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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Magnetresonanzbildgebung.
Sie findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit dabei verwendeten
Hochfrequenzspulen (HF-Spulen).
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Die
Magnetresonanzbildgebung (MRI) ist ein weit verbreitetes diagnostisches
Bildgebungsverfahren. MRI-Vorrichtungen enthalten ein Magnetgerät zur Erzeugung
eines sehr starken, homogenen statischen Magnetfelds innerhalb einer
Untersuchungsregion. Eine so genannte „offene" Magnetanordnung umfasst ein an gegenüberliegenden
Seiten der Untersuchungsregion angeordnetes Paar Polschuhe. Weiterhin
enthalten MRI-Systeme eine HF-Spulenanordnung, um magnetische Resonanz
in der Untersuchungsregion anzuregen und zu erkennen. Um magnetische
Resonanz anzuregen, werden Sendespulen zur Erzeugung eines rotierenden
HF-Felds verwendet. Ein Beispiel für ein derartiges System, das
dem Gerät
gemäß der Einleitung
von Anspruch 1 entspricht, ist in der Patentschrift EP-A-0.803.738 zu finden,
in der unter anderem planare HF-Spulen für C-Magneten beschrieben werden.
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Eine
Reihe sich teilweise widersprechender Betrachtungen haben Einfluss
auf die HF-Spulenkonstruktion. Für
eine maximale Größe der Untersuchungsregion
ist es wünschenswert,
dass die Spulen möglichst
dünn sind.
Gleichzeitig ist es erwünscht, dass
die Spulen möglichst
effizient sind, so dass sie bei einer gegebenen Eingangsleistung
ein relativ großes
HF-Feld erzeugen. Außerdem
ist es erforderlich, dass die Spulen auf die HF-Erregungsfrequenz abgestimmt sind, beispielsweise
auf die Larmorfrequenz von Wasserstoffatomen, die vom statischen Magnetfeld
beeinflusst werden. Um ein HF-Feld zu erzeugen, das in einer Ebene
senkrecht zum Hauptmagnetfeld rotiert, wurden zwei in einem Winkel
von 90° zueinander
gedrehte HF-Spulen vorgesehen, die um 90° phasenverschoben angesteuert
werden.
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HF-Spulen
für so
genannte offene Magnetsysteme haben planare Butterfly-Spulen. Jede Hälfte einer
Butterfly-Spule enthält
eine relativ kleine Anzahl von Leiterwindungen (z.B. zwei), die
so gestaltet sind, dass sie das gewünschte Magnetfeld innerhalb der
Untersuchungsregion erzeugen. Die Spulen sind durch Leiterbahnen
mit einer „Bank" aus diskreten Abstimmkondensatoren
verbunden. Diese Anordnung hat verschiedene Nachteile. Erstens kann
es zu einer signifikanten kapazitiven Kopplung zwischen den rotierenden
Spulen kommen. In Verbindung mit der an den Spulen anliegenden hohen
Spannung hat dies eine nachteilige Auswirkung auf den Wirkungsgrad
der Spule. Außerdem
sind die mit den diskreten Abstimmkondensatoren verbundenen Schaltungsbrücken häufig schmal
und erhöhen
dadurch die gespeicherte magnetische Energie, was nicht zum nützlichen
Magnetfeld beiträgt.
Ferner müssen
die Abstimmkondensatoren selbst von relativ hoher Qualität sein und
sind auch oft unförmig.
Obwohl eine größere Anzahl
von Spulen wünschenswert
ist, führte
eine Erhöhung
der Windungszahl zu einer Verringerung der Eigenresonanzfrequenz
der Spule, die dadurch unter die Larmorfrequenz fiel. Zudem haben mit
den Spulen verbundene radiale Stromkomponenten zu unerwünschten
Komponenten im HF-Feld geführt.
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In
P. Sullenberger et al.: „Surface
Coil Designs for Easy Patient Specific Tuning", 7. Treffen der SMR, 1988, Bd. 2, S.
864, wird eine Abstimmspule beschrieben und in 2 dargestellt.
