DE102007027170A1

DE102007027170A1 - Magnet-Resonanz-Gerät und Verfahren zur Durchführung einer Magnet-Resonanz-Untersuchung

Info

Publication number: DE102007027170A1
Application number: DE102007027170A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-12-18
Also published as: US7791340B2; CN101322649A; CN101322649B; US20080315881A1

Abstract

Das erfindungsgemäße Magnet-Resonanz-Gerät umfasst dabei einen Grundfeldmagneten, der ein Grundmagnetfeld erzeugt, einen Homogenitätsbereich des Grundmagnetfeldes, in dem das Grundmagnetfeld homogen ist, ein maximales reales Messvolumen, das dem Homogenitätsbereich einbeschrieben ist, eine verfahrbare Patientenliege und eine Steuereinheit zur Steuerung der verfahrbaren Patientenliege. Das maximale Messvolumen weist dabeii eine zylindrische Form auf. Mittels der Steuereinheit zusammen mit der verfahrbaren Patientenliege ist ein virtuelles Gesamtmessvolumen erzeugbar, das größer ist als das maximale zylindrische reale Messvolumen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnet-Resonanz-Gerät und ein Verfahren zur Durchführung einer Magnet-Resonanz-Untersuchung.
Für die erfolgreiche Durchführung einer bildgebenden Magnet-Resonanz-Untersuchung (im Folgenden steht „MR" für „Magnet-Resonanz") muss das Grundmagnetfeld in einem Abbildungs- bzw. Untersuchungsbereich (Messvolumen) hinreichend stark und homogen sein, um möglichst exakte Messungen vornehmen zu können. In dem Messvolumen wird eine Homogenität mit einer maximalen Abweichung von kleiner als 3 ppm, insbesondere kleiner als 1 ppm, gefordert (ppm: „parts per million").
Grundmagnetfelder von ca. 0,5 T und größer werden mit Hilfe von supraleitenden Grundfeldmagneten erzeugt, die gewöhnlich aus mehreren supraleitenden Spulen bestehen. Um die geforderte Feldstärke und Homogenität in einem vorgegebenen Messvolumen erreichen zu können, muss ein hoher Aufwand bei der Entwicklung des Grundfeldmagneten betrieben werden.
Typischerweise werden die Spulen derart angeordnet, dass der homogene Bereich, der das maximale Messvolumen vorgibt, eine sphärische Form besitzt. Die sphärische Form ergibt sich aus dem verwendeten Ansatz, die Koeffizienten niedriger Ordnungen einer Kugelfunktionsentwicklung des durch die Spulen erzeugten Magnetfeldes zu Null zu bringen. Dabei beschreibt der erste nicht zu Null gebrachte Koeffizient üblicherweise die wesentliche Komponente der verbleibenden Inhomogenität. Das Ziel eines solchen Verfahrens ist somit, möglichst viele Koeffizienten niedriger Ordnung zu Null zu bringen.
Derartige Verfahren zur Erzeugung eines in einem sphärischen Bereich homogenen Magnetfeldes mit supraleitenden Spulen gehen noch auf die Anfangszeit der MR-Technik zurück: z. B. J. R. Baker, „An improved three-coil system for producing a uniform magnetic field," J. Sci. Instrum., vol. 27, pp. 197, 1950.
Heutzutage wird verstärkt ein möglichst großes, maximal einstellbares Messvolumen und somit ein möglichst großes Homogenitätsvolumen nachgefragt, beispielsweise um MR-Angiographien der peripheren Gefäße oder MR-Tomographieuntersuchungen möglichst großer Teile der Wirbelsäule, in dem Messvolumen zu ermöglichen.
Die Erzeugung eines möglichst großen Homogenitätsbereichs stellt hohe Anforderungen an das Spulendesign. Es ist eine erhöhte Anzahl von supraleitenden Spulen für den Grundfeldmagneten und hoher technischer Aufwand vonnöten, um derartig große Bereiche mit homogenem Grundmagnetfeld und ausreichender Grundmagnetfeldstärke zu erzielen. Die Spulenzahl hat direkte Auswirkungen auf die Größe und die Kosten eines MR-Geräts und das zur Verfügung stehende maximale Messvolumen. Letzteres ist oftmals noch immer kleiner als ein zu untersuchender Untersuchungsbereich eines Patienten.
Um derartig große Untersuchungsobjekte zu untersuchen ist es beispielsweise aus der US 5,928,148 bekannt, das Untersuchungsobjekt schrittweise zu untersuchen.
Hao Xu beschreibt in seiner Dissertation "Magnet Optimization for Prepolarized Magnetic Resonance Imaging", Stanford University, Oct. 2002, in Kapitel 3 ein Verfahren für die Entwicklung eines Magneten mit einem beliebig vorgebbaren Homogenitätsvolumen mit einer geringen Anzahl an Magnetspulen und möglichst geringer Größe und Leistung. Dabei wird das Magnetfeld b_m (m = 1, 2, ..., M) an M Zielpunkten auf dem Rand des Homogenitätsvolumens vorgegeben und die für die Erzeugung dieses Feldes nötigen Ströme i_n (n = 1, 2, ..., N) in N möglichen Magnetspulen berechnet. Dabei gilt: b_m = A_mni_n. Die Matrixelemente A_mn hängen von dem Radius der n-ten Spule r_n, dem Ort der n-ten Spule z_n, dem Radius des m-ten Zielpunkts ρ_m und dem Ort des m-ten Zielpunkts ζ_m ab. Als Homogenitäts- Randbedingung wird für b_m vorgegeben: ∥⁣b_m – B₀∥⁣ ≤ εB₀, wobei B₀ die gewünschte Magnetfeldstärke ist und ε die erlaubte Abweichung in ppm angibt.
