DE4331021A1 - Antenna array for a magnetic resonance instrument - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Antennenarray für ein Magnet resonanzgerät mit einer Vielzahl von nebeneinander ange ordneten, im wesentlichen gleich ausgerichteten Antennen elementen, die magnetisch voneinander entkoppelt sind.The invention relates to an antenna array for a magnet resonance device with a variety of side by side ordered, essentially identically aligned antennas elements that are magnetically decoupled from each other.
Ein Antennenarray der eingangs genannten Art ist aus der PCT-Patentanmeldung WO 89/05115 bekannt. Das Antennenarray besteht aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten und magnetisch entkoppelten Antennenelementen, die zum Empfang von Magnetresonanzsignalen einem Untersuchungsge biet zugeordnet sind. Die Antennenelemente sind als recht eckförmige Leiterschleifen ausgebildet. Zur magnetischen Entkopplung überlappen sich benachbarte Antennenelemente.An antenna array of the type mentioned is from the PCT patent application WO 89/05115 known. The antenna array consists of a multitude of arranged side by side and magnetically decoupled antenna elements used for Receiving magnetic resonance signals from an examination ge are assigned. The antenna elements are right corner-shaped conductor loops. For magnetic Decoupling overlap adjacent antenna elements.
Die von den einzelnen Antennenelementen empfangenen Signale werden zu einem gemeinsamen Signal zusammengesetzt, indem die Phasenverschiebungen zwischen den einzelnen Signalen aufgrund der räumlichen Orientierung der Antennenelemente berücksichtigt wird.The signals received by the individual antenna elements are put together into a common signal by the phase shifts between the individual signals due to the spatial orientation of the antenna elements is taken into account.
Ein Antennenarray für Empfangszwecke ist ebenfalls aus der EP-A-0 273 484 bekannt.An antenna array for reception purposes is also from the EP-A-0 273 484 known.
Zur Anregung der Magnetresonanz wird bisher wegen ihres homogenen Anregungsfeldes eine Ganzkörperantenne als Sende antenne benutzt. Es ist jedoch wünschenswert den Ort und die Größe des Anregungsbereichs im Untersuchungsbereich einzustellen.Up to now, magnetic resonance has been stimulated because of its homogeneous excitation field a whole body antenna as a transmission antenna used. However, it is desirable the location and the size of the excitation area in the examination area adjust.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Antennen array der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß eine Anregung in einem Bereich, der nach Ort und Größe ein stellbar ist, möglich ist. The invention is based on the object of an antenna to further develop an array of the type mentioned at the beginning such that a suggestion in an area by location and size is adjustable, is possible.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jedes Antennenelement mit einer Sendeanordnung verbunden ist, die dem entspre chenden Antennenelement ein Sendesignal zuführt, und daß die Sendeanordnungen Phasenverschiebungsmittel umfassen, mit denen Phasenlagen der Sendesignale einstellbar sind. Die Phasenlagen der Sendesignale bestimmen den Ort und die Größe des angeregten Bereichs durch eine Feldformung oder Feldverteilung im Untersuchungsgebiet.The object is achieved in that each antenna element is connected to a transmission arrangement that corresponds to that chenden antenna element supplies a transmission signal, and that the transmission arrangements comprise phase shifting means, with which phase positions of the transmission signals can be set. The phase positions of the transmission signals determine the location and the Size of the excited area by field formation or Field distribution in the study area.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Sendean ordnungen Amplitudenstellmittel, mit denen Amplituden der Sendesignale einstellbar sind, wodurch die Feldformung neben einer entsprechenden Dimensionierung der Antennen elemente auch über die Amplituden der Sendesignale beein flußt werden kann.In an advantageous embodiment, the transmitters comprise orders amplitude adjusting means with which amplitudes of Send signals are adjustable, which allows the field formation in addition to a corresponding dimensioning of the antennas elements also affect the amplitudes of the transmission signals can be flowed.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von 7 Figuren erläutert. Es zeigen:The invention is described below with reference to 7 figures explained. Show it:
Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau eines Antennenarrays, Fig. 1 shows a basic construction of an antenna array,
Fig. 2 den Feldverlauf des Antennenarrays nach Fig. 1, Fig. 2 shows the field pattern of the antenna array according to Fig. 1,
Fig. 3 eine Anordnung von zwei Antennenarrays, zur Erzeugung eines linear polarisierten Hochfrequenzfeldes, Fig. 3 shows an arrangement of two antenna arrays for generating a linearly polarized RF field,
Fig. 4 bandförmige Leiterstücke als Antennenelemente, Fig. 4 strip-shaped conductor pieces as antenna elements,
Fig. 5 ein zirkular polarisierendes Antennenarray mit linearen Teilantennen nach Fig. 3, Fig. 5 is a circularly polarizing antenna array with linear sub-antennas according to Fig. 3,
Fig. 6 Leiterschleifen als Antennenelemente und Fig. 6 conductor loops as antenna elements and
Fig. 7 ein zirkular polarisierendes Antennenarray mit linearen Teilantennen nach Fig. 6. FIG. 7 shows a circularly polarizing antenna array with linear partial antennas according to FIG. 6.