Um einen Abschnitt eines Acrylrohrs herum wurde eine 5 Zoll (12,7
cm) große
konzentrische Plattenkondensatorspule geformt, die durch eine variierende
Plattenüberlappung
abgestimmt wird. Indem man die parallelen ringförmigen Platten dreht, lässt sich
die Kapazität
der Spule verändern.
Die beschriebenen Spulen sind kleine Oberflächenspulen, die in einem begrenzten
interessierenden Bereich eingesetzt werden.
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Ein
Spulenpaar wurde mit dem oberen Polschuh und ein entsprechendes
Paar mit dem unteren Polschuh verbunden. Die den Polschuhen am nächsten liegenden
Spulen wurden in einer ersten Winkelposition ausgerichtet, und die
der Abbildungsregion am nächsten
liegenden Spulen wurden in einer zweiten, 90° zur ersten versetzten und um
die z-Achse gedrehten Winkelposition ausgerichtet. Die dem Polschuh
am nächsten
liegenden Spulen wurden angesteuert, um eine erste Komponente des
rotierenden HF-Feldes zu erzeugen, während die der Abbildungsregion
am nächsten
liegenden Spulen angesteuert wurden, um eine um 90° versetzte
Feldkomponente zu erzeugen. Allerdings war der Wirkungsgrad des
den Polschuhen näher
liegenden Spulenpaares (und damit der HF-Schirm bzw. die HF-Abschirmung)
geringer als der des der Untersuchungsregion näher liegenden Paares. Infolgedessen
hatte das HF-Feld im Zentrum der Abbildungsregion eine unerwünschte lineare
Komponente, die aus der Differenz zwischen der Amplitude der 0°- und der 90°-Komponente
resultierte.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Magnetresonanzbildgebungsgerät einen
Magneten mit ersten und zweiten Polschuhen, die an gegenüberliegenden
Seiten einer Untersuchungsregion angeordnet sind, Mittel zum Erzeugen
zeitvariabler Gradientenmagnetfelder innerhalb der Untersuchungsregion,
Mittel zum Anregen magnetischer Resonanz in einem in der Untersuchungsregion
befindlichen Objekt, Mittel zum Erkennen magnetischer Resonanz in
dem Objekt, und Mittel zum Erzeugen eines Bildes, das durch Detektionsmittel
erkannte Magnetresonanzsignale anzeigt. Das Mittel zum Anregen von
Magnetresonanz umfasst eine Spule zum Erzeugen eines HF-Felds in
der Untersuchungsregion. Die Spule enthält ein Substrat mit einer ersten
und einer zweiten Hauptoberfläche,
eine erste Vielzahl von Spulensegmenten, die auf der ersten Hauptoberfläche angeordnet
ist, und eine zweite Vielzahl von Spulensegmenten, die auf der zweiten Hauptoberfläche angeordnet
ist. Aufeinanderfolgende der genannten, in Reihe geschalteten Spulensegmente
sind auf alternierenden ersten und zweiten Hauptoberflächen des
Substrats angeordnet. Überlappende
Teile der entsprechenden auf den ersten und zweiten Hauptoberflächen angeordneten
Spulensegmente bilden einen Kondensator, der dazwischen eine elektrische
Reihenschaltung schafft.
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Gemäß einem
eingeschränkten
Aspekt der vorliegenden Erfindung bilden die erste und die zweite
Vielzahl von Spulensegmenten eine im Allgemeinen spiralförmige Wicklung.
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Gemäß einem
weiteren, eingeschränkteren Aspekt
ist die Wicklung durch sechs Windungen gekennzeichnet.
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Gemäß einem
weiteren, noch stärker
eingeschränkten
Aspekt hat das Gerät
in den Wicklungen Brücken,
die jeweils eine radiale Stromkomponente einbringen, wobei eine
entsprechende Brücke
auf der anderen Seite des Substrats, die eine gleiche, aber entgegengesetzte
radiale Stromkomponente einbringt, weshalb die Summe der von den
einzelnen Brücken
eingebrachten radialen Stromkomponenten im Wesentlichen Null ist.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Resonanzfrequenz der Spule
gleich der Frequenz eines an die Spule angelegten Anregungssignals.
