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Dokumentenidentifikation DE69533692T2 27.10.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000721592
Titel ANORDNUNG VON RF-SPULEN FÜR EIN GERÄT DER MAGNETISCHEN RESONANZ
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder BORSBOOM, Marie, Heinrich, NL-2641 VX Pijnacker, NL
Vertreter Volmer, G., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52066 Aachen
DE-Aktenzeichen 69533692
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 21.07.1995
EP-Aktenzeichen 959244849
WO-Anmeldetag 21.07.1995
PCT-Aktenzeichen PCT/IB95/00580
WO-Veröffentlichungsnummer 0096003661
WO-Veröffentlichungsdatum 08.02.1996
EP-Offenlegungsdatum 17.07.1996
EP date of grant 27.10.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.10.2005
IPC-Hauptklasse G01R 33/34

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Gerät der magnetischen Resonanz mit einer grundsätzlich zylindrischen RF-Spule mit einer Mittelachse, die sich in ihrer Längsrichtung erstreckt und die eine Anzahl axialer Leiterelemente enthält, die sich parallel zur Mittelachse über eine grundsätzlich zylindrische Fläche erstrecken, und die auch End-Leiterelemente enthält, die sich um die Mittelachse nahe der Enden der axialen Leiterelemente erstrecken, wobei die axialen Leiterelemente eine Vielzahl von Leiterelementen-Paaren bilden, die in Bezug auf die Mittelachse diametral angeordnet sind, um eine substanzielle Stromverteilung unter Berücksichtigung der Position der Leiterelemente auf dem Umfang des Zylinders zu erzeugen, um es zu ermöglichen, dass ein substanziell gleichförmiges RF-Magnetfeld, welches rechtwinklig zur Mittelachse ausgerichtet ist, erzeugt und/oder erhalten werden kann.

Ein Beispiel solch eines Geräts der magnetischen Resonanz ist aus EP-B-O 141 383 bekannt. In den axialen Leiterelementen des bekannten Geräts sind kapazitive Elemente enthalten. Die RF-Spule kann wie ein Leiternetzwerk dargestellt werden, welches aus einer Anzahl identischer Elemente besteht, die jeweils eine Kombination aus Selbstinduktanzen und Kapazitanzen aufweisen. Die Werte der Kapazitanzen werden grundsätzlich von den Werten der Kapazitanzen bestimmt, die in den axialen Leiterelementen enthalten sind, wobei die Werte der Selbstinduktanzen grundsätzlich von den Selbstinduktanzen der Leiter, welche die RF-Spule bilden, und von den gegenseitigen Induktanzen zwischen diesen Leitern bestimmt werden. Die Resonanzfrequenz des Leiternetzwerks, welche die Frequenz bestimmt, mit der die RF-Spule verwendet werden kann, kann vom Konstrukteur durch eine geeignete Wahl der Werte der Kapazitanzen und der Selbstinduktanzen in den besagten Elementen des Netzwerks festgelegt werden. Wie man weiß ist die Resonanzfrequenz umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Produktes aus den Selbstinduktanzen und den Kapazitanzen. In dem bekannten Gerät ist der Wertebereich, aus denen die Resonanzfrequenz ausgewählt werden kann, begrenzt, da der Wert der Kapazitanzen nicht beliebig hoch sein kann, und bei bestimmten Abmessungen der RF-Spule ist der Wert der Selbstinduktanzen substanziell nicht veränderbar. Aus diesem Grund ist das bekannte Gerät nicht für so genanntes Niederfeld-MRI geeignet, bei dem die RF-Spule auf eine vergleichsweise niedere Frequenz abgestimmt werden muss. Untersuchungen unter Verwendung des so genannten Overhauser-Effekts verwenden ebenfalls eine niedrige Frequenz; siehe hierfür EP-A-O 409 292 als Beispiel. Für solche Messungen kann die gewünschte Resonanzfrequenz der RF-Spule eine Größenordnung von einigen hundert kHz haben.

Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Gerät der dargelegten Art bereitzustellen, bei dem die Resonanzfrequenz der RF-Spule vergleichsweise unabhängig von den Abmessungen dieser Spule gewählt werden kann, damit auch vergleichsweise niedrige Resonanzfrequenzen ermöglicht werden. Um dieses zu erreichen ist das der Erfindung entsprechende Gerät dadurch gekennzeichnet, dass jedes der End-Leiterelemente aus einer Anzahl von Schleifenleitersegmenten besteht, die der Anzahl axialer Leiterelementenpaare entsprechen, wobei sich jedes Schleifenleitersegment über einen Bogen von 180° um die Mittelachse erstreckt und elektrisch mit den entsprechenden Enden eines axialen Leiterelementenpaars zusammengeschaltet ist, das in Bezug auf die Mittelachse diametral gelegen ist, und wobei jedes axiale Leiterelementenpaar in Verbindung mit den an seine Enden angeschlossenen Schleifenleitersegmenten ein Spulenelement bildet, welches aus einer Anzahl von Wicklungen eines elektrisch leitenden Drahts gebildet wird. Mit diesen Schritten wird erzielt, dass die Selbstinduktanz der Spulenelemente vergleichsweise beliebig gewählt werden können, indem man die Anzahl von Drehungen des Leiters verändert. Der Leiter kann z. B. eine Leitungsbahn auf einem elektrisch isolierenden Substrat sein, damit die Spulenelemente nach einem bekannten Verfahren z. B. für Schaltungsleiterplatten hergestellt werden können. Eine noch größere Flexibilität in Bezug auf die Anzahl an Wicklungen, und folglich des Werts der Selbstinduktanz wird in einer vorgezogenen Ausführungsform erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes der Spulenelemente als selbsttragende, substanziell sattelförmige Spule gebaut ist, die aus einem gewickelten elektrischen Leitungsdraht gebildet wird, der von einer elektrisch isolierenden Hülle umgeben wird.

