DE102008019862A1

DE102008019862A1 - Magnetresonanzgerät und Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts

Info

Publication number: DE102008019862A1
Application number: DE102008019862A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Seifert; Florian Dr. Thiel; Jürgen Dr. Sachs; Matthias A. Prof. Dr. Hein
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertrdd Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertrdd Bundesm De; Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2028-04-18
Also published as: DE102008019862B4

Abstract

Bei der Magnetresonanz-Bilderfassung eines Teils (8, 9) eines Körpers (3) eines Patienten mit einem Magnetresonanzgerät wird eine dynamische Bilderfassung auch bei bewegten Teilen (8, 9) des Körpers (3) dadurch ermöglicht, dass zur Korrektur und/oder Vermeidung von Bewegungsartefakten eine Bestimmung des sich ändernden Abstands eines mit der Bewegung des Körperteils (8, 9) korrelierten Gewebeübergangs durch Aussendung eines ultrabreitbandigen Radarimpulses auf den Teil (8, 9) des Körpers (3) und Detektion des von dem Gewebeübergang reflektierten Radarimpulses (11, 12) vorgenommen wird, wobei zur Bestimmung des reflektierten Radarimpulses (11, 12) der ausgesandte Radarimpuls mit dem von einer Empfangsantenne (6) empfangenen Radarsignal korreliert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät mit einem Gehäuse, das Magnetspulen zur Erzeugung der für eine Magnetresonanz-Bildgebung benötigten Magnetfelder und eine Öffnung zur Aufnahme wenigstens eines Teils des Körpers eines Patienten aufweist, und mit einer Detektions- und Auswertungseinrichtung zur bildgebenden Wiedergabe.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts, mit dem eine Magnetresonanz-Bilderfassung eines Teils des Körpers eines Patienten vorgenommen wird.
Magnetresonanzgeräte dieser Art werden seit längerer Zeit zur nichtinvasiven medizinischen Diagnostik mit nicht ionisierender Strahlung eingesetzt. Die Bildgebung mit Magnetresonanzgeräten, insbesondere Magnetresonanztomographen (Kernspintomographen), ermöglicht die Erkennung von Krankheitsherden, die mit anderen bildgebenden Verfahren, beispielsweise der Röntgendiagnostik, nicht erfassbar sind. Insbesondere ist es möglich, Diagnosen in Weichgeweben, beispielsweise im Gehirn oder in Drüsengeweben, krankhafte Veränderungen, insbesondere Tumore, festzustellen.
Die bildgebende Wiedergabe von Körperschnitten mittels der Magnetresonanztomographie erfordert üblicherweise eine Ruhestellung des Patienten während der Aufnahme.
Grundsätzlich könnte erwogen werden, auch dynamische Vorgänge am menschlichen Körper abzubilden. Insbesondere wäre es wünschenswert, eine hochauflösende Magnetresonanz-Bildgebung des menschlichen Herzens zu ermöglichen. Eine hochauflösende Darstellung der Koronararterien mittels einer Magnetresonanz-Bildgebung könnte eine Reihe von Problemen der konventionellen kontrastmittelgestützten Röntgenbildgebung während einer Katheteruntersuchung (Koronarangiographie) vermeiden, insbesondere die Strahlenbelastung und das Mortalitätsrisiko während des Eingriffs. Darüber hinaus könnte die Magnetresonanz-Bildgebung als alternative Bildgebungsmethode bei der Applikation von Herzkathetern eingesetzt werden, um beispielsweise Biopsien aus dem Herzmuskel zu ermöglichen, Stents zu setzten oder andere minimalinvasive Eingriffe am Herzen durchzuführen.
Für eine Herzuntersuchung mittels der Magnetresonanz-Bildgebung besteht das grundsätzliche Problem, das sich einerseits das Herz aufgrund der Herztätigkeit bewegt und andererseits der Patient während der Untersuchung Atembewegungen durchführt. Insbesondere durch die Atembewegung kommt es zu Bewegungsartefakten, die die Auswertung des Magnetresonanzbildes stören bzw. unmöglich machen. Es ist daher üblich, die Aufnahmen für die Magnetresonanz-Bildgebung bei angehaltenem Atem des Patienten vorzunehmen, um die Atembewegung zu eliminieren. Für die Darstellung der Koronararterien ist dieses Verfahren jedoch nicht anwendbar, da die Bilddatenaufnahme mehrere Minuten dauern kann, während der Durchschnittspatient nur für Bruchteile von Minuten den Atem anhalten kann.
