CN100516921C - 确定磁共振设备中物体的位置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种确定物体位置的方法，例如，所述物体为位于磁共振设备的检查区域内的一种医学介入器械。为了实现这个目的，要在检查区域中产生高频磁场，所述高频磁场基本上平行于同时起作用的主磁场运行。在此过程中，垂直于主磁场的高频磁场的分量在安装在物体上的转换装置附近产生，由于高频磁场的垂直分量，激发了核共振信号。与梯度磁场相结合，对核共振信号进行探测和求值，从而确定物体的位置。此外，本发明涉及一种磁共振设备以及执行本方法的特定元件。

Description

确定磁共振设备中物体的位置的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种确定物体位置的方法，例如，所述物体为位于MR设备的检查区域内的医学介入工具。此外，本发明涉及一种MR设备以及执行本方法的特定元件。

背景技术

从专利DE19844762中可知在简介中所提到类型的装置。其中说明了如果与谐振电路相连的独立线圈装置定位在离要被映射的检查区域的有限范围最近的地方，来自所述检查区域的有限范围内的核共振信号可显著增加。通过这种装置，可产生得出线圈装置位置的附加信号。为了使(例如安装在导管上)的线圈装置不依赖于它关于MR设备的主磁场的校准，建议由三个去耦线圈装置来构造线圈装置，去耦线圈装置的线圈轴在任何情况下都相互垂直。由这样的线圈装置产生的信号仅作为一个附加信号包含在其它核共振信号中，结果是，它通常很难从所述核共振信号中辨别出来。结果，对线圈装置的位置的探测能力或确定被极大地削弱。

发明内容

因此，本发明的一个目的是详细说明一种方法以及执行此方法的工具，通过所述方法和工具，可以更好地探测和/或确定MR设备中物体的位置。

所述目的通过以下方法实现，所述方法用于确定位于MR设备的检查区域中的物体的位置，所述方法包括以下步骤

a)在检查区域中产生高频磁场，所述高频磁场基本上平行于同时起作用的主磁场，通过安装在目标上的转换装置在其附近从该高频磁场产生垂直于主磁场的高频磁场的分量，

b)与梯度磁场相结合探测由高频磁场的垂直分量所激发的核共振信号，

c)对核共振信号进行求值，并确定物体的位置。

为了实现这个目的，不是使用迄今为止已知的垂直于主磁场的高频磁场，而是产生一种新的高频磁场，所述新的高频磁场在MR设备的检查区域中基本平行于同时起作用的主磁场。由于该平行，最初没有核共振信号被激发。而且，在检查区域中存在着转换装置，所述转换装置在其附近从高频磁场产生垂直于主磁场的高频磁场分量。这些垂直分量实现在转换装置附近的核共振信号的激发。与传统成像相对比，传统成像中核共振信号在接受检查的对象的较大区域中激发，而在本方法中核共振信号仅在转换装置的附近被激发。与传统成像方法类似，使用已知探测工具与至少一个梯度磁场相结合探测该核共振信号。通过在主磁场上叠加梯度磁场，沿梯度获得被探测信号的局部分辨率，根据该局部分辨率并紧接着使用已知方式对信号进行求值，就能确定转换装置的位置，从而确定安装所述转换装置的物体的位置。

使用该方法，就可能独立于实际的成像执行对物体位置的确定。特别是，在DE19844762公开的方法中，微线圈的信号作为除其它核共振信号以外的小信号增长存在，与DE19844762所公开的方法相比，使用按照本发明的方法仅获取来自转换装置附近区域的信号，这使得求值更容易得多，并且更精确。如果使用者仅对一维内的物体位置感兴趣，由于例如在信号接收过程中仅需一个梯度场是有效的，并且信号仅需就一维进行求值，那么从位置的确定中分离实际的成像就允许快得多的接收和求值过程。然而，例如为了在三维内确定位置，也可以想到使用多个梯度场。由于将成像从位置的确定中分离出来，在成像中就可能使用局部分辨率而不是位置的确定，或仅由每空间方向的单个投影来确定位置。

