CN1533291A - 磁共振设备及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁共振设备以及运行该设备的方法。该磁共振设备包括多个设置在检查室(27)周围的阵列形天线(1)，其中为每个天线(1)设置了一个自己的发送信道(2)和一个自己的接收信道(3)。磁共振设备的控制单元(26)是这样设置的，即，其可以为每个天线(1)确定由该天线(1)接收的磁共振信号的振幅和相位，并可以控制这些天线(1)相互独立地发射可以预定相位和振幅的高频辐射，以便在所述检查室(27)中为人工发热治疗产生聚焦的高频场。利用本发明的磁共振设备，可以进行人工发热治疗而无需额外的水垫，其中可以几乎同时在加载的组织区域进行精确的温度测量。

Description

磁共振设备及运行方法

本发明涉及一种磁共振设备，包括一个基本场磁、多个梯度场线圈、一个高频发射和接收单元，以及一个用于为实施磁共振测量而控制梯度场线圈与高频发射和接收单元的控制单元。本发明还涉及一种用于运行这种磁共振设备的方法。

根据类别的磁共振设备在医学诊断中用于获得患者的体内图像。这样，磁共振设备可以在例如神经学、血管造影或心脏学中用于产生图像。

磁共振断层造影的常用领域是在癌症治疗中显示或监控肿瘤。在用于治疗这类肿瘤的新技术中，为了支持或代替化学疗法或放射治疗，也通过聚焦射入的高频(HF)能量对肿瘤区有目标的进行加热。这种新技术以“有选择性的人工发热”的概念而公知。在目前可用的人工发热设备中，患者位于人工发热电极(Applikator)中，从而使身体的待治疗部分基本上位于电极下面的中部。人工发热电极包括多个设置为阵列的高频天线，这些天线各自都具有一个定义振幅和相位的、脉冲形或时间恒定的高频功率。在每个天线上的高频的相位和振幅是这样选择的，即，由各天线发射的高频能量在待治疗区域(即肿瘤)的位置这样相互叠加，使得在该位置达到最大的场强。聚焦高频能量的一部分由肿瘤区域的组织吸收，从而该区域根据入射的高频能量而被加热。由于有肿瘤的组织比健康组织对热能更敏感，因此，通过加热使有肿瘤的组织比周围的健康组织遭到更强烈的破坏。通过这种有目标的加热治疗，可以杀死有肿瘤的组织。

人工发热治疗的一个基本问题是电磁波在组织和周围空气中的不同传播速度。根据患者的解剖结构，电磁波从发射天线到肿瘤的传播线路更多或更少地被组织或空气填满。然而，这影响了聚焦，使得在人工发热治疗中，到目前为止，如果没有其它辅助手段就不能实现在各种情况下都最佳的高频能量聚焦。因此，目前可用的人工发热设备用水垫填满患者和电极之间的空间，根据对患者的定位用一种特殊的溶剂填满该水垫。通过该水垫，高频辐射在患者体内的传播速度与其在身体与人工发热电极之间的传播速度接近相适应，从而在患者解剖结构不同时也能获得足够好的聚焦。然而，尤其对患有幽闭恐怖症的患者来说，这种方法会造成很不舒服的感觉。此外，由于采用了水垫，很难同时采用其它电极，例如用于在人工发热治疗期间生理监测患者的电极，因为只为其它电极的定位保留了极小的空间。

此外，在人工发热治疗中还需要在治疗期间监测组织温度。目前，这可以通过特殊的、安装在光学纤维导管上的温度传感器做到。在治疗中，将该光学纤维导管与温度传感器一起穿刺通过患者皮肤，并延伸到被辐射的组织。然而，该入侵式方法会额外增加患者的负担。

在人工发热治疗期间用于测得组织温度的改进技术的尝试中，也会考虑采用磁共振测量。在在此所跟踪的数组(Ansatz)，通过同时用人工发热治疗进行的磁共振检查确定温度。为此，在磁共振设备的检查室中引入温度升高电极，并同时利用加热进行磁共振测量。根据由感兴趣身体区域获得的磁共振信号的T1-T2位移，可以推导出组织温度。

