DE102007009184A1

DE102007009184A1 - Vorrichtung zur überlagerten MRI- und PET-Bilddarstellung

Info

Publication number: DE102007009184A1
Application number: DE102007009184A
Authority: DE
Inventors: Jürgen NISTLER; Wolfgang Dr. Renz; Lothar SCHÖN; Stefan Stocker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-08-28
Anticipated expiration: 2027-02-27
Also published as: JP2008206977A; US20080208035A1; DE102007009184B4; CN101254100B; CN101254100A

Abstract

Eine Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung hat einen Magnetresonanztomographie-Magneten, der eine Längsachse (z) definiert; eine Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2), die radial im Inneren des Magnetresonanztomographie-Magneten angeordnet ist; eine Magnetresonanztomographie-HF-Spule (3), die radial im Inneren der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2) angeordnet ist; und eine Vielzahl um die Längsachse (z) paarweise gegenüberliegend angeordnete Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten (5). Die vielen Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten (5) sind radial im Inneren der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2) angeordnet und entlang der Längsachse (z) in die Vorrichtung einsetzbar und aus der Vorrichtung entnehmbar. Vorzugsweise ist ein Tragrohr (7) vorgesehen, das eine Vielzahl Taschen (4) aufweist, die sich jeweils in der Längsachse (z) zum Aufnehmen mindestens einer Positronenemissionstomographie-Detektionseinheit (5) erstrecken.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur überlagerten MRI- und PET-Bilddarstellung.
Ein Magnetresonanztomographiegerät (MRI-Gerät) verfügt bekanntermaßen u. A. über jene drei Funktionsbaugruppen, die in der 5 dargestellt sind: ein Grundfeldsystem 21, ein Gradientensystem 22 und ein Hochfrequenzsystem 23 (auch als HF-System oder Bodyresonator bezeichnet). Das Grundfeldsystem 21 ist im Allgemeinen ein Magnet und stellt ein starkes, statisches Magnetfeld bereit. Das Gradientensystem 22 stellt im Niederfrequenzbereich bis etwa 1 kHz ein einstellbares Magnetfeld bereit, das einen linear ansteigenden bzw. abfallenden Verlauf in einer oder mehreren Richtungen aufweist. Das HF-System 23 stellt im Hochfrequenzbereich bei der im wesentlichen durch das statische Magnetfeld vorgegebenen Kernspinresonanzfrequenz (i. A. 42,45 MHz) ein oszillierendes Magnetfeld zur Auslenkung der Kernspins bereit, das darüber hinaus auch zum Empfang der Signale der relaxierenden Kernspins dienen kann.
Diese drei Baugruppen sind bei den üblichen Magnetresonanztomographiegeräten um den zu untersuchenden Patienten herum in der nachfolgend genannten Reihenfolge in radialer Richtung von Innen nach Außen angeordnet: HF-System 23, Gradientensystem 22 und Grundfeldsystem 21. Der Patient wird auf einer Liege 24 gelagert, die sich radial im Inneren des HF-Systems 23 befindet.
Neben der Magnetresonanztomographie (MRI) findet in den letzten Jahren auch die Positronenemissionstomographie (PET) zunehmend weite Verbreitung bei der medizinischen Diagnose. während es sich bei der MRI um ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Strukturen und Schnittbildern im Inneren des Körpers handelt, ermöglicht die PET eine Visualisierung und Quantifizierung von Stoffwechselaktivitäten in-vivo.
Die PET nutzt die besonderen Eigenschaften der Positronenstrahler und der Positronen-Annihilation aus, um quantitativ die Funktion von Organen oder Zellbereichen zu bestimmen. Dem Patienten werden dabei vor der Untersuchung entsprechende Radiopharmaka verabreicht, die mit Radionukliden markiert sind. Die Radionuklide senden beim Zerfall Positronen aus, die nach kurzer Distanz mit einem Elektron in Wechselwirkung treten, wodurch eine so genannte Annihilation entritt. Dabei entstehen zwei Gamma-Quanten, die in entgegengesetzter Richtung (um 180° versetzt) auseinander fliegen. Die Gamma-Quanten werden von zwei gegenüberliegenden PET-Detektormodulen innerhalb eines bestimmten Zeitfensters erfasst (Koinzidenz-Messung), wodurch der Ort der Annihilation auf eine Position auf der Verbindungslinie zwischen diesen beiden PET-Detektormodulen bestimmt wird.
