DE4301557A1 - Antennenanordnung mit Abschirmung für ein Kernspintomographiegerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung mit Abschirmung für ein Kernspintomographiegerät, wobei die Antenne aus flä­ chigen, am Umfang eines Untersuchungsraumes angeordneten und sich in dessen Längsrichtung erstreckenden Leiterstrukturen besteht und teilweise mit Schirmelementen überdeckt ist, die mit einer den Untersuchungsraum umgebenden Abschirmung ver­ bunden sind.

Eine derartige Antennenanordnung ist aus der EP-A1-0 105 550 bekannt. Dabei besteht die Antenne aus zwei sich in Längs­ richtung des Untersuchungsraums erstreckenden Hochfrequenz­ spulen. Der Zwischenraum zwischen den in Längsrichtung des Untersuchungsraums verlaufenden Leitern der Hochfrequenzspu­ len wird mit einer kammförmigen Struktur von leitenden Ele­ menten überbrückt. Damit wird das elektrische Feld um die Leiter abgeschirmt, so daß man neben einem höheren Q-Faktor für die Hochfrequenzspule eine feste Streukapazität zwischen den Leitern und der kammförmigen Struktur erreicht. Diese Streukapazität wird durch die Geometrie oder Beschaffenheit eines Untersuchungsobjekts kaum noch beeinflußt. Damit ent­ fällt die Notwendigkeit eines Abgleichs der Hochfrequenz­ schaltung in Abhängigkeit vom Untersuchungsobjekt.

Bei der dargestellten Kammstruktur werden alle Einzelelemente an einer Seite miteinander verbunden und außerhalb der Hoch­ frequenzspule geerdet. Dies hat jedoch den Nachteil, daß ins­ besondere für die mittleren Elemente der Kammstruktur relativ lange Wege mit nicht zu vernachlässigender Induktivität zum Erdungspunkt bestehen.

Durch die Induktivität wird die Schirmwirkung herabgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung der ein­ gangs genannten Art so auszugestalten, daß die Schirmwirkung verbessert wird.

Diese Aufgabe wird in einer ersten Alternative dadurch ge­ löst, daß sich die Schirmelemente in Längsrichtung des Unter­ suchungsraums erstrecken und an den stirnseitigen Enden der Antenne großflächig mit der Abschirmung verbunden sind.

In einer alternativen Lösung erstrecken sich die Schirmele­ mente in azimutaler Richtung und sind an dem jeweiligen Längsrand der Teilantennen über breitbahnige, flächige Leiter mit der Abschirmung verbunden, wobei zwischen den Leitern je­ weils ein freier Querschnitt verbleibt.

Bei beiden Alternativen bestehen kurze Verbindungswege zwi­ schen den Schirmelementen und der äußeren Abschirmung der An­ tenne, die darüber hinaus großflächig ausgeführt sind. Damit bleibt die Induktivität zwischen den Schirmelementen und Masse klein, so daß keine störenden Spannungsabfälle entste­ hen, die die Schirmwirkung beeinträchtigen könnten.

Vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung sowie Aus­ führungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 10 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Kern­ spintomographiegerät. Ein im allgemeinen supraleitender Ma­ gnet 1 erzeugt in einem Untersuchungsraum 7 ein homogenes Grundmagnetfeld, das in Längsrichtung des Untersuchungsraums 7, also senkrecht zur Zeichenoberfläche ausgerichtet ist. Durch dieses Grundmagnetfeld werden die Kernspins in eine Richtung ausgerichtet. Kernresonanzsignale entstehen dadurch, daß man die Kernspins durch ein Hochfrequenzfeld bestimmter Frequenz aus der Ruhelage auslenkt und dann das beim Zurück­ kippen in die Ruhelage ausgesendete Hochfrequenzsignal emp­ fängt. Zum Senden und Empfangen ist eine Antenne 4 erforder­ lich, die im Ausführungsbeispiel aus vier über den Umfang des Untersuchungsraums 7 verteilten Teilantennen 4a bis 4d be­ steht. Um eine Abstrahlung von Hochfrequenz nach außen im Sendezustand sowie Störeinflüsse auf die Antenne von außen im Empfangszustand zu verhindern, ist die Antenne 4 von einer Abschirmung 3 umgeben. Eine Ortauflösung der Kernresonanzsi­ gnale wird dadurch erreicht, daß man das homogene Grundma­ gnetfeld mit Gradientenmagnetfeldern überlagert, so daß eine Ortsabhängigkeit der Resonanzfrequenz der Kernspins entsteht. Es müssen daher entsprechende Gradientenspulen vorgesehen werden, die in einem Kreisring 2 angeordnet sind und lineare Gradientenfelder erzeugen. Die Gradientenfelder werden ge­ schaltet, so daß in allen leitfähigen Teilen, die vom Gradien­ tenfeld durchdrungen werden, Wirbelströme induziert werden können. Um diese weitgehend zu unterdrücken, werden zweckmä­ ßigerweise alle leitfähigen Elemente zwischen Untersuchungs­ raum 7 und den Gradientenspulen derart geschlitzt, daß die Strombahnen für Wirbelströme unterbrochen sind.

