DE4138690C2 - Zirkular polarisierende Lokalantenne für ein Kernspinresonanzgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zirkular polarisierende Lokal­ antenne für ein Kernspinresonanzgerät mit einem als Rahmen­ spule ausgebildeten ersten Antennensystem und einem eine erste Teilspule umfassenden zweiten Antennensystem, wobei die Rahmenspule die Teilspule durchdringt.

In Kernspinresonanzgeräten, wie z. B. Kernspinresonanz-Bild­ geräten zur medizinischen Diagnose, werden zur Anregung der Kerne entweder linear oder zirkular polarisierte magne­ tische Hochfrequenzfelder verwendet. Ein lineares Feld kann man sich aus zwei gleich großen, gegenläufig zirkular pola­ risierten Felder zusammengesetzt denken. Wirksam für die Anregung ist aber nur eine der beiden zirkularen Feldan­ teile. Das bedeutet, daß bei einer linear polarisierenden Antenne für eine gleiche Anregung theoretisch zweimal so­ viel Leistung benötigt wird wie bei einer zirkular pola­ risierenden Antenne.

Bei medizinischen Kernspinresonanz-Bildgeräten lassen Vor­ schriften zum Schutz des Patienten nur eine maximale Sende­ leistung zu. Das schränkt die möglichen Sequenzen ein, ins­ besondere die Anzahl der abgetasteten anatomischen Schich­ ten in einer vorgegebenen Untersuchungszeit. Daher können mit zirkular polarisierenden Antennen in der gleichen Zeit theoretisch zweimal, praktisch nicht ganz zweimal soviel Schichten abgetastet werden wie mit einer linear polari­ sierenden Antenne.

Auch die Verwendung von zirkular polarisierenden Empfangsan­ tennen hat Vorteile. Eine zirkular polarisierende Empfangs­ antenne ist zusammengesetzt aus zwei linear polarisierenden Antennen, die das Kernspinresonanz-Nutzsignal aus zueinan­ der orthogonalen Raumrichtungen empfangen. Die empfangenen Signale werden dann nach einer 90°-Phasenverschiebung eines Signals phasengleich addiert. Damit verdoppelt sich das Nutzsignal während sich der Effektivwert des Rauschens um den Faktor √2 erhöht. Eine zirkular polarisierende Empfangsantenne hat damit gegenüber einer linear polarisierenden Empfangsantenne einen theoretischen Signal-Rausch-Gewinn von √2. Der Signal-Rausch- Gewinn erreicht in der Praxis jedoch nicht ganz den theoretischen Wert. Daraus ergibt sich, daß sowohl beim Senden als auch beim Empfang zirkular polarisierende Antennen Vorteile haben.

Eine bei einem medizinischen Kernspinresonanz-Bildgerät zur Erzeugung und zum Empfang eines zirkular polarisierten Hochfrequenzfeldes vorgesehene sogenannte Ganzkörperantenne oder ein Body-Resonator ist in der DE-OS 31 33 432 offen­ bart. Auf einer gedachten Zylindermantelfläche befinden sich zwei gegenüberliegend angeordnete Spulengruppen wobei die Spulenachsen der Spulengruppen senkrecht aufeinander­ stehen.

Zur Erzeugung eines zirkularen magnetischen Hochfrequenz­ feldes werden die Spulengruppen mit um 90° gegeneinander phasenverschobenen Hochfrequenzströmen gespeist. Ein zu untersuchender Patient wird zur Erstellung von Tomogrammen in Längsrichtung innerhalb der zylindrischen Spulenanord­ nung gelagert, so daß sich die einzelnen Spulen oberhalb und unterhalb sowie zu beiden Seiten des Patienten befin­ den.

Ähnlich wie die oben beschriebene Ganzkörperantenne ist auch eine Lokalantenne zur Untersuchung des Kopfes aufge­ baut, mit der ebenfalls zirkulare magnetische Hochfre­ quenzfelder erzeugt werden können.

Werden nun mit der herkömmlichen Ganzkörperantenne Schnitt­ bilder nur eines Körperteils aufgenommen, so empfängt eine Ganzkörperantenne wegen ihrer großen Empfangsfläche auch Rauschsignale aus den übrigen Körperteilen. Das Signal- Rausch-Verhältnis wird somit bei Teiluntersuchungen ver­ schlechtert. Daher werden für Teiluntersuchungen auch Lo­ kalantennen verwendet, die jedoch wegen der meist besseren Handhabbarkeit und einfacheren Signalverarbeitung vorwie­ gend als linear polarisierende Antenne aufgebaut sind.

