DE3937052B4 - Instrumentenkörper für ein medezinisches Instrument zur Untersuchung von Gegenständen wie des menschlichen Körpers - Google Patents

Instrumentenkörper für ein medezinisches Instrument zur Untersuchung von Gegenständen wie des menschlichen Körpers Download PDF

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Abstract

Instrumentenkörper für ein medizinisches Instrument, welcher hinreichend klein in Bezug auf das Untersuchungsobjekt ausgeführt ist und in das Untersuchungsobjekt, das seinerseits mittels NMR-Untersuchungsmethoden analysiert wird, einführbar ist, wobei die Untersuchung innerhalb eines äußeren Magnetfeldes erfolgt,
dadurch gekennzeichnet,
– dass dem Instrumentenkörper (BN) Mitteln (CA) zugeordnet sind, die ihrerseits geeignet sind, ein vorbestimmtes, lokalisierten Gebiet innerhalb des Untersuchungsobjektes, unmittelbar benachbart zum Instrumentenkörper, mit einem paramagnetischen Relaxant zu versorgen und eine Wechselwirkung mit NMR-aktiven Kernen herbeizuführen, die ihrerseits geeignet sind, unmittelbar am Relaxant ein NMR-Signal zu emittieren, wobei das paramagnetische Relaxant ein Elektronenspinsystem besitzt, welches eine Nettomagnetisierung im externen Magnetfeld hervorruft;
– dass Mittel vorhanden sind, die zur Lieferung der Elektronen-Spin-Resonanz-Energie durch den Instrumentenkörper für das Relaxant geeignet sind, um dessen Elektronenspinsystem zu sättigen; und
– dass es auf diese Weise zur Verstärkung des NMR-Signals durch dynamische Kernpolarisation kommt, die von den Kernen während der NMR-Untersuchung des Untersuchungsobjektes...

