DE10316557B4

DE10316557B4 - Antennenelement für Magnetresonanzanwendungen und Antennenanordnung mit mehreren derartigen Antennenelementen

Info

Publication number: DE10316557B4
Application number: DE10316557A
Authority: DE
Inventors: Helmut Greim
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-04-10
Filing date: 2003-04-10
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2023-04-11
Also published as: DE10316557A1; US20040257073A1; US7268550B2

Abstract

Antennenelement für Magnetresonanzanwendungen mit einem sich entlang einer Abschnittsachse (9) erstreckenden ersten Teilabschnitt (10), dem ein erster Hilfskreis (11) nebengeordnet ist,
– wobei der erste Hilfskreis (11) einen Ankoppelabschnitt (12) und einen Hilfskreisabschnitt (13) aufweist,
– wobei der erste Hilfskreis (11) über den Ankoppelabschnitt (12) induktiv an den ersten Teilabschnitt (10) angekoppelt ist und der Hilfskreisabschnitt (13) in einem Abstand (a) zur Abschnittsachse (9) parallel zum ersten Teilabschnitt (10) verläuft,
– wobei der erste Hilfskreis (11) ansteuerbare Abstimmelemente (14, 15) aufweist und
– wobei je nach Ansteuerungszustand der Abstimmelemente (14, 15) ein im ersten Teilabschnitt (10) fließender hochfrequenter Anregungsstrom (I) im Hilfskreisabschnitt (13) einen gegenüber dem Anregungsstrom (I) voreilenden, einen gegenüber dem Anregungsstrom (I) nacheilenden oder keinen Hilfsstrom (i) hervorruft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antennenelement für Magnetresonanzanwendungen mit einem sich entlang einer Abschnittsachse erstreckenden Teilabschnitt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Antennenanordnung für Magnetresonanzanwendungen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden derartigen Antennenelementen.
Antennenelemente für Magnetresonanzanwendungen und korrespondierende Antennenanordnungen sind allgemein bekannt. Insbesondere können die Antennenelemente beispielsweise als Antennenstäbe eines Birdcage-Resonators oder als axial verlaufende Teile einer Sattelspule ausgebildet sein.
Bei Magnetresonanzanwendungen werden Hochfrequenzspulen (Resonatoren) für die Anregung und den Empfang hochfrequenter magnetischer Wechselfelder eingesetzt. Für die Bildgebung wird dabei außer einem homogenen statischen Magnetfeld auch ein möglichst homogenes Hochfrequenzfeld benötigt. Beispielsweise besitzen zylinderförmige Hochfrequenzspulen (Birdcage-Resonatoren, Sattelspulen, ...) ein sehr homogenes Hochfrequenzprofil.
Aus der US 2002/0145427 A1 ist eine Antennenanordnung für Magnetresonanzanwendungen bekannt, die als Birdcage-Resonator ausgebildet ist und daher mehrere Antennenelemente aufweist, wobei jedes Antennenelement sich entlang einer Abschnittsachse erstreckt. Der Antennenanordnung ist eine Hilfsspule zugeordnet, die mit der Antennenanordnung induktiv koppelt. Die Hilfsspule ist über eine PIN-Diode an die Antennenanordnung anschaltbar bzw. von ihr trennbar. Wenn die Hilfsspule an die Antennenanordnung angeschaltet ist, verstimmt sie die Antennenanordnung.
Auch aus der EP 0 290 187 A2 ist eine Antennenanordnung für Magnetresonanzanwendungen bekannt, die als Birdcage-Resonator ausgebildet ist und daher mehrere Antennenelemente aufweist, wobei sich jedes Antennenelement entlang einer Abschnittsachse erstreckt. Die Antennenelemente sind induktiv miteinander gekoppelt.
Aus der JP 11-089 812 A ist ebenfalls eine Antennenanordnung für Magnetresonanzanwendungen bekannt, wobei jedes Antennenelement sich entlang einer Abschnittsachse erstreckt. Jedes Antennenelement weist zwei Teilabschnitte auf, wobei jedem Teilabschnitt ein Hilfskreis nebengeordnet ist, der einen Ankoppelabschnitt und einen Hilfskreisabschnitt aufweist. Über den Ankoppelabschnitt ist der erste Hilfskreis induktiv an den ersten Teilabschnitt angekoppelt. Der Hilfskreisabschnitt verläuft in einem Abstand zur Abschnittsachse parallel zum ersten Teilabschnitt.
Durch ungleichmäßige Belastung der Hochfrequenzspule, durch elektrische Abschirmung und durch dielektrische Resonanzen im Untersuchungsobjekt kann es jedoch zu unterschiedlichen Anregungen der Magnetresonanzen kommen. Derartige unterschiedliche Anregungen führen zu sogenannten Abschattungen in den erzeugten Bildern.
Es genügt daher für hochauflösende Aufnahmen nicht, die Stromverteilung auf den Antennenelementen der Hochfrequenzspule (bzw. der Antennenanordnung) konstant zu halten. Es kann vielmehr notwendig sein, im Sendefall lokal die von den einzelnen Antennenelementen hervorgerufenen Magnetfelder bzw. im Empfangsfall die lokale Empfindlichkeit der Antennenelement auf Magnetfelder entlang der Abschnittsachse individuell, insbesondere in Abhängigkeit vom Untersuchungsobjekt, einzustellen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Antennenelement zu schaffen, bei dem eine derartige Einstellmöglichkeit gegeben ist.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Antennenelement dadurch gelöst,