通过用于执行上面描述的方法的MR设备也可以实现所述目的，所述装置包括

a)在检查区域内产生主磁场的装置，

b)在检查区域内产生高频磁场的装置，所述高频磁场基本平行于主磁场，

c)产生至少一个梯度磁场的装置，

d)探测核共振信号的装置，

e)对核共振信号进行求值的求值单元，

f)控制前述元件以使下列步骤能够被执行的控制单元：

f1)在检查区域内产生高频磁场，所述高频磁场基本上平行于同时起作用的主磁场运行，由安装在物体上的转换装置在其附近产生垂直于所述主磁场的磁的高频场的分量。

f2)与梯度磁场相结合探测由高频磁场的垂直分量所激发的核共振信号，

f3)对核共振信号求值并确定物体的位置。

需要流经检查区域的MR设备的主磁场可以以已知方式形成，例如由空心线圈或永磁体形成，所述空心线圈的绕组取决于所需场强设计为超导型。平行于主磁场的高频磁场例如可通过主磁场的线圈装置被额外施加电脉冲而产生，由此在检查区域中额外产生了平行于主磁场的高频磁场。根据本发明的目的，为了产生所需的高频磁场，尤其在主磁场线圈为超导结构的情况中，作为可供选择的方式，也可以使用单独的线圈装置。例如，这样的线圈装置可以按照平行于主磁场的线圈装置的绕组或与之相互交替的方式缠绕在共同的载体上。也可以为MR设备设计独立元件，线圈装置设置在所述元件上，并且所述元件定位于主磁场的线圈装置内部或外部。例如，可以作为MR设备的可选的附加元件销售这样的元件。

使用已知探测装置探测由高频磁场激发的核共振信号，所述已知探测装置例如为天线或线圈。这些探测装置既可用于探测用于位置确定的核共振信号，也可探测成像核共振信号(以产生成像核共振信号，MR设备还另外包括在检查区域内产生高频磁场的装置，所述高频磁场基本垂直于主磁场)。被探测的核共振信号进入求值单元，所述求值单元除了可能的图像重建以外，也对用于位置确定目的的核共振信号进行求值。此外，MR设备包含控制其它前述元件的控制单元，例如，所述控制以按照本发明的方法能够被执行的方式进行。可将求值单元和控制单元配置成它们能被编程，并且使得它们能执行它们各自的任务。

为了执行按照本发明的方法所必须的转换装置例如可通过具有发送器和接收器的有源单元形成，其中高频磁场由接收天线接收，并由发射天线以在空间范围内旋转90°的方式再次发射。根据本发明的目的，一个可能的替换方案是使用线圈装置的结构，线圈装置的尺寸使得它能被安装到要确定其位置的物体上。必须对线圈装置的线圈进行定位以使它的线圈轴相对于高频磁场不成90°的角度。然后在线圈装置中感应电流，通过所述电流在线圈装置附近产生高频磁场，该高频磁场包含垂直于正被激发的该高频磁场的分量。当线圈的线圈轴相对于所述高频磁场成45°角时，垂直分量达到它的最大值。根据本发明的一种实施方式，当共振频率优选地与高频磁场的频率相一致时，上述垂直分量可额外地增加。如果物体在对象的检查期间移动，在某些情况下就不是总能达到几何条件。因此，根据本发明的目的，提出了具有多个线圈的线圈装置，由于各个线圈的高频磁场会互相消除，因此线圈的线圈轴相对于彼此不应假定为90°，所述高频磁场垂直于主磁场。

如果MR设备用于检查或使用医学介入器械的手术，在检查的时候为了确定所述器械的位置，尤其是所述器械的尖端的位置，并为使用者显示这个位置，那么根据本发明的目的，这种线圈装置可安装在所述器械上。当使用根据本发明的导管时，转换装置尤其很容易地可通过如根据本发明的载体而安装在导管上。