Eine einfache Anordnung eines Antennenarrays zur Hochfre quenzanregung von Kernspins in einem Magnetresonanzgerät besteht gemäß Fig. 1 aus drei Antennenelementen 2, 4, 6. Die Antennenelemente 2, 4, 6 sind entlang einer z-Achse in Reihe angeordnet. Ein zur Anregung der Kernspins zusätzlich benötigtes Grundmagnetfeld (hier nicht dargestellt) ver läuft ebenfalls in Richtung der z-Achse. Jedes Antennen element 2, 4, 6 besteht aus jeweils zwei parallel und in gleichem Abstand zur z-Achse angeordneten Leiterstücken 8 bzw. 10 bzw. 12. Zur Anregung fließt beim Senden durch die gegenüberliegenden Leiterstücke 8 jeweils in entgegenge setzter Richtung ein Hochfrequenzstrom I₁, durch die Leiterstücke 10 entsprechend ein Hochfrequenzstrom I₂ und durch die Leiterstücke 12 entsprechend ein Hochfrequenz strom I₃. Hier interessiert nur das von den Antennen elementen 2, 4, 6 erzeugte Magnetfeld. Die Ströme I₁ und I₃ erzeugen an der z-Achse bei der eingezeichneten Stromrich tung ein Magnetfeld B₁ bzw. B₃, das in Fig. 1 senkrecht zur Papierebene nach oben ausgerichtet ist. Dagegen erzeugt der Strom I₂ an der z-Achse ein Magnetfeld B₂, das senkrecht zur Papierebene nach unten ausgerichtet ist. Es soll darauf hingewiesen werden, daß Ströme I₁, I₂, I₃ tatsächlich Hoch frequenzströme im Megahertzbereich sind, so daß sich Po larität und Stärke der Magnetfelder B₁, B₂, B₃ entsprechend ändert. Die Phasenlagen der Ströme I₁ und I₂ zueinander und I₂ und I₃ zueinander bleibt jedoch gleich und beträgt hier 180°.According to FIG. 1, a simple arrangement of an antenna array for high-frequency excitation of nuclear spins in a magnetic resonance device consists of three antenna elements 2 , 4 , 6 . The antenna elements 2 , 4 , 6 are arranged in series along a z-axis. A basic magnetic field (not shown here) required to excite the nuclear spins also runs in the direction of the z-axis. Each antenna element 2 , 4 , 6 consists of two conductor pieces 8, 10 and 12 arranged in parallel and at the same distance from the z-axis. For excitation flows when sending through the opposite conductor pieces 8 each in the opposite direction, a high frequency current I₁, through the conductor pieces 10 correspondingly a high frequency current I₂ and through the conductor pieces 12 correspondingly a high frequency current I₃. Here, only the magnetic field generated by the antenna elements 2 , 4 , 6 is of interest. The currents I₁ and I₃ generate a magnetic field B₁ or B₃ on the z-axis at the indicated current direction, which is oriented upwards in FIG. 1 perpendicular to the paper plane. In contrast, the current I₂ generates a magnetic field B₂ on the z-axis, which is oriented downwards perpendicular to the plane of the paper. It should be noted that currents I₁, I₂, I₃ are actually high frequency currents in the megahertz range, so that Po larity and strength of the magnetic fields B₁, B₂, B₃ changes accordingly. The phases of the currents I₁ and I₂ to each other and I₂ and I₃ to each other remain the same and here is 180 °.