– dass dem ersten Teilabschnitt ein erster Hilfskreis nebengeordnet ist,
– dass der erste Hilfskreis einen Ankoppelabschnitt und einen Hilfskreisabschnitt aufweist,
– dass der erste Hilfskreis über den Ankoppelabschnitt induktiv an den ersten Teilabschnitt angekoppelt ist und der Hilfskreisabschnitt in einem Abstand zur Abschnittsachse parallel zum ersten Teilabschnitt verläuft,
– dass der erste Hilfskreis ansteuerbare Abstimmelemente aufweist und
– dass je nach Ansteuerungszustand der Abstimmelemente ein im ersten Teilabschnitt fließender hochfrequenter Anregungsstrom im Hilfskreisabschnitt einen gegenüber dem Anregungsstrom voreilenden, einen gegenüber dem Anregungsstrom nacheilenden oder keinen Hilfsstrom hervorruft.

Der Ankoppelabschnitt kann alternativ ein Bestandteil des Teilabschnitts oder ein vom Teilabschnitt verschiedenes Element sein. Im ersten Fall ergibt sich ein einfacherer, kompakterer und kostengünstigerer Aufbau des Antennenelements, im zweiten Fall ergeben sich geringere Rückwirkungen auf den Strom im Antennenelement.
Im Minimalfall kann es ausreichend sein, wenn das Antennenelement einen einzigen Hilfskreis aufweist. In der Regel ist es aber so,

– dass es einen gegenüber dem ersten Teilabschnitt axial versetzten zweiten Teilabschnitt aufweist, dem ein zweiter Hilfskreis nebengeordnet ist,
– dass der zweite Hilfskreis einen Ankoppelabschnitt und einen Hilfskreisabschnitt aufweist,
– dass der zweite Hilfskreis über den Ankoppelabschnitt induktiv an den zweiten Teilabschnitt angekoppelt ist und der Hilfskreisabschnitt in einem Abstand zur Abschnittsachse parallel zum zweiten Teilabschnitt verläuft,
– dass der zweite Hilfskreis ansteuerbare Abstimmelemente aufweist und
– dass je nach Ansteuerungszustand der Abstimmelemente ein im zweiten Teilabschnitt fließender hochfrequenter Anregungsstrom im Hilfskreisabschnitt einen gegenüber dem Anregungsstrom voreilenden, einen gegenüber dem Anregungsstrom nacheilenden oder keinen Hilfsstrom hervorruft.

