DE102007011840B4

DE102007011840B4 - Feldverteilungs-Korrekturelement, Verfahren zur Erzeugung von Magnetresonanzaufnahmen eines Untersuchungsobjekts und Verwendung des Feldverteilungs-Korrekturelements

Info

Publication number: DE102007011840B4
Application number: DE102007011840A
Authority: DE
Inventors: Yvonne Candidus; Helmut Greim; Markus Dr. Vester; Steffen Wolf
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: US7639011B2; US20080224702A1; DE102007011840A1

Abstract

Feldverteilungs-Korrekturelement (1) zur Positionierung an einem Untersuchungsobjekt (P) in einem Magnetresonanzsystem, zur lokalen Beeinflussung der Hochfrequenzfeldverteilung während einer Magnetresonanzaufnahme mit einer auf einem Trägerelement (5) angeordneten Schar (4) von elektrisch leitfähigen, parallel verlaufenden Dipolstreifen (2, 3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Feldverteilungs-Korrekturelement zur Positionierung an einem Untersuchungsobjekt in einem Magnetresonanzsystem zur lokalen Beeinflussung der B₁-Feldverteilung während einer Magnetresonanzaufnahme. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Magnetresonanzaufnahmen eines Untersuchungsobjekts, bei dem am Untersuchungsobjekt zur lokalen Beeinflussung der B₁-Feldverteilung ein entsprechendes Feldverteilungs-Korrekturelement positioniert wird, sowie eine Verwendung des Feldverteilungs-Korrekturelements zur Homogenisierung eines B₁-Feldes in einem Magnetresonanzsystem.
Bei der Magnet resonanztomographie, auch Kernspintomographie genannt, handelt es sich um eine inzwischen weit verbreitete Technik zur Akquisition von Bildern vom Körperinneren eines lebenden Untersuchungsobjekts. Um mit diesem Verfahren ein Bild zu gewinnen, d. h. eine Magnetresonanzaufnahme eines Untersuchungsobjekts zu erzeugen, muss zunächst der Körper bzw. der zu untersuchende Körperteil des Patienten einem möglichst homogenen statischen Grundmagnetfeld (meist als B₀-Feld bezeichnet) ausgesetzt werden, welches von einem Grundfeldmagneten der Magnetresonanz-Messeinrichtung erzeugt wird. Diesem Grundmagnetfeld werden während der Aufnahme der Magnetresonanzbilder schnell geschaltete Gradientenfelder zur Ortskodierung überlagert, die von sog. Gradientenspulen erzeugt werden. Außerdem werden mit einer Hochfrequenzantenne HF-Pulse einer definierten Feldstärke in das Untersuchungsvolumen eingestrahlt, in dem sich das Untersuchungsobjekt befindet. Die magnetische Flussdichte dieser HF-Pulse wird üblicherweise mit B₁ bezeichnet. Das pulsförmige Hochfrequenzfeld wird daher im Allgemeinen auch kurz B₁-Feld genannt. Mittels dieser HF-Pulse werden die Kernspins der Atome im Untersu chungsobjekt derart angeregt, dass sie um einen so genannten "Anregungsflipwinkel" (im Folgenden auch kurz "Flipwinkel" genannt) aus ihrer Gleichgewichtslage, welche parallel zum Grundmagnetfeld B₀ verläuft, ausgelenkt werden. Die Kernspins präzedieren dann um die Richtung des Grundmagnetfelds B₀. Die dadurch erzeugten Magnetresonanzsignale werden von Hochfrequenzempfangsantennen aufgenommen. Bei den Empfangsantennen kann es sich entweder um die gleichen Antennen, mit denen auch die Hochfrequenzpulse ausgestrahlt werden, oder um separate Empfangsantennen handeln. Die Magnetresonanzbilder des Untersuchungsobjekts werden schließlich auf Basis der empfangenen Magnetresonanzsignale erstellt. Jeder Bildpunkt im Magnetresonanzbild ist dabei einem kleinen Körpervolumen, einem so genannten "Voxel", zugeordnet und jeder Helligkeits- oder Intensitätswert der Bildpunkte ist mit der aus diesem Voxel empfangenen Signalamplitude des Magnetresonanzsignals verknüpft. Der Zusammenhang zwischen einem resonant eingestrahlten HF-Puls mit der Feldstärke B₁ und dem damit erreichten Flipwinkel α ist dabei durch die Gleichung
gegeben, wobei γ das gyromagnetische Verhältnis, welches für die meisten Kernspinuntersuchungen als feststehende Materialkonstante angesehen werden kann, und τ die Einwirkdauer des Hochfrequenzpulses ist. Der durch einen ausgesendeten HF-Puls erreichte Flipwinkel und somit die Stärke des Magnetresonanzsignals hängen folglich außer von der Dauer des HF-Pulses auch von der Stärke des eingestrahlten B₁-Feldes ab. Räumliche Schwankungen in der Feldstärke des anregenden B₁-Feldes führen daher zu unerwünschten Variationen im empfangenen Magnetresonanzsignal, die das Messergebnis verfälschen können.