附图说明

将参照附图中显示的实施例对本发明进行进一步的描述，然而，本发明并不限于这些实施例。

图1a和1b各显示了按照本发明的方法的流程图，

图2显示了一种MR设备，

图3大体显示了可能的转换装置的设置，

图4显示了在转换装置附近的磁场的矢量图，

图5a到5c显示了一维内的探测信号，以及

图6显示了具有转换装置的导管的尖端。

优选实施方式

图1a以流程图的形式显示了按照本发明的方法。在步骤82，MR设备的主磁场被激发。这种MR设备在图2中示意性显示。在该装置的中心具有主磁体M，所述主磁体M在检查区域产生基本均匀、稳态的主磁场，所述主磁场在z轴方向上具有的通量密度例如为1.5或3特斯拉。磁体M通常为超导电磁体，由于激发的持续时间，使得步骤82不是在每次检查之前执行，而是在每次操作周期开始时进行一次。在检查期间接受检查的患者或其它对象位于其上的患者台P可被带向磁体M。主磁场的场方向通常平行于患者台P的纵向方向。此外，提供梯度线圈GX、GY、GZ的排列，通过梯度放大器(没有更详细地示出)向所述梯度线圈供电。因此，可在检查区域中在任何所需的空间方向上产生各种脉冲序列需要的梯度脉冲。在一方面，第一高频线圈装置RF用于以已知方式将高频磁脉冲辐射进检查区域内，所述高频磁脉冲的磁场方向大致垂直于主磁场的方向，另一方面第一高频线圈装置RF用于接收来自检查区域的MR信号。第二高频线圈装置z-RF用于使基本平行于主磁场的高频磁场穿过MR设备的检查区域。由于这种平行，高频线圈装置z-RF和磁体M的几何结构彼此相似，例如它们各自线圈轴在z方向上沿相同的线。高频线圈装置z-RF因此可被缠绕到细的管状载体上(此处未示出)，所述管状载体插入磁体M并仅将检查区域的尺寸减小非常小的程度。

为了对所有线圈装置进行交互操作，提供由控制单元CTR控制的开关SW，所述开关SW在高频输出发送器TX和接收器RX之间来回切换线圈装置RF。可选地，线圈装置z-RF可耦合到发送器TX上。然而，也可以使用多信道高频输出发送器TX，其中每一个高频线圈装置使用一个信道。发送器TX同样可由控制单元CTR进行驱动，控制单元CTR产生驱动线圈装置RF和z-RF所需的脉冲序列，并控制梯度线圈GX、GY和GZ。此外，患者台P的位置通过控制单元CTR改变。重建单元REC对接收器RX发送的MR信号进行数字化，并存储该信号，然后使用已知的方法根据该信号重建检查区域的对象函数。可选地，重建单元REC可根据发送的信号确定位于检查区域内的物体的位置。重建单元REC连接到操作控制台CONS，所述操作控制台具有监视器，在该监视器上显示被重建的对象函数的图像数据和/或位于检查区域内物体的位置。同时，控制台CONS用于操作整个装置并启动所需的脉冲序列。为了实现这个目的，控制台CONS也连接到控制单元CTR。按照本发明的方法通过对重建单元REC和控制单元CTR进行适当编程来实现。该目的所需的计算机程序可在计算机程序产品的辅助下通过读取单元DAT装载到控制台CONS内，所述计算机程序产品例如为磁盘或CD-ROM。此外，控制台CONS可通过网络连接NET连接到数据网络上，例如因特网上，以便从数据网络上装载所述计算机程序。

在图1的步骤83中，作出关于随后是否执行位于检查区域中的物体的位置的确定或产生图像的决定。在决定为产生图像的情况中，执行步骤84a，其中核共振信号以已知的方式由线圈装置RF的激励而激发，并在梯度磁场GX、GY和/或GZ的影响下，由线圈装置RF接收，由重建单元REC求值，并被处理以产生使用控制台CONS可显示的图像。为确定物体的位置，在步骤84中，使用线圈装置z-RF产生高频磁场，所述高频磁场基本平行于主磁场。由于磁场的平行，在接受检查的对象内没有核共振信号被激发。

如图3所述，线圈装置位于物体处，所述线圈装置由线圈S1和电容K1形成具有品质Q的共振回路。共振回路的共振频率大约对应于高频磁场B_1z的频率。假设线圈S1的线圈轴G与高频磁场B_1z的方向不一致，并且也不垂直于它，则在线圈装置附近的由虚线表示的区域中产生了垂直于高频磁场B_1z的局部高频磁场B_1t’。这种效果在图4中能看出，其中箭头分别表示磁场的方向和强度。在线圈S1中，它的线圈向量A沿线圈轴G，由有效的高频磁场B_1z感应出高频磁场B₁＝B_1z·cosα，由于共振回路，高频磁场B₁＝B_1z·cosα被放大为B₁’≈Q·B₁＝Q·B_1z·cosα。感应出的高频磁场B₁’在垂直于高频磁场B_1z的直线上的投影，产生垂直于高频磁场B_1z的高频磁场的分量B_1t’，B_1t’＝B₁’·sinα≈Q·B_1z·cosα·sinα。可以看出，B_1t’在角度α＝45°+n·90°时为最大值，其中n＝0，1，2，3...，并且在角度α＝m·90°时完全消失，其中m＝0，1，2，3...。