In der Regel ist sogar mehr als zwei Teilabschnitten je ein eigener Hilfskreis nebengeordnet.
Die Hilfskreise sind vorzugsweise induktiv voneinander entkoppelt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Hilfskreise einen Überlappungsbereich aufweisen.
Die Hilfskreise sind ferner vorzugsweise unabhängig voneinander ansteuerbar. Dadurch ergibt sich insbesondere ein flexiblerer Betrieb des Antennenelements.
Übliche Antennenanordnungen für Magnetresonanzanwendungen weisen mehrere parallel zueinander verlaufende Antennenelemente auf, die im Falle der vorliegenden Erfindung selbstverständlich erfindungsgemäß ausgebildet sind. Die Antennenelemente können dabei insbesondere stabförmig ausgebildet und um eine Anordnungsachse herum angeordnet sein.
Es ist möglich, dass die Antennenanordnung eine Sattelspule bildet. Vorzugsweise aber sind die Antennenelemente an ihren Enden über Endringe miteinander gekoppelt, das heißt die Antennenanordnung ist als Birdcage-Resonator ausgebildet. Diese Ausgestaltung findet insbesondere bei Ausbildung der Antennenanordnung als Ganzkörperantenne oftmals Verwendung. Auch eine Ankopplung der Antennenelemente an einen die Antennenanordnung umgebenden Hochfrequenzschirm ist möglich.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung
1 eine Antennenanordnung gemäß Stand der Technik in perspektivischer Darstellung,
2 die Antennenanordnung von 1 im Querschnitt,
3 ein Antennenelement und
4 eine alternative Ausgestaltung eines Antennenelements.
Gemäß den 1 und 2 weist eine Antennenanordnung für Magnetresonanzanwendungen mehrere – im vorliegenden Fall acht – gleich ausgebildete Antennenelemente 1 auf. Die Antennenelemente 1 sind stabförmig ausgebildet und um eine Anordnungsachse 2 herum angeordnet. Sie sind im vorliegenden Fall an ihren Enden über Endringe 1' miteinander gekoppelt. Sie verlaufen parallel zur Anordnungsachse 2 und damit auch parallel zueinander. Die Antennenanordnung bildet also einen Birdcage-Resonator.
Die Antennenelemente 1 sind – siehe 2 – von einem Hochfrequenzschirm 3 umgeben. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Antennenanordnung wie im vorliegenden Fall als Ganzkörperantenne einer Magnetresonanzanlage ausgebildet ist.
Von einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 4 ist über einen Leistungsverstärker 5, eine Sende-/Empfangsweiche 6 sowie einen Stromteiler 7 ein Strom in die Antennenanordnung einspeisbar. Durch den Stromteiler 7 erfolgt dabei in einem der Einspeisezweige eine 90°-Phasenschiebung. Die Antennenanordnung wird daher derart angeregt, dass sie ein zirkular polarisiertes Hochfrequenzmagnetfeld generiert. Durch dieses Hochfrequenzmagnetfeld kann somit ein nicht dargestelltes Objekt – z. B. ein Mensch – zu Magnetresonanzen angeregt werden.
Angeregte Magnetresonanzen können von der Antennenanordnung auch empfangen werden. Über den Stromteiler 7, der im Empfangsfall als Kombinierer wirkt, die Sende-/Empfangsweiche 6 und einen Vorverstärker 8 ist ein empfangenes Magnetresonanzsignal dann der Steuer- und Auswerteeinrichtung 4 zuführbar. Von dieser ist es weitergehend auswertbar.
Sowohl im Sende- als auch im Empfangsfall fließt in den Antennenelementen 1 ein hochfrequenter Strom, der nachfolgend auch im Empfangsfall (!) als Anregungsstrom I bezeichnet wird.
Gemäß 3 erstreckt sich jedes Antennenelement 1 entlang einer Abschnittsachse 9. Es weist einen ersten Teilabschnitt 10 und einen zweiten Teilabschnitt 10' auf. Die Teilabschnitte 10, 10' erstrecken sich entlang der Abschnittsachse 9, sind aber axial gegeneinander versetzt. Meist sind sogar mehr als zwei axial gegeneinander versetzte Teilabschnitte 10, 10' vorhanden, z. B. vier Teilabschnitte 10, 10'.
