DE102019216041B4 - Hybrid-Bildgebungsvorrichtung, Verfahren zur Auslegung einer Mag-netanordnung, Verfahren zur kombinierten Aufnahme von MPI und/oder CT- Daten und/oder MRI-Daten mittels mechanisch koppelbarer bzw. entkoppelbarer und verdrehbarer Magnetringe - Google Patents

Hybrid-Bildgebungsvorrichtung, Verfahren zur Auslegung einer Mag-netanordnung, Verfahren zur kombinierten Aufnahme von MPI und/oder CT- Daten und/oder MRI-Daten mittels mechanisch koppelbarer bzw. entkoppelbarer und verdrehbarer Magnetringe Download PDF

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Abstract

Hybrid-Bildgebungsvorrichtung zur Abbildung eines zu untersuchenden Objekts in einem Probenvolumen (PV), wobei die Hybrid-Bildgebungsvorrichtung in einem MPI-Modus und in mindestens einem weiteren Abbildungsmodus betrieben werden kann und eine Magnetanordnung umfasst, die dazu ausgebildet ist, im MPI-Modus ein Magnetfeld mit einem Gradienten B1 und einer feldfreien Region im Probenvolumen (PV) zu erzeugen,wobei die Magnetanordnung ein Magnetringpaar (R1/R2) mit zwei Magnetringen (R1, R2) in Halbach-Dipol-Konfiguration umfasst, die koaxial auf einer gemeinsamen Z-Achse, die durch das Probenvolumen (PV) verläuft, angeordnet sind,dadurch gekennzeichnet,dass die Magnetringe (R1, R2) gegeneinander um die Z-Achse verdrehbar angeordnet sind, unddass alle Magnetringe (R1, R2) der Magnetanordnung mechanisch koppelbar sind, sodass die die Magnetringe simultan um die Z-Achse drehbar sind, unddass die Magnetringe zur Überführung vom MRI-Modus in den MPI-Modus oder umgekehrt mechanisch entkoppelbar sind, so dass die Magnetringe individuell um die Z-Achse drehbar sind.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Bildgebungsvorrichtung zur Abbildung eines zu untersuchenden Objekts in einem Probenvolumen, wobei die Hybrid-Bildgebungsvorrichtung in einem MPI-Modus und in mindestens einem weiteren Abbildungsmodus betrieben werden kann und eine Magnetanordnung umfasst, die dazu ausgebildet ist, im MPI-Modus ein Magnetfeld mit einem Gradienten B1 und einer feldfreien Region im Probenvolumen zu erzeugen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Auslegung einer Magnetanordnung zur Verwendung in einer Hybrid-Bildgebungsvorrichtung sowie Verfahren zur kombinierten Aufnahme von Bilddaten mittels mindestens eines weiteren abbildenden Verfahrens aus MRI oder CT.
  • Eine derartige Hybrid-Bildgebungsvorrichtung zur Abbildung eines Objekts mittels MPI und einem weiteren Abbildungsmodus ist bekannt aus [6].
  • Hybrid-Bildgebungsvorrichtungen dienen dazu, eine Probe mittels mehrerer Abbildungsmethoden zu vermessen, idealerweise ohne die Probe aus der Probenposition zu entfernen. Dadurch können Informationen mittels unterschiedlicher Verfahren nicht nur von derselben Probe, sondern insbesondere von derselben Stelle der Probe erhalten werden.
  • Beim Magnetic Particle Imaging (MPI) werden lokale Konzentrationen magnetisierbarer Nanopartikel im Innern eines Objekts ermittelt. Diese Nanopartikel werden durch ein mit vorbestimmter Frequenz periodisch veränderliches MPI-Anregungsmagnetfeld (Drive Field), periodisch magnetisiert. Zur Ortsauflösung wird das Anregungsmagnetfeld mit einem zeitlich konstanten Selektionsmagnetfeld überlagert, das eine feldfreie Region aufweist. Ausgehend von dieser feldfreien Region steigt das Selektionsmagnetfeld schnell an, so dass magnetisierbare Nanopartikel schon in geringem Abstand zur feldfreien Region in die magnetische Sättigung gelangen. Das MPI-Messsignal stammt daher aus der lokalen Umgebung der feldfreien Region und gibt über die dort vorhandene, lokale Partikelkonzentration Auskunft. Für MPI-Messungen muss also ein Magnetfeld mit einem Gradienten B1 und einer feldfreien Region zur Verfügung gestellt werden. Bei Magnetresonanztomografie-Messungen (MRI) hingegen wird ein statisches, homogenes Hauptmagnetfeld benötigt, das zur Polarisation der Kernmagnetisierung verwendet wird. Eine MRI-Magnetanordnung kann daher in der Regel nicht für MPI-Messungen verwendet werden und umgekehrt.
  • [2] offenbart eine portable Magnetanordnung für MRI Messungen, die eine Magnetanordnung mit Permanentmagneten zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes aufweist. Die Magnetanordnung kann um ihre Achse rotiert werden. Ein für MPI-Messungen verwendbares Magnetfeld kann mit dieser Magnetanordnung nicht erzeugt werden.
  • Aus [3] ist ein System bekannt, mit dem gleichzeitig Magnetresonanzbilder und Computertomografiebilder eines Objekts aufgenommen werden können. Während der Aufnahme eines Objekts können Röntgenquelle und Röntgendetektor sowie Permanentmagnete zu Erzeugung eines MRI-Hauptmagnetfelds gleichzeitig um das Objekt rotiert werden. MPI-Messungen können mit der in [3] offenbarten Vorrichtung jedoch nicht durchgeführt werden.
  • Als Mittel zum Erzeugen des für die MRI erforderlichen Hauptmagnetfeldes werden in [3] unter anderem Permanentmagnete in Halbach-Konfiguration verwendet. Bei einem Halbachring weist die Magnetisierungsrichtung des Ringmantels entlang des Mantelverlaufs eine stetige Drehung in der Ebene senkrecht zur Ringachse auf, wobei nach einem Umlauf des gesamten Ringmantels die Magnetisierungsrichtung zu ihrem Ausgangswert zurückkehrt.
  • Die Verwendung von Halbachringen ist auch bekannt zur Erzeugung von Magnetfeldern zur Fokussierung von Partikelstrahlen [4] in Speicherringen. Die in [4] offenbarte Vorrichtung umfasst dazu mehrere Halbachringe, die gegeneinander verdreht werden können.
  • [1] beschreibt die Verwendung von Halbachringen zu Erzeugung eines MPI-Magnetfelds. Um eine Rotation der feldfreien Linie zu erreichen, wird die aus den Halbachringen bestehende Magnetanordnung um eine Achse rotiert. MRI-Messungen bzw. CT-Messungen können mit dieser Anordnung nicht durchgeführt werden.