Zum Nachweis sind die PET-Detektormodule ringartig um den Patienten herum angeordnet und bedecken im Allgemeinen einen Großteil der Gantry-Bogenlänge. Jedes PET-Detektormodul generiert bei Detektion eines Gamma-Quants eine Ereignisaufzeichnung, die die Zeit sowie den Nachweisort, d. h. das entsprechende Detektorelement angibt. Diese Informationen werden an eine schnelle Logik übermittelt und verglichen. Fallen zwei Ereignisse in einem zeitlichen Maximalabstand zusammen, so wird von einem Gamma-Zerfallsprozess auf der Verbindungslinie zwischen den beiden zugehörigen PET-Detektormodulen ausgegangen. Die Rekonstruktion des PET Bildes erfolgt mit einem Tomografiealgorithmus, d. h. der so genannten Rückprojektion.
Aufgrund der unterschiedlichen Informationen, die durch MRI und PET erhalten werden, ist eine überlagerte Bilddarstellung der beiden Verfahren in vielen Fällen wünschenswert.
Für die Kombination der bildgebenden MRI- und PET-Verfahren in einem Gerät ist es erforderlich, die beiden für die Daten akquisition erforderlichen Einheiten des HF-Systems und der PET-Detektoren innerhalb des Grundfeldsystems und des Gradientensystem anzuordnen. Eine konzentrische Anordnung, bei der das HF-System innerhalb der ringartig angeordneten PET-Detektoren positioniert werden würde, war bisher mit mehreren Schwierigkeiten verbunden.
Zunächst reduziert die Struktur der innenliegenden Spulenanordnung (Sende- und Empfangsspulen) des HF-Systems die Empfindlichkeit der ringartig angeordneten PET-Detektoren, was eine Korrektur bei der PET-Bildrekonstruktion erfordert.
Außerdem wird durch die Schachtelung des HF-Systems und der ringartig angeordneten PET-Detektoren von Innen nach Außen der für den Patienten verbleibende Innendurchmesser stark reduziert.
Darüber hinaus muss der für eine hohe Qualität des HF-Bodyresonators erforderliche Abstand zwischen den ringartig angeordneten PET-Detektoren und den HF-Leiterstrukturen stark reduziert werden (Feldrückflussraum).
Schließlich ist aufgrund der radialen Platzverhältnisse keinerlei Abschirmung (z. B. durch Septen) der ringartig angeordneten PET-Detektoren gegen Gammastrahlung von der Außenseite der ringartig angeordneten PET-Detektoren möglich.
Eine Lösung kann zum Beispiel eine hohe Integration bzw. Verzahnung der HF-Systems und der PET-Detektoren sein, wodurch es zu höheren Aufwendungen beim mechanischen Aufbau und im Fehlerfall kommt. Eine andere Lösung ist auf die Integration weitgehend zu verzichten, wie dies in einem Vergleichsbeispiel in der 6 gezeigt ist, wodurch aber ein vergleichsweise großer Platzbedarf auftritt. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet das Gradientensystem 22. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet das HF-System mit Feldrückflussraum. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet ringartig angeordnete PET-Detektionseinheiten. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet einen Montagespalt zwischen dem Gradientensystem 22 und einem Tragrohr 27 für die PET-Detektionseinheiten. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet einen HF-Schirm, und das Bezugszeichen 29 bezeichnet eine Innenverkleidung bzw. ein Tragrohr für das HF-System 23.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur überlagerten MRI- und PET-Bilddarstellung vorzusehen, die den Innendurchmesser des Patiententunnels weniger einschränkt und dennoch für eine Abschirmung und eine ausgezeichnete Bildqualität sorgen kann.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur überlagerten MRI- und PET-Bilddarstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat eine Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung einen Magnetresonanztomographie-Magneten, der eine Längsachse definiert; eine Magnetresonanztomographie-Gradientenspule, die radial im Inneren des Magnetresonanztomographie-Magneten an-geordnet ist; eine Magnetresonanztomographie-HF-Spule, die radial im Inneren der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule angeordnet ist; und eine Vielzahl um die Längsachse paarweise gegen-überliegend angeordnete Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten. Die vielen Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten sind radial im Inneren der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule angeordnet und entlang der Längsachse in die Vorrichtung einsetzbar und aus der Vorrichtung entnehmbar. Dadurch wird die Wartung der Vorrichtung erheblich erleichtert, da die PET-Detektionseinheiten entlang der Längsachse leicht entnommen werden können.
Vorzugsweise ist des Weiteren ein Tragrohr vorgesehen, das eine Vielzahl Taschen aufweist, die sich jeweils in der Längsachse zum Aufnehmen mindestens einer Positronenemissionstomographie-Detektionseinheit erstrecken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet die folgenden Vorteile:

