DE19751017C2 - MR-Abbildungssystem mit galvanisch isoliertem Spulenelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernspinresonanz-Abbildungssystem mit einer HF-Spuleneinrichtung zur Anregung von Kernspins in einem zu untersuchenden Gebiet eines Patienten und zur Detek­ tion der von den angeregten Kernspins emittierten Signale, wobei die HF-Spuleneinrichtung erste Spulenelemente mit min­ destens einer Sendespule und mindestens einer Auskoppelspule sowie mindestens ein zweites Spulenelement, das galvanisch vollständig isoliert und magnetisch zumindest mit einem der ersten Spulenelemente gekoppelt ist und mit dem eine Verstär­ kung der aus dem zu untersuchenden Gebiet emittierten Signale hervorzurufen ist, enthält.

Bei operativen Eingriffen in den menschlichen Organismus wird immer häufiger die Forderung nach einer Überwachung der ope­ rativen Handlungen sowie des behandelten Körpergebietes durch ein Abbildungssystem gestellt. Prinzipiell kommen dafür alle zur Zeit in der Medizintechnik gängigen Abbildungsverfahren, wie Computertomographie (CT)-, Ultraschall- oder Magnetreso­ nanz (MR)-Verfahren, in Frage. CT-Verfahren bedienen sich dabei der ionisierenden Röntgenstrahlung, die bekanntermaßen sowohl den Körper des Patienten als auch den des Chirurgen belastet. Bei der Ultraschall-Überwachung von Tumoroperatio­ nen kann dagegen die Bildqualität durch Artefakte als Folge von Blutansammlungen beeinträchtigt werden. Dadurch wird die wichtige Diagnoseaussage darüber, ob ein Tumor vollständig beseitigt werden konnte, oder noch Reste zurückgeblieben sind, u. U. unmöglich, mindestens jedoch erschwert. MR-Verfah­ ren weisen demgegenüber gerade bei der Abbildung von weichem Gewebe eine bessere Bildqualität auf, so daß sie sich für den beschriebenen Anwendungsfall besonders gut eignen.

MR-Abbildungssysteme, die Schnittbilder eines zu untersuchen­ den Objektes, insbesondere eines menschlichen Körpers oder Körperteils, unter Anwendung magnetischer Kernresonanzen er­ zeugen, sind an sich bekannt. Hierbei wird der zu unter­ suchende Körper in ein starkes homogenes statisches Magnet­ feld, das sogenannte Grundfeld, eingebracht, das in dem Kör­ per eine Ausrichtung der Kernspins von Atomkernen, insbeson­ dere von an Wasser gebundenen Wasserstoffatomkernen (Proto­ nen), bewirkt. Mittels hochfrequenter Anregungspulse werden dann diese Kerne zu einer Präzessionsbewegung angeregt. Nach dem Ende eines entsprechenden Hochfrequenz-Anregungspulses präzessieren die Atomkerne mit einer Frequenz, die von der Stärke des Grundfeldes abhängt, und pendeln sich dann auf­ grund ihrer Spins nach einer vorbestimmten Relaxationszeit wieder in die durch das Grundfeld vorgegebene Vorzugsrichtung ein. Durch rechnerische und/oder meßtechnische Analyse der integralen, hochfrequenten Kernsignale kann bezüglich einer Körperschicht aus der räumlichen Spindichte oder aus der Verteilung der Relaxationszeiten ein Bild generiert werden. Die Zuordnung des infolge der Präzessionsbewegung nachweisbaren Kernresonanzsignals zum Ort seiner Entstehung erfolgt durch Anwendung linearer Feldgradienten. Dazu werden entsprechende Gradientenfelder dem Grundfeld überlagert und so gesteuert, daß nur in einer abzubildenden Schicht eine Anregung der Kerne erfolgt. Sowohl zur Hochfrequenz (HF)- Anregung der Kernspins als auch zur Detektion der Kern­ antwortsignale ist eine HF-Spuleneinrichtung erforderlich. Auf diesen physikalischen Effekten basierende Abbildungs­ systeme sind auch bekannt unter den Bezeichnungen Kernspin- Tomographie, Nuclear-Magnetic-Resonance (NMR)-Tomographie oder Magnetic Resonance Imaging (MRI).

