DE102005030745B4 - HF-Spulen für Kernspintomographen - Google Patents
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Abstract
HF-Spulenanordnung
für Kernspintomographen
umfassend eine Leiterplatte als Laminat aus wenigstens einer Schicht
(10) aus Isolationsmaterial sowie wenigstens einer Schicht (20,
21) umfassend elektrisch leitfähiges
Material zur Ausbildung einer oder mehrerer induktiver Komponenten
(30), sowie wenigstens ein weiteres diskretes Bauelement (35), dadurch
gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Schicht (10) aus Isolationsmaterial
wenigstens eine Aussparung (25) zur Aufnahme des wenigstens einen
diskreten Bauelements (35) vorgesehen ist und dass wenigstens eine
Versteifung (26) unter dem wenigstens einen diskreten Bauelement
(35) vorgesehen ist.
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 Träger11 mehrere parallele Leiter18 angebracht, welche durch Koppelkondensatoren16 miteinander verbunden sind. Die Speisung erfolgt mittels symmetrischer Leitungen19 oder Koaxialkabel20 . Sogenannte phasedarray Anordnungen, wie sie in4 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.
- In der
EP 0 568 225 B1 ist eine Spulenanordnung für Kernspintomografen offenbart, welche auf einem Fiberglasträger aufgeklebte Kupferfolien aufweist. Diese Kupferfolien dienen als Leiter der Spulen. Zusätzliche Kondensatoren zur Abstimmung auf die Resonanzfrequenz sind mit den Spulen verbunden. - In der
EP 1 255 119 A2 ist eine Antenne für Kernspintomografen offenbart, bei der in einem endoskopischen Instrument Spulen angeordnet sind, wobei Leiterplatten vorgesehen sind, welche die Abstimmschaltungen sowie Anpassschaltungen, nicht aber die Spulen aufnehmen. - In der
EP 0 384 061 A2 ist eine Methode und ein Verfahren zur Abstimmung von Spulenanordnung für Kernspintomografen offenbart. Diese Spulen sind auf einem flexiblen Träger angeordnet, so dass sie um den Patienten gebogen werden können. - In der
US 4 636 730 ist eine mehrlagige Antennenspulenanordnung für Kernspintomografen offenbart. Die Spulen bestehen hier aus massiven metallischen Leitern und sind durch gegeneinander verspannte Platten miteinander befestigt. - 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 (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 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 aus isolierendem Material und wahlweise zusätzlich wenigstens einer Schicht umfassend elektrisch leitfähiges Material wenigstens eine Aussparung zur Aufnahme von wenigstens einem diskreten Bauelement 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. - Die
7 und8 zeigen je eine Ausgestaltung mit Verzahnung der Anordnung -
9 zeigt eine Anordnung mit einer kreisförmigen Versteifung mit zur Mitte hin zunehmender Dicke. -
1 zeigt in allgemeiner Form schematisch eine Vorrichtung zur Kernspintomographie. Der Patient502 liegt auf einer Liege500 im Magnetsystem501 . An Stelle eines Patienten können auch Tiere oder beliebige Gegenstände untersucht werden. Ein Hauptmagnet503 dient zur Erzeugung des statischen Hauptmagnetfeldes. Zur Ortsbestimmung werden zeitlich und örtlich variable Magnetfelder mittels der Gradientenspulen504 erzeugt. Diese werden durch Gradientensignale511 angesteuert. Das hochfrequente Feld zur Anregung der Kernspinresonanzen wird mit Hilfe des Sendesignals510 durch die Sendespulen505 in das zu untersuchende Objekt eingespeist. Die Erfassung der Messsignale512 erfolgt mittels der Empfangsspulen506 . Wahlweise können Sendespulen und Empfangspulen räumlich miteinander kombiniert sein. Ebenso kann die dieselbe Spulenanordnung zuerst zur Signalaussendung und später zum Signalempfang verwendet werden. Die Empfangspulen506 können auch im äußeren Bereich der Sendespulen505 angeordnet sein. Ebenso können auch die Sendespulen505 in der Nähe des zu untersuchenden Objekts, ähnlich wie die hier dargestellten Empfangspulen506 angeordnet sein. - In