在图3中虚线所示的区域中，高频磁场B_1t’激发垂直于主磁场B₀的核共振信号，并因此可由高频线圈装置RF以已知方式进行探测。因为在检查区域的剩余区域内没有核共振信号被激发，高频线圈装置RF因此只探测来自具有线圈S1和电容K1的线圈装置附近的核共振信号，因为只有这里存在垂直于主磁场B₀的被激发的高频磁场B_1z的分量。作为可替代的选择或另外的选择，在线圈装置附近的这个核共振信号也可使用高频线圈装置z-RF进行探测，如果后者还用作接收单元的话(图2未示出相应的到接收器RX的耦合)。由于被激发的核共振信号在高频线圈装置z-RF中反馈耦合，并以类似于上面描述的机理(感应耦合的相互性)在z方向内旋转，这也是可能的。

如果图3中所示的线圈装置位于其上的物体能移动，那么就不能总确保线圈S1的线圈轴G相对于高频磁场B_1z或主磁场B₀的方向形成约45°的角。因此，就提出了一种由三个独立但相同的共振线圈装置组成的装置，每一个的线圈轴或线圈向量A都相对于另外两个线圈轴形成45°的角。结果是，在高频磁场B_1z的影响下，产生了三个高频磁场B_1t’，每一个都垂直于高频磁场B_1z的方向。通过对这三个高频磁场B_1t’简单的向量相加，实现了以下情况，即不论在检查区域中装置的位置如何，总存在垂直于高频磁场B_1z的分量。仅三个线圈向量A相对于B₀对称放置时三个垂直分量B_1t’才彼此抵消。然而，一方面，移动的物体精确地确定该位置的可能性非常低。另一方面，这种研究在本申请正文中被理想化，并且在更复杂的考虑中，仍然总存在剩余场B_1t’。在另一个实施例中，如果通过被探测的核共振信号的大的降幅能确定线圈装置在此位置对准，则为了增加剩余场的强度，建议增加高频磁场B_1z的强度。

在图1a所示的步骤85中，为了由高频磁场B_1t’激发的核共振信号的局部分辨率，相应地在x、y、z方向具有梯度的梯度场GX、GY和/或GZ被激发，在它们的影响下，在步骤86探测被激发的核共振信号。步骤85和86与“正常”图像探测中探测核共振信号的已知方法相对应，因此在此处没有给出进一步的详细描述，并应当参考相应的技术文献。图5a在一维上显示了已知系统的被探测信号S(ω)的投影的局部分布，如在例如DE19844762中所描述的。在点x₁处的信号增加与其它核共振信号相叠加，所述信号增加是由于在线圈装置附近的局部高频磁场所引起。在大多数情况下，可看到信号的过量增加很难从其它核共振信号中识别出来。相对比，图5b显示了使用按照本发明的方法，在点x₁处信号的过量增加作为单个信号存在，因为其它核共振信号不被线圈装置RF探测。因此信号的这种过量增加可以以好得多的方式进行求值。探测到的核共振信号在步骤87中进行求值。

作为可能的结果，在每种情况中都能探测一维的投影，并可以据此重建两维或三维位置图像，在图像中图3所示的线圈装置可被看作相对于均匀背景来说信号的过量增加(投影的方向可任意选择；然而，优选它们彼此垂直)。这种方法也被称作“快速定位”。这样的位置图像可与紧接着所述位置图像之前或之后获取的同一对象层或对象体的“正常”的MR图像叠加，以使观察者可在整个图像中看到物体位置。可选地，最初这些图像或体元素可在位置图像中确定，它们的图像或体素值(volume value)表示信号的过量增加。然后，这些图像或体元素在“正常”MR图像中可通过特定颜色进行突出。也可以显示所确定的位置相对于参考点(例如，图像零点)的几何距离。这些距离可作为数值与“正常”图像进行叠加或通过“正常”图像中的格子线变得可见。

