-
Die
Erfindung betrifft eine Lokalspuleneinheit eines Magnetresonanzgeräts, welches
ein Hochfrequenzfeld in ein Untersuchungsobjekt einstrahlt.
-
Bei
der Magnetresonanztomographie, auch Kernspintomographie genannt,
handelt es sich um eine inzwischen weitverbreitete Technik zur Gewinnung
von Bildern des Körperinneren
eines lebenden Untersuchungsobjekts. Um mit diesem Verfahren ein Bild
zu gewinnen, muss zunächst
der Körper
bzw. der zu untersuchende Körperteil
des Untersuchungsobjekts einem möglichst
homogenen statischen Grundmagnetfeld (meist als B0-Feld bezeichnet)
ausgesetzt werden, welches von einem Grundfeldmagneten der Magnetresonanzgeräts (MR-Geräts) erzeugt wird.
Diesem Grundmagnetfeld werden während
der Aufnahme der Magnetresonanzbilder schnellgeschaltete Gradientenfelder
zur Ortscodierung überlagert,
die von sog. Gradientenspulen erzeugt werden.
-
Es
werden dann mit Hochfrequenzantennen Hochfrequenzpulse einer definierten
Feldstärke
in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt. Die magnetische Flussdichte
dieser Hochfrequenzpulse wird üblicherweise
mit B1 bezeichnet, das pulsförmige Hochfrequenzfeld
wird im allgemeinen auch kurz B1-Feld genannt. Mittels der Hochfrequenzpulse werden
im Untersuchungsobjekt Magnetresonanzsignale ausgelöst, welche
von Hochfrequenzempfangsantennen aufgenommen werden. Bei den Empfangsantennen
kann es sich entweder um die gleichen Antennen handeln, mit denen
auch die Hochfrequenzpulse ausgestrahlt werden, oder um separate Empfangsantennen.
-
Die
Magnetresonanzbilder des Untersuchungsobjekts werden schließlich auf
Basis der empfangenen Magnetresonanzsignale erstellt. Jeder Bildpunkt
im Magnetresonanzbild ist dabei ei nem kleinen Körpervolumen, einem sogenannten „Voxel", zugeordnet. Jeder
Helligkeits- oder Intensitätswert der
Bildpunkte ist mit der aus diesem Voxel empfangenen Signalamplitude
des Magnetresonanzsignals verknüpft.
Die Stärke
des Magnetresonanzsignals hängt
dabei unter anderem auch von der Stärke des eingestrahlten B1-Feldes
ab. Zeitliche und räumliche Schwankungen
in der Feldstärke
des anregenden B1-Feldes führen
zu unbeabsichtigten Änderungen im
empfangenen Magnetresonanzsignal, die das Messergebnis verfälschen können. So
bewirkt eine räumliche
Verteilung der Amplitude des B1-Feldes beispielsweise eine unerwünschte Abhängigkeit
des Bildkontrastes von der räumlichen
Position. Dies resultiert aus einer Überlagerung der durch die Feldverteilung
verursachten Intensitätsverteilung
mit der Intensitätsverteilung,
welche durch beispielsweise das Gewebematerial am jeweiligen Ort
bestimmt wird und welche die tatsächlich gewünschte Bildinformation enthält.
-
Solche
unerwünschten
Amplitudenverteilungen des Hochfrequenzfeldes findet man aufgrund des
Eindringverhaltens von Hochfrequenzfeldern in dielektrische und
leitfähige
Medien verstärkt
im Bereich höherer
Magnetfeldstärken,
d.h. größer 1,5 Tesla,
sowie bei der Verwendung von lokalen Sendespulen bzw. Sendearrays.
Zwar ermöglichen
Magnetresonanzgeräte
mit Grundmagnetfeld größer 1,5 T
Aufnahmen mit besseren Auflösungen,
doch treten bei derartigen Magnetresonanzgeräten im Stand der Technik vermehrt
nachteilige inhomogene B1-Feldverteilungen auf, die z.B. von Hochfrequenz-Wirbelströmen im Untersuchungsobjekt
herrühren.
