DE102007026965A1

DE102007026965A1 - Antennenarray

Info

Publication number: DE102007026965A1
Application number: DE102007026965A
Authority: DE
Inventors: Arne Dr. Gainesville Reykowski
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2009-01-02
Also published as: US20090009414A1; CN101325282A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennenarray mit mehreren nebeneinander angeordneten Einzelantennen (2). Die Einzelantennen (2) sind jeweils innerhalb einer hochfrequenzmäßig geschlossenen Leiterschleife (10) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Antennenarray mit mehreren nebeneinander angeordneten Einzelantennen.
Bei der medizinischen Bildgebung mittels magnetischer Resonanz werden hochfrequente Magnetfelder im MHz-Bereich aus dem menschlichen oder tierischen Körper empfangen und zur Bildgebung weiter verarbeitet.
Antennenarrays mit mehreren nebeneinander angeordneten Einzelantennen werden als Lokalantennen oder Lokalspulen in der medizinischen Magnetresonanztechnik eingesetzt, um Magnetresonanzsignale möglichst nur aus einem begrenzten zu untersuchenden Gebiet eines lebenden Körpers zu empfangen. Im Vergleich zum Empfang mit einer Ganzkörperantenne wird damit ein hohes Signal-Rauschverhältnis im Signal erzielt. Die Einzelantennen sind im Allgemeinen auf einer Fläche angeordnet, die der Anatomie des Untersuchungsgebietes angepasst ist.
Allgemein kann bei Antennenarrays mit mehreren nebeneinander angeordneten Einzelantennen ein Hochfrequenzstrom in einer der Einzelantennen eine Spannung in benachbarten Einzelantennen induzieren, was als Verkopplung bezeichnet wird. Verkopplungen treten sowohl bei zirkular polarisierenden Antennenanordnungen als auch Anordnungen von linear polarisierenden Einzelantennen auf. Verkopplungen verschlechtern das Signal-Rauschverhältnis (S/N-Verhältnis). Zudem ist der Aufwand für die Prüfung von verkoppelten Einzelantennen größer als für die Prüfung von nichtverkoppelten Einzelantennen. Ziel ist deshalb, eine Verkopplung von Einzelantennen zu vermeiden.
Ein Antennenarray der eingangs genannten Art ist in der US 4,825,162 (entspricht der WO89/05115 ) beschrieben. Das Antennenarray umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Einzelantennen. Zur Entkopplung überlappen sich benachbarte Einzelan tennen zum Teil. Die Überlappung reduziert die Gegeninduktivität der benachbarten Einzelantennen. Anderseits erfordert die Überlappung eine überkreuzende Führung der Antennenleiter mit entsprechenden Kreuzungspunkten. Die Antennenleiter müssen an den Kreuzungspunkten voneinander isoliert geführt sein. Zudem treten bei höheren Frequenzen durch die an den Kreuzungspunkten gebildeten Kapazitäten wiederum kapazitive Kopplungen auf.
In der vorstehend schon zitierten US 4,825,162 ist eine weitere Maßnahme angegeben, Kopplungen zu vermindern. Sie besteht darin, die Impedanz eines an die Einzelantennen angeschlossenen Vorverstärkers so zu wählen, dass eine für die Einzelantenne an ihren Anschlüssen wirksame Impedanz, die auch vom Eingangswiderstand des Vorverstärkers bestimmt ist, möglichst groß ist. Damit verschwindet der in den Einzelantennen induzierte Strom nahezu, wodurch die in benachbarten Einzelantennen induzierte Spannung entsprechend niedrig und vernachlässigbar wird. Damit lässt sich allerdings nur mit einem hohen Aufwand eine ausreichende Entkopplung erreichen. Diese Art der Entkopplung wird daher in der Praxis mit anderen Entkopplungstechniken eingesetzt.
Auch in der DE 38 20 168 A1 ist eine Antennenanordnung beschrieben, worin eine Kopplung von benachbarten Einzelantennen durch eine gegenseitige Überlappung vermieden ist.
Ein weiteres Antennenarray ist in der US 5,216,368 beschrieben. Das Antennenarray umfasst zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Antennensysteme. Bei exakter Ausrichtung sind die beiden Antennensysteme allein durch ihre Anordnung voneinander entkoppelt. Unsymmetrien verursachen jedoch Verkopplungen der beiden Antennensysteme, die durch einen Kondensator, der die beiden Antennensysteme verbindet, kompensiert werden.
In der DE 41 13 120 C2 ist ein Antennensystem mit einer Mantelwellensperre beschrieben. Die Mantelwellensperre unterdrückt unerwünschte Hochfrequenz-Einkopplungen.
