DE69313914T2 - Dynamische Verstimmung einer Feldspule der magnetischen Kernresonanz - Google Patents

Description

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• Das Gebiet der Erfindung sind auf Kermagnetresonanz (NMR von Nualear Magnetic Resonance) beruhende Bildgebungsverfahren und Systeme. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte HF Volumenspule, welche von anderen Spulen in dem System während einer NMR Pulsfolge entkoppelt werden kann.
• Jeder Kern, welcher ein magnetisches Moment besitzt, versucht sich selbst zu der Richtung des Magnetfeldes auszurichten, in welchem er angeordnet ist. Dabei führt der Kern jedoch um diese Richtung eine Präzession bei einer charakteristischen Kreisfrequenz (Larmor-Freguenz) aus, welche von der Stärke des magnetischen Feldes und von den Eigenschaften der spezifischen Kernspezies (der gyromagnetischen Konstante γ des Kerns) abhängig ist. Kerne, welche dieses Phänomen zei gen, werden hierin als "Spins" bezeichnet.
• Wenn eine Substanz, wie z.B. menschliches Gewebe, einem gleichförmigen Magnetfeld (Polarisationsfeld B&sub0;) unterworfen wird, versuchen die individuellen Magnetmomente der Spins in dem Gewebe, sich zu diesem Polarisationsfeld auszurichten, präzessieren jedoch in einer zufallsbedingten Ordnung bei ihrer charakteristischen Larmor-Frequenz um dieses. Ein Nettomagnetmoment Mz wird in der Richtung des Polarisationsfeldes erzeugt, wobei sich jedoch die zufällig orientierten Magnetkomponenten in der Ebene senkrecht oder quer dazu (x-y Ebene) gegenseitig aufheben. Wenn jedoch die Substanz oder das Gewebe einem Magnetfeld (Anregungsfeld B&sub1;) unterworfen wird, welches in der x-y Ebene liegt und welches nahe an der Larmor-Frequenz liegt, kann das Netto-Ausrichtungsmoment Mz in die x-y Ebene gedreht oder "gekippt" werden, um ein trans versales magnetisches Nettomoment Mt zu erzeugen, welches in der x-y Ebene bei der Larmor-Frequenz rotiert oder kreist. Der praktische Wert dieses pHänomens beruht auf dem Signal, welches von den angeregten Spins nach der Beendigung des Anregungssignals B&sub1; emittiert wird. Es gibt eine große Vielfalt von Meßfolgen, in welchen diese Phänomene der Kernmagnetresonanz (NMR) Phänomene, ausgewertet werden.
• In einem NMR Bildgebungssystem liegt das Anregungsfeld im Hochfreguenzbereich und wird von einer HF Spule erzeugt. Das sich ergebende NMR Signal liegt ebenfalls im Eochfreguenzbereich und kann von derselben HF Spule oder einer getrennten HF Spule erfaßt werden. Es ist beispielsweise übliche Praxis, eine HF Volumenspule zu verwenden, welche ein gleichförmiges HF Anregungsfeld über ein großes Volumen hinweg erzeugt, und eine getrennte HF Oberf lächenspule zu verwenden, um das sich ergebende NMR Signal aus einem genau definierten Bereich innerhalb des großen Volumens zu empfangen.
• Wenn NMR zum Erzeugen von Bildern genutzt wird, wird eine Technik angewendet&sub1; um NMR Signale von spezifischen Stellen in dem Subjekt zu erhalten. Typischerweise wird der abzubildende Bereich (der interessierende Bereich) mit einer Folge von NMR Meßzyklen abgetastet, welche gemäß dem spezifischen angewendeten Lokalisierungsverfahren variieren. Der sich ergebende Satz empfangener NMR Signale wird digitalisiert und verarbeitet, um das Bild unter Anwendung einer der vielen allgemein bekannten Rekonstruktionstechniken zu rekonstruieren. Um eine derartige Abtastung auszuführen, ist es natürlich erforderlich, NMR Signale aus verschiedenen Stellen in dem Subjekt hervorzurufen. Dieses wird durch Anwenden von Magnetfeldern (Gx, Gy und Gz) erreicht, welche dieselbe Richtung wie das Polarisationsfeld B&sub0; aufweisen, welche aber auch einen Gradienten entlang der entsprechenden x, y und z Achsen aufweisen. Durch Steuern der Stärke dieser Gradienten während jedes NMR Zyklus kann die räumliche Verteilung der Spinanregung gesteuert und die Stelle der sich ergebenden NMR Signale identifiziert werden.
• Die zur Bildgebung verwendeten Magnetfeldgradienten weisen eine kurze Dauer (Millisekunden) und hohe Feldstärke auf. Während einer einzigen Pulsfolge einer NMR Messung können beispielsweise die Gradienten für jede Achse (Gx, Gyi Gz) einmal oder mehrmals gepulst und in der Polarität umgekehrt werden. Die sich ergebenden magnetischen Felder erzeugen Kräfte an den elektrisch leitenden Elementen des Systems, einschließlich der HF Spule. Diese Kräfte bewirken eine Bewegung oder Schwingungen dieser Elemente, und eine derartige Bewegung der HF Spulenelemente kann Störungen in die gewonnenen NMR Daten induzieren. Die physikalische Konstruktion der HF Spule ist somit ein wichtiger Auslegungsgesichtspunkt.