Um die RF-Spule auf eine bestimmte Resonanzfrequenz abzustimmen und die gewünschte kosinusförmige Stromverteilung zu erhalten sind nicht nur die Selbstinduktanzen der Spulenelemente erforderlich, sondern auch kapazitive Elemente. Deshalb ist eine weitere vorgezogene Ausführungsform des der Erfindung entsprechenden Geräts dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente elektrisch in Serie angeschlossen sind, dass jeder Verbindungspunkt zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulenelementen im Serienanschluss sowie der Anfangspunkt als auch der Endpunkt des Serienanschlusses über ein kapazitives Element an eine gemeinsame Masse eingeschlossen ist, der Anfangspunkt und die angeschlossene Masse jeweils einen ersten und zweiten Spulenanschluss bilden und elektrisch an jeweilige Anschlüsse eines RF-Sende- und/oder Empfangsgeräts angeschlossen sind, welches Teil eines Gerätes der magnetischen Resonanz ist. Für eine bestimmte Selbstinduktanz der Spulenelemente kann die Resonanzfrequenz durch eine geeignete Wahl auf die Werte der Impedanzen angepasst werden. Eine sehr einfache Version dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes der kapazitiven Elemente aus einem Kondensator gebildet wird, wobei die Kapazitanzen der an den Verbindungspunkt angeschlossenen Kondensatoren identisch und doppelt so hoch wie die Kapazitanzen der an den Anfangspunkt und den Endpunkt angeschlossenen Kondensatoren sind. Eine andere sehr einfache Version ist dadurch gekennzeichnet, dass jedes der kapazitiven Elemente aus einem Kondensator gebildet wird, wobei die Kapazitanzen der Kondensatoren identisch sind.

Wie bereits vermerkt wurde dient die RF-Spule der Erzeugung und/oder dem Erhalt eines substanziell gleichförmigen Magnetfelds, welches rechtwinklig zur Zylinderachse ausgerichtet ist. Für diesen Zweck ist der Strom in den axialen Leiterelementen proportional zum Kosinus eines Winkels a zur Angabe der Position jedes axialen Leiterelements auf dem Umfang des Zylinders. Der Strom durch die End-Leiterelemente jedoch erzeugt ein Magnetfeld, welches annähernd parallel zur Achse des Zylinders ausgerichtet ist. Um dieses störende Magnetfeld zu minimieren ist eine weitere vorgezogene Ausführungsform des der Erfindung entsprechenden Geräts dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente derart um die Zylinderachse angeordnet sind, dass Schleifenleitersegmente, die zu verschiedenen Spulenelementen gehören, am selben Ende des Zylinders liegen und an die axialen Leiterelemente angeschlossen sind, die unter Berücksichtigung der kosinusförmigen Stromverteilung angeordnet sind, um die selben oder substanziell selben Ströme zu leiten und unter Betriebsbedingungen Ströme in entgegengesetzte Richtungen zu leiten. Als Resultat der kosinusförmigen Stromverteilung liegen die axialen Leiterelemente, die unter Betriebsbedingungen dieselben oder substanziell dieselben Ströme leiten, auf dem Zylinderumfang nahe aneinander. Die Schleifenleitersegmente, die an diese axialen Leiterelemente angeschlossen sind, überlappen sich über einen Teil des Zylinderumfangs, und natürlich sind die Stromintensitäten in diesen Schleifenleitersegmenten ebenfalls gleich oder substanziell gleich. Da diese Stromintensitäten in entgegensetzte Richtungen geleitet werden gleichen sich die axial geleiteten Magnetfelder gegenseitig aus, womit das zuletzt verbleibende axial geleitete störende Magnetfeld minimiert wird.

Im Idealfall sollte der Strom in axialer Richtung kontinuierlich sinusförmig über den Zylinderumfang verteilt werden. Allerdings würde dies bedeuten, dass der Zylinder rundherum eine substanziell geschlossene elektrische Leitfläche haben sollte. Es ist schwierig, eine solche Fläche herzustellen, und außerdem ist eine geschlossene RF-Spule für den zu untersuchenden Patienten unangenehmen. Für diesen Zweck wird die kosinusförmige Stromverteilung in der Praxis mit einer begrenzten Anzahl axialer Leiterelemente angenähert. Eine geeignete Annäherung wird erreicht, wenn die RF-Spule mindestens vier Spulenelemente aufweist, die gleichförmig über den Umfang des Zylinders verteilt sind. Die Anzahl der axialen Leiterelemente entspricht dann acht.

