CN102292649A - 用于具有降低了伪影的mri的rf安全转换器耦合的传输线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适于在磁共振系统的磁体膛中使用的导电传输线，所述线包括用于耦合所述线的至少两个引线段的至少一个感应耦合元件，其中，所述耦合元件还包括顺磁性和/或铁磁性材料。

Description

用于具有降低了伪影的MRI的RF安全转换器耦合的传输线
背景技术
本发明涉及一种适于在磁共振系统的磁体膛中使用的导电传输线，以及一种侵入式医学器械，其包括传输线和用于跟踪或成像和传输线的磁共振线圈。
已经提出了众多技术来跟踪磁共振期间介入式器械的位置。在这些技术中，利用装置承载的微型接收线圈进行主动跟踪被证明对几乎任何成像序列都是非常快速且舒适的。而且，已经将具有局部成像线圈的介入式器械用于血管内成像。
Ackermann D.L.等人在Proc.of 5th SMRM，1131(1986)的文章以及C.L.Dumoulin等人在Magn.Reson.Med.29，411-415(1993)的文章“Realtime position monitoring of invasive devices using magnetic resonance”披露了例如使用磁共振对侵入式装置进行实时位置监测。在这项技术中，利用这样的微型线圈采集整个患者或者通常是待成像的整个对象投射到一个空间方向上的投影。
由于微型线圈的局部(local)接收特性，投影仅在线圈位置处与信号类似。对于具有一个顶端(tip)线圈的装置而言，沿投影器进行简单的最大值搜索显示出线圈的相应坐标。通常针对沿x、y和z方向的投影重复这种方案以仅在三种序列重复时间中，通常约为20毫秒，获得线圈的3D坐标。
这种MR顶端跟踪的基本原理是提供随着局部位置单调变化的磁场，因此也导致样本的共振频率随着位置的变化。例如，集成到介入式装置中的微型接收线圈将拾取具有局部特有RF频率的RF信号，从而能够跟踪装置在MR成像系统的磁场梯度界定的坐标系之内的位置和/或取向。
然而，通往MR接收线圈和有源介入式装置的电缆连接会导致强烈的RF加热，尤其是在这种装置的顶端处。例如，Ladd ME，Quick HH，BoesigerP，McKinnon GC.在Proceedings of the ISMRM，6th Scientific Meeting andExhibition，Sydney，1998.p473中的文章“RF heating of actively visualizedcatheters and guidewires”，以及Konings M K，Bartels L W，Smits H F M和Bakker C J G在J.Magn.Reson.Imaging 1279-85的文章“2000 Heatingaround intravascular guidewires by resonating RF waves”，以及Nitz WR，Oppelt A，Renz W等人在J Magn Reson Imaging 2001；13：105-114中的文章“On the Heating of linear conductive structures as guide wires and cathetersIn interventional MRI”披露了这种情况。
