DE3323657C2

DE3323657C2 - Einstellbare HF-Spulenanordnung

Info

Publication number: DE3323657C2
Application number: DE3323657A
Authority: DE
Inventors: Raimo Sepponen
Original assignee: Picker Nordstar Oy
Current assignee: Philips Medical Systems MR Technologies Finland Oy
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1983-07-01
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2003-07-02
Also published as: FI65365B; US4587493A; FI65365C; DE3323657A1; JPS5932855A; JPH0348816B2; FI822406A0

Description

Die Erfindung betrifft eine HF-Sende-/Empfangsspulenanordnung für ein Kernspin-Diagnosegerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Kernspindarstellung handelt es sich um eine Untersuchungsmethode, bei der das untersuchte Material nicht zerstört wird und deren wichtigstes Anwendungsfeld die medizinische Diagnostik ist. Das Prinzip der Kernspindarstellung geht auf P. Lauterbur zurück und ist veröffentlicht in "Nature" Bd. 242, 16.3.1973, Seiten 190, 191.

Ein weiterer einschlägiger Stand der Technik wird repräsentiert durch die US-PS 3 789 832, US-PS 4 070 611, US- PS 4 021 726 und US-PS 4 015 196.

Bei der NMR-Untersuchung wird die durch das polarisierende Magnetfeld B₀ hervorgerufene Nettomagnetisierung eines Untersuchungsobjektes durch einen Hochfrequenz-Magnetimpuls der Frequenz ω = ω₀ z. B. um 90° aus der Richtung des Magnetfeldes B₀ abgelenkt. Die Frequenz ω₀ ist die sogenannte LAMOR-Frequenz. Sie ist direkt proportional dem äußeren Magnetfeld B₀ und zwar entsprechend der folgenden Formel (1):

ω₀ = γ · B₀ (1)

wobei γ = gyromagnetisches Verhältnis.

Nach dem Abschalten des 90°-HF-Anregungsimpulses präzidiert die Nettomagnetisierung in der zur Richtung des Feldes B₀ senkrechten Ebene. In der Empfangsspule wird ein sinusförmiges Spannungssignal, das sog. FID-Signal induziert. Die Amplitude der Signalspannung V_s ist direkt proportional dem Q-Faktor oder Gütefaktor des die Empfangsspule enthaltenden Resonanzkreises.

Wenn die elektrische Verlustleistung des Untersuchungsgegenstandes unbeachtet bleibt, ist das sich ergebende Signal-/Rauschverhältnis gleich

SNR = KNAf _* (Q ω₀ ³/LB)^1/2 (2)

worin K ein unabhängiger Feldkoeffizient,
N die Windungszahl der Empfangsspule,
A die Querschnittsfläche der Spule,
f der Füllfaktor,
Q der Gütefaktor der Spule,
L die Induktanz der Spule,
und B die angewendete Bandbreite sind.

Wenn die Verlustleistungen der Spule und des Untersuchungs gegenstandes in Betracht gezogen werden, ist es möglich, den folgenden Ausdruck (3) für das Signal/Rauschverhältnis abzu leiten und zwar nach Hoult u. a. in "Journal of magnetic Resonance", Bd. 34, 199, Seiten 425-433:

worin f_r die Resonanz-Frequenz = ω₀/2π
α, β Konstanten, abhängig von der Spulenform,
b der Durchmesser des Untersuchungsgegenstandes
und a der Spulendurchmesser sind.

Wie aus Formel (3) hervorgeht, ist es zu bevorzugen, das Verhältnis des Durchmessers der Spule zu dem des Untersuchungsgegenstandes derart zu minimieren, daß der Füllfaktor der Spule maximiert wird. Die Abhängigkeit des Füllfaktors vom Spulendurchmesser ist in der Kernspindar stellungseinrichtung proportional der dritten Ordnung des Spulenradius, weil bei wachsendem Spulenradius die Spulenlänge ebenfalls wachsen muß, um die Homogenität des HF- Feldes zu gewährleisten. Andererseits sollte sich bei wachsendem Durchmesser des Untersuchungsgegenstandes die Dicke einer darzustellenden Scheibe nicht ändern.