Der Aufsatz "Intraoperative Diagnostic and Interventional Magnetic Resonance Imaging in Neurosurgery" von V. M. Tronnier et al., Neurosurgery, Vol. 40, No. 5, Mai 1997, Seiten 891 bis 902 beschreibt ein interventionelles MR-Bildgebungs­ system, das für einen Einsatz in der Neurochirurgie zur Über­ wachung von operativen Eingriffen konzipiert ist. Dabei kommt eine HF-Spule zur Verwendung, die aus zwei separaten, über Kontaktstecker verbundenen Teilbereichen besteht. Der eine separate Spulenteil bleibt dabei unsteril, wohingegen der zweite Spulenteil und die beiden Kontaktstecker steril sein müssen, da sie sich in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Behandlungsgebiet befinden und somit die speziellen Anforde­ rungen an die Sterilität bei Operationen erfüllen müssen. Unter Sterilität ist in diesem Zusammenhang die bei medizini­ schen Eingriffen üblicherweise zulässige maximale Anzahl von Keimen in der Umgebung der behandelten Körperpartien, insbe­ sondere offener Operationswunden, zu verstehen. Um Folge­ infektionen der Wunden zu vermeiden, wird hierbei eine abso­ lute Keimfreiheit angestrebt. Der beschriebene Aufbau erfor­ dert folglich besondere Maßnahmen zur Sterilisierung, die gerade für die Kontaktstecker aufwendig ausfallen können. Gleiches gilt für elektrische Zuleitungen von HF-Spulen, wenn sie wie in anderen Ausführungsformen üblich ebenfalls durch den sterilen Bereich geführt werden.

In DE 35 00 456 C2 wird eine HF-Spuleneinrichtung für ein MR- Abbildungssystem offenbart, bei der neben einer mit der Elek­ tronik verbundenen ersten HF-Spule auch eine von der Umgebung galvanisch komplett isolierte zweite HF-Spule eingesetzt wird. Beide Spulen sind magnetisch gekoppelt, so daß Signale, die die zweite HF-Spule aus einem zu untersuchenden Gebiet empfängt, in die erste HF-Spule übergekoppelt werden und von dort zu der angeschlossenen Auswerteelektronik gelangen. Die zweite HF-Spule befindet sich dabei näher an dem zu unter­ suchenden Gebiet als die erste HF-Spule. Ziel der offenbarten speziellen Anordnung mit zwei magnetisch gekoppelten HF-Spu­ len ist eine Signalverstärkung. Da der magnetische Fluß durch die zweite Spule gezielt in dem zu untersuchenden Gebiet ge­ bündelt wird, erreicht man somit die wunschgemäße Anhebung der Signalpegel. In der offenbarten Schrift finden sich je­ doch keine Aussagen darüber, welchen speziellen Anforderungen die HF-Spuleneinrichtung zu genügen hat, wenn sie im Zu­ sammenhang mit operativen Maßnahmen an dem zu untersuchenden Gebiet eingesetzt werden soll. Vielmehr würden die in den Ausführungsbeispielen offenbarten HF-Spuleneinrichtungen einen parallel zur MR-Abbildung stattfindenden operativen Eingriff unmöglich erscheinen lassen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der Angabe eines Ab­ bildungssystems der einleitend bezeichneten Art, bei dem die ausgewerteten Bildsignale einen hohen Signal-zu-Rausch (S/N)- Abstand, d. h. eine hohe Signalverstärkung, aufweisen, und das sich gleichzeitig für einen parallel zur MR-Abbildung statt­ findenden operativen Eingriff in das zu untersuchende Gebiet eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es handelt sich um ein Kernspinresonanz- Abbildungssystem mit einer HF-Spuleneinrichtung zur Anregung von Kernspins in einem zu untersuchenden Gebiet eines Patienten und zur Detektion der von den angeregten Kernspins emittierten Signale, wobei die HF-Spuleneinrichtung erste Spulenelemente mit mindestens einer Sendespule und mindestens einer Auskoppelspule zum Empfangen, mindestens ein zweites Spulenelement, das galvanisch vollständig isoliert und magnetisch zumindest mit einem der ersten Spulenelemente gekoppelt ist und mit dem eine Verstärkung der aus dem zu untersuchenden Gebiet emittierten Signale hervorzurufen ist, mindestens einen freien Zugangsbereich für einen mechanischen Eingriff in das zu untersuchende Gebiet, insbesondere für eine Operation oder für eine Biopsie, und Mittel zur Keimabschottung des zu untersuchenden Gebietes enthält, wobei eine Windungsebene der mindestens einen Auskoppelspule wenigstens annähernd orthogonal zu einem magnetischen Grundfeld ist.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß sich die aus dem Stand der Technik bekannte HF-Spuleneinrichtung mit zwei magnetisch gekoppelten HF-Spulen nicht nur vorteilhaft für eine Erhöhung der Signalpegel einsetzen läßt, sondern unter zusätzlicher Berücksichtigung der im Haupt­ anspruch genannten Merkmale auch mit besonderem Vorteil für ein interventionelles MR-Abbildungssystem. Im Gegensatz zum beschriebenen Stand der Technik (zweigeteilte HF-Spule mit sterilen und unsterilen Teilbereichen) entfallen beim beanspruchten Gegenstand die aufwendigen Maßnahmen zur Steri­ lisation von Kontaktsteckern oder auch von Zuleitungen. Vor­ zugsweise sollte deshalb die Grenze des sterilen Bereichs gerade zwischen die beiden Spulenelemente gelegt werden, so daß sich nur die zuleitungsfreien zweiten Spulenelemente in­ nerhalb des sterilen Bereichs befinden. Die ersten Spulenele­ mente liegen dagegen nebst Zuleitungen und gegebenenfalls auch Kontaktsteckern außerhalb des sterilen Bereichs. Auf­ grund der magnetischen HF-Kopplung der beiden Spulenelemente ist eine Signalübertragung über die Sterilitätsgrenze hinweg auch ohne galvanische Verbindungen, die in diesem Zusammen­ hang als potentielle Keimbrücken zu betrachten sind, gewähr­ leistet. Darüber hinaus ist die Position der zweiten Spu­ lenelemente nur durch eine ausreichende magnetische Kopplung zu den ersten Spulenelementen eingeschränkt und kann somit in weiten Grenzen frei bestimmt werden. Besonders vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Positionen, die zu einer Flußkon­ zentration im zu untersuchenden Gebiet und als Folge davon zu einem gegenüber interventionellen MR-Abbildungssystemen gemäß dem Stand der Technik verbesserten S/N-Abstand führen. Auf­ grund der weitgehend freien Positionierbarkeit lassen sich die zweiten Spulenelemente außerdem auf einfache Weise und ohne Wirkungseinbußen so positionieren, daß freie Zugangs­ bereiche für Eingriffe in das zu untersuchende Gebiet, wie z. B. für Operationen oder für Biopsien, entstehen.