Ungünstigerweise zeigen aber die HF-Pulse gerade bei hohen magnetischen Feldstärken – die aufgrund des benötigten Magnetgrundfelds B₀ in einem Magnetresonanztomographen zwangsläufig gegeben sind – ein inhomogenes Eindringverhalten in leitfähigen und dielektrischen Medien wie z. B. Gewebe. Dies führt dazu, dass das B₁-Feld innerhalb des Messvolumens stark variieren kann. Insbesondere bei so genannten Ultrahochfeld-, Magnetresonanzuntersuchungen, bei denen modernere Magnetresonanzsysteme mit einem Grundmagnetfeld von drei Tesla oder mehr verwendet werden, müssen daher besondere Maßnahmen getroffen werden, um eine möglichst homogene Verteilung des transmittierten HF-Felds der Hochfrequenzantenne im gesamten Volumen zu erreichen.
Ein einfacher, aber effektiver Ansatz zur Lösung des Problems besteht darin, die (di-)elektrische Umgebung des Untersuchungsobjekts in geeigneter Weise zu modifizieren, um unerwünschte Inhomogenitäten auszugleichen. Hierzu können beispielsweise dielektrische Elemente mit definierter hoher Dielektrizitätskonstante ε, bevorzugt ε ≥ 50, im Untersuchungsvolumen z. B. unmittelbar am Patienten oder auf dem Patienten positioniert werden. Damit können z. B. die typischerweise bei Magnetresonanzuntersuchungen eines Patienten im Brust- und Bauchbereich auftretenden HF-Feld-Minima kompensiert werden, indem auf Brust und Bauch des Patienten entsprechende dielektrische Elemente aufgelegt werden, die durch die lokale Erhöhung des eindringenden Hochfrequenzfelds die Minima wieder kompensieren. In der US 5 865 177 A wird ein dielektrisches Element mit einer Dielektrizitätskonstante ε > 30 in Form eines flachen Gelkissens beschrieben, in welches bereits eine Lokalspule integriert ist.
Als dielektrisches Element kann beispielsweise auch in einem Kunststofffolienbeutel abgefülltes, destilliertes Wasser verwendet werden. Leider hat die Verwendung solcher mit Wasser gefüllter "dielektrischer Kissen" den unerwünschten Nebeneffekt, dass sie in den Magnetresonanzaufnahmen sichtbar sind. Daher wird in der DE 10 2004 015 859 A1 ein "dielektrisches Kissen" mit einer ein Relaxationsagens enthaltenden Füllung vorgeschlagen. Durch die Zugabe des Relaxationsagens wird dafür gesorgt, dass die Protonen im dielektrischen Kissen schneller relaxieren und daher bei der Bilddatenakquisition nicht erfasst werden. Das Kissen ist quasi unsichtbar. Allerdings zeigen diese Kissen einen unerwünschten Einfluss auf das B₀-Feld. Zudem ist die Homogenisierung des transmittierten HF-Feldes noch nicht optimal. In der DE 10 2006 025 940 A1 wird deshalb vorgeschlagen, das Relaxationsagens so in die Füllung des dielektrischen Kissens einzubringen, dass es an voneinander separierte Partikel gebunden ist. Dadurch wird das Einbringen von freien Ladungsträgern in das dielektrische Element weitgehend vermieden, wodurch die Leitfähigkeit der Füllung des dielektrischen Kissens deutlich verringert wird. Dies führt zu einer Reduzierung des abschirmenden Effektes und somit insgesamt zu einer wesentlich stärkeren Homogenisierungswirkung.
Ein weiterer Nachteil von Kissen mit niederviskosem, d. h. flüssigem Inhalt, wie z. B. destilliertem Wasser, besteht darin, dass diese Kissen in der Handhabung unbequem und zum Teil sogar ungeeignet sind, wenn beispielsweise die Form des Kissens durch die Schwerkraft verändert wird. Zudem werden dann hinsichtlich Dichtigkeit und Festigkeit hohe Anforderungen an das Material der Kissenhülle gestellt. Aus diesem Grunde sind auch die Füllungen in den beiden zuletzt genannten Kissen gelförmig ausgebildet und dadurch formstabiler und besser einsetzbar. Sie weisen zudem alle gewünschten Eigenschaften wie eine gute Homogenisierung des transmittierten und empfangenen HF-Feldes, eine Unsichtbarkeit in MR-Bildern und eine biologische Unbedenklichkeit der verwendeten Füllungen auf. Jedoch ergibt sich bei den dort genannten dielektrischen Kissen eine optimierte Kissengröße von ca. 35 cm × 25 cm × 4 cm, wobei das Gewicht der Füllung in etwa 3,5 kg beträgt. Ein wesentlicher Parameter für die Wirksamkeit ist dabei die Kissenstärke von 4 cm.