Die Amplituden der von den Antennenelementen 2, 4, 6 er zeugten Magnetfelder B₁, B₂, B₃, entlang der z-Achse sind in Fig. 2 gestrichelt gezeichnet. Die drei Magnetfelder B₁, B₂, B₃ ergeben in Summe ein Magnetfeld B, das im wesent lichen senkrecht zur Papierebene nach unten ausgerichtet ist und dessen Amplitudenverlauf durch die durchgezogene Linie veranschaulicht ist. Aus dem Amplitudenverlauf des Summenfeldes B ist zu erkennen, daß sich der Anregungs bereich des Antennenarrays auf die Mitte konzentriert und daß sich zu den Enden hin ein gegenüber einem einzigen Antennenelement stärkerer Feldabfall ergibt. Das wird er reicht durch die Phasenverschiebung der Ströme I₁, I₂, I₃ zueinander.The amplitudes of the antenna elements 2 , 4 , 6, he testified magnetic fields B₁, B₂, B₃, along the z-axis are shown in dashed lines in Fig. 2. The three magnetic fields B₁, B₂, B₃ result in a total of a magnetic field B, which is oriented downwards in wesent union perpendicular to the paper plane and whose amplitude profile is illustrated by the solid line. From the amplitude curve of the sum field B can be seen that the excitation area of the antenna array is concentrated on the center and that there is a stronger field drop compared to a single antenna element towards the ends. That will be enough by the phase shift of the currents I₁, I₂, I₃ to each other.
Fig. 3 zeigt nun ein Antennenarray mit einer Vielzahl von Antennenelementen, wobei hier nur drei Elemente 2, 4, 6 dargestellt sind, die tatsächliche Anzahl der Antennen elemente ist größer. Jedes Antennenelement 2, 4, 6 besteht aus zwei gegenüberliegend parallel angeordneten Leiter stücken 8, 10, 12, ähnlich wie schon anhand von Fig. 1 be schrieben ist. Die einzelnen Leiterstücke 8, 10, 12, sind hier alle mit einem Hochfrequenzschirm 14 elektrisch lei tend direkt oder über Reaktanzen verbunden. Der Hochfre quenzschirm 14 umschließt zylinderförmig ein Untersuchungs volumen 16 und verhindert somit zumindest teilweise, daß hochfrequente Störfelder außerhalb des Hochfrequenzschirms 14 auftreten. Zur magnetischen Entkopplung der Antennen elemente 2, 4, 6 untereinander überlappen sich benachbarte Leiterstücke 8, 10, 12 gegenseitig. Die von jeweils einer Sendeanordnung erzeugten Sendesignale I₁, I₂, I₃ werden kapazitiv oder induktiv den Leiterstücken 8, 10, 21 aufge prägt. Fig. 3 shows an antenna array with a plurality of antenna elements, only three elements 2 , 4 , 6 are shown here, the actual number of antenna elements is greater. Each antenna element 2 , 4 , 6 consists of two opposing parallel conductor pieces 8 , 10 , 12 , similar to what has already been described with reference to FIG. 1 be. The individual conductor pieces 8 , 10 , 12 , are all connected to a high-frequency shield 14 electrically directly or via reactances. The Hochfre quenzschirm 14 encloses a cylindrical examination volume 16, thus preventing, at least partially, that high-frequency interference fields occur outside of the radio-frequency shield fourteenth For the magnetic decoupling of the antenna elements 2 , 4 , 6 , adjacent conductor pieces 8 , 10 , 12 overlap one another. The transmission signals generated by a transmission arrangement I₁, I₂, I₃ are capacitively or inductively embossed the conductor pieces 8 , 10 , 21 .
