DE3724962A1 - Vorrichtung und verfahren zum entkoppeln einer mri-hochfrequenzspule von gewaehlten koerperteilen unter verwendung passiver elemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Bildgebung durch magnetische Resonanz nach dem MRI-Prinzip (Magnetic Reso­ nance Imaging) unter Ausnutzng magnetischer Kernreso­ nanz-(NMR-) Phänomene. Sie betrifft insbesondere eine vorteilhafte Anordnung von HF-Spulen (und ein zugehöriges Verfahren), mit der (dem) sich das Sichtfeld eines MRI- Systems auf ein gewähltes, verhältnismäßig kleineres Teilvolumen in einem menschlichen Körper oder einem son­ stigen zu prüfenden Gegenstand einschränken läßt.

Die vorliegende Anmeldung steht in einem allgemeinen Zu­ sammenhang mit Patentanmeldungen sowie erteilten Patenten wie z. B. die US-PS 42 97 637, 43 18 043, 44 71 305, 45 99 565 und 46 07 225 (Crooks u. a.).

Die MRI-Bildgebung findet immer weitere gewerbliche An­ wendung. Dennoch bleiben noch zahlreiche Ansatzpunkte für Verbesserungen. Beispielsweise müssen noch das Störverhältnis des NMR-Verhaltens verbessert und durch Bewegungen verursach­ te Störanteile abgeschwächt werden; auch ansonsten sind die NMR-Bilder verbesserungswürdig.

Bei früheren Versuchen der Bildgebung unter Ausnutzung der magnetischen Kernresonanz (NMR) wurde versucht, mit stark fokussierten Magnet- und/oder HF-Feldern eine NMR- Kopplung mit jeweils nur einem einzigen Punkt (d. h. einem Bildelement oder Pixel) zu erreichen und dann ein derar­ tiges "sensitives" Punktvolumen innerhalb eines größeren abzubildenden Volumens abzutasten. Dieses Verfahren ist derzeit größtenteils (wenn nicht vollständig) aufgegeben worden zugunsten von FOURIER-Transformationsverfahren, die aus NMR-Messungen Bild- bzw. Volumenelemente (Pixel bzw. Voxel, d. h. dreidimensionale Volumen-"Punkte") ab­ leiten, die sich zu einem MRI-Bild auswerten und darstel­ len lassen. Hierzu werden die NMR-Signale, die man ins­ gesamt an einem angekoppelten Gesamtvolumen (typischer­ weise ein gesamter Querschnitt durch ein abzubildendes Lebewesen oder sonstiges Objekt) abnimmt, einer kompli­ zierten Folge von Signalverarbeitungsoperationen unter­ worfen.

Wenn die HF-Sende- und Empfangssignale mit einem voll­ ständigen Querschnitt des abzubildenden Objekts gekop­ pelt werden, muß man zuweilen eine Verschlechterung des Störabstands hinnnehmen. Insbesondere treten im HF-Em­ pfangssignal auch Bewegungs- und andere Störanteile aus Bereichen des Querschnitts auf, an denen kein Interesse besteht. Sie tragen notwendigerweise und unvermeidbar zu einer Beeinträchtigung des Störabstandes der abgeleiteten MRI-Daten bei, aus denen das gesamte Querschnittsbild er­ zeugt wird.

Man hat bereits erkannt, daß man mit sogenannten "Ober­ flächen"-HF-Spulen nur einen interessierenden gewählten Bereich mit einem Bild koppeln kann; damit lassen sich unnötige Störanteile von Bewegungsartefakten und anderen Elementen des Prüfobjekts zugehörigen Störquellen ver­ meiden. (Vergleiche hierzu bspw. einige der obenangegebenen Patentanmeldungen.)

