DE102007016312B4

DE102007016312B4 - Birdcage-ähnliche Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen mit verschieden voneinander ausgebildeten Abschlusselementen

Info

Publication number: DE102007016312B4
Application number: DE102007016312A
Authority: DE
Inventors: Razvan Dr. Lazar; Wolfgang Dr. Renz
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2010-06-17
Anticipated expiration: 2027-04-05
Also published as: CN101548193B; DE102007016312A1; WO2008122553A1; CN101548193A; US7990146B2; US20090267606A1

Abstract

Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen,
– wobei die Sendeantenne mehrere sich von einem ersten zu einem zweiten Ende (1', 1'') erstreckende Antennenstäbe (1) aufweist,
– wobei die Antennenstäbe (1) um die Zentralachse (2) herum verteilt angeordnet sind,
– wobei die Antennenstäbe (1) an ihren ersten Enden (1') mittels eines ersten (3) und an ihren zweiten Enden (1'') mittels eines zweiten Abschlusselements (6) abgeschlossen sind,
– wobei das erste Abschlusselement (3) als Endring ausgebildet ist, der eine Anzahl von Endringabschnitten (4) aufweist, die über Endringkondensatoren (5) miteinander gekoppelt sind,
– wobei die Sendeantenne eine Verstimmschaltung (7) aufweist, mittels derer die Sendeantenne verstimmbar ist,
– wobei die Verstimmschaltung (7) auf Seiten des zweiten Abschlusselements (6) angeordnet ist,
– wobei entweder das zweite Abschlusselement (6) als vollständig durchgehender Kurzschlussring ausgebildet ist und die Verstimmschaltung (7) zwischen den Antennenstäben (1) und dem zweiten Abschlusselement (6) angeordnet ist oder das...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen,

– wobei die Sendeantenne mehrere sich von einem ersten zu einem zweiten Ende erstreckende Antennenstäbe aufweist,
– wobei die Antennenstäbe um die Zentralachse herum verteilt angeordnet sind,
– wobei die Antennenstäbe an ihren ersten Enden mittels eines ersten und an ihren zweiten Enden mittels eines zweiten Abschlusselements abgeschlossen sind,
– wobei das erste Abschlusselement als Endring ausgebildet ist, der eine Anzahl von Endringabschnitten aufweist, die über Endringkondensatoren miteinander gekoppelt sind,
– wobei die Sendeantenne eine Verstimmschaltung aufweist, mittels derer die Sendeantenne verstimmbar ist,

Bei der Magnetresonanzbildgebung werden – insbesondere im Kopfbereich – mehr und mehr voneinander getrennte Sende- und Empfangsantennen eingesetzt. Die Antennen werden üblicherweise auch als Spulen bezeichnet. Unter anderem auf Grund der Verwendung voneinander getrennter Sende- und Empfangsantennen ergibt sich die Anforderung, die Sendeantennen verstimmbar zu gestalten.
Im Stand der Technik sind Sendeantennen in aller Regel als Birdcage-Resonatoren ausgebildet. Sie weisen daher als Abschlusselemente in aller Regel zwei Endringe auf, wobei die Endringe gleich ausgebildet sind. Insbesondere bestehen die Endringe aus Endringabschnitten, die über Endringkondensatoren miteinander gekoppelt sind. In Einzelfällen werden alternativ zu Birdcage-Resonatoren sogenannte TEM-Resonatoren eingesetzt.
Die im Stand der Technik bekannten Sendeantennen arbeiten bei symmetrischen Untersuchungsobjekten und relativ niedrigen statischen Magnetfeldern (bis ca. 1,5 Tesla) recht gut. Bei unsymmetrischen Untersuchungsobjekten und größeren statischen Magnetfeldern (beispielsweise 3 Tesla und mehr) nimmt die Qualität des Hochfrequenz-Sendefeldes jedoch ab.
