DE102011006157B4

DE102011006157B4 - Doppelt abgestimmter HF-Resonator

Info

Publication number: DE102011006157B4
Application number: DE102011006157.6A
Authority: DE
Inventors: Nicolas Freytag
Original assignee: Bruker Biospin SAS
Current assignee: Bruker Switzerland AG
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2016-06-16
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: JP5963490B2; CH704646B1; GB2489565B; GB201204719D0; JP2012202994A; US9035655B2; US20120242338A1; DE102011006157A1; GB2489565A; CH704646A2

Abstract

HF-Resonator für eine NMR-Apparatur, wobei der HF-Resonator einen Birdcage-Resonator zum Senden und/oder Empfangen von Signalen mit einer ersten Messfrequenz (F1) umfasst, wobei der HF-Resonator symmetrisch bezügliche einer xz-Ebene und einer yz-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems mit einer Z-Achse ist, wobei der Birdcage-Resonator mindestens zwei elektrisch leitenden Ringelementen (12, 33, 47), die koaxial um die Z-Achse angeordnet und voneinander beabstandet sind, und N elektrisch leitende Stangen (11) umfasst, die parallel zur Z-Achse angeordnet sind, mit N > 4 und gerade, wobei jedes Ringelement (12, 33, 47) mit allen N Stangen (11) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Senden und Empfangen von Signalen mit einer zweiten Messfrequenz (F2) zusätzlich mindestens zwei Paare von elektrisch leitenden Ringsegmenten (32a, 32b, 40, 43) vorgesehen sind, dass die Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) eines Paares bzgl. der Z-Achse voneinander beabstandet sind und dass jedes Ringsegment (32a, 32b, 40, 43) mit lediglich zwei Stangen des HF-Resonators galvanisch verbunden ist, so dass jedes Paar von elektrisch leitenden Ringsegmenten (32a, 32b, 40, 43) eine zusätzliche elektrische Verbindung zwischen genau zwei Stangen (11) bildet, wobei für jedes Paar die elektrisch leitenden Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) mit den beiden Stangen (11) einen Strompfad (41, 42) bilden, wobei der Strompfad (41, 42) mindestens einmal kapazitiv unterbrochen ist, und dass die Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) und die mit den Ringsegmenten (32a, 32b, 40, 43) elektrisch verbundenen Stangen (11) symmetrisch bezüglich der yz-Ebene angeordnet sind.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen HF-Resonator für eine NMR-Apparatur, wobei der HF-Resonator einen Birdcage-Resonator zum Senden und/oder Empfangen von Signalen mit einer ersten Messfrequenz umfasst, wobei der HF-Resonator symmetrisch bezüglich einer xz-Ebene und einer yz-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems mit einer Z-Achse ist, mit mindestens zwei elektrisch leitenden Ringelementen, die koaxial um die Z-Achse angeordnet und voneinander beabstandet sind, N elektrisch leitende Stangen, die parallel zur Z-Achse angeordnet sind, mit N > 4 und gerade, wobei jedes Ringelement mit allen N Stangen elektrisch verbunden ist.
Ein derartiger HF-Resonator ist aus Referenz [1] bekannt.
Ein Birdcage-Resonator umfasst N Stangen und mindestens 2 Ringelemente. Als Stange sollen in z-Richtung elongierte elektrisch leitende Elemente verstanden werden, die in der Regel angenähert auf einem Zylindermantel parallel zur z-Achse zu liegen kommen und ein oberes und ein unteres Ende aufweisen.
Als Ringelemente versteht man elektrisch leitende ring- oder rohrförmige, i. d. R. zumindest abschnittsweise kreisförmige oder elliptische Leiterelemente, die elektrisch (galvanisch oder kapazitiv) mit N Stangen am oberen bzw. am unteren Ende verbunden sind.
Desweiteren weist ein Birdcage-Resonator Kondensatoren auf, die die Stangen, die Ringelemente oder beide unterbrechen können. Es muss dabei mindestens eine kapazitive Unterbrechung, entweder auf mindestens einem der Ringelemente zwischen jedem Verbindungspunkt einer Stange mit den Ringelementen oder auf jeder Stange zwischen den zwei Verbindungspunkten der Stangen mit den Ringelementen, existieren. Zur kapazitiven Unterbrechung der Stangen eines Birdcage-Resonators werden daher N Kondensatoren, zur kapazitiven Unterbrechung eines Ringelementes mindestens N-2 Kondensatoren benötigt.
Ein Birdcage-Resonator hat zwei orthogonale linear polarisierte Moden, die ein für die NMR sinnvoll nutzbares dipolares Feld generieren. Beim Tiefpass-Birdcage-Resonator sind dies die tiefsten beiden Moden.
1 b zeigt das Modenspektrum mit zwei linear polarisierten Moden 14 eines symmetrischen Birdcage-Resonators mit acht Stangen, wie er in 1a dargestellt ist. Ist der Birdcage-Resonator rotationssymmetrisch, so sind diese beiden linear polarisierten Moden 14 entartet und können für den Quadraturbetrieb auf einer Frequenz gleichzeitig genutzt werden, um ein zirkular polarisiertes Feld zu erzeugen. Der Pfeil in 1b kennzeichnet die beiden entarteten linear polarisierten Moden 14, die bei einer Frequenz F₁ schwingen. Vorteil der Quadraturdetektion und -anregung sind ein gegenüber einer Detektion/Anregung mit linear polarisierter Moden um √2 erhöhtes Signal zu Rauschverhältnis, das insbesondere auch bei verlustbehafteten Messproben erreicht wird. Weiterhin wird bei der Quadraturanregung nur die halbe Leistung für denselben Flipwinkel bei gleicher Pulslänge benötigt.
Für den Quadraturbetrieb eines Resonators werden in der Regel mittels Ankopplungsnetzwerken zwei orthogonal zueinander stehende Orientierungen präferiert, und bilden so jeweils zwei orthogonal zueinander stehende Spiegelsymmetrien entlang der xz und der yz Ebene. Zur Erzeugung und Detektion der zirkularen Polarisation werden die linear polarisierten Moden mit einer Phasendifferenz von 90° angetrieben bzw. detektiert. Die jeweiligen Moden stehen somit orthogonal zueinander, d. h. die elektrische Symmetrieebene des ersten entarteten Modes entspricht der magnetischen Symmetrieebene des zweiten entarteten Modes und umgekehrt.
1a zeigt ein diskretes Elementeschaltbild eines solchen Tiefpass-Birdcage-Resonators mit acht Stangen 11, die mit zwei Ringelementen 12 elektrisch verbunden sind. Die Stangen sind mittels sechzehn Kondensatoren 13 mit Kapazitäten C1–C8 kapazitiv unterbrochen. Die induktiven Kopplungen zwischen den Stangen 11, den Ringelementen 12 und zwischen Stangen und Ringelementen sind in 1a nicht eingezeichnet.
Um mehr als nur eine für die NMR nutzbare Frequenz auf einem Birdcage-Resonator abzustimmen, besteht die Möglichkeit die Symmetrie des Birdcage-Resonators zu brechen (z. B. durch Verschieben der geometrischen Positionen der Stangen, Variation der Kapazitäten der Kondensatoren oder einer Kombination aus beidem) und damit zwei orthogonale Moden unterschiedlicher Frequenzen F₁ und F₂ zu generieren, wie in Referenz [1], S. 415 offenbart. In der Regel werden hierbei die Kapazitäten so verändert, dass statt einheitlicher Werte C aller Kondensatoren, z. B. die Kapazitätswerte jeweils zweier Kondensatoren erniedrigt (C₁ = C₅ < C), und zweier anderer Kondensatoren erhöht werden (C₃ = C₇ > C). Die Kapazitätswerte der restlichen vier Kondensatoren bleiben unverändert (C₂ = C₄ = C₆ = C₈ = C). Dadurch wird die Entartung der linearen Moden aufgehoben und einer zu einer höheren, der andere zu einer tieferen Frequenz verschoben. Das Modenspektrum eines solchen nicht symmetrischen Birdcage-Resonators ist in 2a dargestellt. Typischerweise wird diese Methode zur Aufspaltung der Resonanz für Frequenzen, die relativ nahe beieinander liegen, genutzt. Dies ist z. B. der Fall für ¹H und ¹⁹F. Durch das Aufspalten der Symmetrie wird auch die Entartung der anderen Moden gehoben, so dass der Birdcage-Resonator nun insgesamt acht Moden bei unterschiedlichen Frequenzen aufweist, wobei nur die tiefsten zwei ein für die NMR sinnvoll nutzbares dipolares Feld generieren (linear polarisiert). Diese Moden sind in 2a mittels Pfeilen gekennzeichnet.
Bei dieser ersten aus dem Stand der Technik bekannten Variante eines doppelt abgestimmten Birdcage-Resonators sind Stangen und Ringelement des Birdcage-Resonators für beide Frequenzen identisch, d. h. beide Frequenzen schwingen auf denselben Stangen und Ringelementen. Dadurch wird die Effizienz des Resonators auf beiden Messfrequenzen nur wenig durch die Präsenz der zweiten Frequenz beeinträchtig. Auch die Feldprofile sind quasi identisch, so dass beide Frequenzen das identische Messvolumen „sehen”. Die beiden Moden können jedoch nur noch linear betrieben werden, d. h. es ist kein Quadraturbetrieb mehr möglich! Wird die Frequenzdifferenz zwischen den Moden zu groß, so verschlechtern sich bei dieser ersten Variante die Feldhomogenitäten beider Moden stark, da die Ströme sich nicht mehr gleichmäßig sinusförmig über die Stangen verteilen. Unter Feldhomogenität soll hier insbesondere die radiale Verteilung des Feldes verstanden werden, wohingegen unter Feldprofil die axiale Verteilung verstanden wird. Weiterhin sinkt die Güte und damit die Effizienz, da der Strom nur einen Teil der Stangen nutzt. Die restlichen Leiter stehen dem Feld „im Weg”, generieren zusätzliche Verluste uns schirmen partiell das Feld im Messvolumen ab. Im Extremfall sehr unterschiedlicher Frequenzen fließt der Strom in den beiden Resonanzmoden jeweils fast nur noch auf zwei der acht Stangen.
