DE19535257A1 - MR-Anordnung zur Bestimmung der Kernmagnetisierungsverteilung mit einer Oberflächenspulen-Anordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine MR-Anordnung zur Bestimmung der Kernmagnetisie­ rungsverteilung in einem Untersuchungsbereich mit einer mindestens zwei Spulen umfassenden, zylinderförmigen Oberflächenspulen-Anordnung, wobei die Spulen jeweils als Schleife ausgestaltet sind.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Kopfspulen-Anordnung mit einer mindestens zwei Spulen umfassenden Oberflächenspulen-Anordnung, wobei die Spulen jeweils als Schleife ausgestaltet sind.

Die Bestimmung der Kernmagnetisierungsverteilung in einem Untersuchungsbereich mittels einer aus mindestens zwei Oberflächenspulen bestehenden Oberflächen­ spulen-Anordnung hat den Vorteil, daß das Signal-zu-Rauschverhältnis wesentlich besser ist als bei Spulen, die Kernresonanzsignale aus dem gesamten Untersuchungs­ bereich empfangen. Eine Oberflächenspulen-Anordnung ist aus Magnetic Resonance in Medicine 16, P. 192-225, 1990, bekannt. Die Bilder der einzelnen Oberflächenspulen werden dabei nach einem geeigneten Verfahren zu einem Gesamtbild zusammengesetzt. Der Nachteil einer Oberflächenspulen-Anordnung besteht darin, daß die Empfindlichkeit örtlich inhomogen ist, d. h. davon abhängt, wo im Untersuchungsbereich das MR-Signal auftritt.

Aus 2nd SMR, Book of Abstracts, p. 1103, 1994, ist eine Kopfspulen-Anordnung bekannt. Eine aus sechs Elementen bestehende, um den Kopf wickelbare Spulenanordnung ist dabei ergänzt um eine aus zwei Elementen bestehende Butterfly-Spule, die über dem Schädeldach des Patienten angeordnet ist. Dadurch wird zwar erreicht, daß auch MR-Signale aus dem Bereich des Kopfendes empfangen werden, jedoch ist die Empfindlichkeit der beiden Butterfly-Elemente nicht sehr homogen, so daß sich Probleme bei der Kombination der einzelnen Bilder zu einem Gesamtbild ergeben. Außerdem sind für die zwei Butterfly-Elemente zwei weitere Empfangskanäle erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine eingangs beschriebene MR-Anordnung im Hinblick auf Empfindlichkeit und Auflösung zu verbessern. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Kopfspulen-Anordnung zu verbessern.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemaß dadurch gelöst, daß die Spulen Winkelspulen sind, bei denen ein Teil der Schleife zum Innenbereich der Oberflächenspulen-Anordnung hin abgewinkelt ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß aus einem Untersuchungsbereich größere MR-Signale empfangen werden können, wenn sich die Empfangsspulen möglichst nahe an dem Untersuchungsobjekt befinden und sich über einen möglichst großen Teil der Oberfläche des Untersuchungsobjekts erstrecken.

Bei der erfindungsgemäßen MR-Anordnung sind die Winkelspulen derart abgewinkelt, daß sie sich möglichst nahe an der Oberfläche des Untersuchungs­ objekts befinden. Insbesondere bei einer MR-Anordnung zur Untersuchung des Kopfes befinden sich die abgewinkelten Teile der Schleifen direkt oberhalb des Schädeldaches. Dadurch wird erreicht, daß gegenüber den bekannten Anordnungen auch aus dem oberen Bereich des Kopfes deutlich stärkere MR-Signale empfangen werden können. Vorteilhaft ist bei der erfindungsgemäßen MR-Anordnung insbesondere, daß keine zusätzlichen Empfangskanäle erforderlich sind, da die Anzahl der Spulen der Oberflächenspulen-Anordnung gleich bleiben kann. Es werden lediglich die Spulen als Winkelspulen ausgestaltet.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der abgewinkelte Teil der Schleife um maximal 90° zum Innenbereich der Oberflächenspulen-Anordnung hin abgewinkelt ist. Bei genau um 90° abgewinkelten Schleifenteilen eignet sich die MR-Anordnung besonders gut zur Verwendung als Kopfspulen-Anordnung. Davon ausgehend ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die abgewinkelten Teile der Schleifen in einer gemeinsamen Ebene liegen, wodurch die Homogenität des Empfangsprofils der MR-Anordnung deutlich verbessert wird.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Winkelspulen auf einem als geradem Kreiszylinder ausgestalteten Spulenträger aufgebracht sind. Auch dadurch wird ein besonders homogenes Empfangsprofil innerhalb des Zylinders erreicht, weshalb sich die MR-Anordnung besonders zur Untersuchung des Kopfes eignet.