-
Im
Stand der Technik – hier
z.B. der
US 6,252,403
B1 – wird
zur Kompensation derartiger Wirbelströme vorgeschlagen, die Sendeantenne
spiralförmig
auszubilden. Die Sendeantenne nimmt also die Gestalt eines um seine
Symmetrieachse verwundenen Birdcage-Resonators an. In der genannten US-Patentschrift
wird ferner der Einfluss von dielektrischem Material auf ein Signalabfall
am Rand eines untersuchten Kopfes diskutiert.
-
Ein
mit Wasser gefülltes
Kissen wirkt dem Signalabfall entgegen, da es dem abrupten Wechsel
in den dielektrischen Eigenschaften des Kopfes entgegenwirkt und
zu einer Homogenisierung des Magnetresonanzbildes führt. Entsprechend
wird eine Spiralspule vorgeschlagen, welche einen flexiblen, mit dielektrischer
Flüssigkeit
gefüllten
Behälter
aufweist, der sich an den oberen Teil des Kopfes anformen kann.
-
Trotz
aller Bemühungen
des Standes der Technik können
die Inhomogenitäten
im Anregungsfeld aber nicht in allen Fällen hinreichend kompensiert
werden.
-
Eine
Reduzierung der Auswirkung inhomogener B1-Feldverteilungen ließe sich
durch eine Homogenisierung des eingestrahlten Hochfrequenzfeldes
im Untersuchungsobjekt erreichen. Hierzu wird von Yang et al. in
Proc. Intl. Suc. Mag. Reson. Med 9, 2001, Seite 1096 unter dem Titel „Manipulation
of Signal Intensity Distribution with Dielectric Loading at 7.0T" vorgeschlagen, durch
Verwendung dielektrischer Kissen das Hochfrequenzfeld im Körper zu
homogenisieren. Allerdings gibt es bis heute keine für jeden
Körper
und jede Position universell funktionierende Konfiguration. Eine
praktikable Realisierung derartiger Konzepte ist daher derzeit nicht
absehbar.
-
Unter
der Derwent Accesion Number RD 2001-449456 ist in der Research Disclosure RD442005-A
vom 10.02.2001 eine Unterdrückung von
RF-Resonanzen beschrieben, bei der ein Körper eines Patienten in ein
flexibles dielektrisches Material eingepackt wird, wobei das Material
in seiner Permeativität
dem Gewebe des Patienten entspricht, aber niedrige dielektrische
Verluste aufweist. Der so beispielsweise mithilfe von mit Flüssigkeit
gefüllten Strukturen
vergrößerte Kopf
(Körper)
erlaubt ein spezielles Design einer RF-Spule, die die dielektrischen Resonanzen
minimiert und die RF-Homogenität
steigert.
-
Zum
Empfangen von Magnetresonanzsignalen werden Hochfrequenzempfangsantennen
verwendet. Diese sind entweder im Magnetresonanzgerät fest eingebaut
oder sie können
als Lokalspuleneinheiten zielgerichtet nahe am Untersuchungsbereich
positioniert werden.
-
Gesichtspunkte,
die die Auswahl der Materialien für Lokalspulengehäuse beeinflussen,
sind solche praktischer, wirtschaftlicher, ästhetischer und nicht zuletzt
umweltrelevanter Natur (Recycling, Entsorgung). Das Gehäusematerial
soll MR-inert und nichtleitend sein, d.h. es soll eine möglichst
niedrige magnetische Suszeptibilität, eine hohe elektrische Isolation,
hohe elektrische Durchbruchfestigkeit und geringe dielektrische
Verluste aufweisen. Wegen dem unmittelbaren Patientenkontakt müssen weitere Materialanforderungen
in bezug auf Brandschutz, Biokompatibilität und Schadstoffgehalt erfüllt werden. Zusätzlich muss
das Material leicht zu reinigen und zu desinfizieren sein. Entsprechend
bestehen Gehäuse
derartiger Lokalspulen im Allgemeinen aus Kunststoff (beispielsweise
aus Polystyrol oder Nyrol) und/oder aus Schaumstoff.