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Gemäß einem
weiteren, eingeschränkteren Aspekt
der vorliegenden Erfindung ist die Breite des überlappenden Teils der Spulensegmente
gleich der Breite des nicht überlappenden
Teils.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält das Gerät weiterhin Mittel, um den Überlappungsbereich
zwischen den ersten und zweiten Spulensegmenten zu justieren.
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Gemäß noch einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der vorliegenden Erfindung enthalten die Anregungsmittel
eine erste, zwischen dem ersten Polschuh und der Untersuchungsregion
angeordnete Spule, eine zweite, zwischen der ersten Spule und der
Untersuchungsregion angeordnete Spule, eine dritte, zwischen dem
zweiten Polschuh und der Untersuchungsregion angeordnete Spule,
und eine vierte, zwischen der dritten Spule und der Untersuchungsregion
angeordnete Spule. Die erste und die dritte Spule erzeugen eine
erste HF-Feldkomponente, und die zweite und die vierte Spule erzeugen
eine HF-Feldkomponente
mit 90° Versatz
zur ersten HF-Feldkomponente.
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Gemäß einem
weiteren eingeschränkten
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst das Substrat ein Glasfasergewebe
und PTFE.
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Im
Folgenden werden Möglichkeiten
zur Ausführung
der Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die
begleitende Zeichnung ausführlich
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Magnetresonanzbildgebungsgerät gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Seitenansicht des Magnetresonanzbildgebungsgerätes, die
die relative Lage der HF-Sendespulen darstellt;
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3 eine
Draufsicht auf die untere Ebene einer ersten HF-Spule;
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4 eine
Draufsicht auf die obere Ebene einer ersten HF-Spule;
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5 ein
Ersatzschaltbild für
eine HF-Spule;
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6 eine
Draufsicht auf die untere Ebene einer zweiten HF-Spule; und
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7 eine
Draufsicht auf die obere Ebene einer zweiten HF-Spule.
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Bezug
nehmend auf 1 enthält ein MRI-Gerät, das Bilder
von der Anatomie eines Patienten 1 erzeugt, einen im Wesentlichen
c-förmigen Magnetkörper 3.
Der Patient 1 wird in einer Bildgebungsregion platziert, die sich
zwischen einem Paar sich gegenüberliegender
Polschuhe 23 befindet. Eine Hauptmagnetfeldsteuerung 5 führt den
zu jedem Polschuh gehörenden
Treiberspulen 2 Erregerstrom zu, um das Hauptmagnetfeld
Bo in z-Richtung zu erzeugen. Streben 4 verbinden die Polschuhe 23 mit
dem Magnetkörper 3 und
schaffen so einen Rückweg
durch den Magnetkörper.
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Zwischen
den Polschuhen 23 und der Abbildungsregion befindliche
Gradientenspulenanordnungen 6 erzeugen zeitvariierende
Gradientenmagnetfelder, vorzugsweise in drei orthogonalen Richtungen (z.B.
x, y, z). Die jeweiligen Gradientenspulen wer den durch eine Gradientenfeldsteuerung 9 erregt,
die einen zu jeder Spule gehörenden
Gradientenfeldverstärker
enthält.
Die Gradientensteuerung 9 wird ihrerseits durch einen Computer 11 gesteuert,
um zeitvariierende Gradientensequenzen zu erzeugen, die zur Ausführung einer
gewünschten
Magnetresonanzanregungs- und -erkennungssequenz erforderlich sind.
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Ein
HF-Spulensystem 7 dient dazu, magnetische Resonanz in dem
zu untersuchenden Objekt anzuregen und zu erkennen. Vorzugsweise
sind separate Sende- und Empfangsspulen vorgesehen. Alternativ kann
eine einzelne Spule sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben
werden. Obwohl nur die zu dem unteren Polschuh gehörenden Spulen 7 dargestellt
sind, ist auf ähnliche
Weise ein zweiter Satz HF-Spulen in Beziehung zum oberen Polschuh
angeordnet, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben
wird.
