DE102011111996B3 - Meta-MRT-Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie - Google Patents

Abstract

Die Antennenvorrichtung soll ein lokal angepasstes Ausleuchten des gesamten Untersuchungsvolumens eines Wanderwellen-Magnetresonanztomographen gewährleisten, dabei die hochfrequente Feldenergie in Abhängigkeit vom jeweiligen Patienten zielgerichtet auf die zu untersuchenden Körperabschnitte konzentriert wird. Durch Superposition angeregter Wellen direktional wirkende Metaleitungswechselwirkungsringe erzeugen individuell angepasste lokale magnetische Feldstärken mit Hilfe konstruktiver oder destruktiver Interferenzen im Untersuchungsvolumen. Die durch den Patienten dort modifizierten elektromagnetischen Feldverhältnisse werden dazu zuvor messtechnisch ermittelt und entsprechend ausgewertet. Die Antennenvorrichtung dient zur lokal gesteuerten und individuell angepassten Wechselwirkung mit dem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld in modernen Hochfeld-Wanderwellen-Magnetresonanztomographen.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antennenvorrichtung für die Magnetresonanztomographie, bei der die zur Auslenkung der Kernspins erforderlichen hochfrequenten elektromagnetischen B₁-Felder mit Hilfe von Wanderwellen generiert werden.
• Stand der Technik
• Das Sichtfeld, das sogenannte FOV (field of view), eines Magnetresonanztomographen hängt zum einen entscheidend davon ab, über welchen Volumenbereich ein homogenes statisches Hauptfeld, das sogenannte B₀-Feld, zusammen mit den in drei Dimensionen steuerbaren sogenannten Gradientenfeldern, als kontinuierlich geschaltete, temporär statische Zusatzfelder zur exakten Lokalisierung der ortsabhängigen Echosignalsequenzen, aufgebaut werden können und zum anderen entscheidend davon ab, über welchen Volumenbereich ein hochfrequentes elektromagnetisches B₁-Feld zur Anregung der jeweiligen Echosignalsequenzen mit annähernd gleich großer Energiedichte erzeugt werden kann.
• Zahlreiche ständig verbesserte Antennenkonstruktionen haben diesen Sichtfeldbereich auf derzeit nutzbare 25 cm bis 30 cm erweitert. Das Problem besteht im physikalisch bedingten inhomogenen Verlauf der magnetischen Feldstärke entlang der bisher verwendeten Antennenvorrichtungen, die ein stehendes B₁-Feld mit Hilfe resonanter Strahler mit entsprechend kosinusförmigem Stromdichteverlauf entlang der Strahlerstruktur erzeugen.
• Bei modernen Hochfeld-Magnetresonanztomographen mit Hauptfeldstärken des B₀-Feldes von 7 Tesla und mehr, verschärft sich das Problem wegen der höheren Larmorfrequenzen und dadurch bedingt geringeren Wellenlängen, was zu noch weiter verkürzten Abmessungen und Antennenlängen der resonanten Strahlerstrukturen führt.
• Ein nutzbares FOV von nur wenigen Zentimetern führt aber zwangsläufig zu kleineren Schrittweiten der Schlittenvorrichtung und damit zu sehr langen Verweilzeiten des Patienten im Untersuchungsvolumen des Magnetresonanztomographen, wenn ausgedehnte Objekte, wie beispielsweise die Wirbelsäule, hochauflösend untersucht werden sollen.
• Mit herkömmlichen resonanten Antennenstrukturen, die ein stehendes B₁-Feld generieren, besteht also das Dilemma, dass gerade für moderne Hochfeld-Magnetresonanztomographen, die potentiell ein signifikant detailreicheres Bild liefern können, mit zunehmender Feldstärke des B₀-Feldes das nutzbare FOV stetig kleiner wird und die Untersuchungsverweildauer, durch die Erhöhung der Anzahl von Verschiebungsvorgängen des Transportschlittens wegen der geringeren Schrittweiten, erheblich erhöht wird.
• Die bahnbrechende Idee, die höheren Larmorfrequenzen bei modernen Hochfeld-Magnetresonanztomographen zum Vorteil zu nutzen und das nutzbare FOV gleichzeitig erheblich zu vergrößern, wurde bereits im Jahre 2009 von den Herren David O. Brunner, Nicola De Zanche, Jürg Fröhlich, Jan Paska und Klaas P. Pruessmann in ihrem Beitrag „Travelling-wave nuclear magnetic resonance” In: Nature, vol. 457, pp. 994–998, Feb. 2009, zusammen mit ersten Ergebnissen, beschrieben.
• Der Kerngedanke ist, das gesamte Untersuchungsvolumen des Hochfeld-Magnetresonanztomographen, ähnlich wie einen Rundhohlleiter, als Wellenleiter zu verwenden und das erforderliche B₁-Feld als Wanderwelle zu generieren, die im gesamten Untersuchungsvolumen präsent ist.
• Wegen der damals noch sehr einfachen verwendeten Antennen zur Erzeugung des B₁-Feldes wurde die Wanderwelle mit zunehmendem Abstand von der Antenne in ihrer Leistungsdichte rasch schwächer, zumal das zu untersuchende Gewebe die elektromagnetische Energie stark absorbiert und reflektiert.
• Trotzdem gelang es bereits seinerzeit, einen Fuß mitsamt dem Unterschenkel über einen halben Meter hinweg in einem Stück abzubilden, während der FOV eines dazu im Vergleich in herkömmlicher Technik generierten Bildes auf etwa ein drittel dieses Bereiches beschränkt war.
• Brunner et. al. verwendeten seinerzeit eine große zirkular polarisierte Patch-Antenne, die vom Fußende des Hochfeld-Magnetresonanztomographen her in das Untersuchungsvolumen hinein strahlte.
• Dadurch bedingt fällt die Feldstärke im Untersuchungsvolumen entlang der Strecke vom Fußende zum Kopfende hin durch Dämpfung und Reflexionen zunehmend ab und reduziert dadurch die nutzbare Ausdehnung des FOV.
• Eine sehr wirkungsvolle Möglichkeit, das gesamte Untersuchungsvolumen mit einem hochfrequenten B₁-Feld zu speisen, wurde im darauffolgenden Jahr 2010 in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 beschrieben.
• Durch die Überlagerung der Wanderwellen-Felder von zwei wellenerzeugenden Quellen, die eine viertel Wellenlänge voneinander distanziert sind und zusammen jeweils sogenannte Wechselwirkungspaareinheiten bilden, werden unidirektional verlaufende Wellenamplituden erzeugt, die sich im Untersuchungsvolumen durch Interferenz hinsichtlich der Amplitude in weiten Bereichen gezielt steuern lassen.
• So kann beispielsweise durch eine Wechselwirkungspaareinheit am Kopfende und durch eine Wechselwirkungspaareinheit am Fußende, auf einfache Art und Weise durch phasenverschobene Signale, die an jeweils zwei Stellen der Wechselwirkungspaareinheiten eingespeist werden, durch solchermaßen gesteuerte konstruktive und destruktive Überlagerung der Wellenamplituden, das gesamte Untersuchungsvolumen gleichmäßig mit einem lokalen B₁-Feld hoher Feldstärke gefüllt werden, welches sowohl am Kopfende als auch am Fußende des Untersuchungsvolumens abrupt im Wert der Feldstärke abfällt und im Idealfall, trotz offener Enden, dort dann vollständig verschwunden ist.
• Für ein leeres Untersuchungsvolumen können diese Idealvorgaben stets problemlos eingehalten werden.
• Werden dämpfende Probekörper mit einfacher Geometrie in das Untersuchungsvolumen eingebracht, so werden weitere Wechselwirkungspaareinheiten benötigt, um an den entsprechenden Orten durch weitere konstruktive Überlagerungen die Dämpfung der Feldstärke durch die absorbierenden Probekörper zu kompensieren und durch lokale Zuführung weiterer elektromagnetischer Energie einen gleichförmigen Verlauf der Feldstärke im gesamten Untersuchungsvolumen sicher zu stellen.
• Auf diese Weise kann das FOV auf nahezu das gesamte Untersuchungsvolumen des Hochfeld-Magnetresonanztomographen ausgeweitet werden.
• Die Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 stellt somit hinsichtlich interferierend wirkender Antennenvorrichtungen für Wanderwellen-Magnetresonanztomographen den derzeitig veröffentlichten Stand der Technik dar.
• Darstellung der Mängel der bisher bekannten Ausführungen
• Die prinzipiellen Nachteile der in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichten Erfindung zeigen sich jedoch, sobald die zu untersuchenden Objekte komplizierte individuelle Strukturen mit jeweils lokal unterschiedlichen Werten der charakteristischen elektrischen Eigenschaften wie unterschiedliche Leitfähigkeit und unterschiedliche Permittivitätszahlen aufweisen und wenn sich die Objekte dazu auch noch bewegen.
• Weil der Abstand der Wechselwirkungspaareinheiten wenigstens eine viertel Wellenlänge der jeweiligen Larmorfrequenz sein muss, wird die lokale Auflösung solcher Wechselwirkungspaareinheiten beispielweise in einem 7 Tesla Hochfeld-Magnetresonanztomographen bei einem geringen Durchmesser des Untersuchungsvolumens stark reduziert. Da sich die Wellenlänge im Untersuchungsvolumen wie in einem Rundhohlleiter bei Annäherung an die Grenzwellenlänge signifikant vergrößert, ergibt sich beispielsweise für eine Larmorfrequenz von 298 MHz und einem typischen Durchmesser des Untersuchungsvolumens von 0,64 m eine Wellenlänge von 2,63 m. Dadurch sind gezielte Kompensationen von Reflexionen nur sehr eingeschränkt und mit nur unbefriedigender lokaler Auflösung möglich.
• Die in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichte Erfindung benötigt also entweder noch höhere Flussdichten für das Hauptfeld und damit verbunden höhere Larmorfrequenzen, die signifikant über der jeweiligen Grenzfrequenz der Hohlleitermoden liegen, oder aber größere verfügbare Durchmesser des Untersuchungsvolumens, um die vom Verfahren her vorgegebenen räumlichen Auflösung auch tatsächlich verifizieren zu können.
• Sowohl höhere Flussdichten als auch größere Durchmesser des Untersuchungsvolumens sind in der Realisierung mit sehr hohen zusätzlichen Kosten verbunden. Es müssten also vollständig neue Magnetresonanztomographen mit entsprechend veränderten charakteristischen Eigenschaften angeschafft werden, was die Einsatzfreude in der Praxis deutlich dämpfen dürfte.
• Auch die Ermittlung lokal verteilter aktueller Feldstärkewerte ist durch den seitlichen Abstand der Wechselwirkungselemente der Wechselwirkungspaareinheiten von einer viertel Wellenlänge nur relativ ungenau möglich und könnte unbemerkt zu unerwünschten Feldstärkespitzen, sogenannten „hot spots” führen, die im schlimmsten Fall sogar zur lokalen Überhitzung des Gewebes führen könnten, was unbedingt vermieden werden muss.
• Nachteilig ist weiterhin, dass die unidirektionalen Wechselwirkungspaareinheiten stets paarweise vorhanden sein müssen. Dies schränkt die Flexibilität sowohl in elektrischer als mechanischer Hinsicht ein und macht das Einspeisen der Steuersignale sehr aufwändig.
• Nachteilig ist weiterhin, dass je nach Anwendungsfall als interferierend wirkende Wechselwirkungselemente dieser Antennenvorrichtung jeweils paarweise entweder zwei Basis-Wechselwirkungselemente oder aber zwei Wechselwirkungseinheitselemente als Elemente einer unidirektional wirkenden Wechselwirkungspaareinheit verwendet werden, wodurch die Kosten für die Herstellung individuell unterschiedlicher Antennenvorrichtungen deutlich höher ausfallen, als wenn einheitliche Strahlerstrukturen für die Wechselwirkungselemente verwendet werden.
• Darstellung der vorliegenden Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
• Ausgehend von den vorstehend dargelegten Unzulänglichkeiten und Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomagraphie bereitzustellen, die ein signifikant höheres lokales Auflösungsvermögen von nur wenigen Zentimetern besitzt. Die Antennenvorrichtung soll in bereits vorhandene Magnetresonanztomographen ohne komplizierte und kostenintensive Umbaumaßnahmen problemlos eingebaut werden können. Die Antennenvorrichtung soll aus einheitlichen Wechselwirkungselementen modular aufgebaut werden können und es soll eine beliebige Anzahl von Wechselwirkungselementen mit beliebigem Abstand zueinander verwendet werden können, wodurch es ermöglicht wird, die von dem zu untersuchenden Patienten verursachten Absorptionen und Reflexionen, zentimetergenau zu kompensieren und auch punktuelle lokale Feldstärkeüberhöhungen sicher zu detektieren und zu vermeiden.
• Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch aufgeführten Merkmale gelöst. vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass kostengünstig und zuverlässig eine einzige, einheitliche und modulare Grundstruktur als universelles Wechselwirkungselement zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendet wird, wobei die Anzahl der jeweils verwendeten Wechselwirkungselemente in Abhängigkeit vom jeweiligen Einsatzzweck beliebig gewählt werden kann.
• Weitere mit der Erfindung erzielte Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die vierfache Speisung und Signalableitung der Wechselwirkungselemente sehr einfache Speisenetzwerke ermöglichen und die jeweils verwendeten Wechselwirkungselemente als universelle Antennenelemente sowohl beliebig feldstrukturierte Wanderwellen als auch gegebenenfalls beliebig feldstrukturierte stehende Wellenfelder generieren können das Erzeugen stehender Wellen können die Antennenvorrichtungen dann prinzipiell auch für Larmorfrequenzen unterhalb der Grenzfrequenz des Untersuchungsvolumens des Hochfeld-Magnetresonanztomographen verwendet werden, wo eine Wanderwellenausbreitung physikalisch nicht mehr möglich ist.
• Somit finden sich gleichzeitig auch prinzipiell universelle Einsatzmöglichkeiten der hier erfundenen neuen Antennenvorrichtung in allen bisher bekannten Magnetresonanztomographen.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Zur Erläuterung der Erfindung sind Zeichnungen gegeben, die im Folgenden naher beschrieben werden. Es zeigt
• 1 als Stand der Technik zur Erläuterung das Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung, die oft auch als RH-Leitung bezeichnet wird,
• 2 als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein Leitungsstück einer RH-Leitung,
• 3 als Stand der Technik zur Erläuterung das zur 1 duale Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein Leitungsstück einer fiktiven Hochfrequenzleitung, die auch als LH-Leitung bezeichnet wird,
• 4 als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein Leitungsstück einer fiktiven LH-Leitung,
• 5 als Stand der Technik zur Erläuterung das Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein kombiniertes Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung mit einer fiktiven LH-Leitung, die auch als CRLH-Leitung bezeichnet wird,
• 6 als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstante β für ein kombiniertes Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung, einer RH-Leitung, mit einer fiktiven LH-Leitung, die auch als CRLH-Leitung oder als Meta-Leitung bezeichnet wird,
• 7 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer zum Aufbau eines hier verwendeten Wechselwirkungselementes prinzipiell geeignete Metaleitung,
• 8 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer zum Aufbau eines hier verwendeten Wechselwirkungselementes prinzipiell geeignete Metaleitung in einer in sich geschlossenen Ringstruktur,
• 9 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer bekannten Wechselwirkungspaareinheit,
• 10 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer bekannten Antennenvorrichtung mit vier Wechselwirkungspaareinheiten, wobei drei Wechselwirkungspaareinheiten unidirektional konstruktiv gespeist werden und eine Wechselwirkungspaareinheit unidirektional destruktiv gespeist wird, mit einem beispielhaften Verlauf der Amplitude der magnetischen Flussdichte im Untersuchungsvolumen,
• 11 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft ein typischer Aufbau eines Magnetresonanztomographen im Querschnitt entlang der Achse des Untersuchungsvolumens,
• 12 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft ein typischer Aufbau im Bereich des Untersuchungsvolumens eines Magnetresonanztomographen im Querschnitt senkrecht zur Achse des Untersuchungsvolumens,
• 13 eine schematische Darstellung des Querschnittes eines beispielhaften Wechselwirkungselementes, wie es in dieser Erfindung als modulares Antennenelement zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendet wird,
• 14 eine schematische Darstellung konstruktiver Details im Querschnitt zur galvanischen Ankopplung von Strahlerelementen und Speiseleitung,
• 15 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung,
• 16 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer langgestreckten Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit geringem räumlichen Auflösungsvermögen,
• 17 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen,
• 18 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer vollständigen, langgestreckten Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen,
• 19 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit mittlerem räumlichen Auflösungsvermögen, zusammen mit der typischen Position eines zu untersuchenden Patienten,
• 20 zur Erläuterung der Erfindung einige erfindungsgemäße zusätzliche elektronische Komponenten zum bestimmungsgemäßen Betrieb der Meta-MRT-Antennenvorrichtung,
• 21 zur Erläuterung der Erfindung ein beispielhafter Verlauf eines zu generierenden lokalen Feldstärke-Profils im Untersuchungsvolumen in Abhängigkeit von der Position des Patienten,
• 22 zur Erläuterung sowohl der Reflexionskompensation als auch der Transmissionskompensation beispielhaft eine typische lokale durch den Patienten bedingte Stoßstelle, die sowohl eine Reflexion als auch eine Dämpfung der fortschreitenden Welle bewirkt,
• 23 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, wobei partiell Wechselwirkungselemente mit geringerem Durchmesser verwendet werden,