-
Aus
DE 4314338 C2 ist
ein Hochfrequenzsystem eines Kernspintomographiegeräts bekannt, das
Abschirmmittel zur E-Feld-Begrenzung aufweist. Die Aufgabe der Abschirmmittel
liegt demnach darin, die E-Feldverkopplung einer Antennenanordnung
mit dem biologischen Gewebe stärker
zu unterdrücken, ohne
dass eine wesentliche Beeinträchtigung
des B-Feldes damit verbunden ist. Als Abschirmmittel dient mindestens
ein platten- oder
schichtförmiges Abschirmelement
aus einem isolierenden, dielektrischen Material mit einer relativen
Dielektrizitätskonstante ε
r von
mindestens 50 und mit einem Verlustfaktor tan δ von höchstens 2,5 10
–2,
welches wenigstens im Bereich einer an der Antennenanordnung herrschenden
erhöhten
Feldstärke
des E-Felds ortsfest angeordnet ist und welches beabstandet gegenüber der
Antenneneinrichtung und gegenüber
einer Oberfläche
eines zu untersuchenden Körpers
angeordnet ist. Als Bereiche erhöhter
Feldstärke
werden Kondensatoren in Lokalspulen, Ganzkörperresonatoren und deren Zuleitungen
genannt.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lokalspule anzugeben,
die eine passive Kompensation von B1-Inhomogenitäten in einem Untersuchungsobjekt
bewirkt.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Lokalspuleneinheit für
ein Magnetresonanzgerät,
welches ein Hochfrequenzfeld in ein Untersuchungsobjekt einstrahlt,
wobei die Lokalspuleneinheit ein Gehäuse aufweist und zumindest
ein Teil des Gehäuses
ein isolierendes, dielektrisches Material umfasst, welches passiv
eine Inhomogenität
im Hochfrequenzfeld im Untersuchungsobjekt kompensiert.
-
Ein
Vorteil einer derartigen Lokalspuleneinheit liegt darin, dass im
dielektrischen Material (Dielektrikum) Verschiebungsströme durch
das Hochfrequenzfeld erzeugt werden, welche ihrerseits ein Magnetfeld
erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt einer B1-Feldunterdrückung entgegen,
die durch Eigenschaften des Untersuchungsobjekts hervorgerufen werden.
Im speziellen kompensiert es B1-Feldunterdrückungen, die auf einem induktiven
Wirbelstrom basieren. Derartige induktive Wirbelströme entstehen
beispielsweise in der Herzregion des Patienten oder im Bereich der
Wirbelsäulenmuskulatur.
In anderen Worten führt
die Verwendung des dielektrischen Materials im Gehäuse der
Lokalspuleneinheit zu einer Reduktion von B1-Feldinhomogenitäten. Vorraussetzung
ist, dass das Material in seinen Ausmaßen und dielektrischen Eigenschaften
an die Ausmaße
der induktiven Wirbelströme,
und damit an die Inhomogenität,
angepasst ist. Je näher
das dielektrische Material an eine B1-Feld unterdrückte Zone gebracht wird, desto
gezielter und einfacher kann das B1-Feldminimum durch die Verschiebungsstrom-Magnetfelder
kompensiert werden.