• Wie vorstehend angemerkt, liegt sowohl die HF Anregung als auch das resultierende NMR Signal bei der Larmor-Freguenz. Demzufolge muß sowohl die HF Anregungsspule als auch die NNR Empfangsspule für eine Resonanz bei dieser Frequenz abgestimmt werden. Die Kreuzkopplung von zwei auf dieselbe Frequenz abgestimmten und innerhalb desselben interessierenden Bereiches angeordneten Spulen stellte ein Problem dar. Diese Kreuzkopplung bewirkt eine Ungleichförmigkeit in dem HF Anregungsfeld, Frequenzverschiebungen und Impedanzverschiebungen in beiden Spulen, und die Gewinnung eines verschlechterten NMR Signals.
• Die Lösung des Kreuzkopplungsproblems besteht in der Verstimmung der Empfangsspule während der Erzeugung des HF Erzeugungsfeldes und in der Verstimmung der HF Anregungsspule während der Gewinnung des NMR Signals. Mechanische Schalter sind für eine Anwendung während der NMR Pulsfolge nicht schnell genug und es müssen elektronische Schalter verwendet werden. Beispielsweise ist die Verwendung von Dioden als Schalter zum selektiven Verstimmen eines Paares koplanarer Oberflächenspulen in US-A-4,620,155 beschrieben. In ähnlicher Weise wird ein Satz von Dioden als Schalter in US-A-4,833,409 zum Verstimmen einer Ganzkörperspule durch Kurzschließen mit einer umgebenden Abschirmung verwendet. Obwohl die letztere Lösung die Ganzkörperspule wirksam während der Gewinnung des NMR Signals verstimmt, ist deren Verhalten nicht ganz ideal. Erstens verschlechtern die höheren EF Verluste in dieser Schaltung und Verbindungen zu der Abschirmung, sowie die Leckimpedanz der Dioden den Gütefaktor der Spule und reduzieren die Bildqualität Und zweitens sind die physikalischen Verbindungen zwischen der HF Spule und der umgebenden Abschirmung teuer in der Herstellung, wenn sie dem von den Kräften ausgeübten physikalischen Schlagen standhalten sollen, die von in modernen NMR Pulsfolgen verwendeten hohen Gradientenfeldpulsen verursacht werden.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die Erfindung ist in Anspruch 1 beschrieben.
• Die Erfindung bezieht sich auf eine HF Volumenspule für ein NMR System und insbesondere auf eine Ganzkörperspule des Typs, die zwei im Abstand angeordnete Schleifen, die durch einen Satz longitudinaler Elemente verbunden sind, und eine Einrichtung zum Verstimmen einer solchen Spule, ohne deren Leistung zu verschlechtern, aufweist. Insbesondere ist die vorliegende Erfindung eine verbesserte HF Volumenspule mit einem Paar im Abstand angeordneter Endschleifen, die durch einen Satz longitudinaler leitfähiger Elemente verbunden sind, wobei jede Endschleife einen Satz kapazitiver Elemente aufweist, welche in Verbindung mit der Induktivität der longitudinalen leitfähigen Elemente so wirken, daß sie die HF Volumenspule auf die gewünschte Larmor-Frequenz abstimmen, und mit elektronischen Schaltelementen, die über ein kapazitives Element in jedem von den Endringen geschaltet sind und als Antwort auf ein Steuersignal so betreibbar sind, daß sie einen Pfad niedriger Impedanz erzeugen, welcher die kapazitiven Elemente überbrückt und dadurch die HF Volumenspule verstimmt.
• Eine allgemeine Aufgabe der Erfindung besteht in der elektronischen Verstimmung einer HF Volumenspule, ohne deren Betrieb als eine abgestimmte Spule zu beeinträchtigen. Durch Verwendung passivierter Pin-Dioden als elektronische Schaltelemente sind die Leckströme minimal, und die Spulengüte wird während des HF Empfangs nicht verschlechtert.
• Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht in der Schaffung einer verstimmbaren Ganzkörperspule, welche während der Anlegung hoher Gradientenfeldpulse stabil ist und welche wirtschaftlich herstellbar ist. Durch den Wegfall von Verbindungen zwischen der HF Spule und ihrer umgebenden Abschirmung können die mechanische Zuverlässigkeit deutlich verbessert und die Kosten für die Herstellung gesenkt werden. Die elektronischen Schaltelemente sind auf demselben Stützsubstrat angebracht, das die Endschleifen und kapazitiven Elemente unterstützt.
• Die vorstehenden und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich. In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, welche einen Teil davon bilden, und in welchen zur Veranschaulichung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Ein solches Ausführungsbeispiel stellt jedoch nicht notwendigerweise den vollständigen Umfang der Erfindung dar, weshalb für die Auslegung des Schutzumfangs der Erfindung auf die Ansprüche hierin Bezug zu nehmen ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines NMR Systems, welches die vorliegende Erfindung anwendet;
• Fig. 2 ist ein elektrisches Blockdiagramm des Sende/ Empfängers, welcher einen Teil des NNR Systems von Fig. 1 bildet;
• Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Ganzkörper HF Volumenspule, welche in dem NMR System von Fig. 1 verwendet wird;
• Fig. 4 ist ein Schaltbild der Verstimmschaltung, welche mit der Spule von Fig. 3 verwendet wird;
• Fig. 5 ist eine perspektivische Teilansicht der bevorzugten Ausführungsform der Ganzkörperspule der vorliegenden Erfindung.
Detailierte Beschreibung der Erfindung
• In Fig. 1 sind nun in Form eines Blockdiagramms die Hauptkomponenten eines bevorzugten NMR Systems dargestellt, welches die vorliegende Erfindung verkörpert und welches von der General Electric Company unter dem Warenzeichen "SIGNA" verkauft wird. Der gesamte Betriebsablauf des Systems befindet sich unter der Kontrolle eines insgesamt mit 100 bezeichnet Hostcomputersystems, welches einen Hauptcomputer 101 (wie z.B. einen Data General MV 7800) enthält. Dem Computer ist eine Schnittstelle 102 zugeordnet, über welche mehrere Computerperipheriegeräte und andere NMR Systemkomponenten damit verbunden sind. Unter den Computerperipheriegeräten befindet sich ein Magnetbandlaufwerk 104, welches, gesteuert von dem Hauptcomputer, für die Archivierung von Daten und Bildern von Patienten auf Band verwendet werden kann. Verarbeitete Patientendaten können auch in einem mit 110 bezeichneten Bild- Plattenspeichergerät gespeichert werden. Die Funktion des Bildprozessors 108 besteht in der Bereitstellung einer interaktiven Bilddarstellungs-Manipulationsmöglichkeit, wie z.B. einer Vergrößerung, einem Bildvergleich, einer Grauskaleneinstellung und einer Darstellung von Echtzeitdaten. Das Computersystem ist mit einer Einrichtung zum Speichern von Rohdaten (d.h., vor dem Bildaufbau) ausgestattet, welche ein mit 112 bezeichnetes Platten-Datenspeicherungssystem nutzt. Eine Bedienungskonsole 116 ist ebenfalls mit dem Computer über die Schnittstelle 102 verbunden und stellt dem Bediener die Einrichtung zur Eingabe von zu einer Patientenuntersuchung zugehörigen Daten sowie auch zusätzlicher Daten zu Verfügung, welche für einen einwandfreien Betrieb des NMR Systems erforderlich sind, wie z.B. Kalibrierungs-, Initialisierungs- und Abschlußabtastungen. Die Bedienungskonsole wird auch zur Darstellung von auf Platten oder Magnetbändern gespeicherten Bildern genutzt.
• Das Computersystem 100 übt die Kontrolle über das NMR System mittels der Systemsteuerung 118 und dem Gradientenverstärkersystem 128 aus. Der Computer 101 kommuniziert mit der Systemsteuerung 118 mittels einer Verbindung 103 in einer dem Fachmann auf diesem Gebiet allgemein bekannten Art. Die Systemsteuerung 118 enthält mehrere Subsysteme, wie z.B. ein Pulssteuermodul (PCM) 120, einen Arrayprozessor 106, einen Hochfrequenz-Sende/Empfänger 112, ein Status- und Steuermodul (SCM) 124, und die insgesamt mit 126 bezeichneten Energieversorgungseinheiten, die zur Versorgung der Komponenten mit Energie erforderlich sind. Das PCM-Modul 120 nutzt von dem Hauptcomputer 101 bereitgestellte Signale, um digitale Zeittakt- und Steuersignale, wie z.B. die digitalen Wellenformen, welche die Gradientenspulenanregung steuern, sowie auch HF Hüllkurvenwellenformen zu erzeugen, die in dem Sende/Empfänger 122 zum Modulieren der HF Anregungspulse genutzt werden. Die Gradientenwellenformen werden an das im allgemeinen aus Gx, Gy und Gz Verstärkern 130, 132 und 134 bestehende Gradientenverstärkersystem 128 angelegt. Jeder Verstärker 130, 132 und 134 wird dazu genutzt, eine entsprechende Gradientenspule in einer insgesamt mit 136 bezeichneten Anordnung anzuregen. Mit Energie versorgt, erzeugen die Gradientenspulen Magnetfeldgradienten Gx, Gy und Gz des Magnetfeldes in derselben Richtung wie das Hauptpolarisationsmagnetfeld, wobei die Gradienten in wechselseitig orthogonalen X-, Y- und Z-Achsenrichtungen eines Cartesischen Koordinatensystems ausgerichtet sind. Das heißt, daß, wenn das von dem (nicht dargestellten) Hauptmagneten erzeugte Magnetfeld in der Richtung z ausgerichtet und mit B&sub0; bezeichnet ist, und das Gesamtmagnetfeld in der Richtung z mit B z bezeichnet ist, dann Gx=δBz/δx, Gy=δBy/δy und Gz=δBz/δz ist, und das Magnetfeld an jedem Punkt (x, y, z) durch B(x, y, z) = B&sub0;+GxX+GyY+GzZ gegeben ist.
