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Die
Erfindung betrifft eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung mit
einem Magnetsystem, das zum Erzeugen eines Gradientenfelds ausgebildet
ist, mit einer Lokalspule, die zum Empfangen eines Magnetresonanzsignals
ausgebildet ist, und mit einem Lokalisierungssystem, das zum Lokalisieren der
Lokalspule ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die
Erfindung ein Verfahren zum Lokalisieren einer Lokalspule in einer
solchen Magnetresonanztomographie-Vorrichtung sowie eine dazu geeignet
ausgebildete Lokalspule.
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Bei
der Magnetresonanztomographie, auch kurz MRT oder 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 ausgesetzt werden, welches von einem
Grundfeldmagneten des Magnetsystems der Magnetresonanztomographie-Vorrichtung
erzeugt wird. Diesem Grundmagnetfeld werden während der
Aufnahme der Magnetresonanzbilder schnell geschaltete Gradientenfelder
zur Ortskodierung überlagert, die von sogenannten Gradientenspulen
des Magnetsystems erzeugt werden. Außerdem werden mit einer
Hochfrequenzantenne der Magnetresonanztomographie-Vorrichtung HF-Pulse
einer definierten Feldstärke in das Untersuchungsvolumen
eingestrahlt, in dem sich das Untersuchungsobjekt befindet. Hierzu
weist die Magnetresonanztomographie-Vorrichtung üblicherweise eine
fest eingebaute Hochfrequenzantenne, die sogenannte Ganzkörperspule,
auf. Mittels dieser HF-Pulse werden die Kernseins der Atome im Untersuchungsobjekt
derart angeregt, dass sie um einen sogenannten ”Anregungsflipwinkel” aus
ihrer Gleichgewichtslage, welche parallel zum Grundmagnetfeld verläuft,
ausgelenkt werden. Die Kernseins präzedieren dann um die
Richtung des Grundmagnetfelds. Die dadurch erzeugten Magnetresonanzsignale
werden meist von einer nicht ortsfesten Lokalspule erfasst und einer
weiteren Verarbeitung zugänglich gemacht. Die Lokalspule
ist dabei möglichst nahe an dem Patienten angeordnet, z.
B. auf der Oberfläche das Patienten oder Probanden abgelegt,
und weist üblicherweise eine oder mehrere MRT-Antennen bzw.
Antennenspulen auf. Zur weiteren Verarbeitung der erfassten Magnetresonanzsignale
ist es sinnvoll, die Position der Lokalspule möglichst
genau zu kennen.
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Da
die MRT-Vorrichtung kein A-priori-Wissen über die Lage
bzw. Position der nicht ortsfesten Lokalspule auf der Liege bzw.
auf dem Patienten hat, muss diese zunächst „gesucht” werden.
Die Position der Lokalspule im Koordinatensystem der MRT-Vorrichtung
wird üblicherweise durch Magnetresonanz-Experimente „gesucht” bzw.
bestimmt. Die dabei eingesetzten Elemente der MRT-Vorrichtung bilden
ein Lokalisierungssystem zum Lokalisieren der Lokalspule. Dabei
wird die Patientenliege mit dem darauf befindlichen Patienten und
den nicht ortsfesten, daran angeordneten Lokalspulen innerhalb eines
Messraums (Bore) der MRT-Vorrichtung, also innerhalb des Magnetsystems,
in verschiedene z-Positionen entlang der Längsrichtung
des Messraums gebracht und an den jeweiligen z-Positionen ein Magnetresonanz-Experiment
durchgeführt. Aus dem so erhaltenen Übersichts-MRT-Bild
lässt sich die Lage bzw. Position der nicht ortsfesten
Lokalspulen automatisch innerhalb gewisser Genauigkeitsgrenzen berechnen,
wenn ein charakteristisches Antennenprofil der in der Lokalspule
enthaltenen MRT-Antenne bekannt ist.
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Bei
diesem Verfahren zum Lokalisieren der Lokalspule bereiten jedoch
Doppeldeutigkeiten Schwierigkeiten, die beispielsweise durch innerhalb einer
Lokalspule sehr nahe aneinander lokalisierte MRT-Antennen verursacht
sein können. Zudem ist eine so durchgeführte Lokalisierung
problematisch, wenn sich die Lokalspule außerhalb oder
am Rand des Homogenitätsvolumens befindet.
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Zur
Lösung dieses Problems könnten beispielsweise
auch Verfahren verwendet werden, bei denen die Lokalspule nicht
erst mit Hilfe eines Übersichts-MRT-Bildes gesucht werden
muss. Bei solchen Verfahren könnten in die Lokalspule integrierte MRT-sichtbare
Marker zum Einsatz kommen, die jedoch weitere Probleme verursachen.