In vielen Fällen ist eine Rotation des gesendeten und/oder empfangenen RF-Magnetfelds wünschenswert. In solchen Fällen wird oft ein so genanntes Quadratur-Spulensystem verwendet, wobei dieses System zwei RF-Spulen enthält, die gegenseitig rechtwinklig geleitete RF-Magnetfelder erzeugen oder erhalten, die mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° erregt oder ausgegeben werden. Eine Ausführungsform des der Erfindung entsprechenden Geräts, welches sich für diesen Zweck eignet, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine erste und eine zweite RF-Spule enthält, wobei die erste und zweite RF-Spule grundsätzlich selber Bauweise und derart konzentrisch angeordnet sind, dass in Bezug auf den ersten Spulenanschluss der ersten RF-Spule der erste Spulenanschluss der zweiten RF-Spule um einen Winkel von 90° um die Zylinderachse gedreht wurde, und dass die ersten Spulenanschlüsse der ersten und der zweiten RF-Spule jeweils an Anschlüsse des RF-Sende- und/oder Empfangsgerät angeschlossen und letztere angeordnet sind, um RF-Signale mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° zu senden und/oder zu empfangen, um die Erzeugung und/oder den Empfang von gegenseitig rechtwinklig ausgerichteten RF-Magnetfeldern mit einer Phasendifferenz von 90° zu ermöglichen. Eine weitere geeignet Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die RF-Spule aus 2n elektrisch in Serie geschalteten Spulenelementen besteht, wobei n eine gerade positive Zahl ist, dass der Anfangspunkt des Serienanschlusses elektrisch an den Endpunkt angeschlossen ist, dass jeder Verbindungspunkt zwischen zwei Spulenelementen über ein grundsätzlich kapazitives Element an eine gemeinsame Masse angeschlossen ist, dass immer dann, wenn zwei Spulenelemente die Sequenzzahlen i und n + i im Serienanschluss haben, sie übereinander gewunden werden, wobei 1 ≤ i ≤ n, dass die RF-Spule erste, zweite und dritte Spulenanschlüsse aufweist, die vom Anfangspunkt gebildet werden, der Verbindungspunkt zwischen den Spulenelementen die Sequenzzahlen n/2 und n/2 + 1 und den jeweiligen Masseanschluss hat und dass die ersten und zweiten Spulenanschlüsse jeweils an Anschlüsse des RF-Sende- und/oder Empfangsgeräts angeschlossen sind, die angeordnet sind, um RF-Signale mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° zu senden und/oder zu empfangen, um die Erzeugung und/oder den Empfang von gegenseitig rechtwinklig ausgerichteten RF-Magnetfeldern mit einer Phasendifferenz von 90° zu ermöglichen.

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden hiernach im Detail in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt in Diagrammform eine Ausführungsform eines Geräts der magnetischen Resonanz entsprechend der Erfindung,

2 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer RF-Spule für das auf 1 gezeigte Gerät,

3 ist eine perspektivische Ansicht mit einem größeren Maßstab eines Spulenelements der auf 2 gezeigten RF-Spule,

4 ist eine axiale Ansicht in Diagrammform einer RF-Spule des auf 2 gezeigten Typs,

5 zeigt ein Beispiel eines Schaltungsdiagramms der auf 2 gezeigten RF-Spule,

6 ist eine axiale Ansicht in Diagrammform einer ersten Ausführungsform eines für das auf 1 gezeigten Geräts geeignetes Quadratur-Spulensystems,

7 zeigt ein Schaltungsdiagramm für das auf 6 gezeigte Quadratur-Spulensystem,

8 zeigt ein Schaltungsdiagramm für eine zweite Ausführungsform eines für das auf 1 gezeigten Geräts geeigneten Quadratur-Spulensystem, und

9 ist eine vereinfachte Darstellung der auf 8 gezeigten Schaltung.