Bei einer bekannten Untersuchungsanordnung beträgt der Durchmesser der Spule für die Darstellung des menschlichen Körpers 55 cm (siehe Crook u. a. "Radiology", 143, April 1982, Seiten 169-174).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spulenanordnung für ein Kernspin-Diagnosegerät zu schaffen, welches für unterschied lichste räumlich ausgebildete Untersuchungsobjekte geeignet ist und optimale Feldhomogenitätsverhältnisse der Signalspule schafft zur Ermittlung genauester Meßergebnisse.

Diese Aufgabe wird mit einer einstellbaren Spulenanordnung mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung kann die Anpassung des Signalspulendurchmessers an die Größe des Untersuchungs objektes von nicht speziell geschultem Personal ausgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Spulenanordnung wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1A perspektivisch ganz allgemein eine Sattelspulen-Aus führungsform, benutzbar insbesondere in Verbindung mit supraleitenden Magneten;

Fig. 1B eine Ansicht in Axialrichtung der Spulenanordnung;

Fig. 2 perspektivisch eine weitere Ausführungsform der er findungsgemäßen Spule;

Fig. 3 die Signalspulenanordnung gemäß Fig. 2, eingebaut in einem solenoidförmigen Magneten;

Fig. 4A, B die Betätigungselemente für die Größeneinstellung der Spulen gemäß Fig. 2 und 3, wobei die Darstellung gemäß Fig. 4A die Spule in ihrer Größt- und die Fig. 4B in ihrer Kleinststellung zeigt und

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der Betätigungs elemente.

Wie in den Fig. 1 bis 5 dargestellt, umfaßt die Spulen anordnung einen strangförmigen Leiter 1, der als Signalspule dient, Leiterführungs- und Profilträger 2a, 2b, Führungen 3, die in Führungswegen 3′ geführt sind, ein Paar von Druck rollen 4, eine Leiterspannrolle 5, einen Magneten 6, einen Leiterträger und als Stellelement das mit Gewinde versehene Stell stück 9, ein Gabelstück 10 für die Leiterführung und den Profil träger 2, ein Spindelgetriebe 11, Stellmotoren 12, Leitergrößen fühler 13, Leitergrößeneinstellhebel 14 und Träger 15 für diese Hebel. Bei der anderen Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind als Stellelemente Hydraulikzylinder 16 oder auf andere Weise angetriebene Zylinder vorgesehen.

Eine sogenannte Sattelwicklung ist eine allgemein angewandte Spulenform in solchen Kernspinuntersuchungseinrichtungen, in denen die Richtung eines Magnetfeldes parallel zur Längsrichtung des zu untersuchenden Gegenstandes verläuft.

Eine optimale Form einer solchen Sattelspule ist in Fig. 1 dargestellt. Das Leitermaterial für eine solche Spule sollte aus Material ausgewählt werden, das so leitfähig wie möglich ist, bspw. aus Silber. Für den vorliegenden Fall ist es möglich, einen verdrillten geflochtenen Silber- oder Kupferleiter in Form eines Stranges zu verwenden. In Fig. 2 ist ein solcher Leiter 1 auf Profilträger 2a, 2b in einer Weise angeordnet, daß die Führungen 3 und die Träger 2 so gut wie möglich den Leiter 1 in Form einer Signalspule halten und zwar ausgeformt als Sattelspule, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Träger 2 sind innerhalb eines Magneten 6 angeordnet und zwar an Gewindespindeln 7, die an Trägern 8 gelagert sind.