Es ist nun gelungen, ein gewähltes Teilvolumen eines ab­ gebildeten Querschnitts vom Bildgebungsprozeß unter Ver­ wendung nur passiver leitfähiger HF-Entkopplungseinrich­ tungen abzukoppeln. Indem man ein leitfähiges Flächenge­ bilde oder eine kurzgeschlossene leitfähige Schleife an das Teilvolumen heranbringt, dessen Bildanteile unter­ drückt werden sollen (bspw. um Bewegungsartefakte und dergl. zu vermeiden), lassen sich MRI-HF-Anteile aus ei­ nem solchen Bereich im wesentlichen unterdrücken. Ob­ gleich der genaue Mechanismus dieses Vorgangs noch nicht vollständig durchschaut ist, kann es sich dabei bspw. um die Unterdrückung schwacher HF-Anteile durch in den ver­ hältnismäßig niederohmigen Stromflußweg der geschlossenen Schleife, des Flächengebildes usw. induzierte Wirbel­ ströme handeln. Abhängig von der relativen Anordnung des passiven Entkopplungselements und der aktiven HF-Sende- bzw. -Empfangsspule(n) kann der passive Entkoppler auch Reflexions- und/oder Abschirmeffekte zeigen, infolge de­ ren ein gewähltes Teilvolumen des Querschnitts vom MRI- Bildgebungsvorgang effektiv entkoppelt wird.

Diese sowie andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen nun anhand der folgenden Beschreibung eines derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels der Er­ findung unter Bezug auf die Zeichnungen ausführlich erläutert werden.

Fig. 1 zeigt schaubildlich ein MRI-Bildgebungssystem mit einer passiven leitfähigen HF-Entkopplungseinrich­ tung L ₂ nach der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein realistischeres, aber ebenfalls schau­ bildliches Schnittbild durch einen menschlichen Rumpf sowie eine mögliche Anordnung der aktiven HF-Spule L ₁ und der passiven Entkopplungseinrich­ tung L ₂.

Fig. 3 und 4 zeigen beispielhafte passive Entkopplungs­ einrichtungen, die in den in den Fig. 1 und 2 ge­ zeigten Ausführungsformen Anwendung finden können; und

Fig. 5 und 6 sind vergleichende Photokopien von MRI-Bil­ dern eines Prüfobjekts, die mit (Fig. 5) bzw. ohne (Fig. 6) passive HF-Entkopplungseinrichtung nach Fig. 3 angefertigt wurden.

Wie bereits erwähnt, ist es oft erwünscht, Bewegungsarte­ fakten (bspw. aus dem Unterleib) in MRI-Bildern abzu­ schwächen, indem man ein gewähltes Teilvolumen eines zum Abbilden in der MRI-Anordnung befindlichen Querschnitts auf irgendeine Weise vom Bildgebungsprozeß entkoppelt. Die oben angegebene Anmeldung von Kaufmann u. a. erreicht diese Entkopplung durch sorgfältige Wahl der aktiven HF- Sende- und -Empfangsspulen. Nach der vorliegenden Erfin­ dung erhält man eine Entkopplung durch den Einsatz pas­ siver leitfähiger Strukturen.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, weist ein typisches MRI-Bild­ gebungssystem herkömmliche MRI-Steuerschaltungen 10 auf, die u. a. die geschalteten Gradientenspulenkreise (12) steuern, die im statischen Magnetfeld 14 sich etwa mit NF-Frequenzen ändernde Gradienten erzeugen. Weiterhin steuert die MRI-Steuerschaltung 10 MRI-Sende- und -Emp­ fangsschaltungen 16, die über eine Übertragungsleitung 18 an eine aktive HF-Spule (bzw. HF-Spulen, wie bspw. im Fall von Quadratur-Detektorsystemen) L ₁ (typischer­ weise über eine Parallel-Koppelkapazität C _P und eine oder mehrere Reihen-Koppelkapazitäten C _S ) angeschlossen ist. Wie die Fig. 1 ebenfalls zeigt, befindet (befinden) die aktive(n) HF-Spule(n) L ₁ sich in einem statischen Magnetfeld 14 und steht (stehen) unter dem Einfluß der Gradientenspulen 12. Schließlich umschließt (umschließen) die aktive Spule(n) L ₁ teilweise oder vollständig den Querschnitt 20 eines abzubildenden Objekts (bspw. eines menschlichen Rumpfes), der anatomische Elemente wie die Wirbelsäule (u. U. für die Abbildung von besonderem In­ teresse) sowie Lungen- und Herzgewebe (von dem Bewegungs­ artefakten ausgehen können) enthalten kann. Aus den be­ reits ausgeführten Gründen ist es erwünscht, den tat­ sächlich abgebildeten Bereich 22 auf das interessieren­ de Teilvolumen zu beschränken.