Die ersten Spulenelemente umfassen mindestens eine separate Spule zum Senden und zum Empfangen. Ein Vorteil dieser Aufteilung liegt in den verbesserten Möglichkeiten zur opti­ malen Auslegung der einzelnen Spulen im Hinblick auf ihre jeweilige Aufgabe. Um die Kerne im zu untersuchenden Gebiet entsprechend anzuregen, sollte die Sendespule starke, im zu untersuchenden Gebiet möglichst homogene Magnetfelder erzeu­ gen können. Möglichst homogen bedeutet in diesem Zusammenhang mit einer Variation von weniger als 20%, insbesondere weniger als 15%. Die zum Empfangen eingesetzte Auskoppelspule sollte dagegen möglichst empfindlich auf die von den Kernen als Reaktion emittierten sehr kleinen Magnetfeldstärken sein. Geeignete Sendespulen können hierbei sowohl aus einem elekt­ rischen Leiter hergestellte Wickelkörper als auch Hochfre­ quenzresonatoren sein. Auskoppelspulen können ebenfalls als aus einem elektrischen Leiter hergestellte Wickelkörper, ins­ besondere mit nur einer Wicklung, aufgebaut sein.

Die Windungsebene der Auskoppelspule ist wenigstens annähernd orthogonal zu dem statischen Grundfeld gerichtet. Das senk­ recht zu der Windungsebene im Zentrum der Spulenquerschnitts­ fläche austretende Hauptfeld der Auskoppelspule verläuft dann wenigstens annähernd parallel zum Grundfeld. Dadurch trägt die Auskoppelspule vorteilhafterweise praktisch keinen eige­ nen Beitrag zu dem Empfangssignal bei. Das Empfangssignal wird somit fast ausschließlich von den zweiten Spuleneleme­ nten bestimmt, die die von den Kernen emittierten Antwort­ signale aufnehmen, verstärken und an die Auskoppelspule über­ mitteln. Unerwünschte, die Bildqualität mindernde Inter­ ferenzen zwischen Empfangssignalanteilen von den zweiten Spulenelementen und denen der Auskoppelspule werden dadurch vermieden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfin­ dungsgemäßen Abbildungssystems ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Abbildungssystems zeichnet sich dadurch aus, daß sich zwischen dem ersten Spu­ lenelement und dem zu untersuchenden Gebiet eine sterile Trennschicht befindet. Vorzugsweise können auch mehr als eine sterile Trennschicht vorhanden sein, insbesondere im Falle mehrerer erster Spulenelemente, die sich zudem auf verschie­ denen Seiten des zu untersuchenden Gebietes befinden können. Um das zu untersuchende Gebiet wirkungsvoll gegen Keime von den nicht sterilen ersten Spulenelementen abzuschirmen, kön­ nen in diesem Fall mehrere sterile Trennschichten notwendig werden. Die Trennschichten können als sterile Abdeckungen aus Stoff oder insbesondere Plastik ausgeführt sein. Bevorzugt werden hierbei alle Materialien, die in der Lage sind, den Bedingungen von Sterilisationsprozessen standzuhalten. Vor­ teilhaft sind die Trennschichten außerdem auch magnetisch HF- durchlässig aufgebaut, so daß die ersten Spulenelemente zum Senden und Empfangen von HF-Signalen magnetisch in das zu untersuchende Gebiet koppeln können. In einer weiteren vor­ teilhaften Ausführungsform sind die zweiten Spulenelemente innerhalb des sterilen Bereiches angeordnet, der das zu untersuchende Gebiet umgibt, und den die besagten Trenn­ schichten gegen die ersten Spulenelemente abgrenzen. Bevor­ zugt sollten die zweiten Spulenelemente steril ausgebildet sein. Dazu werden sie entweder selber einem Sterilisations­ prozeß unterzogen oder sie sind vollständig, d. h. für Keime hermetisch dicht, durch sterile, magnetisch HF-durchlässige Hüllen umgeben, die vorzugsweise aus den gleichen Materialien wie die besagten Trennschichten bestehen. Da die zweiten Spu­ lenelemente weder elektrische noch mechanische Verbindungen nach außen besitzen, ist die hermetisch dichte Umhüllung pro­ bemlos zu bewerkstelligen.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform sind die zwei­ ten Spulenelemente so ausgebildet, daß das von ihnen jeweils umgebene Volumen (= Spuleninnenraum) als bevorzugter Zugangs­ bereich für operative Eingriffe in das zu untersuchende Ge­ biet dienen kann. Dazu sollte der Spuleninnenraum u. a. vor­ zugsweise groß genug sein, um für den operativen Eingriff gegebenenfalls benötigte Instrumentarien aufnehmen zu können, und er sollte auch nicht mit Material gefüllt sein. Mit besonderem Vorteil läßt sich als Zugangsbereich ein zentrums­ naher Bereich des Spuleninnenraums verwenden. Die für den operativen Eingriff gegebenenfalls benötigten Instrumentarien beeinflussen dann die hauptsächlich in Randzonen des Spuleninnenraums verlaufenden magnetischen Koppelfelder zwi­ schen ersten und zweiten Spulenelementen minimal. Als zen­ trumsnaher Bereich ist hierbei z. B. für eine zylinderförmige Spulengeometrie ein um die Spulenachse angeordneter ebenfalls zylinderförmiger Bereich zu verstehen, dessen Querschnitts­ fläche höchstens 80% der Spulenquerschnittsfläche ausmacht. Gleiche Verhältnisse gelten auch für andere Spulengeometrien.