Das Gerät der magnetischen Resonanz, welches auf 1 in Diagrammform gezeigt wird, enthält ein erstes Magnetsystem 1 für die Erzeugung eines stabilen Magnetfelds H, ein zweites Magnetsystem 3 für die Erzeugung eines magnetischen Gradientenfelds und erste und zweite Stromzufuhrquellen 5 und 7 für jeweils das erste Magnetsystem I und das zweite Magnetsystem 3. Eine Radiofrequenzspule (RF) 9 dient der Erzeugung eines RF-magnetischen Wechselfelds; für diesen Zweck wird sie an eine RF-Quelle 1 angeschlossen. Die RF-Spule 9 kann auch für die Detektion von Spinresonanzsignalen verwendet werden, die vom RF-Übertragungsfeld in einem zu untersuchenden Objekt (nicht dargestellt) erzeugt wurden; für diesen Zweck wird sie an einen Signalverstärker 13 angeschlossen. Der Ausgang des Signalverstärkers 13 ist an eine Detektorschaltung 15 angeschlossen, die an ein zentrales Steuergerät 17 angeschlossen ist. Das zentrale Steuergerät 17 steuert auch einen Modulator 19 für die RF-Quelle 11, die zweite Stromzufuhrquelle 7 und einen Monitor 21 zur Anzeige. Ein RF-Oszillator 23 steuert den Modulator 19 sowie den Detektor 15 zur Verarbeitung der Messsignale. Für die Kühlung der Magnetspulen des ersten Magnetsystems 1 ist gegebenenfalls ein Kühlgerät 25 mit Kühlleitungen 27 vorgesehen. Die in dem Magnetsystem 1 und 3 angeordnete RF-Spule 9 beinhaltet einen Messraum 29, der groß genug ist, um einen zu untersuchenden Patienten oder einen Teil des zu untersuchenden Patienten, z. B. den Kopf und den Hals, in einem Gerät für medizinische Diagnostikmessungen aufzunehmen. Somit können ein stabiles Magnetfeld H, Gradientenfelder wählende Objektscheiben und ein einheitliches RF-Wechselfeld innerhalb des Messraums 29 erzeugt werden. Die RF-Spule 9 kann die Funktionen der Sendespule und der Messspule verbinden. Oder es können verschiedene Spulen für die beiden Funktionen verwendet werden, z. B. für Messspulen in der Form von Oberflächenspulen. Hiernach wird allgemein die RF-Spule 9 lediglich als Sendespule bezeichnet. Für die Verwendung der Spule als Messspule gelten dieselben Erwägungen wie in Bezug auf das Reziprozitätsgesetz. Falls gewünscht kann die Spule 9 in einem das RF-Feld abschirmenden faradayschen Käfig 31 integriert werden.

2 ist eine perspektivische Ansicht der Bauweise einer Ausführungsform der RF-Spule 9. Die RF-Spule 9 ist grundsätzlich wie ein geradliniger kreisförmiger Zylinder mit einer Mittelachse 33 geformt, die sich im Betriebszustand parallel in Richtung des stabilen Magnetfelds H (siehe 1) erstreckt. Die RF-Spule 9 enthält eine Anzahl axialer Leiterelemente 35, die sich parallel zur Achse 33 erstrecken und die regelmäßig derart über die Zylinderfläche verteilt sind, dass sich diametral entgegengesetzt zu jedem axialen Leiterelement ein anderes Leiterelement erstreckt. Zwei axiale Leiterelemente 35 erstrecken sich diametral in Bezug auf die Achse 33 und bilden zusammen ein paar. Nahe der Enden der axialen Leiterelemente 35 liegen die End-Leiterelemente 37, die sich um die Mittelachse 33 erstrecken und sich aus Schleifenleitersegmenten 39 zusammensetzen. Jedes der Schleifenleitersegmente 39 erstreckt sich durch einen Bogen von 180° um die Achse 33 und verbindet entsprechende Enden eines axialen Leiterelementenpaars 35 miteinander, welche diametral in Bezug auf die Achse gelegen sind. In Verbindung mit den beiden Schleifenleitersegmenten zur Verbindung ihrer Enden bildet jedes axiale Leiterelementenpaar 35 ein Spulenelement 41, welches ich hiernach in Bezug auf 3 im Detail beschrieben wird.

3 ist eine perspektivische Ansicht eines Spulenelements 41 in einen zu dem der 2 größeren Maßstab. Diese Ausführungsform des Spulenelements 41 wird aus einer selbsttragenden, substanziell sattelförmigen Spule aus einem elektrisch leitenden Draht gebildet. Der Draht kann eines gewöhnlich für das Wickeln von Spulen verwendeten Typs, z. B. einfacher Kupferdraht oder Litzendraht sein, der mit einer elektrisch isolierenden Lack- oder Emailschicht versehen wurde. Nach dem Wickeln wird die Form des Spulenelements stabilisiert, z. B. durch Imprägnierung oder Erhitzung der Lackschicht. Die freien Enden des Drahts werden als Anschlussleiter 43 herausgeführt. Das Spulenelement 41 kann auch als Flächendraht auf einem elektrisch isolierenden Substrat auf eine herkömmliche oder zu bauenden Spule gewickelt werden. Die Stromrichtungen in den axialen Leiterelementen 35 jedes Spulenelements 41 verlaufen wie von den Pfeilen 44 gezeigt entgegengesetzt. Außerdem ist die RF-Spule 9 so angeordnet, dass die Stromverteilung als Funktion der Position der axialen Leiterelemente 35 auf dem Umfang des Zylinders substanziell kosinusförmig ist.

Die Anschlussleiter 43 der verschiedenen Spulenelemente 41, welche die RF-Spule 9 bilden, sind über die kapazitiven Elementen 45 an ein Metallringsegment 49 (siehe 2) angeschlossen, welches bei 47 mit der Masse verbunden ist und einen gemeinsamen Masseanschluss bildet. 2 zeigt nur drei kapazitive Elemente 45, um die Figur einfach zu halten. In Wirklichkeit wird die Anzahl kapazitiver Elemente größer sein, wie in Bezug auf das auf in 5 gezeigte Schaltungsdiagramm beschrieben. Einer der Anschlussleiter 43 ist über ein Anschlusskabel 51 an die RF-Quelle 11 und/oder den Signalverstärker 13 angeschlossen.