Erfindungsgemäß ist auch mindestens eine passive leitfä­ hige HF-Kopplungseinrichtung L ₂ um einen Teil des abzu­ bildenden Volumens gelegt, aber an einem Ort nahe eines Teilvolumens, dessen MRI-HF-Reaktionen unterdrückt werden sollen. Mit anderen Worten: Soll eine Kopplung nur mit dem Teilvo­ lumenbereich 22 erfolgen, wird die passive Entkopplungs­ einrichtung L ₂ nahe am verbleibenden Teilvolumen des Querschnitts 20 angeordnet. In der beispielhaften Ausfüh­ rungsform kann es sich bei der Entkopplungseinrichtung L ₂ um ein durchgehendes flächiges Gebilde aus leitfähigem Werkstoff (wie in Fig. 3 gezeigt) oder um eine HF-mäßig kurzgeschlossene Schleife aus leitfähigem Material (wie in Fig. 4 gezeigt) handeln. Die derzeit bevorzugte Aus­ führungsform weist mindestens eine geschlossene Schleife aus leitfähigem Werkstoff entsprechend Fig. 4 auf, die ebenfalls vorzugsweise eine Unterbrechung 30 der leitfä­ higen Struktur enthält. Diese Lücke ist mit einer HF-Kop­ pelkapazität 32 überbrückt, die für niederfrequente Wir­ belströme (bspw. im NF-Bereich), die die mit den Spulen 20 erzeugten sich ändernden magnetischen Gradientenfelder in der Schleife induzieren würden, hochohmig wirkt.

Wie in der Fig. 2 etwas wirklichkeitsnäher (wenn auch immer noch schematisiert) dargestellt, kann die passive HF-Koppelstruktur L ₂ auf einer Seite des menschlichen Rumpfes 20 nahe Bereichen der Anatomie angeordnet sein, die ohne Interesse sind (oder der Ursprung von Bewe­ gungsartefakten oder anderen Störquellen sein können). Gleichzeitig wird (werden) die aktive(n) HF-Spule(n) - bei denen es sich um eine oder mehrere Oberflächenspulen handeln kann, so daß man bereits durch diese eine hin­ sichtlich des abzubildenden Teilvolumens 22 selektiv wir­ kende HF-Kopplung erreicht - nahe demjenigen Teil der Anatomie angeordnet, der für die Bildgebung von besonde­ rem Interesse ist. (Es ist natürlich einzusehen, daß die aktive(n) Spule(n) das Querschnittsvolumen teilweise oder vollständig umschließen kann (können)). Im Effekt wirkt die passive kurzgeschlossene Schleife oder das leitfähige Flächengebilde als Kurzschluß für HF-Felder innerhalb des entkoppelten Volumens 24 (vergl. Fig. 2), dessen MRI-HF- Störanteile unterdrückt werden sollen.

Um die Erfindung zu demonstrieren, wurde eine einfache Kupferfolie mit den Abmessungen 381 mm × 305 mm × 0,13 mm (15″ × 12″ × 0,005″) um ein Prüfobjekt gelegt, das etwa 57 Liter (15 gallons) Salzlösung enthielt. Es wurden her­ kömmliche aktive Quadraturspulen verwendet, um den gesam­ ten Querschnitt zu koppeln; es ergab sich ein MRI-Bild des gesamten Querschnitts, wie es in Fig. 6 gezeigt ist (d. h. eine Sagittalansicht entlang eines Durchmessers des zylindrischen Behälters auf dessen Achse). Mit entlang eines Umfangsteils des Behälters aufgelegter Kupferfolie änderte sich das MRI-Bild wie in Fig. 5 ersichtlich, das einen entkoppelten Bereich des Querschnitts nicht mehr enthält.