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Zum
Anregen von Magnetresonanz im Objekt wird unter der Steuerung des
Computers 11 ein Sendespulensystem durch einen HF-Sender 15 mit Strom
versorgt, um ein HF-Feld anzulegen. Um Magnetresonanzsignale zu
erkennen, werden von einer Empfangsspule aufgenommene Signale über einen Empfänger 19 an
einen Bildgeber 21 weitergeleitet, der die Signale unter
der Steuerung des Computers 11 verarbeitet, um ein Bild
zu erstellen, das den Körper
des Patienten darstellt. Diese Signale werden wiederum an eine Anzeigevorrichtung 24 weitergeleitet,
um eine visuell lesbare Darstellung des Bildes zu liefern.
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Bei
Betrieb des Geräts
definiert das vom Magneten erzeugte starke Magnetfeld im Körper des Patienten
1 eine Gleichgewichtsachse magnetischer Ausrichtung. Um ein Bild
des ausgewählten
Bereichs zu erhalten, beispielsweise einer Querschnittschicht des
Körpers,
wird dem Patienten zunächst
mit Hilfe des Spulensystems 7 ein HF-Feldimpuls zugeführt, um
im ausgewählten
Bereich magnetische Resonanz anzuregen. Zu diesem Zweck erzeugt
das Spulensystem 13 ein Feld orthogonal zur Richtung des
statischen Felds, um die Spins der Kerne im ausgewählten Bereich
aus der Richtung des statischen Felds zu kippen. Um die Anregung
auf einen gewünschten
Bereich zu begrenzen, wird der HF-Feldimpuls in Verbindung mit den durch
die Spulenanordnung 6 auferlegten Magnetfeldgradienten
zugeführt,
wobei die Frequenz des HF-Felds in Verbindung mit der Größe und der
Richtung der auferlegten Gradienten so gewählt wird, dass die Larmorfrequenz
von Protonen im Körper,
z.B. von Wasserstoffprotonen, nur mit der HF-Feldfrequenz im gewünschten
Bereich übereinstimmt.
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Die
aus der Anregung resultierenden HF-Signale werden dann räumlich codiert,
indem ein oder mehrere weitere Gradientenmagnetfelder auf bekannte
Weise angelegt, durch das HF-Spulensystem 7 erkannt und
verarbeitet werden, um ein visuell lesbares Bild beispielsweise
auf einem Monitor 24 zu erzeugen. Normalerweise ist eine
Anzahl von Anregungs- und Signalerkennungssequenzen erforderlich,
um genügend
Daten für
die Erzeugung eines zufrieden stellenden Bildes zu sammeln.
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Bezug
nehmend auf 2 befinden sich zwischen dem
oberen Polschuh 23U und der Untersuchungsregion obere Gradientenspulen 6U.
Zwischen den oberen Gradientenspulen 6U und der Untersuchungsregion
sind ein HF-Schirm oder eine HF-Abschirmung 50U bestehend
aus einem leitenden Material wie einem Kupferdrahtgeflecht, eine
Isolierschicht 52, eine erste HF-Spule 54, eine
Isolierschicht 56 und eine zweite HF-Spule 58 angeordnet. Auf ähnliche
Weise sind zwischen dem unteren Polschuh 23L und der Untersuchungsregion
untere Gradientenspulen 6L angeordnet. Zwischen den unteren Gradientenspulen 6L und
der Untersuchungsregion sind ein zweiter HF-Schirm 50L,
eine Isolierschicht 60, eine dritte HF-Spule 62,
eine Isolierschicht 64 und eine vierte HF-Spule 66 angeordnet.
Zwischen den Sendespulen und der Untersuchungsregion befinden sich
Empfangsspulen (nicht dargestellt). Um die Streukapazität zwischen
den verschiedenen Schichten zu minimieren, sind die Isolierschichten 52, 56, 60, 64 aus
einem Material mit einer dielektrischen Konstante nahe Eins hergestellt,
zum Beispiel einem polymeren PVC-Schaum.
