordnung der Leiterelemente abhängig, weswegen in der Regel
bei asymmetrischen Resonatoren die Homogenität des Hochfrequenzfeldes im Sendebe
trieb und entsprechend des räumlichen Empfindlichkeitsprofils im Empfangsbetrieb nicht
zufriedenstellend ist.
Von Leussler et al. wurde ein Käfig-Resonator vorgeschlagen, welcher in einer entarteten
Resonanzmode betrieben wird, in der die räumlich benachbarten Segmente des Resonators
entkoppelt sind, das heißt unabhängig voneinander schwingen (vgl. Leussler et al., Procee
dings of the ISMRM, No. 176, Vancouver 1997). Bei der vorbekannten Spule wird das
ausgenutzte Resonanzverhalten durch geeignete Wahl der Kondensatorelemente erzielt.
Leider gelingt auf diese Weise lediglich die Entkopplung direkt benachbarter Resonator
segmente. Die Kopplung zwischen entfernteren Segmenten ist zu hoch, so dass ein Betrieb
der Spule im resonanten Sendebetrieb nicht möglich ist.
Ausgehend von dem angeführten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine verbesserte HF-Sende- und -Empfangsanordnung für MR-Geräte
bereitzustellen, welche für beliebige, insbesondere auch für kleine und asymmetrische
Rohrdurchmesser einsetzbar ist. Dabei soll gleichzeitig eine ausreichende Homogenität und
ein gut handhabbares Resonanzverhalten gegeben sein.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch
gelöst, dass die Resonatorsegmente voneinander elektromagnetisch entkoppelt sind und
dass jedem Resonatorsegment ein separater Sendekanal zugeordnet ist, über welchen die
HF-Einspeisung in das betreffende Resonatorsegment erfolgt, wobei für jedes Resonator
segment die Phase und/oder die Amplitude der HF-Einspeisung individuell vorgebbar sind.
Dadurch dass jedem Resonatorsegment ein separater Sendekanal zugeordnet ist, ist die
Feldverteilung im Untersuchungsvolumen vorteilhafterweise vollständig kontrollierbar. Es
ist nämlich möglich, jede erdenkliche Stromverteilung in der Anordnung der Leiterelemen
te durch Vorgabe von Amplitude und Phase auf den einzelnen Sendekanälen zu erzeugen.
Auch der zeitliche Verlauf der HF-Einspeisung kann auf jedem Sendekanal individuell
unterschiedlich vorgegeben werden. Dabei besteht insbesondere die Möglichkeit, die
Feldverteilung eines herkömmlichen Käfig-Resonators mit gleicher Anzahl von Resonator
segmenten in jeder beliebigen Resonanzmode nachzubilden. Die Amplitude und die Phase
jedes einzelnen Sendekanals kann durch die Software des MR-Gerätes kontrolliert werden,
was eine direkte interaktive Steuerung der Feldverteilung (RF-Shimming) möglich macht.
Denkbar ist es beispielsweise, eine vollautomatische Regelung der HF-Feldhomogenität in
die Bildgebungssequenz zu integrieren, um veränderliche Einflüsse auf die Feldverteilung,
wie beispielsweise durch die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften der untersuch
ten Patienten, zu kompensieren.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzfeldern ist ledig
lich Voraussetzung, dass die einzelnen Resonatorsegmente voneinander elektromagnetisch
entkoppelt sind. Die Körperspule muss also ein Resonanzverhalten aufweisen, bei dem
sichergestellt ist, dass die einzelnen Resonatorsegmente bei der gewünschten Resonanz
frequenz unabhängig voneinander schwingen. Es sind, wie oben beschrieben, Spulenanord
nungen bekannt, bei denen zumindest unmittelbar benachbarte Resonatorsegmente von
einander entkoppelt sind. Bei der Anordnung gemäss der Erfindung müssen zusätzliche
Mittel vorgesehen werden, durch welche die elektromagnetischen Kopplungen auch zwi
schen räumlich entfernteren Resonatorsegmenten minimiert werden. In der Praxis hat es
sich gezeigt, dass eine gegenseitige Isolation der Resonatorsegmente von etwa -20 dB
wünschenswert ist, um ein Übersprechen zwischen den einzelnen Sendekanälen soweit wie
möglich zu verhindern.