强烈RF加热的原因是由于传输线的共振。如果发生这样的共振，入射的RF波在丝(wire)状结构的端点处被反射回来，导致反射的RF波沿着导电结构的纵轴来回行进，从而形成RF驻波。这些RF驻波导致强烈的热耗散。为了解决热耗散的问题并从而解决RF驻波的问题，例如，在SchulzV，Gleich B.在德国专利局在优先权日23.10.2002作为DE 10249239.5提交的，在15.10.2003作为PCT/IB03/04589国际提交的Magnetic resonanceimaging apparatus provided with an electrical accessory device；Weiss S，Vernickel P，Schaeffter T，Schulz V，Gleich B.在Magn Reson Med 2005；54：182-189中的文章“Transmission Line for Improved RF Safety of InterventionalDevices”；Vernickel P，Schulz V，Weiss S，Gleich B.在IEEE Trans BME 2005；52(6)：1094-1102中的文章“A safe Transmission Line for MRI”已经提出了基于变压器的电缆(安全变压器线路，STL)，其避免了这种发射。
“基于变压器的电缆”由“变压器”(即感应耦合元件)连接的电缆段构成，其阻止将导致RF发热的电流。图1的视图中示出了导电传输线100的示意图，其中，传输线包括用于耦合传输线的引线段104的感应耦合元件106。传输线的末端由微型线圈102终止。
例如WO 2006/003566A1披露了这种类型的传输线。
如图2a和b的示意图进一步所示，将变压器实现为共振单环路变压器，以实现高信号传输和微型化。例如，使用基底200，如印刷电路板(PCB)基底，在其上彼此叠加地印刷引线段104。这导致传输线100的“相邻”引线段之间的感应耦合。图2是导电传输线的顶视图，其中，图2b是相应的侧视图。
变压器106包括共面环路。提供长度约5em、截面约25×25μm的第一和第二环路。图2a中的横向距离大约为500μm，而图2b中的水平距离大约为127μm。第一和第二环路感应耦合。
本发明的目的是提供一种经改进的导电传输线和一种经改进的侵入式医学器械。
发明内容
然而，本发明的发现是，例如，具有连接到安全变压器线的主动跟踪线圈的导管具有这样的问题，即，变压器自身是共振的，因为它们代表了与导管顶端处的局部接收线圈类似的细长微型接收线圈。根据顶端线圈和变压器的取向，跟踪投影期间变压器的信号确实可以变得比顶端线圈的更大。在图3中以示范性方式图示说明了这种情况。
本发明提供了一种适于在磁共振系统的磁体膛中使用的导电传输线，所述线包括用于耦合所述线的至少两个引线段的至少一个感应耦合元件，其中，所述耦合元件还包括顺磁性和/或铁磁性材料。
装备有连接到基于变压器的电缆的局部磁共振成像线圈的介入式器械具有与上文针对跟踪线圈所述的类似问题。由于局部成像线圈仅在线圈周围的小体积中提供信号，所以成像序列通常仅对线圈周围的小视场编码。例如，这样导致每幅图像的相位编码步骤的数量较少并节省了成像时间。基于变压器的电缆的变压器提供了编码的视场外部的额外信号。这样提出了以下问题：这一额外的信号，例如沿着相位编码方向被混淆到编码的视场中。变压器接收的这一额外信号于是在成像视场中产生伪影，这可能会使成像线圈接收到的实际信号模糊。
本发明的实施例具有以下优点，即，顺磁性和/或铁磁性材料导致静态磁场B0强烈的局部不均匀性，这导致一个体素(三维像素)内部的自旋相移(dephase)，使得它们的信号在变压器，即耦合元件的紧密附近处抵消。这导致变压器，即耦合元件范围中的信号空隙。结果，充当RF接收线圈的耦合元件将不能够拾取源自位于磁体膛之内的自旋的任何RF信号，其中所述磁体膛已经受到例如身线圈产生的激励脉冲的激励。
根据本发明的实施例，耦合元件包括顺磁性和/或铁磁性材料作为微涂层。优选地，所述微涂层包括顺磁性和/或铁磁性材料作为微和/或纳米颗粒。根据颗粒的尺寸，颗粒还可以包括超顺磁性颗粒，其优点是在没有外部磁场时无磁性而在有外部磁场时，例如施加主磁体的静态磁场B0时，有很高的磁性。