Eine zirkular polarisierende Antenne der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 40 24 582 bekannt. Die Antenne ist für Untersuchungen am Oberkörper geeignet und besteht aus zwei Antennensystemen. Die Antennensysteme bestehen jeweils aus einer Spule mit einem mittleren Schenkel und zwei seit­ lichen Schenkeln, deren freie Enden jeweils mit einer Rückführung verbunden sind, die derart parallel zu den mittleren Schenkeln verlaufen, daß eine offene Windung der beiden Antennensysteme besteht. Die zirkulare Charakteri­ stik liegt im Innenraum der beiden Spulen. Jedoch stehen im Innenraum nur in einem begrenzten Bereich die für den zirkular polarisierenden Effekt erforderlichen Charakteri­ stiken senkrecht aufeinander, so daß die Antenne eine in­ homogene Empfindlichkeits- bzw. Feldverteilung aufweist. Das Abbildungsvolumen ist wesentlich kleiner als das Gesamtvolumen des Innenraums. Somit ist auch das Signal- Rausch-Verhältnis der Antenne gegenüber einer idealen Antenne mit homogener Empfindlichkeit verschlechtert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine zirkular polarisierende Lokalantenne mit einem vergrößerten Homo­ genitätsbereich und verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis anzugeben.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das zweite Antennen­ system eine zweite Teilspule umfaßt, die gegenüberliegend der ersten Teilspule angeordnet ist, und daß die Rahmen­ spule die zweite Teilspule ebenfalls durchdringt, wobei die zirkular polarisierende Charakteristik in einem Volumenbe­ reich vorhanden ist, der innerhalb der Rahmenspule und außerhalb der Teilspulen liegt. Die von den beiden Antennen­ systemen erzeugten Hochfrequenzfelder stehen im Innenraum der Rahmenspule senkrecht aufeinander bzw. die beiden An­ tennensysteme empfangen aus dem Innenraum aus zwei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen die Hochfrequenzsig­ nale. Bei entsprechender 90°-Phasenverschiebung der Signale der beiden Antennensysteme zueinander wird ein zirkular polarisiertes Hochfrequenzfeld erzeugt bzw. die Signale eines zirkular polarisierten Hochfrequenzfeldes empfangen. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich der homogene Bereich des zirkularen Feldes bzw. der Empfindlichkeit vergrößern. Bei der Signalzuführung bzw. Signalabnahme der beiden Teilantennen ist eine 180°-Phasenverschiebung zu berücksichtigen. Weil der homogene Bereich der zirkularen Charakteristik gegenüber bekannten zirkular polarisierenden Lokalantennen vergrößert ist, ist das Signal-Rausch-Ver­ hältnis gegenüber bekannten Lokalantennen erhöht. Daraus resultiert bei medizinischen Kernspinresonanz-Bildgeräten eine bessere Bildqualität.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Teilspulen senkrecht auf der Rahmenspule stehen. Damit werden besondere Maßnahmen zur Entkopplung der beiden Antennensysteme überflüssig.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung besteht die Rahmenspule aus zwei U-förmigen Leiterstücken, deren Schen­ kel sich gegenüberstehen und wobei die gegenüberstehenden Schenkel über Kondensatoren miteinander verbunden sind. Die Kondensatoren wirken als Verkürzungskondensator. Der Spulen­ querschnitt kann bei entsprechender Wahl der Kondensatoren an die Größe der zu untersuchenden Körperteile angepaßt werden, so daß die Rahmenspule nicht unnötig groß und das Signal-Rausch-Verhältnis nicht damit verschlechtert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß die Leiterstücke parallel zur Spulenfläche Schlitze aufweisen. Über die Schlitzbereite, -form und -tiefe, kann die Homogenität der Felder gesteuert werden. Außerdem werden damit Wirbelstromverluste in der Rahmen­ spule herabgesetzt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand von drei Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht eine Rahmenspule, für ein erstes Antennensystem;

Fig. 2 in perspektivischer Ansicht eine zirkular polarisierende Lokalantenne;

Fig. 3 eine Schaltung zur Entkopplung der beiden Antennen­ systeme.