Die gegenseitige elektromagnetische Entkopplung der Resonatorsegmente kann besonders
einfach gemäß Anspruch 2 mittels zwischen den Leiterelementen angeordneter Kapazitäten
oder Induktivitäten erfolgen. Durch geeignete Bemessung der Kapazitäts- beziehungsweise
Induktivitätswerte muss sichergestellt werden, dass keine resonante Kopplung zwischen den
unterschiedlichen Resonatorsegmenten besteht. Es kann dabei sinnvoll sein, Entkopplungs
netzwerke (bestehend als Kapazitäten und Induktivitäten) zwischen den Leiterelementen
sowohl benachbarter als auch entfernterer Resonatorsegmente vorzusehen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich,
wenn gemäß Anspruch 3 die Leiterelemente als im wesentlichen rechteckige, flächenhafte
Streifen ausgebildet sind. Es zeigt sich, dass bei der Verwendung von flachen Leiterstreifen
die magnetischen Kopplungen zwischen entfernteren Resonatorsegmenten abgeschwächt
sind. Zudem lässt sich mittels der flachen Leiterstreifen die Körperspule besonders platz
sparend realisieren. Weiterhin ist die Stromverteilung innerhalb der streifenförmigen
Leiterelemente leicht beeinflussbar, indem beispielsweise Löcher oder Ausfräsungen einge
bracht oder die Kanten der Leiterstreifen geeignet strukturiert werden. Die Verwendung
von flachen Leiterstreifen führt zu einer ebenfalls flächenhaften Stromverteilung innerhalb
der Leiterelemente, wodurch eine verbesserte lokale Feldhomogenität erreicht wird.
Durch den HF-Schirm, der sich zwischen Gradientenrohr und Körperspule befindet, wird
die Feldstärke im Untersuchungsvolumen abgeschwächt, weswegen üblicherweise ein mög
lichst großer Abstand zwischen Spulenanordnung und HF-Schirm eingehalten werden
muss. Demgegenüber ist es jedoch bei der erfindungsgemäßen Anordnung zweckmäßig,
die Leiterelemente der einzelnen Resonatorsegmente gemäß Anspruch 6 mit geringem Ab
stand zu dem HF-Schirm anzuordnen. Durch die Nähe zu dem HF-Schirm wird nämlich
die gegenseitige magnetische Kopplung zwischen den einzelnen Leiterelementen herabge
setzt, was für das Resonanzverhalten der Körperspule im Sinne der Erfindung vorteilhaft
ist. Es kann zweckmäßig sein, den Abstand zwischen den Leiterelementen und dem HF-
Schirm derart zu wählen, dass einerseits eine ausreichende magnetische Entkopplung
zwischen den Leiterelementen erreicht wird und dass außerdem die Hochfrequenzfeld
stärke im Untersuchungsvolumen nicht zu weit herabgesetzt ist. In Experimenten hat es
sich als vorteilhaft erwiesen, zwischen Resonatorsegment und HF-Schirm einen Abstand
von 0,5 bis 2 cm, am besten jedoch 0,7 bis 1,5 cm, vorzusehen.
Durch die Möglichkeit, mit der erfindungsgemäßen Anordnung die räumliche Verteilung
des Hochfrequenzfeldes im Untersuchungsvolumen beliebig vorgeben zu können, er
schließen sich eine Reihe von weiteren Anwendungsfeldern. So lassen sich beispielsweise
Gradienten im Hochfrequenzfeld in verschiedenen Raumrichtungen erzeugen. Durch die
Vorgabe von räumlich und zeitlich variablen Hochfrequenz-Feldmustern kann der ange
regten Kernmagnetisierungsverteilung eine Ortscodierung aufgeprägt werden, die für eine
schnelle Volumenbildgebung nutzbar ist (Transmit-SENSE-Methode). Denkbar ist außer
dem eine räumlich selektive Vorsättigung der Kernmagnetisierung im Untersuchungs
volumen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich gemäß Anspruch 7, wenn bei der
erfindungsgemäßen Anordnung die Körperspule in wenigstens zwei unabhängige, in axialer
Richtung hintereinander angeordnete Abschnitte unterteilt ist. In diesem Fall besteht die
Möglichkeit, auch in der Hauptfeldrichtung (z-Richtung) die Hochfrequenz-Feldvertei
lung variabel vorgeben zu können, wobei insbesondere Hochfrequenz-Feldgradienten
entlang der z-Achse möglich sind.