In einer anderen bevorzugten Weiterbildung des Abbildungs­ systems sind mehrere galvanisch isolierte zweite Spulenele­ mente vorgesehen, die bevorzugt so plaziert werden, daß ihr jeweiliger Abbildungsbereich verschiedene Teilbereiche des zu untersuchenden Gebietes erfaßt. Damit können gleichzeitig aus verschiedenen Teilbereichen des zu untersuchenden Gebietes Signale mit verbessertem S/N-Abstand empfangen werden. In einer besonderen Ausführungsvariante können mehrere vorzugs­ weise runde zweite Spulenelemente mit insbesondere unter­ schiedlicher Größe quasi konzentrisch zueinander angeordnet werden, so daß sich ein Abbildungsbereich ergibt, der tiefer in das zu untersuchende Gebiet hineinreicht. Die zweiten Spu­ lenelemente werden bevorzugt als Oberflächenspulen ausge­ führt, vorteilhaft mit runder Querschnittsfläche und in ver­ schiedener Größe. Bei vielen zu untersuchenden menschlichen Körperpartien, beispielsweise am Kopf, lassen sich runde Spu­ len nämlich ohne zusätzliche Befestigungsmaßnahmen durch ein­ faches Überstreifen am zu untersuchenden Gebiet plazieren. Je nach anatomischen Gegebenheiten können aber auch andere Spu­ lengeometrien in jeweils variabler Größe Verwendung finden. Abbildungsysteme mit nur einem einzigen zweiten Spulenelement sind jedoch ebenfalls denkbar.