Bei diesem Experiment ergab sich bei aufgelegter Entkopp­ lungseinrichtung ein etwas schlechterer Störabstand (16,4 gegenüber 18,1). Möglicherweise kann diese Verringerung des Störabstands durch eine leichte Verstimmung der im Experiment verwendeten Quadratur-Detektorspulen verur­ sacht worden sein. Mit weiteren Experimenten und sorgfäl­ tigem Abgleich des gesamten Systems läßt sich vermutlich eine MRI-Bildgebung für das gewählte Teilvolumen errei­ chen, ohne daß der Entkopplungsvorgang selbst den Störab­ stand beeinträchtig, wobei man gleichzeitig eine Verbes­ serung des effektiven Störabstands dadurch erreicht, daß das entkoppelte Teilvolumen Bewegungsartefakte oder an­ dere Störquellen enthalten haben kann.

Claims (8)

1. Auf der Grundlage der magnetischen Resonanz arbei­ tende (MRI) Bildgebungsvorrichtung mit HF-Sende- und Em­ pfangsschaltungen, die an HF-Spulenkreise angeschlossen sind, die sich in einem statischen Magnetfeld befinden und mit Einrichtungen zur Erzeugung sich ändernder magne­ tischer Gradienten versehen sind, gekennzeichnet durch mindestens eine aktive HF-Spulenanordnung (L ₁), die über eine Übertragungsleitung an die HF-Sende- und Empfangs­ schaltungen (16) angeschlossen und um mindestens einen Teil eines abzubildenden und die MRI-HF-Reaktionen lie­ fernden Volumens gelegt ist, und durch mindestens eine passive leitfähige HF-Entkopplungseinrichtung (L ₂), die ebenfalls um einen Teil des Volumens gelegt ist, jedoch an einem Ort nahe eines Teilvolumens desselben, aus dem MRI-HF-Reaktionen unterdrückt werden sollen.

2. Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungseinrichtung ein durchgehendes flächiges Gebilde aus leitfähigem Werk­ stoff ist.

3. Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entkopplungseinrichtung min­ destens eine kurzgeschlossene Schleife aus leitfähigem Werkstoff aufweist.

4. Bildgebungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzgeschlossene Schleife eine Unterbrechung der leitfähigen Struktur enthält, die von einer HF-Kopplungskapazität überbrückt ist, die hochohmig für niederfrequente Wirbelströme wirkt, die die sich än­ dernden magnetischen Gradienten sonst in der Schleife in­ duzieren würden.

5. Verfahren zur Bildgebung nach dem MRI-Prinzip (Bildgebung durch magnetische Resonanz) unter Verwendung von HF-Sende- und Empfangsschaltungen, die mit einer HF- Spulenanordnung verbunden sind, die innerhalb eines sta­ tischen Magnetfeldes mit sich ändernden magnetischen Gra­ dienten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens eine aktive HF-Spulenanordnung (L ₁), die über eine Übertragungsleitung an die HF-Sende- und Empfangs­ schaltungen (16) angeschlossen ist, um mindestens einen Teil eines abzubildenden Volumens legt, das MRI-HF-Reak­ tionen liefert, und MRI-HF-Reaktionen aus einem gewählten Teil dieses Volumens unterdrückt, indem man mindestens eine passive leitfähige HF-Entkopplungseinrichtung (L ₂) um das Volumen legt, aber an einem Ort, der dem genannten Teilvolumen nahe ist, dessen MRI-HF-Reaktionen unter­ drückt werden sollen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Entkopplungseinrichtung um ein durch­ gehendes flächiges Gebilde aus leitfähigem Werkstoff han­ delt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Entkopplungseinrichtung um mindestens eine kurzgeschlossene Schleife aus leitfähigem Werkstoff handelt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kurzgeschlossene Schleife mindestens eine Unter­ brechung der leitfähigen Struktur enthält, die mit einer HF-Koppelkapazität überbrückt ist, die hochohmig für nie­ derfrequente Wirbelströme wirkt, die die sich ändernden magnetischen Gradienten sonst in der Schleife induzieren würden.