此外，与只有一个投影相反，也可以在任何情况中确定一个完全投影集，并重建与“正常”图像具有相同的局部分辨率的高值图像。由于随着局部分辨率的增加，不仅位置的精度增加，而且重建的代价也要增加，作为折中，可通过辅助扫描减少局部分辨率，使得一方面，在重建中使用比三个投影的信息更多的信息，而另一方面，与“正常”图像相比重建的代价减少了。

在步骤88中，询问是否结束检查。如果回答否，先前描述的步骤从步骤83起开始重复。否则，终止所述方法。

另一个实施例被称为“跟踪”，其中目的是在检查期间跟踪移动物体的位置。作为这种应用的一个例子，在下面的正文中描述了跟随自动选择对象层的导管尖的位置，所述对象层在随后的采集中选择。为了使用核磁共振进行定位和操纵，三个共振线圈装置44、46和48设置在导管40的尖端，该线圈装置的线圈轴相对于彼此成约45°的角度。为了这个目的，以线圈44的形式出现的第一共振线圈装置安装在圆柱形载体42上，该线圈的绕组如此缠绕使得它们的线圈轴D44相对于载体轴42a倾斜。为了清楚，构建谐振电路所需的电容器在此线圈装置中没有示出，在其它线圈装置中也没有示出。而且，以鞍形线圈46的形式出现的第二共振线圈装置安装在圆柱形载体42的表面上。只能看到鞍形线圈46的导体的前面区域，并且导体相对于前侧对称地延伸到导管40的后侧。第三共振线圈装置类似地包括设置在圆柱形载体上的鞍形线圈48，该鞍形线圈以与鞍形线圈46相同的方式构造，但是设置成使得它相对于鞍形线圈46旋转大约45°角。结果是，鞍形线圈46和48的线圈轴D46和D48形成约45°的角度α1。排列第一线圈的线圈轴D44使得它与线圈轴D46形成角度α2以及与线圈轴D48形成角度α3，其中每一个角度都大约为45°。

如果具有图示的线圈装置的导管40被通过血管引导入人体，流过血管的血液就可用作MR设备中的成像物质。为了完全使用正被激发的高频磁场的垂直分量，该垂直分量由线圈装置产生，不仅在载体42外部出现血液或水性液体而且在内部出现血液或水性液体是有利的。这可以通过载体42中的开口实现。可选地，也可以使载体42成形为封闭的方式，并在载体42内设置探针(这里没有示出)。组成这种探针的材料在相应的磁场影响下提供核共振信号，并且所述探针例如设计为充水胶囊的形式，水也可以另外地混有造影剂以增强信号

使用这样的导管40执行图1b所示的方法，在所述的图1b中所示的步骤大体上相应于图1a所示的步骤，导管40被引入到接受检查的对象内，并位于图2所示的MR设备的检查区域中。开始，在步骤82，开启主磁场，然后在步骤84，由于高频线圈装置z-RF，高频磁场暂时地变为激活的，在步骤85，激活在z方向平行于主磁场B的梯度磁场GZ。在步骤86，接收在导管尖端40附近激发的核共振信号，并在步骤87对这些信号进行求值。通过使用上面描述的梯度磁场，就可能以类似于图5b显示的方式根据探测到的信号沿着梯度(也就是说沿着z方向)确定导管尖端的位置。然后在接下来的步骤84a中，以常规方式在已发现导管尖端的位置的物体层中激发核共振信号，并探测所述信号，并重建相应的物体层图像。然后重复沿z方向的对导管尖端的位置的确定，产生在其中发现导管的层的层图像。如果MR设备适于产生体图像，那么使用这种方法可选择显示的体使得例如导管尖端相对于z轴位于体的中间。也可以想到与上面描述的叠加方法的结合。