Aus der WO 2006/076624 A1 ist eine birdcage-ähnliche Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen bekannt. Die Sendeantenne weist mehrere sich von einem ersten zu einem zweiten Ende erstreckende Antennenstäbe auf. Die Antennenstäbe verlaufen parallel zu einer Zentralachse und sind um die Zentralachse herum verteilt angeordnet. Die Antennenstäbe sind an ihren ersten Enden mittels eines ersten und an ihren zweiten Enden mittels eines zweiten Abschlusselements abgeschlossen. Das erste Abschlusselement ist als Endring ausgebildet, der eine Anzahl von Endringabschnitten aufweist. Das zweite Abschlusselement weist einen größeren Querschnitt auf als das erste Abschlusselement.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen zu schaffen, die auch bei unsymmetrischen Untersuchungsobjekten und größeren statischen Magnetfeldern ein qualitativ hochwertiges Hochfrequenzsendefeld liefert.
Die Aufgabe wird durch eine Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist die Verstimmschaltung auf Seiten des zweiten Abschlusselements angeordnet. Das zweite Abschlusselement hingegen ist entweder als vollständig durchgehender Kurzschlussring ausgebildet. In diesem Fall ist die Verstimmschaltung zwischen den Antennenstäben und dem zweiten Abschlusselement angeordnet. Alternativ weist das zweite Abschlusselement eine Anzahl von Endringabschnitten auf, zwischen denen zwar die Verstimmschaltung, nicht hingegen Endringkondensatoren angeordnet sind. Das zweite Abschlussele ment weist einen größeren Querschnitt als das erste Abschlusselement auf. Leitungen zum Zuführen von Signalen zur Sendeantenne und/oder zum Abführen von Signalen aus der Sendeantenne sind auf Seiten des zweiten Abschlusselements angeordnet.
In aller Regel weist die Sendeantenne einen die Antennestäbe radial außen umgebenden Hochfrequenzschirm auf.
Zur Optimierung der Qualität des Hochfrequenzsendefeldes ist es möglich, dass die Antennenstäbe vom Hochfrequenzschirm in Radialrichtung gesehen einen Antennenstababstand aufweisen und dass der Antennenstababstand vom ersten zum zweiten Abschlusselement gesehen variiert. Das Variieren kann insbesondere linear sein.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass das erste und das zweite Abschlusselement in Radialrichtung gesehen vom Hochfrequenzschirm einen ersten und einen zweiten Abschlusselementabstand aufweisen und dass die Abschlusselementabstände voneinander verschieden sind.
Zur Realisierung des größeren Querschnitts kann das zweite Abschlusselement insbesondere bei gleicher radialer Dicke eine größere Breite aufweisen als das erste Abschlusselement.
Prinzipiell kann die Sendeantenne als Ganzkörperantenne ausgebildet sein. Bevorzugt jedoch ist sie als Kopfspule ausgebildet.
In analoger Weise kann die Sendeantenne prinzipiell auf jede beliebige Resonanzfrequenz abgestimmt sein. Vorzugsweise jedoch ist sie auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt, die mindestens so groß wie Larmorfrequenz von Wasserstoff in einem statischen Magnetfeld von drei Tesla ist.
Vorzugsweise weist die Verstimmschaltung PIN-Dioden auf, wobei die PIN-Dioden im Abstimmfall durchgeschaltet sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
1 schematisch eine Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen von der Seite,
2 die Sendeantenne von 1 im Querschnitt,
3 eine erste Variante der Sendeantenne von 1 in abgerollter Darstellung und
4 eine zweite Variante der Sendeantenne von 1 in abgerollter Darstellung.