In diesem Falle macht es mehr Sinn eine zweite Variante eines doppelt abgestimmten Birdcage-Resonators, bei dem der Birdcage-Resonator aus zwei Untergittern mit Kondensatoren unterschiedlicher Kapazitätswerte C₂ = C₄ = C₆ = C₈ = C_a und C₁ = C₃ = C₅ = C₇ = C_b mit C_a << C_b besteht, aufzubauen, wie in Referenz [1], S. 417 offenbart. Bei diesem Birdcage-Resonator entstehen jeweils zwei entartete Moden bei F₁ und F₂. Bei einem Birdcage-Resonator mit insgesamt acht Stangen ist die Feldhomogenität dieser beiden Moden nur für den Fall eines Quadraturbetriebes beim Anregen und Empfangen brauchbar (entsprechend eines Resonators mit nur vier Stangen). Das Spektrum eines solchen Birdcage-Resonators ist in 2b dargestellt, die beiden jeweils entarteten linear polarisierten Moden sind mit Pfeilen gekennzeichnet.
Die Situation zweier weit auseinanderliegender Messfrequenzen tritt in der Kernspinresonanzspektroskopie insbesondere für den Fall auf, in dem F₁ die Frequenz von 1_H oder ¹⁹F und F₂ eines Kernes tiefer Frequenz, insbesondere ³¹P, ¹³C oder ¹⁵N ist.
Für den Betrieb mit lediglich linearer Polarisation ist die Homogenität auch in der zweiten bekannten Variante extrem schlecht und die Anzahl der Stangen muss mindestens verdoppelt werden. Weiterhin schirmt die tiefere Frequenz teilweise die höhere ab, so dass die Effizienz des Resonators auf der höheren Frequenz im Vergleich zum symmetrischen Resonator stark reduziert wird. Der Abschirmungseffekt steigt zunehmend mit steigender Anzahl an Stangen, während eine große Anzahl Stangen für eine gute Feldhomogenität unabdingbar ist.
Bei dieser zweiten Variante des doppelt abgestimmten Birdcage-Resonators mit zwei Untergittern werden die Ringelemente auf beiden Messfrequenzen genutzt, die Stangen allerdings jeweils nur bei einer. Dies führt zu Verlusten, da die ungenutzten Stangen dem HF-Feld „im Weg stehen” und fast keinen Netto-Strom auf Resonanz tragen.
Eine Unterklasse hierzu bilden Birdcage-Resonatoren, bei denen die auf der hohen Frequenz schwingenden Beine mittels Sperrfiltern vom Einfluss der tiefen Frequenz isoliert werden und somit die Effizienz auf der höheren Frequenz zu Lasten der Effizienz auf der tieferen Frequenz verbessert wird.
Eine dritte Variante eines doppelt abgestimmten Birdcage-Resonators wird unter Verwendung mehrerer Endringe aufgebaut, wie z. B. in Referenz [4] beschrieben. Es gibt hierbei Kombinationen aus Tiefpass und Hochpass Versionen, gemeinsam ist ihnen allerdings immer, dass die höhere Frequenz im Ringelement der tieferen Frequenz entweder mittels Schaltern oder Tiefpassfiltern gesperrt werden muss. Diese Filter oder Schalter erzeugen zusätzliche Verluste oder Rauschen, so dass die Effizienz insbesondere auf der höheren Frequenz reduziert wird. Durch die Mehrzahl an Ringen bedingt ist in der Regel das Feldprofil bei den unterschiedlichen Frequenzen nicht mehr identisch, was allerdings in der Praxis weniger kritisch ist. Als Feldprofil soll hier die Feldverteilung in der Messprobe als Funktion von z verstanden werden.
Bei Birdcage-Resonatoren mit mehreren Endringen sind beide Resonanzfrequenzen auf jeweils zwei entarteten Moden abstimmbar und dadurch in Quadratur nutzbar. Das Spektrum eines solchen Birdcage-Resonators hängt stark von der konkreten technischen Realisierung ab, so dass es hier nicht dargestellt wird.
Weiterhin ist ein Birdcage-Resonator gemäß der dritten Variante extrem komplex in der Herstellung, da die Sperrfilter identisch abgestimmt sein müssen, kein NMR-aktives Feld generieren dürfen (i. e. keine Feldkomponenten senkrecht zum statischen Magnetfeld B₀ im Messvolumen), keine Störung der Homogenität des statischen Magnetfeldes B₀ aufgrund ihrer magnetischen Suszeptibilität erzeugen dürfen und beim Tunen (d. h. beim Anpassen der Resonanzfrequenz des Resonators an die Larmorfrequenz des zu messenden Kernes im gegebenen statischen Magnetfeld B₀) und beim Ankoppeln des Resonators die Symmetrie nicht gebrochen werden darf. Aufgrund der Vielzahl technischer Schwierigkeiten hat sich dieses Konzept insbesondere in der NMR nicht durchsetzen können.
Aufgrund der Vielzahl verschiedener Realisierungsmöglichkeiten für derartige Birdcage-Resonatoren mit integrierten Filtern wird auf die Referenzen [1], [3], [4] verwiesen und diese hier nicht dargestellt oder detailliert erläutert.
US 2009/0 256 569 A1 offenbart eine Multifrequenz-Bildgebungs-(HF)-Spule, die bei drei oder mehr unterschiedlichen Frequenzen arbeiten kann, mit einer frequenzverschiebenden Schleifenstruktur, die in unmittelbarer Nähe zu der Spule angeordnet und schaltbar mit dieser gekoppelt ist, um unterschiedliche Frequenzen zu erzeugen, wenn die Schleifenstruktur mit der Hochfrequenzspule gekoppelt ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen HF-Resonator für einen Magnetresonanz Messkopf vorzuschlagen, der für das Senden und Empfangen auf zwei Messfrequenzen optimiert ist, wobei eine der Frequenzen deutlich höher als die zweite ist, insbesondere mehr als 7% Frequenzunterschied. Die Feldhomogenität und Effizienz soll bei beiden Frequenzen maximal ausfallen und die Feldprofile, insbesondere die Länge in z-Richtung und die Flankensteilheit (Abfall in z-Richtung am Rand des Feldprofils), nach Möglichkeit identisch ausgelegt sein.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen HF-Resonator gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist zum Senden und Empfangen von Signalen mit einer zweiten Messfrequenz zusätzlich zu den Elementen des Birdcage-Resonators mindestens zwei Paare von elektrisch leitenden Ringsegmenten vorgesehen. Die Ringsegmente eines Paares sind bzgl. der Z-Achse voneinander beabstandet und bilden eine zusätzliche elektrische Verbindung zwischen genau zwei der N Stangen. Für jedes Paar bilden die elektrisch leitenden Ringsegmenten mit den beiden Stangen einen Strompfad, wobei der Strompfad mindestens einmal kapazitiv unterbrochen ist. Die Ringsegmente und die mit den Ringsegmenten elektrisch verbundenen Stangen sind symmetrisch bezüglich der yz-Ebene angeordnet.
Mit dem erfindungsgemäßen Resonator wird für jede NMR-aktive Resonanzfrequenz lediglich ein einziger nicht entarteter linear polarisierter Mode erzeugt. Aufgrund einer symmetrischen Anordnung der Bauteile des erfindungsgemäßen HF-Resonators in Bezug auf die xz und yz Ebenen ist es möglich, zwei voneinander unabhängige Moden verschiedener Frequenz zu erzeugen. Die Symmetrie des erfindungsgemäßen HF-Resonators bezieht sich nicht zwingend auf die Kapazitätswerte der Kondensatoren, da man gewisse bautechnisch bedingte Asymmetrien mittels einer Asymmetrie der Kondensatorwerte korrigieren kann, so dass die HF-Felder wieder orthogonal werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kondensatoren jedoch auch bzgl. der Kapazitätswerte symmetrisch. Der durch den erfindungsgemäßen HF-Resonator erzeugte zweite Mode (mit zweiter Frequenz F₂) stellt keinen Birdcagemode dar, da der zweite Mode bei dem erfindungsgemäßen HF-Resonator im Gegensatz zum ersten Mode (Birdcagemode) auf Strompfaden schwingt, die jeweils nur zwei Stangenelemente (Elemente in axialer Richtung in Bezug auf die z-Achse) umfassen. Die Gegeninduktivität zwischen den Induktivitäten in diesen Strompfaden führt dazu, dass ein dipolarer Mode entsteht, bei dem alle Strompfade gleichphasig schwingen. Insbesondere haben Stangen, die nicht spiegelsymmetrisch zueinander in Bezug auf die elektrische Symmetrieebene (xz-Ebene) des Resonators im Betrieb auf der zweiten Frequenz positioniert sind lediglich galvanische oder kapazitive Verkopplung mittels Kondensatoren über die Ringelemente, nicht jedoch über Ringsegmente (parasitäre Kapazitäten bleiben unberücksichtigt).