Ferner ist es zweckmäßig, gemäß Anspruch 8 jedem Resonatorsegment einen separaten
Empfangskanal zuzuordnen, über welchen die mittels den betreffenden Resonatorsegmen
ten detektierten MR-Signale an eine Empfangseinheit zur Weiterverarbeitung übertragen
werden. Es besteht damit einerseits die Möglichkeit, durch Kombination der mittels der
einzelnen Resonatorsegmente detektierten MR-Signale eine Volumenbildgebung mit
räumlich homogenem Empfindlichkeitsprofil durchzuführen. Alternativ können aus den
getrennt detektierten MR-Signalen Teilbilder erzeugt werden, die dann nachträglich zu
einem Gesamtbild miteinander kombiniert werden. Dies kann einerseits zur Verbesserung
des Rauschabstandes vorteilhaft sein, wobei die einzelnen Resonatorsegmente als Synergie-
Spulen eingesetzt werden. Auch besteht die Möglichkeit, die Einzelbilder unter Zugrundelegung
der den einzelnen Resonatorsegmenten zugeordneten räumlichen Empfindlich
keitsprofile miteinander zu kombinieren, um bei der Bildgebung Messzeit einzusparen
(SENSE-Methode).
Die erfindungsgemäße Anordnung erlaubt es vorteilhafterweise, dass das Untersuchungs
volumen in der senkrecht zur Hauptfeldrichtung verlaufenden Ebene einen asymmetri
schen Querschnitt hat, an dessen Umfangsrand die Leiterelemente der einzelnen Reso
natorsegmente angeordnet sind. Dadurch dass die Hochfrequenz-Feldverteilung im
Untersuchungsvolumen nahezu beliebig steuerbar ist, kann auch bei einer derartigen
asymmetrischen Geometrie der Körperspule eine hinreichende Homogenität sowohl des
Anregungsfeldes als auch des räumlichen Empfindlichkeitsprofils bei der Detektion
sichergestellt werden. Wie erwähnt haben asymmetrische Untersuchungsvolumina den
Vorteil, dass sich besonders hohe Magnetfeldgradienten erzielen lassen.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzfeldern kann bei
einem MR-Gerät gemäß Anspruch 10 zum Einsatz kommen. Eine besonders einfach
Realisierung ergibt sich gemäß Anspruch 11, wonach nämlich jeder Sendekanal an einen
dem betreffenden Resonatorsegment zugeordneten Ausgang eines Verbindungsnetzwerkes
(Combiner-Hybrid) angeschlossen ist, durch welches die Leistung eines Sendeverstärkers
auf die einzelnen Resonatorsegmente verteilt wird. Dabei wird durch das Verbindungs
netzwerk für jedes Resonatorsegment die Phase und die Amplitude des jeweils eingespeis
ten HF-Signals festgelegt. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass lediglich ein einziger
Leistungssender für die Hochfrequenzeinstrahlung benötigt wird, dessen Ausgangssignal
mittels des Combiner-Hybrids auf die einzelnen Resonatorsegmente verteilt wird. Dabei
erfolgt die Verteilung zweckmäßigerweise derart, dass im Untersuchungsvolumen eine
möglichst homogene Hochfrequenz-Feldverteilung erzeugt wird. Zweckmäßig ist es, wenn
gemäß Anspruch 12 wenigstens einem, möglichst aber jedem Resonatorsegment ein Mess
element (Pick-Up Spule) zugeordnet ist, über welches die von dem jeweilgen Resonator
segment abgestrahlte HF-Feldstärke ermittelt wird, wobei das Messsignal der Steuerungs
einheit des MR-Gerätes zur Überwachung und/oder zur Regelung der Phase und der
Amplitude des eingespeisten HF-Signals zugeführt wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 MR-Gerät mit erfindungsgemäßer Sende- und Empfangsanordnung;
Fig. 2 erfindungsgemäße Verwendung eines entkoppelten Käfigresonators;
Fig. 3 ebene Darstellung einer erfindungsgemäßen Körperspule;
Fig. 4 alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Körperspule;