然而，在应用该序列用于温度测量中出现的问题是温度测量的精确度。目前，精确度很难满足，因为人工发热电极设置在磁共振设备的高频发射和接收单元与患者之间，从而使磁共振设备的高频发射和接收单元只接收到非常微弱的磁共振回波的接收信号。此外，设置在人工发热电极和患者之间的水垫会减弱磁共振信号。另一个导致这种温度测量精确度不足的原因在于对磁共振设备的高频发射频率的选择。该磁共振频率必须包含足够的距离到人工发热电极的高频，以便使磁共振系统去掉与人工发热系统的耦合，并避免两个系统相互干扰的影响。公知的人工发热电极工作的频率范围是100MHz，以便使高频场在患者体内足够地聚焦。因此，磁共振频率一般选择为8-64MHz的范围，以便包括到100MHz人工发热应用的足够距离。然而，为了激励磁共振所选择的磁共振频率需要基本场磁的磁场场强在0.2T至1.5T之间。然而在这种基本场强中，依赖于温度的T1-T2位移不是非常明显，由此也限制了温度确定的精确度。

本发明要解决的技术问题是，提供一种用于选择性人工发热治疗的设备，该设备可以使高频场足够聚焦而无需使用水垫，并能以很高的精确度进行无负担的温度测量。

该技术问题是通过根据权利要求1或8的磁共振设备以及用于运行该磁共振设备的方法解决的。磁共振设备以及该方法的优选扩展记载在从属权利要求中。

所述磁共振设备以公知方式包括一个基本场磁、多个梯度场线圈、一个高频发射和接收单元以及一个用于为进行磁共振测量而控制梯度场线圈与高频发射和接收单元的控制单元。与公知的磁共振设备相反，高频发射和接收单元由多个以阵列形设置在检查室周围的天线组成，可以控制这些天线相互独立地通过单独的发射信道发射预定相位的高频辐射。此外，还为每个天线设置了单独的接收信道。控制单元是这样设置的，即，其可以为每个天线确定由该天线接收的、局部的磁共振信号的振幅和相位，并可以控制这些天线相互独立地发射预定相位和振幅的高频辐射，以便在检查室中为人工发热治疗产生聚焦的高频场。

在用于运行该磁共振设备本发明的方法中，首先控制天线以及梯度场线圈在待检查的身体内进行选定位置的磁共振测量。用天线接收磁共振信号，而来自待治疗身体区域的接收的磁共振信号由控制单元为每单个接收信道、即每单个天线根据振幅和相位进行处理，以便在待治疗身体区域和每单个天线之间的路径上测得振幅衰减和相位位移。接着，在考虑所测得的振幅衰减和相位位移的条件下，由控制单元以合适的振幅和相位相互独立地控制各天线，以便为待治疗身体区域进行的人工发热治疗产生正确聚焦的高频场。

通过本发明的磁共振设备的结构以及所进行的运行方法，可以实现对患者的人工发热治疗而无需使用水垫。为正确聚焦高频场而对各单个天线进行的振幅和相位正确的控制事先通过测得由各单个天线接收的、来自待治疗身体区域的磁共振信号的振幅和相位进行。通过这种方式，可以不依赖于患者的解剖结构和天线与患者之间的中间空间而始终达到正确的振幅和相位控制，以便在待治疗区域、尤其是肿瘤部位产生最佳的高频场聚焦。因此，一方面可以设置额外的电极，例如用于在人工发热治疗期间生理监测患者的电极，另一方面可以利用相同的磁共振设备进行精确度很高的温度测量，而不会增加患者的负担。

实现本发明的磁共振设备，并同时具有局部的人工发热治疗的可能性，这不是通过额外置入人工发热电极，而是通过简单改造现有的磁共振设备组件而达到的。在此，这样为天线设置一个或多个功率发射器，即，这些功率发射器一方面为人工发热治疗提供所需的持续功率，该功率的数量级为1-2kW。另一方面，功率发射器必须这样设置，即，其能为磁共振测量提供足够的脉冲功率，也就是数量级为20-30kW的脉冲功率。为此优选的是，通过为每个发射信道设置更多具有较小脉冲功率的功率发射器来代替在磁共振设备中通常使用的脉冲功率发射器。

各天线优选设置为共振器条或拉长的、在高频性能上与共振器条相应的电导材料层，该材料层应当具有尽可能小的尺寸。各共振器条设置在用于患者的圆柱形空间周围。此外，这些共振器条还装备了匹配装置，用于将至待治疗身体区域的传输线路的阻抗与连接各功率放大器和共振器条的引线的导电阻抗相匹配，其中传输线路的阻抗会受到检查室中的患者和几何学的影响。该匹配装置可以具有固定的变换系数，或针对每位患者通过个性化的调谐进行校准。