Unter Ringsegmenten im Sinne der Erfindung sind elektrisch leitende Ringe oder Ringteile zu verstehen, die mit lediglich mit zwei Stangen des HF-Resonators direkt elektrisch verbunden sind. Diese zusätzliche elektrische Verbindung kann galvanisch erfolgen oder kapazitiv. Die zusätzliche Verbindung zwischen den beiden Stangen wird also lediglich durch das Ringsegmente-Paar gebildet. Die erfindungsgemäßen Ringsegmente bilden Paare, wobei die Ringsegmente eines Paares und die beiden mit diesen Ringsegmenten verbundenen Stangen einen Strompfad zur Erzeugung der zweiten Frequenz bilden. Wird der HF-Resonator auf der zweiten Frequenz betrieben, fließt der größte Teil des Stromes auf diesen (die Ringsegmente umfassenden) Strompfaden. Dabei muss entweder mindestens eines der Ringsegmente eines Paares kapazitiv unterbrochen sein oder mindestens eine der beiden Stangen mit den Ringsegmenten eine kapazitive Unterbrechung aufweisen, so dass der Strompfad zumindest einmal kapazitiv unterbrochen ist. Ringsegmente, Ringelemente und Stangen des erfindungsgemäßen HF-Resonators können also jeweils entweder nicht oder beliebig oft kapazitiv unterbrochen sein, solange jeder Strompfad mindesten einmal kapazitiv unterbrochen ist. Verschiedene Strompfade sind induktiv miteinander gekoppelt. Kurzschlüsse der Ringsegmente über die Ringelemente müssen vermieden werden, was durch entsprechende kapazitive Unterbrechungen der Ringelemente erreicht werden kann.
Durch die Wahl der Kapazitätswerte der kapazitiven Unterbrechungen der Ringsegmente bzw. der Stangen kann die gewünschte zweite Frequenz festgelegt werden. Durch die Wahl der Verhältnisse der Kondensatoren auf verschiedenen Ringsegmenten, die nicht mit denselben Stangen verbunden sind, d. h. verschiedenen Strompfaden zuzuordnen sind, kann zusätzlich noch die Stromverteilung über die verschiedenen Stangen, d. h. die erzeugte Feldhomogenität eingestellt werden. Sollten die Stangen kapazitive Unterbrechungen aufweisen gilt dies auch für die Wahl der Verhältnisse der Kapazitätswerte auf den Stangen.
Als Faustregel für die Einstellung der Resonanzfrequenz gilt: Wenn die zweite Frequenz tiefer sein soll als die erste Frequenz, so müssen die Kapazitätswerte der die Strompfade für die zweite Frequenz unterbrechenden Kondensatoren größer sein als die Kapazitätswerte der Kondensatoren auf den Ringelementen oder den Stangen, welche nicht mit den Ringsegmenten einen Strompfad für die zweite Frequenz bilden. Werden die Kapazitätswerte der den Strompfaden unterbrechenden Kondensatoren hingegen kleiner gewählt als die Kapazitätswerte der Kondensatoren, die nicht Teil eines Strompfads für die zweite Frequenz bilden, so ergibt sich eine zweite Frequenz, die höher ist als die erste Frequenz. Da bei detaillierter Betrachtung auch die Induktivitäten der Strompfade zu berücksichtigen sind, können Abweichungen von dieser Faustregel auftreten. In der Regel wird die zweite Frequenz tiefer als die erste Frequenz gewählt, da dann der Einfluss der beiden Frequenzen auf die jeweils andere minimal ist.
Es ist vorteilhaft, wenn die Ringsegmente mit Stangen verbunden sind, deren Potentialunterschied im Betrieb auf der ersten Frequenz möglichst klein ist. In einem spiegelsymmetrisch aufgebauten Birdcage-Resonator liegen je zwei Stangen auf demselben oder nahezu auf demselben Potential. Der Einfluss der Ringsegmente und eventueller zusätzlicher kapazitiver Unterbrechungen auf die erste Frequenz ist minimal, wenn Stangen desselben Potentials mittels eines Ringsegmentpaares verbunden werden, da dann beim Betrieb auf der ersten Frequenz in diesem hinzugefügten zusätzlichen Strompfad kein Potentialunterschied herrscht und damit auch keine Veränderung des Stromflusses beim Betrieb auf der ersten Frequenz auftritt. Hierdurch wird es im Gegensatz zum Stand der Technik ermöglicht, auf eine Sperrung der ersten Frequenz innerhalb des Strompfades der zweiten Frequenz zu verzichten und die zugehörigen resistiven Verluste aufgrund der Sperrfilter werden vermieden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Stangen eines Strompfads der zweiten Frequenz daher dasselbe Potential im Betrieb bei der ersten Frequenz auf.
Bei dem erfindungsgemäßen HF-Resonator schwingt die erste Frequenz auf allen N Stangen des HF-Resonators. Somit wird eine maximale Effizienz bzgl. der ersten Frequenz erreicht. Zusätzliche Verluste durch die Präsenz der Strompfade für die zweite Frequenz treten lediglich durch Feldverdrängung an Ringsegmenten auf, die dem erzeugten HF-Feld der ersten Frequenz eventuell im Wege stehen. Dadurch bleibt die Effizienz des HF-Resonators im Betrieb auf der ersten Frequenz fast unverändert in Bezug auf einen HF-Resonator ohne zusätzliche Strompfade für die zweite Frequenz.
Die Stangen des HF-Resonators sind vorzugsweise auf einer Zylindermantelfläche angeordnet. Die Z-Achse des Koordinatensystems ist dann gleich der Zylinderachse. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das zu messende Objekt zylinderförmig ist, da die stromtragenden Elemente dann möglichst nahe an das Messobjekt platziert werden können und die Effizienz des HF-Resonators möglichst hoch ausfällt.
Die Ringsegmente des erfindungsgemäßen Resonators sind symmetrisch bezüglich der yz-Ebene angeordnet. Das magnetische HF-Feld weist daher im Betrieb bei der zweiten Messfrequenz in der yz-Ebene nur tangentiale Komponenten auf. Im Betrieb des HF-Resonators mit der ersten Messfrequenz weist das magnetische HF-Feld in der xz-Ebene nur tangentiale Komponenten auf und steht daher orthogonal zum HF-Feld im Betrieb bei der zweiten Messfrequenz.
Ein Ringelement besteht entweder aus einem Ring oder aus zwei Teilringen, die nicht miteinander kapazitiv verbunden sind. Streukapazitäten, d. h. Kapazitäten, die nicht durch diskrete oder verteilte Kondensatoren bzw. diesen vergleichbaren Elementen entstehen, werden hierbei vernachlässigt). Streukapazitäten, sind i. d. R. mindestens eine Größenordnung kleiner sind als die kleinste Kapazität, mit der die Stangen und Ringsegmente kapazitiv unterbrochen sind.
Ringelemente sind vorzugsweise Leiterelemente in Form eines Kreisrings, eines regelmäßigen Polygonrings, eines Ellipsenrings oder Abschnitten davon und weisen einen beliebigen Querschnitt auf. Um die Elongation in der Z-Richtung zu minimieren ist ein quadratischer, kreis- oder ringförmiger Querschnitt von Vorteil. Um die Dimensionen in radialer Richtung zu begrenzen ist ein axial elongierter rechteckförmiger oder elliptischer Querschnitt vorzuziehen.
Auch hier können Streukapazitäten vernachlässigt werden, insbesondere da diese bedingt durch den symmetrischen Aufbau des Resonators im Betrieb nur geringe Auswirkungen auf die Stromverteilung auf den Strompfaden haben.
Jeder Ring bzw. Teilring eines Ringelements kann kapazitiv unterbrochen sein. „Kapazitive Unterbrechung” bedeutet, dass das unterbrochene Element physikalisch in zwei Teile geteilt ist, die jedoch kapazitiv miteinander gekoppelt sind, also einen Kondensator bilden. Ebenso können die Stangen und Ringsegmente kapazitiv unterbrochen sein. Eine Unterbrechung einer Stange direkt am Übergang zum Ringelement wird als Unterbrechung der Stange angesehen. Die Ausführung der kapazitiven Unterbrechungen kann entweder durch diskrete Kondensatoren oder verteilte kapazitive Elemente wie Fingerkondensatoren oder Plattenkondensatoren, bei denen die Platten Teile der Stangen oder Ringe bilden, erfolgen.
Anzahl der Stangen, Kondensatoren und Ringsegmente ist abhängig von der gewünschten Leistungsfähigkeit und den gewünschten Abmessungen und Komplexität des Aufbaus. Allgemein gilt: Eine höhere Anzahl an Stangen verbessern die Hσmogenität, eine höhere Anzahl an Kondensatoren reduziert die elektrischen Felder und erhöht die Durchschlagfestigkeit im Sendefall, insbesondere bei geschickter Positionierung der kapazitiven Unterbrechungen. Eine höhere Anzahl an Ringsegmenten, i. e. eine höhere Anzahl induktiv gekoppelter Strompfade für den Betrieb auf der zweiten Frequenz verbessert die Homogenität des Feldes und i. d. R. auch die Effizienz in dem Mode der zweiten Frequenz. Möglichst kleine radiale Dimensionen der Ringelemente und Ringsegmente erhöhen die Flankensteilheit und verbessern damit das Feldprofil. Je weniger Bauteile verwendet werden, desto Platz sparender und weniger komplex kann der Aufbau des Resonators gestaltet werden.