根据本发明的实施例，可以由包括磁性和/或铁磁性颗粒的漆涂层形成微涂层。这样具有制造容易的优点，因为可以向耦合元件上容易地喷洒或涂刷包括顺磁性和/或铁磁性颗粒的漆料。也可以将耦合元件浸入漆料中。此外，利用漆料确保了由顺磁性和/或铁磁性材料以均匀方式涂布耦合元件。
涂层的另一优点是能够以容易的方式控制用于涂层的顺磁性和/或铁磁性材料的量。例如，如果向耦合元件应用漆涂层，可以对漆料加以稀释，使得能够控制信号空隙的尺寸。
大的伪影所需的例如铁的量非常小。对于漆料而言，铁和漆料层优选具有介于1-30微米之间的厚度，这不包括变压器的微型化。必须要指出，漆料，优选不导电漆料中铁的存在也不包括变压器的传输特性。
此外，根据本发明的实施例，颗粒的最大直径优选为10-20微米，优选小于5微米。
根据本发明的实施例，耦合元件包括顺磁性和/或铁磁性材料作为丝，其中，所述丝包括顺磁性和/或铁磁性材料。例如，所述丝仅附接至耦合元件。或者，可以将多个短段的丝应用到耦合元件。然而，所述丝也可能沿着线的引线段和耦合元件延伸。例如，在传输线是导管一部分的情况下，可以为这样的丝额外地提供传输线，并且这样的丝平行于传输线延伸。所述丝的唯一前提是丝的存在不影响附接至传输线顶端的顶端线圈的MR信号接收能力。
例如，所述丝可以是直径介于10-100微米之间，优选50微米的钢丝。
根据本发明的另一实施例，耦合元件包括在基底上，其中，基底包括顺磁性和/或铁磁性材料。例如，可以将像用于印刷电路板(PCB)那样的金属和电介质材料的多层层压体用于这一目的。变压器可以由例如分立元件实现，例如放到PCB上的表面安装的器件(SMD)、基于层压体自身的电介质层的嵌入式电容器或基于在薄膜技术中增加到层压体中的具有介电常数和低损耗的材料的嵌入式电容器。在这种情况下，如果基底已经包含例如小的铁颗粒，紧邻基底的核自旋将发生相移，使得它们的信号抵消。这导致变压器范围中的信号空隙。
根据本发明的另一实施例，铁磁性材料包括在箔(foil)中，箔附着于耦合元件。例如，箔可以包括磁性颗粒，使得可以将箔层压到变压器的至少一个侧面，或者甚至缠绕在变压器周围，或甚至缠绕在整个传输线自身周围。同样地，重要的限制是，附接至传输线的顶端线圈仍然能够用于MR线圈跟踪的目的。
围绕耦合元件缠绕箔的实施例优点在于，在这种情况下，可以将耦合元件包覆在像法拉第(Faraday)筒状包装中。这具有额外的优点，即，例如在对水状结构成像的情况下，利用微型法拉第筒将变压器与传输线周围核的自旋屏蔽开。效果是这样将变压器的接收灵敏度由此仅限制于屏蔽的内部，那里没有水存在。因此，变压器不会接收到MR信号。法拉第筒的唯一前提是顺磁性和/或铁磁性颗粒或者是导电的并且在网状结构中互连，以提供彼此之间的电流通路，或者，备选地或此外，箔自身是导电的。
对于导电箔而言，需要的厚度仅是接收器频率的趋肤深度的大约两倍，对于例如铜箔而言，仅为16微米。因此，变压器的微型化不受影响。由于存在屏蔽，所以影响到通过变压器环路的通量形状，这将改变变压器环路的自感和互感。然而，可以利用位于变压器任一端的匹配网络中的不同电容，或者通过改变几何参数，优选修改变压器的长度，即实际改变其自感，来抵消这种效应。
根据本发明的另一实施例，传输线还包括载体管，所述载体管包封传输线，其中，顺磁性和/或铁磁性材料在空间上位于载体管上，优选仅在耦合元件在空间上所处的位置。在载体管在其整个表面上包括顺磁性和/或铁磁性颗粒或材料的情况下，如下做法是廉价且容易的：分别制造载体管和传输线，然后组装载体管和传输线。结果，可以针对不同类型的导管设计各种传输线，其中，仅需要将一种通用类型的载体管设计成适于接收不同种类的传输线。然而，仅需要将提供顺磁性和/或铁磁性材料的额外步骤执行一次，即在载体管的生产过程期间。例如，这样能够廉价地“升级”例如具有新设计的载体管的导管的现有技术传输线，载体管包括顺磁性和/或铁磁性材料，以避免在变压器附近生成MR信号或避免变压器接收信号。