(a) Die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten einschließlich der Elektronik sind so angeordnet, dass sie einzeln und ohne aufwändige Demontage der radial außerhalb angeordneten Aufbauten entlang der Längsachse entnommen werden können.
(b) Es bedarf nur eines minimalen Platzbedarfes bei konzentrischer Anordnung und gleichzeitiger Trennung von Magnetresonanztomographie-HF-Spule und Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten.
(c) Die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten befinden sich vorzugsweise in einem eigenen Tragrohr, so dass ein Tausch eines einzelnen Detektors durch Herausziehen in z-Richtung möglich wird.
(d) Die Schwächung der Gammastrahlung durch innerhalb des PET-Ringes liegende Strukturen wird durch eine dünne Rohrwand im Bereich der PET-Kristalle auf ein Minimum reduziert.
(e) Es wird eine einfache Kühlung der Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten über das Tragrohr ermöglicht. Es kann eine „einfache" Wasserkühlung oder Luftkühlung verwendet werden, da diese sich außerhalb der HF-Sendeantenne befindet, wobei Einfaltungsartefakte im MRI-Bild vermieden werden.
(f) Es wird eine hohe Steifigkeit durch das Tragrohr ermöglicht, wodurch eine mechanische Verformung und eine Lärmübertragung von der Gradientenspule reduziert werden.
(g) Es wird eine hohe „Entkopplung" der MR- und PET Signale durch mehrfache Schirmung ermöglicht, d. h. durch den HF- Schirm und durch die Schirmstruktur in den Taschen für die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten.

Mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen werden nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen
1 eine Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine Längsschnittansicht eines in der 1 gezeigten Abschnittes der Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine bekannte Vorrichtung zur Magnetresonanztomographie- Bilddarstellung gemäß dem Stand der Technik; und
6 ein Vergleichsbeispiel einer Vorrichtung zur berlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung.
Im Folgenden werden die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und die 2 zeigt eine Längsschnittansicht eines in der 1 gezeigten Abschnittes der Vorrichtung 1 zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat die Vorrichtung 1 zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung einen Magnetresonanztomographie-Magneten (nicht gezeigt), der eine Längsachse z definiert, wie sie in der 5 gezeigt ist. Der Magnetresonanztomographie-Magnet bildet ein Grundfeldsystem, welches ein starkes, statisches Magnetfeld bereitstellt.
Die Vorrichtung 1 verfügt des Weiteren über eine Magnetresonanztomographie-Gradientenspule 2, die radial im Inneren des Magnetresonanztomographie-Magneten und vorzugsweise koaxial zur Längsachse z angeordnet ist. Die Magnetresonanztomographie-Gradientenspule 2 bildet ein Gradientensystem, welches im Niederfrequenzbereich ein einstellbares Magnetfeld bereitstellt.
Die Vorrichtung 1 hat darüber hinaus eine Magnetresonanztomographie-HF-Spule 3, die radial im Inneren der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule 2 und vorzugsweise koaxial zur Längsachse z angeordnet ist. Die Magnetresonanztomographie-HF-Spule 3 bildet ein HF-System, welches im Hochfrequenzbereich bei der im Wesentlichen durch das statische Magnetfeld vorgegebenen Kernspinresonanzfrequenz (z. B. ca. 42,58 MHz bei 1 T, 63,87 MHz bei 1,5 T oder 127,74 MHz bei 3 T) ein oszillierendes Magnetfeld zur Auslenkung der Kernspins bereitstellt. Darüber hinaus kann die Magnetresonanztomographie-HF-Spule 3 auch zum Empfang von Signalen der relaxierenden Kernspins dienen.
Die Vorrichtung 1 hat des Weiteren eine Vielzahl um die Längsachse z paarweise gegenüberliegend angeordnete Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5. Die vielen Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 sind radial im Inneren der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule 2 und vorzugsweise koaxial zur Längsachse z angeordnet.
Die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 bestehen jeweils aus einem Avalanche-Fotodiodenarray mit einem vorgeschalteten Lutetium-Oxyorthosilikat-Kristallarray und einer elektrische Verstärkerschaltung, was die kompakte Ausführung der Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 stark begünstigt. Die Erfindung ist jedoch nicht ausschließlich auf die Verwendung des Avalanche-Fotodiodenarrays mit dem vorgeschalteten Lutetium-Oxyorthosilikat-Kristallarray und der elektrische Verstärkerschaltung beschränkt. Es können auch anders geartete, kompakte Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten verwendet werden.
Das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Spalt zwischen der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule 2 und einem Tragrohr 7 für die PET-Detektionseinheiten 5. Das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen HF-Schirm, der an der Innenseite des Tragrohrs 7 angebracht ist. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Innenverkleidung bzw. ein Tragrohr für eine Sendeantenne des HF-Systems 3.
Erfindungsgemäß sind die vielen Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 entlang der Längsachse z in die Vorrichtung 1 einsetzbar und aus der Vorrichtung 1 entnehmbar. Das Tragrohr 7 weist eine Vielzahl Taschen 4 (siehe 2) auf, die sich jeweils in der Längsachse z zum Aufnehmen mindestens einer Positronenemissionstomographie-Detektionseinheit 5 erstrecken.
Dadurch wird in der Vorrichtung 1 Raum in der radialen Richtung eingespart, was zu den in der Beschreibungseinleitung aufgezählten Vorteilen führt.
Vorzugsweise ist an den Innenseiten der Taschen 4 eine Metallschicht aufgebracht, die der Abschirmung und der Wärmeleitung dient. Insbesondere kann in den Taschen 4 eine dünne Metallisierung aufgebracht sein, die als zusätzliche Abschirmung für die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 dient und auch die Abstrahlung von Störungen verhindert.
In der 2 wird deutlich, wie die vielen Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 entlang der Längsachse z in die Vorrichtung einsetzbar und aus der Vorrichtung entnehmbar sind. Vorzugsweise dienen die Taschen 4 gleichzeitig als Kabelzuführung für die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5. In vorteilhafter Weise lassen sich die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 an daran angebrachten Kabeln 11 aus den Taschen 4 herausziehen.
Die 3 zeigt eine Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanz-tomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind zwischen zwei angrenzenden Taschen 4 Kühlkanäle 10 zum Aufnehmen eines Kühlmediums, wie z. B. Wasser, Luft oder eines beliebigen anderen Kühlfluids vorgesehen.
In das Tragrohr 7, das vorzugsweise in Vergusstechnik hergestellt wird, sind die Kühlkanäle 10 eingearbeitet, um die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 auf einer konstanten Arbeitstemperatur zu halten. Ein optimaler Kühleffekt wird erreicht, wenn das Vergussmaterial eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, z. B. durch Beimischung von gut wärmeleitfähigen Füllstoffen wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliziumcarbid oder Quarz.
Das zweite Ausführungsbeispiel kann dadurch abgewandelt oder weitergebildet werden, dass in dem Spalt 6 seinerseits Kühlelemente angeordnet sind. So können zum Beispiel Kühlmatten (z. B. in Form einer Wasserkühlung) eingebaut werden, um so die Wärme der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule 2 von dem Tragrohr 7 und den Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten 5 fern zu halten.
Eine weitere Möglichkeit, Lärm- bzw. Vibrations- und Wärmeübertragungen von der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule 2 auf das Tragrohr 7 zu mindern, ist eine Evakuierung des Spalts 6.
Die 4 zeigt eine Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist das Tragrohr 7 durch ein Vakuumgussverfahren oder ein Spritzgussverfahren oder Kombinationen aus beiden Verfahren hergestellt. Vorzugsweise sind das Tragrohr 7 und die Magnetresonanztomographie-Gradientenspule 2 einstückig geformt. Die Vorteile davon sind eine weitere Reduzierung des Platzbedarfs und/oder eine Integration von weiteren Kühllagen. Zudem wird der ganze Aufbau steifer, was zu einer Minderung des Lärms führt.
Die Erfindung ist nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es sind Abwandlungen und äquivalente Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der Erfindung möglich, der durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