Wie bereits oben beschrieben, können die Ringelemente jeweils einen elektrisch leitenden Ring umfassen. In diesem Fall fließt jedoch ein Teil des Stromes durch die Ringelemente und deren kapazitive Unterbrechungen im Betrieb auf der zweiten Frequenz. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen HF-Resonators sieht daher vor, dass die Ringelemente unterbrochen sind und zwei Teilringe umfassen, die nicht kapazitiv miteinander verbunden sind, wobei jeder Teilring mit jeweils N/2 Stangen elektrisch verbunden ist.
Die nicht-kapazitiven Unterbrechungen kommen möglichst auf der magnetischen Symmetrieebene des Resonanzmodes der ersten Frequenz zu liegen, d. h. der xz-Ebene. Abweichend hiervon können die Unterbrechungen auch an einem beliebigen Ort zwischen den der xz-Ebene nächstgelegenen Stangen zu liegen kommen. Die nicht-kapazitiven Unterbrechung mindestens eines Ringelements kann dazu dienen, Kurzschlüsse der Ringsegmente über die Ringelemente zu vermeiden.
Die symmetrische Anordnung der Ringsegmente bezüglich der yz-Ebene, die senkrecht zur Symmetrieebene der Ringelemente (xz-Ebene) angeordnet ist, bewirkt dann, dass der Mode der zweiten Frequenz vom Mode der ersten Frequenz nicht beeinflusst wird. Aufgrund der Teilung der Ringelemente in Teilringe kann im Betrieb auf der zweiten Frequenz kein Strom mehr durch die Ringelemente über die xz-Ebene hinweg fließen. Die Teilringe eines Ringelements müssen zusammen keinen vollständigen Ring ergeben, d. h. der Öffnungswinkel der Teilringe (Winkel des Kreis/Ellipsen/Polygonsegments, das durch den Teilring eingeschlossen ist) ist i. d. R. < 180°.
Um die Resonanzfrequenzen der beiden Moden unabhängig voneinander einzustellen, residuelle Kopplungen zu minimieren und die Anzahl verbauter Elemente zu minimieren ist es vorteilhaft, wenn zumindest eines der Ringsegmente lediglich eine kapazitive Unterbrechung aufweist, die auf der yz-Ebene angeordnet ist.
Mehrere kapazitive Unterbrechungen symmetrisch zur yz-Ebene können ebenfalls vorgesehen werden. Dies erhöht zwar die Anzahl an Bauelementen, erniedrigt jedoch die Spannungen und stellt einen möglichen Anschlusspunkt auf dem Resonator zur Verfügung, der im Betrieb auf der zweiten Frequenz auf Nullpotential liegt.
Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen HF-Resonators ist zumindest ein Teil der Ringsegmente auf denselben axialen Positionen bzgl. der Z-Achse angeordnet wie die Ringelemente. Der radiale Abstand (Abstand zur Z-Achse) der Ringsegmente kann (muss aber nicht) sich vom radialen Abstand der Ringelemente unterscheiden. Bei gleicher axialer Position der Ringsegmente und Ringelemente sind die Feldprofile der beiden Resonanzmoden in z-Richtung besonders ähnlich.
Alternativ oder ergänzend kann zumindest ein Teil der Ringsegmente im selben radialen Abstand zur Z-Achse angeordnet sein wie die Ringelemente. Im Falle von elliptischen Ringelementen bedeutet „gleicher radialer Abstand, dass das Ringsegment die gleichen Halbachsen wie die Ringelemente aufweist. Im Falle von unterbrochenen Ringelementen können die Ringsegmente in den durch die Unterbrechung entstandenen Lücken platziert werden, so dass das Ringelement und die in den Lücken platzierten Ringsegmente sich zu einem Kreis/einer Ellipse usw. ergänzen. Bei gleicher radialer Position werden die radialen Abmessungen des Resonators möglichst klein und die Montage eines weiteren Resonators oder einer Sende/Empfangsspule konzentrisch um den erfindungsgemäßen Resonator herum wird vereinfacht.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Anzahl der Ringsegmente gleich der Anzahl N der Stangen ist. Jede Stange ist dann mit einer anderen Stange über genau zwei Ringelemente verbunden. In diesem Fall werden alle Stangen für beide Frequenzen genutzt. Somit wird eine maximale Effizienz auch bezüglich der zweiten Frequenz erreicht und es besteht die Möglichkeit die Feldhomogenität im Betrieb beider Resonanzmoden mit einer maximalen Anzahl von Freiheitsgraden einzustellen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Ringelement von einem Tuningkondensator kapazitiv unterbrochen, der in der yz-Ebene angeordnet ist. Mittels dieses Kondensators kann die zweite Resonanzfrequenz variiert werden.
Der Tuningkondensator kann auch über Zuleitungen außerhalb des Resonators geführt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind zwei spiegelsymmetrisch zu einander angeordnete Ringsegmente mittels eines Tuningkondensators so verbunden, dass die Verbindungspunkte auf den Schnittpunkten der Ringsegmente mit der yz-Ebene zu liegen kommen. Mittels dieses Tuningkondensators kann die erste Resonanzfrequenz verstimmt werden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist eines der Ringsegmente des Strompfads der zweiten Resonanzfrequenz nicht kapazitiv unterbrochen. Der Strompfad der zweiten Resonanzfrequenz hat dann also lediglich kapazitive Unterbrechungen auf einem der beiden zugehörigen Ringsegmente. Dadurch entsteht ein „DC-Strompfad” über den eine beliebige Anzahl weiterer Frequenzen unter Verwendung bekannter Methoden für Sattel- oder Solenoidspulen eingekoppelt werden können.
Der erfindungsgemäße HF-Resonator kann sowohl in der NMR-Spektroskopie als auch in der MR-Bildgebung Verwendung finden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Zeichnung und detaillierte Beschreibung der Erfindung
1a zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Tiefpass-Birdcage-Resonators mit acht Stangen, zwei Endringen und Kondensatoren am Übergang zwischen Stangen und Ringelementen gemäß dem Stand der Technik. Induktive Kopplungen zwischen Stangen- und Ringinduktivitäten sind nicht dargestellt.
1b zeigt ein Transmissionsspektrum eines symmetrischen 600 MHz (¹H) Tiefpass-Birdcage-Resonators mit acht Stangen gemäß 1a bei schwacher An- und Auskopplung mittels breitbandiger Koppelnetzwerke. Die Resonanz bei F₁ besteht aus zwei entarteten dipolaren Moden. Zur Erzeugung des Spektrums wurde mittels schwacher induktiver Kopplung so ein und ausgekoppelt, dass alle Moden des Resonators erfasst werden.
2a zeigt ein Transmissionsspektrum eines für ¹⁹F und ¹H doppelt abgestimmten Birdcage-Resonators gemäß dem Stand der Technik mit acht Stangen, bei dem die elektrische Symmetrie in Bezug auf den Resonator aus 1b gebrochen wurde. Die beiden Moden bei F₁ und F₂ sind orthogonale dipolare Moden.
2b zeigt ein Transmissionsspektrum eines für ¹³C und ¹H doppelt abgestimmten symmetrischen Birdcage-Resonators mit zwei Untergittern je vier Stangen. Die beiden Moden bei F₁ und F₂ sind jeweils zwei entartete dipolare Moden.
3a zeigt einen erfindungsgemäßen HF-Resonator mit acht Stangen, acht zusätzlichen Ringsegmenten, sechzehn zusätzlichen Kondensatoren. Die beiden Endringe wurden aufgebrochen, indem jeweils zwei Teile des Ringelementes pro Endring entfernt wurden.
3b zeigt ein Transmissionsspektrum des erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten HF-Resonators 3a für ¹H und ¹³C. Die Moden bei F₁ und F₂ sind zwei orthogonale dipolare Moden.
3c zeigt einen Vergleich der Transmissionsspektren aus 1b und 3b. Die ersten drei Moden des Birdcage-Resonators bleiben in ihrer Frequenz unbeeinflusst. Lediglich der höchste Mode wird zu höheren Frequenzen verschoben.
4a zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator. Beide Moden sind symmetrisch bezüglich der z-Achse ausgeführt, die in der Darstellung nach oben zeigt.
4b zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators mit einem DC-Strompfad für den zweiten Mode.
4c zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Bandpass-Birdcage-Resonator. Beide Moden sind symmetrisch bezüglich der z-Achse ausgeführt.
4d zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Hochpass-Birdcage-Resonator. Beide Moden sind symmetrisch bezüglich der z-Achse ausgeführt.
4e zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator mit sechs Stangen. Die Resonanz auf F2 ist in diesem Falle mit vier Ringsegmenten und vier Stangen realisiert.
5a zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator. Die Ringelemente des ersten Modes sind bei dieser Ausführungsform nicht unterbrochen.
5b zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator. Ein Tuningkondensator für den zweiten Resonanzmode stellt eine kapazitive Unterbrechung der Ringelemente des ersten Resonanzmodes dar.
5c zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator. Die Ansteuerung des zweiten Modes ist an Symmetriepunkten des ersten Modes angekoppelt und zwecks symmetrischer Ausführung mit zwei Koppelkondensatoren ausgeführt.
5d zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator mit integrierten DC-Strompfaden. Eine zusätzliche Frequenz ist über DC-Strompfade des zweiten Modes mittels eines Resonanzkreises eingekoppelt.
6a zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator mit einem Tuningkondensator zur Variation der ersten Resonanzfrequenz, der an den Symmetriepunkten des zweiten Resonanzmodes eingekoppelt ist.