Wird nämlich bei einem solchen Marker ebenfalls ein 1H-Kern
verwendet, dann wird ein solcher Marker bei der anschließenden
Patientenuntersuchung ebenfalls im MRT-Bild sichtbar sein und Artefakte,
wie Einfaltungen in den Phasenkodierrichtungen, verursachen. Wird
demgegenüber ein Marker mit einem anderen Kern wie beispielsweise
einem 19F-Kern verwendet, so besteht das Problem, dass die gesamte
MRT-Vorrichtung auf der zu diesem Kern korrespondierenden Resonanzfrequenz
betrieben werden muss, was jedoch üblicherweise selbst
bei frequenzmäßig sehr nahe an dem 1H-Kern gelegene
Kernen – wie beispielsweise dem zuvor erwähnten
19F-Kern – nicht ohne weiteren Aufwand der Fall ist. Wieder
andere Methoden müssten hinsichtlich ihrer MRT-Kompatibilität
adaptiert werden und vielfach wären keine Synergien zwischen
autarken Systemen und der MRT-Vorrichtung vorhanden.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung
der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Lokalisieren
einer Lokalspule in einer Magnetresonanztomographie-Vorrichtung
weiterzuentwickeln und eine für diesen Zweck geeignete
Lokalspule zu entwickeln, um eine möglichst einfache und auf
Synergien mit bestehenden Komponenten der MRT-Vorrichtung basierende
Lösung zu erhalten.
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Diese
Aufgabe wird zum einen durch eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung
gemäß Patentanspruch 1, zum anderen durch ein
Verfahren gemäß Patentanspruch 8 und durch eine
Lokalspule gemäß Patentanspruch 15 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist
die Magnetresonanztomographie-Vorrichtung ein Lokalisierungssystem
auf, das eine Anzahl von Magnetfeldsensoren aufweist, die mit der
Lokalspule integriert und zum Erfassen des Gradientenfeldes ausgebildet
sind.
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Des
Weiteren ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Lokalisieren einer Lokalspule vorgesehen, dass das Lokalisieren
mit Hilfe einer Anzahl von Magnetfeldsensoren erfolgt, die mit der
Lokalspule integriert und zum Erfassen des Gradientenfeldes ausgebildet
sind.
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Weiterhin
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Lokalspule
eine Anzahl von mit der Lokalspule integrierten Magnetfeldsensoren
aufweist, die zum Erfassen eines von einem Magnetsystem der Magnetresonanztomographie-Vorrichtung
erzeugten Gradientenfeldes ausgebildet sind.
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Die
Verwendung zumindest eines Magnetfeldsensors ist deshalb von Vorteil,
weil direkt von der jeweiligen auf ihn einwirkenden Stärke
des magnetischen Feldes auf die Position des Magnetfeldsensors geschlossen
werden kann, wenn seine Charakteristik und die Charakteristik des
Gradientenfeldes bekannt sind. Ein solcher Magnetfeldsensor kann beispielsweise
an oder in der Lokalspule angeordnet sein oder – mit anderen
Worten – in ein Gehäuse der Lokalspule eingebaut
oder an dem Gehäuse befestigt sein, was jeweils als „mit
der Lokalspule integriert” zu verstehen ist. Hinsichtlich
der Anzahl der Magnetfeldsensoren sei erwähnt, dass die
Erfindung grundsätzlich auch mit einem einzigen Magnetfeldsensor
realisierbar ist, sodass auf globale Weise die Position der Lokalspule
bestimmbar ist. Wenn jedoch mehrere Magnetfeldsensoren vorhanden
sind, die beispielsweise an verschiedenen Stellen mit der Lokalspule
integriert sind, kann eine wesentlich genauere Bestimmung der Position
und gegebenenfalls auch eine Bestimmung der Lage oder Orientierung der
Lokalspule erreicht werden. Bei der vorliegenden Erfindung besteht
die Synergie darin, dass als Signalquelle für das mit Hilfe
der Magnetfeldsensoren erfassbare Magnetfeld das in der MRT-Vorrichtung bereits
vorhandene Magnetsystem verwendet wird und somit ein A-priori-Wissen
betreffend die Parameter des damit erzeugten Magnetfelds, insbesondere jedoch
des Gradientenfelds und seines Verlaufs, vorliegt. Dieses A-priori-Wissen
kann vorteilhaft bei der Auswertung der Sensorsignale verwendet
werden. Insbesondere kann durch die Erfindung weitgehend auf vorhandene
Komponenten und Funktionalitäten der MRT-Vorrichtung zurückgegriffen
werden, sodass auch auf zusätzliche und gegebenenfalls
auch kostspielige Systemtechnologien zur Ortung bzw. Lokalisierung
von Markern verzichtet werden kann.
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Weitere,
besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen
Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen
Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet
sein können.
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Die
MRT-Vorrichtung weist sinnvollerweise eine Auswertungseinrichtung
auf, die zum Auswerten eines Sensorssignals, das mit Hilfe der Anzahl
von Magnetfeldsensoren im Betrieb erzeugt wird, hinsichtlich zumindest
einer räumlichen Koordinate ausgebildet ist. Da primär
die z-Komponente des Gradientenfeldes zur Lokalisierung der Lokalspule
in z-Richtung relevant ist, könnte die Auswertung einzig und
allein darauf ausgerichtet sein. Wie jedoch nachfolgend noch erörtert
wird, kann es auch von Vorteil sein, wenn weitere Komponenten (z.
B. die x- und y-Komponenten) des Gradientenfeldes bei der Auswertung
des Sensorsignals berücksichtigt werden, weil dadurch die
Genauigkeit der Lokalisierung der Lokalspule verbessert wird.