• 24 eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, wobei partiell Wechselwirkungselemente mit geringerem Durchmesser verwendet werden, welche in einer dielektrischen Halterung kompatibel zu anderen Wechselwirkungselementen der Meta-MRT-Antennenvorrichtung montiert sind.
• Beispiel zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
• Zur Erläuterung der Erfindung ist in 1 als Stand der Technik das bekannte Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung, die oft auch als RH-Leitung bezeichnet wird, angegeben. Die Bezeichnung RH-Leitung wurde im Zusammenhang mit dem Forschungsgebiet über Metamaterialien eingeführt. Dort wurde die herkömmliche, bekannte Leitung mit stets positiven Materialparametern als „right-handed”, also rechtshändisch bezeichnet. Eine RH-Leitung, deren Verluste zur Vereinfachung hier vernachlässigt werden sollen, besitzt somit eine physikalische Längenausdehnung, die rechtshändische Referenzlänge (22). Die frequenzabhängigen charakteristischen Eigenschaften einer solchen Leitung lassen sich in bekannter Weise vereinfacht mit Hilfe eines Induktivitätsbelages, zur Unterscheidung nachfolgend hier rechtshändiger Induktivitätsbelag (20) benannt und eines Kapazitätsbelages, zur Unterscheidung nachfolgend hier rechtshändiger Kapazitätsbelag (21) benannt, hinreichend gut beschreiben.
• Die 2 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung den bekannten Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein Leitungsstück einer RH-Leitung. Der Zusammenhang ist linear und für alle Frequenzen f ist die Phasenkonstante β stets positiv. Die Materialparameter der RH-Leitung sind ebenfalls positiv.
• Die 3 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung das zur 1 duale Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein Leitungsstück einer fiktiven Hochfrequenzleitung, die auch als LH-Leitung bezeichnet wird. Die Bezeichnung LH-Leitung wurde im Zusammenhang mit dem Forschungsgebiet über Metamaterialien eingeführt. Dort wurde diese duale Form der herkömmlichen Leitung als „left-handed”, also linkshändig bezeichnet. Eine solche LH-Leitung ist zwar prinzipiell denkbar, jedoch würde eine Wellenausbreitung auf einer solchen Leitung dann jedoch negative Materialparameter voraussetzen. Diese kommen aber bei herkömmlich aufgebauten Hochfrequenzleitungen ohne weiteres nicht vor, sie können jedoch auf verschiedene Weisen ohne große Probleme künstlich erzeugt werden. Im Ersatzschaltbild für diese LH-Leitung mit der linkshändigen Referenzlänge (25) wird anstelle des Serieninduktivitätsbelages dann ein Kapazitätsbelag, zur Unterscheidung nachfolgend hier linkshändiger Kapazitätsbelag (23) benannt und anstelle des Parallelkapazitätsbelages dann ein Induktivitätsbelag, zur Unterscheidung nachfolgend hier linkshändiger Induktivitätsbelag (24) benannt, verwendet, um die frequenzabhängigen charakteristischen Eigenschaften zu beschreiben.
• Die 4 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein Leitungsstück einer fiktiven LH-Leitung. Der Zusammenhang ist nichtlinear und für alle Frequenzen f ist die Phasenkonstante β stets negativ. Die Materialparameter der LH-Leitung sind negativ.
• Eine reine LH-Leitung ist als Wechselwirkungselement zum Aufbau einer Antennenvorrichtung gemäß den Vorgaben der hier gestellten Aufgabe völlig ungeeignet. Durch die Kombination von Elementen einer RH-Leitung mit den Elementen einer LH-Leitung lassen sich jedoch künstlich synthetisierte Hochfrequenzleitungen mit den jeweils erforderlichen veränderten elektrisch wirksamen Materialparametern herstellen. Solche künstlich synthetisierten Leitungen werden auch als kombinierte-rechtshändige-linkshändige-Leitungen, oder „combined-right-left-handed” oder abgekürzt als CRLH-Leitung oder als Meta-Leitung bezeichnet.
• Die 5 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung das Ersatzschaltbild aus konzentrierten Bauelementen für ein kombiniertes Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung mit einer fiktiven LH-Leitung, die auch als CRLH-Leitung bezeichnet wird, für eine Referenzlänge (26) der CRLH-Leitung.
• Dabei ist zusätzlich zum rechtshändigen Induktivitätsbelag (20) ein linkshändiger Kapazitätsbelag (23) in Serienschaltung hinzugefügt worden. Parallel zum rechtshändigen Kapazitätsbelag (21) ist ein linkshändiger Induktivitätsbelag (24) hinzugefügt worden.
• In der Praxis geschieht die einfachste Realisierung dadurch, dass beispielsweise über den Koppelspalt einer unterbrochenen Streifenleitung ein SMD-Kondensator und vom Mittelleiter zur Grundmetallisierung durch ein kleines Loch im Substrat eine SMD-Spule gelötet wird. Deutlich komplexere und elegantere Bauformen für die Metaleitung sind mittlerweile Stand der Technik.
• Wie aus der 5 leicht zu erkennen ist, können die Elemente des rechtshändigen Induktivitätsbelages (20) und des linkshändigen Kapazitätsbelages (23) eine Serienresonanzschaltung bilden und die Elemente des rechtshändigen Kapazitätsbelages (21) des linkshändigen Induktivitätsbelag (24) wiederum eine Parallelresonanzschaltung bilden. Für den Sonderfall, dass beide Resonanzfrequenzen übereinstimmen, ergibt sich der nachfolgend gezeigte Zusammenhang zwischen den elektrischen Größen.
• Die 6 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung den Zusammenhang zwischen der Frequenz f und der Phasenkonstanten β für ein kombiniertes Leitungsstück einer herkömmlichen Hochfrequenzleitung, einer RH-Leitung, mit einer fiktiven LH-Leitung, die auch als CRLH-Leitung oder als Meta-Leitung bezeichnet wird für den Fall übereinstimmender Resonanzfrequenzen. Je nach Größe der Frequenz f ist die Phasenkonstante β entweder positiv oder negativ.
• Zur Nutzung einer solchen Metaleitung als Wechselwirkungselement (19) einer Antennenvorrichtung wird der Bereich für positive Werte der Phasenkonstanten β verwendet.
• Wie aus der 6 zu entnehmen ist, gibt es eine untere Grenzfrequenz die überschritten sein muss, damit die Phasenkonstante β in den Bereich positiver Werte gelangt.
• Als ein typisches funktionsfähiges Beispiel zeigt die 7 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine mögliche Ausführungsform einer zum Aufbau eines hier verwendeten Wechselwirkungselementes prinzipiell geeigneten Metaleitung.
• Die Metaleitung besteht aus einer kontinuierlichen, periodisch hintereinander gesetzten Folge aus einem rechtshändigen Bereich (1) der Metaleitung mit der jeweiligen Länge des rechtshändigen Bereiches der Metaleitung (104) und aus einem linkshändigen Bereich (2) der Metaleitung mit der jeweiligen Länge des linkshändigen Bereiches der Metaleitung (105).
• Der rechtshändige Bereich (1) der Metaleitung ist in diesem Beispiel wie eine unsymmetrische Streifenleitung, die in Fachkreisen auch „microstrip” genannt wird, aufgebaut. Eine Streifenleiterbahn (5) der Breite (100) ist auf einem dielektrischen Substrat (4) der Höhe (102) und der Breite (101) aufgebracht, welches sich wiederum auf einer Grundmetallisierung (3), dem sogenannten „ground” befindet. Die Breite (101) des Substrates ist damit gleichzeitig auch die Breite (101) der Metaleitung und beträgt je nach Ausführungsform typischerweise nur einige Millimeter. Dabei muss der Fachmann bei der Konstruktion der Metaleitung sorgfältig abwägen, wie er die Geometrien wählt.
• Mit zunehmender Höhe der Metaleitung (102) wächst auch die Breite der Streifenleiterbahn (100) und damit auch die Breite der Metaleitung (101). Durch die geometrische Vergrößerung der Leitung verbessert sich durch die größere Höhe der Metaleitung (102) naturgemäß die Fähigkeit zur Wechselwirkung mit den Nahfeldern und durch die größere Breite der Streifenleiterbahn (100) erhöht sich deren Strombelastbarkeit und damit verbunden auch die maximal verträgliche Senderleistung. Dem spricht entgegen, dass sich damit gleichzeitig auch die Breite der Metaleitung (101) vergrößert, wodurch die maximal mögliche laterale Auflösung der Meta-MRT-Antennenvorrichtung geringer wird. Es ist also ein sinnvoller Kompromiss zwischen den jeweiligen Anforderungen erforderlich.
• Wie aus 7 zu erkennen ist, stellt der rechtshändige Bereich der Metaleitung (1) mit der Länge (104) den überwiegenden Bereich der Metaleitung dar. Dieser Bereich ist hinsichtlich der Wechselwirkung mit den Nahfeldern dominant.
• Der linkshändige Bereich der Metaleitung (2) mit der Länge (105) spielt für die direkte Wechselwirkung mit den Nahfeldern im Untersuchungsvolumen (13) nur eine untergeordnete Rolle. Deshalb ist der Wert für die Länge (105) des linkshändigen Bereiches deutlich geringer als der Wert für die Länge (104) des rechtshändigen Bereiches der Metaleitung. Der linkshändige Bereich (2) der Metaleitung dient in erster Linie der künstlichen Realisierung der gewünschten Wellenzahl. In der 7 ist eine Realisierung des linkshändigen Kapazitätsbelages (23) durch sich überlappende Metallschichten angedeutet. Dabei wurde auf eine Darstellung von erforderlichen Isolierschichten verzichtet. Durch diese Bauform können im Gegensatz zu kleinen SMD-Kondensatoren auch hohe Spannungsspitzen bewältigt werden, wie sie im Impulsbetrieb der im Kilowatt-Bereich arbeitenden Speisesender auftreten. Weiterhin ist in der 7 eine Realisierung des linkshändigen Induktivitätsbelages (24) durch eine mäanderförmige metallische dünne Leitung angedeutet. Bei dieser beispielhaften Bauform kann im Gegensatz zu manchen Bauformen von SMD-Spulen auf jegliche Form von Ferritmaterialien verzichtet werden, die aus Nahe liegenden Gründen im Arbeitsbereich der Hochfeld-Magnetresonanztomographen streng verboten sind.
• Dadurch, dass die Wellenzahl der Metaleitung in weiten Grenzen gezielt künstlich synthetisiert werden kann, ergibt sich die Möglichkeit, die bei durch Resonanz fest vorgegebenen elektrisch wirksamen Leitungslängen durch eine Metaleitung mit geometrisch einstellbarer Leitungslänge zu realisieren.
• So kann beispielsweise eine Metaleitung in Vollwellenresonanz, d. h. es werden beispielweise zwei seitlich miteinander verbundene Dipolantennen zu einem Ring gebogen und dort miteinander verbunden, zu einem kreisförmig geschlossenen Ringresonator geschlossen werden, wobei der Anfang der Metaleitung mit dem Ende der Metaleitung elektrisch leitend und gleichzeitig auch mechanisch verbunden sind. Wegen der jeweiligen Verteilung der Spannungsknoten und der Stromknoten auf der Metaleitung werden die Resonanzbedingungen auch für eine solche ringförmig geschlossene Struktur erfüllt.
• In 8 ist als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer zum Aufbau eines hier verwendeten Wechselwirkungselementes prinzipiell geeignete Metaleitung in einer in sich geschlossenen Ringstruktur gegeben.
• Zu erkennen sind die abwechselnd periodisch aufeinander folgenden rechtshändigen Bereiche (1) der Metaleitung sowie die linkshändigen Bereiche (2) der Metaleitung, von denen in der 8 jedoch nur einige beispielhaft gekennzeichnet sind. Weiterhin ist die Streifenleiterbahn (5) als das überwiegend mit dem Nahfeld im Untersuchungsvolumen (13) wechselwirkende Element der Metaleitung gut zu erkennen. Die Streifenleiterbahn (5) ist auf dem Substrat (4) befestigt, welches wiederum eine Grundmetallisierung (3) besitzt. Insgesamt hat die Metaleitung die Breite (101) und ist zu einem in sich geschlossenen Ring geformt, der den Durchmesser (110) besitzt. Dies alles ist schon aus der DE 20 2010 003 162 U1 bekannt und gehört somit zum bereits veröffentlichten Stand der Technik.
• Damit eine solche ringförmige Resonatorstruktur möglichst passgenau in das Innere des Untersuchungsvolumens (13) hinein montiert werden kann ist es erforderlich, dass der Durchmesser (110) dieser ringförmigen Resonatorstruktur mit dem Innendurchmesser des zur Verfügung stehenden Untersuchungsvolumens (13) nahezu übereinstimmt bzw. ein klein wenig geringer ist. Es wird daher zweckmäßigerweise die Wellenzahl durch gezielte Variation der Werte für den linkshändigen Kapazitätsbelag (23) und den linkshändigen Induktivitätsbelag (24) so eingestellt, dass die geometrische Länge des jeweiligen Ringresonators sowohl mit der elektrisch erforderlichen Länge übereinstimmt als auch gleichzeitig mit dem Innendurchmesser des Untersuchungsvolumens übereinstimmt. Als weitere einfach zu manipulierende Einstellmöglichkeiten werden die jeweiligen Längen des rechtshändigen Bereiches (104) und des linkshändigen Bereiches (105) der Metaleitung gemäß den jeweiligen Erfordernissen gewählt.
• Um eine unidirektionale Wanderwelle durch konstruktive und destruktive Überlagerung zu erzeugen, sind nach dem bisherigen Stand der Technik zwei möglichst gleichförmige Ringresonatoren als Wechselwirkungselemente erforderlich, die zu einer Wechselwirkungspaareinheit zusammengefasst werden und die einen bestimmten Abstand voneinander haben.
• Die 9 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer bekannten Wechselwirkungspaareinheit, wobei der seitliche Abstand (111) der Metaleitungswechselwirkungsringe nach dem derzeitigen Stand der Technik ein Viertel oder ein mehrfaches des Viertels der Wellenlänge bei der jeweils angeregten Larmorfrequenz betragen muss.
• Durch das gleichzeitige Einspeisen von hochfrequenten Speiseströmen, die zueinander um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels zeitlich verschoben sind, lassen sich im Untersuchungsvolumen unidirektionale Wanderwellenfelder mit der Feldstruktur von TE₁₁-Rundhohlleiter-Moden anregen.
• Die 10 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft eine Ausführungsform einer bekannten Antennenvorrichtung mit vier Wechselwirkungspaareinheiten, die sich im Untersuchungsvolumen (13) eines Magnetresonanztomographen befinden, wobei hier beispielhaft drei Wechselwirkungspaareinheiten unidirektional konstruktiv gespeist werden und eine Wechselwirkungspaareinheit unidirektional destruktiv gespeist wird.
• Den jeweiligen Wechselwirkungspaareinheiten lateral zugeordnet sind unterhalb der skizzierten Ringresonatoren die zur Anregung erforderlichen Stromdichten durch Symbole veranschaulicht. Die hier dargestellten anregenden Stromdichten sind jeweils zueinander phasenverschoben, was durch die unterschiedlichen Marker symbolisiert wird. Sie besitzen jedoch für jede Wechselwirkungspaareinheit die gleichen Amplituden, was durch die jeweils gleiche Länge der Marker symbolisiert wird.
• Der örtliche Verlauf im Untersuchungsvolumen (13) wird durch eine z-Richtung vorgegeben, wobei die z-Koordinate am Kopfende (14) des Untersuchungsvolumens (13) beginnt und am Fußende (15) des Untersuchungsvolumens (13) endet.
• Demnach besitzen die Amplituden der Stromdichte zur Anregung der vom Kopfende (14) aus gezählten ersten Wechselwirkungspaareinheit, nach dem derzeitigen Stand der Technik, den gleichen positiven Wert, sind jedoch zueinander um 90 Grad phasenverschoben. Das Resultat dieser Anregung ist unmittelbar darunter abgebildet. Es ergibt sich eine unidirektionale Wanderwelle in positiver z-Richtung, während sich die Wellenamplituden in negativer z-Richtung gegenseitig auslöschen.
• Die 10 zeigt nur eine zeitliche Momentaufnahme. Da es sich hierbei um eine Wanderwelle handelt, verlaufen die Amplitudenspitzen, vergleichbar mit dem seitlichen Anblick einer sich drehenden Helix, kontinuierlich in z-Richtung, was bei einer statischen Skizze jedoch nicht dargestellt werden kann. Es ergeben sich so jeweils Bereiche mit lokalen unterschiedlichen aber im zeitlichen Mittel weitgehend konstanten Amplitudenwerten.
• Die Amplituden der Stromdichte zur Anregung der zweiten Wechselwirkungspaareinheit besitzen den gleichen positiven Wert und sind ebenfalls zueinander um 90 Grad phasenverschoben. Das Resultat dieser zusätzlichen Anregung ist unmittelbar darunter abgebildet. Es ergibt sich eine unidirektionale Wanderwelle in positiver z-Richtung aber mit etwa der doppelten Amplitude.
• Die Amplituden der Stromdichte zur Anregung der dritten Wechselwirkungspaareinheit besitzen den doppelten positiven Wert und sind ebenfalls zueinander um 90 Grad phasenverschoben. Das Resultat dieser zusätzlichen Anregung ist unmittelbar darunter abgebildet. Es ergibt sich eine unidirektionale Wanderwelle in positiver z-Richtung aber mit deutlich erhöhter Amplitude.
• Die Amplituden der Stromdichte zur Anregung der vierten Wechselwirkungspaareinheit besitzen sehr hohe und negative Werte. Zwar sind sie ebenfalls zueinander um 90 Grad phasenverschoben, im Vergleich zu den bisherigen Anregungssignalen sind sie jedoch noch einmal um 180 Grad phasenverschoben.
• An dieser Stelle erfolgt also keine konstruktive Überlagerung, sondern es wird eine destruktive Überlagerung der Wellenamplituden vorgenommen. Dabei müssen die speisenden Verstärker sehr leistungsstark sein, weil sie die gesamte bis zu dieser Stelle angewachsene Feldenergie im Untersuchungsvolumen (13) kompensieren müssen. Dies gilt zumindest für ein leeres Untersuchungsvolumen ohne dämpfende Materialien. In der Praxis wird aber ein sehr großer Teil dieser Energie zur Anregung der Kernspins vom jeweiligen relativ stark dämpfenden Gewebe des Patienten absorbiert.