Um die Bewegungsartefakte durch die Herztätigkeit selbst zu unterbinden, werden die Magnetresonanz-Bilddatenerfassungen durch EKG-Signale (Elektrokardiogramm-Signale) getriggert aufgenommen. Diese Navigationstechnik für die Magnet resonanz-Bildgebung des Herzens ist nicht sehr präzise und bringt darüber hinaus den Nachteil mit sich, dass die EKG-Elektroden in Verbindung mit den vom Magnetresonanzsystem applizierten Hochfrequenzimpulsen eine Verbrennungsgefahr und mit dem geschalteten Gradientenfeldern aufgrund einer Nervenstimulation ein Sicherheitsrisiko darstellen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetresonanzgerät so auszubilden und zu betreiben, dass Bewegungsartefakte vermieden oder korrigiert werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Magnetresonanzgerät der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses wenigstens eine Radarsende- und -empfangseinrichtung angeordnet ist, die für das Aussenden und Empfangen von Ultrabreitband-Radarsignalen ausgelegt ist, dass von der Radarsende- und -empfangseinrichtung ausgesandte ultrabreitbandige Radarimpulse auf einem zu untersuchenden Teil des Körpers, der sich in der Öffnung des Gehäuses befindet, gerichtet ist und dass in der Radarsende- und -empfangseinrichtung eine Korrelation eines von dem Teil des Körpers reflektierten Radarsignals mit dem ausgesandten Radarimpuls überprüft wird, um wenigstens einen Zeitpunkt für wenigstens einen reflektierten Radarimpuls zu detektieren und so eine Erfassung von sich ändernden Abstandsdaten eines reflektierten Gewebeübergangs in dem Teil des Körpers während der Magnetresonanzbildgebung vorzunehmen.
Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur und/oder Vermeidung von Bewegungsartefakten eine Bestimmung des sich ändernden Abstands eines mit der Bewegung des Körperteils korrelierten Gewebeübergangs durch Aussendung eines ultrabreitbandigen Radarimpulses auf den Körperteil und Detektion des von dem Gewebeübergang reflektierten Radarimpulses vorgenommen wird, wobei zur Bestimmung des reflektierten Radarimpulses der ausgesandte Radarimpuls mit dem von einer Empfangseinrichtung empfangenen Radarsignal korreliert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht somit vor, die Magnetresonanz-Bildgebung mit einer Abstandsmessung mit einem Ultrabreitbandradar (UWB-Radar) zu kombinieren, wobei mit dem Ultrabreitbandradar insbesondere Positionsänderungen durch die Atembewegung oder durch die Herzbewegung detektierbar sind. Da die Radarsende- und -empfangseinrichtung eine definierte Position innerhalb des Gehäuses des Magnetresonanzgeräts einnimmt, ermöglicht eine Messung des sich ändernden Abstandes eines Körperteils bzw. von Gewebe innerhalb eines Körperteils eine Positionsbestimmung. Diese Positionsbestimmung kann dazu ausgenutzt werden, die Magnetresonanz-Bildgebung immer nur in einer gleichen Position, beispielsweise des Herzens im Herzschlagzyklus, oder der Brustwand im Atemzyklus, vorzunehmen oder bei einer alternativen Magnetresonanz-Bilderfassungsmethode eine nachträgliche Korrektur der dabei gewonnenen Bilddaten vorzunehmen.
Die Radarsende- und -empfangseinrichtung kann mit einer kombinierten Sende- und -empfangsstufe aufgebaut sein und in diesem Fall eine einzige Antenne aufweisen. Ein einfacher Aufbau ergibt sich, wenn alternativ eine von der Sendestufe separate Empfangsstufe mit jeweils einer eigenen Antenne vorgesehen sind. Ferner ist es möglich, mehrere Radarsende- und -empfangseinrichtungen zu verwenden, um eine verbesserte und ggf. erweiterte Positionsbestimmung durchführen zu können.
Die Radarsende- und -empfangseinrichtung kann in dem Gehäuse des Magnetresonanzgeräts so aufgebaut sein, dass es mit dem hohen statischen Magnetfeld und den geschalteten Gradientenfeldern des Magnetresonanzgeräts kompatibel ist. Ferner muss bei der Ausbildung des UWB-Radars darauf geachtet werden, dass der Empfängereingang des UWB-Geräts nicht durch die Hochfrequenz- und Gradientenfelder des Magnetresonanzgeräts zerstört werden. Die wenigstens eine Antenne des UWB-Radargeräts kann hierfür aus einem Material (z. B. Kupfer) aufgebaut und in an sich bekannter Weise so ausgebildet sein, dass nur minimale Induktionsspannungen aufgrund der geschalteten Gradientenfelder auftreten.