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Zu
diesem Zweck kann das Lokalisierungssystem eine Schalteinrichtung
aufweisen, die zum zeitlich sequentiellen Einschalten und Ausschalten des
Gradientenfeldes jeweils in einer der drei Raumrichtungen ausgebildet
ist. Dabei wird nacheinander jeweils eine der drei räumlichen
Komponenten (x-, y-, und z-Komponente) des Gradientenfeldes eingeschaltet
und wieder ausgeschaltet. Die dabei von dem jeweiligen Magnetfeldsensor
gemessenen Magnetfeldänderungen bzw. Absolutwerte des Magnetfelds
repräsentieren jeweils die drei Raumkoordinaten des Sensors.
Auch in diesem Fall ist eine nicht unerhebliche Synergie erhalten,
weil die MRT-Vorrichtung bereits solch eine Schalteinrichtung aufweist,
mit der die Gradientenfelder für die Akquisition von Bild-
bzw. Rohdaten geschaltet werden. Eine solche Schalteinrichtung ist
typischerweise ein Bestandteil einer Zentral-Steuerung, welche zumindest
einen Computer aufweist, auf dem Software abgearbeitet wird, und
entsprechende elektronische Module umfasst, mit deren Hilfe Signale
(z. B. Steuersignale oder Empfangssignale) zwischen dem Computer
und dem Tomograph bzw. seinem Magnetsystem und/oder der Lokalspule
ausgetauscht werden können. Mit Hilfe dieser Zentral-Steuerung
ist beispielsweise eine Synchronisierung zwischen den geschalteten
Komponenten des Gradientenfeldes und den empfangenen Sensorsignalen
bzw. ihrer Verarbeitung realisiert.
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Da
die Lokalspule nicht immer in einer definierten Orientierung auf
oder nahe dem Patienten platziert ist, hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn die Anzahl der Magnetfeldsensoren zum Erfassen von
drei Komponenten des Gradientenfeldes ausgebildet sind. Vorzugsweise
sind hierzu drei magnetfeldsensitive Sensorelemente so ausgebildet
und angeordnet, dass insgesamt drei linear unabhängige Komponenten
des Gradientenfeldes erfassbar sind, wobei vorzugsweise von jedem
Sensorelement eine der drei orthogonalen Komponenten des Gradientenfeldes
messbar ist, d. h. jeder orthogonalen Komponente des Gradientenfeldes
ist mindestens ein Sensorelement zur Messung zugeordnet. Dabei können beispielsweise
drei gleich artig aufgebaute, orthogonal zueinander ausgerichtete
magnetfeldsensitive Sensorelemente pro Magnetfeldsensor zur Anwendung
kommen, die einen dreidimensionalen Magnetfeldsensor bilden. Mit
Hilfe eines solchen dreidimensionalen Magnetfeldsensors und mit
Hilfe des statisch z-gerichteten Grundmagnetfeldes lässt
sich die z-Komponente des Gradientenfeldes aus den Sensorsignalen
der Magnetfeldsensoren herauskalibrieren. Alternativ dazu lässt
sich eine Konfiguration zum Erfassen der drei Komponenten des Gradientenfeldes
auch durch drei separate Magnetfeldsensoren realisieren, die jeweils
ein einziges magnetfeldsensitives Sensorelement aufweisen und wie
beschrieben zueinander orthogonal angeordnet sind.
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Wie
eingangs bereits erwähnt, beruht das elektrische Verhalten
eines Magnetfeldsensors auf der Wirkung des magnetischen Feldes
auf das Material oder die jeweilige Materialszusammensetzung des
Magnetfeldsensors. Üblich sind hart- und weichmagnetische
Werkstoffe oder andere Festkörper, wie Halbleiter oder
Widerstandsschichten. Ausgehend von dem jeweils zum Tragen kommenden
physikalischen Effekt lassen sich Magnetfeldsensoren wie folgt katalogisieren:
Sogenannte AMR-Sensoren basieren auf dem anisotropen magnetoresistiven
Effekt. Andere Magnetfeldsensoren nutzen den als „giant magnetoresistance” bekannten
Effekt und werden daher als GMR-Sensoren bezeichnet. Auch der Wiegand-Effekt
kommt zur Realisierung von Magnetfeldsensoren zur Anwendung, sodass
diese Magnetfeldsensoren als Wiegand-Sensoren bezeichnet werden.
Galvanometrische Effekte spielen wiederum bei Hall-Sensoren oder
Feldplatten eine Rolle. Als Magnetfeldsensor kommen daher verschiedenste
Realisierungen in Frage, wobei sinnvollerweise auf eine Verträglichkeit
mit der Magnetresonanztomographie-Methode geachtet werden sollte.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist jedoch einer der Magnetfeldsensoren mit Hilfe
zumindest eines Hall-Sensors realisiert, der ein magnetfeldsensitives
Sensorelement des Magnetfeldsensors bildet. Dabei können
ein einziges Sensorelement oder auch mehrere solcher Sensorelemente vorgesehen
sein. Gleichbedeutend, jedoch ohne Vollständigkeit bei
der Auswahl von möglichen Alternativen zu beanspruchen,
sind auch GaAs-Transistoren, die ihre Eigenschaften, wie Gleichspannungsverhalten
oder HF-Verhalten, unter Einwirkung von Magnetfeldern mit relative
hoher Feldstärke verändern (vgl. Proc.
Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 16 (2008) „Influence of magnetic
filed an preamplifiers using GaAs FET technology").
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Um
Sensorsignale der Zentral-Steuerung bzw. einem Auswertungsmodul
zugänglich zu machen, kann die Übertragung von
Sensorsignalen zwischen der Lokalspule und der Zentral-Steuerung über
bereits existierende Kabel der Lokalspule erfolgen, über
welche die Lokalspule an die MRT-Vorrichtung angeschlossen werden
kann. Um jedoch einen zusätzlichen Aufwand bei der bereits
bestehenden Verkabelung zu vermeiden, hat es sich als besonders vorteilhaft
erwiesen, wenn die Magnetfeldsensoren der Lokalspule zur drahtlosen
Signalübertragung zwischen ihnen und einem Magnetresonanzsignal-Empfangssystem
der Magnetresonanztomographie-Vorrichtung ausgebildet sind. Ein
derartiges Magnetresonanzsignal-Empfangsystem wird bei der MRT-Vorrichtung
zum Empfangen des Magnetresonanzsignals verwendet. Zu einem solchen
Magnetresonanzsignal-Empfangssystem gehören typischerweise
die genannte Ganzkörperspule, die verwendete Lokalspule
sowie eine mit den jeweiligen Spulen gekoppelte Empfangselektronik,
wie beispielsweise einen Hochfrequenzempfänger usw. Der
zur drahtlosen Signalübertragung ausgebildete Magnetfeldsensor
weist hierzu zumindest ein magnetfeldsensitives Sensorelement auf,
das mit einem Schwingkreis gekoppelt ist. Der Schwingkreis hat dabei
zweierlei Bedeutung. Einerseits kann der Magnetfeldsensor mit Hilfe
eines Hochfrequenzsignals mit Energie „aufgeladen” werden,
also zum Schwingen angeregt werden. Dies erfolgt typischerweise
mit Hilfe der Hochfrequenzantenne des Tomographen. Andererseits
erlaubt der Schwingkreis ein drahtloses Abgeben eines Signals, sobald
das Hochfrequenzsignal abgeschaltet ist. Dabei wird die zuvor gespeicherte
Energie abgegeben. Das mit dem Schwingkreis gekoppelte Sensorelement
beeinflusst jedoch – in Abhängigkeit von dem auf
das Sensorelement einwirkenden Gradientenfeld – die Frequenz,
auf welcher der Schwingkreis schwingt. Das vom Schwingkreis abgegebene Signal
wird dann mit der Ganzkörperspule und/oder den verwendeten
Lokalspulen empfangen, und über die Empfangselektronik
wird ein entsprechendes Signal an ein Auswertemodul des Lokalisierungssystems
weitergeleitet. Somit lässt sich die Anzahl der kabelgebundenen
Signalverbindungen reduzieren bzw. beibehalten und eine entsprechende
Synergie mit bestehenden Komponenten der MRT-Vorrichtung erreichen.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Anzahl
der Magnetfeldsensoren aktivierbar bzw. deaktivierbar, also ein-
bzw. ausschaltbar ausgebildet. Diese Maßnahme ist insbesondere
bei einer Anwendung von drahtlos funktionierenden Magnetfeldsensoren
vorteilhaft, weil dadurch bei einer normalen Akquisition von Bild-
bzw. Rohdaten mögliche Störungen durch die Magnetfeldsensoren
vermieden werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten
Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher
erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche
Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen.
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Es
zeigen:
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1 auf
schematische Weise eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 auf
schematische Weise eine auf einem Patienten platzierte Lokalspule
mit drei Magnetfeldsensoren,
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3 ein
Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines zum
drahtlosen Signalübertragen ausgebildeten Magnetfeldsensors,
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4 in
Form eines schematischen Ablaufdiagramms ein Verfahren gemäß einem
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In
der 1 ist eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung 1 dargestellt,
die nachfolgend kurz MRT-Vorrichtung 1 genannt wird, wobei
lediglich jene Komponenten im Detail dargestellt sind, welche zur
Beschreibung der Erfindung unbedingt nötig sind. Zwecks
Orientierung ist auch das Koordinatensystem der MRT-Vorrichtung 1 mit
der x-Richtung, y-Richtung und der z-Richtung abgebildet.
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Die
MRT-Vorrichtung 1 weist einen Scanner bzw. Tomographen 2 auf,
welcher das nicht explizit dargestellte stationäre Magnetsystem
der MRT-Vorrichtung 1 beherbergt. Der Tomograph 2 weist
einen Messraum 3 auf, der im Fachjargon auch als „Bore” bekannt
ist. In diesen Messraum 3 lässt sich eine Liege 4 einführen,
auf der ein Patient 5 positioniert ist, um in dieser Position
Rohdaten zur Rekonstruktion von Volumenbilddaten aufzunehmen. Zu
diesem Zweck wird mit Hilfe des stationären Magnetsystems ein
Magnetresonanzsignal im Gewebe des Körpers des Patienten 5 erzeugt,
das mit Hilfe einer Lokalspule 6 empfangen wird. Da jedoch
die optimale Auswertbarkeit der Rohdaten die genaue Kenntnis der Position
der Lokalspule 6 voraussetzt, weist die MRT-Vorrichtung 1 ein
Lokalisierungssystem 7 auf, mit dem die Lokalisierung der
Lokalspule 6 durchgeführt wird, worauf nachfolgend
im Detail eingegangen ist. Dabei wird üblicherweise die
Position der Lokalspule 6 in Bezug auf einen Referenzpunkt
des Magnetsystems des Tomographen 2 bzw. der MRT-Vorrichtung 1 ermittelt.