In einer weiteren Ausführungsvariante umfassen die zweiten Spulenelemente auch Kapazitätsmittel und Strombegrenzungsmit­ tel. Beide sind bevorzugt elektrisch leitend mit den genann­ ten Spulen verbunden. Hierbei werden die Kapazitätsmittel so ausgelegt, daß die über die Kapazitäts- und Induktivitäts­ werte festgelegten Resonanzfrequenzen auf die jeweiligen Resonanzen der präzedierenden Kerne im zu untersuchenden Gebiet abgestimmt sind. Die Strombegrenzungsmittel, die wenigstens eine Diode, vorteilhaft aber auch zwei antiparal­ lel geschaltete Dioden umfassen können, dienen der Patienten­ sicherheit. Sie verhindern die Bildung gefährlicher Wirbel­ ströme im spulennahen Körperregionen des Patienten, indem sie die dafür ursächlichen Spulenströme auf einen in dieser Hin­ sicht unkritischen Maximalwert begrenzen. Neben der höheren Patientensicherheit dienen die Strombegrenzungsmittel außer­ dem auch einer Vermeidung von Feldkonzentrationen durch die zweiten Spulenelemente während des HF-Sendevorganges. Das möglichst homogene Sendemagnetfeld erfährt somit keine un­ erwünschten Verzerrungen und die Anregung der Kerne im zu untersuchenden Gebiet erfolgt dann weitgehend einheitlich. Ein weiteres vorteilhaftes Mittel zur Strombegrenzung stellt wenigstens eine zusätzlich eingebaute Schmelzsicherung dar, die bei Ausfall der Dioden für eine Begrenzung des Spulen­ stromes sorgt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Windungsebe­ nen von den zweiten Spulenelementen und die Windungsebene der Auskoppelspule (= erstes Spulenelement) wenigstens annähernd orthogonal zueinander gerichtet. Die räumliche Anordnung der zweiten Spulenelemente und der Auskoppelspule zueinander ist dabei so zu wählen, daß die magnetische Kopplung zwischen beiden Spulenelementen nicht über die senkrecht zu den Win­ dungsebenen im Zentrum der Spulenquerschnittsflächen austre­ tenden Hauptfelder, sondern über die seitlich austretenden Streufelder erfolgt. Eine Anordnung der zweiten Spulenele­ mente gerade über dem Zentrum der Auskoppelspule ist in die­ sem Sinne folglich ebenso ungeeignet wie eine zu starke Ab­ weichung von der 90°-Winkeldifferenz bei gleichzeitig über der Querschnittsfläche der Auskoppelspule positionierten zweiten Spulenelementen. Durch die vorteilhafte Kopplungsart über die Streufelder erreicht man im Rahmen der beschriebenen Grenzen eine ansonsten weitgehend freie Positionierbarkeit der zweiten Spulenelemente. Bei einer beispielsweise horizon­ talen Anordnung einer runden Auskoppelspule unterhalb des zu untersuchenden Gebietes können die zweiten Spulenelemente in vertikaler Anordnung an jeder beliebigen Stelle ringsum den seitlichen Rand des zu untersuchenden Gebietes positioniert werden, solange die Bedingung einer ausreichenden Streufluß­ kopplung erfüllt ist. Bevorzugt sollte sich die runde Auskop­ pelspule hierbei in zentraler Lage unterhalb des zu unter­ suchenden Gebietes befinden. Eine kleinere Querschnittsfläche der Auskoppelspule als die horizontale Querschnittsfläche des zu untersuchenden Gebietes ist hierbei ebenfalls von Vorteil. Die systembedingte Abbildungsqualität ist in diesem Fall dann an allen Seitenpositionen für die zweiten Spulenelemente identisch, da auch die Kopplung über die Spulenstreufelder stets gleichbleibt.

Das Abbildungssystem läßt sich außerdem vorteilhaft weiter­ bilden, so daß ein von der Sendespule erzeugtes Sendemagnet­ feld am Ort der Auskoppelspule zumindest annähernd parallel zur Windungsebene der Auskoppelspule verläuft. In diesem Fall findet vorteilhafterweise keine oder nur eine sehr kleine magnetische Kopplung zwischen Sende- und Auskoppelspule statt. Diese vorteilhafte Weiterbildung trägt somit in erheb­ lichem Maße mit dazu bei, daß die starken Sendemagnetfelder keine für die Patientensicherheit zu hohen Ströme in der Aus­ koppelspule hervorrufen.

Unter wenigstens annähernd orthogonal bzw. annähernd parallel sind hierbei jeweils alle entsprechenden Orientierungen zu verstehen, die in einem Winkelbereich von ±30°, vorzugsweise von ±20°, um die exakte Normalenrichtung (= 90°-Winkeldiffe­ renz) bzw. um die exakte Gleichausrichtung (= 0°-Winkeldiffe­ renz) liegen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung erläutert. Zur Verdeutlichung gewisser Merkmale ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und teilweise schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 ein interventionelles MR-Abbildungssystem mit magne­ tisch miteinander gekoppeltem ersten und zweiten Spu­ lenelement in seitlicher Querschnittsdarstellung,

Fig. 2 ein interventionelles MR-Abbildungssystem mit zwei­ teiliger Sendespule, einer Auskoppelspule und zwei magnetisch mit der Auskoppelspule gekoppelten Ober­ flächenspulen in seitlicher Querschnittsdarstellung,