Gemäß den 1 und 2 weist eine Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen eine Anzahl von Antennenstäben 1 auf. Jeder Antennenstab 1 erstreckt sich von einem ersten zu einem zweiten Ende 1', 1'' des jeweiligen Antennenstabes 1. Die Antennenstäbe 1 verlaufen – zumindest in Wesentlichen – parallel zu einer Zentralachse 2. Die Anzahl an Antennenstäben 1 beträgt minimal 4. In der Regel beträgt sie 16 oder 32. Es sind jedoch auch andere Zahlen von Antennenstäben 1 möglich, beispielsweise 6, 8, 12, 24 oder 40 Antennenstäbe 1.
Im Regelfall verlaufen die Antennenstäbe 1 exakt parallel zur Zentralachse 2. Es sind jedoch alternative Ausgestaltungen möglich, bei denen die Antennenstäbe 1 eine Richtung definieren, die nur im Wesentlichen parallel zur Zentralachse 2 ist. In diesem letztgenannten Fall weist der jeweilige Antennenstab 1 eine Richtung auf, die eine erste Teilkomponente und eine zweite Teilkomponente aufweist. Die beiden Teilkomponenten ergänzen sich zur Richtung des jeweiligen Antennenstabes 1. Die erste Teilkomponente ist (exakt) parallel zur Zentralachse 2. Die zweite Teilkomponente ist orthogonal zur Zentralachse 2. Solange die erste Teilkomponente größer als die zweite Teilkomponente ist, ist die Richtung des Antennenstabes 1 im Wesentlichen parallel zur Zentralachse 2. Ein Ver lauf der Antennenstäbe 1 nur im Wesentlichen parallel zur Zentralachse 2 kann sich beispielsweise dadurch ergeben, dass die Sendeantenne leicht konisch ausgebildet ist (siehe 1 und 2) und/oder dass die Antennenstäbe 1 ähnlich den Feldern und Zügen des Laufes einer Feuerwaffe leicht helixartig um die Zentralachse 2 umlaufen. Auch eine Kombination dieser beiden Maßnahmen ist möglich.
Die Sendeantenne kann beispielsweise als Ganzkörperantenne ausgebildet sein. Bevorzugt ist sie jedoch gemäß 1 als Kopfspule ausgebildet.
Soweit nachfolgend die Begriffe „axial”, „radial” und „tangential” verwendet werden, beziehen sie sich stets auf eine Achse, beispielsweise auf die Zentralachse 2. Der Begriff „axial” bedeutet eine Richtung parallel zur jeweiligen Achse. Die Begriffe „radial” und „tangential” bedeuten Richtungen in einer zur jeweiligen Achse orthogonalen Ebene. Der Begriff „radial” bezieht sich auf eine Richtung in dieser Ebene, die auf die jeweilige Achse zu bzw. von ihr weg gerichtet ist. Der Begriff „tangential” bezeichnet eine Richtung in der zur Achse orthogonalen Ebene um die Achse herum. Wenn die Begriffe „axial”, „radial” und „tangential” ohne explizite Bezugnahme auf eine Achse verwendet werden, beziehen sie sich auf die Zentralachse 2. Sollen sie sich auf eine andere Achse beziehen, wird hinzugefügt, um welche Achse es sich handelt.
Die Antennenstäbe 1 sind an ihren ersten Enden 1' mittels eines ersten Abschlusselements 3 abgeschlossen. Das erste Abschlusselement 3 ist als Endring ausgebildet, der eine Anzahl von Endringabschnitten 4 aufweist. Die Endringabschnitte 4 sind über Endringkondensatoren 5 miteinander gekoppelt.
Die Antennenstäbe 1 sind weiterhin an ihren zweiten Enden 1'' mittels eines zweiten Abschlusselements 6 abgeschlossen. Das zweite Abschlusselement 6 ist gemäß den 1 und 2 als weiterer Endring ausgebildet. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Unabhängig davon, ob das zweite Abschlusselement 6 als weiterer Endring ausgebildet ist oder nicht, ist das zweite Abschlusselement 6 jedoch anders ausgebildet als das erste Abschlusselement 3. Dies wird nachfolgend in Verbindung mit den 1 bis 4 näher erläutert werden.