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Die
HF-Sendespulen 54, 58, 62, 66 haben
jeweils elektrische Leiter, die auf beiden Seiten eines isolierenden
Substrats angeordnet sind. Vorzugsweise wird ein handelsübliches
Leiteplattenmaterial wie ein mit PTFE beschichtetes Glasfasergewebe
verwendet, das auf beiden Seiten mit Kupfer überzogen ist. In den Kupferüberzug sind
geeignete Leitermuster eingeätzt.
Das Leiterplattenmaterial sollte so dünn wie möglich sein und eine relativ
hohe dielektrische Konstante haben. Um die Wiederholbarkeit und
Stabilität
der Spulenabstimmung sicherzustellen, sollte das Verhältnis von
dielektrischer Konstante zur Dicke des Materials gleichmäßig und
von Einheit zu Einheit sowie über
den gesamten zu erwartenden Betriebstemperaturbereich der Spule
möglichst
stabil sein. Ein zufrieden stellender Betrieb wurde beispielsweise
mit einem Substrat erreicht, das eine Dicke von 0,5 mm und eine
dielektrische Konstante von etwa 2,55 hat.
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3 zeigt
das Leitermuster für
die untere Seite der Spulen 58 und 66, wobei Kupfer
schwarz dargestellt ist. Die untere Seite enthält im Allgemeinen symmetri sche
erste 100 und zweite 102 Hälften. 4 zeigt
das Leitermuster für
die obere Seite der Spulen 58 und 66. Die obere
Seite enthält
ebenfalls im Allgemeinen symmetrische erste 104 und zweite 106 Hälften. Bei Überlagerung
werden die Leiter auf der oberen und unteren Seite kombiniert, um
ein spiralförmiges
Leitermuster aus mehreren Windungen auf beiden Spulenhälften zu
schaffen.
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Weiterhin
Bezug nehmend auf die 3 und 4, wobei
insbesondere die erste Hälfte 104 der Spule
betrachtet wird, enthalten die Spulen 58, 66 Leiter 150, 152, 154, 156, 158, 160, 162, 164, 166, 168 und 170,
die durch eine entsprechende, in den 3 und 4 als
L1, L2 ... L11 bezeichnete Induktivität gekennzeichnet sind. Die
Leiter auf der unteren Seite der Spulen überlappen die Leiter auf der
oberen Seite in den in 3 mit 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120, 122, 124 und 126 gekennzeichneten
Bereichen, um die Platten der mit C1, C2 ... C10 bezeichneten Kondensatoren
zu bilden. Zusätzliche Überlappungen
treten in den mit 128 und 130 gekennzeichneten
Bereichen auf, um die Platten der mit Cz und Cd bezeichneten Kondensatoren
zu bilden. Die Kondensatoren Cz und Cd bilden ein kapazitives Teilernetzwerks,
dass die Anpassung an ein 95-100-Ohm-HF-Kabel erleichtert. Die Kapazität der Kondensatoren
lässt sich
auf der Basis des Überlappungsbereichs
(z.B. der Plattenfläche),
des Abstands zwischen den Leitern und der dielektrischen Konstante
des Leiterplattensubstrats berechnen. Der Wert jedes Kondensators
wird vorzugsweise so gewählt,
dass die in der Induktivität
eines entsprechenden Spulensegments erzeugte Spannung kompensiert
wird. Bei der Anregungsfrequenz ist der kapazitive Blindwiderstand
jedes Kondensators gleich dem induktiven Blindwiderstand eines entsprechenden Spulensegments.
In der dargestellten Ausführungsform
hat jede Hälfte
der Spule sechs Windungen.
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Obwohl
bisher hauptsächlich
die erste Hälfte der
Spule besprochen wurde, ist dies gleichermaßen auf die zweite Hälfte anwendbar.
Die zugehörigen Spulenhälften sind
so verbunden, dass das entsprechende Ersatzschaltbild der Spule
wie in 5 dargestellt aussieht. Die HF-Anschlüsse an der
Spule sind an den Punkten 180 und 182 vorgenommen worden.