6b zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator. Eine Ansteuerung des ersten Modes ist an den Symmetriepunkten auf einem der Ringsegmente des zweiten Modes angekoppelt.
6c zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator mit integrierten DC-Strompfaden. Eine zusätzliche Frequenz ist über DC-Strompfade des ersten Modes mittels eines Resonanzkreises eingekoppelt.
7 zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator. Die verschiedenen Kondensatoren weisen unterschiedliche Kapazitätswerte C_1a–C_1p bzw. C_2a–C_2h auf um bauliche Asymmetrien auszugleichen und gleichzeitig die Orthogonalität der beiden dipolaren Resonanzmoden zueinander zu wahren, sowie die Feldhomogenitäten bei beiden Frequenzen zu optimieren.
8a zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der Strompfade eines erfindungsgemäßen Resonators gemäß 4a, bei dem die Ringsegmente des zweiten Resonanzmodes axial auf derselben radialen Position wie die Ringelemente des ersten Resonanzmodes ausgebildet sind. Kondensatoren sind nicht eingezeichnet.
8b zeigt eine schematische perspektivische Darstellung der Strompfade eines erfindungsgemäßen Resonators gemäß 4a, bei dem die Ringsegmente des zweiten Resonanzmodes radial auf derselben axialen Position wie die Ringelemente des ersten Resonanzmodes ausgebildet sind. Kondensatoren sind nicht eingezeichnet.
9 zeigt die Amplitude der magnetischen Felder auf einem Radius von 2.2 mm in der xy-Ebene für die beiden NMR-Moden eines auf ¹H und ¹³C Frequenz abgestimmten erfindungsgemäßen Resonators. Die Feldamplituden sind für zwei Konfigurationen A und B und beide Resonanzfrequenzen dargestellt, wobei die Konfigurationen A und B sich in der Wahl der der Kapazitätswerte der Kondensatoren C_2a bis C_2f eines Resonators gemäß 7 unterscheiden.
10 zeigt eine schematische Abwicklungsdarstellung eines nicht erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators basierend auf einem Tiefpass-Birdcage-Resonator mit sechs Stangen. Die Resonanz auf F₂ ist in diesem Falle mit zwei Ringsegmenten und zwei Stangen realisiert.
Der erfindungsgemäße HF-Resonator kann als Hochpass-, Tiefpass- und Bandpass-Resonator ausgebildet sein, je nachdem ob die Kondensatoren die Ringelemente (Hochpass), Stangen (Tiefpass) oder beide (Bandpass) kapazitiv unterbrechen. Sämtliche gezeigte Variationen bezüglich Anzahl der Stangen, der zusätzlichen Kondensatoren, Symmetrie, Ausgestaltung der Ringelemente und Ringsegmente sind sowohl auf Hochpass-, Tiefpass- und Bandpass-Resonator anwendbar.
3a zeigt schematisch wie durch Modifikation des Birdcage-Resonators aus 1a ein erfindungsgemäß doppelt abgestimmter Resonator erzeugt werden kann. Durch Hinzufügen zusätzlicher oberer Ringsegmente 32a, unterer Ringsegmente 32b sowie weiterer Kondensatoren 31 wird die Entartung des für die erste Messfrequenz zu nutzenden Modes aufgehoben. Jeweils ein oberes Ringsegment 32a und ein unteres Ringsegment 32b bilden ein Ringsegment-Paar. Um einen auf beiden NMR-aktiven Resonanzmoden möglichst symmetrischen Resonator zu erhalten können sie symmetrisch bezüglich der xy-Ebene angeordnet sein. Jedes Ringsegment-Paar bildet einen Teil eines Strompfades des HF-Resonators und ist mit genau zwei Stangen 11 elektrisch leitend, verbunden.
Die in 3a gezeigte Ausführungsform des HF-Resonators weist Ringelemente 33 mit Unterbrechungen 30 in der yz-Ebene (magnetische Symmetrieebene des ersten Resonanzmodes F₁) auf. Jedes Ringelement 33 besteht aus 2 Teilringen, die jeweils mit vier der acht Stangen 11 verbunden sind. Die aufgebrochenen Ringelemente 33 stellen keine Ringsegmente im Sinne der Erfindung dar, da sie mit mehr als lediglich zwei Stangen 11 galvanisch verbunden sind. (Zur Veranschaulichung wurden in 3a die in Bezug auf 1a entfernten Teile der Ringelemente 33 mit gepunkteter Linie umrandet und schraffiert). Die Ringsegmente 32a, 32b und die zusätzlichen Kondensatoren 31 sind so platziert, dass sie symmetrisch zur magnetischen Symmetrieebene der ersten Frequenz F₁ (yz-Ebene) zu liegen kommen. Zwischen den Ringsegmenten 32a, 32b und den Ringelementen 12 besteht keine galvanische Verbindung.
Durch das Hinzufügen der zusätzlichen Kondensatoren 31 und der Ringsegmente 32a, 32b werden mindestens zwei orthogonal zueinander stehenden Symmetrieebenen des Resonators erhalten.
3b zeigt ein Transmissionsspektrum des erfindungsgemäßen Birdcage-Resonators aus 3a. Die Moden bei F₁ und F₂ sind zwei orthogonale dipolare Moden. Durch das symmetrische Platzieren der zusätzlichen Elemente (Ringsegmente 32a, 32b und die zusätzlichen Kondensatoren 31 bezüglich der magnetischen Symmetrieebene der ersten Frequenz F₁ (linearer Birdcagemode) wird diese nicht beeinflusst (siehe 3c). Lediglich der Oktupol-Mode (beim Tiefpass-Birdcage mit acht Stangen der höchste Mode) wird zu höheren Frequenzen verschoben (s. Pfeil in 3c).
Für den ersten Resonanzmode stellen die zusätzlichen Kondensatoren 31 und die Ringsegmente 32a, 32b lediglich eine kleine Perturbation dar, die insbesondere durch eventuell vorhandene Feldverdrängungseffekte der Ringsegmente 32a und 32b im Betrieb auf F₁ entstehen. Daher kann fast keine Einbuße in Güte und Effizienz auf der ersten Resonanzfrequenz in Bezug auf einen identisch ausgeführten linear polarisierten Birdcage-Resonator festgestellt werden.
Bei der zweiten Resonanzfrequenz F₂ kann ein Vergleich mit einem in linearer Polarisation auf F₂ betriebenen Birdcage-Resonator angestellt werden. Die Effizienz und Güte des erfindungsgemäßen Resonators differiert von einem solchen lediglich auf F₂ schwingenden Resonator lediglich durch i. d. R. etwas länger auszuführende Strompfade auf den Ringsegmenten 32a und 32b sowie Feldverdrängungseffekte durch die Präsenz der zusätzlichen Ringelemente. Die Differenz fällt insbesondere bei Resonatoren, deren Durchmesser kleiner als die Länge ist fast nicht ins Gewicht.
Im allgemeinen Fall kann der zweite Mode nicht nur wie in 3b dargestellt bei einer Frequenz F₂ < F₁ sondern auch bei einer Frequenz F₂ > F₁, d. h. höher als der lineare Birdcagemode zu liegen kommen. In der Praxis muss je nach Zielsetzung abgewogen werden, welche Variante gewählt wird. Bei einem Tiefpass Birdcage-Resonator kann es von Vorteil sein F₂ < F₁ zu wählen, da die nicht dipolaren Moden des Birdcage-Resonators in diesem Falle nicht in dasselbe Frequenzband wie die zusätzlichen Moden des erfindungsgemäßen Resonators fallen. Dadurch ist eine Entkopplung bei geometrischen und elektrischen Imperfektionen einfacher. Bei einem Hochpass-Birdcage-Resonator kann es dementsprechend die entgegengesetzte Situation von Vorteil sein.
4a–f, 5a–d und 6a–c zeigen schematisch verschiedene Varianten des erfindungsgemäßen doppelt abgestimmten Resonators in Abwicklungsdarstellung: Die in 4a gezeigte Ausführungsform ist äquivalent zu 3a. Sie zeichnet sich durch die höchste Symmetrie beider Moden aus. Allerdings sind die zusätzlichen Kondensatoren 44 des zusätzlichen Modes bei F₂ auf der yz-Ebene (= magnetischen Symmetrieebene des Birdcage Modes der Frequenz F₁) platziert und nicht wie die zusätzlichen Kondensatoren 31 in 3a doppelt ausgeführt. Um die gleichen Moden zu erzeugen, weisen bei sonst gleichen Parametern die zusätzlichen Kondensatoren 31 bei der in 3a gezeigten Ausführungsform den doppelten Kapazitätswert auf wie die zusätzlichen Kondensatoren 44 in 4a und sind spiegelsymmetrisch zur yz-Ebene platziert. Galvanische Verbindungen zwischen Elementen sind als Punkte gekennzeichnet.
Die in 4a gezeigte Ausführungsform weist zweigeteilte Ringelemente 33 auf, sowie Ringsegmente 40, die in der Konfiguration aus 4a durch die zusätzlichen Kondensatoren 44 unterbrochen sind. Jedes Ringsegment-Paar bildet mit zwei Stangen 11 einen grau markierten Strompfad 41.
Die gepunkteten Linien stellen die elektrische Symmetrieebene des Birdcagemodes bei F₁, die mit der xz-Ebene zusammenfällt, dar. Die strichpunktierten Linien stellen die magnetische Symmetrieebene, die mit der yz-Ebene zusammenfällt, dar. Die elektrische Symmetrieebene die mit der xy-Ebene zusammenfällt ist, in 4a nicht dargestellt.