• Das Resultat dieser zusätzlichen Anregung ist unmittelbar darunter abgebildet. Es ergibt sich eine unidirektionale Wanderwelle in positiver z-Richtung mit destruktivem Charakter, der die Amplituden der Wanderwelle zum Fußende (15) des Untersuchungsvolumens (13) hin verschwinden lässt.
• Um Missverständnisse zu vermeiden ist in 11 als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft und schematisch ein typischer Aufbau eines Magnetresonanztomographen im Querschnitt entlang der Achse des Untersuchungsvolumens gezeigt, wie er hier bevorzugt verwendet wird.
• Der Wanderwellen-Magnetresonanztomograph (10) besitzt Hauptfeldspulen (11) zur Erzeugung eines statischen B₀-Feldes von 7 Tesla und mehr. Weiterhin sind zur lokalen Zuordnung der Relaxationssequenzen Spulenanordnungen zur Erzeugung von magnetischen Gradientenfeldern (12) notwendig, deren jeweiliger Aufbau sehr komplex ist und hier nur schematisch angedeutet worden ist. Das nutzbare Untersuchungsvolumen (13) befindet sich hinsichtlich des Querschnitts etwa im Zentrum des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) und erstreckt sich über dessen gesamte Länge, wobei der FOV bei herkömmliche Magnetresonanztomographen in der Regel nur einen Bruchteil dieser Länge ausmacht. Der maximal verfügbare Durchmesser des Untersuchungsvolumens (13) liegt typischerweise derzeit bei einem Wert von etwa 60 cm. Das Untersuchungsvolumen besitzt ein Kopfende (14) durch das der zu untersuchende Patient (17) in das Untersuchungsvolumen (13) mit Hilfe eines Transportschlittens (16) hinein gefahren wird. Das Gegenüberliegende Ende ist das Fußende (15) und wird häufig zur Verkabelung zusätlicher Hilfsgeräte benutzt.
• Entlang des Innenradius des Untersuchungsvolumens befindet sich ein passives Speisenetzwerk (18) und die je nach Antennenvorrichtung sehr unterschiedlichen jeweiligen Wechselwirkungselemente (19). Aus Kostengründen weniger zweckmäßig aufgebaute Magnetresonanztomographen sind in diesem Beispiel nicht skizziert.
• Die 12 zeigt als Stand der Technik zur Erläuterung beispielhaft ein typischer Aufbau im Bereich des Untersuchungsvolumens (13) eines Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) im Querschnitt senkrecht zur Achse des Untersuchungsvolumens (13). In dieser Darstellung sind neben der Form des Transportschlittens (16) und der Lage des Patienten (17) die zweckmäßige radiale Positionierung des passiven Speisenetzwerkes (18) und der Wechselwirkungselemente (19) erkennbar. Zusätzlich eingezeichnet findet sich die Isolierung (103), die eine lokale Überhitzung durch das Berühren Hochfrequenz gespeister Metallteile sicher unterbindet und eine direkte Sicht auf die elektrischen Anordnungen verhindert.
• Ein erfindungsgemäß signifikant verbessertes Wechselwirkungselement, als modulares Kernstück der hier präsentierten Meta-MRT-Antennenvorrichtung, ist im nächsten Bild dargestellt.
• Die 13 zeigt eine schematische Darstellung des Querschnittes eines beispielhaften Wechselwirkungselementes, wie es in dieser Erfindung als bevorzugtes modulares Antennenelement zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendet wird. Die zu einem Kreisring geschlossene Metaleitung bildet einen Metaleitungswechselwirkungsring (27). Die Streifenleiterbahn (5) der Metaleitung zeigt allseitig zum Mittelpunkt des Ringes und ist dadurch befähigt, in einem besonders hohen Maße mit den dort präsenten elektromagnetischen Feldern in Wechselwirkung zu treten. Unterhalb der Streifenleitungsbahn (5) befindet sich das kreisförmig geformte Substrat (4) der Metaleitung, welches wiederum auf der kreisförmigen Grundmetallisierung (3) der Metaleitung aufgebracht ist. Die Grundmetallisierung (3) zeigt zum Zylindermantel des Untersuchungsvolumens. Der Durchmesser (110) des Metaleitungswechselwirkungsringes (27) ist dabei so gewählt, dass der Metaleitungswechselwirkungsring (27) mit den erforderlichen Anschlüssen vollständig in das Untersuchungsvolumen eingepasst werden kann. Der Metaleitungswechselwirkungsring (27) besitzt vier Wellentore, an denen sowohl Speisesignale beispielsweise zur Erregung der zirkular polarisierten Wellenfelder als propagierende Drehfelder eingespeist werden können als auch die von dem jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsring (27) empfangenen hochfrequenten jeweils interessierende Signale ausgekoppelt werden können. Der Metaleitungswechselwirkungsring (27) kann gleichzeitig also sowohl als abstrahlendes bzw. aussendendes als auch als empfangendes Wechselwirkungselement der Meta-MRT-Antennenvorrichtung verwendet werden.
• Durch die Möglichkeit, sowohl die jeweiligen Speisesignale als auch die empfangenen Signale auf vier Wellentore verteilen zu können, ergeben sich außerordentliche Vorteile hinsichtlich des Schaltungsaufwandes zur Anpassung der Phasenlage und der optimalen Impedanzanpassung, weil sowohl die elektrische Phasenlage als auch die mechanische, durch die versetzte Leitungslänge bedingte, Phasenlage, direkt korreliert werden kann, ohne zusätzliche elektromagnetische Phasenschieber verwenden zu müssen. So wird beispielsweise anstelle einer zusätzlichen Umwegleitung mit einer elektrisch wirksamen Länge von einer Viertelwellenlänge, welche mit hohem technischen Aufwand sorgfältig hinsichtlich ihrer Abstrahlungen abgeschirmt werden muss, damit diese die elektromagnetische Feldstruktur im Untersuchungsvolumen nicht störend beeinflusst, welche zudem durch ihre physikalische Länge einen relativ großen Flächenverbrauch zu Ungunsten weiterer Anpasselemente verursacht, einfach ein kleiner und kompakter, entsprechend angeordneter, elektronischer Umschalter, beispielweise in Form einer PIN-Diode, verwendet.
• Im einzelnen besitzen die jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) gemäß 13 auf der Außenseite zur Zuführung und zur Ableitung von Signalen vier gleichmäßig über den Umfang verteilte koaxiale Wellentore (6), (7), (8) und (9), wobei der Winkel (124) zwischen dem ersten Wellentor (6) und dem zweiten Wellentor (7) dann 90 Grad beträgt, der Winkel (125) zwischen dem zweiten Wellentor (7) und dem dritten Wellentor (8) dann 90 Grad beträgt, der Winkel (126) zwischen dem dritten Wellentor (8) und dem vierten Wellentor (9) dann 90 Grad beträgt und der Winkel (127) zwischen dem vierten Wellentor (9) und dem ersten Wellentor (6) dann 90 Grad beträgt.
• Durch diese mechanische Maßnahme ist der Signalfluss am ersten Wellentor (120) in elektrischer Hinsicht gegenüber dem Signalfluss am zweiten Wellentor (121) bereits um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels verschoben, weiterhin ist der Signalfluss am zweiten Wellentor (121) in elektrischer Hinsicht gegenüber dem Signalfluss am dritten Wellentor (122) bereits um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels verschoben, weiterhin ist der Signalfluss am dritten Wellentor (122) in elektrischer Hinsicht gegenüber dem Signalfluss am vierten Wellentor (123) bereits um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels verschoben und weiterhin ist der Signalfluss am vierten Wellentor (123) in elektrischer Hinsicht gegenüber dem Signalfluss am ersten Wellentor (120) bereits um 90 Grad hinsichtlich des Nullphasenwinkels verschoben. Wegen dieser mechanischen Verschiebung der jeweiligen Wellentore zueinander müssen die erforderlichen Phasenverschiebungen nicht noch durch ein passives Speisenetzwerk (18) erzeugt werden, wodurch das passive Speisenetzwerk signifikant einfacher aufgebaut werden kann und dadurch kompakter und preiswerter realisiert werden kann.
• Dabei sind die jeweiligen Wellentore (6), (7), (8) und (9), von der Rückseite der zum Aufbau der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendeten planaren Leiterbahnen aus betrachtet, dergestalt mit der jeweiligen Streifenleiterbahn (5) der Metaleitung elektrisch leitend verbunden, dass sich keinerlei Erhebungen in das Untersuchungsvolumen (13) hinein ergeben.
• Die 14 zeigt eine schematische Darstellung konstruktiver Details im Querschnitt zur galvanischen Ankopplung von Strahlerelementen und Speiseleitung. Deutlich im Querschnitt zu erkennen ist die Streifenleiterbahn (5) der Metaleitung, von der die dominante Wechselwirkung des Metaleitungswechselwirkungsringes (27) mit den hochfrequenten magnetischen B₁-Feldern im Inneren des Untersuchungsvolumens (13) ausgeht. Diese Streifenleiterbahn (5) befindet sich auf dem Substrat (4), welches wiederum auf der Grundmetallisierung (3) der Metaleitung aufgebracht ist. Zur galvanischen Verbindung mit einem koaxialen Wellenleiter, bestehend aus dem zentralen signalführenden Innenleiter (300), dem Dielektrikum (301) und dem abschirmenden Außenleiter (302), wird bei der Fertigung für jedes Tor für den Signalfluss jeweils eine Bohrung durch die gesamte Metaleitung, also durch die Streifenleiterbahn (5), durch das Substrat (4) und durch die Grundmetallisierung (3) der Metaleitung vorgenommen. Auf der Ebene der Grundmetallisierung (3) wird gleichzeitig zentral um das Bohrloch herum eine kreisförmige Fläche mit dem Durchmesser des Koaxialkabels ätztechnisch oder mit Hilfe eines Fräsers entfernt. Dann wird das Bohrloch galvanoplastisch durchkontaktiert. So wird eine unmittelbar mit der Streifenleiterbahn (5) galvanisch verbundene, durch das Substrat (4) hindurch führende aber mit der Grundmetallisierung (3) der Metaleitung galvanisch nicht verbundene Metallhülse (303) erzeugt. In diese Metallhülse (303) wird nun der signalführende Innenleiter (300) des Koaxialkabels geführt und an der Oberseite der Streifenleiterbahn (5) so verlötet oder gleichwertig beispielsweise durch einen Leitkleber elektrisch und mechanisch verbunden, dass das Lot bzw. der Leitkleber in die Metallhülse durch die Kapillarwirkung hinein gezogen wird. Dies führt zu einer dauerhaft leitenden Verbindung (306) zwischen der Streifenleiterbahn (5) und dem signalführenden Innenleiter (300) der Koaxialleitung, ohne dass sich an der Kontaktstelle eine Erhebung in das Untersuchungsvolumen (13) hinein ergeben würde. Die Grundmetallisierung (3) der Metaleitung wird mit dem abschirmenden Außenleiter der Koaxialleitung ebenfalls verlötet, oder gleichwertig beispielsweise durch einen Leitkleber elektrisch und mechanisch verbunden und bildet so eine leitende Verbindung (305) zwischen der Grundmetallisierung (3) des Metaleitungswechselwirkungsringes und dem abschirmenden Außenleiter (302) des Koaxialleiters.
• Die Meta-MRT-Antennenvorrichtung verwendet im Gegensatz zu der in der DE 20 2010 003 162 U1 vorgestellten Antennenvorrichtung zum Aufbau der Antennenvorrichtung keine stets paarweisen Anordnungen wie beispielsweise die dort beschriebenen Wechselwirkungspaareinheiten, sondern es werden hier erfindungsgemäß eine beliebige, gerade oder ungerade Anzahl von Metaleitungswechselwirkungsringen (27) verwendet.
• Dabei wird die maximale Anzahl von Metaleitungswechselwirkungsringen (27) lediglich durch die zur Verfügung stehende Länge des Untersuchungsvolumens (13) begrenzt und die minimale Anzahl wegen der beabsichtigten Überlagerung von Feldern auf mindestens zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) begrenzt.
• Im Gegensatz zu der in der DE 20 2010 003 162 U1 vorgestellten Antennenvorrichtung müssen zum Aufbau der Antennenvorrichtung bei der Meta-MRT-Antennenvorrichtung die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) lateral nicht genau ein viertel der Wellenlänge der jeweiligen Resonanzfrequenz voneinander distanziert sein, sondern diese können einen beliebigen, frei wählbaren seitlichen Abstand (111) voneinander haben.
• Dieser Umstand mag auf den ersten Blick für den Theoretiker von geringer Bedeutung sein. Für die Praxis jedoch, bei der es auf Realisierbarkeit, Herstellungskosten und Akzeptanz der Apparatur durch die betroffenen Investoren ankommt, ist dieser Umstand von ganz entscheidender Wichtigkeit.
• Da sich die Wellenlänge im Untersuchungsvolumen wie in einem Rundhohlleiter bei Annäherung an die Grenzwellenlänge signifikant vergrößert, ergibt sich beispielsweise bei einem 7 Tesla-Hochfeld-Magnetresonanztomographen für eine entsprechende Wasserstoff-Larmorfrequenz von 298 MHz und einem typischen Durchmesser des Untersuchungsvolumens von 0,64 m eine Wellenlänge von 2,63 m anstelle der Freiraumwellenlänge von 1,01 m.
• Die in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichte Erfindung, das sei an dieser Stelle noch einmal gesagt, benötigt also entweder noch höhere Flussdichten für das Hauptfeld und damit verbunden höhere Larmorfrequenzen, die signifikant über der jeweiligen Grenzfrequenz der Hohlleitermoden liegen, oder aber größere verfügbare Durchmesser des Untersuchungsvolumens, um die vom verfahren her vorgegebenen räumlichen Auflösung auch tatsächlich verifizieren zu können.
• Derzeit liegen die praktisch realisierten magnetischen Flussdichten für das Hauptfeld, abgesehen von einigen speziellen Forschungseinrichtungen, bei 9,4 Tesla, was eine Wasserstoff-Larmorfrequenz von 399 MHz bedeuten würde. Durch den elektromagnetischen Einfluss des menschlichen Gewebes auf die Wellenlänge ergäbe sich im menschlichen Gewebe eine typische Wellenlänge von etwa 0,1 m. Damit würde die in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichte Erfindung sicherlich mit hoher räumlicher Auflösung in gewünschter Weise funktionieren.
• Aus Kostengründen sind derzeit jedoch Magnetresonanztomographen mit einer solch hohen magnetischen Flussdichte eher die Ausnahme.
• Sowohl höhere Flussdichten als auch größere Durchmesser des Untersuchungsvolumens sind in der Realisierung mit sehr hohen zusätzlichen Kosten verbunden. Es müssten also vollständig neue Magnetresonanztomographen mit entsprechend veränderten charakteristischen Eigenschaften angeschafft werden, was die Einsatzfreude in der Praxis deutlich dämpfen dürfte.
• In vielen Praxen der Fachärzte und in den Kliniken werden heute immer noch Magnetresonanztomographen mit magnetischen Flussdichten von 1,5 Tesla eingesetzt. Bei solchen Geräten wäre der Einsatz der in der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2010 003 162 U1 veröffentlichten Erfindung aus praktischen Gründen unmöglich.
• Bei der hier beschriebenen Meta-MRT-Antennenvorrichtung hingegen müssen die zum Aufbau der Antennenvorrichtung verwendeten Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) lateral nicht genau ein viertel der Wellenlänge der jeweiligen Resonanzfrequenz voneinander distanziert sein, sondern diese können einen beliebigen, frei wählbaren seitlichen Abstand (111) voneinander haben.
• Dabei werden die einzelnen Wellentore (6), (7), (8) und (9) jeweils mit hochfrequenten Wechselströmen gespeist, deren jeweiligen Amplituden und jeweiligen Nullphasenwinkel in Abhängigkeit der charakteristischen Eigenschaften, des zu generierenden B₁-Feldes gezielt vorgegeben werden können, wodurch im Untersuchungsvolumen (13) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird und wobei sich eine hinsichtlich der lokalen Feldstärke innerhalb des Untersuchungsvolumens steuerbare resultierende beliebige Feldstruktur im Untersuchungsvolumen (13) durch die interferierende Überlagerung der einzelnen, von den jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) angeregten, lokalen Felder ergibt, wobei sowohl horizontale, vertikale und zirkular polarisierte Wanderwellen als prinzipiell auch stehende Wellen generiert werden können. Die Meta-MRT-Antennenvorrichtung ist somit modular flexibel und universell für jeden gewünschten Einsatzzweck konfigurierbar.
• Die der Erfindung zugrunde liegende neue Erkenntnis, dass zum Aufbau der Antennenvorrichtung bei der hier neu vorgestellten Meta-MRT-Antennenvorrichtung die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) lateral nicht genau ein viertel der Wellenlänge der jeweiligen Resonanzfrequenz voneinander distanziert sein müssen, sondern einen beliebigen, frei wählbaren seitlichen Abstand (111) voneinander haben können, eröffnet zahlreiche weitere neue Anwendungsmöglichkeiten und bedingt den wesentlichen Unterschied zu der bereits in der DE 20 2010 003 162 U1 vorgestellten Antennenvorrichtung.
• Das elektrische bzw. magnetische Feld einer elektromagnetischen Welle im Rundhohlleiter, der im Falle des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen durch den Innenraum des Untersuchungsvolumens (13) realisiert wird, lässt sich über seine kontinuierliche harmonische Zeitabhängigkeit mit der Kreisfrequenz ω und einer linearen Ausbreitungsrichtung entlang einer Ortsvariablen z, die entlang der zentralen Mittelachse des Untersuchungsvolumens (13) vom Kopfende (14) zum Fußende (15) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) hin verlaufend angenommen wird, mit der Phasenkonstante oder auch dem Phasenmaß β allgemein beschreiben, wobei gilt I = I⁺·exp{j(ωt – β(z – z₀) + φ)} + I^–·exp{j(ωt + β(z – z₀) + φ)} (1) mit der Ortskoordinate z₀ als dem Ort der Quelle, mit dem Nullphasenwinkel φ, mit I als Beschreibung der allgemeinen Wellenamplitude, mit I⁺ als Beschreibung der Wellenamplitude der in positiver z-Richtung und I^– als Beschreibung der Wellenamplitude der in negativer z-Richtung laufenden Welle. Im Falle mehrerer Quellen mit den Wellenamplituden I_n lässt sich die resultierende Wellenamplitude I_total durch eine Superposition der einzelnen Wellengleichungen beschreiben, es gilt dann