Günstigerweise
fließt
der HF-Strom durch die Spule durch die aus dem Material des Leiterplattensubstrats
bestehenden Kondensatoren. Dadurch bilden das Spulensubstrat und
die Leiter selbst die erforderlichen Kondensatoren, so dass jede
Hälfte der
Spule als L-C-Reihenschaltung ausgeführt werden kann. Die Resonanzfrequenz
der Spule ist identisch mit der Frequenz des an die Spule angelegten Anregungssignals.
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Zu
jeder der Überlappungsflächen gehört eine
Vielzahl von Zusatzleitern 200, die jeweils einen Bereich
haben, der es ermöglicht,
den Wert jedes Kondensators zu verändern. Jeder Zusatzleiter 200 ist
durch eine relativ dünne
elektrisch leitende Leiterbahn 202 mit dem entsprechenden
Hauptleiter verbunden. Der Überlappungsbereich,
und damit die Kapazität,
kann durch Abtrennen der dünnen
Leiterbahn 202 leicht justiert werden. Dies wiederum erleichtert
das Abstimmen der Spule. Alternativ können andere Verfahren für das Verändern des Überlappungsbereichs
vorgesehen werden. Beispielsweise könnte man die Zusatzleiter von
den Hauptleitern elektrisch isolieren, indem man nach Bedarf elektrische
Drahtbrücken
oder Verbinder einsetzt, oder es könnte zusätzliches Leitermaterial in
hierfür
vorgesehenen Bereichen am Spulensubstrat befestigt werden. Je nach
Gleichförmigkeit
der Leiterplattensubstrate, dem Ätzverfahren,
der Reproduzierbarkeit der HF-Abschirmungsform
und der erforderlichen Abstimmtoleranz können die Zusatzleiter weggelassen werden.
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Mit
Ausnahme der Überlappungsbereiche wird
vorzugsweise die Überlappung
zwischen den Leitern auf der ersten und der zweiten Seite minimiert.
Wo die Schaltungskonfiguration zusätzliche Überlappungen erforderlich macht,
sind entsprechende Brückenbereiche 204, 206 vorgesehen.
Die Leiter in den entsprechenden Brückenbereichen sind in einem
Winkel so ausgerichtet, dass die Kopplung zwischen den Schichten
minimiert wird. Ferner wird der Oberflächenbereich und damit die kapazitive Kopplung
in den Brücken
vorteilhaft reduziert, indem jeder Brückenbereich 204, 206 so
konfiguriert wird, dass er eine Vielzahl relativ schmalerer Leiterbahnen 206 enthält.
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Um
den auf Streukapazität
zurückzuführenden
minimalen Stromfluss zwischen der ersten und der zweiten Schicht
zu minimieren, befinden sich die Brücken vorzugsweise dort, wo
die Spannung zwischen den entsprechenden Leitern möglichst
gering ist. Wie oben angemerkt ist es wünschenswert, dass die in jeder
Windung angeordneten Kondensatoren die in der Windung akkumulierte
Spannung kompensieren, so dass die Spannung entlang der Spule relativ
niedrig bleibt. Wie aus den 3, 4, 6 und 7 ersichtlich
ist, können
die Brückenbereiche
zweckmäßigerweise
entlang einer Symmetrielinie der Spule angeordnet sein. Basierend
auf einer gewünschten
Anordnung für
die Brücken
wird der Wert der Kondensatoren so gewählt, dass die Spannung in den
Brückenbereichen
möglichst
gering ist. Anders ausgedrückt
wird die Spannung in den vorgegebenen Brückenstellen so niedrig wie
möglich
gehalten.
