DE102007023542A1 - Magnetresonanz-System und Verfahren zu dessen Steuerung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Magnetresonanz-System mit zumindest einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit offenbart, die eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1), eine Hochfrequenz-Stromquelle (3), die zum Senden mit der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) koppelbar ist, und einen Verstärker (5) aufweist, der zum Empfangen mit der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) koppelbar ist. Um die Erzeugung wohldefinierter Magnetfelder in einem Probekörper zu verbessern, ist erfindungsgemäß ein Umschalter (9) vorgesehen, der eingerichtet ist, bei einem Sendevorgang den Verstärker (5) und bei einem Empfangsvorgang die Hochfrequenz-Stromquelle (3) von der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) zu trennen. Es wird ferner ein Verfahren zur Steuerung eines derartigen Magnetresonanz-Systems offenbart.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetresonanz-System mit zumindest einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit, die eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule, eine Hochfrequenz-Stromquelle, die zum Senden mit der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule koppelbar ist, und einen Verstärker aufweist, der zum Empfangen mit der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule koppelbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steuerung eines Magnetresonanz-Systems mit zumindest einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit, bei dem zum Senden eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule mit einer Hochfrequenz-Stromquelle gekoppelt wird, um ein bestimmtes hochfrequentes Magnetfeld zu erzeugen, und zum Empfangen die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule, in der durch ein Resonanzmagnetfeld eine Spannung induziert wird, mit einem Verstärker gekoppelt wird.
  • Die Anforderungen an moderne Magnetresonanz-Systeme zur Magnetresonanz-Bildgebung (MRI) und Magnetresonanz-Spektroskopie (MRS) machen den Einsatz von Hochfrequenz-Einheiten notwendig, die mehrere Spulenelemente aufweisen. Die eingesetzten Hochfrequenz-Spulen werden in diesem Zusammenhang üblicherweise als Hochfrequenz-Antennen bezeichnet. Hierbei werden häufig Kombinationen reso nanter Hochfrequenz-Spulen bzw. -Antennen benutzt, bei denen die einzelnen Antennen von Wechselspannungsquellen angeregt werden.
  • Um das für das Magnetresonanz-Experiment erforderliche, wohl definierte Hochfrequenz-Magnetfeld in einem Probenkörper, beispielsweise in einem Patienten bei der Magnetresonanz-Tomografie, zu erzeugen, muss der Strom in jedem einzelnen Antennenelement kontrolliert bzw. gesteuert werden. Diese Stromkontrolle wird aber durch eine gegenseitige Kopplung der einzelnen Antennenelemente erschwert, was besonders bei höheren Frequenzen sowohl während der Sendevorgänge als auch während der Empfangsvorgänge ein zunehmendes Problem darstellt. Die Kopplung der Antennenelemente untereinander führt während des Empfangens zu einer Verzerrung des Empfindlichkeitsprofils der Spule des Antennenelementes und verschlechtert ferner die Homogenität des Hochfrequenz-Magnetfeldes während des Sendens.
  • Gemäß der US 5,489,847 sind zur Entkopplung der Antennenelemente einer aus mehreren Spulen bestehenden Magnetresonanz-Arrayspule zusätzliche induktive oder kapazitive Entkopplungselemente vorgesehen. Ein Nachteil derartiger Lösungen besteht allerdings darin, dass sie nur bei bestimmten Antennenkonfigurationen angewendet werden können. Hierzu alternativ vorgeschlagene Entkopplungs-Netzwerke sind in der praktischen Anwendung nur umständlich einsetzbar, da dieses Netzwerk für jedes zu untersuchende Objekt neu optimiert werden muss. Das bedeutet beispielsweise bei einem Einsatz in der Magnetresonanz-Tomografie in der Regel eine neue Optimierung des Enkopplungs-Netzwerkes für jeden einzelnen, zu untersuchenden Patienten.