  
• Das Prinzip der Superposition lässt sich nutzen, um mit Hilfe zweier oder mehrerer Quellen eine unidirektionale Wellenausbreitung zu bewirken. So lassen sich beispielsweise alle in negative z-Richtung laufenden Wellen zu Null addieren, wenn die einzelnen Variablen der jeweiligen Wellenamplituden entsprechend gewählt werden.
• Zur Erläuterung dieses Phänomens soll ein einfacher überschaubarer Fall mit lediglich zwei Wellenquellen beispielhaft nachfolgend erläutert werden.
• Bei einer Wellenanregung mit zwei Wellenquellen I₁ und I₂ im seitlichen Quellenabstand d voneinander, also mit einer Wellenquelle I₁ bei z = z₀ und einer Wellenquelle I₂ bei z = z₀ + d, sowie einer Phasendifferenz φ_Δ ergibt sich bei einem ohne Beschränkung der Allgemeinheit zur Vereinfachung angenommenen jeweiligen Nullphasenwinkel φ = 0, jeweils für die hinlaufenden und rücklaufenden Wellenamplituden I⁺ = I₁·exp{j(ωt – β(z – z₀))} + I₂·exp{j(ωt – β(z – z₀ – d) + φ_Δ)} (3) I^– = I₁·exp{j(ωt + β(z – z₀))} + I₂·exp{j(ωt + β(z – z₀ – d) + φ_Δ)}. (4)
• Für eine angestrebte Auslöschung der Wellenamplituden in negativer z-Richtung, also für I^– = 0 ergibt sich somit die Bedingung I₁ + I₂·exp{j(–βd + φ_Δ)} = 0. (5)
• Daraus folgt als notwendige Bedingung die Gleichheit der Beträge der jeweiligen Wellenamplituden I₁ = I₂ (6) und als Bedingung für die Phasendifferenz φ_Δ = βd + (2n – 1)π, (7) wobei n eine natürliche Zahl sein soll, also n ∊