  • Eine Anordnung, mit der simultane MPI-Messungen und CT-Messungen durchgeführt werden können, ist aus [5] bekannt. Dabei wird das MPI-Selektionsfeld mittels einer Spulenanordnung erzeugt. Ein für MRI-Messungen verwendbares homogenes Hauptmagnetfeld kann mit dieser Magnetanordnung jedoch nicht erzeugt werden.
  • [6] offenbart einen MPI-CT-Scanner mit zwei koaxial angeordneten Halbachringen. MRI-Messungen können mit dieser Anordnung nicht durchgeführt werden.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Hybrid-Bildgebungsvorrichtung vorzuschlagen, mit der sowohl Magnetfelder generiert werden können, die den Anforderungen für MRI als auch für MPI entsprechen, so dass die Hybrid-Bildgebungsvorrichtung für Messungen in verschiedenen Abbildungsmodi, umfassend MPI, MRI und CT ausgestattet werden kann.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Hybrid-Bildgebungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zur Auslegung einer Magnetanordnung zur Verwendung in einer Hybrid-Bildgebungsvorrichtung gemäß Anspruch 15 und Verfahren zur kombinierten Aufnahme von Bilddaten mehrerer abbildende Verfahren gemäß den Ansprüchen 9, 13, 14.
  • Bei der erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung umfasst die Magnetanordnung ein Magnetringpaar mit zwei Magnetringen in Halbach-Dipol-Konfiguration, die koaxial auf einer gemeinsamen Z-Achse, die durch das Probenvolumen verläuft, angeordnet sind. In der Praxis werden diese durch diskrete Magnetsegmente realisiert, die eine graduell mit dem Winkel variierende Magnetisierung aufweisen. Jeder Magnetring weist eine Dipol-Magnetisierungsrichtung auf, die der Richtung des Magnetfeldes im Innern des Magnetrings entspricht. Die Dipol-Magnetisierungsrichtung jedes Magnetrings verläuft senkrecht zur Z-Richtung (also in XY-Ebene). Als Magnetring wird auch ein zylinderförmiges Magnetobjekt verstanden.
  • Erfindungsgemäß sind die Magnetringe gegeneinander um die Z-Achse verdrehbar angeordnet und können individuell (mechanisch entkoppelt) rotiert werden. Die koaxial angeordneten Magnetringe können durch Verdrehen gegeneinander um die gemeinsame Achse in unterschiedliche Konfigurationen (unterschiedliche Winkelstellungen der Dipol-Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetringe) gebracht werden.
  • Durch die erfindungsgemäße Verdrehbarkeit der einzelnen Ringe gegeneinander kann die Art des Magnetfelds (homogenes Magnetfeld, Magnetfeldgradient) beeinflusst werden. Auf diese Weise können Magnetfelder erzeugt werden, die für verschiedene Anwendungen (zum Beispiel MPI, MRI) genutzt werden können. Dies ermöglicht die Verwendung verschiedener Messmethoden mit unterschiedlichen Magnetfeldanforderungen innerhalb einer Bildgebungsvorrichtung.
  • Erfindungsgemäß sind alle Magnetringe der Magnetanordnung mechanisch koppelbar, sodass die Magnetanordnung als Ganzes um die Z-Achse rotierbar ist. Durch ein gemeinsames Verdrehen der Magnetringe kann die feldfreie Region im FoV rotiert werden. Diese Rotation kann diskret oder kontinuierlich mit einer Rotationsfrequenz f3 im Bereich von DC-200 Hz erfolgen und wird zur Aufnahme unterschiedlicher Projektionswinkeln genutzt.
  • Im MPI-Modus weisen die Magnetringe des Magnetringpaars eine antiparallele Dipol-Magnetisierungsrichtung auf. Durch das Magnetringpaar wird im MPI-Modus eine feldfreie Region vorzugsweise als eine feldfreie Linie orthogonal zur Z-Achse erzeugt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass Magnetringe verwendet werden, die baugleich in der Dimensionierung und in der Aufmagnetisierung sind, wobei die Magnetringe so gegeneinander ausgerichtet sind, dass die von den beiden Magnetringen erzeugten Dipolfelder entgegengesetzt ausgerichtet sind. D.h. die Dipolachsen (Dipol-Magnetisierungsrichtungen) der beiden Magnetringe des Magnetringpaars sind um 180° gegeneinander verdreht (antiparallele Dipol-Magnetisierungsrichtungen).
  • Durch weitere zur Magneteinrichtung gehörige Einrichtungen kann die vom Magnetringpaar erzeugte feldfreie Linie „modifiziert“ werden, bspw. durch Überlagerung mit anderen Magnetfeldern, insbesondere durch Verschiebung der feldfreien Linie, so dass sich eine von der durch das Magnetringpaar erzeugten feldfreien Linie abweichende feldfreie Region ergibt.
  • Die Magnetanordnung definiert ein um die Z-Achse rotierendes Koordinatensystem X'Y'Z. Die Dipol-Magnetisierungsrichtung eines der Magnetringe des Magnetringpaares definiert die X'-Richtung. Im MPI-Modus ist die Dipol-Magnetisierungsrichtung des anderen Magnetrings des Magnetringpaars in -X'-Richtung ausgerichtet. Eine durch das Magnetringpaar erzeugte feldfreie Linie ist somit in Y'-Richtung ausgerichtet (längliche Ausdehnung der feldfreien Linie in Y'-Richtung).