Die Sendeantenne ist gemäß 1 auf eine Resonanzfrequenz fR abgestimmt. Die Resonanzfrequenz fR kann prinzipiell beliebig sein. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz fR mindestens so groß wie die Larmorfrequenz fL (H, 3 T) von Wasserstoff in einem statischen Magnetfeld von drei Tesla sein.
Die Sendeantenne weist weiterhin eine Verstimmschaltung 7 auf. Wenn die Verstimmschaltung 7 nicht angesteuert wird (Verstimmfall), ist die Sendeantenne nicht auf die Resonanzfrequenz fR abgestimmt. Sie ist also nicht bei der Resonanzfrequenz fR resonant, sondern sie ist verstimmt. Wenn die Verstimmschaltung 7 hingegen angesteuert wird (Abstimmfall), ist die Sendeantenne bei der Resonanzfrequenz fR resonant, die Sendeantenne also auf die Resonanzfrequenz fR abgestimmt.
Die Verstimmschaltung 7 ist in den 1 und 2 nicht dargestellt. Sie ist jedoch in den 3 und 4 dargestellt. Gemäß den 3 und 4 ist die Verstimmschaltung 7 auf Seiten des zweiten Abschlusselements 6 angeordnet.
In Verbindung mit den 1 bis 4 werden nachfolgend mögliche Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung erläutert.
Gemäß den 1 und 2 weist die Sendeantenne einen Hochfrequenzschirm 8 auf. Der Hochfrequenzschirm 8 umgibt die Antennenstäbe 1 radial außen. Das erste Abschlusselement 3 weist in Radialrichtung gesehen vom Hochfrequenzschirm 8 einen Abstand a auf, der nachfolgend erster Abschlusselementabstand a genannt wird. Weiterhin weisen die Antennenstäbe 1 in Radialrichtung gesehen einen Abstand b vom Hochfrequenzschirm 8 auf, der nachfolgend Antennenstababstand b genannt wird.
Bei der Ausgestaltung der 1 und 2, bei der das zweite Abschlusselement 6 als weiterer Endring ausgebildet ist und damit insbesondere in vom Hochfrequenzschirm 8 verschiedenes Element 6 ist, weist weiterhin das zweite Abschlusselement 6 in Radialrichtung gesehen vom Hochfrequenzschirm 8 einen Abstand c auf, der nachfolgend zweiter Abschlusselementabstand c genannt wird.
Es ist möglich, dass der Antennenstababstand b vom ersten zum zweiten Abschlusselement 3, 6 gesehen konstant ist. Eine derartige Ausgestaltung ist unabhängig davon möglich, ob die Antennenstäbe 1 parallel zur Zentralachse 2 verlaufen oder – wie in den 1 und 2 dargestellt – beispielsweise einen Kegelstumpf definieren. Die Sendecharakteristik der Sendeantenne kann jedoch optimiert werden, wenn – wie ebenfalls in 1 dargestellt – der Antennenstababstand b vom ersten zum zweiten Abschlusselement 3, 6 gesehen variiert. Der Antennenstababstand b kann hierbei insbesondere linear variieren. In Einzelfällen ist jedoch alternativ eine andere Art der Variation denkbar. Beispielsweise kann der Hochfrequenzschirm 8 gerade verlaufen und können die Antennenstäbe 1 beispielsweise parabolisch verlaufen oder andersartig gewölbt sein.
Bei der Ausgestaltung gemäß den 1 und 2, bei der das zweite Abschlusselement 6 ein vom Hochfrequenzschirm 8 verschiedenes Element 6 ist, kann weiterhin der zweite Abschlusselementabstand c gleich dem ersten Abschlusselementabstand a sein. Bevorzugt ist jedoch der zweite Abschlusselementabstand c vom ersten Abschlusselementabstand a verschieden.
