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.