  • Zur Erzeugung mindestens eines magnetischen Anregungsfeldes umfasst die erfindungsgemäße Hybrid-Bildgebungsvorrichtung ein MPI-Anregungsspulensystem (Drive Field). Das MPI-Anregungsspulensystem wird vorzugsweise elektrisch resonant betrieben und bewegt die feldfreie Region durch das Probenvolumen mit einer Anregungsfrequenz f1 im Bereich von 1 kHz bis 300 kHz. Bei dem MPI-Anregungsspulensystem kann es sich um ein kombiniertes Anregungs-und Detektionsspulensystem handeln.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei dem MPI-Anregungsspulensystem um ein mechanisch-statisches Anregungsspulensystem (also ein Anregungsspulensystem, das innerhalb der Vorrichtung nicht rotiert oder verschoben wird), das dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld mit Feldrichtung in Richtung der Z-Achse zu erzeugen. Alternativ zu einem Anregungsspulensystem, das ein Magnetfeld mit Feldrichtung in Richtung der Z-Achse erzeugt, kann auch ein Anregungsspulensystem zum Einsatz kommen, welches dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld mit Feldrichtung orthogonal zur Ausdehnung der feldfreien Linie zu erzeugen (bspw. in X'-Richtung). Ein solches Anregungsspulensystem müsste bei Rotation des Magnetringpaares allerdings mitrotiert werden. Vorzugsweise werden als MPI-Anregungsspulensystem Transmit-Receive-Spulen verwendet, so dass mit dem MPI-Anregungssystem Messsignale auch empfangen werden können. Alternativ können auch dedizierte Anregungs- bzw. Empfangsspulen verwendet werden. Das MPI-Anregungsspulensystem ist vorzugsweise axial zwischen den Magnetringen des Magnetringpaares angeordnet.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird das MPI-Anregungsspulensystem in Kombination mit einem Shift-Feld-Spulensystem (Focus Field) verwendet, aus folgendem Grund: Die feldfreie Region ist der sensitive Bereich, aus dem MPI-Signale erhalten werden können. Wird dieser Bereich mit hoher Frequenz durch das Anregungsfeld (Drive Field) angesteuert, werden die im FoV (also im sensitiven/rekonstruierten Bildgebungsbereich) befindlichen Tracer (z.B. superparamagnetische Eisenoxidpartikel) angeregt. Liegt die feldfreie Region in Form einer feldfreien Linie vor, können somit Projektionen der Tracerverteilung entlang der feldfreien Linie gemessen werden. Für die MPI-Bildgebung müssen für eine Vielzahl von Winkeleinstellungen der Magnetanordnung um die Z-Achse über das gesamte FoV Projektionen bestimmt werden. Dies ist bei einem Magnetfeld mit einem starken Gradienten B1 nicht alleine mit einem MPI-Anregungsspulensystem machbar, da sonst die Amplitude des vom Anregungsspulensystem erzeugten Drive Fields sehr groß sein muss, was jedoch mit negativen Einflüssen auf das zu untersuchende Objekt verbunden ist, da hohe Amplituden zu peripheren Nervenstimulation (PNS) führen können, z. B. Nervenzucken o.Ä., oder es führt zu Gewebserwärmung über die sog. Specific Absorption Rate (SAR). Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung sieht daher vor, dass die Vorrichtung ein Shift-Feld-Spulensystem (Focus Field) umfasst, das dazu eingerichtet ist, die feldfreie Region zumindest entlang einer Raumrichtung, vorzugsweise entlang aller Raumrichtungen, quasi-statisch (d.h. in diskreten Schritten) oder mit einer Shift-Frequenz (d.h. im continuous-wave (CW) Modus) innerhalb des Probenvolumens zu verschieben. Das Shift-Feld bewirkt einen Offset der feldfreien Region, vorzugsweise in Anregungsrichtung; dadurch kann die benötigte Drive-Feld Amplitude des Anregungsfeldes verringert werden. Die Verschiebung der feldfreien Region durch das Shift-Feld-Spulensystem erfolgt schrittweise (diskret) oder mit einer Shift-Frequenz f2, die kleiner ist als die Anregungsfrequenz (insbesondere f2=DC-5kHz), so dass an jeder durch das Shift-Feld bewirkten Verschiebung ein Anregungsscan mittels des Anregungsspulensystems durchgeführt werden kann. Im Falle einer feldfreien Linie als feldfreie Region ist es vorteilhaft, wenn das Shift-Feld-Magnetspulensystem so ausgelegt ist, dass eine Verschiebung senkrecht zur länglichen Ausdehnung der feldfreien Linie erfolgt.
  • Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung ist die feldfreie Region im MPI Modus eine feldfreie Linie.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung ist der weitere Abbildungsmodus ein MRI-Modus zur Aufnahme von Magnetresonanztomographie-Bildern, wobei die Magnetanordnung dazu ausgebildet ist, im MRI-Modus ein für MRI-Messungen geeignetes B0-Feld mit einem BO-Isozentrum zu erzeugen, indem die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der Magnetringe innerhalb des Magnetringpaares im MRI-Modus parallel zur XY-Ebene ausgerichtet sind. Im MRI-Modus sind die beiden Magnetringe des Magnetringpaars also nicht gegeneinander verdreht. Die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der Magnetringe der Magnetanordnung sind im MRI-Modus spiegelsymmetrisch zur XY-Ebene (die durch den Mittelpunkt der Magnetanordnung verläuft) ausgerichtet.
  • Zur Durchführung der MRI-Messungen umfasst diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung ein MRI-Gradientensystem mindestens erster Ordnung und ein MRI-Anregungsspulensystem mit einer HF-Anregungsspule zur Signalanregung und -detektion. Ferner können auch dedizierte Empfangsspulen zum Einsatz kommen. Ein für MRI-Messungen geeignetes B0-Feld muss in einem Untersuchungsbereich (ROI- region of interest) homogen sein, insbesondere mit Abweichungen in der Größenordnung von 1 bis 100 ppm der erzielten Feldamplitude. Im MRI-Modus soll die B0-Feldamplitude in der ROI möglichst maximiert sein, insbesondere im Bereich 0,1 T bis 2 T liegen. Da die Fertigungsgenauigkeiten der Komponenten nicht ausreichen, umfasst die erfindungsgemäße Hybrid-Bildgebungsvorrichtung darüber hinaus vorzugsweise eine Shimvorrichtung, insbesondere ein koaxial zur Z-Achse angeordnetes Shimrohr (für eine Grundhomogenisierung) und Shimspulen höherer Ordnungen (insbesondere 2. - 6. Ordnung) zum Homogenisieren des von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfelds im MRI-Modus. Die MRI-Shimvorrichtung (passive = Shimrohr sowie aktiv = Shimspulen) dient zur Homogenisierung des von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfelds sowie zur Kompensation von Feldverzerrungen durch das Untersuchungsobjekt selbst. Das von der Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld wird in erster Ordnung durch das MRI-Gradientspulensystem homogenisiert (d.h. das Gradientensystem erzeugt ein Magnetfeld, das die Magnetfeldkomponenten erster Ordnung einer mathematischen Entwicklung des Magnetfelds eliminieren (B1-Komponente). Eine Homogenisierung des Magnetfelds in höheren Ordnungen (insb. 2. bis 6. Ordnung) kann durch die Shimspulensysteme erfolgen. Unter Verwendung beider aktiven/justierbaren Shimvorrichtungen (d.h. MR-Gradientenspulensystem und MRI-Shimspulensystem) können auch die Einflüsse des zu untersuchenden Objektes mit kompensiert werden. Eine Grundhomogenisierung (d.h. Kompensation von produktionsbedingten Abweichungen, bspw. bzgl. Magnetisierungsrichtung einzelner Teilsegmente der Magnetringe, Positionierung der einzelnen Teilsegmente zueinander, Fehlstellen im Grundmaterial der Teilsegmente, Anordnung und Lagerung der Magnetringe, Ausrichtung (Rotation, Verkippung in XY Ebene) der Magnetringe zueinander) kann durch passive Shimrohre realisiert werden. Das Shimrohr ist vorzugsweise zumindest teilweise axial zwischen den Magnetringen des Magnetringpaars angeordnet. Die Shimspulen können in der MPI-Konfiguration ausgeschaltet werden; die festen Werte des Shimrohres können jedoch nicht verändert werden und haben einen direkten Einfluss auf das MPI-Gradientenfeld und somit die feldfreie Region. Meist wird eine Kombination aus allen drei Optionen genutzt. Die Shimvorrichtung umfasst dann sowohl aktive als auch passive Komponenten.
  • Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung sieht vor, dass der weitere Abbildungsmodus ein CT-Modus ist zur Aufnahme von Computertomographie-Bildern, wobei die Magnetringe des Magnetringpaars in Z-Richtung voneinander beabstandet sind und die Vorrichtung eine CT-Einheit mit einer Röntgenquelle und einem der Röntgenquelle gegenüberliegenden Röntgendetektor umfasst, wobei Röntgenquelle und -detektor in der XY-Ebene um die Z-Achse drehbar gelagert sind. Die CT-Einheit ist axial zwischen den Magnetringen des Magnetringpaars angeordnet und rotiert im CT-Modus um die Z-Achse.
  • Vorzugsweise sind Röntgenquelle und -detektor derart an der Magnetanordnung mechanisch koppelbar, dass die CT-Einheit gemeinsam mit der Magnetanordnung um die Z-Achse rotierbar ist. Durch die Kopplung der Rotation der Magnetanordnung und der Rotation der CT-Einheit kann die Streufeldproblematik reduziert werden, die aufgrund eines sich ändernden Magnetfeldes (induziert durch eine Relativbewegung zwischen Magnetfeldanordnung und CT-Einheit) entsteht, durch das sich der Elektronenstrahl der CT-Einheit sonst bewegen würde. Das statische Streufeld der Magnetfeldanordnung kann direkt kompensiert oder berücksichtigt werden, sodass der Elektronenstrahl akkurat auf das Anodenmaterial auftrifft.
  • Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Hybrid-Bildgebungsvorrichtung dazu eingerichtet, in mehr als zwei Abbildungsmodi betrieben zu werden, z.B. MPI, MRI und CT.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur kombinierten Aufnahme von MPI- und CT-Daten unter Verwendung einer oben beschriebenen Bildgebungsvorrichtung, wobei die Magnetanordnung und die CT-Einheit gemeinsam um die Z-Achse rotiert werden. Die Magnetanordnung wird dazu in einem Modus mit zuvor definierter Anordnung der Magnetringe zueinander (relativen Magnetringposition), z.B. im MPI-Modus, betrieben. Durch die gemeinsame Rotation der Magnetanordnung mit der CT-Einheit ist der Elektronenstrahl der Röntgenquelle während der Rotation immer in demselben magnetischen Umfeld und dieser erfährt dadurch immer die gleiche Ablenkung.
  • Vorzugsweise werden die MPI- und CT-Daten simultan akquiriert. CT-Modus und MPI-Modus sind dann gleichzeitig aktiviert. Das im MPI-Modus von der Magnetanordnung erzeugte Selektionsfeld stört die CT-Aufnahme nicht, so dass eine gleichzeitige Datenakquisition problemlos stattfinden kann.
  • Bei einer speziellen Variante dieses Verfahrens werden die MPI-Daten aus einer 2D MPI-Akquisitionsebene des Probenvolumens akquiriert und die CT-Einheit erzeugt einen Röntgenstrahl in einem CT-Strahlengang in Form einer Ebene oder bei Verwendung eines 2D-Detektors einen Röntgen-Kegelstrahl, wobei die MPI-Akquisitionsebene mit dem CT-Strahlengang zumindest teilweise überlappt. Somit lassen sich mit beiden Modalitäten nicht nur simultan, sondern auch am selben Ort Daten akquirieren. Dabei wird die feldfreie Region in der MPI-Akquisitionsebene verschoben.
  • Vorzugsweise wird die kombinierte MPI-CT-Aufnahme in Form einer Spiralabtastung (helical scan) durchgeführt, wobei die CT-Einheit gemeinsam mit der Magnetanordnung und dem MPI-Anregungsspulensystem um die Z-Achse rotiert wird, sodass die feldfreie Region rotiert, während das zu untersuchendes Objekt kontinuierlich in Z-Richtung durch das FoV der Hybrid-Bildgebungsvorrichtung bewegt oder (für die MPI Datenakquisition) die feldfreie Region unter Verwendung von Zusatzspulen (AC oder DC) in Z-Richtung verschoben wird. Somit kann eine 3D-Bildgebung unter Verwendung beider Modalitäten realisiert werden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur kombinierten Aufnahme von MPI-Daten im MPI-Modus und von MRI-Daten im MRI-Modus unter Verwendung einer oben beschriebenen Vorrichtung, wobei MPI-Daten und MRI-Daten nacheinander (sequenziell) aufgenommen werden. Zum Umschalten zwischen MRI-Modus und MPI-Modus werden die Magnetringe des Magnetringpaars gegeneinander verdreht.
  • Bei symmetrischer Ausführung der Magnetringe befindet sich die feldfreie Region im MPI-Modus an derselben Position wie das MRI-Iso-Zentrum im MRI-Modus. Somit kann mit beiden Modalitäten sequenziell am selben Ort das Objekt vermessen werden, ohne das Objekt bewegen zu müssen. Hierfür ist lediglich eine Konfigurationsänderung der Magnetanordnung notwendig: Durch eine gegenseitige Verdrehung der Magnetringe innerhalb des Magnetringpaars kann die Feldtopologie von MPI-Modus zu MRI-Modus und umgekehrt verändert werden. Im Idealfall werden die Magnetringe des Magnetringpaars um 180° gegeneinander verdreht, um zwischen dem MPI-Modus und dem MRI-Modus zu wechseln. Abhängig von Fertigungstoleranzen kann die Differenz der beiden Stellungen von 180° abweichen.
  • Im MRI-Modus werden vor der Datenakquisition vorzugsweise noch mehrere Kalibrationsschritte durchgeführt, um die Bildqualität zu verbessern. Hierunter fallen unter anderem die Justage von aktiven B0-Shim-Kanäle der Shimvorrichtung, der RF-Pulsleistung des Anregungsspulensytems und des Receiver-Gains eines Empfangsspulensystems.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur kombinierten Aufnahme von CT-Daten im CT-Modus und von MRI-Daten im MRI-Modus unter Verwendung einer oben beschriebenen Vorrichtung, wobei das BO-Isozentrum und der CT-Strahlengang einander überlappen. Die Magnetanordnung, die Röntgenquelle (CT-Röhre) und der CT-Detektor werden zur Erfassung einer Ortskodierung zumindest im CT-Modus gemeinsam um die Z-Achse rotiert. Die CT-Daten im CT-Modus und die MRI-Daten im MRI-Modus werden sequenziell akquiriert. Durch das Zusammenfallen des MRI-B0-Isozentrums und der CT-Strahlengang lassen sich mit beiden Modalitäten sequenziell am selben Ort Daten akquirieren. Ferner kann die Rotation der Magnetanordnung und damit die Änderung der B0-Feldrichtung für richtungsabhängige MRI-Sequenzen genutzt werden. Hierfür müssen neben der Magnetanordnung zumindest die passive Shim-Einheit (Shimrohr) als auch das MRI-Gradientensystem entsprechend mitrotiert werden. Je nach Ausführung muss die CT-Akquisition in einer bestimmten Halbachring-Anordnung (MRI- oder MPI-Modus) durchgeführt werden, um Streufeldeinflüsse auf den Elektronenstrahl der Röntgenquelle zu berücksichtigen. Hierfür ist gegebenenfalls zwischen der CT-Datenaufnahme und der MRI-Datenaufnahmen ein Zwischenschritt notwendig, um die Konfiguration der Magnetanordnung zu ändern. Durch eine gegenseitige Verdrehung beider Magnetringe eines Magnetringpaars gegeneinander kann die Feldtopologie von MPI-Modus zum MRI-Modus und umgekehrt verändert werden.