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Beispielhaft
weist das Lokalisierungssystem 7 im vorliegenden Fall drei
Magnetfeldsensoren 8 auf, die mit der Lokalspule 6 integriert
sind und zum Erfassen des mit Hilfe des Magnetsystems erzeugten Gradientenfeldes
ausgebildet sind. Jeder der Magnetfeldsensoren 8 weist
im vorliegenden Fall einen Hall-Sensor auf. Zu diesem Sachverhalt
sind in der 2 Details der auf dem Patienten 5 abgelegten Lokalspule 6 auf
schematische Weise dargestellt. Die Lokalspule 6 weist
ein Gehäuse 9 auf, in dem zum Erfassen der aus
dem Gewebe des Patienten 5 stammenden Magnetresonanzsignale
vier Antennenspulen 10 angenommen sind. Des Weiteren sind
in dem Gehäuse 9 die drei Magnetfeldsensoren 8 aufgenommen.
Die Lokalspule 6 weist weiterhin ein Kabel 11 auf,
mit dem sie mit der MRT-Vorrichtung 1 elektrisch verbunden
werden kann, sodass elektrische Signale, welche das mit den Antennenspulen 10 empfangene
Magnetresonanzsignal repräsentieren, einer weiteren Verarbeitung
im Sinne der Akquisition und Auswertung der Rohdaten zugänglich
gemacht werden können.
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Das
Lokalisierungssystem 7 weist weiterhin eine Schalteinrichtung 20 auf,
die zum zeitlich sequentiellen Ein- und Ausschalten des Gradientenfeldes
in einer der drei Raumrichtungen x, y und z ausgebildet ist. Damit
lassen sich die einzelnen Gradientenfelder nacheinander in x-Richtung,
y-Richtung und z-Richtung ein- bzw. ausschalten, sodass sich entsprechende
Magnetfeldänderungen bei dem jeweiligen Hall-Sensor einstellen,
welche zum Bestimmen der Position der Lokalspule 6 verwendet
werden. Die Schalteinrichtung 20 ist über einen
Signalbus 21 mit dem Tomographen 2 gekoppelt,
um das Magnetsystem entsprechend anzusteuern. Die Schalteinrichtung 20 empfängt
ihre Steuersignale von einem Computer 18.
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In
Abhängigkeit von der jeweiligen Feldstärke des
jeweils aktiven Gradientenfeldes liefert jeder der Hall-Sensoren
ein Sensorsignal S, das über das Kabel 11 an die
MRT-Vorrichtung 1 abgegeben wird. Die gemessenen Magnetfeldänderungen
repräsentieren dabei die drei Raumkoordinaten x, y und
z des jeweiligen Magnetfeldsensors 8.
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Um
die verschiedenen Sensorsignale S der Magnetfeldsensoren 8 auszuwerten,
weist das Lokalisierungssystem 7 ein Auswertungsmodul 17 auf. Das
Auswertungsmodul 17 ist mit Hilfe von Software realisiert,
die auf dem Computer 18 abgearbeitet wird. Der Computer 18 ist
weiterhin mit dem Tomographen 2 über den Signalbus 21 verbunden,
sodass auch über diesen Signalbus 21 die Sensorsignale
S von dem Tomographen 2 her empfangen werden. Bei der Auswertung
wird von einer bekannten analytischen Beschreibung des Gradientenverlaufs
der Gradientenfelder ausgegangen, mit der die Sensorsignale S verglichen
werden. Hierzu wird vom Computer aus die Schalteinrichtung 20 für
einen Lokalisierungsvorgang passend angesteuert.
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Der
Computer 18 dient weiterhin der Synchronisation der verschiedenen
Abläufe bei der Erfassung und Auswertung der Rohdaten,
der Steuerung des Magnetsystems und der Steuerung der Positionierung
der Liege 4 und weiterer bei der Tomographie üblicher
Prozesse, auf die im Detail jedoch nicht näher eingegangen
wird, weil sie nicht die Erfindung betreffen.
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Gemäß einem
speziellen Ausführungsbeispiel können die drei
Hall-Sensoren die gleiche Orientierung aufweisen, wobei in einer üblichen
Orientierung der Lokalspule 6 (beispielsweise eine perfekte
Ausrichtung in z-Richtung) ihre jeweilige Flächennormale
in z-Richtung orientiert ist, sodass die Hall-Sensoren nur die z-Komponente
des Gradientenfeldes erfassen.
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Im
Betrieb kann es jedoch vorkommen, dass die Lokalspule 6 nicht
perfekt in z-Richtung orientiert ausgerichtet ist. Da jedoch nur
die z-Komponente der drei Gradientenfelder relevant ist, muss diese
gesondert ausgewertet werden. Um dies zu ermöglichen, ist
in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Magnetfeldsensor 8 mit
Hilfe von drei Sensorelementen (z. B. Hall-Sensoren) realisiert.