Wie bereits erwähnt und auch in den 1 bis 4 dargestellt, kann das zweite Abschlusselement 6 als weiterer Endring ausgebildet sein, der einen größeren Querschnitt aufweist als der Endring 3. Ein größerer Querschnitt kann hierbei insbesondere dadurch erreicht werden, dass zwar (in Radialrichtung gesehen) Dicken d1, d2 der Endringe 3, 6 gleich sind, der weitere Endring 6 jedoch (in Axialrichtung gesehen) eine größere Breite b2 aufweist als der Endring 3.
Der Querschnitt des weiteren Endrings 6 sollte vorzugsweise erheblich größer sein als der Querschnitt des Endrings 3. Der Begriff „erheblich” bedeutet hierbei, dass der Querschnitt des weiteren Endrings 6 mindestens doppelt so groß ist wie der Querschnitt des Endrings 3. Vorzugsweise ist der Querschnitt des weiteren Endrings 6 mindestens dreimal so groß, beispielsweise vier- bis sechsmal so groß, wie der Querschnitt des Endrings 3.
Auf Grund seiner Ausgestaltung (insbesondere auf Grund des größeren Querschnitts) weist der weitere Endring 6 (= zweites Abschlusselement 6) in der Regel eine geringere Induktivität auf als der Endring 3 (= erstes Abschlusselement 3). Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
Weiterhin ist der weitere Endring 6 gemäß den 3 und 4 als durchgehender Kurzschlussring ausgebildet. Der Begriff „durchgehender Kurzschlussring” bedeutet hierbei entweder, dass der weitere Endring 6 (vergleiche 3) vollständig durchgehend ausgebildet ist, also stets und unbedingt kurzgeschlossen ist. In diesem Fall ist die Verstimmschaltung 7 gemäß 3 zwischen den Antennenstäben 1 und dem weiteren Endring 6 (= zweites Abschlusselement 6) angeordnet. Alternativ kann der Begriff „durchgehender Kurzschlussring” bedeuten, dass der weitere Endring 6 – analog zum Endring 3 – eine Anzahl von Endringabschnitten 9 aufweist. In diesem letztgenannten Fall sind zwischen den Endringabschnitten 9 des weiteren Endrings 6 jedoch keine Endringkondensatoren angeordnet. Vielmehr ist in diesem Fall im zweiten Abschlusselement 6 die Verstimmschaltung 7 angeordnet. Eine derartige Ausgestaltung ist in 4 dargestellt.
Die Verstimmschaltung 7 weist in der Regel PIN-Dioden 10 auf, siehe die 3 und 4. Wenn die PIN-Dioden 10 nicht durchgeschaltet sind, ist die Sendeantenne vorzugsweise nicht auf die Resonanzfrequenz fR abgestimmt. Wenn die PIN-Dioden 10 jedoch durchgeschaltet sind, ist die Sendeantenne vorzugsweise auf die Resonanzfrequenz fR abgestimmt.
Wenn die PIN-Dioden 10 durchgeschaltet sind, sind sie elektrisch leitend. Aus diesem Grund wirkt der weitere Endring 6 im durchgeschalteten Zustand der PIN-Dioden 10 (also im Abstimmfall) auch dann als durchgehender Kurzschlussring, wenn die Verstimmschaltung 7 in weiteren Endring 6 angeordnet ist.
Der Sendeantenne müssen Signale zugeführt werden. Hierbei kann es sich um niederfrequente Signale handeln. Ein Beispiel eines derartigen niederfrequenten Signals ist eine Verstimmspannung, mittels derer die Verstimmschaltung 7 gesteuert wird. Ebenso kann es sich bei den Signalen jedoch um hochfrequente Signale handeln. Ein Beispiel eines derartigen Signals ist der Sendestrom, der in die Sendeantenne eingespeist wird. Weiterhin können von der Sendeantenne Signale – insbesondere hochfrequente Signale – abgeführt werden. Ein Beispiel eines derartigen Signals ist in dem Fall, dass die Sendeantenne auch als Empfangsantenne betreibbar ist, das von der Sendeantenne empfangene Signal. Ein weiteres Beispiel abzuführender hochfrequenter Signale sind Mikrowellensignale, die von Mikrowellenempfängern empfangen werden, welche in die Antennenstäbe 1 integriert sind. Die Mikrowellenempfänger sind in den FIG nicht dargestellt.