2 ist eine erfindungsgemäße Spulenanordnung im Schnitt dargestellt. Eine erste Spule mit den Leitern20a und20b ist in der ersten Leiterschicht ausgebildet. Diese Leiterschicht ist auf eine erste Isolatorschicht10 laminiert. Auf der anderen Seite dieser ersten Isolatorschicht10 ist eine weitere Leiter schicht zur Ausbildung einer zweiten Spule mit dem Leiter21a vorgesehen. Selbstverständlich können beliebig viele Leiter in den Leiterschichten ausgebildet werden. Schließlich ist noch eine zweite Isolatorschicht12 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 Isolatorschichten10 ,12 ebenfalls mit Isoliermaterial aus den darüber bzw. darunter liegenden Schichten10 ,12 mit Isoliermaterial, welche sich verformen, aufgefüllt. Ebenso können aber auch die Hohlräume mit einer eigenen Schicht aus Isoliermaterial11 aufgefüllt sein. Inder ersten Isolatorschicht10 ist eine Aussparung25 vorgesehen, in welche ein diskretes Bauteil35 , hier beispielsweise ein SMD-Kondensator, eingesetzt ist. Dieses Bauteil ist über die beiden Lötverbindungen36a und36b mit den benachbarten Leitern20a und20b 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 Bauteil35 sowie den Lötverbindungen36 fernzuhalten, ist eine Versteifung26 in die Anordnung eingebettet. -
3 zeigt eine erfindungsgemäße Spulenanordnung in der Draufsicht. Eine erste Spule30a sowie eine zweite Spule30b sind mit einem diskreten Kondensator35 verbunden. Zu Erhöhung der Steifigkeit ist die Versteifung26 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 Isolationsmaterial10a ,10b . Selbstverständlich kann die Aussteifung26 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 Bauteilen35 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 Versteifung26 dargestellt. Die übrigen Teile entsprechen2 . Die Versteifung26 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 (11)
- HF-Spulenanordnung für Kernspintomographen umfassend eine Leiterplatte als Laminat aus wenigstens einer Schicht (
10 ) aus Isolationsmaterial sowie wenigstens einer Schicht (20 ,21 ) umfassend elektrisch leitfähiges Material zur Ausbildung einer oder mehrerer induktiver Komponenten (30 ), sowie wenigstens ein weiteres diskretes Bauelement (35 ), dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer Schicht (10 ) aus Isolationsmaterial wenigstens eine Aussparung (25 ) zur Aufnahme des wenigstens einen diskreten Bauelements (35 ) vorgesehen ist und dass wenigstens eine Versteifung (26 ) unter dem wenigstens einen diskreten Bauelement (35 ) vorgesehen ist. - HF-Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine diskrete Bauelement (
35 ) wahlweise Kondensatoren, Spulen, Widerstände, Halbleiter wie Dioden umfasst. - HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung flexibel ausgeführt ist.
- HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Versteifung (
26 ) in Form von Streifen, Käfigen oder Ringen ausgebildet ist. - HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Versteifung (
26 ) ein Kunststoffmaterial umfasst. - HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der Versteifungen (
26 ) miteinander verbunden sind. - HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Versteifungen (
26 ) vorzugsweise durch Kleben an der Oberfläche der Leiterplatte fixiert ist. - HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Versteifungen (
26 ) vorzugsweise durch Verpressen oder Eingießen in die Leiterplatte integriert ist. - HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Versteifung (
26 ) elliptisch, vorzugsweise kreisförmig ausgebildet ist. - HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Versteifung (
26 ) eine vom Rand ausgehend bis zur Mitte ansteigende Materialdicke aufweist. - HF-Spulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Versteifung (
26 ) als eine Scheibe mit einer zum Rand hin verlaufenden Abflachung der Oberseite und der Unterseite ausgebildet ist.
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