Die drei Sensorelemente sind orthogonal zueinander ausgerichtet
und bilden einen dreidimensionalen Magnetfeldsensor 8. Im
Betrieb wird mit Hilfe des dreidimensionalen Magnetfeldsensors 8 zusätzlich
zu bzw. unabhängig von der zuvor beschriebenen Verwendung
der drei Gradientenfelder das mit Hilfe des Magnetsystems erzeugte
statische Grundmagnetfeld, das im Homogenitätsvolumen des
Mess raums in z-Richtung orientiert ist, zum Herauskalibrieren der
z-Komponente der Magnetfeldsensoren 8 benutzt.
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Im
Betrieb kann es weiterhin vorkommen, dass zunächst nicht
klar ist, ob die Lokalspule 6 bereits innerhalb eines Homogenitätsvolumens
des Magnetsystems lokalisiert ist oder nicht. Somit kann es zu einer
Doppeldeutigkeit hinsichtlich der Position der Lokalspule 6 kommen,
weil sich der Verlauf des Gradientenfeldes außerhalb des
Homogenitätsvolumens im Vergleich zu dem Verlauf innerhalb
des Homogenitätsvolumens ändert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann diesem Umstand dadurch Rechnung getragen werden, dass bereits
beim Einfahren des Patienten 5 in den Messraum 3,
also wenn die Lokalspule 6 beispielsweise noch außerhalb
des Messraums 3, insbesondere jedoch außerhalb
des Homogenitätsvolumens ist, mit Magnetfeldmessungen begonnen
wird. Demnach werden entlang der z-Richtung mehrere Magnetfeldmessungen durchgeführt,
wobei die drei Komponenten des Gradientenfeldes mehrfach während
der Bewegung der Liege 4 entlang der z-Richtung der Reihe
nach durchgeschaltet (z. B. sequentiell jeweils ein- und ausgeschaltet)
werden. Durch Auswertung der Sensorsignale S ergibt sich für
jeden Magnetfeldsensor 8 in Abhängigkeit von der
z-Position der Liege 4, die hinlänglich bekannt
ist, ein Funktionsgraph des gemessen Feldverlaufs. Die erhaltenen
Sensorsignale S, die ja das jeweils eingeschaltete Gradientenfeld
repräsentieren, lassen sich durch geeignete Anpassungsalgorithmen,
wie beispielsweise die Methode der kleinsten quadratischen Abweichungen,
auch „least square fitting” genannt, an den a
priori analytisch bekannten Verlauf der Gradientenfelder anpassen,
woraus die exakte z-Position – z. B. die absolute Position
im Koordinatensystem der MRT-Vorrichtung 1 oder die relative
Position in Bezug auf die bekannte Position der Liege 4 – der
Lokalspule 6 ableitbar ist.
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Um
beim Bestimmen der Position der Lokalspule 6 Probleme mit
Uneindeutigkeiten zu vermeiden bzw. zu reduzieren, kann als Hilfestellung
auch die Position der Liege 4 mit berücksich tigt
werden, die ja a priori bekannt ist, weil die Position über
den Computer 18 gesteuert wird. Als besonders vorteilhaft
hat es sich jedoch erwiesen, wenn nicht nur die z-Komponente des
Gradientenfeldes, sondern auch die x- und/oder die y-Komponente
mit berücksichtigt werden. Diese zusätzlichen
Komponenten können sowohl bei Verwendung nur eines einzigen
Sensorelements, das eine beliebige Ausrichtung hat und somit der
Wirkung dieser Komponenten ausgesetzt ist, als auch bei Verwendung
des dreidimensionalen Magnetfeldsensors 8 erfasst werden.
Die zusätzlichen Komponenten liefern die fehlende Information,
die beim Anpassen (fitten) der Sensorsignale S an den a priori bekannten
Verlauf des Gradientenfeldes nötig ist, um eindeutige Ergebnisse
betreffend die Position der Lokalspule 6 zu erhalten.
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Wie
weiter oben bereits erörtert wurde, kann zur Signalübertragung
der Sensorsignale S das Kabel 11 verwendet werden. Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Magnetfeldsensoren 8 jedoch
zur drahtlosen Signalübertragung zwischen ihnen und einem
Magnetresonanzsignal-Empfangssystem (nachfolgend kurz MR-Empfangssystem
genannt) der MRT-Vorrichtung 1 ausgebildet. Das MR-Empfangssystem
umfasst üblicherweise zumindest eine fest eingebaute Antenne
(Ganzkörperantenne) des Tomographen 2, die jedoch
nicht im Detail dargestellt ist, oder fallspezifisch auch die Lokalspule 6 bzw.
präziser die Antennenspulen 10 der Lokalspule 6 und
entsprechende elektronische Komponenten eines MR-Empfängers 19,
die mit der Antenne z. B. über den Signalbus 21 verbunden
sind. Dabei handelt es sich um jenen MR-Empfänger 19,
der auch im Zuge der Rohdatenakquise zum Empfangen des Magnetresonanzsignals
verwendet wird. Der MR-Empfänger 19 ist weiterhin
mit dem Computer 18 gekoppelt, sodass die Sensorsignale
S dem Auswertungsmodul 17 zugänglich gemacht werden.