Jedem Teilabschnitt 10, 10' ist ein eigener Hilfskreis 11, 11' nebengeordnet. Die Hilfskreise 11, 11' sind gleich ausgebildet und wirken mit dem ersten bzw. zweiten Teilabschnitt 10, 10' zusammen. Auf Grund des identischen Aufbaus und der gleichen Wirkungsweise wird dabei nachstehend nur der erste Hilfskreis 11 näher beschrieben. Die Ausführungen zum ersten Hilfskreis 11 sind aber analog auch auf den zweiten Hilfskreis 11' (und gegebenenfalls auch weitere Hilfskreise) anwendbar.
Gemäß 3 weist der erste Hilfskreis 11 einen Ankoppelabschnitt 12 und einen Hilfskreisabschnitt 13 auf. Über den Ankoppelabschnitt 12 ist der erste Hilfskreis 11 induktiv an den ersten Teilabschnitt 10 angekoppelt. Der Hilfskreisabschnitt 13 des ersten Hilfskreises 11 verläuft parallel zum ersten Teilabschnitt 10, und zwar in einem Abstand a zur Abschnittsachse 9.
Gemäß 3 weist der erste Hilfskreis 11 Abstimmelemente 14, 15 auf, die über Schalter 16, 17 unabhängig voneinander von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 4 ansteuerbar sind. Die Schalter 16, 17 können z. B. als PIN-Dioden oder als Relais ausgebildet sein.
Wenn der Schalter 16 geschlossen ist und der Schalter 17 geöffnet ist, liegt die Resonanzfrequenz des ersten Hilfskreises 11 unterhalb der Magnetresonanzfrequenz, mit der der Anregungsstrom I im Antennenelement 1 fließt. Der Anregungsstrom I ruft daher im ersten Hilfskreis 11 und damit auch im korrespondierenden Hilfskreisabschnitt 13 einen Hilfsstrom i hervor, der gegenüber dem Anregungsstrom I voreilt.
Wenn umgekehrt der Schalter 16 geöffnet ist und der Schalter 17 geschlossen ist, ist die Resonanzfrequenz des ersten Hilfskreises 11 größer als die Magnetresonanzfrequenz. In diesem Fall wird durch den Anregungsstrom I im ersten Hilfskreis 11 und damit auch in dessen Hilfskreisabschnitt 13 ein Hilfsstrom i hervorgerufen, der gegenüber dem Anregungsstrom I nacheilt.
Wenn beide Schalter 16, 17 geöffnet sind, kann der Anregungsstrom I im ersten Hilfskreis 11 keinen Hilfsstrom i hervorrufen.
Der zweite Hilfskreis 11' bzw. dessen Schalter 16', 17' sind unabhängig vom Ansteuerzustand des ersten Hilfskreises 11 bzw. von dessen Schaltern 16, 17 ansteuerbar. Die Hilfskreise 11, 11' sind also unabhängig voneinander ansteuerbar.
Gemäß 3 weisen die Hilfskreise 11, 11' einen Überlappungsbereich F auf. Auf Grund dieses Überlappungsbereichs F sind die Hilfskreise 11, 11' induktiv voneinander entkoppelt.
Der Aufbau des Antennenelements von 4 entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des Antennenelements von 3. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei dem Antennenelement 1 gemäß 3 die Ankoppelabschnitte 12, 12' von den Teilabschnitten 10, 10' verschiedene Elemente sind, während bei der Darstellung gemäß 4 die Ankoppelabschnitte 12, 12' Bestandteile der Teilabschnitte 10, 10' sind. Ferner wurde in 4 der besseren Übersichtlichkeit halber von der Darstellung der Steuer- und Auswerteeinrichtung 4 abgesehen.
Durch entsprechende Ansteuerung der Hilfskreise 11, 11' können somit im Sendefall lokal die von den einzelnen Antennenelementen 1 hervorgerufenen Magnetfelder bzw. im Empfangsfall die lokale Empfindlichkeit der Antennenelemente 1 auf Magnetfelder gezielt beeinflusst werden. Der Einfluss auf den im Antennenelement 1 fließenden Anregungsstrom I bleibt dabei vernachlässigbar klein.
Gemäß den 3 und 4 ist das Antennenelement 1 über Kondensatoren 18 an den Hochfrequenzschirm 3 angekoppelt. Diese Ausgestaltung stellt eine Alternative zur Kopplung der Antennenelemente 1 über die Endringe 1' dar.
Mittels der erfindungsgemäß ausgestalteten Antennenanordnung ist somit auf einfache Weise eine Abschattung in erzeugten Magnetresonanzbildern vermeidbar. Die Bedingungen, unter denen die einzelnen Hilfskreise 11, 11' an die Teilabschnitte 10, 10' anzukoppeln sind und welcher der Schalter 16, 17, 16', 17' dabei zu schließen ist, kann z. B. durch einfache
Versuche, gegebenenfalls in Verbindung mit Symmetriebetrachtungen, ermittelt werden.