  • Aus der US 2005/0242816 A1 ist ein Sendespulen-Array bekannt, bei dem die einzelnen Antennenelemente entkoppelt sind. Durch die Verwendung von Hochfrequenz-Stromquellen kann der Antennenstrom kontrolliert gesteuert werden, wodurch es gelingt, die einzelnen Antennenelemente effektiv voneinander zu entkoppeln. Obwohl das dort beschriebene System eine Entkopplung der Einzelantennen während des Sendens erlaubt, bietet die Druckschrift allerdings keinen Hinweis für die Entkopplung während eines Empfangsvorgangs.
  • Insbesondere das Rauschen der zum Senden verwendeten Stromquelle führt zu einer bei dem Empfangsvorgang unakzeptablen Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Eine weitere einschneidende Einschränkung des Systems für den Einsatz in Magnetresonanz-Tomografen ist die starke Beeinträchtigung der Homogenität des statischen Magnetfeldes des Systems durch die Komponenten, die die Spulenströme kontrolliert steuern, sowie durch den Gleichstromanteil der Hochfrequenz-Stromquelle gegeben. Schließlich ist das Vorsehen eines Arrays an Antennenelementen zum Senden und eines weiteren Array zusätzlicher Antennenelementen zum Empfangen durch die Vielzahl der erforderlichen Bauelemente kostenintensiv.
  • Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erzeugung wohl definierter Magnetfelder in einem Probekörper in einfacher und kostengünstiger Weise zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Magnetresonanz-System mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Steuerung eines Magnetresonanz-Systems mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
  • Bei einem Magnetresonanz-System der eingangs beschriebenen Art ist erfindungsgemäß ein Umschalter vorgesehen, der eingerichtet ist, bei einem Sendevorgang den Verstärker und bei einem Empfangsvorgang die Hochfrequenz-Stromquelle von der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule zu trennen.
  • Kern der Erfindung ist die Anordnung der einzelnen Bauelemente der Hochfrequenz-Sende-Empfangseinheit derart, dass durch die erfindungsgemäße Umschaltung jeweils ein Teilbereich der gesamten Schaltung von einem anderen Teilbereich getrennt wird, so dass das sowohl beim Senden als auch beim Empfangen eingesetzte Antennenelement jeweils nur mit dem Teilbereich der Schaltung mit den für den aktuellen Vorgang wesentlichen Bauelementen gekoppelt ist. Somit kann ein und dieselbe Antenne sowohl für den Sendevorgang als auch für den Empfangsvorgang eingesetzt werden, wodurch die Gesamtzahl der erforderlichen Antennenelemente reduziert ist.
  • Bevorzugt sind bei einem erfindungsgemäßen Magnet-Resonanz-System eine Vielzahl von Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheiten vorgesehen, deren Verstärker eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen. Die hohe Eingangsimpedanz sorgt für einen geringen Stromfluss, der dadurch nur ein schwaches Störmagnetfeld erzeugt.
  • In vorteilhafter Weise ist bei einem erfindungsgemäßen Resonanzsystem vorgesehen, dass die Hochfrequenz-Stromquelle einen Hochfrequenz-Leistungs-MOSFET aufweist. Bevorzugt ist der Verstärker ein GaAs-FET-Verstärker.
  • Um eine Beeinträchtigung der Homogenität des Magnetfeldes durch elektronische Komponenten zu reduzieren, ist die Hochfrequenz-Stromquelle in einer ausreichenden Entfernung zu der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule anzuordnen und über eine Hochfrequenz-Zuleitung mit dieser verbunden.
  • In vorteilhafter Weise ist die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule über zumindest eine Hochfrequenz-Zuleitung mit dem Verstärker verbunden. Bevorzugt entspricht die Länge der Hochfrequenz-Zuleitungen jeweils einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule eingerichtet ist, einen Serienresonanzkreis auf der Magnetresonanz-Frequenz zu bilden.