在本发明的磁共振设备的一个实施方式中，为每个天线设置了单独的功率发射器。每个功率发射器都具有自己的发射控制电路，它可以对该天线进行相位控制和振幅控制。控制电路应当可以产生任意的、具有非常不同脉冲持续时间的高频脉冲形状，以便既能利用脉冲形激励进行磁共振测量，又能用持续的辐射进行人工发热治疗。每个发射控制电路都优选地包括一个调制器，从一个支持值表中通过一个模拟-数字转换器(ADC)对该调制器供电。该调制器可以实现为一个模拟IQ调制器或一个数字NCO。可以用PLL环路或DDS环路为发射频率产生频率。这类用于产生频率的环路对于磁共振设备领域的技术人员来说是公知的。

在本发明的磁共振设备中，每个天线还包括一个单独的接收信道，以便能获得在天线中感应的磁共振回波或磁共振信号。为此，优选在各匹配单元和功率放大器之间分别设置一个发射接收转换器，它可以将每个发射天线上的磁共振信号传送到接收器电路中。该接收器电路本身实现为一个前置放大器电路和一个解调器电路，该解调器电路可以根据振幅和相位将各个接收信号分开。接收器电路可以具有一个模拟IQ解调器，也可以具有一个数字解调器。该接收器电路可以获得在肿瘤周围组织中的相位位移和高频振幅的衰减。

本发明的磁共振设备被设计用于产生足够高的磁共振频率，该频率可以在基本场磁的场强中使高频场产生清晰的聚焦。另一方面，这样选择基本场磁的场强，即，在所属的磁共振频率中，还能清楚地显示检查组织中的温度。对于基本场磁的场强，例如3T的场强是合适的，从而必须产生123.2MHz的磁共振频率。该磁共振频率对应于患者体内10-30cm以及空气中2.5m的波长，从而可以达到足够强的高频能量聚焦。

本发明的磁共振设备的运行优选地这样进行，即，多次短暂中断用于加热期望身体区域的高频能量的入射，以便进行用于测得相应身体区域中温度的磁共振测量。在此，通过用天线进行传统的磁共振测量，接着处理T1-T2位移来实现温度测量。以公知方式通过利用梯度场线圈进行频率和相位编码来获得位置信息。

在加热处理的过程中多次进行温度测量，以便能避免对相应区域的过度加热。每次温度测量的间隔根据入射的高频功率、入射的持续时间和身体区域进行选择。根据磁共振测量的类别，也就是根据脉冲序列的选择，为温度测量设置了一个数100ms，尤其是在100ms到1s之间的范围。在温度测量的间隙，重新入射高频能量以加热待治疗的身体区域。

在优选的实施方式中，磁共振设备的一个接收信道与一个表面线圈连接，该线圈可以为用于确定温度的磁共振测量获得极好的信噪比。为此，除了表面线圈之外，还具有一个接收器电路，其设置为对应于高频发送和接收单元的天线的接收器电路。在本实施方式中，高频发送和接收单元的天线以及表面线圈都额外设置了一个失谐装置，以避免共振器恰好未使用的部分对测量产生干扰影响。这种失谐装置由传统的磁共振设备公知。

为了在进行体温治疗中获得最佳的高频场聚焦，需要有关在从各天线到患者待治疗身体区域的路径上相位位移和振幅衰减的信息，该信息对每个患者都是不同的。为了获得该信息，根据本发明，用磁共振设备在启动加热序列之前实现调谐序列，如已进行的，在该调谐序列中，对来自预定身体区域的所接收的磁共振信号在各天线上接收的振幅和相位进行处理。在一个优选实施方式中，该调谐序列实现为FID测量，其中通过对梯度场线圈的合适控制，可以防止非兴趣身体区向外辐射回波。从肿瘤区域，在激励时高频能量以磁共振信号的形式被反射，该信号然后由各天线同时接收。由不同的相位和振幅，可以推导出用于控制各天线在肿瘤身体区域内产生聚焦的高频辐射所需的相位和振幅。然后，就用事先为每个发射天线所测得的相位和振幅对天线进行控制。

当然，用于测得正确相位和振幅用于控制天线的这类磁共振测量也可以在进行加热序列期间重复进行，其中为磁共振测量而短暂中断该加热序列。通过这种方式，即使患者位置在治疗期间发生改变，也能获得最佳的聚焦结果。