Um die gegenseitige Kopplung der Spulen der Oberflächenspulen-Anordnung möglichst gering zu halten, sieht eine Ausgestaltung erfindungsgemäß vor, daß sich benachbarte Spulen der Oberflächenspulen-Anordnung teilweise überlappen. Dabei kann eine Überlappungsbreite gefunden werden, bei der die Kopplung zweier benachbarter Spulen minimal ist. Die Schleifen der Spulen sind dabei so ausgestaltet, daß sich an den Kreuzungspunkten zweier Spulen die Schleifen im rechten Winkel kreuzen, wobei die Schleifen an den Kreuzungspunkten durch Isolierplättchen voneinander getrennt sind.

Um das Signal-zu-Rauschverhältnis weiter zu verbessern, ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß in die Schleife einer Spule der Oberflächen­ spulen-Anordnung mindestens ein Kondensator geschaltet ist. Der Kondensator und die Spule bilden dabei einen Schwingkreis, der durch Wahl der Größe des Kondensators auf die Larmor-Frequenz abgestimmt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß in die Oberflächenspulen-Anordnung eine Gradientenspulen- und/oder Sendespulen-Anordnung integriert ist. Damit können deutlich höhere Sendefeldstärken in dem zu untersuchenden Objekt, beispielsweise dem Kopf, erzeugt werden, was insbesondere für Angiographiemethoden sehr von Vorteil ist. Gegenüber einer Anordnung mit herkömmlichen Körperspulen, die deutlich weiter vom Kopf entfernt sind, kann damit eine wesentlich bessere Auflösung erzielt werden.

Die Aufgabe, eine Kopfspulen-Anordnung mit mindestens zwei, jeweils als Schleife ausgestalteten Spulen zu verbessern, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spulen Winkelspulen sind, bei denen ein Teil der Schleife zum Innenbereich der Oberflächenspulen-Anordnung hin abgewinkelt ist. Ein erster Teil der Schleife umschließt dann eine in einer ersten Ebene liegende Fläche und ein zweiter Teil der Schleife umschließt eine in einer zweiten, zur ersten Ebene unter einem Winkel verlaufenden Ebene liegende Fläche.

Ein besonders homogenes Empfangsprofil und ein großes Signal-zu-Rauschverhältnis ergibt sich mit Ausgestaltungen, bei denen die erste und zweite Ebene sich unter einem Winkel von 90° schneiden und bei denen die Spulen zylinderförmig derart angeordnet sind, daß die zweiten Ebenen eine gemeinsame Ebene bilden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines MR-Untersuchungsgerätes, das die Erfindung beinhalten kann,

Fig. 2 eine Darstellung einer Kopfspulen-Anordnung mit acht Winkelspulen,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Winkelspule mit zwischengeschalteten Kondensatoren und

Fig. 4 eine Darstellung einer Kopfspulen-Anordnung mit integrierter Sendespulen-Anordnung.

In dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Blockschaltbild ist mit 1 ein vorzugsweise supraleitender Magnet bezeichnet, der in einem Untersuchungsbereich, in dem sich ein Patient befinden kann, ein stationäres homogenes Magnetfeld erzeugt. Der dafür erforderliche Strom wird von einer Einheit 2 geliefert. Mit 3 ist eine Gradientenspulen-Anordnung bezeichnet, mit der ein magnetisches Gradientenfeld erzeugt werden kann, das in Richtung des stationären Magnetfeldes verläuft und dessen Gradienten entweder in der gleichen Richtung oder in zwei dazu und zueinander senkrechten Richtungen verläuft. Die Ströme hierfür werden von einer Treiberschaltung 4 geliefert, wobei der zeitliche Verlauf der Ströme von einer Steuereinheit 5 gesteuert wird, die mittels eines geeignet programmierten Prozessors realisiert werden kann.