Fig. 3 magnetische Feldverläufe bei dem interventionellen MR-Abbildungssystem von Fig. 2.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen interventionellen MR-Abbildungssystems mit einem ersten Spulenelement 10 und einem zweiten Spulenelement 20, die über ein Koppelmagnetfeld BK magnetisch miteinander gekoppelt sind. Das erste Spulenelement 10 dient sowohl zum Anregen von Kernen in einem zu untersuchenden Gebiet 5 eines Patienten als auch zur Detektion der von den angeregten Kernen emittierten Antwortsignale. Das erste Spulenelement 10 ist über elektrische Leitungen 13 mit einer Sende- und Empfangselektronik 15 verbunden. Das zweite Spulenelement 20 ist dagegen galvanisch isoliert ausgeführt, d. h. ohne jede elektrisch leitende Verbindung zu der Umgebung. Das zweite Spulenelement 20 empfängt die Antwortsignale, die die Kerne des zu untersuchenden Gebietes 5 aufgrund ihrer Anregung durch das erste Spulenelement 10 emittieren. Das zweite Spulenelement 20 be­ findet sich in unmittelbarer Nähe zu dem zu untersuchenden Gebiet 5, in diesem Fall einem menschlichen Kopf. Bei Bedarf kann es auch ein Stück über den Kopf gestreift werden. Dafür sind verschiedene Geometrien und Größen für das zweite Spu­ lenelement 20 vorgesehen, so daß es stets den jeweils herr­ schenden anatomischen Gegebenheiten angepaßt ist. Das Abbil­ dungssystem eignet sich auch für die Untersuchung anderer menschlicher Körperpartien, beispielsweise des menschlichen Knies. Das Abbildungssystem mit den beiden Spulenelementen 10 und 20 wird bestimmungsgemäß zur Überwachung von operativen Eingriffen in das zu untersuchende Gebiet 5 eingesetzt. Ein freier Zugangsbereich 24 ist dazu im Spuleninnenraum des zweiten Spulenelementes 20 vorgesehen. Innerhalb dieses freien Zugangsbereiches 24 kann der Chirurg mit medizinischen Instrumentarien den operativen Eingriff am zu untersuchenden Gebiet 5 durchführen. Der Eingriff wird über das zweite Spu­ lenelement 20, dessen bevorzugter Abbildungsbereich gerade das Operationsgebiet umfaßt, überwacht. Das zweite Spulenele­ ment 20 überträgt die empfangenen Antwortsignale mit einem verbesserten Signal-zu-Rausch-Verhältnis über das Koppelfeld BK an das erste Spulenelement 10 und somit an die dort ange­ schlossene Elektronik 15 zur Auswertung. Da das zweite Spu­ lenelement 20 durch die Nähe zum zu untersuchenden Gebiet 5, durch die Spulengeometrie, durch die Orientierung oder durch eine Kombination dieser Merkmale in dem zu untersuchenden Gebiet 5 eine Konzentration der magnetischen Flußdichte bewirkt, resultieren Empfangssignale mit einem höheren Signalpegel. Vor der Anregung durch das erste Spulenelement 10 wurden magnetische Vorzugsrichtungen (Spins) der Kerne im zu untersuchenden Gebiet durch ein statisches Grundfeld B0, das von einem nicht dargestellten äußeren Magneten des Sie­ mens-MR-Abbildungssystems "Magnetom Open®" erzeugt wird, ein­ heitlich ausgerichtet. Die Feldstärke des Grundfeldes B0 beträgt dabei ca. 0,2 T. Um die bei Operationen erforderliche Sterilität zu gewährleisten, ist zwischen dem zu untersuchen­ den Gebiet 5 und dem ersten Spulenelement 10 eine sterile Trennschicht 31 in Form einer sterilen Stoffabdeckung vor­ gesehen. Außerdem befindet sich das zweite Spulenelement 20 in einer für Keime undurchlässigen Umhüllung 32. Die Umhül­ lung 32 und die Trennschicht 31 sind beide magnetisch HF- durchlässig, so daß die erforderliche magnetische Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Spulenelement 10 und 20 weiterhin gewährleistet ist.