Sowohl die relativ große Stärke als auch das hohe Kissengewicht haben Nachteile. Zum einen wird die Belastung des Bauchraums mit einem schweren Kissen vom Patienten oft als unangenehm empfunden. Zum anderen vergrößert sich bei der Anwendung einer zusätzlichen Lokalspule durch das zwischen Lokalspule und Patientenkörper anzuordnende Kissen der Abstand der betreffenden Lokalspule zum Patienten deutlich, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis der empfangenen Signale schlechter wird.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Feldverteilungs-Korrekturelement der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zur Erzeugung von Magnetresonanzaufnahmen unter Verwendung eines solchen Feldverteilungs-Korrekturelements derart weiterzuentwickeln, dass das Feldverteilungs-Korrekturelement leichter und dünner ist.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Feldverteilungs-Korrekturelement gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15 sowie durch eine Verwendung des Feldverteilungs-Korrekturelements gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Erfindungsgemäß weist das Feldverteilungs-Korrekturelement eine auf einem Trägerelement angeordnete Schar von elektrisch leitfähigen, im Wesentlichen parallel verlaufenden Dipolstreifen auf. Dieses Feldverteilungs-Korrekturelement wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren direkt am Untersuchungsobjekt so positioniert, dass die Dipolstreifen im Wesentlichen parallel zu einem Grundmagnetfeld des Magnetresonanzsystems verlaufen.
Die Dipolstreifen wirken ähnlich wie eine Dipolantenne. Das E-Feld des ausgesendeten Hochfrequenzfeldes koppelt direkt in die Dipolstreifen ein. Die Dipolstreifen schwingen daraufhin passiv mit, geben die Energie wieder ab und erhöhen somit die B₁-Feldenergie im Bereich des an das Feldverteilungs-Korrekturelement angrenzenden Körperbereichs des Patienten. Dabei bilden sich durch das in die Dipolstreifen eingekoppelte E-Feld Stromschleifen im Körper des Patienten aus, die längs der Dipolstreifen verlaufen, quer durch das Kissen und die Haut treten und sich dann durch das Patientengewebe hindurch schließen. Innerhalb dieser Stromschleifen wird durch die quer zur Schleifenebene verlaufenden Komponenten des primär ausgestrahlten B₁-Feldes ein Strom angeregt, der wiederum ein sekundäres Hochfrequenzfeld zur Folge hat. Die genaue Funktionsweise wird jedoch später noch einmal anhand von Figuren verdeutlich.
Eine Ausrichtung der Dipolstreifenschar im Wesentlichen parallel zum B₀-Feld (d. h. möglichst genau parallel oder zumindest unter einem nur kleinen Winkel) sorgt dafür, dass die E-Feld-Komponente des Hochfrequenzfeldes, welche ja in die Dipolstreifen einkoppeln soll, in Längsrichtung der Dipolstreifen groß ist. Damit ist die Einkopplung besonders gut.
Um das Feld innerhalb des Patientenkörpers wiederum durch eine gute Auskopplung der Energie aus den Dipolstreifen möglichst stark zu erhöhen, ist eine kapazitive Ankopplung der Dipolenden an das Gewebe gewünscht. Daher reicht ein sehr dünnes Trägerelement aus, im Extremfall theoretisch sogar eine einfache Kunststofffolie oder dergleichen. Dieses Trägerelement dient dabei in erster Linie dazu, dass die Dipolstreifen fest als Dipolstreifenschar miteinander verbunden sind und einen festen äquidistanten Abstand haben, wobei sie jedoch gegeneinander elektrisch isoliert sind.
Es hat sich herausgestellt, dass mit einem solchen, vorteilhafterweise sehr einfachen Feldverteilungs-Korrekturelement, welches lediglich aus einem relativ dünnen Trägerelement und darauf angeordneten elektrisch leitfähigen, im Wesentlichen parallel verlaufenden Dipolstreifen besteht, eine ausgezeichnete Korrektur des B₁-Feldes (vergleichbar mit der Verwendung der eingangs genannten dielektrischen Kissen) erreichbar ist. Dabei ist ein solches Feldverteilungs-Korrekturelement erheblich dünner und leichter als ein bisher ideales dielektrisches Kissen. Durch das viel geringere Gewicht ist die Handhabung vereinfacht und der Patient ist weniger belastet und somit kooperativer. Bei der Verwendung einer zusätzlichen Lokalspule kann diese in einem erheblich geringeren Abstand zum Patienten angeordnet sein, was eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zur Folge hat.
Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Zur Herstellung der Dipolstreifen kann im Grunde genommen jedes ausreichend leitfähige Material eingesetzt werden. Bei einer besonders einfachen und effektiven Variante sind die Dipolstreifen aus Metallleiterbahnen gebildet, welche beispielsweise in entsprechendem Abstand auf dem Trägerelement nebeneinander parallel verlaufend aufgebracht sind.
Vorzugsweise sollte darauf geachtet werden, dass die Länge der Dipolstreifen kleiner oder ungefähr gleich der halben Wellenlänge λ des ausgesendeten B₁-Feldes, d. h. der Magnetresonanzfrequenz, ist.
Ist die Länge der Dipolstreifen kürzer als die halbe Wellenlänge der Magnetresonanzfrequenz, so bedeutet dies, dass die Dipoleigenresonanz unter Berücksichtigung des Umgebungseinflusses höher als die Betriebsfrequenz der Dipole ist. Somit ist die Gesamtimpedanz der durch die Dipolstreifen gebildeten Stromschleifen kapazitiv. Daher ist dann das sekundäre B₁-Feld innerhalb der Schleife etwa gleichphasig mit dem primären Hochfrequenzsendefeld, so dass in einem Bereich nah am Kissen eine Feldanhebung erreicht wird, die zu einer Kompensation von in diesem Bereich häufig vorgekommenen Feldminima besonders gut geeignet ist. Die Stärke dieser sekundären Korrekturfelder kann also über die Wahl der Dipollänge gesteuert werden. Eine Annäherung an die halbe Länge der Resonanzfrequenz, d. h. der ausgesendeten Magnetresonanzfrequenz, verstärkt diesen Effekt.
Wie oben erwähnt, könnten die Dipolstreifen im Prinzip direkt auf der Haut bzw. auf einem folienartigen dünnen Trägerelement aufgelegt werden. Allerdings besteht dann die Gefahr, dass an den Kanten der Dipolstreifen Stromdichte-Konzentrationen auftreten, die unter ungünstigen Bedingungen zu lokalen Verbrennungen der Haut führen könnten. Daher wird vorzugsweise ein Trägerelement eingesetzt, welches eine vor gegebene Dicke, vorzugsweise ≥ 3 mm, besonders bevorzugt ≥ 5 mm, und vorzugsweise ≤ 12 mm aufweist. Durch dieses Trägerelement wird ein bestimmter Abstand der Dipolstreifen vom Untersuchungsobjekt eingehalten, wenn das Feldverteilungs-Korrekturelement am Untersuchungsobjekt positioniert ist, sofern das Feldverteilungs-Korrekturelement so eingesetzt wird, dass sich das Trägerelement zwischen den Dipolstreifen und der Körperoberfläche befindet. Dabei hat das Kissen in erster Linie die Funktion, die Stromdichte flächig zu verteilen. Die dafür erforderliche Dicke ist vergleichbar mit dem Abstand der Dipolstreifen voneinander. Das heißt, es wird bevorzugt dafür gesorgt, dass die Dicke des Trägerelements in etwa dem Abstand zwischen zwei Dipolstreifen entspricht. Um das Kissen möglichst dünn zu machen, ist folglich eine Dipolschar vorteilhaft, welche möglichst viele schmale, eng benachbarte Dipolstreifen aufweist.
Zur weiteren Reduzierung von zu hohen lokalen Stromdichte-Konzentrationen an den Enden, insbesondere an den Ecken der Dipolstreifen, ist es vorteilhaft, wenn die Enden der Dipolstreifen abgerundet sind. Außerdem ist es für diesen Zweck auch vorteilhaft, wenn die Enden der Dipolstreifen etwas verbreitert sind.
Als Trägerelement mit einer bestimmten, geringen Stärke wird vorzugsweise ein Trägerelement eingesetzt, welches eine mit einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Gel gefüllte Hülle aufweist. Ein solches Trägerelement ist in Form eines Kissens relativ weich ausgebildet und daher auch für den Patienten bequem.
Die Füllung des Kissens ist vorzugsweise dielektrisch und gegebenenfalls zusätzlich gering ohmsch leitfähig (d. h. es weist in etwa die Leitfähigkeit des menschlichen Gewebes auf). Als dielektrische Flüssigkeit kann theoretisch reines Wasser bzw. destilliertes Wassereingesetzt werden. Um ein zusätzlich gering ohmsch leitfähiges Material zu erhalten könnte z. B. eine Salzlösung verwendet werden. Die Ankopplung der Dipolstreifen erfolgt in den Körper des Patienten rein kapazitiv durch Verschiebeströme über die gesamte Dicke des Kissens. Es sind nur die Isolierschichten, d. h. die Kissenhülle, die Kleidung des Patienten etc., kapazitiv zu überbrücken. Bei einem Trägerelement mit einer leitfähigen Füllung kann eine stärkere Ankopplung der Dipolstreifen an den Körper des Patienten erfolgen. Dies führt zu stärkeren Schleifenströmen und einer breiteren Resonanzkurve. Daher ist in einem solchen Fall die Abstimmung der genauen Länge der Dipolstreifen unkritischer. Aus diesem Grund ist die Verwendung eines Trägerelements mit einem leitfähigen Material bevorzugt.