Fig. 5 weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Körperspule;
Fig. 6 verschieden strukturierte streifenförmige Leiterelemente;
Fig. 7 Entkopplung von Leiterelementen;
Fig. 8 ebene Darstellung einer in zwei unabhängige, hintereinander angeordnete
Abschnitte unterteilten Körperspule
Im Zentrum des in der Fig. 1 dargestellten MR-Gerätes steht ein Untersuchungsvolumen
100, in dem sich auf einem Patiententisch 101 ein Patient 102 befindet. Im Bereich des
Untersuchungsvolumens 100 wird ein statisches Magnetfeld mit einer Stärke von beispiels
weise 1.5 Tesla mittels eines nicht näher dargestellten Hauptfeldmagneten erzeugt. Für die
MR-Bildgebung müssen im Untersuchungsvolumen 100 außerdem zeitlich veränderliche
Magnetfeldgradienten erzeugt werden. Hierzu dienen mehrere Gradientenspulen, die in
einem das Untersuchungsvolumen 100 umgebenden Gradientenrohr 103 untergebracht
sind. Das Gradientenrohr 103 weist einen asymmetrischen Querschnitt auf, was, wie oben
beschrieben, für die Erreichung von möglichst großen Gradientenfeldstärken förderlich ist.
Die für die MR-Bildgebung ferner erforderliche Erzeugung von Hochfrequenzfeldern
erfolgt mittels innerhalb des Gradientenrohres 103 um das Untersuchungsvolumen 100
herum angeordneter Resonatorsegmente, die aus parallel zur Längsachse des Hauptfeldmagneten
verlaufenden flachen, streifenförmigen Leiterelementen 104 bestehen. Die
Leiterelemente 104 sind untereinander und gegebenenfalls auch gegen Masse über
Kondensatorelemente vernetzt, wodurch das Resonanzverhalten der Anordnung bestimmt
wird. Die Kondensatorelemente bilden zusammen mit den Leiterelementen 104 die
Körperspule des MR-Gerätes, welche außer zur Anregung von Kernresonanzsignalen im
Untersuchungsvolumen 100 auch zu deren Detektion verwendet wird. Zwischen dem
Gradientenrohr 103 und den Leiterelementen 104 der Körperspule befindet sich ein das
gesamte Untersuchungsvolumen 100 umgebender HF-Schirm 105. Durch diesen werden
Störsignale aus der Umgebung des MR-Gerätes abgehalten und außerdem wird die Hoch
frequenz-Abstrahlung in die Umgebung unterdrückt. Jedes der in der Fig. 1 dargestellten
acht Leiterelemente 104 steht mit einem Umschalter S in Verbindung, durch den das
betreffende Leiterelement 104 je nach Betriebsmodus mit einem von zwei möglichen
Anschlüssen verbunden wird. Die für den Sendebetrieb bestimmten Anschlüsse sind mit
den Ziffern 1-8, die für den Empfangsbetrieb vorgesehenen Anschlüsse mit den Klein
buchstaben a-h bezeichnet. Den Anschlüssen 1-8 sind die mit den entsprechenden Ziffern
versehenen Ausgänge einer Sendeeinheit 106 zugeordnet. Diese hat für jedes einzelne
Resonatorsegment der Körperspule einen eigenen Sendekanal, welcher jeweils einen
Leistungsverstärker 107 sowie eine Hochfrequenz-Steuereinheit 108 aufweist. Mittels der
Hochfrequenz-Steuereinheit 108 ist die Amplitude und die Phase des Hochfrequenzsignals
für jeden einzelnen Sendekanal individuell einstellbar, so dass nahezu jede beliebige Hoch
frequenz-Feldverteilung im Untersuchungsvolumen 100 des MR-Gerätes erzeugt werden
kann. Als weniger aufwendige Alternative ist es auch möglich, ein Verteilungsnetzwerk 109
(Combiner-Hybrid) zu verwenden, durch welches das Ausgangssignal eines Hochfrequenz-
Sendeverstärkers 110 auf die Anschlüsse 1-8 verteilt wird, wobei durch das Combiner-
Hybrid für jeden Ausgangskanal 1-8 die Amplitude und Phase des Hochfrequenzsignals
festgelegt wird. Zur Erzeugung von Hochfrequenzpulsen im Untersuchungsvolumen 100