Für den Resonanzmode bei F₂ fallen die elektrische Symmetrieebene mit der yz-Ebene und die magnetische Symmetrieebene mit der xz-Ebene zusammen und stehen damit orthogonal zu den Symmetrien des Birdcagemodes bei F₁. Aus der Orthogonalität der elektrischen und magnetischen Symmetrieebenen resultiert eine im Idealfall perfekte elektromagnetische Entkopplung der beiden Moden voneinander, d. h. die beiden Moden können vollständig unabhängig voneinander angeregt werden, sowie unabhängig voneinander in ihrer Resonanzfrequenz verstellt (getuned) werden.
Die Orthogonalität bedeutet auch, dass es für jeden Mode mindestens zwei Punkte 46 gibt, zwischen denen ein Mode im Betrieb eine hohe Potentialdifferenz aufweist, während der andere Mode keine Potentialdifferenz zeigt. Solche Punkte liegen an Schnittpunkten der Struktur mit der magnetischen Symmetrieebene des einen und der elektrischen Symmetrieebene des anderen Modes. Diese Punkte können für die selektive Ein- bzw. Auskopplung eines Resonanzmodes genutzt werden, ohne dass der zweite Mode von diesem Anschluss beeinflusst würde.
Eine geometrische und elektrische Symmetrie des Resonators in Bezug auf die xy-Ebene ist unter bestimmten Bedingungen wünschenswert, jedoch für die Funktionalität des Resonators nicht notwendig. Die zusätzliche Symmetrie führt zu symmetrischeren elektrischen und magnetischen Feldern im Betrieb und verbessert damit i. d. R. die Performance des erfindungsgemäßen Resonators, indem Empfangsempfindlichkeit erhöht und Verluste in den Messproben im Betrieb reduziert werden. Außer für den Fall induktiver Ankopplungen wird i. d. R. die Symmetrie in Bezug auf die xy-Ebene durch Zuleitungen verletzt werden.
In 4b ist bei der zweiten Frequenz F₂ eine elektrische Symmetrie in Bezug auf die xy-Ebene gebrochen. Während die Strompfade 41 in der in 4a gezeigten Ausführungsform jeweils zweimal kapazitiv unterbrochen sind, umfasst die in 4b gezeigte Ausführungsform Strompfade 42, die durch zusätzliche Kondensatoren 45 jeweils nur einmal kapazitiv unterbrochen sind und grau markierte DC-Strompfade bilden. In dieser Variante kann das Abstimmen von F₂ einfacher erfolgen, da die zusätzlichen Kondensatoren 45 niedrigere Kapazitätswerte aufweisen müssen, verglichen mit den Kondensatoren 44 aus 4a. Falls es dennoch nicht möglich ist, Kondensatoren mit ausreichend großen Kapazitätswerten herzustellen, die die Anforderungen für den Einbau in den HF-Resonator erfüllen, können diese in der in 4b gezeigten Ausführungsform besonders einfach mittels verlängerter Zuleitungen etwas außerhalb des HF-Resonators montiert werden, da in jedem Strompfad lediglich ein einziger Kondensator eingebunden ist.
In 4c ist eine Bandpass-Variante des erfindungsgemäßen HF-Resonators gezeigt mit zweigeteilten Ringelementen 47, wobei die Teilringe durch Kondensatoren 48 kapazitiv unterbrochen sind. In dieser Variante sind die Ringsegmente nicht kapazitiv unterbrochen und bilden eine direkte galvanische Verbindung zwischen jeweils zwei Stangen 11. Die Strompfades der zweiten Resonanzfrequenz werden hier mittels der Kondensatoren 13 auf den Stangen 11 auf Resonanz eingestellt.
4d zeigt eine Hochpass-Variante des erfindungsgemäßen HF-Resonators und mit kapazitiv unterbrochenen Ringelementen 47 und kann mit allen zuvor beschriebenen Variationen der Erfindung in Bezug auf die Strompfade für die Resonanz bei F₂ kombiniert werden.
4e zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen HF-Resonators mit sechs Stangen 11, einteiligen Ringelementen 12 und Ringsegmenten 40, die zweifach kapazitiv unterbrochen sind. Zur Erzeugung der zweiten Frequenz werden hier nur vier der sechs Stangen 11 verwendet.
Erfindungsgemäß können vier bis N zusätzliche Ringsegmente eingefügt werden. Um die Symmetrie des Birdcagemodes des erfindungsgemäßen HF-Resonators wenig zu beeinflussen, empfiehlt es sich, bei Verwendung von lediglich zwei zusätzlichen Ringsegmenten einen Resonator mit N = 4i + 2 Stangen einzusetzen und zwei einander gegenüberliegenden Stangen mit diesen Ringsegmenten elektrisch zu verbinden. 10 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform mit 6 Stangen und lediglich zwei Ringsegmenten 43 mit einem Öffnungswinkel von 360° (geschlossene Ringe). Sie werden gemäß Definition im Rahmen dieser Erfindung dennoch nicht als Ringelemente sondern als Ringsegmente verstanden, da sie lediglich galvanische Verbindungen mit zwei Stangen aufweisen, während Ringelemente galvanische Verbindungen mit allen N Stangen aufweisen (d. h. ein Ringelement ist entweder einteilig ausgestaltet und mit allen N Stangen galvanisch verbunden, oder zweiteilig in Form von Teilringen ausgestaltet, wobei jeder Teilring mit N/2 Stangen verbunden ist, so dass das zweiteilige Ringelement insgesamt mit allen N Stangen galvanisch verbunden ist)). Die Ausführungsform der 10 könnte auch mit zwei Ringsegmenten mit Öffnungswinkel 180° ausgeführt werden, was allerdings in der Praxis die Entkopplung der beiden dipolaren Moden des erfindungsgemäßen HF-Resonators aufgrund induktiver Kopplungen zwischen den asymmetrischen Ringsegmenten und den symmetrischen Ringelementen erschwert.
Aufgrund der höheren Homogenität des erzeugten Feldes und höheren Effizienz auf F₂ ist die Ausführungsform der Variante 4e, die vier Stangen 11 und vier Ringsegmente 32 verwendet in der Regel der Variante aus 4f vorzuziehen, bei der lediglich zwei Ringsegmente 43 und zwei Stangen 11 für den zweiten Resonanzmode auf F₂ eingesetzt werden.
Eine eventuell vorhandene Rotationssymmetrie des Birdcage-Resonators kann, muss aber nicht gebrochen werden, indem z. B. die Ringelemente aufgeschnitten werden. 5a zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen doppeltresonanten HF-Resonators aus 4a in einer Variante, bei der die Ringelemente 12 nicht unterbrochen wurden. Bei geschlossenen Ringelementen 12 werden die Kondensatoren 13 des Birdcage-Resonators parallel zu den zusätzlichen Kondensatoren 44 in den Ringsegmenten 40 verschaltet. Ein Aufschneiden der Ringelemente in zwei Teilringe vereinfacht jedoch eventuell den Aufbau, indem das Einstellen der Resonanzfrequenz und Feldhomogenität bei der Frequenz F₂ unabhängig von den Kondensatoren. Weiterhin kann ein Tuningkondensator 52, mit dem die Resonanzfrequenz des zweiten Modes bei F₂ verändert werden kann, in den Ring eingesetzt werden (5b) oder mittels Zuleitungen mit den Enden der Teilringe verbunden werden.
Die zweite Frequenz F₂ kann auf der elektrischen Symmetrieebene (xz-Ebene) des Resonanzmodes bei der ersten Frequenz F₁ (Null-Potential-Punkte im Betrieb auf F₁) eingekoppelt werden. Dies wird vorzugsweise symmetrisch ausgeführt und kann wie in 5c gezeigt kapazitiv mittels einer Ansteuerung 54 erfolgen, die an Symmetriepunkten 46 des ersten Modes angekoppelt und zwecks symmetrischer Ausführung mit zwei Koppelkondensatoren 53 ausgeführt ist. Um eine symmetrische Ansteuerung zu erreichen, können alle im Stand der Technik bekannten Schaltungen (wie z. B. Koaxial oder Balun-Transformer) eingesetzt werden. Prinzipiell erscheint es jedoch präferabel, beide Frequenzen induktiv einzukoppeln, da dies die einfachste Ausführungsform einer Ankopplung darstellt, bei der die Symmetrie des HF-Resonators am wenigsten beeinflusst wird und der HF-Resonator an keinem Punkt geerdet werden muss. D. h. der HF-Resonator kann „floating” angesteuert werden.
5d zeigt eine Ausführungsform wie in 4b, bei der jedoch eine dritte Messfrequenz F₃ auf den DC-Strompfad 42 in der Spule eingekoppelt werden kann, und kann mit allen im Stand der Technik bekannten Methoden für die Erzeugung von HF-Feldern mittels Sattel- oder Solenoidspulen herangezogen werden. Prinzipiell ist es aufgrund der besseren Homogenität des erzeugten HF-Feldes wünschenswert, diese Einkopplung für alle vier DC-Strompfade 42 durchzuführen. Dies wurde aus Gründen der Vereinfachung hier nicht dargestellt. Der DC-Strompfad verhält sich wie eine Ein-Windungs-Spule; daher kann jede Variante zur Abstimmung, einer, zweier, oder mehrerer Resonanzfrequenzen gemäß des Standes der Technik in Kombination mit einem erfindungsgemäßen Resonator Verwendung finden. Ein Beispiel zum Abstimmen auf zwei Resonanzfrequenzen ist eine Konfiguration mittels eines Sperrfilters: Ein parallel zum Kondensator 45 des Ringsegments 40 geschalteter Resonanzkreis 57 dient in dieser Beschaltung zum Sperren der Frequenz F₂ des Resonators. wodurch eine dritte Frequenz bei F₃ < F₂ verschaltet werden kann. Weitere Ausführungsformen beinhalten neben den Shuntkonfigurationen auch Schalter, multiple Pole, gekoppelte Resonanzkreise etc. wie z. B. in Kapitel 6 der Referenz [1] erläutert.