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An
dieser Stelle sei erwähnt, dass – wie in der 1 mit
Hilfe der unterbrochenen Trennlinie 22 angedeutet ist – bei
einer MRT-Vorrichtung 1 üblicherweise jene Baugruppen,
wie im vorliegenden Fall der Computer 18 und der MR-Empfänger 19 und die
Schalteinrichtung 20, welche im Betrieb möglichst nicht
dem relativ starken Magnetfeld des Tomographen 2 ausgesetzt
sein sollen, von dem Tomographen 2 räumlich oder
baulich getrennt angeordnet sind. Im vorliegenden Fall bilden diese
Baugruppen 18, 19 und 20 Bestandteile
einer Zentral-Steuerung der MRT-Vorrichtung 1. Auch wenn
dies nicht aus der 1 ersichtlich ist, sei an dieser
Stelle erwähnt, dass der Signalbus 21 üblicherweise
aus unterschiedlichen voneinander abgeschirmten Leitungen besteht
kann.
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Eine
mögliche Ausführungsform eines solchen drahtlos
funktionierenden Magnetfeldsensors 8 ist in 3 dargestellt.
Der Magnetfeldsensor 8 weist ein magnetfeldsensitives Sensorelement 12 (z.
B. einen Hall-Sensor), eine „positive-intrinsicnegative” Diode 13 (kurz
PIN-Diode 13), eine als Schleife ausgeführte Sensorantenne 14 (auch
Loop-Antenne genannt) sowie ein zwischen der Sensorantenne 14 und
der PIN-Diode 13 lokalisiertes Schaltelement 15 und
ein mit dem Schaltelement 15 gekoppeltes Steuerelement 16 auf.
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Die
PIN-Diode 13, die in Sperrrichtung betrieben wird, verändert
ihren Kapazitätswert C in Abhängigkeit von der
an ihr anliegenden Spannung U, welche wiederum vom Wert des Magnetfelds
B (z. B. Grundmagnetfeld oder Gradientenfeld) abhängig
ist, das auf das Sensorelement 12 einwirkt. Demzufolge bilden
die PIN-Diode 13 und die Sensorantenne 14 einen
resonanten Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz fres von
dem auf das Sensorelement 14 einwirkenden Magnetfeld B
abhängig ist. Im Betrieb, für den nun angenommen
sei, dass das Schaltelement 15 einen leitenden Zustand
einnimmt, wird der Schwingkreis durch einen mit Hilfe einer MR-Ganzkörperantenne
des stationären Magnetsystems erzeugten breitbandigen MR-Sendeimpuls
sozusagen „aufgeladen” bzw. mit Energie versorgt.
Nach Abschalten dieses MR-Sendeimpulses wird die in dem Schwingkreis
gespeicherte Energie abgestrahlt, wobei die Frequenz des abgestrahlten
Signals proportional zu dem auf das Sensorelement wirkenden Magnetfeld
B, also z. B. proportional zu dem ortsabhängigen Gradientenfeld
ist.
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Um
sicherzustellen, dass kein Magnetresonanzsignal diese Art der drahtlosen
Signalübertragung oder umgekehrt stört, wird die
Resonanzfrequenz fres des Schwingkreises
um einige hundert kHz neben die Frequenz des Magnetresonanzsignals
gelegt. Um jedoch auch sicherzustellen, dass der jeweilige Magnetfeldsensor 8 bei
der normalen Akquisition von Rohdaten nicht stört, kann
das Schaltelement 15 zwischen einem leitenden und einem
nicht leitenden Zustand geschaltet werden. Das Schaltelement 15 ist beispielsweise
durch einen Transistor realisiert, der mit dem Steuerelement 16 gekoppelt
ist. Das Steuerelement 16 ist im vorliegenden Fall mit
Hilfe eines HF-Detektors realisiert, der zum Detektieren von z.
B. einem hochfrequenten Hilfsträger ausgebildet ist. Der
Hilfsträger wird von der MRT-Vorrichtung 1 generiert,
wobei hierzu der vorhandene Sendepfad (d. h. der vorhandene Hochfrequenzverstärker
und z. B. die vorhandene Ganzkörperspule) aber auch ein
separater Sendepfad genutzt werden kann (welcher beispielsweise
einen zusätzlichen eigenen Hochfrequenzverstärker
und die vorhandene Ganzkörperspule oder auch eine oder
mehrere separate zusätzliche Antennen umfasst). Bei Vorliegen
des Hilfsträgers wird mit Hilfe des HF-Detektors auf elektromagnetische
Weise Energie für das Schaltelement 15 bereitgestellt
und der leitende Zustand des Schaltelements 15 hergestellt.
Bei einem Fehlen des Hilfsträgers wird durch Wegfall der
elektrischen Versorgung der sperrende Zustand des Schaltelements 15 hergestellt
und somit der Magnetfeldsensor 8 funktionslos geschaltet,
weil der Schwingkreis aufgetrennt ist. An dieser Stelle sei jedoch
erwähnt, dass die Energie für den Betrieb des
Schaltelements 15 und/oder ein entsprechendes Steuersignal
zum Einnehmen des leitenden oder sperrenden Zustands auch über
das Kabel 11 bereitgestellt werden kann.