Die Gewindespindeln 7 sind mit einer Anzahl von Gewinden versehen, die unterschiedliche Gangrichtungen haben und die mit Führungen 9 paarweise an den jeweiligen Gewindebereichen versehen sind. Wenn demgemäß die Spindel 7 gedreht wird, ist die Bewegung der Führungen derart, daß sich, wenn die Spindeln 7 in Uhrzeigerrichtung gedreht werden, die Führungen 9 einander nähern und wenn sie entgegengesetzt gedreht werden, sich die Führungen 9 voneinander entfernen. Die Relativbewegung der Führungen 9 führt zu einer Relativbewegung der Leiterführungen und Profilträger 2a, 2b derart, daß sich, wenn sich die Führungen 9 einander nähern, die Träger 2 ebenfalls einander nähern und, wenn die Träger auseinanderbewegt werden, sich die Träger voneinander entfernen.

Die Drehung der Spindeln 7 wird durch mit Getrieben 11 versehenen Motoren 12 bewirkt. Diese Motoren 12 können bspw. durch einen Mikroprozessor gesteuert werden. Um eine optimale Spulengeometrie zu erreichen, ist es auch notwendig, nicht nur den Spulendurchmesser, sondern auch die Spulenlänge optimal einstellen zu können.

Für diesen Zweck sind Leitergrößenkontrollelemente 13 vorgesehen, Leitergrößeneinstellarme 14 und Einstellarmträger 15. Die Wirkungsweise dieser Elemente ist derart, daß, wenn die Träger 2a, 2b, wie oben erklärt, bewegt werden, sich die Einstellkontrollelemente 13 relativ zueinander bewegen, verursacht durch die Einstellarme 14.

Wenn sich die Träger 2a, 2b einander nähern, so nähern sich auch die Kontrollelemente 13, die Spulenlänge wird kleiner und die Spulenform bleibt optimal mit den Führungen 3 die sich in Führungswegen 3′ der Träger 2 bewegen.

Es ist klar, daß, wenn sich die Grüße einer Spule ändert, sich auch die Länge des Leiters ändert, der als Spule wirksam ist. Aus diesem Grunde ist eine Spannrolle 5 vorgesehen und ein Paar von Druckrollen 4. Die Spannrolle 5 wickelt den Leiterüberschuß auf, der frei wird, wenn sich die Spulengröße reduziert. Die Rollen 4 stellen sicher, daß die Leiterwicklung auf der Spannrolle 5 nicht einen Teil des Resonanzkreises einer Spule bildet. Diese Rollen 4 sind vorzugsweise aus hochleitfähigem aber nicht magnetisierbarem Material gebildet, bspw. aus Kupfer oder Bronze. Auch die übrigen Bestandteile einer solchen Spulenanordnung müssen in der Praxis notwendigerweise aus nichtmagnetisierbarem Material bestehen, um die Homogenität des Magnetfeldes sicherzustellen, das im Untersuchungsvolumen zu erzeugen ist.

Die Bewegung der Kontrollelemente 13 kann alternativ bewirkt werden durch Hydraulikzylinder 16 aus nicht magnetischem Material, wie in Fig. 5 dargestellt.

Bei den obigen Ausführungsformen ist eine Ausbildung der Träger 2a, 2b derart vorgesehen, daß sie auch einen statischen Schutz bilden, indem sie eine kapazitive Verbindung des Untersuchungsgegenstandes zu den Spulensätzen verhindern.

Die Einstellung der Spulengröße und demgemäß der Leiterlänge führt auch zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz. Aus diesem Grunde, und zusätzlich zu beschriebenen Spulenanordnungen, muß der Resonanzkreis mit einem Steuerkondensator versehen sein, durch den der Resonanzkreis entweder manuell oder automatisch abgestimmt wird. Der Wechsel in der Spulengröße hat auch eine Auswirkung auf die Länge und Amplitude eines erregten Radiofrequenzpulses, da bei sich reduzierender Spulengröße das von der Spule erzeugte Magnetfeld abnimmt. Demgemäß nimmt bspw. die Länge und/oder Amplitude eines HF-Pulses ab, der die Nettomagnetisierung um 90° ablenkt.