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Die
Leiter in jeder Hälfte
der Spule sind so angeordnet, dass der rechtwinklig zu den Leitern
fließende
Strom im Wesentlichen aufgehoben wird. Insbesondere bringt jede
Brücke 204 eine
radiale Stromkomponente ein. Die entsprechende Brücke 206 auf der
anderen Seite der Leiterplatte bringt jedoch eine gleiche, aber
entgegengesetzte radiale Stromkomponente ein. Infolgedessen sind
die von den einzelnen Brücken
eingebrachten radialen Stromkomponenten im Wesentlichen Null. Die
Leiter auf der einen Seite der Leiterplatte bilden eine Spirale,
in der der Strom von der Außenseite
zur Innenseite der Spirale fließt. Die
Leiter auf der anderen Seite bilden eine Spirale, in der der Strom
Innenseite zur Außenseite
der Spirale fließt.
Somit kann ein im Wesentlichen spiralförmiges Wicklungsmuster geschaffen
werden, während
unerwünschte
radiale Stromkomponenten aufgehoben werden.
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Die
betrieblichen Eigenschaften der HF-Spule hängen von einer Reihe unabhängiger Variablen ab.
Wünschenswert
ist insbesondere, dass die Stärke
des rotierenden HF-Felds über
den gesamten Abbildungsbereich konstant ist und unerwünschte sphärische Oberschwingungen
in der Zerlegung des rotierenden HF-Felds vermieden werden.
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Um
die Leistungsanforderungen des HF-Verstärkers zu minimieren und die
HF-Feldstärke
zu maximieren, ist es außerdem
wünschenswert,
dass die in der Spule gespeicherte magnetische Energie so gering
wie möglich
ist. Anders ausgedrückt
ist es erwünscht,
dass die Induktivität
der HF-Spule so gering wie möglich
ist.
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Um
maximalen Platz für
den Patienten zu schaffen, sollte die HF-Spule so dünn wie möglich sein.
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Es
ist jedoch zu beachten, dass eine praktische Spule einen Kompromiss
zwischen diesen Anforderungen darstellt.
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Daher
wird die Konfiguration der Spule vorzugsweise mit Hilfe eines in
der Technik üblichen
numerischen Optimierungsverfahrens optimiert. Um die Komplexität der Optimierung
zu reduzieren und unerwünschte
sphärische
Oberschwingungen aus der Zerlegung des HF-Felds zu entfernen, wird
die Form der Windungen durch eine Stromverteilungsfunktion V(r)
ausgedrückt,
wobei r der Radius eines Punktes auf einer Schicht ist.
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Die
Funktion V(r) beschreibt die Windungen wie folgt. Die Grenze zwischen
zwei benachbarten Windungen ist eine Vielzahl von Punkten, die folgenden
Ausdruck erfüllen: U(r,φ)
= V(r) cos(φ)wobei φ die Winkelposition
zur x-y-Ebene ist.
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Um
die Funktion V(r) mit Hilfe der Kostenfunktion zu bestimmen, wird
eine numerische Optimierung benutzt: C(V) = aLCL(V) + aE E(V)wobei CL(V)
eine Kostenfunktionskomponente ist, die mit der Nichthomogenität des HF-Feldes innerhalb des
Abbildungsvolumens zusammenhängt,
und E(V) die gesamte magnetische Energie ist. Die Koeffizienten
aL und aE definieren
die relative Wichtigkeit der einzelnen Terme.
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Obwohl
bisher hauptsächlich
die inneren Spulen 58, 66 behandelt wurden, ist
zu beachten, dass sich die vorstehende Besprechung gleichermaßen auch
auf die äußeren Spulen 54, 62 anwenden lässt, deren
obere und untere Schicht in den 6 bzw. 7 abgebildet
sind. Die Form der äußeren Spulen 54, 62 wird
wie oben für
die inneren Spulen 58, 66 beschrieben optimiert,
wobei ihre unterschiedliche Entfernung von der HF-Abschirmung 50U, 50L berücksichtigt
wird. Die Fläche
(und damit der Wert) der Kondensatoren in den äußeren Spulen 54, 62 neigt
dazu, größer als
die Kondensatoren in den inneren Spulen 58, 66 zu
sein. Die Induktivität
der äußeren Spulen 54, 62 neigt
dazu geringer zu sein, weil diese Spulen sich näher an den HF-Abschirmungen 50U, 50L befinden.