  • Für die 3D CT-Bildgebung ist entweder eine Cone-Beam (Kegelstrahl) und ein 2D Detektor oder eine zusätzliche mechanische Verschiebung des Objekts notwendig. Bei einer speziellen Variante wird die kombinierte MRI-CT-Aufnahme in Form einer Spiralabtastung (helical scan) durchgeführt, wobei die CT-Einheit gemeinsam mit der Magnetanordnung um die Z-Achse rotiert wird, während das zu untersuchendes Objekt kontinuierlich in Z-Richtung durch das FoV der Hybrid-Bildgebungsvorrichtung bewegt wird. Somit kann eine 3D-Bildgebung unter Verwendung beider Modalitäten realisiert werden.
  • In einer speziellen Ausführungsform sind das Shim- und Gradientensystem statisch. Der MRI-Modus wird dann in einer Stellung der Magnetringe in einem dezidierten Winkel in Bezug auf die magnetische Ausrichtung des Shim- und Gradientensystems durchgeführt. Alternativ hierzu können die Shimvorrichtung und das MRI-Gradientensystem so ausgeführt sein, dass sie um die Z-Achse rotiert werden können.
  • Erfindungsgemäß können die Magnetringe simultan (mechanisch gekoppelt) oder individuell (mechanisch entkoppelt) um die Z-Achse rotiert werden. Eine mechanisch gekoppelte Drehung ermöglicht eine mechanische Rotation der feldfreien Region im MPI-Modus bzw. die Drehung der B0-Feldrichtung im MRI-Modus. Eine mechanisch entkoppelte Drehung ermöglicht die Änderung der Magnetring-Konfiguration (Überführung von MRI-Modus zu MPI-Modus und umgekehrt). Durch Anpassungen der Magnetring-Parameter (Ringabstand, Innen- und Außendurchmesser, Ringdicke, Ringmaterial, Ringsegmentierung, Segment-Magnetisierungsrichtungen, Ringanstellwinkel, ...) kann die B0-Feldhomogenität und/oder B1-Gradientenlinearität sowie Ruhelage der feldfreien Region optimiert werden. Auf Grund des Abstandes zwischen den Magnetringen können weitere Untersuchungsmethoden wie z.B. CT oder optische Verfahren am selben Ort und ggf. simultan ermöglicht werden. Somit kann ein Objekt mit allen Modalitäten am selben Ort vermessen werden ohne die Notwendigkeit des Transports der Probe.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Auslegung einer Magnetanordnung zur Verwendung in einer zuvor beschriebenen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung mit einem MPI-Modus und einem MRI-Modus, wobei die Magnetanordnung Magnetringe mit einer zentralen Bohrung aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte:
    1. a. Vorgeben eines Ziel-Magnetfeldes B0 im MRI-Modus und eines Ziel-Gradienten B1 im MPI-Modus eines von der Magnetanordnung zu erzeugenden Magnetfeldes B und eines Innendurchmessers der zentralen Bohrung des Magnetringpaares;
    2. b. Vorgeben der Homogenität des von der Magnetanordnung im MRI-Modus zu erzeugenden Magnetfeldes im Probenvolumen durch Nullsetzen zumindest der ersten Feldordnung einer mathematischen Entwicklung des von der Magnetanordnung zu erzeugenden Magnetfelds, und Vorgeben der Linearität des von der Magnetanordnung im MPI-Modus zu erzeugenden Magnetfeldes im Probenvolumen durch Nullsetzen zumindest der zweiten Feldordnung der mathematischen Entwicklung des von der Magnetanordnung zu erzeugenden Magnetfelds;
    3. c. Bestimmen von freien Designparametern, insbesondere Geometrieparametern der Magnetringe und Abstand zwischen den Magnetringen, durch Minimierung des Volumens der Magnetringe unter den Nebenbedingungen der Schritte a) und b) mittels eines Optimierungsprozesses;
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst eine gekoppelte Optimierung, d.h. es werden bei dem Optimierungsverfahren für die Nebenbedingungen betreffend den MPI-Modus und für die Nebenbedingungen betreffend den MRI-Modus identische freien Designparameter verwendet. Die Magnetanordnung wird also gleichzeitig hinsichtlich des für den MPI-Modus und hinsichtlich des MRI-Modus benötigen Magnetfelds optimiert. Es können ferner einzelne Parameter unterschiedlich gewichtet werden, um z.B. die Homogenitätsanforderung im MRI-Modus innerhalb der Optimierung zu bevorzugen. Bei der mathematischen Entwicklung handelt es sich vorzugsweise um eine „zentrale Entwicklung“, d.h. eine Entwicklung, die in der direkten Umgebung des Entwicklungspunktes (im Allgemeinen das Magnetzentrum) konvergiert.
  • In Schritt b) werden eine gewünschte Homogenität für das Magnetfeld im MRI-Modus und eine gewünschte Linearität für das Magnetfeld im MPI-Modus vorgegeben: Im MRI-Modus soll das B0-Feldim ROI möglichst homogen sein, insbesondere Abweichungen in der Größenordnung von 1 bis 100 ppm der erzielten Feldamplitude. Die B0-Feldamplitude in der ROI sollte im MRI-Modus möglichst maximiert sein, insbesondere 0,1 T bis 2 T. Im MPI-Modus soll der Magnetfeldgradient B1 einen Wert im Bereich 1 T/m bis 20 T/m aufweisen. Je größer der Magnetfeldgradient B1, desto schärfer wird die feldfreie Region und damit die Point-Spread-Function der Partikelantwort resp. die örtliche Auflösung im Bildraum. In Schritt b) können darüber hinaus Streufeldeigenschaften des von der Magnetanordnung zu erzeugenden Magnetfeldes außerhalb der Magnetanordnung bestimmt und in den Optimierungsprozess mit einbezogen werden. Streufeldeigenschaften umfassen insbesondere die Ausdehnung des von der Magnetanordnung zu erzeugenden Magnetfelds außerhalb der Magnetanordnung. Hierzu wird vorzugsweise eine Fernfeldentwicklung, also eine Entwicklung die außerhalb der Magnetanordnung konvergiert, verwendet.