Es werden Beispiele für spezielle Magnetformen für spezielle Anwendungen gegeben. Unter anderem wird in Kapitel 3.3.3 ein Kopf- und Halsmagnet für eine Untersuchung von tabakverursachtem Krebs beschrieben, der ein zylindrisches Homogenitätsvolumen besitzt, in dem genau Kopf und Hals eines Patienten Platz finden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein MR-Gerät und ein Verfahren anzugeben, die eine Untersuchung eines zu untersuchenden Untersuchungsbereichs bei optimaler Ausnutzung eines Homogenitätsbereichs des MR-Geräts ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Magnet-Resonanz-Gerät gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 6.
Das erfindungsgemäße Magnet-Resonanz-Gerät umfasst dabei einen Grundfeldmagneten, der ein Grundmagnetfeld erzeugt, einen Homogenitätsbereich des Grundmagnetfeldes, in dem das Grundmagnetfeld homogen ist, ein maximales reales Messvolumen, das dem Homogenitätsbereich einbeschrieben ist, eine verfahrbare Patientenliege und eine Steuereinheit zur Steuerung der verfahrbaren Patientenliege. Das maximale Messvolumen weist dabei eine zylindrische Form auf. Mittels der Steuereinheit zusammen mit der verfahrbaren Patientenliege ist ein virtuelles Gesamtmessvolumen erzeugbar, das größer ist als das maximale zylindrische reale Messvolumen.
Ein erfindungsgemäßes MR-Gerät kann gegenüber einem konventionellen MR-Gerät kleiner und kostengünstiger gehalten sein, um ein virtuelles Gesamtmessvolumen einer bestimmten Größe zu erhalten.
Bei dem Verfahren zur Durchführung einer Magnet-Resonanz-Untersuchung wirkt ein zylindrisches reales Messvolumen eines erfindungsgemäßen Magnet-Resonanz-Geräts durch Positionierung eines Untersuchungsobjekts an mindestens zwei Objektpositionen wie ein virtuelles Gesamtmessvolumen, dessen Größe größer ist als die Größe des realen Messvolumens. Das reale Messvolumen wird somit bei dem Verfahren optimal ausgenutzt.
Mit dem erfindungsgemäßen MR-Gerät und dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Untersuchungen mit einem maximalen virtuellen Gesamtmessvolumen bei minimaler Größe und Herstellungskosten des MR-Geräts ermöglicht. Außerdem kann eine Untersuchung eines zu untersuchenden Untersuchungsobjekts in einer minimalen Anzahl von Einzeluntersuchungen durchgeführt werden, da eine Überlappung und ein Radiusverlust realer Messvolumen minimiert ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die aufgeführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
1 eine schematische Skizze eines erfindungsgemäßen MR-Geräts,
2 eine schematische Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 und 4 ein Vergleich eines erfindungsgemäßen MR-Geräts mit einem konventionellen MR-Gerät.
1 zeigt eine schematische Skizze eines erfindungsgemäßen MR-Geräts in einer Seitenansicht. Dabei sind nur die für die Erfindung wesentlichen Teile dargestellt. Weitere Teile wie z. B. Lokalspulen und Einheiten zur Anzeige und Steuerung des MR-Geräts sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Das MR-Gerät 1 umfasst insbesondere einen supraleitenden Grundfeldmagneten 3. Der Grundfeldmagnet 3 umfasst in der dargestellten Form sechs Magnetspulen 5 und zwei Schirmspulen 7, die in die entgegengesetzte Richtung wie die Magnetspulen 5 bestromt werden. Die konzentrisch angeordneten Magnetspulen 5 erzeugen ein Grundmagnetfeld. Das Grundmagnetfeld ist in einem Bereich, dem Homogenitätsbereich 11, homogen. Die um den Homogenitätsbereich 11 verlaufenden Linien markieren schematisch Bereiche positiver und negativer Abweichung von der gewünschten Magnetfeldstärke. Sie stellen das Inhomogenitätsprofil dar.
In den Homogenitätsbereich 11 ist ein maximales Messvolumen 13 einbeschrieben (gestrichelte Linien). In dem maximalen Messvolumen 13 ist eine Schwankung des herrschenden Grundmagnetfeldes kleiner als 3 ppm, insbesondere kleiner als 1 ppm. Der Homogenitätsbereich 11 ist dabei derart gestaltet, dass das maximale Messvolumen 13 die Form eines Zylinders hat. Man spricht auch von einem zylindrischen Homogenitätsbereich, wenngleich eine Homogenität des Grundmagnetfeldes auch in den dargestellten Auswüchsen des Inhomogenitätsprofils gegeben ist. Da diese Auswüchse aber für Untersuchungen nicht nutzbar sind, werden sie in der Regel nicht beachtet.