4 ist eine Endansicht in axialer Richtung einer RF-Spule 9 des in Bezug auf die 2 und 3 beschriebenen Typs. Die RF-Spule 9 enthält vier Spulenelemente 41, deren an einem Ende befindlichen Schleifenleitersegmente 39 auf 4 dargestellt sind. Auf dieser Figur sind die verbundenen axialen Leiterelemente 35 dargestellt, wobei die Stromrichtung jedes axialen Leiterelements auf herkömmliche Weise angezeigt wird: Ein Punkt bedeutet, dass der Strom in einem bestimmten Zeitpunkt zum Betrachter geleitet wird, und ein Kreuz bedeutet, dass der Strom in diesem Zeitpunkt von Betrachter weggeleitet wird. Wie bereits vermerkt verläuft die Stromverteilung kosinusförmig. Dies bedeutet, dass die Stromintensität in einem beliebigen axialen Leiterelement 35 in jedem Zeitpunkt proportional zu cos A ist, wobei A der Winkel ist, welcher die Position des relevanten axialen Leiterelements auf dem Umfang des Zylinders in Bezug auf eine mit einem Pfeil 53 bezeichnete Nullposition angibt. Bei dem gezeigten Beispiel liegt das erste axiale Leiterelement 35 auf einer Position, für die 9 = 22,5°; ein nächstes Leiterelement ist alle 45° gelegen. Der absolute Wert der Stromintensität in den axialen Leiterelementen 35, für die cos 6 den selben absoluten Wert hat, ist derselbe. Die verbundenen Stromrichtungen in den Schleifenleitersegmenten 39 sind mit Pfeilen 55 bezeichnet. Die Schleifenleitersegmente 39, die mit den verschiedenen Spulenelementen 41 verbunden und an die axialen Leiterelemente 35 angeschlossen sind, für die cos 9 denselben Wert hat, führen dieselbe Stromintensität. Die Spulenelemente 41 sind derart um die Zylinderachse 33 angeordnet, dass wenn sie am selben Ende des Zylinders liegen, diese Schleifenleitersegmente den Strom in entgegengesetzte Richtungen führen. Folglich gleichen die von diesen Strömen erzeugten und parallel zur Zylinderachse 33 verlaufenden Magnetfelder sich über einen Teil des Umfangs des End-Leiterelements 37 aus, welches von den Schleifenleitersegmenten 39 (siehe 2) gebildet wird. Die Bereiche, in denen dieser Ausgleich stattfindet, sind auf 4 mit gepunkteten Bögen 57 und 59 dargestellt. Außerhalb dieser Bereiche erzeugen die Ströme in den Schleifenleitersegmenten 39 jedoch ein axiales Magnetfeld. Allerdings ist ohne weiteres verständlich, dass diese Felder für Teile der Schleifenleitersegmente 39, welche diametral in Bezug auf die Achse 33 liegen, entgegengesetzt geleitet werden. Dies führt dazu, dass sie sich zumindest in der Nähe der Achse 33 substanziell auslöschen.

5 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer RF-Spule des auf 2 gezeigten Typs. Die vier Spulenelemente 41 sind elektrisch in Serie verbunden, und jeder Verbindungspunkt 61 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulenelementen im Serienanschluss ist über eines der in 2 gezeigten kapazitiven Elemente, welches im vorliegenden Fall ein Kondensator 63 ist, an einen gemeinsamen Masseanschluss 65 angeschlossen, der vorzugsweise aus dem in 2 gezeigten Ringsegment 49 gebildet wird. Der Anfangspunkt 67 und der Endpunkt 69 des Serienanschlusses sind über einen jeweiligen Kondensator 71 ebenfalls an den Masseanschluss 65 angeschlossen. Die Kapazitanzen der besagten Kondensatoren 63 sind gleich und belaufen sich auf das Doppelte der Kapazitanzen der Kondensatoren 71. Der Anfangspunkt 67 und der Masseanschluss 65 bilden jeweils erste und zweite Spulenanschlüsse. Jeder dieser Punkte ist an einen der Anschlüsse des RF-Sendegeräts 11 und/oder des RF-Empfangsgeräts 13 angeschlossen, die in dem Diagramm 73 als Stromquelle dargestellt sind. das so gebildete Netzwerk verhält sich als Tiefpassfilter. Es ist im Grunde eine „Pauschalelement-Übertragungsleitung" mit einer Länge einer halben Wellenlänge, d. h. zwischen dem Anfangspunkt 67 und dem Endpunkt 69 variiert die Amplitude des Stroms durch die axialen Leiterelemente 35 entsprechend dem Kosinus eines zur Distanz vom Anfangspunkt proportionalen Winkels. Am Anfangspunkt 67 hat dieser Winkel den Wert Null, und am Endpunkt 69 gleicht er 180° entsprechend einer halben Wellenlänge. Da jedes der axialen Leiterelemente 35 über die verbundenen Schleifenleitersegmente 39 an ein Leiterelement angeschlossen ist, welches in Bezug auf die Mittelachse 33 diametral liegt, wird die gewünschte kosinusförmige Stromverteilung somit über den gesamten Umfang der RF-Spule 9 erreicht. Folglich eignet sich eine als Übertragungsleitung einer halben Wellenlänge gebaute RF-Spule für die Erzeugung eines linear polarisierten RF-Magnetfelds. Es muss beachtet werden, dass ein linear polarisiertes RF-Magnetfeld auch von einer als Übertragungsleitung einer vollen Wellenlänge gebauten RF-Spule erzeugt werden kann. Das Schaltungsdiagramm solch einer Spule weicht von dem auf 5 gezeigten Diagramm hauptsächlich davon ab, dass die Anzahl an Spulenelementen (für eine gleich präzise Annäherung an das gewünschte RF-Magnetfeld) doppelt so groß ist und dass die Kondensatoren 63 denselben Wert wie die Kondensatoren 71 haben.