  • Die in Schritt c) genannten Geometrieparameter der Magnetringe sind insbesondere: Außendurchmesser, Ringstärke, Material der Magnetringe, Magnetisierung, Diskretisierung bzw. Aufbauweise, Anzahl der Segmente der Magnetringe und die Magnetisierung der Segmente. Vorzugsweise wird das minimale Gewicht der Magnetringe als Funktion der unter Schritt c) bestimmten Designparameter bestimmt.
  • Mit den so bestimmten Designparametern können die Magnetringe entsprechend angefertigt werden, wobei die Magnetringe in der Regel aus Einzelsegmenten aufgebaut sind, die fest miteinander verklebt werden. Die Magnetringe werden außerdem derart mechanisch miteinander verbunden, dass sie gegeneinander um die Z-Achse rotierbar sind.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt eine Magnetanordnung sowie ein MPI-Anregungsspulensystem einer erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung mit antiparallelen Dipol-Magnetisierungsrichtungen der Magnetringe in X-Richtung.
    • 2 zeigt eine Magnetanordnung sowie ein MPI-Anregungsspulensystem einer erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung mit antiparallelen Dipol-Magnetisierungsrichtungen der Magnetringe in X'-Richtung.
    • 3 zeigt eine Magnetanordnung einer erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung mit parallelen Dipol-Magnetisierungsrichtungen der Magnetringe in X-Richtung.
    • 4 zeigt eine erfindungsgemäße Hybrid-Bildgebungsvorrichtung mit Magnetanordnung, MRI-Shimvorrichtung sowie MRI/MPI-Anregungsspulensystem.
    • 5 zeigt eine erfindungsgemäße Hybrid-Bildgebungsvorrichtung mit Magnetanordnung, CT-Einheit sowie MPI-Anregungsspulensystem.
    • 6 zeigt die Hybrid-Bildgebungsvorrichtung aus 5, wobei CT-Einheit und Magnetanordnung gegenüber dem MPI-Anregungsspulensystem verdreht sind.
    • 7 zeigt eine erfindungsgemäße Hybrid-Bildgebungsvorrichtung mit Magnetanordnung, MRI-Shimvorrichtung, CT-Einheit sowie MRI/MPI-Anregungsspulensystem.
  • 1 zeigt eine Magnetanordnung für eine erfindungsgemäße Hybrid-Bildgebungsvorrichtung. Die in 1 gezeigte Magnetanordnung umfasst zwei Magnetringe R1, R2, die ein erstes Magnetringpaar R1/R2 bilden. Bei den Magnetringen R1, R2 handelt es sich um Halbachringe zweiter Ordnung (k=2, gerichtetes Dipolmoment). Die beiden Magnetringe R1, R2 sind koaxial zu einer Z-Achse und symmetrisch um ein Probenvolumen PV angeordnet, durch das die Z-Achse verläuft. Das Probenvolumen PV ist definiert durch die frei zugängliche Bohrung (Röhrendurchmesser). Die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetringe R1, R2 sind um 180° gegeneinander verdreht (antiparallel). Dadurch ergibt sich eine feldfreie Region in Form einer Linie (feldfreie Linie FFL). Um die feldfreie Linie FFL innerhalb des Probenvolumens PV zu bewegen, ist ein MPI-Anregungsspulensystem DF vorgesehen.
  • Unter Verwendung des MPI-Anregungsspulensystem DF können homogene AC-Felder im kHz Bereich (Anregungsfeld = Drive-Feld) mit Feldrichtung in Z-Richtung erzeugt werden, wodurch die feldfreie Line FFL orthogonal zu ihrer Lage (β+90°) in der XY-Ebene bewegt werden kann. Diese Konfiguration kann daher dazu verwendet werden, MPI-Messungen durchzuführen. Dabei werden die durch das MPI-Anregungsspulensystem DF induzierten Feldänderungen zur Anregung von magnetischen Nanopartikeln und zur Detektion des Partikelsignals (das Projektionssignal entlang der FFL) genutzt. Vorzugsweise werden zur Partikelanregung und zur Signaldetektion zwei separate Spulen verwendet. Eine dedizierte Empfangsspule sollte in diesem Fall als Gradiometer aufgebaut sein.
  • In 1 zeigen die Dipol-Magnetisierungsrichtungen beider Magnetringe R1, R2 in X-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems XYZ. Eine gemeinsame Rotation um den Winkel β beider Magnetringe R1, R2 um die gemeinsame Rotationsachse Z resultiert in eine Rotation der feldfreien Linie FFL, wie in 2 gezeigt. Ein durch die Magnetringe R1, R2 definiertes weiteres Koordinatensystem X'Y'Z' ist dann gegenüber dem Koordinatensystem XYZ um den Winkel β verdreht, wobei Z' mit Z übereinstimmt. Das weitere Koordinatensystem X'Y'Z' ist so definiert, dass die durch das Magnetspulenpaar R1/R2 erzeugte feldfreie Linie immer in Y'-Richtung ausgerichtet ist.
  • Unter Anpassung der Magnetringe R1, R2 (Abstand, Dicke, Material, Remanenz, Position, Magnetisierung, Innen- und Außendurchmesser) kann das durch die Magnetringe R1, R2 erzeugte MPI-Magnetfeld in Bezug auf die Amplitude (B1) sowie die Gradientenlinearität (Minimierung der ungerade Feldanteile B3, B5,...,Bn) optimiert werden.
  • Mit demselben Magnetringpaar kann auch ein Magnetfeld für MRI-Messungen erzeugt werden. Dazu werden die beiden Magnetringe R1, R2 in eine Stellung gebracht, in der die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetringe R1, R2 in die gleiche Richtung weisen (parallel), wie in 3 gezeigt.
  • Unter Anpassung der Magnetringe R1, R2 (Ringabstand, Ringdicke, Ringmaterial, Remanenz, Ringposition, Ringmagnetisierung, Ringinnen- und Ringaußendurchmesser,...) kann das MRI-Magnetfeld mit Hilfe geeigneter Simulationssoftware in Bezug auf die Amplitude (B0) sowie die Homogenität durch die Minimierung der gerade Feldanteile B2, B4,...Bn optimiert werden.
  • Das Magnetringpaar R1/R2 kann also dazu genutzt werden einerseits ein MPI-Magnetfeld mit einem Gradienten B1 für MPI-Messungen (MPI-Modus) und andererseits ein homogenes MRI-Magnetfeld für MRI-Messungen (MRI-Modus) zu erzeugen. Zum Umschalten zwischen MRI-Modus und MPI-Modus müssen lediglich die beiden Ringe R1, R2 gegeneinander um die Z-Achse verdreht werden. Erfindungsgemäß wird dies genutzt, um eine Hybrid-Bildgebungsvorrichtung zu realisieren.
