DE102005030745A1

DE102005030745A1 - HF-Spulen für Kernspintomographen

Info

Publication number: DE102005030745A1
Application number: DE102005030745A
Authority: DE
Inventors: Harry Schilling; Patrick Gross
Original assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Current assignee: Schleifring und Apparatebau GmbH
Priority date: 2005-06-29
Filing date: 2005-06-29
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: DE102005030745B4; US7518372B2; US20070001676A1

Abstract

Eine Sende- bzw. Empfangsspulenanordnung für Kernspintomographen umfasst einen Aufbau aus leitenden Schichten auf einem isolierenden Träger. Diskrete Bauelemente, wie Kondensatoren, sind in Vertiefungen des Trägers aufgenommen. Durch zusätzliche Versteifungen kann die mechanische Stabilität der Anordnung weiter erhöht werden.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf die Kernspintomographie und insbesondere auf medizinische Geräte zur Untersuchung von menschlichen und tierischen Körpern. Die Kernspintomographie wird auch als Magnetresonanztomographie, abgekürzt MRT, bezeichnet.
Stand der Technik
Die MRT ist ein bildgebendes Verfahren, welches auf dem physikalischen Phänomen der Kernspinresonanz basiert. Das zu untersuchende Objekt wird einem starken Magnetfeld ausgesetzt. Durch dieses richten sich die Kernspins der einzelnen Atome, welche zuvor statistisch verteilt waren aus. Durch eine äußere Anregung mit hochfrequenter Energie wird eine messbare Schwingung angeregt. Um nun eine räumliche Lokalisierung zu ermöglichen, werden in dem Magnetfeld durch Gradientenspulen in den drei Raumachsen inhomogene Magnetfelder erzeugt. Zur Aussendung der hochfrequenten Anregungsenergie sind Sendespulen vorgesehen. Der Empfang der angeregten Schwingungen erfolgt durch Empfangsspulen. Vielfach sind auch Sendespulen und Empfangsspulen miteinander kombiniert. Diese Spulen werden nachfolgend auch als HF-Spulen bezeichnet, da sie zur Einkopplung bzw. Auskopplung der hochfrequenten Signale dienen.
Durch dieses nichtinvasive bildgebende Verfahren können Schnittbilder in beliebigen Achsen durch den menschlichen oder tierischen Körper aufgenommen werden.

Beispielhafte Sende- bzw. Empfangsspulen sind in der US 4,887,039 offenbart. Dort sind auf einem zylinderförmigen Träger 11 mehrere parallele Leiter 18 angebracht, welche durch Koppelkondensatoren 16 miteinander verbunden sind. Die Speisung erfolgt mittels symmetrischer Leitungen 19 oder Koaxialkabel 20. Sogenannte phasedarray Anordnungen, wie sie in 4 dieser Patentschrift dargestellt sind, werden eingesetzt, um höhere Auflösungen zu erzielen. Hierbei sind mehrere unabhängige Spulen mit unabhängigen Empfängereingängen zur getrennten Auswertung der Signale verbunden.

Der Aufbau solcher Spulen ist sehr komplex und die Herstellungskosten sind demzufolge relativ hoch. Bei zukünftigen Spulenanordnungen werden immer mehr Spulen vorzusehen sein, wobei aufgrund der höheren Auflösung auch höhere Anforderungen an die mechanischen Toleranzen gestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spulenanordnung vorzustellen, welche unter Beibehaltung bzw. Verbesserung der elektrischen Eigenschaften eine Vereinfachung des mechanischen Aufbaus und damit eine Reduzierung der Herstellkosten ermöglicht. Gleichzeitig sollten die mechanischen Toleranzen weiter reduziert werden.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung umfasst einen mehrschichtigen Aufbau, wobei wenigstens zwei Schichten vorzugsweise in Form eines Laminats miteinander verbunden sind. Wenigstens eine Schicht umfasst ein dielektrisches Isolationsmaterial 10, 12 (Isolatorschicht), welches vorzugsweise in dem Arbeitsfrequenzbereich der Spulenanordnung möglichst niedrige dielektrische Verluste aufweist. Solche Materialien können beispielsweise Kunststoffe wie PTFE (Polytetrafluorethylen), PE (Polyethylen), oder auch Keramikmaterialien umfassen. Zu Erhöhung der mechanischen Stabilität können auch Fasern wie Glasfasern oder Kohlenstofffasern eingebettet sein.