  

  .
• Für den Betrag der Amplitude der hinlaufenden Welle ergibt sich in diesem Fall |I⁺| = I₁·|1 – exp{jβ2d}|. (8)
• Für den Phasenwinkel der hinlaufenden Welle ergibt sich in diesem Fall φ⁺ = arg((1 – exp{jβ2d}) + βz₀). (9)
• Für eine maximale Amplitude der vorlaufenden Welle von I⁺ = 2I₁ ergibt sich somit ein optimaler Quellenabstand d von einer viertel Wellenlänge und gemäß Gleichung (7) eine Differenz des Nullphasenwinkels von –90 Grad.
• Diese Werte wurden bereits in der DE 20 2010 003 162 U1 vorgestellten Antennenvorrichtung verwendet. Sie stellen bei globalerer Betrachtung aber lediglich einen speziellen Sonderfall der dar.
• Für Quellenabstände d, die kleiner sind als eine viertel Wellenlänge, ergeben sich entsprechend reduzierte Werte für die Amplituden der in positiver z-Richtung laufenden Wellen bei gleichbleibender Anregung I₁ und I₂, d. h. wenn keinerlei Kompensation der Amplituden vorgenommen wird.
• Für den Fall einer einfachen unidirektionalen Anregung in negativer z-Richtung ergibt sich dann eine entgegengesetzte Phasendifferenz zu φ_Δ = (2n + 1)π – βd. (10)
• Für den Betrag der Amplitude der rücklaufenden Welle ergibt sich in diesem Fall |I^–| = I₁·|1 – exp{–jβ2d}|. (11)
• Für den Phasenwinkel der rücklaufenden Welle ergibt sich in diesem Fall φ^– = arg((1 – exp{–jβ2d}) – βz₀). (12)
• Die 15 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung. Zunächst wird beispielhaft für eine prinzipiell beliebige Anzahl von Wechselwirkungselementen eine Kombination von drei Metaleitungswechselwirkungsringen (27) behandelt. Ein erster Metaleitungswechselwirkungsring (27) besitzt den Durchmesser (114) und der zweite Metaleitungswechselwirkungsring (27) besitzt den Durchmesser (115). Beide Metaleitungswechselwirkungsringe (27) haben voneinander den Abstand (112). Ein dritter Metaleitungswechselwirkungsring (27) besitzt den Durchmesser (116) und hat den Abstand (113) vom zweiten Metaleitungswechselwirkungsring (27). Es ist zweckmäßig, die jeweiligen Durchmesser (114), (115) und (116) gleichgroß und so zu wählen, dass die jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) genau in das Untersuchungsvolumen passen. Es soll an dieser Stelle jedoch erwähnt werden, das es prinzipiell durchaus möglich ist, die jeweiligen Durchmesser je nach Anwendungsfall zu variieren, wenn dies zweckmäßig ist. Das Besondere ist jedoch, dass der jeweilige Abstand zwischen den Metaleitungswechselwirkungsringen (27), im beispielhaften Fall hier sind das die Abstände (112) und (113), völlig beliebig gewählt werden können und keineswegs irgendwelche Vielfachen einer Wellenlänge sein müssen.
• Weiterhin können die zum Aufbau der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendeten jeweiligen Metaleitungen derartig synthetisch gestaltet sein, dass sie gleichzeitig mehrere Wellenzahlen besitzen und damit für mehrere Larmorfrequenzen, entsprechend unterschiedlicher zu untersuchender chemischer Elemente im Gewebe, als multiresonante Metaleitungswechselwirkungsringe (27) in resonante Wechselwirkung zu den jeweiligen elektromagnetischen Echosignalsequenzen bei unterschiedlichen Larmorfrequenzen gebracht werden können. Die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) sind also prinzipiell multibandfähig.
• Dabei werden dann die jeweiligen Durchmesser so gewählt, dass die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) in elektrisch wirksamer Hinsicht mit der jeweiligen Wellenlänge oder mit einem Vielfachen der jeweiligen Wellenlänge der jeweils interessierenden Larmorfrequenz übereinstimmen und daher als multiresonante interferierend wirkende Wechselwirkungselemente der Antennenvorrichtung entweder in einfacher oder in mehrfacher Vollwellenresonanz zu mehreren Larmorfrequenzen betrieben werden können.
• Die 16 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer langgestreckten Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit geringem räumlichen Auflösungsvermögen.
• Die 17 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen.
• Das jeweilige räumliche Auflösungsvermögen hängt unmittelbar mit dem physikalischen Abstand der Wechselwirkungselemente von einander ab. Bei geringerem Abstand ist das räumliche Auflösungsvermögen höher, bei größerem Abstand ist das räumliche Auflösungsvermögen geringer.
• Als optimale Version einer erfindungsgemäßen Meta-MRT-Antennenvorrichtung kann die Kombination aus einer maximalen Anzahl von einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) angesehen werden, wobei diese Anzahl nur durch die endliche Länge des zylinderförmigen Untersuchungsvolumens beschränkt wird. Dies führt sowohl zu einer sehr hohen räumlichen Auflösung und erweitert gleichzeitig den theoretisch nutzbaren FOV auf die gesamte Länge des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen bzw. auf die gesamte Länge von dessen Untersuchungsvolumen (13).
• Die 18 zeigt eine schematische Darstellung einer solchen beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen aus Metaleitungswechselwirkungsringen (27) zum modularen Aufbau einer vollständigen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen. Durch den sehr geringen seitlichen Abstand der einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) zueinander ergeben sich vielfältige Möglichkeiten zur gezielten, patientenabhängig angepassten lokalen Feldformung, die nachfolgend erläutert wird.
• Die 19 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung, zusammen mit der typischen Position eines zu untersuchenden Patienten. Dabei sind sowohl die einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) als auch der Patient zunächst nur symbolisch skizziert.
• Die 20 zeigt zur Erläuterung der Erfindung einige erfindungsgemäße zusätzliche elektronische Komponenten zum bestimmungsgemäßen Betrieb der Meta-MRT-Antennenvorrichtung.
• Wenn also der Patient (17) mit Hilfe des Transportschlittens (16) in das Untersuchungsvolumen (13) eingebracht worden ist, dann ist er etwa wie in 19 dargestellt positioniert.
• Da unterschiedliche Patienten in der Regel auch unterschiedlich groß sind, unterschiedlich schwer sind und unterschiedlich geformt sind, werden zunächst mit Hilfe der Meta-MRT-Antennenvorrichtung die individuellen charakteristischen Daten des jeweiligen Patienten (17) erfasst und in einer Datenbank der Speichereinheit (30) abgespeichert. Dazu werden nach und nach alle Metaleitungswechselwirkungsringe (27) aufeinanderfolgend nacheinander beispielsweise mit einem standardisierten Testsignal, d. h. beispielsweise mit jeweils gleicher Amplitude und gleichem Nullphasenwinkel oder anderen gleichen charakteristischen Werten, betrieben, wodurch zunächst beispielsweise ein bidirektionales Wanderwellendrehfeld vom Ort des jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringes (27) ausgehend im Untersuchungsvolumen (13) angeregt wird und nach beiden Seiten hin, das heißt, sowohl zum Kopfende (14) als auch zum Fußende (15) hin, abgestrahlt wird.
• Dieses so erzeugte, vom Ort des jeweils aktivierten Metaleitungswechselwirkungsringes (27) ausgehende, Testfeld wird dann durch den Patienten, je nach Habitus, individuell bedämpft oder im Vergleich zum leeren Untersuchungsvolumen (13) charakteristisch verzerrt. Alle restlichen, jeweils nicht als Sendeantenne verwendeten Metaleitungswechselwirkungsringe (27) dienen bei diesem Kalibriervorgang, wegen der vollständigen Reziprozität ihrer charakteristischen Eigenschaften als Wechselwirkungselemente mit dem elektromagnetischen Feld innerhalb des Untersuchungsvolumens (13), als lokale Empfangsantennen und liefern ihre empfangenen, von den charakteristischen Dämpfungseigenschaften des jeweiligen Patienten geformten, lokal unterschiedlichen Signalamplituden und Phasenlagen über das gesteuerte Speisenetzwerk (34) zur Empfangseinheit (28), anschließend werden die Daten in der Speichereinheit (30) abgelegt und zur weiteren Verarbeitung und Auswertung an die Steuerungseinheit (33) der Meta-MRT-Antennenvorrichtung weiter geleitet.
• Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis sämtliche Metaleitungswechselwirkungsringe (27) wenigstens einmal ein standardisiertes Testsignal abgestrahlt haben. Auf diese Weise werden alle vom Patienten (17) im Untersuchungsvolumen (13) verursachten Reflexionen und Dämpfungen erfasst. Dadurch kann dann das mit dem Patienten (17) elektrisch belastete Untersuchungsvolumen (13) individuell kalibriert werden.
• Es werden also im Verlauf des Untersuchungsvolumens (13) die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) in der beispielhaft beschriebenen Art und Weise dazu verwendet, um benötigte Informationen wie beispielsweise die lokalen Dämpfungen, verursacht durch die Absorption von Feldenergie durch das jeweils zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) im Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10), aus den dort jeweils lokal empfangenen Werten für die Feldenergie zu ermitteln.
• Dazu veranlasst die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung die Sendeeinheit (29) der Antennenvorrichtung, eine hinsichtlich der Amplitude stets gleichgroße hochfrequente Kalibrierstromstärke temporär zu erzeugen, wobei die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung das gesteuerte Speisenetzwerk (34) der Antennenvorrichtung veranlasst, nacheinander stets einen einzigen Metaleitungswechselwirkungsring (27) mit dieser hochfrequenten Kalibrierstromstärke zu speisen und dadurch am jeweiligen Ort des Metaleitungswechselwirkungsringes (27) eine nach allen Seiten hin abklingende Feldstärke zu erzeugen.
• Dabei veranlasst die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung gleichzeitig das gesteuerte Speisenetzwerk (34) der Antennenvorrichtung, die von allen übrigen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) im Untersuchungsvolumen (13) individuell zugeordneten empfangenen Signalfeldstärkewerte mit Hilfe der Empfangseinheit (28) der Speichereinheit (30) zuzuführen, wo diese Informationen abgespeichert werden, wodurch nach Ablauf der sukzessiven temporären Speisung sämtlicher Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) aus den in der Speichereinheit (30) abgelegten Daten ein von dem jeweils zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) im Untersuchungsvolumen (13) verursachtes individuelles Dämpfungsprofil erstellt wird.
• Dabei dienen die so ermittelten Dämpfungswerte in ausgewerteter Form dann als Steuergrößen für die Speisesender und die Ansteuerung der Metaleitungswechselwirkungsringe (27), wobei die Steuereinheit (33) aus dem Dämpfungsprofil die zur Kompensation dieser lokalen Felddämpfungswerte erforderlichen Amplituden und Nullphasenwinkel der von der Sendeeinheit (29) zu erzeugenden hochfrequenten Speiseströme ermittelt und vorgibt und diese dann den einzelnen Wellentoren der jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) zuordnet und mit Hilfe des gesteuerten Speisenetzwerkes (34) zuführt, wobei der Verlauf der Feldstärke im Untersuchungsvolumen (13) dadurch so eingestellt werden kann, dass die Dämpfung durch das zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) kompensiert wird und beispielweise ein nahezu gleichförmiger Verlauf der Amplitude der magnetischen Feldstärke über den gesamten zu erfassenden Bereich des Untersuchungsvolumens (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) gewährleistet ist, wobei ein individuelles lokales Profil des Feldstärke dergestalt erzeugt werden kann, dass der zu untersuchende Bereich des Patienten mit einer gleichmäßig starken Feldstärke versorgt werden kann und die Feldstärke im Untersuchungsvolumen vor und hinter diesem zu untersuchenden Bereich reduziert oder ausgelöscht werden kann.
• Dabei kann beispielsweise eine gleichmäßig starke Feldstärke durch die Kompensation von Reflexionen und Dämpfungen, die vom zu untersuchenden Gewebe oder Patienten (17) verursacht werden, mit Hilfe entsprechend von der Steuereinheit (33) veranlassten Amplituden, Nullphasenwinkel der Speiseströme sowie die jeweiligen Wellentore in den jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) gezielt eingestellt werden.
• Die 21 zeigt zur Erläuterung der Erfindung schematisch einen beispielhaften Verlauf eines zu generierenden lokalen Feldstärke-Profils im Untersuchungsvolumen in Abhängigkeit von der Position des Patienten. Dazu werden die jeweiligen Wellenfelder so überlagert, dass eine nennenswerte Amplitude des Wanderwellenfeldes nur im Bereich des Patienten (17) existiert. Der Kopfbereich wird in dem hier gezeigten schematischen Beispiel mit einer reduzierten Wellenamplitude, der Bereich vom Hals bis zur Hüfte wird mit einer hohen Wellenamplitude und der Bereich der Beine mit einer etwas reduzierten Wellenamplitude versehen.
• Alternativ können selbstverständlich auch ein Leistungsprofil des Wanderwellenfeldes oder das Profil der spezifischen Absorptionsrate (SAR) völlig analog dazu betrachtet bzw. gezielt eingestellt werden.
• Um diese hier beispielhaft gewählten Amplitudenprofile im Untersuchungsvolumen (13) gezielt einstellen zu können, müssen insbesondere die elektromagnetischen Verhältnisse an Diskontinuitäten betrachtet werden. So bildet beispielsweise der Übergang vom Bereich des Halse hin zum Thorax für eine Wanderwelle eine sogenannte Stoßstelle bei der es zu Reflexionen kommt, und nur noch ein Teil der ursprüngliche Energie weiter in die ursprüngliche Richtung transportiert wird.
• Die 22 zeigt zur Erläuterung sowohl der Reflexionskompensation als auch der Transmissionskompensation beispielhaft eine typische lokale durch den Patienten bedingte Stoßstelle, die sowohl eine Reflexion als auch eine Dämpfung der fortschreitenden Welle bewirkt.
• Eine allgemeine vereinfachte Betrachtung vermag den Sachverhalt zu erläutern.
• Wenn eine elektromagnetische Welle auf eine Grenzschicht von Medium 1 mit der Permittivitätszahl ε₁ zu Medium 2 mit der Permittivitätszahl ε₂ trifft, gibt es entsprechend dem Unterschied der Wellenimpedanz der beiden Medien eine Reflexion R mit