根据本发明的另一实施例，耦合元件包覆在法拉第筒中。这种法拉第筒可以由独立的元件形成，例如导电网孔、导电箔，和/或法拉第筒可以由顺磁性和/或铁磁性材料形成的导电网络形成。即，法拉第筒可以‘包括顺磁性和/或铁磁性材料’。
在另一方面中，本发明涉及一种侵入式医学器械，其包括根据本发明用于在传输线中进行跟踪或成像的至少一个磁共振线圈，其中，所述线圈分线式(hieratically)连接到传输线的引线段。例如，所述器械为导管。
在另一方面中，本发明涉及一种适于在磁共振系统的磁体膛中使用的导电传输线，所述线包括用于耦合所述线的至少两个引线段的至少一个感应耦合元件，其中，如上所述，所述耦合元件包覆在法拉第筒中。例如，所述法拉第筒包括包覆所述耦合元件的同轴管。还可能的是，所述法拉第筒包括缠绕在耦合元件周围的优选导电箔。
附图说明
在下文中，参考附图仅通过举例的方式更为详细地描述本发明，在附图中：
图1为示意图，其图示了现有技术的导电传输线；
图2为示意图，其图示了现有技术传输线的顶视图和侧视图；
图3示出了顶端线圈和两个现有技术变压器的MR图像，以及水平跟踪投影的信号强度；
图4为示意图，其图示了根据本发明实施例在装置顶端处连接到微型接收线圈的变压器线，其中，变压器线在耦合元件的区域处包括顺磁性和/或铁磁性颗粒；
图5是变压器线的另一示意图，其中，包括顺磁性和/或铁磁性材料的箔被附着至变压器线；
图6是基底上包括的传输线100的示意侧视图；
图7是传输线的示意侧视图，其中，两个引线段被示为借助耦合元件彼此耦合；
图8是包括包覆耦合元件的一层顺磁性和/或铁磁性材料的传输线的示意侧视图；
图9是包括基底的传输线的示意侧视图，所述基底包括顺磁性和/或铁磁性材料；
图10是包括漆涂层的传输线的示意侧视图，漆涂层包括顺磁性和/或铁磁性材料；
图11是变压器初级环路和变压器次级环路的单扭曲的示意图；
图12示出了MR图像，其图示了由于向变压器涂覆漆料中6微米大铁颗粒悬浮液导致的信号相移。
在下文中，由相同附图标记描述类似的元件。
附图标记：
100    传输线
102    顶端线圈
104    引线段
106    耦合元件
200    基底
300    顶端线圈信号
302    变压器信号
304    变压器信号
306    引线段信号
308    斑点
310    斑点
312    斑点
400    箔
500    箔
600    基底
602    包括磁性颗粒的基底部分
700    丝
900    包括磁性颗粒的基底
1000   磁性颗粒
1002   漆料
具体实施方式
图3a示出了顶端线圈(亮斑300)和呈现为长的亮条的两个变压器(细长斑点302和304)的MR图像。互连变压器304、302和顶端线圈300的点仅仅是以例示性方式示出，并表示存在互连顶端线圈300和变压器302和304的引线段。图3b显示了水平跟踪投影，即信号或水平轴投影的信号强度。在这里出现的问题是，在投影的一些像素中收集了变压器304和302的信号。结果，变压器的信号被提高，而实际上，变压器304的信号峰值308大于顶端线圈300的峰值312。在这里，最大值搜索算法会导致关于顶端线圈300的空间位置的错误坐标。峰值310对应于变压器302。
结果，分析MR测量中的峰值强度可能导致对顶端线圈300的误跟踪，即，MR系统未找到顶端线圈的正确位置。结果，系统不会提供顶端线圈的正确位置，这可能会强烈误导介入治疗人员。例如，利用导管进行心脏手术的介入治疗人员可能被MR系统误导，顶端位置被报告成位于心脏外部在解剖学上危及生命的位置，这表示贯穿了心壁，而实际上导管顶端仍然在心脏内部无危险的位置。
此外，如果使用磁共振成像中的自动切片跟踪，将把图像切片设置到不包含导管顶端的错误位置。切片可能被设置得远离MR系统的实际顶端位置，在介入期间这同等危险，因为对导管的实时图像控制丢失了。
图4图示了适于在磁共振系统的磁体膛中使用的导电传输线100的示意图。例如，传输线是插入人体中的导管的部分。