Ein typischer Arbeitsfrequenzbereich solcher Spulenanordnungen liegt im Bereich von 30 MHz bis einige 100 MHz entsprechend dem jeweiligen äußeren Magnetfeld der Anordnung. Fest mit diesem Träger-material verbunden ist wenigstens eine Schicht 20, 21 aus leitendem Material (Leiterschicht), wobei in dieser Schicht die Form der Spulen ausgearbeitet ist. Eine Verbindung zwischen den Schichten bzw. die Schichten selbst können auch semiflexibel sein, so dass beim Verbiegen der Anordnung innere Spannungen nicht auftreten können bzw. reduziert werden. Eine leitende Schicht kann wahlweise durch chemische bzw. galvanische Verfahren insbesondere durch galvanischen Auftrag oder Ätzen oder auch mechanisch auf die erste Trägerschicht aufgebracht werden. So kann diese beispielsweise in Form einer dünnen Folie aufgewalzt werden.

Derartige Spulenanordnungen können auch in Multilayer-Technik ausgebildet sein, um mehrere, wahlweise konzentrische, oder sich zumindest teilweise überlappende Spulen auf unterschiedlichen Lagen anzuordnen.

Solche Spulenanordnungen können nicht nur außen am Patienten angebracht werden, sondern auch ins Körperinnere eingeführt werden. Hierzu werden sie vorteilhafterweise flexibel und somit biegbar oder auch aufrollbar ausgeführt.

Weiterhin ist erfindungsgemäß in wenigstens einer Schicht 10, 12 aus isolierendem Material und wahlweise zusätzlich wenigstens einer Schicht 20, 21 umfassend elektrisch leitfähiges Material wenigstens eine Aussparung 25 zur Aufnahme von wenigstens einem diskreten Bauelement 35 vorgesehen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die diskreten Bauelemente wahlweise Spulen, Widerstände und auch Halbleiter, wie beispielsweise Dioden. Diese Bauelemente sind vorzugsweise in SMD-Technik ausgeführt, um eine besonders Platz sparende und effiziente Montage zu ermöglichen. Weiterhin werden durch derartige Bauelemente die hochfrequenztechnischen Eigenschaften verbessert und die Beeinflussung des Magnetfeldes reduziert.

In eine andere Ausgestaltung der Erfindung sind zusätzliche Versteifungen vorgesehen, um die mechanische Stabilität der gesamten Anordnung weiter zu erhöhen. Besonders kritisch sind die Stellen der Anordnung, an denen Aussparungen vorgesehen sind, beziehungsweise an denen verschiedene Teile der Leiterplatten beziehungsweise Schichten aus isolierendem Material aneinander gefügt sind. Hier kommt es bei mechanischer Beanspruchung der gesamten Anordnung vorzugsweise zu Rissen oder Brüchen. Um diese zu vermeiden sind zusätzliche Versteifungen vorgesehen.

Vorteilhafterweise können derartige Versteifungen in Form von Streifen, Käfigen oder auch Ringen ausgebildet sein. Streifenförmige Anordnungen können beispielsweise auch in Gitterstruktur vorgesehen sein.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Versteifungen ein Kunststoffmaterial umfassen. Besonders günstig ist der Einsatz von faserverstärkten (Glasfaser, Kohlefaser, etc.) Kunststoffen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn mehrere Versteifungen zu Erhöhung der gesamten Stabilität miteinander verbunden sind.

In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine der Versteifungen vorzugsweise durch Kleben an der Oberfläche der Anordnung fixiert.