Die Spulenanordnung kann mit einem Meßgerät versehen werden, bspw. einer Schlaufenantenne, um die Feldstärke zu messen und das Meßergebnis kann für die automatische Bestimmung der HF- Pulsamplitude benutzt werden.

Die infolge der Veränderung der Größe der Signalspule erforderlichen Einstellungen können automatisch durchgeführt werden, bspw. durch Steuerung und entsprechender Programmierung eines Mikroprozessors. Die Betätigung der Spulenanordnung ist auf diese Weise außerordentlich einfach.

Claims

1. Einstellbare HF-Spulenanordnung für ein NMR-Untersuchungs gerät zur Untersuchung unterschiedlich großer Untersuchungs objekte, insbesondere von Patienten, wobei die HF-Signalspule in Form einer Sattelspule ausgebildet ist, mit einer oder mehreren Leiterwicklungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein die HF-Spule bildender flexibler, strangförmiger Leiter (1) einer spulenformenden Leiterträgeranordnung (2, 3) beweglich und längenveränderlich zugeordnet ist derart, daß über einstellbare Mittel (7, 9, 16) der Abstand des Leiterträgers (2) zu der zur HF-Spule parallelen Symmetrieachse einstellbar ist und über weitere einstellbare Mittel die Länge der HF-Spule einstellbar ist.

2. Einstellbare HF-Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung einer hohen magnetischen, Querschnitts homogenität innerhalb der HF-Spule die Einstellung der Länge und des Abstandes der HF-Spule in Abhängigkeit voneinander erfolgt.

3. Einstellbare HF-Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiterträger (2) ein Paar von Leiterführungs- und Profilträgern (2a, 2b) umfaßt, die als die Spulenanordnung formende Leiteranordnung ausgebildet sind und denen einstellbare Mittel (7, 9, 10) für eine selektive Bewegung der Führungs- und Profilträger (2a, 2b) relativ zueinander zur Änderung des Spulenvolumens zugeordnet sind.

4. Einstellbare HF-Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Führungs- und Profilträger (2a, 2b) eine Mehrzahl von Führungswegen (3′) und eine Mehrzahl von Füh rungen (3) besitzt, die zur Formung der Spulenanordnung beweglich in Bezug auf die Führungswege (3′) befestigt sind, wobei über einstellbare Mittel (13, 14, 15) die Länge der Leiteranordnung eingestellt werden kann.

5. Einstellbare HF-Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenvolumen der Signalspule zylindrisch ausgebildet ist und daß die Leiterführungs- und Profilträger (2a, 2b) jeweils endseitig über einstellbare Mittel in Form von Gabel stücken (10) mit zugeordneten Stellstücken (9, 9a) einer Ge windespindel (7) verstellbar zugeordnet sind und daß außenseitig der Leiterführungs- und Profilträger (2a, 2b) innerhalb von dort befindlichen, symmetrisch angeordneten und zentrisch verlaufenden Führungswegen (3′) Leiterfüh rungen (3) beweglich angeordnet sind, deren einstellbare Mittel aus jeweils einem endseitig angeordneten Leitergrößenkontrollelement (13) mit zugeordnetem gabelförmi gen Leitergrößeneinstellhebel (14) sowie Träger (15) bestehen, die ebenfalls mit der Gewindespindel (7) in Wirkverbindung stehen, wobei jede Gewindespindel (7) über einen Stellmotor (12) angetrieben und eingestellt wird.

6. Einstellbare HF-Spulenanordnung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung der Länge der Signalspule unabhängig von der Einstellung des Durchmessers erfolgt derart, daß die Leitergrößenkontrollelemente (13) über einen separaten Antrieb (16) verfügen.

7. Einstellbare HF-Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur optimalen Einstellung der Spulenkonfiguration die Stellmotoren (12) mikroprozessorgestützt die Spulengeometrie einstellen.