下面借助附图描述实施方式，再次简短说明本发明的磁共振设备及所属运行方法。在此示出了：

图1为磁共振设备极为简化的示意图；

图2为根据本发明的磁共振设备的高频发射和接收单元结构的示例；

图3为说明由各天线产生的高频场在患者的肿瘤身体区域中叠加的略图；

图4为用于运行产生满足振幅和相位的高频信号的NCO的示例；

图5为用于人工发热治疗并同时进行温度测量的序列示例。

图1极为简化地示出了本发明实现的磁共振设备的原理结构。该图示出了基本场磁23、梯度场线圈24、包围检查室27的高频发射和接收单元25，以及控制梯度场线圈24与高频发射和接收单元25的控制单元26。磁共振设备中现有的单元，如处理计算机、存储器、脉冲序列控制装置、脉冲波形发生器或高频发生器都包括在该图的控制单元26中。

图2示例性地示出了应用在根据本发明的磁共振设备中的高频发射和接收单元的一种结构。高频发射和接收单元由多个阵列形设置的共振器条1组成，它们设置在为患者设置的圆柱形检查室27周围。共振器条1中的每一个都与一个自己的发射信道2以及一个自己的接收信道3连接。在该图中，只示例性地示出了两个共振器条的两个接收信道和发射信道。发射信道2包括一个存储器6，用于为产生高频激励脉冲而存储包络线和相位变化曲线。作为调制器7运行的NCO将所需的脉冲波形和相位调制为载波信号f，该信号由未示出的频率发生器获得。接着，该信号在数字模拟转换器8中被转换，并通过功率放大器9被放大。通过这种方式放大的高频信号由一个用于阻抗匹配的调谐电路11传送到共振器条1。通过这种方式，控制各共振器条1互相独立地产生具有所定义相位和振幅的高频辐射或高频脉冲。

如果为了在有肿瘤的身体区域中聚焦而测得每单个共振器条所需的相位和振幅，则首先控制各单个共振条1产生用于在该身体区域内激励磁共振激励信号的高频脉冲。然后，或者与该发射同时进行，通过控制梯度场将发射FID信号的空间区域限制为有肿瘤的区域。接着，转换发射/接收转换器10，以接通共振条1的接收端，或与各自的接收信道3连接。磁共振信号由每个共振条1接收，并通过前置放大器12传送到一个模拟数字转换器13。在运行为解调器的NCO 14中根据相位和振幅分配数字化的信号，并传送到处理计算机15，该计算机对确定的身体区域处理磁共振信号的振幅和相位，以便为每个共振器条获得聚焦所需的振幅和相位。然后，利用为其获得的振幅和相位控制各共振器条1，以便在有肿瘤的身体区域内进行正确的聚焦。为此，发射/接收转换器10又被设定到发射信道上，并对各共振器条1加载高频持续功率。该持续功率也可以由高频脉冲组成。

通过相位和振幅的这种控制，无需使用水垫就可以使高频能量在患者17有肿瘤的身体区域16中聚焦，如图3所示。在该图中，为了简化起见只示出了6个共振器条，它们被控制来用于产生具有不同相位差Δ和振幅ΔU的高频辐射。

图2还示出了在人工发热治疗期间进行温度测量的可能。为了进行温度测量，暂时中断加热阶段，以便通过共振器条1产生用于激励磁共振信号的高频脉冲。所属的脉冲序列对传统的磁共振测量领域的技术人员是公知的。或者，为了接收磁共振信号，将表面线圈4直接定位在感兴趣的患者身体区域上，并与另外的接收信道5连接。该接收信道5和共振器条1的接收信道3一样，也包括一个前置放大器12、一个模拟数字转换器13和一个NCO 14，并与处理计算机15连接。借助表面线圈为温度测量而测量共振信号具有信噪比极好的优点。

图4示出了NCO 7作为调制器的错接示例，用于产生具有预定振幅和相位的高频辐射。该NCO也以相反的方向运行，以解调所接收的信号。

以与用于发送的NCO中相同的方式产生数字的数据流，该数据流表示与参考频率有关的所接收高频信号的正弦和余弦信号。不采用加法器，而是将所接收的、由ADC数字化的接收数据流分配到两个乘法器上。一个信号分量与正弦数据流相乘，另一个与余弦数据流相乘。在对两个数据流进行了数字的低通滤波之后，将接收的高频信号表示为与DDS产生的参考信号有关的实部分量和虚部分量。