Um mit dem UWB-Radar Messdaten mit der benötigten Genauigkeit (Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit < 1 mm) zu erhalten, muss eine relativ hohe Abtastfrequenz gewählt werden. Der Frequenzbereich der UWB-Radarsignale ist zweck mäßigerweise auf 0 bis 11 GHz begrenzt. Die maximale Sendeleistung darf die zulässige Störstrahlung von Elektrogeräten (beispielsweise –41,3 dBm/MHz, wie durch FCC und ITU festgelegt) nicht überschreiten, um eine Störung schmalbandiger Systeme auszuschließen. Für einen schmalbandigen Empfänger erscheint ein derartiges UWB-Signal dann wie Rauschen, sodass das UWB-Signal keinen Frequenzbeschränkungen ausgesetzt ist. Eine Erhöhung der Bandbreite bzw. der Abtastfrequenz empfiehlt sich nicht, weil oberhalb von 10 GHz eine erhöhte Dämpfung der Signale im Gewebe auftritt.
Unter Zugrundelegung einer Abtastfrequenz von 9 GHz ergibt sich eine maximale Laufzeitauflösung der Reflektionssignale von etwa 111 ps. Dies entspricht einer Bewegungsauflösung von etwa 1,7 cm, wenn ε_r = 1 ist.
Die Bewegungsauflösung einer im Körper liegenden wasserreichen Schicht (z. B. der Herzwand mit ε_r ≈ 50; ε_r Dielektrizitätszahl des Gewebes) hängt von den dielektrischen Eigenschaften der sie umgebenden Schichten ab. Im günstigen Fall sind das dielektrische Materialien mit einem kleinen ε_r (ε_r ≈ 1) (so z. B. für Fettschichten und die Herzbeutelschicht), weswegen mit einer Erhöhung der Bewegungsauflösung um maximal den Faktor √50 zu rechnen ist wenn die während der Propagation des Signals durch die verschiedenen Gewebeschichten auftretenden Dämpfungs- und Dispersionseffekte vernachlässigt werden können.
Für eine Auflösung < 1 mm wäre eine Abtastfrequenz von über 150 GHz vorzusehen. Erfindungsgemäß kann mit einer Abtastfrequenz von < 10 GHz (beispielsweise 8,95 GHz) gearbeitet und dennoch eine Auflösung im Sub-Millimeter-Bereich erzielt werden, wenn die Abstandsbestimmung auf einer Flanke des reflektierten Radarimpulses durch Ermittlung der Amplitude nach einer vorgegebenen Laufzeit, die auf der Flanke des reflektierten Radarimpulses liegt, vorgenommen wird. Auf diese Weise sind Bewegungen mit einer Amplitude von 1 mm sicher detektierbar.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine stirnseitige Frontansicht eines Magnetresonanzgeräts mit einer Öffnung für die Aufnahme eines Patienten;
2 einen Längsschnitt durch das Magnetresonanzgerät gemäß 1 mit einem darin liegenden Patienten;
3 eine schematische Darstellung der Bewegungsamplitude einer Brustwand und eines Herzens, die mit einer Radarsende- und -empfangseinrichtung bestrahlt werden;
4 eine schematische Darstellung der durch die Reflektion an der Brustwand bzw. an der Herzbeutelwand entstehenden reflektierten Radarimpulse, wie sie von einer Empfangsstufe der Radarsende- und -empfangseinrichtung empfangen und ausgewertet werden;
5 eine Messkurve für eine Bewegungsamplitude von 1 mm;
6 eine vergleichende Darstellung einer als Referenzsignal dargestellten Testbewegung und deren Erfassung mit einem Magnetresonanzgerät und einem UWB-Radar gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 lässt einen üblichen Aufbau eines Magnetresonanzgeräts erkennen, dessen Gehäuse 1 in bekannter Weise eine stirnseitige Öffnung 2 aufweist, in die ein Patient 3 – je nach Untersuchungsaufgabe – ganz oder teilweise eingeschoben wird. Das Magnetresonanzgerät enthält in bekannter Weise hier nicht näher dargestellte Anregungs- und Detektionsspulen sowie eine Auswerteeinrichtung, die regelmäßig eine zweidimensionale Bilddarstellung eines entsprechend der Lage des Patienten 3 gebildeten Schnitts durch den Körper des Patienten 3 wiedergibt.