Außerdem ist ein Hochfrequenzgenerator 6 vorgesehen, der impulsweise Schwingungen mit der Larmorfrequenz der Atomart, deren Kernmagnetisierungs­ verteilung bestimmt werden soll, erzeugen kann. Der Hochfrequenzgenerator 6 ist mit einer üblicherweise zylinderförmig ausgestalteten Körperspulen-Anordnung 7 verbunden, die bei der MR-Untersuchung den Körper des Patienten auf einer bestimmten Länge umschließt und in diesem ein im wesentlichen homogenes Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugt.

Darüber hinaus ist eine aus mehreren Oberflächenspulen bestehende Oberflächenspulen-Anordnung 8 vorgesehen. Die Oberflächenspulen-Anordnung 8 ist mit einer Empfängereinheit 9 verbunden, wobei die Empfängereinheit 9 für jede Spule der Oberflächenspulen-Anordnung 8 je einen Kanal enthält, in dem das von der jeweiligen Spule empfangene MR-Signal verstärkt, in einen niedrigeren Frequenzbereich transponiert und digitalisiert wird und in dem aus den digitalisierten MR-Signalen jeweils ein MR-Bild rekonstruiert werden kann. Die in der Empfänger- und Verarbeitungseinheit 9 erzeugten MR-Bilder sind auf einem Monitor 10 darstellbar.

Die Einheiten 4, 6, 8, 9 werden von der Steuereinheit 5 gesteuert. Im Sendebetrieb werden die vom Hochfrequenzgenerator 6 erzeugten Schwingungen der Körperspulen-Anordnung 7 zugeführt, die im Untersuchungsbereich ein Hochfrequenzmagnetfeld erzeugt. Während des Sendebetriebs ist die Oberflächenspulen-Anordnung 8 unwirksam, beispielsweise dadurch, daß jede einzelne Spule dieser Anordnung während des Sendebetriebes verstimmt ist. Im Empfangsbetrieb werden die im Untersuchungsbereich entstehenden MR-Signale mit der Oberflächenspulen-Anordnung 8 empfangen. Dabei ist die Körperspulen-Anordnung 7 verstimmt. Dadurch sind diese Spulen-Anordnungen induktiv voneinander entkoppelt.

In Fig. 2 ist eine Oberflächenspulen-Anordnung 20 mit acht Winkelspulen 21 bis 28 dargestellt. Die Winkelspulen 21 bis 28 sind auf einem zylinderförmig ausgestalteten Spulenträger 19 aus nichtleitendem Material, beispielsweise Plexiglas, aufgebracht. Die Winkelspulen 21 bis 28 und der Spulenträger 19 sind derart bemessen, daß sich diese Oberflächenspulen-Anordnung 20 zur Verwendung als Kopfspulen-Anordnung eignet. Der Kopf eines Patienten befindet sich während der Untersuchung im Inneren des zylinderförmigen Spulenträgers 19.

Jede der acht Winkelspulen 21 bis 28 ist als geschlossene Schleife aus leitendem Material ausgestaltet. Der in der Figur obere Teil jeder Schleife ist um 90° zur Zylinderachse 29 hin, also zum Innenbereich der Oberflächenspulen-Anordnung 20 hin, abgewinkelt. Die derart abgewinkelten Teile der Schleifen der Winkelspulen 21 bis 28 liegen alle in derselben Ebene 30, die der oberen Abschlußebene des zylinderförmigen Spulenträgers 19 entspricht.

Diese Anordnung ist deutlich empfindlicher für Signale, die im oberen Bereich der zylinderförmigen Anordnung 20 gemessen werden sollen. Gegenüber der bekannten Anordnung, bei der die Spulen als geschlossene Schleifen nur auf der Außenfläche 31 des Zylinders aufgebracht sind und keinen abgewinkelten Teil aufweisen, wird auch eine deutliche Erhöhung des Signal-zu-Rauschverhältnisses erreicht. Die von einzelnen Winkelspulen 21 bis 28 gemessenen Einzelbilder werden nach einem bekannten Verfahren, beispielsweise dem Verfahren der Summe der Quadrate zu einem Gesamtbild zusammengesetzt, das eine deutlich verbesserte Auflösung zeigt.

