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Die Erfindung betrifft eine HF-Empfangs-Spulenanordnung für kombinierte PET/MRI-Scanner.
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Hintergrund der Erfindung
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Hintergrund der Erfindung
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Die Positronen-Emissions-Tomographie (PET) ist ein bildgebendes Verfahren der Nuklearmedizin und stellt eine Variante der Emissionscomputertomographie dar. Mittels PET können Schnittbilder von lebenden Organismen erzeugt werden, indem die Verteilung einer radioaktiven Substanz, sogenannter Tracer, sichtbar gemacht wird. Hierdurch lassen sich biochemische und physiologische Funktionen abbilden.
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PET beruht auf der gleichzeitigen Detektion zweier Gammastrahlungsphotonen, die nach dem Zerfall eines Positronen emittierenden Radionuklids entstehen (β+-Zerfall). Bei der Wechselwirkung eines Positrons mit einem Elektron (Annihilation) im Körper werden zwei hochenergetische Photonen in entgegengesetzte Richtungen ausgesandt. Diese Strahlung wird auch als Vernichtungsstrahlung bezeichnet.
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Das PET-Gerät enthält typischerweise viele ringförmig um den Patienten angeordnete Detektoren für die Photonen. Das Prinzip der PET-Untersuchung besteht darin, Koinzidenzen zwischen je zwei gegenüberliegenden Detektoren aufzuzeichnen. Aus der zeitlichen und räumlichen Verteilung dieser registrierten Zerfallsereignisse wird auf die räumliche Verteilung der radioaktiven Substanz im Körperinneren geschlossen und eine Serie von Schnittbildern errechnet.
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Da die Absorption der Photonen nur von der Dicke des durchstrahlten Gewebes, nicht jedoch vom Entstehungsort der Photonen abhängt, ermöglicht dies zudem eine genaue Quantifizierung der Verteilung der radioaktiven Substanz im Untersuchungsvolumen.
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Ein Großteil der bisherigen PET Scanner basiert darauf, dass die zwei hochenergetischen Photonen (gamma photonen) in Kristallen gestoppt werden, in denen ein Szintillationsprozess optische Photonen erzeugt. Die Kristalle werden deshalb häufig auch als Szintillationskristalle bezeichnet. Die Photonen werden anschließend durch optische Sensoren aufgenommen und in elektrische Impulse gewandelt. Typischerweise werden als optische Sensoren Photomultiplier verwendet. Diese sind jedoch großvolumig und führen zu nicht unerheblichen Einschränkungen in Bezug auf die Größe. Wird eine hohe Auflösung benötigt, so muss eine große Zahl Photomultiplier angeordnet werden, die zu großen Apparaten führt.
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Die Magnetresonanztomographie, abgekürzt MRT ist ein bildgebendes Verfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird. Es basiert physikalisch auf den Prinzipien der Kernspinresonanz, insbesondere der Feldgradienten- Kernspinresonanz, und wird daher auch als Kernspintomographie bezeichnet. Die ebenfalls zu findende Abkürzung MRI stammt von der englischen Bezeichnung Magnetic Resonance Imaging und wird im Nachfolgenden gleichbedeutend verwendet werden.
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Mit der MRI kann man Schnittbilder des menschlichen (oder tierischen) Körpers erzeugen, die eine Beurteilung der Organe und vieler krankhafter Organveränderungen erlauben. Sie basiert auf - in einem Magnetresonanztomographiesystem erzeugten - sehr starken Magnetfeldern sowie magnetischen Wechselfeldern im Hochfrequenzbereich, mit denen bestimmte Atomkerne im Körper resonant angeregt werden, wodurch in einem Empfängerstromkreis ein elektrisches Signal induziert wird. Eine wesentliche Grundlage für den Bildkontrast sind unterschiedliche Relaxationszeiten verschiedener Gewebearten. Daneben trägt auch der unterschiedliche Gehalt an Wasserstoff-Atomen in verschiedenen Geweben (z. B. Muskel, Knochen) zum Bildkontrast bei.