Erfindungsgemäß ist in der Öffnung 2 des Gehäuses 1 eine Antennenhalterung 4 vorgesehen, an der eine Sendeantenne 5 einer Sendestufe und eine Empfangsantenne 6 einer Empfangsstufe einer Radarsende- und -empfangseinrichtung befestigt sind.
2 verdeutlicht die Lage der Sendeantenne und Empfangsantenne 5, 6, die für eine Herzuntersuchung des Patienten 3 angeordnet sind.
2 verdeutlicht noch eine Besonderheit einer Magnetresonanz-Bildgebung, bei der eine Magnetresonanz-Sende- und -empfangsspule 7 zusätzlich verwendet wird, die auf den Brustkorb des Patienten gelegt ist. Auch bei dieser Anordnung ist die erfindungsgemäße Verwendung eines UWB-Radars möglich.
3 zeigt schematisch, dass die Radarsignale einer Radarsendeantenne 5 auf eine Brustwand 8 und ein Pericard (Herzbeutel) 9 eines Herzens 10 eines Patienten 3 gelangen. Eine Mittelstellung der entsprechenden Gewebe, Brustwand 8 und Pericard 9 ist in 3 mit durchgezogenen Linien verdeutlicht. Gestrichelte Linien zeigen die Grenzamplituden für die Bewegung der Brustwand 8 beim Atmen und des Pericards 9 beim Herzschlag.
Entsprechend sind in 4 ein erster Impuls 11 als an der Brustwand 8 reflektiertes Signal und ein zweiter Impuls 12 als am Pericard 9 reflektierter Impuls mit durch die Bewegungsamplituden vorgegebenen Positionsverschiebungen in jeweils einer durchgezogenen Linie und zwei gestrichelten Linien dargestellt.
Diese Impulse werden dadurch in der Auswertungseinrichtung generiert, dass der ausgesandte, sehr kurze Radarimpuls in die Empfangseinrichtung der Radarsende- und -empfangseinrichtung geleitet wird und dort mit dem durch die Empfangsantenne 6 empfangenen Radarsignalen durch eine Autokorrelationsfunktion bzw. Kreuzkorrelationsfunktion verglichen wird, wodurch der in 4 dargestellte Impuls 11, 12 als Peak der Autokorrelationsfunktion bzw. Kreuzkorrelationsfunktion entsteht. Als ultrabreitbandige Radarsignale können entsprechende Impulse, beispielsweise Gauß-Impulse, oder ein Pseudorauschen verwendet werden.
Die Auswertung des Abstandes geschieht nun in einer vorteilhaften Weise dadurch, dass die Kenntnis des Abstandes der Brustwand 8 von Sendeantenne 5 und der Empfangsantenne 6 – und damit die damit verbundene Laufzeit τ₁ – bekannt ist, und dass eine Laufzeit τ₁ eingestellt wird, für die der reflektierte Impuls 11 innerhalb seiner Positionsvariation immer auf einer Flanke des Impulses 11 liegt. Die Auswertungseinrichtung tastet somit den reflektierten Impuls zum Zeitpunkt τ₁ ab und bestimmt dessen Amplitude A (τ₁, t_x). In 4 sind die möglichen Amplituden zum Zeitpunkt des Einatmens (maximale Nähe der Brustwand 8 zur Sendeantenne 5 und Empfangsantenne 6), in einer durch durchgezogene Linien charakterisierten mittleren Position, um zum Zeitpunkt des Ausatmens (maximaler Abstand der Brustwand 8 von der Sendeantenne 5 und Empfangsantenne 6) verdeutlicht.
Durch die entsprechende Amplitudenbestimmung zum Zeitpunkt τ₁ kann die angestrebte Auflösungsvergrößerung erreicht werden.
In entsprechender Weise findet die Auswertung für den vom Pericard 9 reflektierten Impuls 12 zum Zeitpunkt τ₂ nach der gleichen Methode statt.
5 ist mit einem UWB-Radar in einem Abstand von 43 cm von einem Haut-Gewebe-Äquivalent ermittelt worden, das sich mit einer Sinusfunktion 13 mit einer Amplitude von 1 mm und einer Frequenz von 0,75 Hz bewegt hat.
Die dabei ermittelte Messkurve 14 lässt erkennen, dass die Bewegung von weniger als 1 mm mit dem UWB-Radar ermittelbar ist, wobei die Auswertungsmethode verwendet worden ist, wie sie anhand von 4 erläutert worden ist.