In der DE 195 36 531 A ist ein Antennenarray für ein Magnetresonanzgerät mit einer kapazitiven Kompensation der induktiven Verkopplung beschrieben. Benachbarte Einzelantennen weisen jeweils eine Unterbrechung auf. An den Unterbrechungen sind die Einzelantennen elektrisch parallel geschaltet sind. Mindestens eine der Unterbrechungen ist mit einem kapazitiven Element überbrückt, wobei das kapazitive Element einen Kapazitätswert aufweist, bei dem die Einzelantennen voneinander entkoppelt sind. Die Einzelantennen sind über die Entkopplungsschaltung allerdings galvanisch verbunden, wodurch eine Gleichtakt-Signalverbindung entsteht.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Antennenarray anzugeben, dass in seiner Herstellung vereinfacht ist und das zudem keine kapazitiven Verkopplungen bei höheren Frequenzen aufgrund von sich kreuzenden Leitern aufweist. Zudem soll das Array eine gute Gleichtakt-Signalunterdrückung aufweisen.
Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist vorgesehen, bei einem Antennenarray mit mehreren nebeneinander angeordneten Einzelantennen die Einzelantennen jeweils innerhalb einer hochfrequenzmäßig geschlossenen Leiterschleife anzuordnen. Hochfrequente Ströme in den Einzelantennen induzieren in den Leiterschleifen Spannungen und damit abhängig vom Leiterschleifenwiderstand auch Ströme in entgegen gesetzter Richtung. Diese induzierten Ströme kompensieren die Antennenströme nach außen, durch die Leiterschleifen sind die Einzelantennen jeweils induktiv voneinander entkoppelt. Ein Vorteil dieser Entkopplungsstruktur ist dadurch gegeben, dass die Leiter der Einzelantennen kreuzungsfrei geführt geführt sind. Damit verhindert die Entkopplungsstruktur kapazitive Verkopplungen bei höheren Frequenzen wie sie beispielsweise bei der Entkopplungsstruktur nach der eingangs schon zitierten US 4,825,162 vorhanden sind. Die kreuzungsfreie Führung der Leiterschleifen vereinfacht auch den mechanischen Aufbau des Antennenarrays, da weder die Einzelantennen noch die Leiterschleifen in mehreren übereinander liegenden Schichten geführt werden müssen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen elektrisch miteinander verbunden sind. Damit ist der Aufbau der Entkopplungsstruktur weiter vereinfacht.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich dann, wenn die Leiterschleifen und die Einzelantennen jeweils in Form eines regelmäßigen Sechsecks ausgebildet sind. Damit ergibt sich eine optimale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche für die Einzelantennen und die Leiterschleifen. Damit lässt sich auch der der Abstand der Einzelantennen von den Leiterschleifen gleich ausführen, wodurch die Entkopplung für alle Einzelantennen gleichmäßig wirkt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, dass in die Leiterschleifen erste Kondensatoren eingefügt sind. Mit den Kondensatoren lässt sich die Stromverteilung auf den Leiterschleifen und damit die Entkopplungswirkung einstellen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind durch die übrigen Unteransprüche gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figur erläutert.
Die Figur zeigt schematisch in einer Draufsicht einen Ausschnitt aus einem Antennenarray, das zum Empfang von Magnetresonanzsignalen für die medizinische Diagnostik ausgebildet ist. Abhängig vom Grundmagnetfeld des Magnetresonanzgeräts ergeben sich Magnetresonanzfrequenzen von ca. 10 MHz bei 0,25 T bis ca. 120 MHz bei 3 T Grundfeldmagnetstärke. Auch noch höhere Magnetfeldstärken und damit höhere Frequenzen werden verwendet.
Zum Empfang der Magnetresonanzsignale sind Einzelantennen 2 vorgesehen, die regelmäßig auf einer Trägerstruktur angeordnet sind. Die Trägerstruktur selbst ist hier nicht dargestellt. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in der Figur nur sieben Einzelantennen 2 abgebildet. Diese Einzelantennen 2 stellen einen Ausschnitt aus einem insgesamt 32-kanaligen Antennenarray dar, was durch eine strichpunktierte Linie 4 als Bruchkante symbolisiert sein soll. Die 32 Einzelantennen 2 sind auf einer helmartigen Struktur für ein Kopf-Antennenarray angeordnet.
Die Einzelantennen 2 umfassen Leiter, die in Form eines regelmäßigen Sechsecks auf der Trägerstruktur angeordnet sind. In der Mitte einer jeden Seite des Sechsecks sind Kondensatoren 6 eingefügt. Mittels der Kondensatoren 6 werden die Einzelantennen 2 auf die Arbeitsfrequenz des Magnetresonanzgeräts resonant abgestimmt, z. B. 126 MHz bei einem 3 T-Gerät. An jeder Einzelantenne 2 ist an einem der Kondensatoren 6 ein Signalanschluss 8 zum Abgriff des empfangenen Magnetresonanzsignals vorgesehen.