  

  mit einer Quelle im Medium 1 an der Stelle z = 0.
• Für das elektrische Feld E_M1 einer Welle im Medium 1 und für das elektrische Feld E_M2 einer Welle im Medium 2 bei einer dielektrischen Grenzschicht am Ort z = a ergibt sich somit ohne Beschränkung der Allgemeinheit für einen Nullphasenwinkel φ₀ = 0 und einer normierten Feldamplitude E₀: E_M1 = E₀(exp{j(–β₁z)} + R·exp{j(–2β₁a)}exp{j(β₁z)}), (14) E_M2 = E₀·(1 + R)·exp{j(–β₁a))·exp{j(–β₂(z – a))}. (15)
• Es können nun zwei weitere Quellen, als Reflexions-Kompensations-Quellen oder abgekürzt sogenannte RK-Quellen, im Medium 1 mit einer unidirektionalen Anregung in negativer z-Richtung mit entsprechender Amplitude und Phasenlage verwendet werden, um die dann ebenfalls in negativer z-Richtung laufenden Reflexionen gemäß Gleichung (14) zu kompensieren. Dazu werden zweckmäßigerweise zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) der Meta-MRT-Antennenvorrichtung gewählt, die der dielektrischen Grenzschicht unmittelbar benachbart sind und sich in Bezug auf dieses hier behandelte Beispiel seitlich neben der Grenzschicht im Medium 1 befinden. Durch die beiden RK-Quellen unmittelbar vor der Material-Grenzschicht wird der Stehwellenanteil im Medium 1 kompensiert. Lediglich im seitlichen Übergangsbereich in longitudinaler Richtung, zwischen den beiden RK-Quellen einerseits und der Grenzschicht andererseits, kann nach der so durchgeführten Reflexionsunterdrückung noch ein begrenzter Bereich mit einer stehenden Welle mit einer leicht erhöhten Amplitude existieren. Ansonsten sind die Amplitudenverläufe entlang der Ausbreitungsrichtung nach der Kompensation für alle Bereiche konstant, die sich ursprünglich ohne RK-Quellen ergebenden Amplitudenverläufe hingegen wiesen ursprünglich die für Reflexionsereignisse typischen starken ortsabhängigen Welligkeiten und periodischen Schwankungen im Wert der Amplitude auf.
• Ist die Permittivitätszahl ε₁ kleiner als die Permittivitätszahl ε₂, so ergibt sich gemäß Gleichung (15) eine Verringerung der Feldstärke im Medium 2 durch die Reflexion, wodurch sich die Wellenamplitude verringert. Es findet an der Grenzschicht somit neben der Reflexion gleichzeitig auch eine Transmissionsdämpfung statt. Diese kann jedoch ebenfalls weitgehend problemlos kompensiert werden. Dazu sind dann weitere Transmissions-Kompensations-Quellen, oder abgekürzt sogenannte TK-Quellen, notwendig.
• Dazu bedarf es jedoch keiner weiteren, zusätzlichen Metaleitungswechselwirkungsringe (27). Vielmehr kann eine Anhebung auf den ursprünglichen Wert der Wellenamplitude im Medium 2 dann gleichzeitig mit denselben beiden Metaleitungswechselwirkungsringen (27) der Meta-MRT-Antennenvorrichtung vorgenommen werden, die bereits als RK-Quellen für die Reflexionskompensation verwendet werden.
• Dazu werden die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) noch zusätzlich zu der in negativer z-Richtung laufender, in dem Beispiel also nach links laufender Anregung, mit einer davon unabhängigen zusätzlichen Anregung versehen, die eine unidirektionale Wellenausbreitung in positiver z-Richtung, also in dem Beispiel nach rechts von der Grenzschichtstelle aus gesehen, bewirkt.
• Es werden also vier überlagerte Steuersignale zur Anregung von Wanderwellen unterschiedlich direktionaler Ausbreitungsrichtung gleichzeitig in die jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) überlagert und eingespeist, die von ihrer Bauform her mit ihren vier Wellentoren dafür in hervorragender Weise geschaffen sind.
• Die zur Anregung für eine vollständige Kompensation von Reflexion und Transmission der zur interferierenden Überlagerung benötigten Wanderwellen jeweils erforderlichen elektrischen Feldstärken der jeweiligen Felder, hängen sowohl vom seitlichen Quellenabstand d der beiden dazu verwendeten Wellenquellen ab, welcher in der Regel der Abstand zwischen zwei Metaleitungswechselwirkungsringen (27) ist, der in einer optimal dicht gepackten Meta-MRT-Antennenvorrichtung typischerweise nur einige Millimeter beträgt, als auch vom Zahlenwert der jeweiligen unterschiedlichen Permittivitätszahlen ε₁ und ε₂ in den verschiedenen dielektrischen Medien, die dadurch ja gerade die gemäß Gleichung (13) zu berechnende, störende Reflexion R bewirken und lassen sich relativ einfach bestimmen.
• Für die Transmissions-Kompensation (TK) für eine Stoßstelle am Ort z = z_TK werden zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet, welche sich beide vor der Grenzschicht im Medium 1 befinden sollen. Dabei befindet sich der erste Metaleitungswechselwirkungsring (27) am Ort z = z_TK und der zweite Metaleitungswechselwirkungsring (27) befindet sich am Ort z = z_TK + d, wobei für den Ort der Grenzschicht bei z = a die Nebenbedingung z_TK + d < a gelten soll.
• Für die Amplitude der Quelle 1 gilt dann:

  

  mit der zugehörigen Phasenverschiebung φ_TK1 = –[arg(1 – exp{jβ₁2d}) + β₁·z_TK]. (17)
• Für die Amplitude der Quelle 2 gilt dann:

  

  mit der zugehörigen Phasenverschiebung φ_TK2 = –[arg(1 – exp{jβ₁2d}) + β₁·z_TK] + β₁·d – (2n – 1)π. (19)
• Für die Reflexions-Kompensation (RK) für eine Stoßstelle am Ort z = a werden zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet, welche sich beide vor der Grenzschicht im Medium 1 befinden sollen. Dabei befindet sich der erste Metaleitungswechselwirkungsring (27) am Ort z = z_RK und der zweite Metaleitungswechselwirkungsring (27) befindet sich am Ort z = z_RK + d, wobei für den Ort der Grenzschicht bei z = a die Nebenbedingung z_RK + d < a gelten soll.
• Dabei ist es in der Praxis sinnvoll, wenn sowohl für die Reflexionskompensation als auch für die Transmissionskompensation die selben Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet werden. Damit werden die jeweiligen Orte für die Wellenanregung identisch, also gilt dann z_RK = z_TK.
• Für die Amplitude der Quelle 1 gilt:

  

  mit der zugehörigen Phasenverschiebung φ_RK1 = –[arg(1 – exp{–jβ₁2d}) – β₁z_RK] – β₁·2a + (2n – 1)π. (21)
• Für die Amplitude der Quelle 2 gilt:

  