• Die Gradientenmagnetfelder werden in Kombination mit Hochfrequenzpulsen angewendet, die von dem Sende/Empfänger 122, dem HF Verstärker 123 und der HF Spule 136 erzeugt werden, um räumliche Information in die NMR Signale zu codieren, die vom untersuchten Bereich des Patienten ausgehen. Von dem Pulssteuermodul 120 gelieferte Wellenformen und Steuersignale werden von dem Sende/Einpfänger-Subsystem 122 für die Modulation des HF Trägers und die Modussteuerung verwendet. Im Sendemodus liefert der Sender eine Hochfrequenzwellenform, die den Steuersignalen 123 entsprechend moduliert ist, an den HF Leistungsverstärker 123, welcher dann die HF Spule 138 mit Energie versorgt, welche in der Hauptmagnetanordnung 146 angeordnet ist. Die von den angeregten Kernen in dem Patienten ausgesendeten NMR Signale werden von derselben oder einer an deren HF Spule als der, die zum Senden verwendet wird, erfaßt und von einem Vorverstärker 139 verstärkt. Die NMR Signale werden in dem Empfängerabschnitt des Sende/Empfängers 122 verstärkt, demoduliert, gefiltert und digitalisiert Die verarbeiteten MMR Signale werden zu dem Arrayprozessor 106 zur Weiterverarbeitung über eine spezielle unidirektionale Verbindung 105 übertragen.
• Das PCM Modul 120 und das SCM Modul 124 sind unabhängige Subsysteme, wovon beide mit dem Hauptcomputer 101, mit dem Peripheriesystem, wie z.B. einem Patientenpositionierungs system 152, als auch miteinander über eine serielle Kommunikationsverbindung 103 kommunizieren. Das PCM Modul 120 und das SCM Modul 124 bestehen jeweils aus einem 16-Bit Mikroprozessor (wie z.B. dem Typ Intel 80286) zum Verarbeiten von Befehlen aus dem Hauptcomputer 101. Das SCM-Modul 124 enthält eine Einrichtung zur Erfassung von Information, welche die Position des Patientenschlittens betrifft, und die Position des (nicht dargestellten) beweglichen Lichtfächerstrahls für die Patientenausrichtung. Diese Information wird von dem Hauptconputer 101 zur Modifikation von Bilddarstellungs- und Rekonstruktionsparametern verwendet. Das SCM-Modul 124 initialisiert auch Funktionen, wie z.B. die Betätigung des Patiententransport und -ausrichtungssystems.
• Die Gradientenspulenanordnung 136 und die HF Sende- und Empfängerspulen 138 sind in der Bohrung des Magneten eingebaut, der zum Erzeugen des Polarisationsmagnetfeldes verwendet wird. Dieser Magnet bildet einen Teil der Hauptmagnetanordnung, welche das Patientenausrichtungssystem 148 enthält. Eine "Shim"-Energieversorgungseinheit 140 wird zur Energieversorgung einer Shim-Spule (Ausgleichsspule) verwendet, die dem Hauptmagneten zugeordnet ist und zur Korrektur von Inhomogenitäten in dem Polarisationsmagnetfeld verwendet wird. In dem Falle eines supraleitenden Magneten wird die Hauptenergieversorgungseinheit 142 dazu verwendet, das von dem Magneten erzeugte Polarisierungsfeld auf die geeignete Betriebsfeldstärke zu bringen und wird dann abgetrennt. Das Patientenausrichtungssystem 148 arbeitet in Verbindung mit einem Patientenschlitten- und Transportsystem 150 und einem Patientenpositionierungssystem 152. Zum Minimieren von Interferenzen aus externen Quellen sind diese NMR Komponenten in einem insgesamt mit 144 bezeichneten HF-geschirmten Raum untergebracht.
• Insbesondere gemäß Fig. 1 und 2 enthält der Sende/Empfänger 122 Komponenten, welche das HF Anregungsfeld B&sub1; über den Leistungsverstärker 123 bei einer Spule 138A erzeugen, und Komponenten, welche das in einer Spule 138B induzierte resultierende NMR Signal empfangen. Die Grund- oder Trägerfrequenz des HF Anregungsfeldes wird unter der Kontrolle eines Frequenzsythesizers 200 erzeugt, welcher einen Satz digitaler Signale (CF) über die Kommunikationsverbindung 103 von dem Hauptcomputer 101 empfängt. Diese digitalen Signale geben die Frequenz und Phase des HF Trägersignals an, welches an einem Ausgang 201 erzeugt wird. Der befohlene HF Träger wird an einen Modulator 202 geliefert, wo er einem Signal R(t) entsprechend moduliert wird, das über die Verbindung 103 vom dem PCM-Modul 120 empfangen wird. Das Signal R(t) definiert die Hüllkurve und damit die Bandbreite des zu erzeugenden HF Anregungspulses. Es wird in dem PCM-Modul 120 durch sequentielles Auslesen einer Reihe gespeicherter digitaler Werte, welche die gewünschte Hüllkurve darstellen, während der Erzeugung des HF Anregungspulse generiert. Diese gespeicherten digitalen Werte können wiederum durch den Computer 100 geändert werden, um die Erzeugung jeder gewünschten HF Pulshüllkurve zu ermöglichen. Die Größe des über die Leitung 205 ausgegebenen HF Anregungspulses wird von einer Senderabschwächerschaltung 206 abgeschwächt, welche ein digitales Signal TA von dem Hauptcomputer 101 über die Kommunikationsverbindung 103 empfängt. Die abgeschwächten HF Anregungspulse werden an den Leistungsverstärker 123 angelegt, welcher die HF Sendespule 138A betreibt. Für eine detailliertere Beschreibung dieses Abschnittes des Sende/Empfängers 122 sei auf US- A-4,952,877 verwiesen, welches hierin durch diese Bezugnahme beinhaltet ist.