6 ist eine diagrammatische Endansicht in axialer Richtung einer Kombination aus einer ersten und einer zweiten RF-Spule zur Verwendung in dem auf 1 gezeigten Gerät. Die erste RF-Spule 109 wird konzentrisch von der zweiten RF-Spule 209 eingeschlossen, damit die beiden RF-Spulen dieselbe Mittelachse 33 haben. Die erste und zweite RF-Spule 109 und 209 haben im Grunde dieselbe Bauweise wie die zuvor beschriebene RF-Spule 9. Die zweite RF-Spule 209 hat jedoch einen Durchmesser, der um den der ersten RF-Spule 109 weiter ist, damit die zwei Spulen genau ineinander angeordnet werden können. Die RF-Spulen 109 und 209 sind derart ausgerichtet, damit die axialen Leiterelemente 135 der ersten RF-Spule in den selben Winkelpositionen auf der Zylinderfläche wie die axialen Leiterelemente 235 der zweiten RF-Spule liegen, sei es, dass der erste Spulenanschluss 267 der zweiten RF-Spule um einen Winkel von 90° um die Zylinderachse 33 in Bezug auf den ersten Spulenanschluss 167 der ersten RF-Spule gedreht wurde. Eine äquivalente Kombination der ersten und zweiten RF-Spule 109 und 209 kann durch gleichzeitiges Wickeln entsprechend liegender Spulenelemente der beiden RF-Spulen mittels zweier separater Leiter erhalten werden. In diesem Fall haben die erste und zweite RF-Spule 109 und 209 substanziell denselben Durchmesser.

7 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer Kombination der ersten und zweiten RF-Spule 109 und 209 wie auf 6 gezeigt. Das Diagramm der ersten RF-Spule 109 entspricht exakt dem auf 5 gezeigten Diagram, wobei entsprechende Elemente mit entsprechenden, um 100 erhöhten Referenzzahlen bezeichnet wurden. Das Diagramm der zweiten RF-Spule 209 ist derartig zusammengesetzt, dass die Spulenelemente 241 der zweiten RF-Spule und die Spulenelemente 141 der ersten RF-Spule 109, welche dieselben Positionen auf der Zylinderfläche einnehmen, auf der Figur direkt übereinander liegend dargestellt sind. Deshalb liegt der erste Spulenanschluss 267 der zweiten RF-Spule 209, wie in Bezug auf den ersten Spulenanschluss 167 der ersten RF-Spule 109 beschrieben um 90° gedreht, ungefähr auf halbem Weg des Schaltungsdiagramms. Für den Rest ist das Diagramm der zweiten RF-Spule 209 ebenfalls gleich dem auf 5 gezeigten Diagramm. Entsprechende Elemente sind mit entsprechenden, um 200 erhöhten Referenzzahlen bezeichnet.

Der erste Spulenanschluss 167 der ersten RF-Spule 109 ist an eine erste Stromquelle 173 angeschlossen, und der erste Spulenanschluss 267 der zweiten RF-Spule 209 ist an eine zweite Stromquelle 273 angeschlossen. Die erste und zweite Stromquelle 173 und 273 weist erste und zweite Anschlüsse eines RF Sende- und/oder Empfangsgerät auf, die angeordnet sind, um RF-Signale mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° auszugeben und/oder zu empfangen. Die Sende- und Empfangsgeräte können eines mit dem auf 1 identischen Typs sein, bei dem der Ausgang der RF-Quelle 11 oder der Eingang des Signalverstärkers 13 an ein Hybridnetzwerk (nicht gezeigt) angeschlossen ist, das per se bekannt ist. Die erste und zweite RF-Spule 109 und 209, welche so an ein RF-Sende und/oder Empfangsgerät angeschlossen sind, bilden zusammen ein Quadratur-Spulensystem, welches für die Erzeugung und/oder den Erhalt gegenseitig rechtwinklig orientierte r RF-Magnetfelder mit einer Phasendifferenz von 90° in der Lage ist. Somit kann ein geradlinig polarisiertes RF-Magnetfeld erzeugt werden.