Vorrichtung zur überlagerten Magnetresonanztomographie- und Positronenemissionstomographie-Bilddarstellung, mit: einem Magnetresonanztomographie-Magneten, der eine Längsachse (z) definiert; einer Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2), die radial im Inneren des Magnetresonanztomographie-Magneten angeordnet ist; einer Magnetresonanztomographie-HF-Spule (3), die radial im Inneren der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2) angeordnet ist; und einer Vielzahl um die Längsachse (z) paarweise gegenüberliegend angeordnete Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten (5), dadurch gekennzeichnet, dass die vielen Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten (5) radial im Inneren der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2) angeordnet sind; und die vielen Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten (5) entlang der Längsachse (z) in die Vorrichtung einsetzbar und aus der Vorrichtung entnehmbar sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, des weiteren mit einem Tragrohr (7), das eine Vielzahl Taschen (4) aufweist, die sich jeweils in der Längsachse (z) zum Aufnehmen mindestens einer Positronenemissionstomographie-Detektionseinheit (5) erstrecken.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei zwischen zwei angrenzenden Taschen (4) Kühlkanäle (10) zum Aufnehmen eines Kühlmediums vorgesehen sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Taschen (4) an ihren Innenseiten eine Metallschicht aufweisen.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zwischen dem Tragrohr (7) und der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2) ein Spalt (6) vorhanden ist, in dem Kühlelemente angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei zwischen dem Tragrohr (7) und der Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2) ein evakuierter Spalt (6) vorhanden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei das Tragrohr (7) durch ein Vakuumsgussverfahren oder Spritzgussverfahren oder Kombinationen aus diesen Verfahren hergestellt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das Tragrohr (7) und die Magnetresonanztomographie-Gradientenspule (2) einstückig geformt sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Positronenemissionstomographie-Detektionseinheiten (5) jeweils ein Avalanche-Fotodiodenarray mit einem vorgeschalteten Lutetium-Oxyorthosilikat-Kristallarray und eine elektrische Verstärkerschaltung aufweisen.