Die Sendesignale I₁, I₂, I₃ unterscheiden sich hier nicht nur in ihrer Phasenlage, sondern zur besseren Einstellung der Feldform auch in ihrer Amplitude. Der Unterschied der Phasenlagen der Sendesignale ist nicht auf 180° beschränkt, er kann - je nach gewünschter Feldform - beliebige Werte zwischen 0° und 360° aufweisen. Dazu umfaßt jede Sendean ordnung 18 Phasenverschiebungs- und Amplitudenstellmittel 19, die jeweils ein digitales Steuersignal mit einer ent sprechenden Amplitude und Phasenlage erzeugen. Eine Steue rung 20 gibt die Amplituden und Phasenlagen vor. Die Sende anordnungen 18 umfassen Digital-Analog-Wandler 21, die aus den digitalen analoge Steuersignale erzeugen. Die von den Digital-Analog-Wandlern 21 erzeugten Steuersignale werden in den Sendeanordnungen 18 von Verstärkern 22 zu einem Leistungssignal verstärkt. Sollen Sendesignale mit einer Frequenz von z. B. 63 MHz erzeugt werden, kann die oben an gegebene direkte Digital-Analog-Umsetzung noch zu ungenau oder zu aufwendig sein. Dann können die Sendesignale auch konventionell mit einer Mischstufe dazwischen erzeugt werden. The transmit signals I₁, I₂, I₃ not only differ in their phase position, but also for their better setting of the field shape in their amplitude. The difference in the phase positions of the transmission signals is not limited to 180 °, it can have any values between 0 ° and 360 °, depending on the desired field shape. For this purpose, each Sendean arrangement includes 18 phase shift and amplitude adjusting means 19 , each of which generates a digital control signal with a corresponding amplitude and phase position. A control 20 specifies the amplitudes and phase positions. The transmission arrangements 18 include digital-to-analog converter 21 , which generate digital analog control signals from the. The control signals generated by the digital-to-analog converters 21 are amplified in the transmitters 18 by amplifiers 22 to form a power signal. Are transmission signals with a frequency of z. B. 63 MHz are generated, the above given direct digital-to-analog implementation may still be too imprecise or too complex. Then the transmission signals can also be generated conventionally with a mixer in between.
In Fig. 4 sind nun in einer Detailansicht die mit dem Hoch frequenzschirm verbundenen Leiterstücke 8, 10, 12, darge stellt. Die rechteckigen, bandförmigen Leiterstücke 8, 10, 12 überlappen sich zur magnetischen Entkopplung teilweise. Um die elektrische Isolierung der benachbarten Leiterstücke 8, 10, 12 zu erreichen, sind sie abwechselnd in zwei über einanderliegenden Ebenen angeordnet. In Fig. 4 hat das Lei terstück 10 einen etwas größeren Abstand zum Hochfrequenz schirm 14 als die Leiterstücke 8, 12. Die elektrischen Ver bindungen der rechteckförmigen Leiterstücke 8, 10, 12 zum Hochfrequenzschirm erfolgen über dünne Zuleitungen 20, die wegen der Überlappung durch entsprechende Durchgangslöcher 26 in den Leiterstücken 8, 12 durchgeführt sind.In Fig. 4 are now in a detailed view the connected to the high frequency screen conductor pieces 8 , 10 , 12 , Darge provides. The rectangular, band-shaped conductor pieces 8 , 10 , 12 partially overlap for magnetic decoupling. In order to achieve the electrical insulation of the adjacent conductor pieces 8 , 10 , 12 , they are arranged alternately in two levels lying one above the other. In Fig. 4, the Lei terstück 10 has a slightly larger distance to the high-frequency screen 14 than the conductor pieces 8 , 12th The electrical connections of the rectangular conductor pieces 8 , 10 , 12 to the high-frequency shield are made via thin leads 20 , which are carried out in the conductor pieces 8 , 12 because of the overlap through corresponding through holes 26 .