特别提供了这种传输线100，用于将像磁共振(MR)成像系统的辅助装置的电气装置连接到像电源或控制单元的连接单元。然而，也可以将传输线用于将植入物尤其与长导体或电极连接，例如心脏起搏器或人造神经，用于向前置放大器供电，用于兼容MR的IVUS(血管内超声)装置，用于MR图像生成期间多摄像头(multieye)跟踪导管或引导线，以及需要连接引线或传输线的其他应用，在引导通过RF场(例如由MR成像系统生成)时，连接引线或传输线是安全的。
为了能够高度精确地定位待成像对象(例如人体)之内的导管顶端，传输线在其顶部包括接收线圈102。利用引线段104和耦合元件106将接收线圈102拾取的RF信号发送到MR系统的相应接收器。每个引线段104包括连接到变压器106的两条丝。如上文已详细解释的，耦合元件106(变压器)的目的是阻止会导致RF加热的电流。例如，变压器被实现为共振单环路变压器以实现高信号传输和微型化。
耦合元件106还包括顺磁性和/或铁磁性材料。在图4中所示的实施例中，顺磁性和/或铁磁性材料被示为区域400，例如附着于耦合元件106的具有磁性颗粒的箔。
尽管在图4中，磁性颗粒仅附着于耦合元件106，从而在尺寸方面空间上对其加以限制，使得耦合元件106仅被包括磁性颗粒的箔400覆盖，在图5中，包括磁性颗粒的箔500沿着传输线的纵轴延伸，从而覆盖所有耦合元件106和传输线的至少一些引线段104。例如，为此目的，可以绕着导电传输线包裹包括顺磁性颗粒的箔500。此外，如果磁性颗粒还形成导电网络和/或在箔500自身导电的情况下，磁性颗粒和/或箔形成法拉第筒，其将耦合元件的接收灵敏度限制在被包裹箔500内部的区域。结果，仅有利用传输线拾取的信号是线圈102拾取的RF信号。
在图6中所示的实施例中，传输线100包括在基底600上，其中，在与耦合元件106紧密相邻的区域中，基底600包括具有顺磁性和/或铁磁性颗粒的部分602。在不同实施例中，完整的基底600可以包括具有磁性颗粒的部分602。下文参考图9论述了这种情况。
图7图示了传输线100的侧视图，其中，两个引线段104被示为借助耦合元件106彼此耦合。引线段104包括在基底200，例如PCB基底上。优选地，引线段104是铜段。
附接到基底200的是包括顺磁性和/或铁磁性颗粒的元件700。元件700可以是由磁性材料制成或包括磁性颗粒的丝，或者，元件700可以是包括顺磁性和/或铁磁性颗粒的箔。
例如，图7是图4的顶视图中示出的耦合元件106之一的侧视图。在这种情况下，元件700是包括磁性颗粒的箔。
在本发明的另一实施例中，元件700可以是在平行于基底200上耦合元件106所在平面的平面中布置的丝。优选地，丝700仅具有与耦合元件长度对应的长度。在使用图2a和b中所示的耦合元件106的情况下，丝700的长度大约是在耦合元件106的纵向方向看到的耦合元件106的长度。
图8是图5的侧视图，其中假设箔500用于缠绕耦合元件106和引线段104的一部分。从图8中可以看出，耦合元件106缠绕或者甚至包覆在包括顺磁性和/或铁磁性颗粒的箔500中。在这种情况下，如果箔自身是导电的，或者如果磁性颗粒形成导电网络，箔500可以充当法拉第筒。
图9是传输线的侧视图，其中，传输线包括耦合元件106和两个引线段104，其中，引线段和耦合元件位于基底900上。基底900包括均匀方式分布的磁性颗粒。
图10是包括两个耦合元件106和引线段104的传输线的另一示意顶视图。将铁颗粒在漆料中的悬浮液涂布到耦合元件106。在干燥之后，耦合元件106包括干燥的漆1002和磁铁颗粒1000。结果，在耦合元件106周围的空间区域中存在静态外部磁场B0的强局部不均匀性，其导致一个体素之内的自旋相移。