• Ferner wird noch gemäß Fig. 1 und 2 das von dem Subjekt erzeugte NMR Signal von der Empfängerspule 1388 aufgenommen und an den Eingang eines Empfängers 207 angelegt. Der Empfänger 207 verstärkt das NMR Signal, und dieses wird dann in einem Ausmaß abgeschwächt, das von einem von dem Hauptcomputer 101 über eine Verbindung 103 empf angenem digitalen Abschwächungssignal (RA) bestimmt wird. Der Empfänger 207 wird ferner durch ein Signal über eine Leitung 221 von dem PCM-Modul 120 ein- und ausgeschaltet, so daß däs NMR Signal nur während den Zeitintervallen gewonnen wird, die für die ausgeführte spezifische Erfassung erforderlich sind.
• Das empfangene NMR Signal liegt bei oder um die Larmor- Frequenz herum. Dieses Hochfrequenzsignal wird in einem Zwei- Schritte-Prozeß in einem Demodulator 208 demoduliert, welcher zuerst das NMR Signal mit dem Trägersignal auf einer Leitung 201 mischt, und dann das sich ergebende Differenzsignal mit dem 2,5 MHz-Referenzsignal auf einer Leitung 204 mischt. Das sich ergebende demodulierte NMR Signal auf einer Leitung 212 weist eine Bandbreite von 125 kHz auf und ist bei einer Frequenz von 187,5 kHz zentriert. Das demodulierte NMR Signal wird an den Eingang eines Analog/Digital-(A/D)-Wandlers 209 angelegt, welcher das analoge Signal mit einer Rate von 250 kHz abtastet und digitalisiert Das Ausgangssignal des A/D- Wandlers 209 wird an einen digitalen Quadraturdetektor 210 angelegt, welcher 16-Bit In-Phase-Werte (I) und 16-Bit Quadratur-Werte (Q) erzeugt, die dem empfangenen digitalen Signal entsprechen. Der sich ergebende Fluß digitalisierter I und Q Werte des empfangenen NMR Signals wird über einen Bus 105 an den Arrayprozessor ausgegeben, wo diese zum Rekonstruieren eines Bildes verwendet werden.
• Um die in dem empfangenen NMR Signal enthaltene Phaseninformation zu bewahren, werden sowohl der Modulator 202 in dem Senderabschnitt als auch der Demodulator 208 in dem Empfängerabschnitt mit gemeinsamen Signalen betrieben. Insbesondere werden das Trägersignal an dem Ausgang 201 des Frequenz-Synthesizers 200 und das 2,5 MHz-Referenzsignal an dem Ausgang des Referenzsignalgenerators 203 sowohl bei dem Modulationsals auch bei dem Demodulationsvorgang verwendet. Die Phasenkonsistenz wird somit erhalten und Phasenveränderungen in dem demodulierten empfangenen NMR Signal geben genau die von den angeregten Spins erzeugten Phasenänderungen an. Das 2,5 MHz Referenzsignal sowie auch 5, 10 und 60 MHz Referenzsignale werden von dem Referenzfrequenzgenerator 203 aus einem gemeinsamen 10 MHz-Taktsignal erzeugt, und die letzteren drei Referenzsignale werden von dem Frequenzsynthesizer 200 zum Erzeugen des Trägersignals am Ausgang 201 verwendet. Für eine detailliertere Beschreibung des Empfängers sei auf US-A- 4,992,736 verwiesen, welches hierin durch diese Bezugnahme beinhaltet ist.
• Die HF Spulen 138A und 138B können abhängig von dem durchgeführten Abtastvorgang viele Formen annehmen. Das NMR System enthält eine einzelne Ganzkörper HF Spule, welche sowohl als Sendespule 138A als auch als Empfangsspule 138B arbeiten kann. In einem solchen Falle verbindet der Sende/- Empfangs-Schalter diese Spule sowohl mit dem Leistungsverstärker 123 als auch mit dem Empfänger 207. Der Sende/ Empfangsschalter wird von einem T/R-Signal aus dem Pulssteuermodul 120 gesteuert, um die Einzelspule 138 elektrisch mit dem Leistungsverstärker 123 während der Erzeugung des HF Anregungspulses zu verbinden, oder diese mit dem Empfänger 207 zu verbinden, wenn das NMR Signal gewonnen wird.
• In einem zweiten Betriebsmodus können die HF Spulen 138A und 138B die Form einer einzelnen lokalen Spule annehmen, wie z.B. der in US-A-4,641,097 offenbarten Kopfspule. In einem derartigen Fall wird der Sende/Empfangsschalter von der Ganzkörperspule abgetrennt und mit der lokalen Kopfspule verbunden. In diesem Betriebsmodus wird die lokale Kopfspule sowohl während der Sende- als auch der Empfangsabschnitte der Pulsfolge verwendet und die Ganzkörperspule gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung verstimmt, so daß sie nicht die HF Felder durch die Gegeninduktivität mit der lokalen Kopfspule stört.
• Und schließlich wird in einem dritten Betriebsmodus die Ganzkörperspule während des Sendeabschnittes der Pulsfolge verwendet, um das HF Anregungsfeld über das gesamte relativ große interessierende Volumen zu erzeugen, und eine lokale Oberflächenspule, wie z.B. die in US-A-4,620,155 offenbarte, kann verwendet werden, um das NMR Signal von einem kleinen Bereich in dem interessierenden Volumen zu gewinnen. Solche Oberflächenspulen sind beispielsweise dafür ausgelegt, NMR Signale aus speziellen Bereichen der menschlichen Anatomie besser als die Ganzkörperspule zu gewinnen. In einem solchen Falle ist der Leistungsverstärker 123 mit der Ganzkörperspule verbunden und die lokale Oberflächenspule mit dem Empfänger 207 verbunden. Das T/R Signal wird dazu verwendet, um die Ganzkörperspule während des Empfangsabschnittes zu verstimmen, wie es nun im Detail beschrieben wird.