steht die Sendeeinheit 106 beziehungsweise der Sendeverstärker 110 mit einer Steuerungs
einheit 111 in Verbindung. Zur Kontrolle der zeitlichen Abfolge der Gradientenpulse ist
die Steuerungseinheit 111 außerdem mit dem Gradientenrohr 103 verbunden. Den für
den Empfangsbetrieb bestimmten Anschlüssen a-h sind mit den entsprechenden Buch
staben bezeichnete Empfangskanäle einer Empfangseinheit 112 zugeordnet. Jeder
Empfangskanal ist mit einem empfindlichen Hochfrequenz-Vorverstärker 113 sowie mit
einem Demodulator 114 ausgestattet. Die von der Empfangseinheit 112 registrierten MR-
Signale werden an eine Rekonstruktionseinheit 115 übertragen, wo die digitalisierten
Signale miteinander kombiniert und Fourier-analysiert werden. Die mittels der Rekon
struktionseinheit 115 generierten Bilder werden dann auf dem Monitor eines Mikro
computers 116 ausgegeben. Der Mikrocomputer 116 dient gleichzeitig der Steuerung des
MR-Gerätes durch einen Benutzer, wozu der Computer 116 außerdem mit der Steue
rungseinheit 111 in Verbindung steht. Bei der Bildgebung können außerdem direkt auf
dem Körper des Patienten 102 aufliegende Oberflächenspulen 117 zum Einsatz kommen,
welche über die Anschlüsse i und j mit den entsprechenden Eingängen der Empfangs
einheit 112 verbunden sind. Die Oberflächenspulen 117 sind beispielsweise für die lokale
Herzbildgebung einsetzbar, wobei die im Rückenbereich des Patienten 102 angeordneten
Leiterelemente 104 der Körperspule (Anschlüsse g und h) zusammen mit den Oberflächen
spulen 117 im Synergiebetrieb für die Datenakquisition verwendet werden.
Die Fig. 2 zeigt einen herkömmlichen Käfig-Resonator, bei dem die Ringkapazitäten CT
und die Stabkapazitäten CA so gewählt sind, dass der Resonator bei der gewünschten Reso
nanzfrequenz in einer entkoppelten Mode arbeitet (vgl. Leussler et al., Proceedings of the
ISMRM, No. 176, Vancouver 1997). Ein solcher Resonator kann mit beliebigem Durch
messer und beliebigem Querschnitt (symmetrisch oder asymmetrisch) gemäß der Erfin
dung eingesetzt werden. Aufgrund der speziellen Resonanzmode des Resonators sind, wie
bereits erwähnt, die unmittelbar benachbarten Resonatorsegmente voneinander ausrei
chend entkoppelt. Für den resonanten Sendebetrieb sind die Kopplungen zwischen ent
fernteren Segmenten allerdings zu hoch. Um hier eine ausreichende Entkopplung (wenig
stens -20 dB) zu erreichen, können die einzelnen Leiterstäbe 104 mittels geeigneter Impe
danznetzwerke voneinander isoliert werden. Unter Umständen ist eine solche Entkopplung
jeweils von übernächsten Nachbarn ausreichend. Förderlich ist es für die Entkopplung
außerdem, einen vergleichsweise geringen Abstand zwischen Resonator und HF-Schirm zu
wählen, auch wenn hierdurch die Hochfrequenz-Feldstärke im Untersuchungsvolumen
geringfügig herabgesetzt wird. Bei dem Resonator, der in der Fig. 2 nur schematisch
gezeigt ist, können die parallel zur Hauptfeldrichtung verlaufenden Stäbe 104 auch als
flache Leiterstreifen ausgebildet sein. Bei dieser Ausführung des Resonators, mit
Kapazitäten in den Stäben bzw. Streifen, fließt aufgrund der galvanischen Trennung kein
Strom über den HF-Schirm ab. Vorteilhaft kann es des weiteren sein, wenn der Resonator
derart ausgebildet ist, dass sich der Abstand zwischen HF-Schirm und den Leiterstreifen
104 entlang deren Längserstreckung verändert, wobei der Abstand zum HF-Schirm an den
stirnseitigen Enden des Resonators größer ist als im Zentralbereich. Hierdurch wird die
Homogenität des RF-Feldes im Untersuchungsvolumen verbessert.
Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen ebene Darstellungen von Körperspulen gemäß der Erfin
dung. Die Spulen bestehen aus einer Mehrzahl von flachen Leiterstreifen 104, die um das
Untersuchungsvolumen herum angeordnet sind. Durch die in den Fig. 3 und 4 jeweils
gegen Masse geschalteten Kondensatoren wird die Resonanzfrequenz der einzelne Resona
torsegmente bestimmt. Bei der Körperspule gemäß Fig. 5 wird die Resonanzfrequenz
durch die in den Leiterstreifen angeordneten Kapazitäten CR und die gegen Masse geschal
teten Kapazitäten CG bestimmt. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, um bei
hohen Resonanzfrequenzen elektromagnetische Ausbreitungseffekte zu vermeiden. Inner
halb der Leiterstreifen werden mehrere parallel geschaltete Kapazitäten CR verwendet, um
die hohen Stromstärken während des Sendebetriebs aufzuteilen und um eine gleichmäßige
Stromverteilung zu erreichen, was für die Homogenität des Hochfrequenzfeldes vorteilhaft
ist. Möglich ist es auch, die Kapazitäten CR dadurch zu erhalten, dass zwischen den im
Bereich der Kapazitäten CR aufeinanderstoßenden Enden der Leiterstreifen 104 Überlap
pungen vorgesehen werden, wobei sich im Überlappungsbereich zwischen den Streifen ein
dielektrisches Material mit möglichst hoher Dielektrizitätskonstante (z. B. Keramik) befin
det. Auf ähnliche Weise kann auch die Kapazität zwischen Leiterstreifen 104 und HF-
Schirm realisiert werden. Die zwischen den einzelnen Leiterelementen 104 angeordneten
Kapazitäten CD dienen zur gegenseitigen Entkopplung. Diese Entkopplung ist Voraus
setzung dafür, dass die einzelnen Resonatorsegmente gemäß der Erfindung unabhängig
voneinander durch separate Sendekanäle angesteuert werden können. Hierzu ist jedes
einzelne Leiterelement 104 über einen zwischengeschalteten Kondensator mit einem
Sendekanal 1, 2, 3 bzw. 4 verbunden (Fig. 3, 5). Bei den in den Fig. 3 und 5 darge
stellten Anordnungen befinden sich Entkopplungskapazitäten zwischen unmittelbar
benachbarten Leiterstreifen 104. Die ausreichende Entkopplung entfernterer Resonator
segmente muss durch andere Maßnahmen sichergestellt sein (Formgebung der Leiterele
mente, räumlicher Abstand, Nähe zum HF-Schirm). Bei der in der Fig. 4 dargestellten
Körperspule sind auch die übernächsten Nachbarn durch zwischengeschaltete Kapazitäten
CD voneinander entkoppelt. Die Verbindung zwischen den entfernteren Leiterelementen
erfolgt zweckmäßigerweise über koaxiale Kabel geeigneter Länge (λ/2). Zur Entkopplung
sind statt Kapazitäten auch Induktivitäten (Spulen) einsetzbar.