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Das Verfahren beruht darauf, dass die Atomkerne im untersuchten Gewebe durch eine Kombination von statischen und hochfrequenten magnetischen Feldern gezielt phasensynchron zu einer bestimmten Bewegung angeregt werden und dann ein messbares Signal in Form einer Wechselspannung abgeben, bis die Bewegung abgeklungen ist. Diese Bewegung heißt Larmorpräzession und ist mechanisch analog an einem Spielzeugkreisel zu beobachten, wenn seine Drehachse nicht senkrecht steht, sondern um die Senkrechte herum eine Präzession vollführt. Sowohl zur Anregung als auch zur Beobachtung des Signals ist eine Resonanzbedingung zu erfüllen, mit deren Hilfe es mittels inhomogener statischer Magnetfelder möglich ist, den Ort der präzedierenden Kerne zu ermitteln.
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Einige Atomkerne (wie etwa die Wasserstoffkerne) in den Molekülen des zu untersuchenden Gewebes besitzen einen Eigendrehimpuls (Kernspin) und sind dadurch magnetisch. Diese Kerne erzeugen nach dem Anlegen eines starken statischen Magnetfeldes eine kleine longitudinale Magnetisierung in Richtung des statischen Feldes (Paramagnetismus). Durch ein kurzzeitig angelegtes zusätzliches hochfrequentes Wechselfeld im Radiofrequenzbereich lässt sich diese Magnetisierung aus der Richtung des statischen Feldes auslenken (kippen), also teilweise oder ganz (Sättigung) in eine transversale Magnetisierung umwandeln. Die transversale Magnetisierung beginnt sofort um die Feldrichtung des statischen Magnetfeldes zu präzedieren, d. h. die Magnetisierungsrichtung rotiert (siehe Abbildung zur Präzession). Diese Präzessionsbewegung der Gewebemagnetisierung induziert wie die Rotation des Magneten im Dynamo in einer Spule (Empfängerstromkreis) eine elektrische Spannung und kann damit nachgewiesen werden. Ihre Amplitude ist proportional zur transversalen Magnetisierung.
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Nach Abschalten des hochfrequenten Wechselfeldes nimmt die transversale Magnetisierung (wieder) ab, die Spins richten sich also wieder parallel zum statischen Magnetfeld aus. Für diese sogenannte Relaxation benötigen sie eine charakteristische Abklingzeit. Diese ist von der chemischen Verbindung und der molekularen Umgebung abhängig, in der sich der präzedierende Wasserstoffkern befindet. Daher unterscheiden sich die verschiedenen Gewebearten charakteristisch in ihrem Signal, was zu verschiedenen Signalstärken (Helligkeiten) im resultierenden Bild führt.
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Eine relativ junge Entwicklung ist die Kombination von PET und MRI in einem gemeinsamen Gerät als neue diagnostische Methode für den klinischen Einsatz. Sie ermöglichen kombinierte PET/MRI-Untersuchungen. Dabei stehen im Wesentlichen zwei Ansätze zur Verfügung.
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In einem integrierten Ansatz wird der PET Detektor hinter einer Schirmung angebracht, sodass die HF-Spulen des MRI-Scanners im Wesentlichen den inneren Teil darstellen. Allerdings ist dieser Aufbau sehr komplex und daher kostenträchtig. Zudem verlangt dieser Aufbau eine große Fläche und kann daher nicht überall realisiert werden. Bei simultan messenden PET-MRI-Systemen können die normalerweise in PET-Scannern eingesetzten Photomultiplier aufgrund des für die MRI-Bildgebung nötigen Magnetfelds nicht verwendet werden.