• Insbesondere in Fig. 3 ist schematisch dargestellt, wie die Ganzkörperspule zwei leitfähige Schleifenelemente 301 und 302 enthält, welche um eine Mittelachse 300 herum angeordnet sind und welche über einen Satz longitudinaler leitfähiger Elemente 303 miteinander verbunden sind. Die longitudinalen leitfähigen Elemente 303 sind um die leitenden Schleifen 301 und 302 herum in gleichen Abständen angeordnet und verlaufen zueinander und zu der Mittelachse 300 parallel. Kondensatoren 304 sind in jedes Schleifenelement 301 und 302 geschaltet, wobei ein Kondensator zwischen jedem Verbindungspaar zu den axialen leitfähigen Elementen 303 angeordnet ist. Die Konden satoren 304 besitzen einen Wert, welcher in Verbindung mit der verteilten Induktivität der longitudinalen leitfähigen Elemente 303 so wirkt, daß Resonanz bei der Larmor-Frequenz erzielt wird. Diese Ganzkörper HF Spule ist detailliert in US-A-4,680,548 beschrieben, welches hierin durch diese Bezugnahme enthalten ist, und wird im Fachgebiet auch als "Hochpaß-Vogelkäfig"Spule bezeichnet.
• In der bevorzugten Ausführungsform wird die Ganzkörperspule mit einem Polarisationsmagnetfeld von 0,5 Tesla angewendet und ist auf eine Larmor-Frequenz von 21,3 MHz abgestimmt, obwohl auch eine ähnliche Spule für eine Anwendung mit einem Polarisationsmagnetfeld von 1,5 Tesla und einer Larmor-Frequenz von 63,86 MHz aufgebaut wurde. Obwohl Fig. 3 sacht longitudinale leitfähige Elemente 303 darstellt, werden in der bevorzugten Ausführungsform sechzehn in gleichem Abstand angeordnete longitudinale leitfähige Elemente 303 verwendet. Der wichtige Faktor bei dieser Spulenauslegung besteht darin, daß die Werte der Kondensatoren 304 deren Resonanzfrequenz bestimmen, und daß eine wesentliche Änderung von deren Werten die Spule von der Larmor-Frequenz weg verstimmt. Diese Verstimmung ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung.
• Gemäß Fig. 3 und 4 wird die Verstimmung der Ganzkörperspule durch einen Satz von acht Verstimmschaltungen 310 erreicht, welche direkt acht der Kondensatoren 304 parallel geschaltet sind. Vier von den Verstimmschaltungen 310 sind über vier sich abwechselnde Kondensatoren 304 in der leitfähigen Schleife 301 geschaltet und vier von diesen sind über vier sich abwechselnde Kondensatoren 304 in der leitfähigen Schleife 302 geschaltet. Obwohl Verstimmschaltungen 310 über alle Kondensatoren 304 geschaltet werden könnten, kann eine gute Leistung mit lediglich acht erreicht werden, indem die Verbindungen in den zwei leitfähigen Schleifen 301 und 302 versetzt werden. Diese abwechselnde und versetzte Verbindung der Verstimmschaltungen 310 liefert die beste Kosten/Leistungs-Lösung.
• Die Verstimmschaltung 310 ist schematisch in Fig. 4 dargestellt und enthält zwei Eingänge 311 und 312. Der Eingang 312 ist mit Signalmasse verbunden und der Eingang 311 ist mit den Eingängen 311 an jeder weiteren Verstimmschaltung verbunden. Der Eingang 311 ist auch über einen Strombegrenzungswiderstand 313 mit einer HF Drossel 314 verbunden, und der Eingang 312 ist mit einer zweiten HF Drossel 315 verbunden. Ein Filterkondensator 316 ist über die Eingangsseite der HF Drosseln 314 und 315geschaltet, und eine Pin-Diode 317 ist über die Ausgangsseite der HF Drosseln 314 und 315 geschaltet. Die zwei Anschlüsse der Pin-Diode 317 bilden die Ausgänge der Verstimmungsschaltung 310, welche über deren Spulenkondensator 304 angeschlossen sind. Demzufolge ist die Pin-Diode 317 zu ihrem zugeordneten Kondensator 304 parallel oder in Nebenschluß geschaltet.
• Wenn eine positive Gleichspannung an den Eingang 311 angelegt wird, wird die Pin-Diode 317 in Rückwärtsrichtung vorgespannt und stellt einen Nebenschlußpfad sehr hoher Impedanz für den Kondensator dar. Zusätzlich erzeugen die HF Drosseln 314 und 315 eine sehr hohe Impedanz gegenüber den hochfrequenten HF Signalen in der Ganzkörperspule, und demzufolge besitzt die Verstimmschaltung 310 eine vernachlässigbare Auswirkung auf den Betrieb der Ganzkörperspule, wenn sie mit einer positiven Gleichspannung betrieben wird. Andererseits wird dann, wenn eine negative Gleichspannung an den Eingang 311 der Verstimmschaltung 310 angelegt wird, die Pin-Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt und leitet Strom. In diesem in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zustand stellt die Pin-Diode 317 einen Nebenschlußpfad sehr niedriger Impedanz um ihren zugeordneten Kondensator 304 herum dar. Dieser schließt den Kondensator 304 wirksam kurz und entfernt ihn von der Ganzkörperspule. Demzufolge wird die Ganzkörperspule verstimmt und ihre Auswirkung auf den Betrieb anderer Spulen deutlich reduziert.