Ein Untersuchungsobjekt, etwa ein Patient P, befindet sich auf einer Patientenliege 15, die entlang der Achse des MR-Geräts, die der Achse des zylindrischen realen Messvolumens entspricht (z-Richtung), in das MR-Gerät verfahrbar ist (Pfeilrichtung). Über eine mit der Patientenliege 15 verbundene Steuereinheit 17 ist das Verfahren der Patientenliege derart steuerbar, dass ein virtuelles Gesamtmessvolumen erzeugbar ist, das größer ist als das zylindrische reale Messvolumen. Genaueres wird weiter unten ausführlich beschrieben.
Ein erfindungsgemäßes MR-Gerät 1 hat beispielsweise eine Länge von ca. 150 cm in z-Richtung. Das maximale Messvolumen 13 hat beispielsweise bei einer Homogenität von ±1 ppm einen Durchmesser von ca. 40 cm und eine axiale Länge von ca. 30 cm. Der Innenradius der Magnetspulen 5 liegt zwischen 50 und 53 cm. Dieser Radius ist ausreichend groß, um weitere Baugruppen des MR-Geräts, wie z. B. Lokalspulen, und das Untersuchungsobjekt auf der Patientenliege aufnehmen zu können.
Wie durch die unterschiedliche Größe der Magnetspulen 5 angedeutet, haben die Magnetspulen 5 unterschiedliche Breiten und Höhen in ihrer Querschnittsfläche, sind aber symmetrisch angeordnet. Die genauen Positionen und Abmessungen werden nach Vorgabe der praktisch erforderlichen Abmessungen des Messvolumens und weiterer Restriktionen, z. B. bezüglich gewünschter Anzahl der Magnetspulen, wie oben beschrieben bestimmt.
2 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren mit einem erfindungsgemäßen MR-Gerät. Ein Patient P auf einer Patientenliege 15 wird derart in das MR-Gerät verfahren, dass sich ein erster Abschnitt z(a) bis z(b) des zu untersuchenden Untersuchungsgebiets, beispielsweise der Wirbelsäule, in dem maximalen zylindrischen realen Messvolumen 13 des MR-Geräts befindet. Eine Untersuchung wird gestartet und Messdaten aus diesem ersten Abschnitt aufgezeichnet.
Sodann wird die Patientenliege 15 weiter in das MR-Gerät verfahren bis sich ein an den ersten Abschnitt anschließender, zweiter Abschnitt z(b) bis z(c) des zu untersuchenden Untersuchungsobjekts in dem maximalen zylindrischen realen Messvolumen 13 befindet. Wiederum wird eine Untersuchung gestartet und Messdaten aus dem zweiten Abschnitt des zu untersuchenden Untersuchungsobjekts werden aufgezeichnet.
Diese Vorgehensweise wird wiederholt bis das zu untersuchende Untersuchungsobjekt vollständig untersucht wurde. In dem dargestellten Fall ist noch eine dritte Untersuchung an einer dritten Position z(c) nötig, um die gesamte Wirbelsäule des Patienten P abzudecken.
Durch die Aneinanderreihung von Einzeluntersuchungen an verschiedenen Positionen der Patientenliege 15 wird ein virtuelles Gesamtmessvolumen erzeugt, dass größer ist, als das zylindrische reale Messvolumen 13. In dem gezeigten Fall ist das virtuelle Gesamtmessvolumen dreimal so groß wie das zylindrische reale Messvolumen 13.
Die 3 und 4 vergleichen ein erfindungsgemäßes MR-Gerät mit einem konventionellen MR-Gerät bei Untersuchungen an mehreren Positionen einer Patientenliege.
In 3 ist die Situation aus 2 nochmals dargestellt. Durch Aneinanderreihung von drei zylindrischen realen Messvolumen 13 wird ein virtuelles zylindrisches Gesamtmessvolumen 21 (schraffierte Fläche) erzeugt. Dabei ist das virtuelle Gesamtmessvolumen 21 dreimal so groß wie das zylindrische reale Messvolumen 13. Der Durchmesser des virtuellen Gesamtmessvolumens d_V ist genau so groß wie der Durchmesser des zylindrischen realen Messvolumens d_R,z.
Um mit einem konventionellen MR-Gerät mit sphärischem realen Messvolumen 23 ein virtuelles Gesamtmessvolumen 21 derselben Größe wie in 3 zu erzeugen, müssen die sphärischen realen Messvolumen 23 in Bereichen 25 überlappen, wie in 4 dargestellt. Darüber hinaus muss der Durchmesser des realen sphärischen Messvolumens d_R,s größer sein als der Durchmesser des virtuellen Gesamtmessvolumens d_V.
Ein großes virtuelles Gesamtmessvolumen 21 ist mit einem erfindungsgemäßen MR-Gerät mit zylindrischem realen Messvolumen 13 leichter zu erzeugen als mit einem konventionellen MR-Gerät mit sphärischem realen Messvolumen 23. Sowohl die Kosten als auch die Größe des MR-Geräts mit einem zylindrischen realen Messvolumen 13 sind dabei bei gleicher Wirkung verringert gegenüber dem MR-Gerät mit einem sphärischen realen Messvolumen 23.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5928148 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- J. R. Baker, „An improved three-coil system for producing a uniform magnetic field," J. Sci. Instrum., vol. 27, pp. 197, 1950 [0005]
- "Magnet Optimization for Prepolarized Magnetic Resonance Imaging", Stanford University, Oct. 2002 [0009]