Für eine besonders gute Formstabilität des gesamten Feldverteilungs-Korrekturelements ist die Füllung besonders bevorzugt gelförmig.
Vorzugsweise sollte die Füllung des Trägerelements wie bei den dielektrischen Kissen zudem so ausgebildet sein, dass diese in den MR-Bildern nicht sichtbar ist.
Im Prinzip kann dies auf die gleiche Weise erreicht werden wie bei den bereits beschriebenen dielektrischen Kissen gemäß der DE 10 2006 02 5940 A1 bzw. gemäß der DE 10 2004 015 859 A1 . Das heißt, es wird in die Füllung des Trägermaterials ein Relaxationsagens eingebracht, welches dafür sorgt, dass die darin befindlichen Protonen relativ schnell relaxieren und somit nicht in den MR-Bildern sichtbar sind. Als Relaxationsagens kann beispielsweise eine paramagnetische Substanz eingesetzt werden, welches mindestens ein chemisches Element der Gruppe folgender Elemente enthält: Gadolinium, Europium, Eisen, Chrom, Nickel, Kupfer und Mangan. Besonders bevorzugt wird Mangan, insbesondere in der Form Mn²⁺, eingesetzt.
Aufgrund der starken Relaxationswirksamkeit von Mn²⁺ genügt die Verwendung einer geringen Konzentration, um eine hinreichende Unsichtbarkeit des Kissens im Bild zu erreichen. Dies verringert die Beeinflussung des B₀-Felds noch weiter. Bei spielsweise bietet sich die Verwendung von Mn²⁺-dotiertem Ultraschallgel als Kissenfüllung an.
Besonders bevorzugt liegt das Relaxationsagens, insbesondere bei Verwendung einer paramagnetischen Substanz, in einer Konzentration von 10 bis 200 mmol/kg, ganz besonders bevorzugt 30 bis 100 mmol/kg, bezogen auf die Füllung des Kissens vor.
Bezüglich des genauen Aufbaus der Materialien wird noch einmal auf die bereits eingangs erwähnten Schriften DE 10 2004 015 859 A1 sowie DE 10 2006 925 940 A1 verwiesen, in denen Rezepturen und Bestandteile angegeben sind. Besonders bevorzugt sollte das Relaxationsagens, wie in der letztgenannten Schrift angegeben, auch gebunden an voneinander separierte Partikel vorliegen, um die dort beschriebenen Vorteile zu erreichen.
Eine andere Alternative, bei der die Füllung des Trägerelements bzw. das Trägerelement selbst unsichtbar ist, wird in der DE 10 2004 006 551 A1 beschrieben. Bei dieser Variante muss dafür gesorgt werden, dass zumindest die Füllung des Trägerelements aus einem elektrisch leitfähigen oder dielektrischen Material besteht, dessen Magnetresonanzlinien bei einem gegebenen Magnetfeld mindestens um ein bestimmtes Maß gegenüber der Magnetresonanzlinie von Wasserprotonen verschoben sind. Es muss dann bei der Erzeugung der Magnetresonanzaufnahmen dafür gesorgt werden, dass eine Messsequenz verwendet wird, so dass bei einer Akquisition der Bildrohdaten das Material des Trägerelements bzw. zumindest der Füllung des Trägerelements keine Signalbeiträge für die Bilderzeugung liefert und/oder die von diesem Material verursachten Signale von den vom Untersuchungsobjekt verursachten Signalen ohne weiteres separierbar sind. In der DE 10 2004 006 551 A1 wird beschrieben, wie solche Messsequenzen aussehen können, um bei einem dielektrischen Element, welches aus entsprechenden Materialien gefertigt ist, diesen Zweck zu erreichen. Es wird insoweit auf diese Schrift verwiesen.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematischen Querschnitt durch ein auf den Bauch eines Patienten aufgelegtes dielektrisches Kissen nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des in 1 gezeigten dielektrischen Kissens,
3 einen schematischen Querschnitt durch ein auf den Bauch eines Patienten aufgelegtes Feldverteilungs-Korrekturelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine schematische Draufsicht auf das auf den Patienten aufgelegte Feldverteilungs-Korrekturelement gemäß 3,
5 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise des in den 3 und 4 gezeigten Feldverteilungs-Korrekturelements,
6 einen schematischen Querschnitt durch das auf den Bauch des Patienten aufgelegte Feldverteilungs-Korrekturelement wie in 3, jedoch mit darüber aufgelegter Lokalspule,
7 einen schematischen Querschnitt durch ein unter den Rücken eines Patienten gelegtes Feldverteilungs-Korrekturelement gemäß den 3 bis 6 sowie eine darunter angeordnete Lokalspule,
8 eine schematische Draufsicht auf ein Feldverteilungs-Korrekturelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt ein typisches dielektrisches Element, wie es beispielsweise in der DE 10 2004 015 859 A1 beschrieben und bereits in der Praxis eingesetzt wird. Dieses dielektrische Kissen K wird auf den Bauch eines auf einer Liege 10 des Magnetresonanzsystems liegenden Patienten P aufgelegt, um lokal im Bauchbereich, d. h. unter dem Kissen K, die Feldstärke des B₁-Felds zu erhöhen. Auf dieses dielektrische Kissen K wird zur Messung der Magnetresonanzsignale beispielsweise eine Lokalspule 11 aufgelegt.