• Mit Ausnahme der Pin-Diode 317 sind die anderen Komponenten in den Verstimmschaltungen 310 standardmäßige, im Handel erhältliche Produkte. Die HF Drosseln 314 und 315 besitzen eine Induktivität von 3,3 µH und der Kondensator 316 besitzt einen Wert von 0,01 µF. Der Widerstand 313 ist so gewählt, daß er den Stromfluß durch die in Vorwärtsrichtung vorgespannte Pin-Diode 317 auf etwa 1 Ampere begrenzt. Dieses stellt sicher, daß sich die Pin-Diode 317 in ihren Zustand niedriger Impedanz befindet, wenn sie in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
• Die Pin-Diode 317 ist sehr wichtig für den erfolgreichen Betrieb der vorliegenden Erfindung. Wenn sie sich im rückwärts vorgespannten Zustand befindet, ist es sehr wichtig, daß sie eine sehr hohe Impedanz gegenüber den HF Signalen in der Ganzkörperspule besitzt und daß ihr Leckstrom minimal ist. Es wurde mit der vorliegenden Erfindung gefunden, daß wesentlich verbesserte Ergebnisse erzielt werden können, wenn die Oberfläche der Pin-Diode passiviert ist, um deren Leckstrom zu reduzieren, wenn sie in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist. Dieses steht in Gegensatz zu früheren Pin-Dioden, welche mit einem niedrigschmelzenden Glas eingekapselt sind, um deren Leckströme zu reduzieren. Zusätzlich muß die Pin-Diode 317 eine ausreichend hohe Durchbruchspannung (> 1000 Volt in der bevorzugten Ausführungsform) aufweisen, um den in der Ganzkörperspule während des Sendemodus erzeugten hohen Spannungen standzuhalten. Für diese Anwendung bevorzugte Pin-Dioden sind von der M/A Semiconductor Division of Burlington, MA als Bauteile der Reihe MA4P4000 erhältlich.
• Gemäß nochmaligen Bezug auf Fig. 3 werden die Eingänge zu der Verstimmschaltung 310 von einer Sende/Empfangs-Treiberschaltung 320 angesteuert. Die Treiberschaltung 320 stellt eine Verbindung zu Signalmasse und zu den Eingängen 311 jeder Verstimmschaltung 310 dar. Wenn die Ganzkörperspule bei ihrer abgestimmten Larmor-Frequenz arbeiten soll, erzeugt die Treiberschaltung eine positive Gleichspannung von 450 Volt an dem Eingang 311. Da diese alle Pin-Dioden 317 in Rückwärtsrichtung vorspannt, fließt nur ein sehr kleiner Strom. Andererseits legt die Treiberschaltung 320 eine negative Spannung an die Eingänge 311 an, wenn die Ganzkörperspule verstimmt werden soll. Dieses spannt die Pin-Dioden 317 in Vorwärtsrichtung vor und es fließt ein erheblicher Strom durch diese. Die Treiberschaltung begrenzt diesen Strom auf acht Ampere, so daß jede Verstimmschaltung etwa ein Ampere wie vorstehend beschrieben leitet. Der Wert des Widerstandes 313 in jeder Verstimmschaltung 310 ist deutlich höher als der Widerstandswert der in Vorwärtsrichtung vorgespannten Pin-Dioden 317. Dieser Widerstandswert bestimmt den von der Treiberschaltung 320 gesehenen Eingangswiderstand und überdeckt alle kleinen Schwankungen im Widerstandswert der in Vorwärtsrichtung vorgespannten Pin-Dioden 317. Die T/R-Steuerleitung aus dem Pulssteuermodul 120 wird dazu verwendet, um die Sende/Empfangs Treiberschaltung 320 zwischen ihren zwei Zuständen umzuschalten.
• Im Gegensatz zu früheren Verstimmschaltungen, welche aufwendige und teuere mechanische Stützeinrichtungen für die Schaltungselemente und die Verbindungen zu der umgebenden Abschirmung benötigen, wird die Verstimmschaltung 310 der vorliegenden Erfindung einfach auf demselben Substrat angebracht, das die Vogelkäfigspule trägt. Gemäß Fig. 5 sind die Elemente der Vogelkäfigspule auf einem rohrförmigen Substrat 325 angebracht, welches aus Fiberglas besteht. Die Spulenelemente 301 und 302 bestehen aus Kupferfolie und sind an Ort und Stelle aufgeklebt. Die Kondensatoren 304 sind direkt auf die Kupferfolie gelötet und jede Verstimmschaltung 310 ist auf dem Substrat unmittelbar neben ihrem zugeordneten Kondensator angebracht. Leitungen von der Verstimmschaltung 310 sind direkt mit der Kupferfolie verlötet, um den vorstehend erwähnten Nebenschlußpfad zu erzeugen. In der bevorzugten Ausführungsform sind die Strombegrenzungswiderstände 313 getrennt auf einer Leiterplatte 326 angebracht, so daß die Wärme, welche sie erzeugen, physikalisch von den anderen Schaltungselementen ferngehalten wird.
• Zusätzlich zu der Schaffung einer physikalischen Unterstützung für jede Verstimmschaltung 310 sind (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Fenster in dem rohrförmigen Substrat ausgebildet, um einen leichten Zugang zu den Schaltungselementen für das Wartungspersonal zu schaffen. Die Schaltungselemente zeigen nach innen in die Richtung der zentralen Öffnung in den NMR System und sind von dort aus durch Entfernen einer kleinen Platte erreichbar.