Claims

Magnet-Resonanz-Gerät mit einem Grundfeldmagneten, der ein Grundmagnetfeld erzeugt, einem Homogenitätsbereich des Grundmagnetfeldes, in dem das Grundmagnetfeld homogen ist, einem maximalen realen Messvolumen, das dem Homogenitätsbereich einbeschrieben ist, einer verfahrbaren Patientenliege und einer Steuereinheit zur Steuerung der verfahrbaren Patientenliege, wobei das maximale reale Messvolumen zylindrisch ist, und wobei mittels der Steuereinheit zusammen mit der verfahrbaren Patientenliege ein virtuelles Gesamtmessvolumen erzeugbar ist, das größer ist als das maximale zylindrische reale Messvolumen.
Magnet-Resonanz-Gerät nach Anspruch 1, wobei der Grundfeldmagnet mehrere konzentrisch um eine Achse des zylindrischen Messvolumens angeordnete Magnetspulen umfasst.
Magnet-Resonanz-Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundfeldmagnet Magnetspulen zur aktiven Schirmung umfasst.
Magnet-Resonanz-Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Patientenliege in axialer Richtung des zylindrischen realen Messvolumens verfahrbar ist.
Magnet-Resonanz-Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das virtuelle Gesamtmessvolumen durch mindestens zwei aufeinanderfolgende Einzelmessungen erzeugbar ist, wobei die Steuereinheit derart ausgebildet ist, dass sie die Patientenliege nacheinander an verschiedene Positionen in dem Magnet-Resonanz-Gerät verfahren kann.
Verfahren zur Durchführung einer Magnet-Resonanz-Untersuchung mit einem Magnet-Resonanz-Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein zylindrisches reales Messvolumen des Magnet-Resonanz-Geräts durch Positionierung eines Untersuchungsobjekts an mindestens zwei Objektpositionen wie ein virtuelles Gesamtmessvolumen wirkt, wobei die Größe des virtuellen Gesamtmessvolumens größer ist als die Größe des realen Messvolumens.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei aufeinanderfolgende Abschnitte des zu untersuchende Untersuchungsobjekts nacheinander in das zylindrische reale Messvolumen gebracht und untersucht werden.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das zu untersuchende Untersuchungsobjekt in axialer Richtung des zylindrischen realen Messvolumens verfahren wird.