Der Feldverlauf des Hochfrequenzfeldes bei einer Anordnung nach Fig. 1 ist in Fig. 2 schematisch in einem Längsschnitt dargestellt. Die folgenden Betrachtungen beziehen sich der Übersichtlichkeit wegen auf eine Antennenstruktur, die nur zwei Teilantennen aufweist, die jeweils aus einer großflächi­ gen, entsprechend dem Untersuchungsraum 7 gekrümmten Leiter­ struktur 9a an der Ober- bzw. 9b an der Unterseite des Unter­ suchungsraums 7 bestehen. Das Hochfrequenzsignal RF wird je­ weils über eine Anpaßschaltung 8, die aus einem mit Masse verbundenen Querkondensator 8a und Längskondensator 8b be­ steht, eingespeist. Die Einspeisung erfolgt an den beiden Leiterstrukturen 9a, 9b in entgegengesetzter Richtung, so daß sich ein entgegengesetzter Stromverlauf I ergibt. Die Leiter­ strukturen 9a, 9b sind an ihren längsseitigen Enden über Kon­ densatoren C mit Masse verbunden.

Durch die gegensinnigen hochfrequenten Ströme 11, 12 wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das sowohl eine elektrische Feldkomponente E als auch eine magnetische Feldkomponente B aufweist. Die magnetische Feldkomponente B steht in der Dar­ stellung nach Fig. 2 im wesentlichen senkrecht zur Zeichen­ ebene.

Der Feldverlauf ist in Fig. 3 nochmals in einem Querschnitt dargestellt. Dabei ist sichtbar, daß die magnetischen Feldli­ nien B die Leiterstrukturen 9a, 9b umschlingen, während die elektrischen Feldlinien E zwischen den Leiterstrukturen 9a, 9b verlaufen.

Für den Kernresonanzeffekt ist nur die magnetische Feldkompo­ nente von Nutzen, während die elektrische Feldkomponente eine Reihe von Nachteilen mit sich bringt.

Im wesentlichen sind dies:

• 1) Elektrische Verluste im Patienten. Diese verringern den Q-Faktor der Antenne und verursachen im Patienten eine Er­ wärmung, die bei der Bemessung der maximal zulässigen Hochfrequenzbelastung zu berücksichtigen ist.
• 2) Beim Einbringen des Patienten in den Untersuchungsraum wird die Antenne verstimmt, so daß im allgemeinen ein Ab­ gleich in Abhängigkeit vom jeweiligen Patienten erforder­ lich ist.
• 3) Auf Leitungen, die im Untersuchungsraum geführt werden, verursachen die elektrischen Felder Mantelwellen.
• 4) Bei zirkularen Systemen werden die Teilantennen über die elektrischen Felder miteinander verkoppelt.

Durch eine Abschirmung der elektrischen Feldkomponenten der Antenne können diese nachteiligen Einflüsse zumindest verrin­ gert werden.

In den Fig. 4 (Längsschnitt) und Fig. 5 (Querschnitt) sind die Feldverläufe des elektrischen und des magnetischen Feldes dargestellt, wenn die Leiterstrukturen 9a, 9b mit ge­ erdeten Schirmelementen 11, 12 überdeckt sind. Dabei ist ein elektrisches Feld E nahezu nur noch im Raum zwischen den Lei­ terstrukturen 9a, 9b und den Schirmelementen 11, 12 vorhan­ den. Der Untersuchungsraum 7 ist weitgehend von elektrischen Feldern frei. Das magnetische Feld B umschlingt jedoch die Leiterelemente 9a, 9b und durchsetzt den Untersuchungsraum 7.