Die Wirkung eines solchen dielektrischen Kissens K ist aus 2 zu ersehen. Die Orientierung ist hier so, dass die z-Richtung parallel zum Grundmagnetfeld B₀ in Längsrichtung des Körpers des Patienten P verläuft. Die x-Richtung ragt aus der Bildebene heraus und die y-Richtung steht, wie durch das Koordinatensystem dargestellt, senkrecht auf der x-/z-Ebene.
Im Körper des Patienten P liegt aufgrund des eingestrahlten Resonanzsignals ein primäres B₁-Feld B_1,P an. Durch dieses B₁-Feld B_1,P wird innerhalb des dielektrischen Kissens K selbst sowie im Körper des Patienten P im Bereich unterhalb des Kissens K ein als Stromschleife I dargestellter Kreisstrom induziert, welcher die in 2 dargestellte Richtung hat. Durch diesen induzierten Wechselstrom wird wiederum ein sekundäres B₁-Feld B_1,S im Körper des Patienten P induziert. Dieses sekundäre B₁-Feld B_1,S ist, da die Feldlinien ringförmig um die Stromlinien der Stromschleife I verlaufen, so ausgerichtet, dass die Orientierung des sekundären Felds B_1,S im Inneren der Stromschleife I, d. h. in dem Teil des Patienten P nahe dem dielektrischen Kissen K, das primäre Feld B_1,P unterstützt. Außerhalb der Stromschleife I ist das sekundäre B_1,s Feld entgegengesetzt zu der Orientierung des primären Felds B_1,p.
Das dielektrische Kissen K liegt dabei mit seiner Längsausdehnung im Stromweg der Stromschleifen I. Da für den Widerstand des Pfades des induzierten Stroms das Verhältnis der relativ großen Länge zur kleineren Dicke des Kissens K maß geblich ist, darf das Kissen K keine sehr geringe Dicke haben. Außerdem muss das Füllmaterial im Kissen K eine gute Leitfähigkeit oder eine außerordentlich hohe dielektrische Permitivität haben. In der Praxis werden daher Kissen K mit einer optimierten Kissengeometrie verwendet, die 35 cm lang und 25 cm breit sind und deren Dicke d 4 cm beträgt. Die Kissen sind mit einem Gel befüllt und mit einem Gewicht von ca. 3,5 kg relativ schwer.
In den 3 und 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Feldverteilungs-Korrekturelements 1 dargestellt, welches die gleiche Wirkung hat wie das dielektrische Kissen K gemäß den 1 und 2, jedoch erheblich dünner und leichter ist.
Anstelle eines dicken dielektrischen Kissens K weist dieses Feldverteilungs-Korrekturelement 1 lediglich noch ein sehr dünnes kissenförmiges Trägerelement 5 (im Folgenden auch kurz Kissen 5 genannt) mit der Dicke bzw. Stärke h ≤ 1 cm auf. Dieses Kissen 5 dient tatsächlich lediglich als Träger für eine auf der Oberseite des Kissens 5 aufgebrachte Schar 4 von Dipolstreifen 2. Die Dipolstreifen 2 können hierbei einfache parallel laufende Leiterstreifen sein, beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen Metall, die direkt auf die Hülle des kissenförmigen Trägerelements 5 aufgebracht, beispielsweise aufgeklebt sind.
Der Abstand a dieser Metallleiterbahnen entspricht in etwa der Dicke h des Kissens 5. Wie bereits eingangs erwähnt, kann das als Trägerelement 5 dienende Kissen 5 im Übrigen in der gleichen Weise aufgebaut sein wie die herkömmlichen dielektrischen Kissen K, d. h. es kann aus einer Folienhülle mit einem darin befindlichen dielektrisch wirkenden und gegebenenfalls leitfähigen Gel bestehen. Dabei sollte der Füllstoff nur mäßig leitfähig sein (beispielsweise ungefähr die Leitfähigkeit des menschlichen Gewebes aufweisen). D. h. es ist nicht wie bei den dielektrischen Kissen K nach dem bekannten Stand der Technik notwendig, dass ein stark leitfähiger Stoff oder ein Stoff mit einer hohen Dielektrizitätskonstante verwendet wird. Es sollte jedoch darauf geachtet werden, dass der Stoff möglichst biologisch unbedenklich ist. Es hat sich herausgestellt, dass ein Mn²⁺-dotiertes Ultraschallgel, welches zur Unsichtbarmachung in den MR-Bildern mit einem Relaxationsagens versehen ist, recht gut geeignet ist.