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Mit
Hilfe der zuvor beschriebenen strukturellen Maßnahmen lässt
sich im Betrieb der MRT-Vorrichtung 1 ein erfindungsgemäßes
Verfahren abarbeiten bzw. durchführen, bei dem das Lokalisieren der
Lokalspule 6 mit Hilfe einer Anzahl von Magnetfeldsensoren 8 erfolgt,
die mit der Lokalspule 6 integriert und zum Erfassen des
Gradientenfeldes ausgebildet sind. Dabei wird das mit Hilfe der
Magnetfeldsensoren 8 erzeugte Sensorsignal S hinsichtlich der
z-Koordinate ausgewertet, wobei zwecks Erzeugung des Sensorsignals
S das Gradientenfeld sequentiell in jeweils einer der drei Raumrichtungen ein-
und ausgeschaltet wird.
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Dieses
Verfahren ist stark schematisiert in 4 dargestellt
und beginnt in einem Block I mit dem Einschalten (Aktivieren) der
Magnetfeldsensoren 8. In einem Block II wird das Gradientenfeld
in x-Richtung ein- bzw. ausgeschaltet und das im eingeschalteten
Zustand erhaltene Sensorsignal S an das Auswertungsmodul 17 übermittelt.
Danach wird bei einem Block III das Gradientenfeld in y-Richtung
ein- bzw. ausgeschaltet und das im eingeschalteten Zustand erhaltene
Sensorsignal S an das Auswertungsmodul 17 übermittelt.
In Analogie dazu wird letztendlich bei einem Block IV das Gradientenfeld
in z-Richtung ein- bzw. ausgeschaltet und das im eingeschalteten
Zustand erhaltene Sensorsignal S an das Auswertungsmodul 17 übermittelt.
Diese Verfahrensschritte II bis IV können bereits dann
beginnen, wenn die Liege 4 noch außerhalb des
Messraums 3 bzw. außerhalb des Homogenitätsvolumens
des Magnetsystems ist, und werden so oft wie nötig wiederholt, um
ausreichend Messdaten während der Bewegung der Liege 4 zu
erhalten. Die Auswertung der erhaltenen Sensorsignale S erfolgt
in einem Block V. Sie kann bereits nach einem einzigen Durchlauf
der Verfahrensschritte II bis IV oder erst nach einer Anzahl von
Durchläufen der Verfahrensschritte II bis IV erfolgen,
was mit Hilfe der beiden angedeuteten Schleifen visualisiert ist.
Das Verfahren endet in einem Block VI mit dem Ausschalten (Deaktivieren)
der Magnetfeldsensoren 8.
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Es
sei jedoch erwähnt, dass das gruppenweise Einschalten bzw.
Ausschalten der Magnetfeldsensoren 8 auch an anderen Stellen
des Verfahrens erfolgen kann oder dass auch jeder einzelne Magnetfeldsensor 8 unabhängig
von den anderen Magnetfeldsensoren 8 ein- bzw. ausgeschaltet
werden kann. An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass das
Sensorsignal S durch geeignete Maßnahmen (z. B. Modulation
oder Codierung) voneinander unterscheidbar die Messinformation der
einzelnen Sensorelemente 12 des jeweiligen Magnetfeldsensors 8 oder
der Magnetfeldsensoren 8 repräsentiert.
-
Es
wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass
es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren
sowie bei der dargestellten MRT-Vorrichtung lediglich um Ausführungsbeispiele
handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert
werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung wurde überwiegend anhand eines Einsatzes in
einer medizinisch genutzten MRT-Vorrichtung erläutert.
Sie ist jedoch nicht auf derartige Einsätze beschränkt,
sondern kann auch in wissenschaftlichen und/oder industriellen Einsätzen
genutzt werden. Es wird der Vollständigkeit halber auch
darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht
ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach
vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Vorrichtung”, „Einheit”, „Modul” oder „Element” usw.
nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten bestehen, die gegebenenfalls
auch räumlich verteilt sein können.
-
- 1
- Magnetresonanztomographie-Vorrichtung
- 2
- Tomograph
- 3
- Messraum/Bore
- 4
- Liege
- 5
- Patient
- 6
- Lokalspule
- 7
- Lokalisierungssystem
- 8
- Magnetfeldsensor
- 9
- Gehäuse
- 10
- Antennenspule
- 11
- Kabel
- 12
- Sensorelement
- 13
- PIN-Diode
- 14
- Sensorantenne
- 15
- Schaltelement
- 16
- Steuerelement
- 17
- Auswertungsmodul
- 18
- Computer
- 19
- MR-Empfänger
- 20
- Schalteinrichtung
- 21
- Signalbus
- 22
- Trennlinie
- S
- Sensorsignal
- B
- Magnetfeld
- U
- Spannung
- C
- Kapazitätswert
- fres
- Resonanzfrequenz
- x,
y, z
- Raumrichtungen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Proc. Intl.
Soc. Mag. Reson. Med. 16 (2008) „Influence of magnetic
filed an preamplifiers using GaAs FET technology”) [0016]