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In einem getrennten Ansatz wird z.B. nur die Patientenliege geteilt und die Untersuchung mittels der Scanner wird in zeitlicher Abfolge in Bezug auf das zu untersuchende Areal durchgeführt. Typischerweise beträgt der Abstand zwischen den einzelnen Scannern 1 m und mehr. Häufig werden die an sich zeitlich und räumlich getrennten Untersuchungsergebnisse anschließend durch Software wieder zusammengeführt. Diese bisher bekannten Geräte haben eine gemeinsame Achse.
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Metall am oder im Körper kann Nebenwirkungen und Bildstörungen im MRI verursachen. D.h. auch Metalle, die z.B. Bestandteil eines PET-Scanners sind, können stören. Umgekehrt können natürlich auch Teile des PET-Scanners durch induzierte Ströme beschädigt werden.
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Ein weiteres Problem ist, dass für bestimmte Tumoren, eine Positionierung näher am potentiellen Tumor zu einer besseren Auflösung in Bezug auf den Ort führen könnte. Wird jedoch ein PET-Scanner analog zu einem MRI-Scanner mit einer großen Öffnung aufgebaut, sodass ein Patient durch die Öffnung hindurch geschoben werden könnte, so leidet die Ortsauflösung und/oder die Sensitivtät, da der von PET-Detektoren abdeckbare Raumwinkel mit zunehmender Entfernung geringer wird.
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Es ist zudem bekannt, das zur besseren Darstellung eines MRI-Scans eine Empfangsspule zu verwenden, die in der (unmittelbaren) Nachbarschaft des zu untersuchenden Gewebes/Organs angeordnet wird. Hierdurch kann das Signal- zu Rausch Verhältnis verbessert werden. Zudem kann bei der Verwendung von einer Vielzahl von Empfangsspulen die Aufnahmegeschwindigkeit bezogen auf ein zu untersuchendes Gewebe/Organ vergrößert werden.
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In bekannten Überlegungen zur Kombination von PET/MRI-Scannern wird der PET-Detektor um die Empfangsspule herum angeordnet. Jedoch muss die PET-Elektronik geschirmt sein, da die PET-Elektronik die Empfangsspule bzw. die dort aufgenommenen Signale stören kann.
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Insbesondere, wenn man einen kombinierten PET-Detektor mit einer MRI-Empfangsspule in einer axialen Ausrichtung anordnen würde, würde dies dazu führen, dass bei der bekannten Anordnung der PET-Detektor zumindest große Teile des Magnetfeldes durch den PET-Detektor wegen seiner elektrischen Schirmung auch das Magnetfeld schirmt, sodass die Effektivität der Empfangsspulen beeinträchtigt wird.
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Zudem ist bekannt, dass der Geschwindigkeitsvorteil einer Vielzahl von Empfangsspulen nur erreicht werden kann, wenn die Empfangsspulen unabhängig voneinander sind. Es ist jedoch festzustellen, dass eine Messung in einer Spule einen elektrischen Strom in dieser verursacht, der jedoch von einem Magnetfeld umgeben ist, das wiederum in andere Empfangsspulen überkoppelt.
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Ausgehend von dieser Situation ist es Aufgabe der Erfindung eine HF-Empfangs-Spulenanordnung für kombinierte PET/MRI-Scanner zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht trotz Schirmung eine hohe Effektivität aufzuweisen und/oder die es erlaubt die Geschwindigkeit der Messung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst, durch eine HF-Empfangs-Spulenanordnung für kombinierte PET/MRI-Scanner, wobei ein PET-Detektor des PET-Scanners distal in Bezug auf die HF-Empfangs-Spulenanordnung des MRI-Scanners und dem zu untersuchenden Gebiet eines Patienten angeordnet ist, wobei die HF-Empfangs-Spulenanordnung zumindest ein oberes Spulenelement und ein unteres Spulenelement jeweils in Bezug auf das zu untersuchende Gebiet eines Patienten aufweist, wobei zumindest je ein Abschnitt von zwei Spulenelementen insoweit unsymmetrisch sind, dass sie einen unterschiedlichen Abstand in Bezug auf die die Schirmung des PET-Detektors aufweisen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das obere Spulenelement einen ersten Abstand in Bezug auf die Schirmung des PET-Detektors und das untere Spulenelement einen zweiten Abstand in Bezug auf die Schirmung des PET-Detektors auf, wobei der erste Abstand und der zweite Abstand unterschiedlich groß ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind das obere Spulenelement und das untere Spulenelement in Ebenen angeordnet sind, die zueinander parallel sind.