-
Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass aufgrund der körpernahen
Verwendung der Lokalspuleneinheit das di elektrische Material automatisch
richtig positioniert ist. Beispielsweise erfolgt die Untersuchung
des Oberkörpers
mithilfe einer auf dem Körper
aufliegenden Körperspuleneinheit,
die Magnetresonanzsignale aus dem aufzunehmenden Bereich empfängt. B1-Feldminima
im Herzbereich werden optimal durch das dielektrische Material im Spulengehäuse kompensiert,
welches auf der Brust des Patienten aufliegt. Für die Kompensation von B1-Feldminima
im Bereich der Wirbelsäulenmuskulatur
ist die Wirbelsäulenspuleneinheit
besonders geeignet. Denn meist liegt ein Patient bei MR-Untersuchungen
auf dem Rücken
auf einer Patientenliege, in der die Wirbelsäulenspuleneinheit integriert
ist. Vorzugsweise wird dabei das dielektrische Material im Deckel
der Wirbelsäulenspuleneinheit
eingebaut.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Lokalspuleneinheit nach der Erfindung weist das Material eine
relative Dielektrizitätszahl εr größer 50,
vorzugsweise größer 100
und einen dielektrischen Verlustfaktor tan δ kleiner 2,5 × 10–2,
vorzugsweise kleiner 1 × 10–3,
auf.
-
Ein
Vorteil der nahen Anordnung des Materials an der Inhomogenität liegt
darin, dass wenig dielektrisches Material benötigt wird, um einen ausreichenden
Verschiebungsstrom mit entsprechendem Magnetfeld zu erzeugen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Lokalspuleneinheit
ist das Material als möglichst
geschlossene Fläche
ausgebildet, welche vorzugsweise 100 – 300 cm2 groß ist. Diese
Fläche
entspricht in etwa den Ausmaßen
der Wirbelströme,
die zur B1-Feldunterdrückung
führen.
-
In
einer Weiterbildung der Lokalspuleneinheit weist die geschlossene
Fläche
eine Aussparung auf. Dies hat den Vorteil, dass übliche Spulengehäuse für die Lokalspuleneinheit
verwendet werden können,
welche meist Aussparungen zur Gewichtsersparnis, zur angenehmeren
Handhabung und zum angenehmeren Auflegen auf einen Patienten aufweisen.
-
Weitere
Vorteile der Erfindung liegen in der zumindest teilweisen Verminderung
einer elektrischen Verkopplung von Lokalspuleneinheit mit einer Ganzkörperspuleneinheit
und in einer weitgehenden Abschirmung der Lokalspuleneinheit von
elektrischen Feldkomponenten. Letzteres hat unmittelbare zusätzliche
Vorteile, wie eine Verminderung des Rauschens im Empfangsfall, einer
verbesserten elektrischen Entkopplung einer Empfangsspuleneinheit von
der umgebenden Körpersendespule.
Dies führt empfangsseitig
zu einer Erhöhung
des Signalpegels sowie sendeseitig zu einer Entkopplung zwischen Sende-
und Empfangsantenne.
-
Besonders
vorteilhaft hinsichtlich Homogenisierung des B1-Feldes, der Rauschunterdrückung sowie
der Signalerhöhung
im Empfangsfall ist es, wenn die Materialbeschaffenheit und Materialparameter
des "dielektrisch
aktiven Gehäuses" speziell für eine Lokalspuleneinheit
optimiert wird, welche ihrerseits für die Untersuchung einer speziellen
Körperregion
optimiert ist. Dies kann beispielsweise in einfacher Weise über die
Materialdicke geschehen. Weiterhin vorteilhaft ist die Verwendung
partikelförmiger
Materialien mit hoher Dielektrizitätszahl und geringen dielektrischen
Verlusten als Füllstoff
in Kunststoff oder Schaumrezepturen. In diesen Fällen lassen sich über Füllstoffkonzentration
und Gasvolumenanteil im Schaum die dielektrischen Eigenschaften
individuell einstellen. Gerade bei Lokalspuleneinheiten, die in
ihrem sensitiven Volumen spezifisch auf definierte Körperregionen
ausgelegt sind, wie der erwähnten
Wirbelsäulen-
oder Körperspuleneinheit, kann
die Anpassung des Dielektrikums besonders vorteilhaft und zielgerichtet
auf ein bekanntes B1-Minimum erfolgen.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
-
Es
folgt die Erläuterung
von zwei Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der 1 bis 3. Es zeigen:
-
1 einen
Querschnitt durch einen Untersuchungsbereich eines Magnetresonanzgeräts, in dem
ein Patient mit einer Körper-
und einer Wirbelsäuleneinheit
untersucht wird,
-
2 einen
Längsschnitt
durch den Untersuchungsbereich und
-
3 eine
Aufsicht auf den Patienten im Magnetresonanzgerät.