Das Zu- und Abführen der oben erwähnten Signale erfolgt über Leitungen 11. Gemäß den 1 bis 4 sind die Leitungen 11 auf Seiten des zweiten Abschlusselements 6 angeordnet.
Die Sendeantenne der vorliegenden Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist sie einfach ausgestaltet, hochwirksam und flexibel dimensionierbar und einsetzbar.
Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims

Sendeantenne für Magnetresonanzanwendungen, – wobei die Sendeantenne mehrere sich von einem ersten zu einem zweiten Ende (1', 1'') erstreckende Antennenstäbe (1) aufweist, – wobei die Antennenstäbe (1) um die Zentralachse (2) herum verteilt angeordnet sind, – wobei die Antennenstäbe (1) an ihren ersten Enden (1') mittels eines ersten (3) und an ihren zweiten Enden (1'') mittels eines zweiten Abschlusselements (6) abgeschlossen sind, – wobei das erste Abschlusselement (3) als Endring ausgebildet ist, der eine Anzahl von Endringabschnitten (4) aufweist, die über Endringkondensatoren (5) miteinander gekoppelt sind, – wobei die Sendeantenne eine Verstimmschaltung (7) aufweist, mittels derer die Sendeantenne verstimmbar ist, – wobei die Verstimmschaltung (7) auf Seiten des zweiten Abschlusselements (6) angeordnet ist, – wobei entweder das zweite Abschlusselement (6) als vollständig durchgehender Kurzschlussring ausgebildet ist und die Verstimmschaltung (7) zwischen den Antennenstäben (1) und dem zweiten Abschlusselement (6) angeordnet ist oder das zweite Abschlusselement (6) eine Anzahl von Endringabschnitten (9) aufweist, zwischen denen zwar die Verstimmschaltung (7), nicht hingegen Endringkondensatoren angeordnet sind, – wobei das zweite Abschlusselement (6) einen größeren Querschnitt aufweist als das erste Abschlusselement (3) und – wobei Leitungen (11) zum Zuführen von Signalen zur Sendeantenne und/oder zum Abführen von Signalen aus der Sendeantenne auf Seiten des zweiten Abschlusselements (6) angeordnet sind.
Sendeantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen die Antennenstäbe (1) radial außen umgebenden Hochfrequenzschirm (8) aufweist.
Sendeantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstäbe (1) vom Hochfrequenzschirm (8) in Radialrichtung gesehen einen Antennenstababstand (b) aufweisen und dass der Antennenstababstand (b) vom ersten zum zweiten Abschlusselement (3, 6) gesehen variiert, insbesondere linear variiert.
Sendeantenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (3) und das zweite Abschlusselement (6) in Radialrichtung gesehen vom Hochfrequenzschirm (8) einen ersten und einen zweiten Abschlusselementabstand (a, c) aufweisen und dass die Abschlusselementabstände (a, c) voneinander verschieden sind.
Sendeantenne nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Antennenelement (6) bei gleicher radialer Dicke (d2) eine größere axiale Breite (b2) aufweist als das erste Abschlusselement (3).
Sendeantenne nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Kopfspule ausgebildet ist.
Sendeantenne nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf eine Resonanzfrequenz (fR) abgestimmt ist, die mindestens so groß wie die Larmorfrequenz (fL) von Wasserstoff in einem statischen Magnetfeld von drei Tesla ist.
Sendeantenne nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstimmschaltung (7) PIN-Dioden (10) aufweist und dass die PIN-Dioden (10) im Abstimmfall durchgeschaltet sind.