8 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Quadratur-Spulensystems, welches sich für die Verwendung in dem auf 1 gezeigten Gerät eignet, und 9 zeigt eine vereinfachte Version desselben Schaltungsdiagramms. Das Quadratur-Spulensystem dieser Ausführungsform enthält eine RF-Spule 309, die als einfache, konsekutiv gewickelte Spule gebaut ist. Die Bauweise der RF-Spule 309 entspricht im Prinzip der Bauweise der auf 2 gezeigten RF-Spule 9. Allerdings setzt sich die RF-Spule 309 aus acht elektrisch in Serie angeschlossen Spulenelementen 341a, ... 341h zusammen. Jedes Mal, wenn zwei Spulenelemente aufeinander gewickelt werden, differieren die Sequenzzahlen der besagten beiden Spulenelemente am Serienanschluss jedes Mal um vier, wie z. B. die Spulenelemente 341a und 341e. Die aufeinander gewickelten Spulenelemente werden auf 8 übereinander dargestellt. Da die Verbindungen deshalb auf 8 undeutlicher sind zeigt 9 aus Gründen der Veranschaulichung ein vereinfachtes Diagramm, auf dem die Spulenelemente konsekutiv auf herkömmliche Art gezeigt werden. Der Anfangspunkt 367 des Serienanschlusses ist über eine Anschlussklemme 381 an den Endpunkt 369 angeschlossen. Jeder Verbindungspunkt 361 zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulenelementen 341a ... 341h, einschließlich der Verbindungspunkt der mit der Anschlussklemme zwischen dem ersten Spulenelement 341a und dem letzten Spulenelement 341h gelegten Verbindungspunkt, ist über einen Kondensator 363 an einen gemeinsamen Masseanschluss 365 angeschlossen. Die Werte aller Kondensatoren 363 sind dieselben. Der Anfangspunkt 367 bildet einen ersten Spulenanschluss der RF-Spule, und der Verbindungspunkt zwischen den Spulenelementen 341b und 341c, mit der Referenz 383 bezeichnet, bildet einen zweiten Spulenanschluss. Der Masseanschluss 365 bildet einen dritten Spulenanschluss. Der erste und zweite Spulenanschluss 367 und 383 sind an jeweilige Stromquellen 173 und 273 angeschlossen, die auf dieselbe Weise wie auf 7 erste und zweite Anschlüsse eines RF-Sende- und/oder Empfangsgeräts darstellen, das angeordnet ist, um RF-Signale mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° auszugeben und/oder zu empfangen. Die RF-Spule 309 funktioniert dann wie eine Kombination aus zwei unabhängigen Spulen, die zusammen ein drehendes RF-Magnetfeld erzeugen.

Die RF-Spule 309 der auf 8 und 9 gezeigten Ausführungsform enthält acht Spulenelemente 341a ... 341h. Selbstverständlich ist es auch möglich, ein Quadratur-Spulensystem mit einer RF-Spule zu bauen, welche dieselbe Bauweise aufweist, aber eine unterschiedliche Anzahl an Spulenelementen aufweist, unter der Voraussetzung, dass diese Anzahl gleich 2n ist, wobei n eine beliebige positive gerade Zahl ist. In diesem Fall werden die zwei Spulenelemente jedes Mal dann über einander gewickelt, wenn sie die Sequenzzahlen i und n + i im Serienanschluss haben, wobei 1 ≤ i ≤ n. Der zweite Spulenanschluss 383 wird dann aus dem Verbindungspunkt zwischen den Spulenelementen mit den Sequenzzahlen n/2 und n/2 + 1 gebildet.