Fig. 1 zeigt eine Rahmenspule 2, die ein erstes Antennen­ system für eine zirkular polarisierende Lokalantenne bil­ det. Die Rahmenspule besteht aus zwei U-förmigen Leiter­ stücken 4, 6, deren Schenkel 8 und 10 sich gegenüberstehen und über Kon­ densatoren 12 miteinander verbunden sind. Die U-förmigen Leiterstücke 4 und 6 umschließen eine rechteckige Spulen­ fläche. Parallel zur Spulenfläche ist in jedem Leiterstück 4 und 6 ein Schlitz 14 eingebracht. Über die Schlitzbreite, Schlitzform und Schlitztiefe kann das von der Spule erzeugte Feld bzw. die Richtcharakteristik gesteuert werden. Mit den Enden der Schenkel 10 der beiden U-förmigen Leiterstücke 4 und 6, also parallel zu den Anschlüssen eines der beiden Kondensatoren 12, sind Anschlüsse 16 verbunden, über die der Rahmenspule 2 ein Sendesignal zugeführt bzw. ein Empfangssignal abgenommen werden kann.

Fig. 2 zeigt ausgehend von dem ersten Antennensystem nach Fig. 1 eine zirkular polarisierende Lokalantenne, wie sie in einem Kernspinresonanz-Bildgerät, insbesondere für die Mammographie, eingesetzt wird. Das erste Antennensystem 2 und ein zweites Antennensystem 17 sind ineinandergefügt und umschließen sich gegenseitig, ähnlich wie die Glieder einer Kette ineinander­ gefügt sind und sich gegenseitig umschließen. Das zweite An­ tennensystem 17 besteht hier aus zwei Teilspulen 18, 19, die jeweils die Rahmenspule 2 über die gesamte Länge der Schenkel 8 und 10 der Leiterstücke 4 und 6 umschließen. Damit ist eine homogene Charakteristik über einen großen, innerhalb der Rah­ menspule 2 liegenden Volumenbereich erreicht. Jede Teilspule 18, 19 besteht aus einer einzigen rechtwinklig gebogenen Leiterschleife, so daß auch die Teilspulen 18, 19 eine recht­ eckige Spulenfläche aufweisen.

Die Leiterschleifen der Teilspulen 18, 19 sind auf dem außer­ halb der Rahmenspule 2 gelegenen Teil mit einer Unterbrechung 20 versehen, die mit einem Kondensator 22 überbrückt ist. Der Kondensator 22 dient ebenso wie der Kondensator 12 zur Fest­ legung der gewünschten Resonanz-Frequenz der Teilspulen 18, 19. Jede Teilspule 18, 19 weist eigene Anschlüsse 24 auf, über die den Teilspulen ein Sendesignal parallel zum Kondensator 22 zugeführt bzw. ein Empfangssignal abgegriffen werden kann. In Fig. 2 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die Anschlüsse 24 für die Teilspule 19 dargestellt.

Jede Teilspule 18, 19 ist mit zwei Schlitzen 26 versehen, die parallel zur Spulenfläche verlaufen. Ebenfalls wie bei der Rahmenspule 2 kann die Antennencharakteristik über die Schlitzbreite, Schlitzform und Schlitztiefe gesteuert werden. Außerdem kann die Antennencharakteristik der Lokalspule be­ einflußt werden, wenn die Teilspulen 18 und 19 gegeneinander und in bezug zur Rahmenspule 2 verschoben werden. Die Schlitze 20 setzen außerdem die Verluste durch Wirbelströme herab.

Die beiden Antennensysteme 2 und 18, 19 sind hier mit einem dünnen Kupferband realisiert. Beide Systeme können auch aus kupferkaschiertem Material, aus Draht oder Rohr aufgebaut werden.