In den Fig. 6 und 7 sind zwei Alternativen für die mecha­ nische Ausgestaltung der Schirmelemente dargestellt. Dabei besteht ein Schirmelement nach Fig. 6 aus zwei kammartigen Strukturen 12a, 12b mit einzelnen Lamellen, die sich in Längsrichtung der Antenne 9 erstrecken. Zwischen den Lamellen des Schirmelements 12a und denjenigen des Schirmelements 12b bleibt in der Mitte der Antenne ein Spalt mit der Breite c. Die Lamellen der Schirmelemente 12a, 12b sind an beiden Stirnseiten über ein die gesamte Breite der Schirmelemente 12a, 12b umfassendes Leiterelement mit der äußeren Ab­ schirmung 3 und somit mit Masse verbunden.

An die Schirmelemente 12a, 12b werden folgende Anforderungen gestellt:

• 1. Die magnetischen Gradientenfelder sollen möglichst wenig Wirbelströme in den Schirmelementen 12a, 12b verursachen. Dies wird durch die Aufteilung in einzelne Lamellen und die Zweiteilung in die Schirmelemente 10a, 10b erreicht.
• 2. Die Induktivität der einzelnen Lamellen gegen Masse soll möglichst gering sein. Dies wird durch die großflächige Ausführung der Lamellen, die großflächige Verbindung zu Masse und den kurzen Verbindungsweg zu Masse erreicht.
• 3. Besonders wesentlich ist, daß die magnetische Komponente des Hochfrequenzfeldes nicht durch Wirbelströme in den Schirmelementen gestört wird. Wie in Fig. 5 sichtbar ist, umgreifen die magnetischen Feldlinien B die Leiterstruktu­ ren 9a, 9b der Antenne an deren Längsseiten. Es ist we­ sentlich, daß im Bereich dieser Feldlinien, insbesondere senkrecht zu diesen, keine oder möglichst wenig leitfähige Teile liegen. Bei der Anordnung nach Fig. 6 gibt es keine leitfähigen Teile der Abschirmung, die die Längskanten der Antenne umgreifen, so daß das magnetische Feld nicht ge­ stört wird.
• 4. Die Abschirmung soll elektrische Felder möglichst vollständig abschirmen. Dazu müssen die Abstände b zwi­ schen den einzelnen Lamellen und der Abstand c zwischen den beiden Hälften der Abschirmung entsprechend gewählt werden.

Eine Optimierung aller Eigenschaften der Antenne ist durch entsprechende Wahl der Lamellenbreiten a, der Abstände b zwi­ schen den Lamellen, des Abstands c zwischen den beiden Anten­ nenhälften sowie des Abstands d zwischen Abschirmung und An­ tenne möglich.

Bei einer alternativen Ausführungsform nach Fig. 7 sind die Schirmelemente 12a, 12b ebenfalls als kammartige Struktur ausgeführt, wobei die einzelnen Lamellen hier im Unterschied zu Fig. 6 die Leiterstruktur 9 der Antenne nicht von den Stirnseiten, sondern von beiden Längsseiten umgreifen. Die Schirmelemente sind wieder zweigeteilt, wobei zwischen den Schirmelementen 12a und 12b ein Spalt mit der Breite c bleibt, hier erfolgt die Teilung aber im Gegensatz zur Aus­ führung nach Fig. 6 in Längsrichtung.

Bei dieser Ausführungsform sind die einzelnen Lamellen der Schirmelemente 12a und 12b jeweils an den Stirnseiten mit Masse verbunden. Damit ergeben sich noch kürzere Leitungswege und somit eine kleinere Induktivität. Allerdings liegen die Verbindungselemente 12c zwischen den Lamellen 12a, 12b und Masse hierbei zwangsläufig im Bereich der die Längskanten um­ greifenden magnetischen Feldlinien. Um den Einfluß dieser Verbindungselemente auf das Magnetfeld durch Wirbelströme zu verringern, sind die Lamellen nicht voll flächig mit Masse verbunden.