Die Fig. 6 zeigt verschiedene Ausführungen von Leiterstreifen 104, bei denen unter
schiedliche Strukturierungen vorgesehen sind, um eine möglichst homogene Stromvertei
lung zu erzielen. Hierzu ist es insbesondere zweckmäßig, die Kantenimpedanz der Leiter
streifen durch eine der dargestellten sägezahnartigen Kantenstrukturierungen zu erhöhen.
Denkbar sind auch konvexe oder konkave Ausführungen der Leiterstreifen 104 oder die
Anbringung von Schlitzen 601, die durch Kondensatoren 602 überbrückt sein können.
In der Fig. 7 ist die Realisierung der gegenseitigen elektromagnetischen Entkopplung
übernächster Resonatorsegmente 104 gezeigt. Da die entsprechenden Leiterstreifen 104
nicht unmittelbar nebeneinander liegen, werden diese mit Koaxialkabeln geeigneter Länge
(λ/2 bzw. λ/4) verbunden. Ein geeignetes Impedanznetzwerk Z bewirkt dann die ge
wünschte Isolierung. Ziel ist es, dem jeweils anderen Resonatorsegment das Signal so über
das Impedanznetzwerk Z zuzuführen, dass durch die geeignete Vorgabe der Amplitude
und durch die entsprechende Verschiebung der Phase eine Kompensation des direkt einge
koppelten Hochfrequenzsignals erreicht wird. Eine solche Entkopplung ist selbstverständ
lich gleichermaßen auch für unmittelbar benachbarte und für entfernte Segmente des
Resonators einsetzbar. Das Impedanznetzwerk Z kann im einfachsten Fall aus einem
Kondensator, über den die betreffenden Resonatorsegmente in Verbindung stehen, oder
aus einer gegen Masse geschalteten Induktivität bestehen.
Die Fig. 8 zeigt eine verschachtelte Hintereinanderanordnung von Leiterelementen,
welche gemäß der Erfindung durch zwischengeschaltete Kapazitäten CD voneinander ent
koppelt und zu einer Körperspule miteinander verschaltet sind. Es stehen damit zwei unab
hängige, in axialer Richtung hintereinander angeordnete Abschnitte der Körperspule zur
Verfügung, was zur Steuerung der Hochfrequenz-Feldverteilung in der zur Längsachse des
Hauptfeldmagneten parallelen Richtung (z-Richtung) ausgenutzt werden kann.
Claims (12)
1. Anordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzfeldern im Untersuchungsvolumen (100)
eines MR-Gerätes, mit einer aus einer Mehrzahl von Resonatorsegmenten bestehenden
Körperspule, wobei die Resonatorsegmente um das Untersuchungsvolumen (100) herum
angeordnet sind und jeweils aus wenigstens einem parallel zur Längsachse eines Hauptfeld
magneten verlaufenden Leiterelement (104) und wenigstens einem Kondensatorelement
bestehen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Resonatorsegmente voneinander elektromagnetisch entkoppelt sind und
dass jedem Resonatorsegment ein separater Sendekanal (1-8) zugeordnet ist, über welchen die HF-Einspeisung in das betreffende Resonatorsegment erfolgt, wobei für jedes Resona torsegment die Phase und/oder die Amplitude der HF-Einspeisung individuell vorgebbar sind.
dass die Resonatorsegmente voneinander elektromagnetisch entkoppelt sind und
dass jedem Resonatorsegment ein separater Sendekanal (1-8) zugeordnet ist, über welchen die HF-Einspeisung in das betreffende Resonatorsegment erfolgt, wobei für jedes Resona torsegment die Phase und/oder die Amplitude der HF-Einspeisung individuell vorgebbar sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektromagnetische Entkopplung der Resonatorsegmente mittels zwischen den
Leiterelementen (104) angeordneter Kapazitäten (CD) oder Induktivitäten erfolgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leiterelemente (104) als im wesentlichen rechteckige, flächenhafte Streifen
ausgebildet sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanten der Leiterstreifen eine sägezahnartige Strukturierung aufweisen.