Es können auch unterschiedliche Frequenzen auf den verschiedenen DC-Strompfaden eingekoppelt werden. In diesem Falle müssen jedoch in der Regel die jeweils höheren Frequenzen alle gesperrt werden, um eine Abschirmung des Feldes durch den Resonanzkreis der tieferen Frequenzen zu vermeiden.
Weitere Konfigurationen zum Abstimmen von mehr als zwei Resonanzfrequenzen beinhalten die Kopplung mit zusätzlichen Spulen oder Resonatoren, die z. B. konzentrisch außerhalb oder innerhalb des erfindungsgemäßen Resonators angeordnet werden können.
Ein Tuning der Frequenz F₁ kann durch einen oder mehrere Kondensatoren erfolgen, die auf der elektrischen Symmetrieebene (xz-Ebene) (Null-Potential-Punkte) der Frequenz F₂ eingekoppelt werden, wie z. B. in 6a dargestellt. Je ein Tuningkondensator 61 für den Mode F₁ ist an Symmetriepunkten 63 auf jeweils einem unteren Ringsegment 32b des Modes bei F₂ angeschlossen. Um die Ankopplung am Symmetriepunkt 63 zu ermöglichen wurden Kondensatoren im unteren Bereich des HF-Resonators doppelt und in Serie ausgeführt. Jeweils zwei Strompfade 41 sind mit einem Tuningkondensator 61 verbunden, der idealerweise auf der xz-Ebene angeordnet ist. Da die durch den Tuningkondensator verbundenen Punkte bei Betrieb auf der zweiten Frequenz F₂ keine Potentialdifferenz aufweisen, ist eine Variation der ersten Frequenz F₁ unabhängig von der zweiten Frequenz F₂ möglich. In 6a ist ein Tuning dargestellt, das die Stromverteilung auf den Stangen beim Tuning nicht beeinflusst, wenn die beiden Tuningkondensatoren 61 mit variablen Kapazitäten zusammen verstellt werden. Die Kapazitätsbereiche der Tuningkondensatoren 61 müssen hierzu der geometrischen Konfiguration und den verwendeten Kondensatorwerten im Resonator angepasst werden und können unterschiedlich ausfallen. Um auch die Symmetrie in der z-Richtung nicht zu beeinflussen und eine symmetrische Potentialverteilung in Bezug auf die xy-Ebene zu erhalten, können an den oberen Ringsegmenten 32a zwei weitere Kondensatoren variabler Kapazität angebracht werden. Da eine Variation der Resonanzfrequenz in der Regel jedoch lediglich zur Kompensation der Resonanzverschiebung beim Einführen des Messobjektes in den Resonator genutzt wird und somit eine kleine Perturbation des Resonators darstellt ist in der Praxis der Aufwand für die Verdopplung der Tuningkondensatoren nur dann gerechtfertigt wenn ein weiter Tuningbereich angestrebt wird. Dieser könnte z. B. das Verstellen der Resonanzfrequenz des Birdcagemodes von ¹H bis ¹⁹F sein.
In 6b wird gezeigt, dass dieselben Symmetriepunkte 63, an denen das Tuning der ersten Frequenz F₁ angeschlossen werden kann auch zum Einkoppeln, d. h. Anregen und Auslesen des Signals auf der Frequenz F₁ dienen können. Dazu ist eine Ansteuerung 62 des ersten Modes an den Symmetriepunkten 63 auf einem der Ringsegmente des zweiten Modes angekoppelt. Allerdings erscheint auch für diese Messfrequenz eine induktive Einkopplung am sinnvollsten, da sie die Symmetrie der Spule am wenigsten beeinflusst und auf Masseverbindungen bzw. auf differentielle Ansteuerungsglieder eventuell verzichtet werden kann.
6c zeigt eine Variante der Spule, bei der eine dritte Frequenz F₃ auf einen DC-Strompfad der ersten Frequenz F₁ äquivalent zur Ausführungsform in 5d für die Strompfade der zweiten Frequenz eingekoppelt wurde. Auch hier dienen Resonanzkreise 64 zum Sperren der Frequenz F₁ und ist zwischen zwei Ringsegmenten angeordnet. Während bei dem in 5d und 6c gezeigten Beispiel für die Erzeugung der ersten beiden Frequenzen F₁ und F₂ alle acht Stangen verwendet werden, dienen zur Erzeugung von F₃ lediglich 4 Stangen, nämlich diejenigen, die einen Strompfad mit den Ringsegmenten bilden, die mit den Resonanzkreisen 64 verbunden sind.
Kombiniert man die in 5d mit der in 6c gezeigten Ausführungsform erhält man einen HF-Resonator, der auf vier Frequenzen abstimmbar ist.
Ein großer Vorzug des erfindungsgemäß doppelt abgestimmten Resonators ist es, dass die Feldhomogenitäten in ϕ, wobei ϕ, der Azimutwinkel in xy-Ebene ist, d. h. die Stromverteilungen über die Stangen, für beide Moden vollständig unabhängig voneinander eingestellt werden können, indem die Kapazitäten der entsprechenden Kondensatoren und/oder Positionen der Stangen angepasst werden. Die Kapazitätswerte der Kondensatoren des Birdcage-Resonators C_1a bis C_1p in 7 können, müssen aber nicht alle identisch sein. Bei einer symmetrischen Konfiguration werden in der Regel die Kapazitätswerte C_1a, C_1d, C_1e, C_1h, C_1i, C_1l, C_1m und C_1p weitestgehend identisch ausfallen (Symmetrie bzgl. xy-, xz- und yz-Ebene), dasselbe gilt für C_1b, C_1c, C_1f, C_1g, C_1j, C_1k, C_1n und V_1o. Bei einer bzgl. der xy-Ebene asymmetrischen Einkopplung des Tunings bzw. der Ankopplung wie z. B. in 6a und 6b werden sich die Kapazitätswerte C_1e, C_1d, C_1e und C_1h von denen C_1i, C_1f, C_1m und C_1p leicht unterscheiden, um die elektrische Symmetrie im Betrieb aufrechterhalten zu können. Im allgemeinen Fall können aber auch alle Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten ausgeführt werden, wenn z. B. die Symmetrie des Resonators durch Anschlussbeine oder Kopplungen zu asymmetrischen weiteren Resonatoren nicht mehr gewahrt ist oder eine fertigungstechnisch bedingte Abweichung der Symmetrie korrigiert werden soll. Ziel ist es, stets eine Symmetrie des elektrischen Feldes bzgl. xy-, xz- und yz-Ebene zu gewährleisten.
Für den zweiten dipolaren Mode werden in der Regel die Kapazitätswerte C_2a, C_2d, C_2e und C_2h, unterschiedlich von C_2b, C_2c, C_2e und C_2f ausfallen, da die Ringsegmente, die über diese Kondensatoren die entsprechenden Stangen verbinden aufgrund ihrer verschiedenen Längen unterschiedliche Induktivitäten aufweisen. Dadurch bedingt verteilen sich die Ströme nicht näherungsweise sinusförmig über den Resonator, was einfach durch das Erhöhen der Kapazitätswerte C_2a, C_2d, C_2e und C_2h gelöst werden kann. Die Kapazitäten der zusätzlichen Kondensatoren werden also so gewählt, dass sich die Ströme näherungsweise sinusförmig über den Resonator verteilen.
Durch Variation der Stangenpositionen kann die Effizienz und/oder Homogenität des eines Modes zu Lasten eines anderen Modes optimiert werden. Bei Variation der Stangenpositionen können wie oben erläutert die Feldhomogenitäten im Rahmen des Möglichen durch Korrekturen der Kapazitätswerte C_1a bis C_1p und C_2a bis C_2h angepasst werden.
Ein besonders großer Vorzug des erfindungsgemäßen mehrfach abgestimmten HF-Resonators ist es, dass durch die Variation der Kapazitätswerte und/oder Positionen der Stangen die Feldhomogenitäten der beiden Moden in 4 unabhängig optimiert und weitestgehend identisch eingestellt werden können, was z. B. bei Polarisations-Transfer-Experimenten die Effizienz des Magnetisierungstransfers erhöht. Während die Positionen der Stangen sich auf die Feldhomogenitäten der beiden Resonanzmoden (und eventuell gemäß 5d oder 6c zusätzlich eingekoppelter Resonanzen) auswirken, beeinflusst die Variation der Kapazitätswerte C_1a bis C_1p und C_2a bis C_2h jeweils nur einen Mode. Eine Ausnahme bilden Konfigurationen bei denen die Ringelemente nicht unterbrochen sind wie z. B. in 4e, f und 5a, b, bei denen die Kondensatoren 13 des Birdcage-Resonators parallel zu den zusätzlichen Kondensatoren 44 und Ringsegmenten 40 verschaltet sind sowie Konfigurationen wie 4c, bei denen die Kondensatoren zur Abstimmung der zweiten Frequenz auf den Stangen zu liegen kommen und somit auch im Strompfad der ersten Frequenz liegen.