Anspruch[de]
  1. Gerät der magnetischen Resonanz mit einer grundsätzlich zylindrischen RF-Spule (9) mit einer Mittelachse (33), die sich in ihrer Längsrichtung erstreckt und die eine Anzahl axialer Leiterelemente (35) enthält, die sich parallel zur Mittelachse über eine grundsätzlich zylindrische Fläche erstrecken, und die auch End-Leiterelemente (37) enthält, die sich um die Mittelachse nahe der Enden der axialen Leiterelemente erstrecken, wobei die axialen Leiterelemente eine Vielzahl von Leiterelementen-Paaren bilden, die in Bezug auf die Mittelachse diametral angeordnet sind, um eine substanzielle Stromverteilung unter Berücksichtigung der Position der Leiterelemente auf dem Umfang des Zylinders zu erzeugen, um es zu ermöglichen, dass ein substanziell gleichförmiges RF-Magnetfeld, welches rechtwinklig zur Mittelachse ausgerichtet ist, erzeugt und/oder erhalten werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der End-Leiterelemente (37) aus einer Anzahl von Schleifenleitersegmenten (39) besteht, die der Anzahl an Paaren von axialen Leiterelementen (35) entsprechen, wobei sich jedes Schleifenleitersegment durch einen Bogen von 180° um die Mittelachse (33) erstreckt und entsprechende Enden eines axialen Leiterelementenpaars elektrisch miteinander verbindet, welche diametral in Bezug auf die Achse gelegen sind, und jedes axiale Leiterelementenpaar in Verbindung mit den Schleifenleitersegmenten, die an ihre Enden angeschlossen sind, ein Spulenelement (41) bildet, welches aus einer Anzahl von Drehungen eines elektrisch leitenden Drahts besteht.
  2. Gerät der magnetischen Resonanz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Spulenelemente (41) als selbsttragende, substanziell sattelförmige Spule gebaut ist, die aus einem gewickelten elektrischen Leitungsdraht gebildet wird, der von einer elektrisch isolierenden Hülle umgeben wird.
  3. Gerät der magnetischen Resonanz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente (41) elektrisch in Serie angeschlossen sind, dass jeder Verbindungspunkt (61) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spulenelementen im Serienanschluss sowie der Anfangspunkt (67) als auch der Endpunkt (69) des Serienanschlusses über ein kapazitives Element (63, 71) an eine gemeinsame Masse (65) eingeschlossen ist, wobei der Anfangspunkt und die angeschlossene Masse jeweils einen ersten und zweiten Spulenanschluss bilden und elektrisch an jeweilige Anschlüsse eines RF-Sende- und/oder Empfangsgeräts (73) angeschlossen sind, welches Teil eines Gerätes der magnetischen Resonanz ist.
  4. Gerät der magnetischen Resonanz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der kapazitiven Elemente (63, 71) aus einem Kondensator gebildet wird, wobei die Kapazitanzen der an den Verbindungspunkten (61) angeschlossenen Kondensatoren (63) identisch und doppelt so hoch wie die Kapazitanzen der an den Anfangspunkt (67) und den Endpunkt (69) angeschlossenen Kondensatoren (71) sind.
  5. Gerät der magnetischen Resonanz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der kapazitiven Elemente (63, 71) aus einem Kondensator gebildet wird, wobei die Kapazitanzen der Kondensatoren identisch sind.
  6. Gerät der magnetischen Resonanz nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente (41) derart um die Zylinderachse (33) angeordnet sind, dass Schleifenleitersegmente (39), die zu verschiedenen Spulenelementen gehören, am selben Ende des Zylinders liegen und an die axialen Leiterelemente (35) eingeschlossen sind, die unter Berücksichtigung der kosinusförmigen Stromverteilung angeordnet sind, um die selben oder substanziell selben Ströme zu leiten und unter Betriebsbedingungen Ströme (55) in entgegengesetzte Richtungen zu leiten.
  7. Gerät der magnetischen Resonanz nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die RF-Spule (9) mindestens vier Spulenelemente (41) aufweist, die gleichförmig über den Umfang des Zylinders verteilt sind.
  8. Gerät der magnetischen Resonanz nach einem derbeliebigen der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät eine erste RF-Spule (109) und eine zweite RF-Spule (209) enthält, wobei die erste und zweite RF-Spule grundsätzlich selber Bauweisen und derart konzentrisch angeordnet sind, dass in Bezug auf den ersten Spulenanschluss (167) der ersten RF-Spule der erste Spulenanschluss (267) der zweiten RF-Spule um einen Winkel von 90° um die Zylinderachse gedreht wurde, und dass die ersten Spulenanschlüsse der ersten und der zweiten RF-Spule jeweils an Anschlüsse (173, 273) des RF-Sende- und/oder Empfangsgerät angeschlossen und letztere angeordnet sind, um RF-Signale mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° zu senden und/oder zu empfangen, um die Erzeugung und/oder den Empfang von gegenseitig rechtwinklig ausgerichteten RF-Magnetfeldern mit einer Phasendifferenz von 90° zu ermöglichen.
  9. Gerät der magnetischen Resonanz nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die RF-Spule (309) aus 2n elektrisch in Serie geschalteten Spulenelementen (341a, ... 341h) besteht, wobei n eine gerade positive Zahl ist, dass der Anfangspunkt (367) des Serienanschlusses elektrisch an den Endpunkt (369) angeschlossen ist, dass jeder Verbindungspunkt (361) zwischen zwei Spulenelementen über ein kapazitives Element (363) an einen gemeinsamen Masseanschluss (365) angeschlossen ist, dass immer dann, wenn zwei Spulenelemente die Sequenzzahlen i und n + i im Serienanschluss haben, sie übereinander gewunden werden, wobei 1 ≤ i ≤ n, dass die RF-Spule erste, zweite und dritte Spulenanschlüsse aufweist, die vom Anfangspunkt (367) gebildet werden, der Verbindungspunkt (383) zwischen den Spulenelementen die Sequenzzahlen n/2 und n/2 + 1 und den jeweiligen Masseanschluss (365) hat und dass die ersten und zweiten Spulenanschlüsse jeweils an Anschlüsse (173, 273) des RF-Sende- und/oder Empfangsgeräts angeschlossen sind, die angeordnet sind, um RF-Signale mit einer gegenseitigen Phasendifferenz von 90° zu senden und/oder zu empfangen, um die Erzeugung und/oder den Empfang von gegenseitig rechtwinklig ausgerichteten RF-Magnetfeldern mit einer Phasendifferenz von 90° zu ermöglichen.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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