Weiterhin kann Vorteilhafterweise zumindest eine der Versteifungen vorzugsweise durch Verpressen oder eingießen in die Anordnung selbst integriert sein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht in Maßnahmen zur Verringerung der mechanischen Spannungen, insbesondere zur Verringerung der Kerbspannungen. Dies können beispielsweise Bohrungen, Ausfräsungen und andere sein.

In einer weiteren günstigen Ausführungsform ist zumindest eine Versteifung elliptisch, vorzugsweise kreisförmig ausgebildet. Durch diese kreisförmige Ausbildung ergibt sich eine gleichmäßige Krafteinleitung insbesondere bei einer Biegebeanspruchung der Anordnung.

Weiterhin ist eine solche Versteifung zur weiteren Verbesserung der Krafteinleitung derart ausgebildet, dass sie am Rand eine geringe Steifigkeit aufweist, welche zu einem inneren Bereich hin zunimmt. Dieser innere Bereich liegt vorzugsweise in der Mitte. Ebenso kann die Versteifung aber auch asymmetrisch ausgebildet sein.

Diese zunehmende Steifigkeit kann beispielsweise durch eine Scheibe mit radialen Schlitzen oder Sicken erreicht werden.

Ebenso kann dies auch durch eine vom Rand aus zunehmende Materialdicke erreicht werden. Alternativ kann aber auch eine zunehmende Materialdichte realisiert werden. Dabei könnte die Materialdicke annähernd konstant bleiben, was zu einer einfacheren Verarbeitbarkeit führt. Auch könnten in die Versteifung wieder andere Materialien, beispielsweise ein Kern aus einem oder mehreren Materialien mit höherer Steifigkeit eingebettet sein. Selbstverständlich können mehrere dieser Ausführungsformen miteinender kombiniert werden.

Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine Vorrichtung zur Kernspintomographie.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Spulenanordnung im Schnitt.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Spulenanordnung in der Draufsicht.
4 zeigt eine besondere Ausführungsform einer Versteifung.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der die Ausschweifung gleichzeitig zur mechanischen Verbindung mehrerer Träger dient.
6 zeigt eine Ausgestaltung mit Überlappung der Anordnung.
7 zeigt eine Ausgestaltung mit Verzahnung der Anordnung
8 zeigt eine Anordnung mit einer kreisförmigen Versteifung mit zur Mitte hin zunehmender Dicke.
9 zeigt eine Anordnung mit einer weiteren Ausführungsform einer Versteifung.
1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine Vorrichtung zur Kernspintomographie. Der Patient 502 liegt auf einer Liege 500 im Magnetsystem 501. An Stelle eines Patienten können auch Tiere oder beliebige Gegenstände untersucht werden. Ein Hauptmagnet 503 dient zur Erzeugung des statischen Hauptmagnetfeldes. Zur Ortsbestimmung werden zeitlich und örtlich variable Magnetfelder mittels der Gradientenspulen 504 erzeugt. Diese werden durch Gradientensignale 511 angesteuert. Das hochfrequente Feld zur Anregung der Kernspinresonanzen wird mit Hilfe des Sendesignals 510 durch die Sendespulen 505 in das zu untersuchende Objekt eingespeist. Die Erfassung der Messsignale 512 erfolgt mittels der Empfangsspulen 506. Wahlweise können Sendespulen und Empfangspulen räumlich miteinander kombiniert sein. Ebenso kann die dieselbe Spulenanordnung zuerst zur Signalaussendung und später zum Signalempfang verwendet werden. Die Empfangspulen 506 können auch im äußeren Bereich der Sendespulen 505 angeordnet sein. Ebenso können auch die Sendespulen 505 in der Nähe des zu untersuchenden Objekts, ähnlich wie die hier dargestellten Empfangspulen 506 angeordnet sein.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Spulenanordnung im Schnitt dargestellt. Eine erste Spule mit den Leitern 20a und 20b ist in der ersten Leiterschicht ausgebildet. Diese Leiterschicht ist auf eine erste Isolatorschicht 10 laminiert. Auf der anderen Seite dieser ersten Isolatorschicht 10 ist eine weitere Leiter schicht zur Ausbildung einer zweiten Spule mit dem Leiter 21a vorgesehen. Selbstverständlich können beliebig viele Leiter in den Leiterschichten ausgebildet werden. Schließlich ist noch eine zweite Isolatorschicht 12 unterhalb der zweiten Leiterschicht vorgesehen. Auf diese Weise können nahezu beliebig viele Leiterschichten und Isolatorschichten miteinander kombiniert werden. Durch ein Verpressen während der Fertigung werden die Hohlräume zwischen den Isolatorschichten ebenfalls mit Isoliermaterial aus den darüber bzw. darunter liegenden Schichten mit Isoliermaterial, welche sich verformen, aufgefüllt. Ebenso können aber auch die Hohlräume mit einer eigenen Schicht aus Isoliermaterial aufgefüllt sein. In der ersten Isolatorschicht 10 ist eine Aussparung 25 vorgesehen, in welche ein diskretes Bauteil 35, hier beispielsweise ein SMD-Kondensator, eingesetzt ist. Dieses Bauteil ist über die beiden Lötverbindungen 36a und 36b mit den benachbarten Leitern 20a und 20b verbunden. Um die durch die Aussparung hervorgerufene Schwächung der Anordnung zu kompensieren und eventuelle Zugspannungen, wie sie durch thermische Ausdehnungen, oder auch aufgrund von Biegebeanspruchungen entstehen, von dem Bauteil 35 sowie den Lötverbindungen 36 fernzuhalten, ist eine Versteifung 26 in die Anordnung eingebettet.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Spulenanordnung in der Draufsicht. Eine erste Spule 30a sowie eine zweite Spule 30b sind mit einem diskreten Kondensator 35 verbunden. Zu Erhöhung der Steifigkeit ist die Versteifung 26 vorgesehen.
In 4 ist eine besonders vorteilhafte Art der Versteifung dargestellt. Hierbei ist die Versteifung elliptisch, vorzugsweise kreisförmig ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Krafteinleitung und die Gefahr von Spannungsrissen wird weiter reduziert.
In 5 ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Versteifung dargestellt. Hierbei dient die Aussteifung gleichzeitig zur Verbindung zweier Trägerplatten beziehungsweise Schichten aus Isolationsmaterial 10a, 10b. Selbstverständlich kann die Aussteifung 26 ebenso lang wie die Schichten aus Isolationsmaterial oder auch kürzer sein. Ein Überstand der Aussteifung wurde hier nur aus Gründen der Übersichtlichkeit gezeichnet.
6 zeigt eine stufenförmige Ausgestaltung der Schichten aus Isolationsmaterial, wobei sich beim Zusammenfügen ein Überlappungsbereich ergibt, so dass die Festigkeit des Verbundsystems besonders wird. Die Überlappung muss nicht unbedingt linear beziehungsweise mit konstantem Abstand erfolgen. Vielmehr kann diese auch variieren und insbesondere den Leiterschichten beziehungsweise den diskreten Bauteilen 35 angepasst werden.
In 7 ist noch eine Anordnung mit Verzahnung der beiden Schichten aus Isoliermaterial dargestellt, wodurch sich die mechanische Stabilität weiter erhöhen lässt. Besonders günstig ist eine Kombination mit der stufenförmigen Ausgestaltung aus Figur sechs. Selbstverständlich sind auch beliebige Kombinationen der hier gezeigten Ausführungsformen möglich. Insbesondere können Versteifungen im Inneren der Schichten aus Isoliermaterial, als auch auf der Oberseite beziehungsweise Unterseite angebracht werden.
In 9 ist eine besondere Ausgestaltung einer Versteifung 26 dargestellt. Die übrigen Teile entsprechen 2. Die Versteifung 26 ist zur besseren Darstellung noch einmal unterhalb der Anordnung einzeln dargestellt. Sie ist als vorzugsweise runde Scheibe ausgebildet, die an den Rändern abgeflacht ist. Die Abflachung kann, wie dargestellt von der Oberseite und der Unterseite, oder auch einseitig verlaufen.