  • In vorteilhafter Weise sind eine Iduktivität und eine Kapazität zwischen der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule und dem Verstärker vorgesehen, die einen Serienresonanzkreis auf der Magnetresonanz-Frequenz zu bilden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden in vorteilhafter Weise zumindest zwei Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheiten vorgesehen, deren Entkopplung untereinander derart erfolgt, dass bei dem Senden die in der jeweils anderen Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit induzierten hochfrequenten Spannungen aufgrund der Kopplung mit der Hochfrequenz-Stromquelle einen reduzierten hochfrequenten Stromfluss zur Folge haben und dass bei dem Empfangen die in der Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit induzierte hochfrequente Spannung aufgrund der Kopplung mit dem Verstärker einen reduzierten hochfrequenten Stromfluss zur Folge hat. Dadurch weist die betrachtete Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit eine zumindest deutlich reduzierte oder sogar keine magnetische Kopplung mit der jeweils anderen Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit auf.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer detaillierten Beschreibung einer Ausführungsform unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt ein schematisches Schaltbild einer einzelnen Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit für ein erfindungsgemäßes Magnetresonanz-System, das eine Vielzahl derartiger Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheiten aufweist. Die in der Figur dargestellte einzelne Schaltung weist eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule 1 auf, die als ein Antennenelement dient. Die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule 1 wird in Serienresonanz auf der Kernresonanzfrequenz betrieben.
  • Die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule 1 ist über eine geeignete Hochfrequenz-Zuleitung 2, deren Länge einem ganzzahligem Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht und die auch oftmals mit λ/2-HF-Leitung bezeichnet wird, mit einer kontrolliert steuerbaren Hochfrequenz-Stromquelle 3 gekoppelt. Die kontrolliert steuerbare Stromquelle 3 der in der Figur dargestellten Schaltung weist einen Hochfrequenz-Leistungs-MOSFET 4 auf.
  • Weiterhin weist die Schaltung einen Verstärker 5 als Vorverstärker für ein Empfangssignal auf, beispielsweise einen GaAs-FET-Verstärker. Dieser ist ebenfalls über eine geeignete Hochfrequenz-Zuleitung 6, deren Länge einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht, mit der Schaltung gekoppelt. Ferner sind in der dargestellten Schaltung eine Spule 7 und ein Kondensator 8 vorgesehen, die ein serienresonantes LC-Glied bilden. Die Umschaltung zwischen einem Sendevorgang und einem Empfangsvorgang erfolgt erfindungsgemäß durch einen Schalter 9.
  • Die Hochfrequenz-Stromquelle 3 basiert auf einem MOSFET-Transistor 4, der mit zwei Gleichspannungsquellen VDD (Drain-Spannung) und VGG (Gate-Spannung) in seinem optimalen Arbeitspunkt gehalten wird. Der an dem Gateanschluss angelegten Gleichspannung VGG wird die zu sendende Hochfrequenzspannung Vin über ein geeignetes Anpassnetzwerk 10 überlagert. Auf diese Weise kann der der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule 1 zugeführte Spulenstrom derart kontrolliert gesteuert werden, dass eine wirksame bzw. effektive Entkopplung der einzelnen Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspulen 1 mehrerer Hochfrequenz-Sende-/Empfangs einheiten des erfindungsgemäßen Magnetresonanz-Systems während des Sendevorganges erreicht wird.
  • Durch Tastung der Versorgungsspannung VDD wird die Umschaltung zwischen einer Sendephase und einer Empfangsphase realisiert. Diese Funktionsweise ergibt sich aus der Tatsache, dass in einem Magnetresonanz-Experiment der Sende- und Empfangsvorgang stets zeitlich voneinander getrennt erfolgen. Im Sendemodus, d. h. der Schalter 9 ist geschlossen und an dem MOSFET 4 liegt die Drain-Spannung VDD an, wird der Hochfrequenz-Spulenstrom durch die Hochfrequenz-Stromquelle 3 kontrolliert gesteuert. Wohingegen der Verstärker 5 im Sendemodus durch eine leitende Diode 11, die zwischen dem Schalter 9 und dem Kondensator 8 des LC-Gliedes angeordnet ist, von der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule 1 getrennt bzw. entkoppelt wird.