Fig. 5 zeigt schematisch in einer Vorderansicht ein zirkular polarisierendes Antennenarray, das aus zwei um 90° in einer x-y-Ebene zueinander gedrehten linearen Teilantennen nach Fig. 3 aufgebaut ist. Die in Fig. 3 gezeigte z-Achse steht hier senkrecht auf der Papierebene. Die Sendeanordnungen 18 sind aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt. Wer den die beiden linearen Teilantennen mit um 90° phasenver schobenen Sendesignalen angesteuert, ergibt sich ein in der x-y-Ebene rotierendes Summenmagnetfeld B. Das Summenmag netfeld B weist entlang der z-Achse die vorgegebene Feld form auf, wenn - wie schon oben beschrieben - die Sende signale für die Antennenelemente 8, 10, 12 entsprechende Amplituden und Phasenverschiebungen aufweisen. Fig. 5 shows schematically a front view of a circularly polarizing antenna array which is made up of two 90 ° to each other in an xy plane rotated linear sub-antennas of FIG. 3. The z-axis shown in Fig. 3 is here perpendicular to the paper plane. The transmission arrangements 18 are not shown for reasons of clarity. If you control the two linear sub-antennas with 90 ° phase-shifted transmission signals, the result is a total magnetic field B rotating in the xy plane. the transmit signals for the antenna elements 8 , 10 , 12 have corresponding amplitudes and phase shifts.
Fig. 6 zeigt ein Antennenarray, das aus Antennenelementen zu sammengesetzt ist, die jeweils eine vollständige Leiter schleife 30, 32, 34, 36 bilden. Benachbarte Leiterschleifen 30, 32, 34, 36 überlappen sich zur magnetischen Entkopplung teilweise. Auch hier ist, wie anhand von Fig. 3 schon be schrieben, jede Leiterschleife 30, 32, 34, 36 mit einer Sendeanordnung 18 verbunden. Fig. 6 shows an antenna array, which is composed of antenna elements, each forming a complete conductor loop 30 , 32 , 34 , 36 . Adjacent conductor loops 30 , 32 , 34 , 36 partially overlap for magnetic decoupling. Here, too, as already described with reference to FIG. 3, each conductor loop 30 , 32 , 34 , 36 is connected to a transmission arrangement 18 .
Fig. 7 zeigt in einer Vorderansicht ein zirkular polarisie rendes Antennenarray, welches aus vier einzelnen linearen Teilantennen nach Fig. 6 aufgebaut ist. Die von dem Anten nenarray nach Fig. 6 gebildeten Teilantennen sind auf dem Umfang eines Zylinders jeweils um 90° in einer x-y-Ebene gedreht angeordnet. Die Arrays selbst erstrecken sich in z- Richtung. Diese Anordnung kann auch ohne Hochfrequenzschirm betrieben werden. Hier überlappen sich zur magnetischen Entkopplung auch die Teilantennen teilweise. Bei einer An steuerung der Teilantennen mit um 90° phasenverschobenen Sendesignalen wird ein in der x-y-Ebene zirkular polari siertes Hochfrequenzfeld B erzeugt. Die Feldformung entlang der z-Achse erfolgt über eine Speisung der Antennenelemente 30, 32, 34, 36, mit den entsprechenden Hochfrequenzströmen I₁, I₂, I₃, I₄, wie schon vorstehend beschrieben ist. Fig. 7 shows a front view of a circularly polarizing antenna array which is constructed from four individual linear sub-antennas according to FIG. 6. The partial antennas formed by the antenna array according to FIG. 6 are each rotated on the circumference of a cylinder by 90 ° in an xy plane. The arrays themselves extend in the z direction. This arrangement can also be operated without a high-frequency shield. Here, the partial antennas also partially overlap for magnetic decoupling. When the partial antennas are controlled with transmit signals phase-shifted by 90 °, a radio-frequency field B that is circularly polarized in the xy plane is generated. The field formation along the z-axis takes place by feeding the antenna elements 30 , 32 , 34 , 36 , with the corresponding high-frequency currents I₁, I₂, I₃, I₄, as already described above.
Wird zwischen den Antennenelementen 2, 4, 6 und den Ver stärkern 22 eine Sende-Empfangsweiche (hier nicht gezeigt) eingefügt, kann das Array ebenfalls zum Empfang von Kern spinresonanzsignalen verwendet werden.If a transmit / receive switch (not shown here) is inserted between the antenna elements 2 , 4 , 6 and the amplifiers 22 , the array can also be used to receive core spin resonance signals.
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