10: erste Schicht aus Isolationsmaterial
11: Isolator zur Füllung des Zwischenraums zwischen
: Leitern
12: zweite Schicht aus Isolationsmaterial
20: erste Leiterschicht
21: zweite Leiterschicht
25: Aussparung
26: Versteifung
30: induktive Komponente
35: diskretes Bauteil
36: Lötverbindung
500: Patientenliege
501: Magnetsystem
502: Patient
503: Hauptmagnet
504: Gradientenspulen
505: Sendespulen (HF-Spulen)
506: Empfangsspulen
510: Sendesignal
511: Gradientensignal
512: Messsignal

Claims

HF-Spulenanordnung für Kernspintomographen umfassend wenigstens eine Schicht (10) aus Isolationsmaterial sowie darauf aufgebrachte elektrische Leiter zur Ausbildung einer oder mehrerer induktiver Komponenten (30), dadurch gekennzeichnet dass, die HF-Spulenanordnung ein Laminat umfasst, welches durch Verpressen und/oder Verkleben wenigstens einer Schicht (20, 21) umfassend elektrisch leitfähiges Material (Leiterschicht), aus dem die induktiven Komponenten (30) oder Teile davon gebildet werden, zusammen mit wenigstens einer Schicht (10) aus Isolationsmaterial (Isolatorschicht) hergestellt ist und weiterhin in der Schicht (10) aus Isolationsmaterial wenigstens eine Aussparung (25) zur Aufnahme wenigstens eines diskreten Bauelements (35) vorgesehen ist.
HF-Spulenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet dass, die induktiven Komponenten (30) oder Teile davon chemisch oder galvanisch in Form wenigstens einer elektrisch leitfähigen Schicht (20, 21) (Leiterschicht) auf wenigstens einer Schicht (10) aus Isolationsmaterial (Isolatorschicht) hergestellt sind und in wenigstens einer Schicht (10) aus Isolationsmaterial wenigstens eine Aussparung (25) zur Aufnahme wenigstens eines diskreten Bauelements (35) vorgesehen ist.
HF-Spulenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet dass, die HF-Spulenanordnung als Leiterplatte ausgebildet ist und in der Schicht (10) aus Isolationsmaterial Aussparungen (25) zur Aufnahme wenigstens eines diskreten Bauelements (35) vorgesehen sind.
HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, die diskreten Bauelemente (35) wahlweise Kondensatoren, Spulen, Widerstände, Halbleiter wie Dioden umfassen.
HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass, wenigstens eine zusätzliche Versteifung (26) vorgesehen sind.
HF-Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass, wenigstens eine zusätzliche Versteifung (26) in Form von Streifen, Käfigen oder Ringen ausgebildet ist.
HF-Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass, wenigstens eine zusätzliche Versteifung (26) ein Kunststoffmaterial umfasst.
HF-Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass, mehrere Versteifungen (26) miteinander verbunden sind.
HF-Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass, zumindest eine der Versteifungen (26) vorzugsweise durch Kleben an der Oberfläche des Trägers fixiert ist.
HF-Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass, zumindest eine der Versteifungen (26) vorzugsweise durch Verpressen oder Eingießen in den Träger integriert ist.
HF-Spulenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass, zumindest eine Versteifung (26) elliptisch, vorzugsweise kreisförmig ausgebildet ist.
HF-Spulenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet dass, zumindest eine Versteifung (26) eine vom Rand ausgehend bis zur Mitte ansteigende Materialdicke aufweist.
HF-Spulenanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet dass, zumindest eine Versteifung (26) als eine Scheibe mit einer zum Rand hin verlaufenden Abflachung der Oberseite und der Unterseite ausgebildet ist.