  • Bei einem Einsatz von handelsüblichen Leistungs-MOSFET's lassen sich mit dem Magnetresonanz-System hochfrequente Magnetfelder in einer Größenordnung erzeugen, für die bei konventioneller Ansteuerung der Sende-/Empfangs-Spulenelemente eine Hochfrequenz-Leistungsaufnahme von 50 bis 100 Watt erforderlich wären.
  • Im Empfangsmodus ist hingegen die Hochfrequenz-Stromquelle 3 durch eine jetzt hochohmige Diode 12 von der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule 1 getrennt bzw. entkoppelt, während die in der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule 1 induzierten Signale über das niederohmige serienresonante LC-Glied 7, 8 zum Verstärker 5 geleitet werden. Die hohe Eingangsimpedanz der Verstärkers 5 selber führt zu einer Entkopplung der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspulen 1 mehrerer Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheiten während des Empfangsvorgangs. In den Antennenelementen induziert zwar das äußere Resonanzmagnetfeld eine entsprechende Resonanzspannung, aber aufgrund der hohen Impedanz fließt nur ein geringer Strom. Durch den geringen Stromfluss ist auch das stets bei fließenden Strömen entstehende Magnetfeld gering, so dass die dadurch bewirkte Störung deutlich reduziert ist.
  • Die vorgeschlagene Schaltung löst das Problem für untereinander gekoppelte resonante Magnetresonanz-Antennenelemente von Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheiten für den Sende- und Empfangsfall durch eine neuartige Kombination zweier Entkopplungsstrategien. Erstens durch eine aktive und kontrollierte Steuerung des Hochfrequenz-Spulenstromes während des Sendens und zweitens durch die Ankopplung von Verstärkern 5 mit hohen Eingangsimpedanzen während des Empfangens.
  • Der Hauptvorteil der Erfindung liegt in der, verglichen mit früheren Lösungen, verbesserten Entkopplung benachbarter Antennenelemente in Mehrelement-Spulen sowohl während des Sendens als auch während des Empfangens. Die während des Sende-Vorgangs verwendete Stromsteuerung hat den Vorteil, dass die Möglichkeit, der Entkopplung nicht mehr von der räumlichen Anordnung und der Verschaltung der Einzelantennen zueinander abhängt. Dies erweitert die Möglichkeit, neuartige, für bestimmte Magnetresonanz-Anwendungen maßgeschneiderte Spulengeometrien zu verwirklichen.
  • Ein weiterer entscheidender Vorteil liegt in der vereinfachten Impedanzanpassung an die Frequenz des Magnet-Resonanz-Experiments. Durch die Entkopplung der Einzelelemente können diese einzeln ohne zeitaufwendige Iterationsschritte abgestimmt werden. Vorteilhaft ist zudem, dass durch die Entkopplung der Einzelelemente ein höheres Hochfrequenz-Magnetfeld in der Probe bzw. dem Patienten erzeugt wird, weil die parasitäre Anregung der Nachbarspulen vermieden wird. Auf diese Weise lassen sich auch die in dem Messobjekt bzw. in dem Patienten absorbierte Hochfrequenz-Leistung und damit die spezifische Absorptionsrate (SAR) reduzieren, wodurch ein sicherer Patientenbetrieb realisiert werden kann.
  • Da in einem Magnetresonanz-System die Sendephase im Allgemeinen wesentlich kürzer als die Empfangsphase ist, wird durch die beschriebene Art und Weise der erfindungsgemäßen Sende-Empfangs-Schaltung zugleich die mittlere Verlustleistung in dem Leistungs-MOSFET 4 drastisch reduziert. Deshalb kann auf aufwändige Kühlmaßnahmen verzichtet werden.