6 zeigt eine Vergleichsdarstellung einer Sollfunktion (Referenz), die mit einem Magnetresonanzgerät (MR) und mit einem UWB-Radar (UWB) aufgenommen worden ist. Die Messungen sind mit einem planaren, gewebeäquivalenten Phantom durchgeführt worden, das die passiven elektrischen Eigenschaften der Haut nachbildet. Das Phantom ist mit einem Schrittmotor in unterschiedlicher Weise bewegt worden. Zur Verdeutlichung sind die Kurven in ε-Richtung auseinandergezogen worden; da sie ohne diese Darstellung sehr stark übereinander verlaufen würden. Die Darstellung zeigt, dass die Bewegung eines Körperteils mit einer hinreichenden Auflösung mit einem UWB-Radar verfolgbar ist, sodass die vom UWB-Radar gemessenen Positionsdaten sowohl zum Triggern des Magnetresonanzgeräts als auch zur nachträglichen Korrektur der Bilddaten des Magnetresonanzgeräts verwendet werden können.

Claims

Magnetresonanzgerät mit einem Gehäuse (1), das Magnetspulen zur Erzeugung der für eine Magnetresonanzbildgebung benötigten Magnetfelder und eine Öffnung (2) zur Aufnahme wenigstens eines Teils des Körpers eines Patienten (3) aufweist, und mit einer Detektions- und Auswertungseinrichtung zur bildegebenden Wiedergabe, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses (1) wenigstens eine Radarsende- und -empfangseinrichtung (5, 6) angeordnet ist, die für das Aussenden und Empfangen von Ultrabreitband-Radarsignalen ausgelegt ist, dass von der Radarsende- und -empfangseinrichtung (5, 6) ausgesandte ultrabreitbandige Radarimpulse auf einen zu untersuchenden Teil (8, 9) des Körpers (3), der sich in der Öffnung (2) des Gehäuses (1) befindet, gerichtet ist und dass in der Radarsende- und -empfangseinrichtung eine Korrelation eines von dem Teil (8, 9) des Körpers (3) reflektierten Radarsignals mit dem ausgesandten Radarimpuls überprüft wird, um wenigstens einen Zeitpunkt für wenigstens einen reflektierten Radarimpuls (11, 12) zu detektieren und so eine Erfassung von sich ändernden Ab standsdaten eines reflektierenden Gewebeübergangs in dem Teil (8, 9) des Körpers (3) während der Magnetresonanzbildgebung vorzunehmen.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radarsende- und Empfangseinrichtung eine Sendestufe und eine davon separate Empfangsstufe aufweist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetresonanz-Bilderfassung durch die gemessenen Abstandsdaten steuerbar ist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Magnetresonanz-Bilderfassung gewonnenen Daten durch die gemessenen Abstandsdaten korrigierbar sind.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Abstandsdaten die Amplitude des reflektierten Radarimpulses (11, 12) nach einer dem Abstand etwa entsprechenden Laufzeit (τ₁, τ₂) verwendet wird, die einer Flanke des reflektierten Radarimpulses (11, 12) entspricht.
Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts, mit dem eine Magnetresonanz-Bilderfassung eines Teils (8, 9) des Körpers (3) eines Patienten vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Korrektur und/oder Vermeidung von Bewegungsartefakten eine Bestimmung des sich ändernden Abstand eines mit der Bewegung des Körperteils (8, 9) korrelierten Gewebeübergangs durch Aussendung eines ultrabreitbandigen Radarimpulses auf den Teil (8, 9) des Körpers (3) und Detektion des von dem Gewebeübergang reflektierten Radarimpulses (11, 12) vorgenommen wird, wobei zur Bestimmung des reflektierten Radarimpulses (11, 12) der ausgesandte Radarimpuls mit dem von einer Empfangsantenne (6) empfangenen Radarsignal) korreliert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetresonanz-Bilderfassung nur bei gleichen detektierten Abständen ausgelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetresonanz-Bilddaten mit Informationen über einen detektierten geänderten Abstand korrigiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangsabstand bestimmt und danach eine dem Ausgangsabstand entsprechende Laufzeit (τ₁, τ₂) so eingestellt wird, dass die Laufzeit (τ₁, τ₂) auf einer Flanke des reflektierten Radarimpulses (11, 12) liegt und das Änderungen des Abstands als Änderungen der Amplitude (A) auf der Flanke des reflektierten Radarimpulses (11, 12) ausgewertet werden.