Die zirkulare Charakteristik der Lokalspule wird im folgen­ den beispielhaft für den Sendevorgang beschrieben. Dazu wird auf ein rechtwinkliges Koordinatensystem 28 Bezug ge­ nommen, dessen x- und y-Achse in der Papierebene liegen und dessen z-Achse senkrecht nach oben auf der Papierebene steht. Der Rahmenspule 2 wird über die Anschlüsse 16 ein Hochfre­ quenzstrom i1 zugeführt, dessen positive Richtung durch die Pfeile 30 definiert ist. Der Hochfrequenzstrom i1 erzeugt im Inneren der Rahmenspule ein magnetisches Feld in y-Richtung, das hier mit By bezeichnet ist. Der Teilspule 18 wird über die hier nicht dargestellten Anschlüsse 24 ein Hochfrequenzstrom 12 mit der gleichen Frequenz wie i1 zugeführt, der jedoch ge­ genüber dem Strom i1 um 90° phasenverschoben ist. Die positive Stromrichtung ist durch die Pfeile 32 definiert. Der Hochfre­ quenzstrom i2 erzeugt innerhalb der Rahmenspule 2 ein Magnet­ feld in x-Richtung was hier als Bx bezeichnet ist. Gleichfalls erzeugt ein Hochfrequenzstrom i3 in der Teilspule 19 ein Mag­ netfeld Bx in x-Richtung. Durch die 90°-Phasenverschiebung zwi­ schen den Strömen i1 und i2, i3 rotiert der resultierende Feld­ vektor B in der x-y-Ebene.

Eine ideale zirkulare Charakteristik wird nur erreicht, wenn die beiden Antennensysteme 2, 17 gegenseitig entkoppelt sind. Die Entkopplung kann durch eine genau rechtwinklige Ausrich­ tung zueinander erreicht werden. Bestehen aufgrund von Tole­ ranzen doch Kopplungen zwischen den Antennensystemen 2, 17, dann können die unerwünschten Kopplungen durch Entkopplungs­ kondensatoren 34 gemäß der in Fig. 3 angegebenen Schaltung kom­ pensiert werden. Die Leiterstücke der Spulen 2, 18, 19 sind durch Induktivitäten symbolisiert. Die Entkoppelungskonden­ satoren 34 sind nun jeweils zwischen die Verkürzungskonden­ satoren 12 und 22 geschaltet, sie verbinden die beiden An­ tennensysteme kapazitiv miteinander.

Beim Einsatz wird die Lokalantenne so ausgerichtet, daß das magnetische Grundfeld des Kernspinresonanzgeräts in z-Richtung verläuft.

Die in Fig. 2 dargestellte zirkular polarisierende Lokalspule findet in einem Kernspinresonanz-Bildgerät in der Mammographie auch als Doppelbrustspule Verwendung. Dabei werden zwei Lokal­ spulen nach Fig. 2 nebeneinander in einer Ebene angeordnet. Für andere Anwendungsgebiete ist ebenso eine zirkulare Helmholtz- Anordnung möglich, die induktiv oder galvanisch gekoppelt ist.

Claims (9)

1. Zirkular polarisierende Lokalantenne für ein Kernspinre­ sonanzgerät mit einem als Rahmenspule (2) ausgebildeten ersten Antennensystem und einem eine erste Teilspule (18) umfassenden zweiten Antennensystem (17), wobei die Rahmen­ spule (2) die Teilspule (18) durchdringt, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Antennen­ system (17) eine zweite Teilspule (19) umfaßt, die gegen­ überliegend der ersten Teilspule (18) angeordnet ist, und daß die Rahmenspule (2) die zweite Teilspule (19) ebenfalls durchdringt, wobei die zirkular polarisierende Charakteris­ tik in einem Volumenbereich vorhanden ist, der innerhalb der Rahmenspule (2) und außerhalb der Teilspulen (18, 19) liegt.

2. Lokalantenne nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Teilspulen (18, 19) senkrecht auf der Rahmenspule (2) stehen.

3. Lokalantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenspule (2) eine rechteckige Spulenfläche aufweist.

4. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rahmenspule aus zwei U-förmigen Leiterstücken (4, 6) be­ steht, deren Schenkel (8, 10) sich gegenüberstehen, und daß die gegenüberstehenden Schenkel (8, 10) über Konden­ satoren (12) miteinander verbunden sind.

5. Lokalantenne nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leiterstücke (4, 6) parallel zur Spulenfläche mindestens einen Schlitz (14) aufweisen.

6. Lokalantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die min­ destens eine Teilspule (18, 19) eine rechteckige Spulen­ fläche aufweist.

7. Lokalantenne nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die mindestens eine Teil­ spule (18, 19) aus einer einzigen rechtwinklig gebogenen Leiterschleife besteht.

8. Lokalspule nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leiterschleife an dem außerhalb der Rahmenspule gelegenen Teil eine Unterbrechung (20) aufweist, die mit einem Kondensator (24) überbrückt ist.

9. Lokalspule nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife parallel zur Spulenfläche Schlitze (26) aufweist.