Zum Verständnis der Wirkungsweise des Feldverteilungs-Korrekturelements 1 wird auf 5 verwiesen. Hier sind die Feldlinien analog zu der Darstellung für das herkömmliche dielektrische Kissen K in 2 dargestellt. Die z-Richtung ist wieder die Längsrichtung des Patienten P parallel zum Grundmagnetfeld B₀ und die x-Richtung ragt aus der Bildebene heraus.
Auch hier ist wieder das primäre B₁-Feld B_1,P zu sehen, welches durch die Einstrahlung der Hochfrequenzpulse erreicht wird. Da die Dipolstreifen 2 parallel zum B₀-Feld liegen (vgl. auch 4), ist die E-Feld-Komponente dieses primären B₁-Felds B_1,p parallel zur Längsrichtung der Dipolstreifen 2 und koppelt in die Dipolstreifen 2 wie in eine übliche Dipolantenne ein. Es bildet sich daher ein induzierter Kreisstrom entlang der dargestellten Stromschleifen I aus, welcher entlang der Dipolstreifen 2 verläuft, quer durch das Trägerelement 5 und die Haut des Patienten P tritt und sich dann durch das Patientengewebe hindurch schließt. Dabei wird entlang dieser Stromschleifen I durch die x-Komponente des Hochfrequenz-Sendemagnetfelds ein Strom angeregt, der wiederum ein sekundäres HF-Feld, d. h. ein sekundäres B₁-Feld B_1,s, zur Folge hat. Auch hier unterstützt die Orientierung der sekundären Felder B_1,S im Inneren der Stromschleife I, also in den den Dipolstreifen nahen Bereichen des Patienten P, das primäre Feld B_1,P. Außerhalb der Stromschleife I, im unteren Bereich des Patientengewebes ist das sekundäre B_1,s Feld entgegengesetzt zu der Orientierung des primären Feldes B_1,P.
Die Länge der Dipolstreifen 2 ist hier so gewählt, dass sie in etwa der halben Wellenlänge des eingesendeten Hochfre quenzfelds entspricht, wobei die Länge der Dipolstreifen bevorzugt etwas unterhalb der halben Wellenlänge liegt. Dadurch ist dafür gesorgt, dass das sekundäre Feld innerhalb der Schleife etwa gleichphasig mit dem primären Feld B_1,s ist, so dass im oberen Bereich, nah an dem Feldverteilungs-Korrekturelement 1, eine starke Feldanhebung erreicht wird, die zur Kompensation von in diesem Bereich häufig vorkommenden Feldminima gut geeignet ist. Bei einer H₁-Messung in einem Magnetresonanzgerät mit 3 Tesla liegt die MR-Freguenz bei ca. 120 Mhz, d. h. die Wellenlänge liegt bei 2,5 m. Daraus ergibt sich, dass die Länge der Dipolstreifen unter diesen Bedingungen vorzugsweise in etwa 30–40 cm betragen sollte.
Als ideale Kissengeometrie in Anlehnung an die bisher verwendeten dielektrischen Kissen mit den Maßen 35 cm × 25 cm × 4 cm wird für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Feldverteilungs-Korrekturelements 1 ein Trägerelement 5 mit der Länge von 35 cm, einer Breite von 25 cm und einer Dicke h von 1 cm gewählt. Dies führt bei der Verwendung eines Mn²⁺-dotierten Ultraschallgels, welches eine ausreichende Dielektrizität aufweist und in den MR-Bildern nicht sichtbar ist, zu einem Gesamtgewicht von nur ca. 0,9 kg. Das erfindungsgemäße Feldverteilungs-Korrekturelement ist somit erheblich leichter und dünner als ein herkömmliches dielektrisches Kissen K mit gleicher Wirkung.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Feldverteilungs-Korrekturelements 1 besteht also bereits in der leichteren Handhabbarkeit und der geringeren Belastung für den Patienten. Ein weiterer Vorteil ist unmittelbar aus den 6 und 7 ersichtlich.
In 6 ist zu sehen, dass eine auf dem Patienten P aufgelegte Lokalspule 11 erheblich näher am Patienten P positioniert ist als bei der Verwendung eines herkömmlichen dielektrischen Kissens K (vgl. 1). Durch die geringere Entfernung ist das Signal-Rausch-Verhältnis der empfangenen MR-Signale erheblich besser.