Verschiedene Möglichkeiten für die Verbindungselemente 12c sind in den Fig. 8 bis 10 dargestellt. Bei der Ausführung nach Fig. 8 weisen die Verbindungselemente 12c im Bereich der Spalte gegenüberliegende halbkreisförmige Ausnehmungen auf, durch die die magnetischen Feldlinien dringen können. Kreisförmige Ausnehmungen in den Verbindungselementen selbst, wie sie zunächst naheliegend erscheinen, haben den Nachteil, daß ein sie durchsetzendes Magnetfeld Kreisströme um die Aus­ nehmungen herum verursachen würde. Dies ist bei der Anordnung nach Fig. 8 nicht möglich, da um die kreisförmigen Ausneh­ mungen kein geschlossener Strompfad existiert. Derselbe Vor­ teil gilt auch für die Ausführung nach Fig. 9, wobei ledig­ lich die Ausnehmungen dreieckförmig sind.

Bei der Anordnung nach Fig. 10 ist ein großflächiges Verbin­ dungselement 12c zwischen den Lamellen und Masse vorgesehen, das aber in Richtung der Lamellen und damit parallel zu den magnetischen Feldlinien angeordnet ist. Da die Feldlinien dieses Leiterelement somit nicht durchsetzen, werden auch keine Wirbelströme induziert.

Die in Fig. 7 dargestellte Anordnung hat ferner den Vorteil, daß sie das elektrische Feld besonders in dem Bereich am mei­ sten reduziert, in dem der Patient der Antenne am nächsten kommt. Aus Fig. 1 wird deutlich, daß der Patient im Bereich der Längskanten 4e, 4g der Einzelelemente der Antenne 4 den geringsten Abstand zu dieser aufweist und somit den elektri­ schen Feldern am stärksten ausgesetzt ist. Gerade im Bereich der Längskanten ist die Abschirmung nach Fig. 7 besonders wirksam. Unter Umständen könnte man sogar auf eine Abschir­ mung an den Längskanten 4f und 4h oberhalb und unterhalb des Patienten 6 verzichten, da hier ein größerer Abstand zum Pa­ tienten vorliegt.

In Fig. 7 ist schließlich noch gestrichelt die Möglichkeit angedeutet, die Lamellen 12a, 12b zur Mitte des Untersu­ chungsraums hin kürzer zu machen. Dies ist deshalb möglich, weil - wie in Fig. 2 sichtbar - das elektrische Feld E an den beiden längsseitigen Rändern des Untersuchungsbereichs am stärksten ist und zur Mitte schwächer wird.

Claims (5)

1. Antennenanordnung mit Abschirmung für einen Kernspintomo­ graphen, wobei die Antenne (4) aus flächigen, am Umfang eines Untersuchungsraumes (7) angeordneten und sich in dessen Längsrichtung erstreckenden Leiterstrukturen (9) besteht, und teilweise mit Schirmelementen (11, 12) überdeckt ist, die mit einer den Untersuchungsraum (7) umgebenden Abschirmung (3) verbunden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Schirmelemente (11, 12) in Längsrichtung des Untersuchungsraums (7) erstrecken und an den stirnseitigen Enden der Antenne (4) großflächig mit der Abschirmung (3) verbunden sind.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmelemente (11, 12) in der Mitte des Untersuchungsraums (7) geteilt sind und an beiden Endseiten der Antenne (4) mit der Abschirmung (3) verbunden sind.

3. Antennenanordnung mit Abschirmung für ein Kernspintomogra­ phiegerät, wobei eine Antenne (4) aus mehreren Teilantennen besteht, die jeweils aus am Umfang des Untersuchungsraumes (7) angeordneten und sich in dessen Längsrichtung erstrecken­ den Leiterstrukturen (9) bestehen und teilweise mit kammartig angeordneten Schirmelementen (11, 12) überdeckt sind, die mit einer den Untersuchungsraum (7) umgebenden Abschirmung (3) verbunden sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Schirmelemente (11, 12) in azimutaler Richtung erstrecken und an dem jeweiligen Längs­ rand der Teilantennen (4) über breitbahnige, flächige Leiter (12c) mit der Abschirmung (3) verbunden sind, wobei zwischen den Leitern (12c) jeweils ein freier Querschnitt verbleibt.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Querschnitt dadurch vergrößert wird, daß die Leiter (12c) Ausnehmungen (12e) aufweisen, die dem freien Querschnitt zugewandt sind.

5. Antennenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (12c) senkrecht zur Längsachse des Untersuchungsraum (7) angeordnet sind.