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In noch einer Ausführungsform der Erfindung kann der Abstand der Spulenebenen des oberen Spulenelements und des unteren Spulenelements variiert werden.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Spulenanordnung weiterhin ein rechtes Spulenelement und ein linkes Spulenelement jeweils in Bezug auf das zu untersuchende Gebiet eines Patienten auf, wobei das linke Spulenelement und das rechte Spulenelement sich gegenüber liegen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen ein erster Abschnitt des rechten Spulenelements und ein erster Abschnitt des linken Spulenelements einen dritten Abstand in Bezug auf die Schirmung des PET-Detektors auf der unterschiedlich ist in Bezug auf einen vierten Abstand eines zweiten Abschnitts des rechten Spulenelements und eines zweiten Abschnitts des linken Spulenelements in Bezug auf die Schirmung des PET-Detektors.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zumindest einzelne Spulenelemente anpassbar in Bezug auf Ihren wechselseiteigen Abstand ausgestaltet.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann eine erfindungsgemäße HF-Empfangs-Spulenanordnung zur Bildgebung einer weiblichen Brust oder eines Scrotums verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind insbesondere Gegenstand der Beschreibung und der Figuren.
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Nachfolgend wird die Erfindung näher unter Bezug auf die Figuren erläutert. In diesen zeigt:
- 1 eine beispielhafte Anordnung eines PET-Scanners mit Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenhang mit einem MRI-Scanner,
- 2 ein Detail einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Empfangs-Spulenanordnung, und
- 3 ein Detail einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen HF-Empfangs-Spulenanordnung.
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Detaillierte Beschreibung
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Nachfolgend wird die Erfindung eingehender unter Bezugnahme auf die Figur dargestellt werden. Dabei ist anzumerken, dass unterschiedliche Aspekte beschreiben werden, die jeweils einzeln oder in Kombination zum Einsatz kommen können. D.h. jeglicher Aspekt kann mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden, soweit nicht explizit als reine Alternative dargestellt.
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Weiterhin wird nachfolgend der Einfachheit halber in aller Regel immer nur auf eine Entität Bezug genommen werden. Soweit nicht explizit vermerkt, kann die Erfindung aber auch jeweils mehrere der betroffenen Entitäten aufweisen. Insofern ist die Verwendung der Wörter „ein“, „eine“ und „eines“ nur als Hinweis darauf zu verstehen, dass in einer einfachen Ausführungsform zumindest eine Entität verwendet wird.
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In 1 ist in einer Übersichtsdarstellung ein kombinierte PET/MRI-Scanner 1 dargestellt. Der kombinierte PET/MRI-Scanner 1 kann eine Patientenliege P aufweisen, wobei der PET-Detektoren 2 bzw. die PET-Detektoren 2, 2' unter einer Öffnung einer Patientenliege L vorgesehen sind. Die PET-Detektoren 2, 2' können im axialen Innenraum die erfindungsgemäße HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 aufweisen.
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Der PET-Detektor 2 weist zudem eine Schirmung ES gegen elektromagnetische Felder auf, sodass elektromagnetische Felder, welche durch den MRI-Scanner 3 erzeugt werden, von dem PET-Detektor 2, insbesondere jedoch von der empfindlichen Verarbeitungs-/Verstärker-/Auswertelogik des PET-Detektors, ferngehalten wird. Die Schirmung ES hat zudem die Aufgabe elektromagnetische Felder von der Verarbeitungselektronik des PET-Detektors 2 von HF-Empfangsspulen des MRI-Scanners 3 fernzuhalten.