图11中图示了通过变压器避免不希望的信号接收的另一种可能。沿其纵轴将变压器106扭转一次或几次。与这种扭曲一起，变压器的空间接收灵敏度被扭曲。结果，来自沿一个变压器的不同位置的信号分布具有差信号阶段(phase)。图3示出，来自变压器的信号峰值在垂直于变压器长轴取向的跟踪投影上是最大的。然而，在那一取向上，来自沿变压器不同位置的信号贡献的不同阶段将导致这些贡献的相消干涉，因为它们或多或少全都投射到投影的同一像素中。实际上，在由于取向的原因该问题最大时，这种概念工作最好。
可以简单地通过直接扭曲来实现变压器106的扭曲，这确实满足关于微型化的要求，因为变压器包括扁平结构。可以如图11所示，通过交叉变压器的每个环路来实现扭曲。类似地，可以沿着一个变压器施加几次扭曲。可以将当前扭曲的变压器实现为三层的板(铜-PTFE-铜)。也可以通过额外的层以及像多层电路板中那样层间的对应连接来实现扭曲。
图12图示了由于向变压器涂覆漆中6微米大铁颗粒悬浮液导致的信号相移。变压器斑点302的强度比来自顶端线圈的斑点300的强度低得多。将图12a与图3a比较，变得更加清楚：可以显著减小变压器的信号强度。在图3a中，变压器斑点304的强度与顶端线圈的斑点300的强度差不多高，而在图12a中，由于向变压器涂布了铁颗粒的悬浮液，斑点302的强度比顶端线圈的斑点300的强度低得多。
此外，在图12b中，比较已利用不同量的铁处理过的两个变压器的其余斑点302和304。具有更多铁的上方的变压器显示出较小的斑点302的信号强度。必须要指出，与图12a中的信号电平相比，大大提高了图12b中的信号电平，以便使变压器可视化。

Claims (15)

1.一种适于在磁共振系统的磁体膛中使用的导电传输线(100)，所述线包括用于耦合所述线的至少两个引线段(104)的至少一个感应耦合元件(106)，其中，所述耦合元件(106)还包括顺磁性和/或铁磁性材料。
2.根据权利要求1所述的传输线(100)，其中，所述耦合元件(106)包括所述顺磁性和/或铁磁性材料作为微涂层(1000；1002)。
3.根据权利要求2所述的传输线(100)，其中，所述微涂层包括所述顺磁性和/或铁磁性材料作为微米颗粒和/或纳米颗粒(1000)。
4.根据权利要求3所述的传输线(100)，其中，所述微涂层是由包括顺磁性和/或铁磁性颗粒(1000)的漆涂层(1002)形成的。
5.根据权利要求1所述的传输线(100)，其中，所述耦合元件(106)包括所述顺磁性和/或铁磁性材料作为丝或丝(700)的多个短段，其中，所述丝包括所述顺磁性和/或铁磁性材料。
6.根据权利要求1所述的传输线(100)，其中，所述耦合元件(106)包括在基底(900)上，其中，所述基底包括所述顺磁性和/或铁磁性材料。
7.根据权利要求1所述的传输线(100)，其中，所述顺磁性和/或铁磁性材料包括在箔(500)中，所述箔附着于所述耦合元件(106)。
8.根据权利要求1所述的传输线(100)，还包括载体管，所述载体管包封所述传输线(100)，其中，所述顺磁性和/或铁磁性材料在空间上位于所述载体管上。
9.根据权利要求1所述的传输线(100)，其中，所述耦合元件(106)包覆在法拉第筒中。
10.根据权利要求9所述的传输线(100)，其中，所述法拉第筒包括所述顺磁性和/或铁磁性材料。
11.一种侵入式医学器械，其包括用于对根据前述权利要求1到10中的任一项所述的传输线(100)进行跟踪或成像的磁共振线圈，其中，所述线圈电连接到所述传输线(100)的引线段。
12.根据权利要求11所述的器械，其中，所述器械为导管。
13.一种适于在磁共振系统的磁体膛中使用的导电传输线(100)，所述线包括用于耦合所述线的至少两个引线段(104)的至少一个感应耦合元件(106)，其中，所述耦合元件(106)包覆在法拉第筒(500)中。
14.根据权利要求13所述的传输线(100)，其中，所述法拉第筒包括包覆所述耦合元件(106)的同轴管。
15.根据权利要求13所述的传输线(100)，其中，所述法拉第筒包括缠绕所述耦合元件(106)的箔。
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