In der seitlichen Querschnittsdarstellung von Fig. 2 wird ein im Vergleich zu Fig. 1 weiter verfeinertes MR-Abbil­ dungssystem gezeigt. Als erste Spulenelemente 10 sind in die­ sem Ausführungsbeispiel eine zweigeteilte Sendespule 11, hier ein zweigeteilter Senderesonator, sowie eine Auskoppelspule 12 vorgesehen. Die zweigeteilte Sendespule 11 und die Auskop­ pelspule 12 sind über elektrische Leitungen 13 und 14 mit der Sende- und Empfangselektronik 15 verbunden. Ein Teil der Sen­ despule 11 befindet sich unterhalb des zu untersuchenden Ge­ bietes 5, der andere oberhalb. Das zu untersuchende Gebiet 5 ist gegen beide Teile der Sendespule 11 durch jeweils sepa­ rate Trennschichten 31 keimundurchlässig abgeschottet. Die Auskoppelspule 12 ist ca. 7 cm oberhalb des unteren Teils der Sendespule 11 positioniert. Sie befindet sich innerhalb einer Unterlage 41, hier einem Kopfkissen, auf der das zu unter­ suchenden Gebiet 5, hier der menschliche Kopf, während der Behandlung plaziert wird. Zur Anpassung an die Kopfform be­ sitzt die Auskoppelspule 12 eine runde Geometrie mit einem Durchmesser von etwa 17 cm. Sie ist als Drahtbügel mit einer Windung ausgeführt. Die beiden zweiten Spulenelemente 20 sind in dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 jeweils als runde Oberflächenspulen 21 mit jeweils einer Windung ausgebildet. Der elektrische Leiter für die eine Windung hat einen Durch­ messer von ca. 1 cm. In Fig. 2 sind zwei dieser Oberflächen­ spulen 21 an dem zu untersuchenden Gebiet 5 zur Überwachung eines operativen Eingriffs positioniert. Die Durchmesser der verwendeten Oberflächenspulen 21 betragen ca. 14,4 cm bzw. 20 cm. Es können aber auch Oberflächenspulen 21 mit anderen Geometrieformen und Größen eingesetzt werden. Außerdem ist der Einsatz von nur einer Oberflächenspule 21 oder auch von mehr als der dargestellten zwei Oberflächenspulen 21 zur Überwachung des zu untersuchenden Gebietes 5 möglich. Um eine gute Kopplung über das Koppelfeld BK zu der Auskoppelspule 12 zu erreichen, sind Windungsebenen 25 der Oberflächenspulen 21 annähernd orthogonal zu einer Windungsebene 125 der Auskop­ pelspule 12 gerichtet. Unter Einhaltung dieser Orientierungs­ bedingung und der ebenfalls einzuhaltenden Bedingung einer ausreichenden Streufeldkopplung sind ansonsten für die Ober­ flächenspulen 21 aber alle Positionen ringsum das zu unter­ suchende Gebiet 5 möglich. Daraus resultiert eine sehr hohe Flexibilität. Zur resonanten Abstimmung auf die Resonanz der präzedierenden Kerne im zu untersuchenden Gebiet 5 sind die Oberflächenspulen 21 mit Kapazitätsmitteln 22 elektrisch lei­ tend verbunden. Darüber hinaus sind Strombegrenzungsmittel 23 in Form von zwei antiparallel geschalteten Dioden sowie einer Schmelzsicherung vorgesehen, die eine Patientengefähr­ dung durch Wirbelströme infolge von zu hohen Strömen in den Oberflächenspulen 21 verhindern sollen. Zu diesen gefährlich hohen Spulenströmen kann es kommen, wenn die starken Magnet­ felder der Sendespulen 11 in die Oberflächenspulen 21 einkop­ peln. Um die geforderte Sterilität sicherzustellen, sind die kompletten zweiten Spulenelemente 20, bestehend aus den Ober­ flächenspulen 21 sowie den Kapazitätsmitteln 22 und den Strombegrenzungsmitteln 23, jeweils vollständig durch die keimundurchlässigen, sterilen Umhüllungen 32 versiegelt.

Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des interventionellen MR-Abbildungssystems von Fig. 2 sind in Fig. 3 magnetische Feldverläufe dargestellt. Von beiden Teilen der Sendespule 11 wird ein in dem zu untersuchenden Gebiet 5 größtenteils homo­ genes Sendemagnetfeld BS erzeugt, das weitgehend senkrecht zu dem statischen Grundfeld B0 verläuft. Unter diesen Vorausset­ zungen kommt es zu einer wirkungsvollen Anregung der Kern­ spins in dem zu untersuchenden Gebiet 5. Das Sendemagnetfeld BS verläuft am Ort der Auskoppelspule 12 weitgehend parallel zu der Windungsebene 125 der Auskoppelspule 12. Dadurch fin­ det nur eine sehr geringe magnetische Kopplung in die Auskop­ pelspule 12 statt, wodurch die Gefahr unzulässig hoher Ströme in der Auskoppelspule 12 minimiert wird. Die auch für die Auskoppelspule 12 erforderlichen, hier nicht näher gezeigten Mittel zur Strombegrenzung werden durch die beschriebene vor­ teilhaft schwache Kopplung entlastet. Dagegen durchdringen die Magnetfeldlinien des Sendemagnetfeldes BS zumindest die Windungsebene 25 der in Fig. 3 dargestellten Oberflächenspule 21, so daß hier die beschriebenen Mittel zur Strom­ begrenzung 23 notwendig sind. Von den Oberflächenspulen 21 detektierte Empfangsfelder BE durchsetzen das zu unter­ suchende Gebiet 5 weitgehend in orthogonaler Orientierung zu dem Grundfeld B0, wodurch die Empfindlichkeit der Oberflä­ chenspulen 21 auf die Antwortsignale der Kerne im zu unter­ suchenden Gebiet 5 begründet ist. Dagegen verläuft ein nicht dargestelltes Magnetfeld der Auskoppelspule 12 weitgehend parallel zu dem Grundfeld B0, so daß die Auskoppelspule 12 keine nennenswerte eigene Empfangsempfindlichkeit besitzt. Die von der Auskoppelspule 12 an die Elektronik 15 weiter­ geleiteten Empfangssignale stammen deshalb praktisch aus­ schließlich aus den Oberflächenspulen 21. Störende Inter­ ferenzen zwischen Empfangssignalen von den Oberflächenspulen 21 und denen der Auskoppelspule 12 werden dadurch vermieden. Die Kopplung zwischen der Auskoppelspule 12 und den Oberflä­ chenspulen 21 findet über die seitlich austretenden Streufel­ der, die hier als Koppelmagnetfelder BK bezeichnet werden, statt. Durch die Verwendung der Streufelder zur Kopplung und die eingesetzten runden Spulengeometrien ergibt sich die oben beschriebene große Flexibilität bei der Positionierung der Oberflächenspulen 21 rings um das zu untersuchende Gebiet 5.