  mit der zugehörigen Phasenverschiebung φ_RK2 = –[arg(1 – exp{–jβ₁2d}) – β₁z_RK] – β₁(2a + d). (23)
• Erfüllen die anregenden Felder die oben genannten Bedingungen, so verhält sich der Verlauf der Amplitude der Wanderwelle längs der z-Richtung innerhalb des Untersuchungsvolumens (13) durch die kompensierende Superposition der Wellenamplituden weitestgehend so, als würde keinerlei dielektrische Stoßstelle existieren.
• Neben der Kompensation durch Störstellen bedingter Feldstärkeänderungen sind auf analoge Art und Weise auch gezielt beliebig einstellbare Formungen des longitudinalen Amplitudenverlaufes der Wanderwelle im Untersuchungsvolumen (13) möglich. So lässt sich beispielsweise durch direktes Profilieren des longitudinalen Amplitudenverlaufes der jeweilige nutzbare FOV des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) entweder im Prinzip bei Bedarf auf das gesamte Untersuchungsvolumen (13) ausweiten oder auf einen vorgegebenen kleineren Bereich konzentrieren, wobei dieser kleinere Bereich des nutzbaren FOV dann auch noch zu jedem Ort innerhalb des Untersuchungsvolumens durch eine entsprechende Wahl der Steuersignale elektronisch verschoben werden kann.
• Dadurch lassen sich für unterschiedliche Anwendungsfälle die jeweils optimalen Bedingungen an beliebig elektronisch einstellbar wählbaren Orten im Untersuchungsvolumen (13) für die Untersuchung des Patienten (17) schaffen.
• Durch die universelle Gestaltung der einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) der Meta-MRT-Antennenvorrichtung sind die durch die Wechselwirkung dieser Antennen mit den Feldern im Untersuchungsvolumen (13) zu erzeugenden hochfrequenten elektromagnetischen B₁-Felder keineswegs lediglich auf die Generierung von Wanderwellen mit einer TE₁₁-Feldstruktur beschränkt.
• Obwohl, für Hochfeld-Magnetresonanztomographen mit magnetischen Flussdichten der statischen B₀-Felder von 7 Tesla und mehr, die zirkular polarisierten Wanderwellen als Rundhohlleitermoden, mit einer TE₁₁-Feldstruktur und mit über den gesamten Verlauf des Untersuchungsvolumens (13) gleichmäßig starken Wellenamplituden, die derzeit optimale Anregung für B₁-Felder zur Erzeugung eines möglichst weit ausgedehnten nutzbaren FOV darstellen, sind für zahlreiche Anwendungsfälle weniger anspruchsvolle apparative Einrichtungen, als eine vollständig ausgebaute, sich über den gesamten Verlauf des Bereichs des Untersuchungsvolumens (13) hinweg erstreckende, hochauflösende Meta-MRT-Antennenvorrichtung, sinnvoll.
• In solchen Fällen und wenn der zu untersuchende Gewebebereich nicht allzu groß ist, können stark verkürzte Meta-MRT-Antennenvorrichtung verwendet werden, die jeweils aus nur wenigen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) aufgebaut sind.
• Es können prinzipiell, neben jeglichen Formen von technisch sinnvollen Wanderwellenfeldern, unter Berücksichtigung der Randbedingungen für die jeweiligen physikalischen Grenzfrequenzen dieser Felder, in dem vom Untersuchungsvolumen (13) gebildeten Rundhohlleiter jederzeit auch alle bekannten und derzeit in Magnetresonanztomographen benutzten stehenden Wellenfelder mit Hilfe der Meta-MRT-Antennenvorrichtung erzeugt werden, insbesondere auch dann noch, wenn diese aus nur zwei Metaleitungswechselwirkungsringen (27) aufgebaut ist, was gleichzeitig die minimale Anforderung für eine Meta-MRT-Antennenvorrichtung darstellt. So kann, selbst für herkömmliche Magnetresonanztomographen mit geringen magnetischen Flussdichten von beispielsweise 1,5 Tesla, der Einsatz einer sehr einfachen Meta-MRT-Antennenvorrichtung, die nur aus zwei Metaleitungswechselwirkungsringen (27) besteht, aus Gründen geringer Kosten für die einzelne Untersuchung sehr sinnvoll sein.
• Zwar sind bei diesen Werten für die magnetische Flussdichte die interessierenden Larmorfrequenz so gering, dass der Durchmesser des Untersuchungsvolumens für die Ausprägung einer weitgehend ungedämpft sich ausbreitenden Wanderwelle nicht mehr ausreichend groß ist, doch durch die Fähigkeit, auch stehende Felder erzeugen zu können, finden sich auch zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, gegebenenfalls derzeit häufig benutzte Antennenvorrichtungen wie den sogenannten Bird-Cage oder noch speziellere Formen wie Kopfspulen usw. zu ersetzen.
• Der Grund für die Möglichkeit, mit Hilfe der in der Meta-MRT-Antennenvorrichtung verwendeten Metaleitungswechselwirkungsringen (27), jede bisher verwendete Form von stehenden Feldern nachzubilden, liegt in der universellen Speisung der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) durch die von der Steuereinheit (33), der Sendeeinheit (29) und dem gesteuerten Speisenetzwerk (34) erzeugten, hochfrequenten Speiseströme für die Metaleitungswechselwirkungsringe (27).
• Während beispielsweise bei einer Bird-Cage-Antennenvorrichtung die einzelnen Strahler durch ihre geometrische Länge die jeweiligen Randbedingungen als Bedingung für die Ausbildung stehender hochfrequenter Felder erfüllen, können bei der Meta-MRT-Antennenvorrichtung diese Randbedingungen elektronisch gesteuert erfüllt werden.
• So werden bei einer Bird-Cage-Antennenvorrichtung beispielsweise bis zu acht Leiterstäbe als kreisförmig parallel geschaltete Resonatoren mit einer geometrischen Länge, die in etwa einer halben Wellenlänge entspricht, am Ende durch einen leitenden Ring kurzgeschlossen. Durch den Kurzschluss am jeweiligen Ende der Resonatoren werden die für die Resonanzbedingung der herkömmlichen Bird-Cage-Antennenvorrichtung erforderlichen Impedanzverhältnisse am jeweiligen Ende der einzelnen Strahler erzeugt. Dies bedeutet aber auch, dass die Bird-Cage-Antennenvorrichtung vollständig ausgetauscht werden muss, sobald anstelle von Wasserstoff beispielsweise Natrium mit einer deutlich geringeren Larmorfrequenz im Gewebe untersucht werden soll, weil die geometrische Länge der Resonatoren und damit die Resonanzfrequenz fixiert ist.
• Bei der Meta-MRT-Antennenvorrichtung hingegen, werden diese Randbedingungen durch die Einspeisung entsprechend phasenverschobenen hochfrequenter Steuerstromstärken in die einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27), unabhängig vom aktuellen geometrischen Abstand der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) voneinander, erfüllt.
• So würde beispielsweise im einfachsten Fall einer Meta-MRT-Antennenvorrichtung, bei der lediglich zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet würden, die Nullphasenwinkeldifferenz zwischen den Speisestromstärken der jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) dann 180 Grad entsprechen, wenn der seitliche Abstand (111) der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) eine halbe Wellenlänge oder 270 Grad entsprechen würde und wenn der seitliche Abstand (111) der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) eine dreiviertel Wellenlänge messen würde. Es sind aber beliebige seitliche Abstande (111) denkbar und dem entsprechend müssen dann die jeweiligen Nullphasenwinkeldifferenzen angepasst werden.
• Mit Hilfe der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) wird die ein stehendes hochfrequentes Feld erzeugende Wirkung von zu einem in Längsrichtung zum Untersuchungsvolumen ausgerichteten Resonatoren aus elektrischen Leiter dadurch substituiert, dass das von dieser Resonatorstruktur erzeugte elektrische Feld durch die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) nachgebildet wird, da beide Feldgrößen miteinander verknüpft sind.
• Durch die flexiblen Möglichkeiten, die sich aus der gezielten Synthese von elektromagnetischen Feldstrukturen innerhalb des Untersuchungsvolumens (13) eines Magnetresonanztomographen durch geeignete phasenverschobenen Anregungsströme zur Speisung der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) ergeben, insbesondere auch ohne die Notwendigkeit irgendwelcher metallischer Resonatorstrukturen mit fest vorgegebenen geometrischen Abmessungen, also einfach nur durch die zweckdienliche Wahl geeignet überlagerter hochfrequenter Anregungsströme, lassen sich im Prinzip homogene und weitgehend beliebig longitudinal in die Länge gezogenen Stehwellenfelder erzeugen. Mit Hilfe der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) ließe sich so eine Art „Supercoil” nachbilden, mit der alle bisher bekannten Spulenformen ersetzt werden können.
• Während bei einem stromdurchflossenen Leiterelement die Grenzbedingungen durch einen Kurzschluss, entsprechend einer elektrischen Wand, oder einem Leerlauf, entsprechend einer magnetischen Wand, relativ klar abgegrenzt werden können, kennt die Feldtheorie auch noch die sogenannte Impedanzwand. Bei einem Kurzschluss verschwindet das elektrische Feld (verknüpft mit dem Spannungsknoten) und das magnetische Feld (verknüpft mit dem Strombauch) nimmt den maximalen Wert an. Bei einem Leerlauf ist es genau umgekehrt.
• Bei einer sogenannten Impedanzwand werden die Amplituden des elektrischen Feldes und die Amplituden des magnetischen Feldes in ein definiertes Verhältnis gesetzt, so dass sich die Randbedingungen für die angestrebten Resonanzfrequenzen entsprechend der physikalischen Resonatorlängen stets durch die entsprechende Wahl der Abschlussimpedanz, die dann zwischen einem Kurzschluss und einem Leerlauf liegt, wenn der seitliche Abstand (111) kein vielfaches einer viertel Wellenlänge beträgt, stets exakt verifizieren lassen.
• Der seitliche Abstand (111) zwischen den Metaleitungswechselwirkungsringen (27) ist also auch bei der Erzeugung stehender Felder beliebig frei wählbar.
• Ein weiterer Vorteil ist, dass der Durchmesser des Untersuchungsvolumens (13) für die Erzeugung stehender Felder keine Bedeutung hat, da hier keine limitierende Grenzfrequenz beachtet werden muss.
• Bei einer Änderung der Larmorfrequenz müssen die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) auch bei dieser neuen Frequenz in Resonanz gebracht werden können, damit sie als universelle Wechselwirkungselemente hinreichend gut funktionieren können. Dazu werden die verwendeten Metaleitungen durch die Wahl der Parameter bei der Fertigung so fabriziert, dass sie als multifrequente Resonanzringe betrieben werden können.
• Mit einigem Aufwand können so Metaleitungswechselwirkungsringen (27) aufgebaut werden, die gleichzeitig bei wenigsten zwei Larmorfrequenzen in Resonanz gebracht werden können, was aber einigermaßen aufwendige Maßnahmen bei der Konstruktion verlangt, weil da für beide Resonanzfrequenzen ja lediglich ein einziger Ringdurchmesser verwendet wird.
• Es sind jedoch auch Kombinationen von Metaleitungswechselwirkungsringen (27) mit unterschiedlichem Durchmesser möglich.
• Die 23 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, wobei partiell Wechselwirkungselemente mit geringerem Durchmesser verwendet werden. Dies kann sinnvoll sein, wenn eine Kombination von Wanderwellen mit stehenden Wellen gefordert wird. So können beispielsweise zwei Meta-MRT-Antennenvorrichtungsmodule mit ausreichend großem Ringdurchmesser um Wanderwellenausbreitung zu ermöglichen zum Aufbau eines hinreichend starken B₁-Feldes verwendet werden und ein Meta-MRT-Antennenvorrichtungsmodul mit geringerem Ringdurchmesser befindet sich dann im exponentiell abfallenden aber immer noch ausreichend großen Dämpfungsfeld, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis der empfangenen Echosignalfrequenzen möglicherweise durch das nahe heranführen der Wechselwirkungselemente vorteilhaft verbessert wird, da ja die in dem Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) eingebrachten einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) mit Hilfe des gesteuerten Speisenetzwerkes (34) und der Empfangseinheit (28) in den Impulspausen der Sendeeinheit (29) gleichzeitig auch zum Empfang der bei der Relaxation ausgesendeten Echosignale verwendet werden.
• Zum modularen Austausch können die in dem Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) eingebrachten einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) insgesamt auf einer ausreichend stabil konstruierten zylinderförmigen Hülse montiert werden, die vor dem Einbringen des zu untersuchenden Gewebes durch einfache Umbaumaßnahmen als komplette Einheit in das Untersuchungsvolumen hineingeschoben wird.
• Auf diese Weise ließen sich beispielsweise die bisher für viele spezielle Einsatzfälle benutzen sogenannten Kopfspulen elegant ersetzen.
• Dazu sollten für den Fall unterschiedlicher Ringdurchmesser eine kompatible Halterung vorgesehen werden.
• Die 24 zeigt eine weitere schematische Darstellung einer beispielhaften Kombination von Wechselwirkungselementen zum modularen Aufbau einer kurzen Meta-MRT-Antennenvorrichtung mit hohem räumlichen Auflösungsvermögen, wobei partiell Wechselwirkungselemente mit geringerem Durchmesser verwendet werden, welche in einer dielektrischen Halterung kompatibel zu anderen Wechselwirkungselementen der Meta-MRT-Antennenvorrichtung montiert sind.
• Bezugszeichenliste

1

rechtshändiger Bereich der Metaleitung

2

linkshändiger Bereich der Metaleitung

3

Grundmetallisierung der Metaleitung

4

Substrat der Metaleitung

5

Streifenleiterbahn der Metaleitung

6

Erstes Tor des Metaleitungswechselwirkungsringes

7

Zweites Tor des Metaleitungswechselwirkungsringes

8

Drittes Tor des Metaleitungswechselwirkungsringes

9

Viertes Tor des Metaleitungswechselwirkungsringes

10

Wanderwellen-Magnetresonanztomographen

11

Hauptfeldspulen

12

Spulenanordnungen zur Erzeugung von magnetischen Gradientenfeldern

13

Untersuchungsvolumen

14

Kopfende

15

Fußende

16

Transportschlitten

17

Patient

18

Passives Speisenetzwerk

19

Wechselwirkungselemente

20

Rechtshändiger Induktivitätsbelag

21

Rechtshändiger Kapazitätsbelag

22

Rechtshändige Referenzlänge

23

Linkshändiger Kapazitätsbelag

24

Linkshändiger Induktivitätsbelag

25

Linkshändige Referenzlänge

26

Referenzlänge der CRLH-Leitung

27

Metaleitungswechselwirkungsring

28

Empfangseinheit

29

Sendeeinheit

30

Speichereinheit

31

Empfangssignale zur Bilderzeugung

32

Dateneingabe zur Steuerung der Antennenvorrichtung

33

Steuerungseinheit

34

Gesteuertes Speisenetzwerk

100

Breite der Streifenleiterbahn

101

Breite der Metaleitung

102

Höhe der Metaleitung

103

Isolierung

104

Länge des rechtshändigen Bereiches der Metaleitung

105

Länge des linkshändigen Bereiches der Metaleitung

110

Durchmesser des Metaleitungswechselwirkungsringes

111

Seitlicher Abstand zweier Metaleitungswechselwirkungsringe

112

Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Metaleitungswechselwirkungsring

113

Abstand zwischen dem zweiten und dem dritten Metaleitungswechselwirkungsring

114

Durchmesser des ersten Metaleitungswechselwirkungsringes

115

Durchmesser des zweiten Metaleitungswechselwirkungsringes

116

Durchmesser des dritten Metaleitungswechselwirkungsringes

120

Signalfluss am ersten Wellentor

121

Signalfluss am zweiten Wellentor

122

Signalfluss am dritten Wellentor

123

Signalfluss am vierten Wellentor

124

Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Wellentor

125

Winkel zwischen dem zweiten und dem dritten Wellentor

126

Winkel zwischen dem dritten und dem vierten Wellentor

127

Winkel zwischen dem vierten und dem ersten Wellentor

130

Länge einer ersten Kombination von Wechselwirkungselementen

131

Länge einer zweiten Kombination von Wechselwirkungselementen

132

Länge einer dritten Kombination von Wechselwirkungselementen

133

Durchmesser einer ersten Kombination von Wechselwirkungselementen

134

Durchmesser einer zweiten Kombination von Wechselwirkungselementen

135

Durchmesser einer dritten Kombination von Wechselwirkungselementen

141

Dielektrische Halterung

142

Länge der dielektrischen Halterung

143

Durchmesser der dielektrischen Halterung

300

Signalführender Innenleiter

301

Dielektrikum der Speiseleitung

302

Abschirmender Außenleiter

303

Metallhülse im Bohrloch

305

Leitende Verbindung zwischen der Grundmetallisierung des Metaleitungswechselwirkungsringes und dem abschirmenden Außenleiter

306

Leitende Verbindung zwischen der Streifenleiterbahn des Metaleitungswechselwirkungsringes und dem signalführenden Innenleiter

Claims (7)