Für eine
gegebene Frequenz ist die erforderliche Kapazität dann größer.
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Die
Schichten der Spulen sind zudem geordnet, um die elektrische Entkopplung
zwischen den inneren und äußeren Spulen
zu optimieren. Um die Wirkungen der Reservekapazität zu optimieren,
sind die Schichten so angeordnet, dass Schichten benachbarter Spulen,
die im Durchschnitt das kleinere Potenzial tragen, dichter beieinander
liegen.
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Die
erste HF-Spule 54 und die vierte HF-Spule 66 sind
in einer entsprechenden Winkelposition in Bezug auf die z-Achse
in der x-y-Ebene angebracht und werden angesteuert, um die 0°-Komponente
des HF-Felds zu erzeugen. Die zweite HF-Spule 58 und die
dritte HF-Spule 62 sind in einer entsprechenden Winkelposition
mit einem Versatz von 90° zu
der der ersten 54 und vierten 66 Spulen angebracht
und werden angesteuert, um eine 90°-Komponente des HF-Felds zu
erzeugen. Die 0°- und
90°-Spulen
werden um 90° phasenverschoben angesteuert,
um das rotierende HF-Feld zu erzeugen.
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Ein
besonderer Vorteil der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass
im Vergleich zu früheren
Verfahren eine relativ größere Anzahl
von Spulenwindungen benutzt werden kann. In der beschriebenen Ausführungsform
enthält
jede Spulenhälfte sechs
Spulenwindungen. Für
eine gewünschte
Betriebsfrequenz wird die Anzahl der Windungen durch die Unfähigkeit
begrenzt, die Spule basierend auf der Reservekapazität auf die
zweite Spule und das HF-Feld abzustimmen. Da die größere Anzahl
von Windungen die Verwendung dünnerer
Leiterbahnen erlaubt, wird auch die von den Wirbelströmen in den Leitern
verursachte Umverteilung des hochfrequenten Stroms reduziert.
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Gleichzeitig
verringert die Verteilung der Kapazität auf die Windungen die Spannungen
zwischen den Spulenkomponenten und Masse. Da sich der durch eine
beliebige Streukapazität
fließende
Strom proportional zur Spannung verhält, verringert dies wiederum
den zwischen der Spule und Masse sowie zwischen den Quadraturspulen
fließenden
Strom und erhöht
dadurch den Gesamtwirkungsgrad oder ermöglicht es, den Abstand zwischen
den Quadraturspulen zu reduzieren.
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Ein
weiterer Vorteil der bevorzugten Ausführungsform besteht darin, dass
die Amplituden der 0°- und
90°-Komponenten
des rotierenden HF-Felds ausgeglichen werden. Die von den HF-Spulen 58, 66 erzeugten
HF-Felder, die dichter an der Untersuchungsregion liegen, sind typischerweise
größer als die
von den HF-Spulen erzeugten HF-Felder, die dichter an den HF-Abschirmungen 50U, 50L liegen. In
der Anordnung der bevorzugten Ausführungsform sind die Amplituden
der 0°-
und 90°-Komponenten
im Zentrum des Abbildungsbereichs ausgeglichen. Daher trägt im Vergleich
zu herkömmlichen
Anordnungen ein größerer Teil
der Energie zur Erzeugung des nützlichen
HF-Felds bei. Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die
oberen und unteren HF-Spulenanordnungen mechanisch identisch sein
können.
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Die
Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform
beschrieben. Es ist offensichtlich, dass anderen nach dem Lesen
und Verstehen der vorstehenden Beschreibung Abwandlungen und Abänderungen
einfallen werden. Die Erfindung ist daher so auszulegen, dass sie
alle derartigen Abwandlungen und Abänderungen insofern beinhaltet,
als sie im Rahmen der angefügten
Ansprüche
liegen.
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1
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- Main
magnetic field
- Hauptmagnetfeld
- Gradient
field control
- Gradientenfeldsteuerung
- RF
transmitter
- HF-Sender
- Imager
- Bildgeber
- Receiver
- Empfänger
- Control
computer
- Steuerungscomputer