在例如在图2中所示的MR设备中，在线圈装置z-RF的实际转换中，可能出现不能完全实现高频磁场B_1z相对于主磁场B₀的平行的情况，尤其在检查区域的边缘部位。从向量的角度考虑，这意味着高频磁场B_1z本身已经包含垂直于主磁场B₀的分量。这些高频磁场B_1z的垂直分量，即使它们只有很小，也激发另外的核磁化，除了转换装置附近激发的核共振信号以外，该核磁化的核共振信号也被探测。在图5c中，这通过x方向上的示例显示出来。除了位于位置x1处的信号，在边缘区域还能看到另外的信号。通常，这些信号相等地包含在各个方向，因为它们源自一个或多或少地固定的接受检查的对象。如果在检查的开始进行参考测量，其中不使用任何转换装置而执行步骤84至87，那么为了从实际探测的信号中消除这些，该参考测量可从随后的探测信号中减去。如果转换装置不位于边缘区域，那么可以理解，可选地，对接收的信号进行带通滤波，以便消除边缘区域信号。

最后，应当指出这里描述的方法不限于导管检查。通常，图3所示的载体42也可设置在其它物体上，例如在用于微创手术(minimally invasive operation)的手术器械上，或用于标记接受检查的对象的特定部位(骨、器官、皮肤表面的部分，等等)的标记物上。当在对象的表面标记特定点时，可使用其中包含小型化的线圈装置的膏药。此外，也可以提供许多具有转换装置的物体，而不是只有一个物体，以同时确定这些物体的位置。

Claims (12)

1.一种确定位于磁共振设备的检查区域内的物体的位置的方法，包括下述步骤

a)在检查区域中产生高频磁场，所述高频磁场平行于同时起作用的主磁场，由此通过安装在物体上的转换装置在该转换装置附近从该高频磁场产生垂直于主磁场的该高频磁场的分量，

b)与梯度磁场相结合，探测由高频磁场的垂直分量所激发的核共振信号，

c)对核共振信号进行求值，并确定物体的位置。

2.一种执行权利要求1所要求的方法的磁共振设备，该设备包括

a)在检查区域内产生主磁场的装置，

b)在检查区域内产生高频磁场的装置，所述高频磁场平行于主磁场，

c)产生至少一个梯度磁场的装置，

d)探测核共振信号的装置，

e)对核共振信号进行求值的求值单元，

f)控制在前面a)到d)中所描述的装置和所述求值单元，以使下列步骤能够被执行的控制单元：

f1)在检查区域内产生高频磁场，该高频磁场平行于同时起作用的主磁场，由此通过安装在物体上的转换装置，在该转换装置附近产生垂直于所述主磁场的磁的高频场的分量，

f2)与梯度磁场相结合，探测由高频磁场的垂直分量所激发的核共振信号，

f3)对该核共振信号进行求值并确定物体的位置。

3.一种用于权利要求2所述的磁共振设备的线圈装置，该线圈装置用于在检查区域中产生高频磁场，该高频磁场平行于所述磁共振设备的主磁场。

4.一种用于权利要求2所述的磁共振设备的转换装置，该转换装置用于为高频磁场产生垂直分量，该转换装置具有至少一个线圈装置，所述至少一个线圈装置具有至少一个线圈，所述线圈的线圈轴相对于高频磁场的方向形成非90°的角度。

5.如权利要求4所述的转换装置，其中所述非90°的角度为45°角。

6.如权利要求4所述的转换装置，其中线圈装置形成共振回路

7.一种用于权利要求2所述的磁共振设备的转换装置，该转换装置用于为高频磁场产生垂直分量，该转换装置具有至少两个线圈装置，每个线圈装置具有至少一个线圈，其中线圈的线圈轴相对于彼此形成非90°的角度。

8.如权利要求7所述的转换装置，其中所述非90°的角度为45°角。

9.一种具有可插进体内的侵入部分的医学介入器械，在所述侵入部分上设置有如权利要求4或者7所述的转换装置。

10.如权利要求9所述的医学介入器械，其中所述医学介入器械是导管。

11.如权利要求10所述的医学介入器械，其中所述导管具有可安装到导管尖端的载体，在该载体上安装了所述转换装置，所述转换装置具有三个平面线圈装置，每个平面线圈装置具有至少一个线圈，其中所述线圈的线圈轴相对于彼此形成非90°的角度。

12.如权利要求11所述的医学介入器械，其中非90°的角度为45°角。

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