  • Um eine MRI-Bildgebung zu ermöglichen, müssen weitere Komponenten in die Hybrid-Bildgebungsvorrichtung eingebracht werden, z.B. MRI-Shimvorrichtung SR (Shim-Spulen, Shimrohr), MRI-Gradientensystem (nicht gezeigt), MRI-Anregungs-und Detektionsspulensystem). 4 zeigt eine erfindungsgemäße Hybrid-Bildgebungsvorrichtung, die im MPI-Modus und im MRI-Modus betrieben werden kann. Neben dem ersten Magnetringpaar R1/R2 und dem MPI-Anregungsspulensystem DF weist die in 4 gezeigte Hybrid-Bildgebungsvorrichtung eine MRI-Shimvorrichtung SR mit einem Shim-Rohr zur Grundhomogenisierung des Magnetfelds im MRI-Modus auf. Die übrigen oben genannten MRI-Komponenten sind der Übersichtlichkeit halber in dieser schematischen Darstellung nicht gezeigt. Beispielsweise können die resonanten Anrege- und Detektionsspulen im MRI Modus gemeinsam mit dem MPI-Anregungsspulensystem DF ausgeführt sein. In 4 befindet sich das Magnetspulensystem im MRI-Modus, d.h. die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetringe R1, R2 sind parallel zueinander. Im Vergleich mit dem in 3 dargestellten Magnetringpaar R1/R2 sind die beiden Magnetringe R1, R2 in 3 jedoch gemeinsam um den Winkel β um die gemeinsame Rotationsachse Z verdreht. Dies führt zu einer Rotation des B0-FeldVektors in der XY-Ebene. Eine Verdrehung des Magnetringpaar R1/R2 ermöglicht also neue MR-Sequenzen, bei denen verschiedene Feldrichtungen ausgenutzt werden können (wie z.B. Suszeptibilitätsmessungen). Vorzugsweise wird das Shimrohr SR sowie das MRI-Gradientensystem zusammen mit dem Magnetringpaar R1/R2 rotiert. Das MPI-Anregungsspulensystem DF kann auch als Anrege- und Detektionsvorrichtung für die MRI-Messungen dienen.
  • 5 zeigt eine andere Ausführungsart der erfindungsgemäßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung, die im MPI-Modus und CT-Modus betrieben werden kann. Die Hybrid-Bildgebungsvorrichtung weist dazu neben dem ersten Magnetringpaar R1/R2 und dem MPI-Anregungsspulensystem DF eine CT-Einheit mit einer Röntgenquelle Q und einem der Röntgenquelle Q gegenüberliegenden auf einem Kreissegment angebrachten Röntgendetektor D auf. Die Magnetringe R1, R2 der in 5 gezeigten Hybrid-Bildgebungsvorrichtung befinden sich im MPI-Modus, d.h. die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetringe R1, R2 sind antiparallel, sodass ein Magnetfeld mit einer feldfreien Linie FFL erzeugt wird. Mittels des MPI-Anregungsspulensystems kann die feldfreie Linie FFL im Probenvolumen PV bewegt werden. Der von der Röntgenquelle Q erzeugte Strahlengang wird vorzugsweise in der Ebene, in der die feldfreie Linie FFL bewegt wird (hier die XY-Ebene), eingestrahlt. Der Winkel zwischen der Dipol-Magnetisierungsrichtung und der Strahlengang-Achse des Röntgenstrahls aus der Röntgenquelle Q kann frei (aber vorzugsweise konstant) definiert werden. In der in 5 gezeigten schematischen Darstellung ist die Orientierung so gewählt, dass die feldfreie Linie FFL senkrecht auf der Strahlengang-Achse steht und die durch das MPI-Anregungsspulensystem erzeugte Bewegung (Auslenkung) der feldfreien Linie FFL entlang des Strahlengangs (also in X-Richtung) erfolgt. Dies ermöglicht eine simultane Messung von MPI-Daten und CT-Daten am selben Ort. Um Artefakte in der CT-Rekonstruktion zu vermeiden, sollte die CT-Einheit so angeordnet sein, dass in dem durch die Röntgenquelle Q erzeugten Röntgenstrahlengang keine metallischen Strukturen vorhanden sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das MPI-Anregungsspulensystem zwei Partialspulen umfasst, zwischen denen der Röntgenstrahlengang verläuft, wie in 5 gezeigt.
  • Eine gemeinsame Rotation beider Magnetringe R1, R2 um den Winkel β um die gemeinsame Rotationsachse Z resultiert in eine Rotation der feldfreien Linie FFL, wie in 6 gezeigt. Dabei ist es vorteilhaft, die CT-Einheit so anzubringen, dass für die Rotation der Magnetringe R1, R2 und der CT-Einheit eine gemeinsame Drehachse genutzt wird. Eine gemeinsame Rotation der Magnetringe R1, R2 und der CT-Einheit resultiert in ein konstantes Magnetfeld innerhalb der Röntgenquelle Q und führt somit zu einer konstanten Ablenkung des Elektronenstrahls in der Röntgenquelle welcher vorbestimmt und entsprechend berücksichtigt werden kann. Auf diese Weise können eine Vielzahl von Projektionen mit beide Modalitäten (MPI-Modus und CT-Modus) am selben Ort bestimmt werden.
  • 7 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä-ßen Hybrid-Bildgebungsvorrichtung, die in drei verschiedenen Abbildungsmodi (MRI-Modus, CT-Modus und MPI-Modus) betrieben werden kann. Die Magnetringe R1, R2 sind im MRI-Modus dargestellt, d. h. die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetringe R1, R2 sind parallel zueinander ausgerichtet. Dadurch wird ein homogenes B0-Feldin Dipolrichtung erzeugt. Sowohl das MPI-Anregungsspulensystem DF als auch das Shimrohr SR sind in 7 gesplittet ausgeführt, um einen hindernisfreien Strahlengang der von der Röntgenquelle Q erzeugten Röntgenstrahlung zu dem Röntgendetektor D unabhängig von dem Verdrehwinkel β der CT-Einheit gegenüber dem MPI-Anregungsspulensystem DF bzw. dem Shimrohr SR zu ermöglichen.
  • Für den CT-Modus ist unerheblich, ob die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der beiden Magnetringe R1, R2 parallel oder antiparallel zueinander ausgerichtet sind. CT-Modus und MRI-Modus bzw. CT-Modus und MPI-Modus können daher parallel betrieben werden.