-
1 zeigt
einen Querschnitt durch einen Untersuchungsbereich 1 eines
Magnetresonanzgeräts,
in dem ein Patient 3 mit einer Körper- und einer Wirbelsäulenspuleneinheit 5,7 untersucht
wird.
-
Mithilfe
des Grundfeldmagneten 9 wird das Grundmagnetfeld im Untersuchungsbereich 1 erzeugt.
Diesem wird ein mithilfe einer Ganzkörperantenne 11 erzeugtes
Hochfrequenzfeld überlagert. Mithilfe
der Ganzkörperspule 11 wird
versucht, innerhalb des Körpers
des Patienten 3 ein möglichst
homogenes B1-Feld
zu erzeugen. Restliche Inhomogenitäten des B1-Feldes sind im Körper des
Patienten 3 schematisch skizziert. Die durchgezogenen Linien 15 entsprechen
Gebieten mit reduzierter B1-Feldstärke, die gestrichelten Linien 17 skizzieren
schematisch Bereiche mit erhöhter
B1-Feldstärke.
Die Inhomogenitäten
werden im Wesentlichen durch induktiv erzeugte Wirbelströme im Patienten 3 erzeugt. Diese
fließen
zum einen im Herzbereich und zum anderen im Bereich der Rückenmuskulatur.
-
Magnetresonanzsignale
des Rumpfes des Patienten 3 werden mit Lokalspuleneinheiten
empfangen, beispielsweise die Körperspuleneinheit 5 und
die Wirbelsäulenspuleneinheit 7.
Diese enthalten mehrere Spulen, die in einem Gehäuse 19, 21 angeordnet
sind. Ein Teil des Gehäuses
besteht jeweils aus einem isolierendem dielektrischen Material 23, 25,
das vorzugsweise in den Bereichen der Spuleneinheit 5, 7,
die mit dem Patienten 3 in Kontakt stehen, angeordnet sind.
Der dielektrische Teil des Gehäuses 19, 21 ist
vorzugsweise als geschlossene Fläche
ausgebildet und weist vorzugsweise eine Dicke von einigen Millimetern
bis wenigen Zentimetern auf. Das isolierende Material hat vorzugsweise
einen spezifischen Widerstand von über 108 Ω m und eine relative Dielektrizitätskonstante
(Dielektrizitätszahl bzw.
Permitivitätszahl) εr von
mindestens 50, vorzugsweise von über
100. Ferner hat das Material vorzugsweise auch einen kleinen dielektrischen
Verlustfaktor tan δ von
höchstens
2,5 × 10–2,
vorzugsweise höchstens
1 × 10–3.
-
Materialien,
die die angegebenen Bedingungen für die relative Dielektrizitätskonstante εr und
den dielektrischen Verlustfaktor tan δ erfüllen, sind insbesondere keramische
Dielektrika, wie sie z.B. für HF-Kondensatoren
verwendet werden. Entsprechende Dielektrika sind in der deutschen
Norm für
Keramik und Glasisolierstoffe "DIN
VDE 0335", Teil
1 und Teil 3, Februar 1988, oder in der entsprechenden internationalen
Norm "IEC 672-1
und 672-3" unter
der Gruppenbezeichnung "C-300" aufgeführt. Einige
geeignete keramische Massen aus Titanaten mit perowskitartiger Kristallstruktur
sind auch dem Buch "HÜTTE des
Ingenieurstaschenbuchs",
28. Auflage, Bd. Hütte
IV A: Elektrotechnik, Teil A, 1957, Seiten 802,803 zu entnehmen.