  • Durch die Verwendung vieler Spulenelemente können in dem Messobjekt bzw. in dem Patienten gleichartige, hochfrequente Magnetfelder wie mit einer konventionellen Volumenspule erzeugt werden, ohne dass teure gepulste Leistungsverstärker mit Leistungen im Kilowattbereich erforderlich sind. Weiterhin kann durch gezielte Ansteuerung einzelner Elemente bzw. von Gruppen weniger Elemente die in dem Patienten absorbierte Hochfrequenzleistung lokal besser kontrolliert werden, wodurch ein Betrieb des Magnetresonanz-Tomografen mit deutlich reduzierter SAR möglich ist. Somit ist auch ein Betrieb insbesondere für Patienten mit aktiven Implantaten, beispielsweise mit einem Herzschrittmacher, oder mit passiven Implantaten, beispielsweise künstlichen Gelenken etc., durchgeführt werden, bei denen bislang ein sicherer Einsatz eines Magnetresonanz-Tomografen ohne Gefährdung des Patienten nicht möglich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 5489847 [0004]
    • - US 2005/0242816 A1 [0005]

Claims (11)

  1. Magnetresonanz-System mit zumindest einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit, die eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1), eine Hochfrequenz-Stromquelle (3), die zum Senden mit der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) koppelbar ist, und einen Verstärker (5) aufweist, der zum Empfangen mit der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) koppelbar ist, gekennzeichnet durch einen Umschalter (9), der eingerichtet ist, bei einem Sendevorgang den Verstärker (5) und bei einem Empfangsvorgang die Hochfrequenz-Stromquelle (3) von der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) zu trennen.
  2. Magnetresonanz-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheiten vorgesehen ist, deren Verstärker (5) eine hohe Eingangsimpedanz aufweisen.
  3. Magnetresonanz-System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Stromquelle (3) einen Hochfrequenz-Leistungs-MOSFET (4) aufweist.
  4. Magnetresonanz-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (5) ein GaAs-FET-Verstärker ist.
  5. Magnetresonanz-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) über eine Hochfrequenz-Zuleitung (2) mit der Hochfrequenz-Stromquelle (3) verbunden ist.
  6. Magnetresonanz-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) über zumindest eine Hochfrequenz-Zuleitung (2, 6) mit dem Verstärker (5) verbunden ist.
  7. Magnetresonanz-System nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Hochfrequenz-Zuleitungen (2, 6) jeweils einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.
  8. Magnetresonanz-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) eingerichtet ist, einen Serienresonanzkreis auf der Magnetresonanz-Frequenz zu bilden.
  9. Magnetresonanz-System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Iduktivität (7) und eine Kapazität (8) zwischen der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) und dem Verstärker (5) vorgesehen sind, die einen Serienresonanzkreis auf der Magnetresonanz-Frequenz zu bilden.
  10. Verfahren zur Steuerung eines Magnetresonanz-Systems mit zumindest einer Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit, bei dem zum Senden eine Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) mit einer Hochfrequenz-Stromquelle (3) gekoppelt wird, um ein bestimmtes hochfrequentes Magnetfeld zu erzeugen, und zum Empfangen die Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1), in der durch ein Resonanzmagnetfeld eine Spannung induziert wird, mit einem Verstärker (5) gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung derart erfolgt, dass bei dem Senden der Verstärker (5) und bei dem Empfangen die Hochfrequenz-Stromquelle (3) von der Hochfrequenz-Sende-/Empfangsspule (1) getrennt werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheiten vorgesehen werden, deren Entkopplung untereinander derart erfolgt, dass bei dem Senden die in der jeweils anderen Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit induzierten hochfrequenten Spannungen aufgrund der Kopplung mit der Hochfrequenz-Stromquelle (3) einen reduzierten hochfrequenten Stromfluss zur Folge haben und dass bei dem Empfangen die in der Hochfrequenz-Sende-/Empfangseinheit induzierte hochfrequente Spannung aufgrund der Kopplung mit dem Verstärker (5) einen reduzierten hochfrequenten Stromfluss zur Folge hat.
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