  • Bezugszeichenliste
    • R1
    Magnetring des Magnetringpaares
    R2
    Magnetring des Magnetringpaares
    R1/R2
    Magnetringpaar
    FFL
    feldfreie Linie
    PV
    Probenvolumen
    SR
    MRI-Shimvorrichtung (passives Shim-Rohr und/oder aktive Shimspulen);
    DF
    HF-Anregungsspulensystem für MPI und/oder MRI
    D
    Röntgendetektor
    Q
    Röntgenquelle
  • Literaturliste

Claims (15)

  1. Hybrid-Bildgebungsvorrichtung zur Abbildung eines zu untersuchenden Objekts in einem Probenvolumen (PV), wobei die Hybrid-Bildgebungsvorrichtung in einem MPI-Modus und in mindestens einem weiteren Abbildungsmodus betrieben werden kann und eine Magnetanordnung umfasst, die dazu ausgebildet ist, im MPI-Modus ein Magnetfeld mit einem Gradienten B1 und einer feldfreien Region im Probenvolumen (PV) zu erzeugen, wobei die Magnetanordnung ein Magnetringpaar (R1/R2) mit zwei Magnetringen (R1, R2) in Halbach-Dipol-Konfiguration umfasst, die koaxial auf einer gemeinsamen Z-Achse, die durch das Probenvolumen (PV) verläuft, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetringe (R1, R2) gegeneinander um die Z-Achse verdrehbar angeordnet sind, und dass alle Magnetringe (R1, R2) der Magnetanordnung mechanisch koppelbar sind, sodass die die Magnetringe simultan um die Z-Achse drehbar sind, und dass die Magnetringe zur Überführung vom MRI-Modus in den MPI-Modus oder umgekehrt mechanisch entkoppelbar sind, so dass die Magnetringe individuell um die Z-Achse drehbar sind.
  2. Hybrid-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, die Magnetringe (R1, R2) des Magnetringpaars (R1/R2) im MPI-Modus eine antiparallele Dipol-Magnetisierungsrichtungen aufweisen.
  3. Hybrid-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein MPI-Anregungsspulensystem zur Erzeugung mindestens eines magnetischen Anregungsfeldes umfasst.
  4. Hybrid-Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Shift-Feld-Spulensystem umfasst, das dazu eingerichtet ist, die feldfreie Region zumindest entlang einer Raumrichtung, vorzugsweise entlang aller Raumrichtungen, quasi-statisch oder mit einer Shift-Frequenz innerhalb des Probenvolumens (PV) zu verschieben.
  5. Hybrid-Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die feldfreie Region im MPI Modus eine feldfreie Linie (FFL) ist.
  6. Hybrid-Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abbildungsmodus ein MRI-Modus zur Aufnahme von Magnetresonanztomographie-Bildern ist, wobei die Magnetanordnung dazu ausgebildet ist, im MRI-Modus ein für MRI Messungen geeignetes B0-Feld mit einem B0-Isozentrum zu erzeugen, indem die Dipol-Magnetisierungsrichtungen der Magnetringe (R1, R2) innerhalb des Magnetringpaares (R1/R2) im MRI-Modus parallel zur XY-Ebene ausgerichtet sind.
  7. Hybrid-Bildgebungsvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Abbildungsmodus ein CT-Modus ist zur Aufnahme von Computertomographie-Bildern, wobei die Magnetringe (R1, R2) des ersten Magnetringpaars (R1/R2) in Z-Richtung voneinander beabstandet sind und die Vorrichtung eine CT-Einheit mit einer Röntgenquelle (Q) und einem der Röntgenquelle (Q) gegenüberliegenden Röntgendetektor (D) umfasst, wobei Röntgenquelle (Q) und Röntgendetektor (D) in der XY-Ebene um die Z-Achse drehbar gelagert sind.
  8. Hybrid-Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Röntgenquelle (Q) und Röntgendetektor (D) derart an der Magnetanordnung mechanisch koppelbar sind, dass die CT-Einheit gemeinsam mit der Magnetanordnung um die Z-Achse drehbar ist.
  9. Verfahren zur kombinierten Aufnahme von MPI- und CT-Daten unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Magnetanordnung und die CT-Einheit gemeinsam um die Z-Achse rotiert werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die MPI- und CT-Daten simultan akquiriert werden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die MPI-Daten aus einer 2D MPI-Akquisitionsebene des Probenvolumens akquiriert werden und dass die CT-Einheit einen Röntgenstrahl in einem CT-Strahlengang erzeugt, wobei die MPI-Akquisitionsebene mit dem CT-Strahlengang zumindest teilweise überlappt.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte MPI-CT-Aufnahme in Form einer Spiralabtastung (helical scan) durchgeführt wird, wobei die CT-Einheit gemeinsam mit der Magnetanordnung und dem MPI-Anregungsspulensystem um die Z-Achse rotiert wird, sodass die feldfreie Region rotiert, während das zu untersuchendes Objekt kontinuierlich in Z-Richtung durch das FoV der Hybrid-Bildgebungsvorrichtung bewegt wird.
  13. Verfahren zur kombinierten Aufnahme von MPI-Daten im MPI-Modus und von MRI-Daten im MRI-Modus unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei MPI-Daten und MRI-Daten nacheinander aufgenommen werden, und dass zum Umschalten zwischen MRI-Modus und MPI-Modus die Magnetringe (R1, R2) des Magnetringpaars (R1/R2) gegeneinander verdreht werden.
  14. Verfahren zur kombinierten Aufnahme von CT-Daten im CT-Modus und von MRI-Daten im MRI-Modus unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 6 in Kombination mit Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das BO-Isozentrum und der CT Strahlengang einander teilweise überlappen, dass die Magnetanordnung, die Röntgenquelle (Q) und der CT-Detektor (D) zur Erfassung einer Ortskodierung zumindest im CT-Modus gemeinsam um die Z-Achse rotiert werden, und dass die CT-Daten im CT-Modus und die MRI-Daten im MRI-Modus sequenziell akquiriert werden.
  15. Verfahren zur Auslegung einer Magnetanordnung zur Verwendung in einer Hybrid-Bildgebungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 mit einem MPI-Modus und einem MRI-Modus umfassend folgende Schritte, wobei die Magnetanordnung Magnetringe (R1, R2) mit einer zentralen Bohrung aufweist: a. Vorgeben eines Ziel-Magnetfeldes B0 im MRI-Modus und eines Ziel-Gradienten B1 im MPI-Modus eines von der Magnetanordnung zu erzeugenden Magnetfeldes B, sowie der Anzahl an Magnetringen (R1, R2) und eines Innendurchmessers der zentralen Bohrung der Magnetringe (R1, R2); b. Vorgeben der Homogenität des von der Magnetanordnung im MRI-Modus zu erzeugenden Magnetfeldes im Probenvolumen (PV) durch Nullsetzen zumindest der ersten Feldordnung einer mathematischen Entwicklung des von der Magnetanordnung zu erzeugenden Magnetfelds, und Vorgeben der Linearität des von der Magnetanordnung im MPI-Modus zu erzeugenden Magnetfeldes im Probenvolumen (PV) durch Nullsetzen zumindest der zweiten Feldordnung der mathematischen Entwicklung des von der Magnetanordnung zu erzeugenden Magnetfelds; c. Bestimmen von freien Designparametern, insbesondere Geometrieparametern der Magnetringe (R1, R2) und Abstand zwischen den Magnetringen (R1, R2), durch Minimierung des Volumens der Magnetringe (R1, R2) unter den Nebenbedingungen der Schritte a) und b) mittels eines Optimierungsprozesses.
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