9 zeigt ein Beispiel der Verteilung des magnetischen Feldes auf einem Radius von 2.2 mm in der xy-Ebene für die Amplitude der magnetischen Felder der auf den beiden dipolaren Moden für zwei Konfigurationen eines auf ¹H und ¹³C Frequenz abgestimmten erfindungsgemäßen Resonators mit acht rotationssymmetrisch positionierten Stangen. Der Unterschied zwischen den Konfigurationen A und B besteht in der Variation der Kapazitätswerte der Kondensatoren C_2a bis C_2f, mittels derer die Feldhomogenität auf der ¹³C-Frequenz verbessert werden konnte. Ein Einfluss auf die Feldverteilung des ¹H Modes ist hierbei nicht erkennbar.
Der erfindungsgemäße HF-Resonator kann so ausgeführt werden, dass neben der Feldhomogenität in ϕ auch das Feldprofil in der z-Richtung für beide Moden weitestgehend deckungsgleich ist. Die Positionierung der Ringsegmente 32a, 32b des zweiten Modes auf F₂ erlaubt einen gewissen Spielraum für die Anpassung der Profile. Diese können einerseits auf demselben Durchmesser wie die Ringelemente 33 des ersten Modes auf F₁ platziert werden, was allerdings bedingt, dass zumindest ein Teil der Ringsegmente 32a, 32b in z-Richtung bezüglich der Ringelemente 33 verschoben sein muss, wie in 8a schematisch dargestellt.
Alternativ können die Ringsegmente 32a, 32b in derselben Position in z, aber auf verschiedenen Durchmessern positioniert werden (8b). Eine Kombination aus beiden Varianten ist ebenfalls möglich. Insbesondere im Falle eines aufgebrochenen Ringelementes 33 des Birdcage-Resonators bietet es sich an die entstandene Lücke durch eines der Ringsegmente des zweiten Resonanzmodes auszunutzen.
Bei dem erfindungsgemäßen HF-Resonator wird eine zweite Messfrequenz F₂ auf einen Birdcage-Resonator mit N Stangen hinzugefügt, indem mindestens zwei zusätzliche Ringsegmente montiert werden. Weitere Frequenzen können auf beiden Resonanzpfaden eingekoppelt werden. Der erfindungsgemäße zwei- oder mehrfach abgestimmte HF-Resonator löst das Problem unzureichender radialer Feldhomogenität und schlechter Effizienz, das bspw. bekannte Resonatoren mit Untergittern aufweisen. Er ist einfach im Aufbau und vermeidet die Notwendigkeit dieses Resonatortyps beide Frequenzen F₁ und F₂ in Quadratur betreiben zu müssen bzw. die Anzahl der Stangen stark zu erhöhen (zu verdoppeln), was die Effizienz zumindest bei F₁ massiv senken würde. Der Quadraturbetrieb stellt, insbesondere für Multipel-Resonanz-Probenköpfen wie sie in der NMR üblich sind (3–5 Messfrequenzen), ein großes Problem dar, da zusätzliche Frequenzen eingekoppelt werden müssen, wodurch sich in der Regel die Entartungen der Birdcage-Moden heben, was nur mit großem Aufwand und i. d. R. unter Verlusten auf allen Messfrequenzen korrigiert werden kann.
Gegenüber einer Birdcage-Geometrie mit Filtern und verdoppelter Anzahl von Endringen aus dem Stand der Technik ist die Konzeption des erfindungsgemäßen Resonators extrem vereinfacht. Ein Abstimmen beider Frequenzen ist vollständig unabhängig möglich. Es muss keine Vielzahl von Sperrfiltern abgestimmt werden und Probleme der Asymmetrie der Sperrfilter beim Tunen und Ankoppeln des Birdcage-Resonators mit mehreren Endringen treten nicht auf. Es treten keine zusätzlichen Verluste durch Sperrfilter auf, die die Effizienz des Resonators auf beiden Moden senken. Verglichen mit den aus dem Stand der Technik bekannten mehrfach abgestimmten HF-Resonatoren ist der erfindungsgemäße Resonator daher einfacher in der Herstellung und weist eine bessere Funktionalität auf.
Bezugszeichenliste

F₁: Frequenz des Birdcage-Modes (erste Frequenz)
F₂: Frequenz des zusätzlichen Modes der Strompfade (zweite Frequenz)
F₃: Frequenz einer weiteren Resonanz der Strompfade (dritte Frequenz)
C₁–C₈: Kapazitäten der Kondensatoren 13
11: Stangen (induktiv)
12: einteilige Ringelemente (induktiv)
13: Kondensatoren, welche die Stangen des Birdcage-Resonators kapazitiv unterbrechen
14: entarteter Mode mit Frequenz F₁
30: Unterbrechungen der Ringelemente
31: zusätzliche Kondensatoren (= Kondensatoren in den Strompfaden zur Erzeugung der zweiten Frequenz)
32a: obere Ringsegmente
32b: untere Ringsegmente
33: zweigeteilte Ringelemente
40: Ringsegmente
41: mehrfach kapazitiv unterbrochener Strompfad zur Erzeugung der zwei
ten: Frequenz (schraffiert hinterlegt)
42: einfach kapazitiv unterbrochener DC-Strompfad zur Erzeugung der zweiten Frequenz (schraffiert hinterlegt)
43: Ringsegmente mit Öffnungswinkel 360°
44, 45: zusätzliche Kondensatoren (= Kondensatoren in den Strompfaden zur Erzeugung der zweiten Frequenz)
46: Symmetriepunkte des ersten Modes (= Schnittpunkt eines Ringelements mit xz-Ebene)
47: zweigeteilte und kapazitiv unterbrochene Ringelemente
48: Kondensatoren, welche die Ringelemente des Birdcage-Resonators kapazitiv unterbrechen
52: Tuningkondensator zweite Frequenz
53: Koppelkondensator (Matchingkondensator) zur kapazitiven Ankopplung der Ansteuerung der zweiten Frequenz
54: Ansteuerung der zweiten Frequenz
57: Resonanzkreis zum Sperren der zweiten Frequenz F₂
61: Tuningkondensator für erste Frequenz F₁
62: Ansteuerung für erste Frequenz F₁
63: Symmetriepunkt des zweiten Modes (= Schnittpunkt eines Ringsegments mit yz-Ebene)
64: Netzwerk zur Einkopplung zusätzlicher Frequenzen (Resonanzkreis)

Referenzliste

[1] Mihaela Lupu, Andre Briguet, Joel Mispelter, NMR Probeheads: For Biophysical and Biomedical Experiments, Imperial College; 1 edition (May 5, 2006), ISBN: 1860946372
[2] US 4 680 548 A
[3] US 4 916 418 A
[4] US 6 100 694 A

Claims

HF-Resonator für eine NMR-Apparatur, wobei der HF-Resonator einen Birdcage-Resonator zum Senden und/oder Empfangen von Signalen mit einer ersten Messfrequenz (F₁) umfasst, wobei der HF-Resonator symmetrisch bezügliche einer xz-Ebene und einer yz-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems mit einer Z-Achse ist, wobei der Birdcage-Resonator mindestens zwei elektrisch leitenden Ringelementen (12, 33, 47), die koaxial um die Z-Achse angeordnet und voneinander beabstandet sind, und N elektrisch leitende Stangen (11) umfasst, die parallel zur Z-Achse angeordnet sind, mit N > 4 und gerade, wobei jedes Ringelement (12, 33, 47) mit allen N Stangen (11) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Senden und Empfangen von Signalen mit einer zweiten Messfrequenz (F₂) zusätzlich mindestens zwei Paare von elektrisch leitenden Ringsegmenten (32a, 32b, 40, 43) vorgesehen sind, dass die Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) eines Paares bzgl. der Z-Achse voneinander beabstandet sind und dass jedes Ringsegment (32a, 32b, 40, 43) mit lediglich zwei Stangen des HF-Resonators galvanisch verbunden ist, so dass jedes Paar von elektrisch leitenden Ringsegmenten (32a, 32b, 40, 43) eine zusätzliche elektrische Verbindung zwischen genau zwei Stangen (11) bildet, wobei für jedes Paar die elektrisch leitenden Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) mit den beiden Stangen (11) einen Strompfad (41, 42) bilden, wobei der Strompfad (41, 42) mindestens einmal kapazitiv unterbrochen ist, und dass die Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) und die mit den Ringsegmenten (32a, 32b, 40, 43) elektrisch verbundenen Stangen (11) symmetrisch bezüglich der yz-Ebene angeordnet sind.
HF-Resonator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (33, 47) unterbrochen ist und zwei Teilringe umfasst, die nicht kapazitiv miteinander verbunden sind, wobei jeder Teilring mit jeweils N/2 Stangen (11) elektrisch verbunden ist.
HF-Resonator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) mindestens eine kapazitive Unterbrechung aufweist, die symmetrisch zur yz-Ebene angeordnet ist.
HF-Resonator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) auf denselben axialen Positionen bzgl. der Z-Achse angeordnet sind wie die Ringelemente (12, 33, 47).
HF-Resonator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Ringsegmente (32a, 32b, 40, 43) im selben radialen Abstand zur Z-Achse angeordnet sind wie die Ringelemente (12, 33, 47).
HF-Resonator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Ringsegmente (32a, 32b, 40) gleich der Anzahl N der Stangen (11) ist.
HF-Resonator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Ringelement (12, 33, 47) von einem Tuningkondensator (52) kapazitiv unterbrochen ist, der in der yz-Ebene angeordnet ist
HF-Resonator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ringsegment des Strompfads (42) der zweiten Resonanzfrequenz (F₂) nicht kapazitiv unterbrochen ist.