Besonders geeignete Materialien sind oxidkeramische Werkstoffe,
beispielsweise Pyro- oder Piezooxide, wie z.B. TiO2,
BaTiO3, (BaSr) TiO3,
PbTiO3PbZrO3 oder
Pb (Zr, Ti (O3)).
-
Entsprechende
keramische Materialien werden beispielsweise als Platten mit Dicken
im Millimeterbereich und Durchmessern von einigen Zentimetern, z.B.
zur Herstellung von einigen Zentimetern, z.B. zur Herstellung von
Scheibenkondensatoren, verwendet. Die für eine Anwendung in der Lokalspuleneinheit
benötigten
Keramikflächen
können
dann entsprechend der Form der Lokalspuleneinheit ausgeschnitten
werden. Bariumtitanat und die Piezokeramik FPM 231, (Fa. Marco,
Hermsdorf) zeigten in ersten Studien einen ausreichenden Effekt.
-
Sollte
es sich bei diesen Materialien um Werkstoffe handeln, die besonders
problematisch in der Verarbeitung sind, da sie z.B. brüchig, spröde oder
gesundheitlich bedenklich sind, könnte man sie durch eine geeignete
Sandwichtechnik von der patientenberührenden Oberfläche fernhalten
oder in ihrer Steifigkeit oder anderen mechanischen Aspekten unterstützen. Weiterhin
vorteilhaft ist die Verwendung partikelförmiger Materialien mit hoher
Dielektrizitätszahl
und geringen dielektrischen Verlusten als Füllstoff in Kunststoff oder
Schaumrezepturen. In diesen Fällen
lassen sich über
Füllstoffkonzentration
und Gasvolumenanteil im Schaum die dielektrischen Eigenschaften
individuell einstellen.
-
Vorteilhafte
Ausmaße
des Materials bei der Integration in das Lokalspulengehäuse sind
eine Dicke von ca. 5 mm und Durchmesser von in der Größenordnung 10 oder
mehr Zentimetern bzw. Flächen in
der Größe DIN A4.
Diese Größen entsprechen
in etwa den Ausdehnungen der Minima im B1-Feld.
-
In
einer vorteilhaften Ausbildungsform der Wirbelsäulenspuleneinheit 7 ist
das Material plattenförmig
im Deckel des flachen kastenförmig
ausgebildeten Gehäuses
der Wirbelspuleneinheit 7 angeordnet.
-
In 2 sieht
man einen Längsschnitt
durch den Untersuchungsbereich 1, in den der Patient 3 auf der
Patientenliege 6 zur Untersuchung seines Rumpfes hineingefahren
wurde. Die Körperspule 5 bedeckt die
Brust des Patienten 3, der im Bereich seiner Wirbelsäule auf
dem Rücken
liegend auf der Wirbelsäulenspuleneinheit 7 liegt.
Das Material 23, 25 ist nahe der B1-Feldminima
im Patienten plattenförmig
in den Spuleneinheiten angeordnet und steht möglichst großflächig in Kontakt mit dem Patienten.
-
3 zeigt
eine Aufsicht auf den Patienten 3, der auf der Patientenliege 6 im
Magnetresonanzgerät
liegt. Die Körperspu leneinheit 5 liegt
auf dem Rumpf des Patienten 3. Ihre aufliegende Seite bildet eine
möglichst
geschlossene Fläche,
um den Verschiebungsstrom nicht zu unterbrechen. Kleinere Aussparungen
im Gehäuse,
d.h. auch im z.B. plattenförmigen
dielektrischen Material, aufgrund von Öffnungen 31 in der
Körperspuleneinheit 5 beeinträchtigen
die Wirkungsweise unwesentlich. Sie können z.B. durch eine dickere
Wandstärke
des Materials kompensiert werden.