Zur Entkopplung der Einzelantennen 2 voneinander ist jede Einzelantenne 2 jeweils innerhalb einer hochfrequenzmäßig geschlossenen Leiterschleife 10 angeordnet. Die Leiter der Leiterschleife 10 sind ebenfalls wie diejenigen der Einzelantennen 2 in Form eines regelmäßigen Sechsecks geführt. Die Leiterschleifen 10 sind alle elektrisch miteinander verbunden. Insbesondere sind die Leiterstücke der Leiterschleifen 10, die zwischen zwei Einzelantennen 2 geführt sind, zu einem einzigen gemeinsamen Leiterstück miteinander verbunden. Beispielhaft ist ein derartiges Leiterstück mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichnet.
In jeder Seite der als regelmäßiges Sechseck ausgeführten Leiterschleife 10 ist ein Kondensator 14 eingefügt. Mit den Kondensatoren 14 wird der Entkoppelstrom in den Leiterschleifen eingestellt. Die Einstellung erfolgt so, dass der Entkop pelstrom zum einen entgegengesetzt zum Antennenstrom in der entsprechenden Einzelantenne 2 fließt und zum anderen deutlich geringer ist als der eigentliche induzierte Antennenstrom in Einzelantennen 2 ist, z. B. 1/10 des induzierten Antennenstroms. Diese Dimensionierung gibt einen guten Kompromiss zwischen der Entkopplungswirkung der Leiterschleifen 10 nach außen und der damit gleichzeitig nicht zu vermeidenden effektiven Reduzierung des eigentlichen bildwirksamen Antennenstroms in den Einzelantennen 2. Mit dem Amplitudenverhältnis von 1:10 ist auch sichergestellt, dass insgesamt die in eine direkt benachbarte Einzelantenne induzierte Spannung minimal wird. Die Leiterschleifen 10 sowie die damit gebildete gesamte Entkopplungsstruktur ist so auch hinreichend nichtresonant für die Arbeitsfrequenz des Magnetresonanzgeräts, damit sie während der Sendephase der hier nicht dargestellten Senderantenne nicht verstimmt werden muss.
Weniger Einschränkungen hinsichtlich der Dimensionierung der Kondensatoren 14 in den Leiterschleifen 10 sind dann gegeben, wenn eine Verstimmschaltung (hier nicht dargestellt) mit den Leiterschleifen verbunden ist, die im Sendefall die gesamte durch die Leiterschleifen 10 gebildete Entkopplungsstruktur verstimmt. Diese Variante erfordert jedoch einen höheren Bauelemente- und Schaltungsaufwand.
Die Kondensatoren 14 der Leiterschleifen 10 und die Kondensatoren 6 der Einzelantennen 2 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel gegenüberliegend angeordnet. Diese Anordnung ist jedoch nicht zwingend. So können andere Randbedingungen, seien es mechanische oder elektrische, für eine vorteilhafte andere Anordnung sprechen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4825162 [0005, 0006, 0013]
- WO 89/05115 [0005]
- DE 3820168 A1 [0007]
- US 5216368 [0008]
- DE 4113120 C2 [0009]
- DE 19536531 A [0010]

Claims

Antennenarray mit mehreren nebeneinander angeordneten Einzelantennen (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelantennen (2) jeweils innerhalb einer hochfrequenzmäßig geschlossenen Leiterschleife (10) angeordnet sind.
Antennenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (10) elektrisch miteinander verbunden sind.
Antennenarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelantennen (2) und die Leiterschleifen (10) auf einer Fläche angeordnet sind.
Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (10) ein regelmäßiges Sechseck umschreiben.
Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelantennen (2) ein regelmäßiges Sechseck umschreiben.
Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (10) ein regelmäßiges Sechseck umschreiben.
Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leiterschleifen (10) erste Kondensatoren (14) eingefügt sind.
Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Leiter der Einzelantennen (2) zweite Kondensatoren (6) eingefügt sind.
Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ersten und zweiten Kondensatoren (6, 14) gegenüberliegend angeordnet sind.
Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen (10) und die Einzelantennen (2) gleich aufgebaut sind.
Antennenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einzelantenne (2) einen Signalanschluss (8) aufweist.