最后，图5示出了用于为人工发热治疗控制共振器条1的控制序列。上半部示出了用于加热组织的发射脉冲20。该加热序列20被短暂中断，以便入射用于以公知方式进行磁共振测量的高频脉冲序列21，并接着在所定义的接收时间22期间通过各共振条1接收磁共振信号。随后继续用更新的加热序列20进行加热。在该图的下半部是控制脉冲的示意图，该控制脉冲用于在x、y和z方向位置编码的梯度场脉冲，如采用自旋回波序列时进行的那样。当然，也可以将其它未在此示出的序列技术用于此目的。

在短暂中断加热序列的时间间隙中，在感兴趣身体区域内的组织的温度可由磁共振测量的结果推导出。

本发明的系统可以实施所有运行在入射高频频率下的磁共振应用。采用这些应用是为了在患者的感兴趣身体区域内进行解剖显示或频谱学测量，以及测量患者体内的温度分布。此外，本系统可以控制各共振器条，使得可以达到高频场有目标的聚焦。在此，加热序列被分配到时间槽中，以便使该加热序列与用于温度测量的磁共振序列交错进行，从而使温度测量和加热几乎能同时进行。

在此，用于进行磁共振测量的频率至少是非常接近于用于进行体温加热治疗的频率。这使得正确确定必须用于控制各单个共振器条的相位和振幅成为可能。

Claims (13)

1.一种磁共振设备，包括一个基本场磁(23)、梯度场线圈(24)、一个高频发射和接收单元(25)以及一个用于为进行磁共振测量而控制所述梯度场线圈(24)与所述高频发射和接收单元(25)的控制单元(26)，

其特征在于，

所述高频发射和接收单元(25)具有多个以阵列形式设置在检查室(27)周围的天线(1)，其中为每个天线(1)设置了一个自己的发射信道(2)和一个自己的接收信道(3)，以及

所述控制单元(26)是这样设置的，即，其可以为每个天线(1)确定由该天线(1)接收的磁共振信号的振幅和相位，并可以控制这些天线(1)相互独立地发射预定相位和振幅的高频辐射，以便在所述检查室(27)中为人工发热治疗产生聚焦的高频场。

2.根据权利要求1所述的磁共振设备，其特征在于，每个发射信道(2)包括一个功率放大器(9)和一个调制器(7)。

3.根据权利要求1或2所述的磁共振设备，其特征在于，所述天线(1)设置为共振器条。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁共振设备，其特征在于，所述控制单元(26)这样设置，即，其在人工发热治疗期间，在预定时刻中断产生聚焦的高频场一个很短的时间间隔，以便控制所述梯度场线圈(24)和所述高频发射单元(25)为确定加载了聚焦高频场的身体区域(16)的温度而进行磁共振测量。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的磁共振设备，其特征在于，每个发射信道(2)与一个用于将导线阻抗与检查室(27)中的阻抗状况相匹配的匹配电路(11)连接。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁共振设备，其特征在于，所述天线(1)形成一个为围绕检查室(27)的圆柱形外壳形的设置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁共振设备，其特征在于，所述基本场磁(23)设置为用于产生至少2T的场强。

8.一种用于运行根据上述权利要求中一项或多项所述的磁共振设备的方法，其中为了人工发热治疗患者(17)限定的身体区域(16)，

-控制所述梯度场线圈(24)和所述高频发射和接收单元(25)首先用调谐序列以第一磁共振测量的形式进行依赖于位置的振幅和相位测量，

-为每个天线(1)确定来自待治疗身体区域的接收磁共振信号的振幅和相位，并由此为每个天线(1)获得在所限定的身体区域(16)中进行高频辐射聚焦所需的振幅和相位，和

-接着控制各天线(1)相互独立地用为其获得的振幅和相位发射高频辐射，从而为人工发热治疗产生在所限定的身体区域(16)上聚焦的高频场。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，作为用于进行第一磁共振测量的调谐序列，采用一个FID控制序列。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述对发射高频辐射的控制，在人工发热治疗期间被多次中断一个很短的时间间隔，以便通过一个第二磁共振测量确定所限定身体区域(16)的温度。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述磁共振信号在用于确定温度的第二磁共振测量中，由与所述磁共振设备连接的表面线圈(4)获得。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其特征在于，用相同的高频频率控制所述天线(1)进行所述磁共振测量和用于人工发热治疗。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述对发射高频辐射的控制，在人工发热治疗期间被一次或多次中断一个很短的时间间隔，以便为每次新获得聚焦所需的振幅和相位而进行一次或多次其它的磁共振测量，并接着控制所述天线(1)相互独立地用为其新获得的振幅和相位继续人工发热治疗。

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