Jede der Winkelspulen 21 bis 28 überlappt sich teilweise mit den Schleifen der beiden benachbarten Winkelspulen. Dadurch kann die magnetische Kopplung zweier benachbarter Winkelspulen minimiert werden, wobei eine ideale Überlappungsbreite gefunden werden kann, bei der die magnetische Kopplung minimal ist.

In Fig. 3 ist eine einzelne erfindungsgemäße Winkelspule 32 gezeigt. Zu erkennen ist, daß sich die Ebene, in der die von einem ersten Schleifenteil umschlossene Fläche 33 bzw. die von dem zweiten Schleifenteil umschlossene Fläche 34 liegen, unter einem Winkel von 90° entlang der gestrichelten Linie 41 schneiden. Der Winkel ist dabei gemessen zwischen der Linie 42, also einer gedachten Fortsetzung des die Fläche 33 umschließenden Schleifenteils, und der Fläche 34. In die Schleife 32 sind vier Kondensatoren 35 bis 38 geschaltet. Dadurch kann die Spule, die zusammen mit den Kondensatoren einen Schwingkreis bildet, auf die Larmorfrequenz der zu messenden Atome abgestimmt und somit eine Erhöhung des Signal-zu-Rauschverhältnisses erreicht werden.

Die Spule kann aus Metall oder aus einem anderen leitfähigen Material, wie beispielsweise leitfähigem Kunststoff oder Leiterfarbe, bestehen. Die Spulen können als rohrförmige Leiter ausgestaltet sein oder aus ein- oder mehrlagigem geätztem Multilayermaterial direkt auf den Spulenträger aufgebracht sein. In einer praktischen Ausführung bestehen die Spulen aus 10 mm breiten und 0,2 mm dicken Kupferstreifen, die direkt auf einem Plexiglaszylinder aufgeklebt sind.

In Fig. 4 ist die in Fig. 2 gezeigte Oberflächenspulen-Anordnung 20 mit der Übersichtlichkeit halber nur drei Winkelspulen 21, 22, 23 dargestellt. In die Oberflächenspulen-Anordnung 20 ist eine Sendespulen-Anordnung, die aus zwei Sattelspulen 39, 40 besteht, integriert. Die Sattelspulen 39, 40 verlaufen ebenfalls auf der Außenfläche 31 des zylinderförmigen Spulenträgers 19, könnten aber auch in etwas größerem Abstand von der Zylinderachse 29 angeordnet sein. Mit einer derartigen Sendespulen-Anordnung kann gegenüber einer Ganzkörper­ sendespulen-Anordnung ein deutlich höheres Sendefeld und damit eine höhere Auflösung erreicht werden.

Nicht dargestellt ist eine Ausführung, bei der in die Oberflächenspulen-Anordnung 20 eine Gradientenspulen-Anordnung integriert ist. Diese Integration könnte in gleicher Weise wie die in der Fig. 4 gezeigte Integration der Sendespulen-Anordnung erfolgen. Auch dadurch kann eine verbesserte Auflösung erreicht werden gegenüber einer MR-Anordnung mit herkömmlicher Gradientenspulen-Anordnung.

Die verwendeten Winkelspulen können auch eine andere als in den Fig. 2 bis 4 gezeigte Form, beispielsweise eine elliptische Form aufweisen. Auch kann die Größe der verwendeten Winkelspulen in einer Oberflächenspulen-Anordnung unterschiedlich sein. In der praktischen Ausführung einer Kopfspulen-Anordnung sind die vor dem Gesicht befindlichen Spulen etwas größer ausgestaltet und weiter von der Kopfoberfläche entfernt angeordnet als die am Hinterkopf befindlichen Spulen. Außerdem weist der Spulenträger direkt vor dem Gesichtsfeld des Patienten einen Schlitz auf, wo auch keine Spule aufgebracht ist, um das Engegefühl des Patienten in der Kopfspulen-Anordnung zu verringern.