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In der erfindungsgemäßen HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 ist ein PET-Detektor 2 des PET-Scanners distal in Bezug auf die HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 des MRI-Scanners und dem zu untersuchenden Gebiet eines Patienten angeordnet.
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Die HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 weist zumindest ein oberes Spulenelement Lo und ein unteres Spulenelement Lu jeweils in Bezug auf das zu untersuchende Gebiet eines Patienten auf.
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Dabei sind zumindest je ein Abschnitt von zwei Spulenelementen Lo , Lu insoweit unsymmetrisch, dass sie einen unterschiedlichen Abstand in Bezug auf die die Schirmung ES des PET-Detektors 2 aufweisen.
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Beispielsweise weit das obere Spulenelement Lo einen ersten Abstand d1 in Bezug auf die Schirmung ES des PET-Detektors 2 und das untere Spulenelement Lu einen zweiten Abstand d2 in Bezug auf die Schirmung ES des PET-Detektors 2 auf, wobei der erste Abstand d1 und der zweite Abstand d2 unterschiedlich groß ist, z.B. d2 >d1 .
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind das das obere Spulenelement Lo und das untere Spulenelement Lu in Ebenen angeordnet, die zueinander parallel sind. Parallel ist dabei nicht absolut zu verstehen, sondern Abweichungen sind möglich.
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Ohne weiteres ist es auch möglich, dass die Ebene des oberen Spulenelements Lo und die Ebene des untere Spulenelement Lu einen Winkel von bis zu 25° aufweisen. Beispielsweise kann eine Ebene an die Körperform des Patienten tangierend angepasst sein bzw. angepasst (variiert) werden während die andere Ebene an die Ebene der Patientenliege L angepasst sein kann. Ein typischer Winkel wäre hierfür z.B. 20°.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Abstand a der Spulenebenen des oberen Spulenelements Lo und des unteren Spulenelements Lu variiert werden kann.
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Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Spulenanordnung 4 weiterhin ein rechtes Spulenelement LR und ein linkes Spulenelement LL jeweils in Bezug auf das zu untersuchende Gebiet eines Patienten auf, wobei das linke Spulenelement LL und das rechte Spulenelement LR sich gegenüber liegen.
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D.h. zwischen den gegenüberliegenden Spulenelementen LR und LL kann eine Ebene gedacht werden. Bevorzugt sind die gegenüberliegenden Spulenelemente LR und LL spiegelsymmetrisch, es können jedoch auch unsymmetrische Formen vorgesehen sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen ein erster Abschnitt des rechten Spulenelements LR und ein erster Abschnitt des linken Spulenelements LL einen dritten Abstand a3 in Bezug auf die Schirmung ES des PET-Detektors 2 auf, der unterschiedlich ist in Bezug auf einen vierten Abstand a4 eines zweiten Abschnitts des rechten Spulenelements LR und eines zweiten Abschnitts des linken Spulenelements LL in Bezug auf die Schirmung ES des PET-Detektors 2.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zumindest einzelne Spulenelemente Lο , Lu , LR , LL anpassbar in Bezug auf Ihren wechselseiteigen Abstand ausgestaltet. D.h. der Abstand a (und/oder der Winkel der Ebenen) kann variieret werden, ebenso kann der Abstand der zwischen dem linken Spulenelements LL und dem rechten Spulenelements LR z.B. in Bezug auf die gedachte Ebene variiert werden, ebenso können z.B. Teile des rechten Spulenelements LR und/oder des linken Spulenelements LL über das obere Spulenelement Lo und/oder das untere Spulenelement Lu hinausragen.
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Auch wenn vorstehend die HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 in Bezug auf eine Integration mit einem MRI-Scanner 3 beschrieben wurde, ist die HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 nicht hierauf beschränkt und kann auch mit anderen Einrichtungen zur diagnostischen Bildgebung kombiniert werden.