Claims

Antennenelement für Magnetresonanzanwendungen mit einem sich entlang einer Abschnittsachse (9) erstreckenden ersten Teilabschnitt (10), dem ein erster Hilfskreis (11) nebengeordnet ist, – wobei der erste Hilfskreis (11) einen Ankoppelabschnitt (12) und einen Hilfskreisabschnitt (13) aufweist, – wobei der erste Hilfskreis (11) über den Ankoppelabschnitt (12) induktiv an den ersten Teilabschnitt (10) angekoppelt ist und der Hilfskreisabschnitt (13) in einem Abstand (a) zur Abschnittsachse (9) parallel zum ersten Teilabschnitt (10) verläuft, – wobei der erste Hilfskreis (11) ansteuerbare Abstimmelemente (14, 15) aufweist und – wobei je nach Ansteuerungszustand der Abstimmelemente (14, 15) ein im ersten Teilabschnitt (10) fließender hochfrequenter Anregungsstrom (I) im Hilfskreisabschnitt (13) einen gegenüber dem Anregungsstrom (I) voreilenden, einen gegenüber dem Anregungsstrom (I) nacheilenden oder keinen Hilfsstrom (i) hervorruft.
Antennenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankoppelabschnitt (12) Bestandteil des Teilabschnitts (10) ist.
Antennenelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankoppelabschnitt (12) ein vom Teilabschnitt (10) verschiedenes Element ist.
Antennenelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, – dass es einen gegenüber dem ersten Teilabschnitt (10) axial versetzten zweiten Teilabschnitt (10') aufweist, dem ein zweiter Hilfskreis (11') nebengeordnet ist, – dass der zweite Hilfskreis (11') einen Ankoppelabschnitt (12') und einen Hilfskreisabschnitt (13') aufweist, – dass der zweite Hilfskreis (11') über den Ankoppelabschnitt (12') induktiv an den zweiten Teilabschnitt (10') angekoppelt ist und der Hilfskreisabschnitt (13') in einem Abstand (a) zur Abschnittsachse (9) parallel zum zweiten Teilabschnitt (10') verläuft, – dass der zweite Hilfskreis (11') ansteuerbare Abstimmelemente (14', 15') aufweist und – dass je nach Ansteuerungszustand der Abstimmelemente (14', 15') ein im zweiten Teilabschnitt (10') fließender hochfrequenter Anregungsstrom (I) im Hilfskreisabschnitt (13') einen gegenüber dem Anregungsstrom (I) voreilenden, einen gegenüber dem Anregungsstrom (I) nacheilenden oder keinen Hilfsstrom (i') hervorruft.
Antennenelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskreise (11, 11') induktiv voneinander entkoppelt sind.
Antennenelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskreise (11, 11') einen Überlappungsbereich (F) aufweisen.
Antennenelement nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskreise (11, 11') unabhängig voneinander ansteuerbar sind.
Antennenanordnung für Magnetresonanzanwendungen mit mehreren parallel zueinander verlaufenden Antennenelementen (1) nach einem der obigen Ansprüche.
Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente (1) stabförmig ausgebildet und um eine Anordnungsachse (2) herum angeordnet sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente (1) an ihren Enden über Endringe (1') miteinander gekoppelt sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenelemente (1) an ihren Enden über Kondensatoren (18) an einen die Antennenelemente (1) umgebenden Hochfrequenzschirm (3) angekoppelt sind.