Um beispielsweise dem Arzt für Operationen von der Oberseite des Kopfes her freien Zugang zu ermöglichen, kann die Kopfspulen-Anordnung derart gestaltet sein, daß der obere Teil mit den abgewinkelten Schleifenteilen abnehmbar ist, so daß ein restlicher Teil der Kopfspulen-Anordnung mit nicht abgewinkelten Spulen verbleibt. Um auch dann noch Messungen vornehmen zu können, wird statt dessen ein Ringaufsatz ohne abgewinkelte Schleifenteile auf den restlichen Teil aufgesetzt.

Die Ausgänge der einzelnen Winkelspulen sind jeweils mit einer Transformationsschaltung verbunden, die den Widerstand der Spule auf den optimalen Rauschwiderstand des Eingangstransistors des Vorverstarkers transformiert. Um die Anzahl der Empfangskanäle der MR-Anordnung zu reduzieren, können die Ausgänge zweier zu jeweils einer Spule gehöriger Vorverstärker kombiniert werden, wobei mittels eines einem der beiden Vorverstärkerausgänge nachgeschalteten Phasenschiebers eine Fokussierung auf eine bestimmte Gewebetiefe im Untersuchungsobjekt erreicht werden kann.

Für die Erfindung spielt die Anzahl der verwendeten Winkelspulen keine Rolle. Auch muß der abgewinkelte Teil nicht um 90° abgewinkelt sein, denkbar wäre auch ein anderer Winkel, beispielsweise 60° oder 45°. Vorstellbar ist auch eine Oberflächenspulen-Anordnung mit abwechselnd einer Winkelspule und einer Spule ohne abgewinkelten Teil.

Mit der erfindungsgemäßen MR-Anordnung wird gegenüber der bekannten Anordnung eine deutlich bessere Auflösung und homogenere Empfindlichkeit über einen größeren Bereich erreicht. Insbesondere mit der erfindungsgemäßen Kopfspulen-Anordnung können MR-Bilder des gesamten Kopfes mit gleichbleibend hoher Auflösung im gesamten Untersuchungsbereich erstellt werden. Wird die Kopfspulen-Anordnung noch erweitert um eine Brust- und/oder Nacken­ spulen-Anordnung, deren Einzelbilder auch bei der Erstellung des Gesamtbildes berücksichtigt werden, so können Bilder vom Schädeldach bis zum 5. Brustwirbel erstellt werden.

Claims (9)

1. MR-Anordnung zur Bestimmung der Kernmagnetisierungsverteilung in einem Untersuchungsbereich mit einer mindestens zwei Spulen (21 . . . 28) umfassenden, zylinderförmigen Oberflächenspulen-Anordnung (8, 20) , wobei die Spulen (21 . . . 28) jeweils als Schleife ausgestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (21 . . . 28) Winkelspulen sind, bei denen ein Teil der Schleife zum Innenbereich der Oberflächenspulen-Anordnung (8, 20) hin abgewinkelt ist.

2. MR-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgewinkelte Teil der Schleife um maximal 90° zum Innenbereich der Oberflächenspulen-Anordnung (8, 20) hin abgewinkelt ist.

3. MR-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die abgewinkelten Teile der Schleifen in einer gemeinsamen Ebene (30) liegen.

4. MR-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelspulen (21 . . . 28) auf einem als geradem Kreiszylinder ausgestalteten Spulenträger (19) aufgebracht sind.

5. MR-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenspulen-Anordnung (8, 20) sechs bis vierundzwanzig Winkelspulen (21 . . . 28) aufweist.

6. MR-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich benachbarte Spulen der Oberflächenspulen- Anordnung (8, 20) teilweise überlappen.

7. MR-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Schleife einer Spule (21 . . . 28) der Oberflächenspülen-Anordnung (8, 20) mindestens ein Kondensator (35 . . . 38) geschaltet ist.

8. MR-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberflächenspulen-Anordnung (8, 20) eine Gradientenspulen- und/oder Sendespulen-Anordnung (39, 40) integriert ist.

9. Kopfspulen-Anordnung (20) mit einer mindestens zwei Spulen (21 . . . 28) umfassenden Oberflächenspulen-Anordnung (8, 20), wobei die Spulen (21 . . . 28) jeweils als Schleife ausgestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (21 . . . 28) Winkelspulen sind, bei denen ein Teil der Schleife zum Innenbereich der Oberflächenspulen-Anordnung (8, 20) hin abgewinkelt ist.