Claims (9)

1. HF Volumenspule für ein NMR System, die enthält:

ein Paar im Abstand angeordneter Schleifen, die jeweils um eine Mittelachse herum angeordnet sind,

einen Satz von longitudinalen, leitfähigen Elementen, die mit dem Paar im Abstand angeordneter Endschleifen verbunden sind und sich dazwischen entlang der Richtung der Mittelachse erstrecken,

einen Satz von Kondensatoren, die in jede Endschleife geschaltet sind und Werte haben, die die Spule abstimmen, um bei der Larmor-Frequenz des NMR Systems in Resonanz zu schwingen,

einen Satz von Verstimmschaltungen, die jeweils eine Pin- Diode haben, die einem entsprechenden der Kondensatoren parallel geschaltet ist, und

eine Treiberschaltung, die mit jeder der Verstimmschaltungen verbunden ist und auf ein Steuersignal anspricht, um entweder eine Spannung zu erzeugen, die die Pin-Dioden in Sperrichtung vorspannt und dadurch den Nebenschlußpfad öffnen, den ihre entsprechenden Kondensatoren bilden, oder einen Strom zu erzeugen, der die Pin-Dioden in Durchlassrichtung vorspannt und dadurch den Nebenschlußpfad kurzschließt, den sie für ihre entsprechenden Kondensatoren bilden, um dadurch die Spule von der Larmor-Frequenz zu verstimmen.

2. HF Volumenspule nach Anspruch 1, wobei der Satz von Kondensatoren Kondensatoren enthält, die in jeder der Endschleifen an Punkten zwischen Verbindunggspaaren von der Endschleife mit den longitudinalen leitfähigen Elementen verbunden sind, und die Verstimmschaltungen mit abwechselnden Kondensatoren in jeder der Schleifen verbunden sind.

3. HF Volumenspule nach Anspruch 2, wobei die abwechselnden Verbindungen der Verstimmschaltungen mit den Kondensatoren in einer der Endschleifen versetzt sind von den abwechselnden Verbindungen der Verstimmschaltungen mit den Kondensatoren in der anderen Endschleife.

4. HF Volumenspule nach Anspruch 1, wobei jede der Pin-Dioden passiviert ist, um ihren Leckstrom zu verkleinern, wenn sie durch die Treiberschaltung in Sperrichtung vorgespannt ist.

5. HF Volumenspule nach Anspruch 1, wobei jede Verstimmschaltung eine HF Drossel aufweist, die zwischen ihre Pin- Diode und die Treiberschaltung geschaltet ist.

6. HF Volumenspule nach Anspruch 5, wobei jede Verstimmschaltung zwei Eingänge aht, die sie mit der Treiberschaltung verbindet, und zwei HF Drosseln die zwei Eingänge mit entsprechenden Leitern auf der Pin-Diode verbinden.

7. HF Volumenspule nach Anspruch 6, wobei ein Kondensator dem Eingangspaar in jeder Verstimmschaltung parallel geschaltet ist.

8. HF Volumenspule nach Anspruch 11 wobei die Endschleifen und die longitudinalen leitfähigen Elemente auf einem rohrförmigen Substrat angebracht sind und jede Verstimmschaltung an dem Substrat angebracht und neben dem Kondensator angeordnet ist, mit dem sie verbunden ist.

9. HF Volumenspule nach Anspruch 8, wobei Strombegrenzungswiderstände zwischen die Treiberschaltung und jede der Verstimmschaltungen geschaltet sind.