Bezugszeichenliste

5

zu untersuchendes Gebiet

10

,

20

Spulenelemente

11

Sendespule

12

Auskoppelspule

13

,

14

elektrische Leitungen

15

Sende- und Empfangselektronik

21

Oberflächenspule

22

Kapazitätsmittel

23

Strombegrenzungsmittel

24

Zugangsbereich

25

,

125

Windungsebenen

31

Trennschicht

32

Umhüllung

41

Unterlage
B0 Grundfeld
BS Sendemagnetfeld
BK Koppelmagnetfeld
BE Empfangsmagnetfeld

Claims (13)

1. Kernspinresonanz-Abbildungssystem mit einer HF-Spulen­ einrichtung zur Anregung von Kernspins in einem zu unter­ suchenden Gebiet (5) eines Patienten und zur Detektion der von den angeregten Kernspins emittierten Signale, welche HF- Spuleneinrichtung enthält:

• a) erste Spulenelemente (10) mit mindestens einer Sendespule (11) und mindestens einer Auskoppelspule (12) zum Empfan­ gen,
• b) mindestens ein zweites Spulenelement (20), das galvanisch vollständig isoliert und magnetisch zumindest mit einem der ersten Spulenelemente (10) gekoppelt ist und mit dem eine Verstärkung der aus dem zu untersuchenden Gebiet (5) emittierten Signale hervorzurufen ist,
• c) mindestens einen freien Zugangsbereich (24) für einen mechanischen Eingriff in das zu untersuchende Gebiet (5), insbesondere für eine Operation oder für eine Biopsie, und
• d) Mittel zur Keimabschottung (31, 32) des zu untersuchenden Gebietes (5), wobei
• e) eine Windungsebene (125) der mindestens einen Auskoppel­ spule (12) wenigstens annähernd orthogonal zu einem magne­ tischen Grundfeld (B0) ist.

2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Mittel zur Keimabschot­ tung zwischen den ersten Spulenelementen (10) und dem zu untersuchenden Gebiet (5) wenigstens eine sterile, magnetisch HF-durchlässige Trennschicht (31), vorzugsweise aus Plastik, vorgesehen ist.

3. Abbildungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spuleninnenraum des mindestens einen zweiten Spulenelements (20) als der mindestens eine freie Zugangsbereich vorgesehen ist, insbesondere ein zentrumsnaher Bereich (24) dieses Spuleninnenraums.

4. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Auskoppelspule (12) innerhalb einer Unterlage (41) des zu untersuchenden Gebietes (5) angeordnet ist.

5. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Spulenelemente (11) über elektrische Leitungen (13, 14) mit einer Elektronik (15) verbunden sind.

6. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine zweite Spulenelement (20) als Oberflächen­ spule (21), insbesondere mit runder Geometrie, ausgebildet ist.

7. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das min­ destens eine zweite Spulenelement (20) Kapazitätsmittel (22) und Strombegrenzungsmittel (23) umfaßt.

8. Abbildungssystem nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strombegrenzungsmittel (23) wenigstens eine Diode umfassen.

9. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombegrenzungsmittel (23) wenigstens eine Schmelzsicherung umfassen.

10. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine zweite Spulenelement (20) steril oder steril umhüllt ist.

11. Abbildungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine sterile Umhüllung (32) vorgesehen ist, die magnetisch HF-durchlässig ist und die das mindestens eine zweite Spulenelement (20) vollständig umschließt.

12. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Win­ dungsebene (25) des mindestens einen zweiten Spulenelementes (20) und die Windungsebene (125) der mindestens einen Aus­ koppelspule (12) wenigstens annähernd orthogonal zueinander sind.

13. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die min­ destens eine Sendespule (11) und die mindestens eine Aus­ koppelspule (12) so ausgebildet und angeordnet sind, daß ein von der mindestens einen Sendespule (11) erzeugtes Sende­ magnetfeld (BS) am Ort der mindestens einen Auskoppelspule (12) zumindest annähernd parallel zur Windungsebene (125) der mindestens einen Auskoppelspule (12) verläuft.