Zudem besteht bei diesem Kissen auch sehr gut die Möglichkeit, dieses unter den Patienten zu legen, wenn beispielsweise mit einer Lokalspule 12 eine Wirbelsäulenaufnahme gemacht werden soll. Dies ist in 7 zu erkennen. Hierzu wird zunächst auf die Liege 10 die Wirbelsäulen-Lokalspule 12 aufgelegt. Darüber wird das erfindungsgemäße Feldverteilungs-Korrekturelement 1 gelegt. Darauf wird dann der Patient P gelagert. Da das Feldverteilungs-Korrekturelement 1, welches ja nur aus dem 1 cm dicken Trägerelement 5 und den darauf aufgebrachten dünnen Dipolstreifen 2 besteht, relativ dünn ist, ist es kein Problem, ein solches Element 1 unter den Rücken des Patienten P zu legen. Dagegen wäre diese Anordnung mit einem herkömmlichen dielektrischen Element K nicht oder nur schwer möglich. Auch in einem solchen Fall kann also mit dem erfindungsgemäßen Feldverteilungs-Korrekturelement 1 sehr gut das B₁-Feld im interessierenden Bereich, hier die Wirbelsäule des Patienten P, verstärkt werden, um lokale Minima des primären B₁-Felds auszugleichen.
8 zeigt eine Variante des Feldverteilungs-Korrekturelements 1, welches sich lediglich in der Form der Dipolstreifen 3 von dem Ausführungsbeispiel gemäß der 3 unterscheidet. Bei diesem Feldverteilungs-Korrekturelement 1 weisen die Dipolstreifen 3 jeweils verbreiterte und abgerundete Enden 6 auf, damit an den Ecken der Dipolstreifen 3 nicht zu hohe Stromdichte-Konzentrationen auftreten, die für den Patienten nachteilig sein könnten. Diese Form der Dipolstreifen 3 ist insbesondere dann sinnvoll, wenn ein noch dünneres Trägerelement 5 eingesetzt werden soll und daher der Abstand zwischen den Dipolstreifen 3 und der Hautoberfläche des Patienten P geringer ist.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Feldverteilungs-Korrekturelementen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifi ziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Claims

Feldverteilungs-Korrekturelement (1) zur Positionierung an einem Untersuchungsobjekt (P) in einem Magnetresonanzsystem, zur lokalen Beeinflussung der Hochfrequenzfeldverteilung während einer Magnetresonanzaufnahme mit einer auf einem Trägerelement (5) angeordneten Schar (4) von elektrisch leitfähigen, parallel verlaufenden Dipolstreifen (2, 3).
Feldverteilungs-Korrekturelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dipolstreifen (2, 3) aus Metall-Leiterbahnen gebildet sind.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Dipolstreifen (2, 3) kleiner oder gleich der halben Wellenlänge des ausgesendeten B₁-Felds ist.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (5) eine vorgegebene Dicke (h) aufweist.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (h) des Trägerelements (5) dem Abstand (a) zwischen zwei Dipolstreifen (2) entspricht.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (6) der Dipolstreifen (3) abgerundet sind.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden (6) der Dipolstreifen (3) verbreitert sind.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (5) eine mit einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Gel gefüllte Hülle aufweist.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (5) mit einem dielektrischen Material gefüllt ist.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dielektrische Material eine Leitfähigkeit aufweist, die der des menschlichen Gewebes entspricht.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (5) so ausgebildet ist, dass es bei einer Magnetresonanzaufnahme unsichtbar ist.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung des Trägerelements (5) ein Relaxationsagens enthält.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Relaxationsagens gebunden an voneinander separierte Partikel vorliegt.
Feldverteilungs-Korrekturelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10 und Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung des Trägerelements (5) aus einem Material besteht, dessen Magnetresonanzlinie(n) bei einem gegebenen Magnetfeld mindestens um ein bestimmtes Maß gegenüber der Magnetresonanzlinie von Wasserprotonen verschoben ist/sind.
Verfahren zur Erzeugung von Magnetresonanzaufnahmen eines Untersuchungsobjekts (P) in einem Magnetresonanzsystem, bei dem zur lokalen Beeinflussung der Hochfrequenzfeldverteilung am Untersuchungsobjekt (P) ein Feldverteilungs-Korrekturelement (1) mit einer auf einem Trägerelement (5) angeordneten Schar (4) von elektrisch leitfähigen, parallel verlaufenden Dipolstreifen (2, 3) so positioniert wird, dass die Dipolstreifen (2, 3) parallel zu einem Grundmagnetfeld (B₀) des Magnetresonanzsystems verlaufen.
Verwendung eines Feldverteilungs-Korrekturelements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Homogenisierung eines Hochfrequenzfeldes in einem Magnetresonanzsystem.