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Durch die vorstehende Anordnung ist es möglich, zum einen einen PET-Scan eines zu untersuchenden Gebietes als auch ein MRI-Scan eines zu untersuchenden Gebietes in hoher Auflösung bereit zu stellen.
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Z.B. kann die HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 in einem gemeinsamen PET/MRI-Scan 1 eingebaut sein. Bevorzugt können z.B. für die Erkennung von Brustkrebs zwei PET-Detektoren 2, 2' jeweils mit einer HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 unter einer Öffnung einer Patientenliege L vorgesehen sein. Die Patientin wird so auf der Patientenliege L positioniert, dass jede Brust in einen der PET-Detektoren 2, 2' und in einen der zugeordneten HF-Empfangs-Spulenanordnungen 4 eingeführt wird. So kann während eines MRI-Scans auch jede Brust durch einen PET-Detektoren 2, 2' gescannt werden. In dieser Anordnung ist es insbesondere auch möglich mittels des MRI-Scans Lymphknoten benachbart hierzu, z.B. axillare Lymphknoten, mit zu scannen. Bevorzugt können z.B. für die Erkennung von Hodenkrebs ein PET-Detektor 2 mit HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 unter einer anderen Öffnung einer Patientenliege L vorgesehen sein (nicht dargestellt). Der Patient wird so auf der Patientenliege L positioniert, dass der Hoden in den PET-Detektor 2 und die HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 eingeführt wird. So kann während eines MRI-Scans auch der Hoden durch einen PET-Detektor 2 gescannt werden. In dieser Anordnung ist es insbesondere auch möglich mittels des MRI-Scans Lymphknoten benachbart hierzu, z.B. retroperitoneale Lymphknoten, mit zu scannen. Ohne weiteres Kann natürlich auch eine Anordnung gewählt sein, um z.B. neuronale Vorgänge zu visualisieren.
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D.h. die HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 bzw. die HF-Empfangs-Spulenanordnungen 4 können geeignet im engen Raum unter der Patientenliege L angeordnet sein. Dabei ist z.B. für Untersuchungen der Brust zu bemerken, dass der Raum im Bereich des Brustbeins (sternum) gering ist, sodass die PET-Detektoren 2, 2' und die HF-Empfangs-Spulenanordnungen 4 bei einer nebeneinanderliegenden Anordnung bestimmte Größen nicht überschreiten dürfen Dies ist mit herkömmlichen PET-Detektoren und HF-Empfangs-Spulenanordnung nicht möglich. Hingegen erlaubt die Erfindung die nebeneinanderliegende Anordnung, wie in 1 angedeutet.
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Mittels der Erfindung wird also eine asymmetrische HF-Empfangs-Spulenanordnung 4 bereitgestellt. Durch die Verwendung unterschiedlicher Spulengrößen können die Spulen so angeordnet werden, dass das zu untersuchende Gebiet eng umschlossen wird.
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Durch das enge Anliegen kann das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessert werden.
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Durch die asymmetrische Form sinkt der Grad der Abschattung durch die Schirmung ES der PET-Detektoren 2, 2', sodass zumindest aus dem axialen Feldanteil des MRI-Scanners 3 ein erhebliches Mehr an Signal erreicht werden kann, sodass medizinisch verwertbare Daten zur Verfügung gestellt werden können.
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Zudem erlaubt die asymmetrische Form eine Entkopplung der Spulenelemente, wodurch die Scan-Geschwindigkeit erhöht werden kann. Diese Entkopplung wird zum einen dadurch bereitgestellt, dass ein Fluss von medialen und lateralen Spulenabschnitte einen distalen Spulenabschnitt sowohl in normaler als auch in anti-normaler Richtung (d.h. in Gegenrichtung) eintritt und so zu einer Kompensation führen. Zudem erlaubt die asymmetrische Form ein Überlappen, was zu einer weiteren Entkopplung führt.