5. Anordnung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass auf den Flächen der Leiterstreifen parallel zu deren Längserstreckung verlaufende
Schlitze angeordnet sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch einen um die Körperspule herum angeordneten HF-Schirm (105),
wobei die Leiterelemente (104) der einzelnen Resonatorsegmente mit einem geringen
Abstand von 0,5 bis 2 cm zu dem HF-Schirm (105) angeordnet sind.
7. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Körperspule in wenigstens zwei unabhängige, in axialer Richtung hintereinander
angeordnete Abschnitte unterteilt ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass jedem Resonatorsegment ein separater Empfangskanal (a-h) zugeordnet ist, über
welchen die mittels dem betreffenden Resonatorsegment detektierten MR-Signale an eine
Empfangseinheit (112) zur Weiterverarbeitung übertragen werden.
9. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Untersuchungsvolumen (100) in der senkrecht zur Hauptfeldrichtung
verlaufenden Ebene einen asymmetrischen Querschnitt hat, an dessen Umfangsrand die
Leiterelemente (104) der einzelnen Resonatorsegmente angeordnet sind.
10. MR-Gerät, mit einer Anordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzfeldern nach
Anspruch 1, mit wenigstens einer Hauptfeldspule zur Erzeugung eines homogenen,
statischen Magnetfeldes in einem Untersuchungsvolumen (100), einer Anzahl von
Gradientenspulen zur Erzeugung von Gradientenpulsen in unterschiedlichen Raum
richtungen, einer aus einer Mehrzahl von Resonatorsegmenten bestehenden Körperspule,
wobei die Resonatorsegmente um das Untersuchungsvolumen (100) herum angeordnet
sind und jeweils aus wenigstens einem parallel zur Längsachse der Hauptfeldspule
verlaufenden Leiterelement (104) und wenigstens einem Kondensatorelement bestehen,
wenigstens einer Steuerungseinheit (111) für die Steuerung der zeitlichen Abfolge von
Hochfrequenz- und Gradientenpulsen und einer Rekonstruktions- (115) und
Visualisierungseinheit (116),
dadurch gekennzeichnet,
dass die Resonatorsegmente der Körperspule voneinander elektromagnetisch entkoppelt
sind, wobei jedem Resonatorsegment ein separater Sendekanal (1-8) zugeordnet ist, über
welchen die HF-Einspeisung in das betreffende Resonatorsegment erfolgt, und wobei für
jedes Resonatorsegment die Phase und/oder die Amplitude der HF-Einspeisung individuell
vorgebbar sind, und
dass jedem Resonatorsegment ein separater Empfangskanal (a-h) zugeordnet ist, über
welchen die mittels dem betreffenden Resonatorsegment detektierten MR-Signale an eine
Empfangseinheit (112) zur Weiterverarbeitung mittels der Rekonstruktions- (115) und
Visualisierungseinheit (116) übertragen werden.
11. MR-Gerät nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Sendekanal (1-8) an einen dem betreffenden Resonatorsegment zugeordneten
Ausgang eines Verbindungsnetzwerkes (Combiner-Hybrid, 109) angeschlossen ist, durch
welches die Leistung eines Sendeverstärkes (110) auf die einzelnen Resonatorsegmente
verteilt wird, wobei durch das Verbindungsnetzwerk (109) für jedes Resonatorsegment die
Phase und die Amplitude des jeweils eingespeisten HF-Signals festgelegt wird.
12. MR-Gerät nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens einem Resonatorsegment ein Messelement (Pick-Up Spule) zugeordnet ist,
über welches die von dem jeweilgen Resonatorsegment abgestrahlte HF-Feldstärke ermit
telt wird, wobei das Messsignal der Steuerungseinheit (111) zur Überwachung und/oder
zur Regelung der Phase und der Amplitude des eingespeisten HF-Signals zugeführt wird.
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