1. Meta-MRT-Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie – sowohl zum Erzeugen von hochfrequenten magnetischen gepulsten Wechselfeldern, den sogenannten B₁-Feldern, im jeweiligen Untersuchungsvolumen (13) von Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10), wobei die gepulsten Wechselfelder zusätzlich zum statischen magnetischen Hauptfeld, dem sogenannten B₀-Feld, generiert werden und durch resonante Wechselwirkung mit den präzedierenden Kernspins in den dort befindlichen zu untersuchenden Objekten oder Patienten (17) die temporären Auslenkungen der Kernspins initiieren, – als auch zum Empfangen dieser gepulsten B₁-Feldern, – als auch zum Empfangen der bei der Relaxation der Kernspins ausgesendeten hochfrequenten elektromagnetischen Echosignalsequenzen, – wobei das Untersuchungsvolumen (13) des jeweiligen Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) an beiden Enden offen ist und sowohl ein Kopfende (14) besitzt, durch welches das jeweils zu untersuchende Gewebe oder der zu untersuchende Patient (17) in das Untersuchungsvolumen (13) eingebracht wird, als auch ein dieser Seite gegenüberliegendes Fußende (15) besitzt, – wobei als Wechselwirkungselemente der Antennenvorrichtungen mit den B₁-Feldern im Untersuchungsvolumen (13) in planarer Schaltungstechnik gefertigte, dem Verlauf des Umfangs des Zylindermantels im Inneren des Untersuchungsvolumens (13) folgend angebrachte, planare Hochfrequenzleitungen mit künstlich synthetisierten charakteristischen Eigenschaften, sogenannte Metaleitungen, verwendet werden, – wobei die mit dem B₁-Feld wechselwirkenden Leitungsbereiche, nämlich die Streifenleiterbahn der Metaleitung (5) geometrisch wie unsymmetrische Streifenleitungen, auch Microstrip genannt, gestaltet sind, – wodurch die Metaleitungen jeweils eine unabgeschirmte obere Seite besitzen, womit sie mit den elektromagnetischen Feldern der Umgebung in Wechselwirkung treten können, – wobei sie so montiert sind, dass sie mit dieser oberen Seite zur Längsachse des Untersuchungsvolumens hin in das Untersuchungsvolumen (13) hinein weisen – und als untere Seite jeweils eine geschlossene metallische Ebene als Grundmetallisierung (3) der Metaleitung besitzen, die das elektromagnetische Feld abschirmt und so montiert sind, dass sie mit der unteren Seite zum äußeren Zylindermantel des Untersuchungsvolumens (13) hin weisen, – wobei der Anfang der jeweiligen Metaleitung mit dem Ende der jeweiligen Metaleitung derart mechanisch und elektrisch verbunden ist, dass sich ein der Kontur des Umfangs des Untersuchungsvolumens (13) folgender, geschlossener Metaleitungsring ergibt, – wobei die jeweiligen Metaleitungen durch gezieltes künstliches Beeinflussen der charakteristischen Eigenschaften bei der Fertigung dergestalt synthetisiert werden, dass die Länge des jeweiligen Ringumfanges gleichzeitig jeweils zwei Bedingungen erfüllt, nämlich – zum einen in elektrisch wirksamer Hinsicht mit der einfachen Wellenlänge oder mit einem Vielfachen der Wellenlänge der jeweils interessierenden Larmorfrequenz übereinstimmt und daher diese solchermaßen geschaffenen Metaleitungsringe als resonante Wechselwirkungselemente in Vollwellenresonanz oder in mehrfacher Vollwellenresonanz bezüglich der jeweiligen Larmorfrequenz betrieben werden können und – zum anderen in geometrischer Hinsicht unter Berücksichtigung der Kontur des Umfangs des Zylindermantels des Untersuchungsvolumens (13) derart dimensioniert sind, dass diese Metaleitungsringe als in sich geschlossene Ringstrukturen in das Untersuchungsvolumen (13) problemlos mechanisch eingebaut werden können, – wobei die verwendeten Metaleitungsringe an unterschiedlichen Stellen jeweils mit einem in elektromagnetischer Hinsicht bidirektionalen Speisenetzwerk für Hochfrequenzsignale verbunden sind und dort – sowohl phasenverschobene Speisesendersignale zur Erzeugung der gewünschten B₁-Felder eingespeist werden können – als auch phasenverschobene Empfangssignale zur Ermittlung von elektromagnetischen Feldinformationen – sowie der bei der Relaxation der Kernspins jeweils ausgesendeten elektromagnetischen Echosignalsequenzen entnommen werden können, dadurch gekennzeichnet, dass als interferierend wirkende Wechselwirkungselemente der Antennenvorrichtung – Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendet werden, welche auf der Außenseite zur Zuführung und zur Ableitung von Signalen vier gleichmäßig über den Umfang verteilte koaxiale Wellentore (6), (7), (8) und (9) besitzen, wobei der Winkel (124) zwischen dem ersten Wellentor (6) und dem zweiten Wellentor (7) dann 90 Grad beträgt, der Winkel (125) zwischen dem zweiten Wellentor (7) und dem dritten Wellentor (8) dann 90 Grad beträgt, der Winkel (126) zwischen dem dritten Wellentor (8) und dem vierten Wellentor (9) dann 90 Grad beträgt und der Winkel (127) zwischen dem vierten Wellentor (9) und dem ersten Wellentor (6) dann 90 Grad beträgt, wobei diese Wellentore (6), (7), (8) und (9) von der Rückseite der zum Aufbau der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendeten planaren Leiterbahnen aus dergestalt mit der jeweiligen Streifenleiterbahn (5) der Metaleitung elektrisch leitend verbunden sind, dass sich keinerlei Erhebungen in das Untersuchungsvolumen (13) hinein ergeben, – und wobei zum Aufbau der Antennenvorrichtung keine stets paarweisen Anordnungen, sondern eine beliebige, gerade oder ungerade Anzahl von Metaleitungswechselwirkungsringen (27) verwendet werden, wobei die maximale Anzahl von Metaleitungswechselwirkungsringen (27) lediglich durch die zur Verfügung stehende Länge des Untersuchungsvolumens (13) begrenzt wird und wobei die minimale Anzahl wegen der beabsichtigten Überlagerung von Feldern auf mindestens zwei Metaleitungswechselwirkungsringe (27) begrenzt wird, – und wobei diese Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) nicht genau ein viertel der Wellenlänge der jeweiligen Resonanzfrequenz voneinander distanziert sein müssen, sondern einen beliebigen, frei wählbaren seitlichen Abstand (111) voneinander haben, wobei die einzelnen Wellentore (6), (7), (8) und (9) jeweils mit hochfrequenten Wechselströmen gespeist werden, deren jeweiligen Amplituden und jeweiligen Nullphasenwinkel in Abhängigkeit der charakteristischen Eigenschaften des zu generierenden B₁-Feldes gezielt vorgegeben werden, wodurch im Untersuchungsvolumen (13) ein magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, und wobei sich eine hinsichtlich der lokalen Feldstärke innerhalb des Untersuchungsvolumens steuerbare resultierende beliebige Feldstruktur im Untersuchungsvolumen (13) durch die interferierende Überlagerung der einzelnen, von den jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) angeregten, lokalen Felder ergibt, wobei sowohl horizontale, vertikale und zirkular polarisierte Wanderwellen als auch stehende Wellen generiert werden können.
2. Meta-MRT-Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Aufbau der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) verwendeten jeweiligen Metaleitungen derartig synthetisch gestaltet sind, dass – sie gleichzeitig mehrere Wellenzahlen besitzen und damit für mehrere Larmorfrequenzen, entsprechend unterschiedlicher zu untersuchender chemischer Elemente im Gewebe, als multiresonante Metaleitungswechselwirkungsringe (27) in resonante Wechselwirkung zu den jeweiligen elektromagnetischen Echosignalsequenzen bei unterschiedlichen Larmorfrequenzen gebracht werden können und die Metaleitungswechselwirkungsringe (27) in elektrisch wirksamer Hinsicht mit der jeweiligen Wellenlänge oder mit einem Vielfachen der jeweiligen Wellenlänge der jeweils interessierenden Larmorfrequenz übereinstimmen und daher als multiresonant interferierend wirkende Wechselwirkungselemente der Antennenvorrichtung entweder in einfacher oder in mehrfacher Vollwellenresonanz zu mehreren Larmorfrequenzen betrieben werden können.
3. Meta-MRT-Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die im Verlauf des Untersuchungsvolumens (13) eingebrachten Metaleitungswechselwirkungsringe (27) dazu verwendet werden, um die lokalen Dämpfungen, verursacht durch die Absorption von Feldenergie durch das jeweils zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) im Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10), aus der dort jeweils lokal empfangenen Feldenergie zu ermitteln, – wobei die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung die Sendeeinheit (29) der Antennenvorrichtung veranlasst, eine hinsichtlich der Amplitude stets gleichgroße hochfrequente Kalibrierstromstärke temporär zu erzeugen, – wobei die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung das gesteuerte Speisenetzwerk (34) der Antennenvorrichtung veranlasst, nacheinander stets einen einzigen Metaleitungswechselwirkungsring (27) mit dieser hochfrequenten Kalibrierstromstärke zu speisen und dadurch am jeweiligen Ort des Metaleitungswechselwirkungsringes (27) eine nach allen Seiten hin abklingende Feldstärke zu erzeugen, – wobei die Steuereinheit (33) der Antennenvorrichtung gleichzeitig das gesteuerte Speisenetzwerk (34) der Antennenvorrichtung veranlasst, die von allen übrigen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) im Untersuchungsvolumen (13) individuell zugeordneten empfangenen Signalfeldstärkewerte mit Hilfe der Empfangseinheit (28) der Speichereinheit (30) zuzuführen, wo diese Informationen abgespeichert werden, – wodurch nach Ablauf der sukzessiven temporären Speisung sämtlicher Metaleitungswechselwirkungsringe (27) im Untersuchungsvolumen (13) aus den in der Speichereinheit (30) abgelegten Daten ein von dem jeweils zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) im Untersuchungsvolumen (13) verursachtes individuelles Dämpfungsprofil erstellt wird, – wobei die so ermittelten Dämpfungswerte als Steuergrößen für die Speisesender und die Ansteuerung der Metaleitungswechselwirkungsringe (27) dienen, – wobei die Steuereinheit (33) aus dem Dämpfungsprofil die zur Kompensation dieser lokalen Felddämpfungswerte erforderlichen Amplituden und Nullphasenwinkel der von der Sendeeinheit (29) zu erzeugenden hochfrequenten Speiseströme ermittelt und vorgibt und diese dann den einzelnen Wellentoren der jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) zuordnet und mit Hilfe des gesteuerten Speisenetzwerkes (34) zuführt – wobei der Verlauf der Feldstärke im Untersuchungsvolumen (13) dadurch so eingestellt werden kann, dass die Dämpfung durch das zu untersuchenden Gewebe oder durch den Patienten (17) kompensiert wird und ein nahezu gleichförmiger Verlauf der magnetischen Feldstärke über den gesamten zu erfassenden Bereich des Untersuchungsvolumens (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) gewährleistet ist, – oder ein individuelles lokales Profil des Feldstärke dergestalt erzeugt werden kann, dass der zu untersuchende Bereich des Patienten mit einer gleichmäßig starken Feldstärke versorgt werden kann und die Feldstärke im Untersuchungsvolumen vor und hinter diesem zu untersuchenden Bereich reduziert oder ausgelöscht werden kann – oder ein beliebiges lokales Profil der Leistung des Wanderwellenfeldes – oder ein beliebiges lokales Profil der spezifischen Absorptionsrate erzeugt werden kann, – wobei die gleichmäßig starke Feldstärke oder die jeweiligen Profile durch die Kompensation von Reflexionen und Dämpfungen, die vom zu untersuchenden Gewebe oder Patienten (17) verursacht werden, mit Hilfe entsprechend von der Steuereinheit (33) veranlassten Größe der Amplituden, Nullphasenwinkel der Speiseströme sowie durch die von der Steuereinheit (33) veranlassten Wahl der jeweiligen Wellentore in den jeweiligen Metaleitungswechselwirkungsringen (27) gezielt eingestellt werden kann.
4. Meta-MRT-Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) eingebrachten einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) mit Hilfe des gesteuerten Speisenetzwerkes (34) und der Empfangseinheit (28) in den Impulspausen der Sendeeinheit (29) zum Empfang der bei der Relaxation ausgesendeten Echosignale verwendet werden.
5. Meta-MRT-Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) eingebrachten einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) auf einer zylinderförmigen Hülse montiert werden, die vor dem Einbringen des zu untersuchenden Gewebes als komplette Einheit in das Untersuchungsvolumen hineingeschoben wird.
6. Meta-MRT-Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) eingebrachten einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) derart elektronisch beschaltet oder mit hochfrequenten Speiseströmen erregt werden, dass sich innerhalb des Untersuchungsvolumens (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) hochfrequente elektromagnetische Stehwellen ausbilden und dadurch hochfrequente elektromagnetische Felder, unabhängig von der Grenzfrequenz für die Ausbreitung von Hohlleiterwellen im Untersuchungsvolumen, erzeugt werden, die sowohl für die Erregung der Kernspinresonanzen als auch zum Empfang der Relaxationssequenzen verwendet werden.
7. Meta-MRT-Antennenvorrichtung für die Wanderwellen-Magnetresonanztomographie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Untersuchungsvolumen (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) eingebrachten einzelnen Metaleitungswechselwirkungsringe (27) derart elektronisch beschaltet oder mit hochfrequenten Speiseströmen erregt werden, dass sich innerhalb des Untersuchungsvolumens (13) des Wanderwellen-Magnetresonanztomographen (10) hochfrequente elektromagnetische Stehwellen ausbilden, die ein homogenes und in Abhängigkeit von der elektronischen Beschaltung in longitudinaler Richtung innerhalb des Untersuchungsvolumens (13) prinzipiell beliebig lang ausdehnbares Stehwellenfeld bilden und damit sowohl hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften als Sendeantennen für die Erregung der jeweiligen Kernspinresonanzen als auch hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften als Empfangsantennen zum Empfang der Relaxationssequenzen wie eine sogenannte „Supercoil”-Spule als Äquivalent für die bisher verwendeten Spulenanordnungen wie Kopfspulen, Körperspulen oder die sogenannte „Bird-Cage”-Spule verwendet werden.

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