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Instrumentenkörper für ein medizinisches Instrument zur Untersuchung von Gegenständen wie des menschlichen Körpers, Tieren, organischen Stoffen wie Baumstämmen, Nahrungsmitteln etc., wobei gleichzeitig die simultane Kontrolle von Behandlungsvorgängen möglich ist, unter Anwendung von NMR-Untersuchungsmethoden.
  • Die Kernspin-Darstellung, ebenso wie andere NMR-Untersuchungsmethoden basieren auf dem physikalischen Effekt, dass die Kerne einiger Elemente wie Wasserstoff, Kohlenstoff u.a. ein sogenanntes nuklear-magnetisches Moment besitzen. Wenn nun eine Anzahl von Wasserstoffatomen in ein äußeres Magnetfeld Bo gebracht wird, so stellen sich die meisten der magnetischen Momente der Kerne parallel zum äußeren Magnetfeld ein. Bei NMR-Untersuchungen wird im folgenden die durch das polarisierende Magnetfeld Bo hervorgerufene Nettomagnetisierung eines Untersuchungsobjekts mit einem starken Hochfrequenz-Anregungsimpuls der Frequenz ωo aus der Richtung des Magnetfeldes Bo abgelenkt. Die Frequenz ωo ist die LARMOR-Frequenz. Sie ist proportional dem Magnetfeld Bo. Nach Abschalten des 90°-HF-Anregungsimpulses präzediert die Nettomagnetisierung in die zur Richtung des Magnetfeldes Bo orthogonalen Ebene. In einer in der Nähe des Untersuchungsobjekts anzuordnenden Empfangsspule wird ein sinusförmiges Spannungssignal, das sog. FID-Signal, induziert und einer weiteren Auswertung zugeführt. Durch Energieabgabe kehrt auch die Nettomagnetisierung des Untersuchungsobjektes auf ihren Ruhewert zurück. Dieser exponentiell ablaufende Prozeß ist durch die Relaxationszeit T1 charakterisiert. Die Relaxationszeit T1 ist abhängig von der Zusammensetzung der zu prüfenden Substanz und kann z.B. bei flüssigen Substanzen relativ kurz sein (Millisekundenbereich), während sie bei festen Substanzen groß werden kann (Minutenbereich und länger). Sie repräsentiert die meßbare Relaxation der Kernmagnetisierung in einem Hochfrequenzfeld nach Anregung. Die Kohärenz der aufzunehmenden Strahlung wird neben der Abhängigkeit von der Konsistenz der zu prüfenden Substanz weiterhin von der Homogenität des äußeren Magnetfeldes bestimmt. FID-Signal und Spin-Gitter-Relaxationszeit T1 stehen mithin in einer engen Wirkbeziehung. Die NMR-Charakteristika umfassen u.a. die longitudinale Relaxationszeit T1 und die transversale Relaxationszeit T2. Bei der Relaxationszeit T1 handelt es um die longitudinale Relaxationszeit eines Bezugskoordinatensystem, die analog übertragen auf ein rotierendes Koordinatensystem mit T1p bezaichnet wird. Dieses rotierende Koordinatensystem rotiert mit der LARMOR-Winkelgeschwindigkeit ωo um die z'-Achse. Die z'-Achse entspricht der z-Achse im Bezugskoordinatensystem x-y-z, wobei das Hauptmagnetfeld Bo entlang der z'-Achse ausgerichtet ist. Eine Vielzahl von Kernspin-Bildgebungsmethoden sind bereits entwickelt und bspw. in der US-PS 4.070.611 , US-PS 4.345.207 wie auch US-PS 4.654.595 beschrieben worden.
  • Nach dem Stand der Technik es bekannt, dass ein Elektronen-Spin-System durch Bestrahlung eines Gegenstandes bei einer Frequenz gesättigt wird, die abhängig ist von der Elektronen-Spin-Resonanz oder ESR-Frequenz des Magnetfeldes Bo. Dabei kann ein NMR-Signal bei einer Frequenz detektiert werden, die abhängig ist von der Feldstärke Bo. Beispielweise beträgt für die Feldstärke Bo von 0,04 T die korrespondierende ESR-Frequenz 1,12 GHz und die korrespondierende NMR-Frequenz 1,7 MHz. Das Problem besteht hierbei in der hohen Absorption der NMR-Frequenz in einem Untersuchungsobjekt und führt zu zwei Nachteilen:
    • 1. Die bei ESR-Frequenz auftretende Sättigung findet nur in Teilen eines Gegenstandes statt, die sich nahe am Sender befinden (bspw. beträgt die Eindringtiefe bei 1,12 GHz im Muskelgewebe weniger als 3 cm).
    • 2. Da die Breite in einer ESR-Linie zudem relativ groß ist, verlangt die Sättigung eine relativ hohe Energiedichte, die, wenn sie im Untersuchungsobjekt absorbiert wird, zu einer Gefährdung durch starke Erwärmung führen kann.
  • In diesem Zusammenhang ist aus der WO 86/01093 ein Operationsinstrument in Form einer NMR-Sonde bekannt, welche am distalen Ende eines Katheters oder Endoskops angeordnet ist für NMR-Untersuchungsmethoden bei Patienten. Die Untersuchung erfolgt innerhalb eines äußeren Magnetfeldes, wobei das Operationsinstrument hinreichend klein in Bezug auf das Untersuchungsobjekt ausgeführt ist und mithin das Operationsinstrument vollständig umschließt.
  • Vorbekannt sind weiterhin chirurgische Katheder (z.B. WO 87/04080) die ganz oder teilweise aus Material gefertigt sind, welches bei einer normalen NMR-Bildgebung sichtbar ist. Das ausgesandte NMR-Signal ist jedoch relativ schwach und verlangt daher eine lange Darstellungszeit, verbunden mit einer erhöhten Belastung des Probanden.
  • Aus dem Journal of Magnetic Resonance 48 (1982) S. 111 bis 124 (Bates R. D.: "Polarization of solvent nuclei by nitroxide sein labels at low magnetic fields") sind schließ lich Untersuchungen zur Anwendung von Stickstoffoxidkernmarkierungen in Lösungen bei kleinen Magnetfeldern zu dynamischen Kernpolarisationszwecken (DNP) sowie deren Wechselwirkungen in Zusammenhang mit NMR-Untersuchungen bekannt.
    •
  • Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, medizinische Instrumente, Biopsie-Röhrchen, Kapseln für die Strahlungstherapie oder andere Instrumente in unterschiedlichsten Gewebearten zu jedem Zeitpunkt exakt zu lokalisieren, bei möglichst geringer Belastung des Probanden. Ferner sollen der Kontrast zwischen dem Instrument, Teilen desselben und der Gewebeumgebung sowie das Signal-/Rauschverhältnis bei der Operationsdurchführung verbessert werden.
  • Diese Aufgabe wird ertindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs beschriebenen Merkmale des Instrumentenkörpers für ein medizinisches Instrument gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Es wird ein Instrumentenkörper für ein medizinisches Instrument vorgeschlagen, welches in ein Untersuchungsobjekt, das seinerseits mittels NMR-Untersuchungsmethoden analysiert wird, eingeführt werden kann, wobei die Untersuchung innerhalb eines äußeren Magnetfeldes erfolgt. Der Instrumentenkörper muß hierbei hinreichend klein in Bezug auf das Untersuchungsobjekt sein, so dass das medizinische Instrument vollständig umschlossen wird. Dem Instrumentenkörper sind ferner Mitteln zugeordnet sind, die ihrerseits geeignet sind, ein vorbestimmtes, lokalisiertes Gebiet innerhalb des Untersuchungsobjektes, unmittelbar benachbart zum Instrumentenkörper, mit einem paramagnetischen Relaxant zu versorgen und so eine Wechselwirkung mit NMR-aktiven Kernen herbeizuführen. Diese sind ihrerseits geeignet, unmittelbar am Relaxant ein NMR-Signal zu emittieren, wobei das paramagnetische Relaxant ein Elektronenspinsystem besitzt, welches eine Nettomagnetisierung im externen Magnetfeld hervorruft. Desweiteren sind Mittel vorgesehen, die zur Lieferung der Elektronen-Spin-Resonanz-Energie durch den Instrumentenkörper für das Relaxant geeignet sind, um dessen Elektronenspinsystem zu durchdringen. Auf diese Weise kommt es zur Verstärkung des NMR-Signals durch dynamische Kernpolarisation, die von den Kernen während der NMR-Untersuchung des Untersuchungsobjektes erhalten wurden und zu verbesserten Sichteigenschaften für die NMR-Bildgebung führen.
    •
  • Die Wirkungsweise der Erfindung ist in zeichnerischer Darstellung verdeutlicht. Es zeigt
  • 1 eine Biopsie-Anordnung vermittels NMR-Untersuchungsmethoden;
  • 2 (A, B) eine detaillierte Darstellung verschiedener Ausbildungen eines Biopsie-Röhrchens;
  • 3 (A, B, C) verschiedene Ausbildungsarten der Unterwerfung einer Operationsfläche unter die Wirkung eines aktivierenden Agens;
  • 4 die Impulsverläufe anhand eines Diagramms für die Darstellung der Operationslokalisierung;
  • 5 eine Form der Ausbildung eines medizinischen Instrumentes für die Strahlungstherapie;
  • Gemäß 1 wird ein Patient P oder ein anderes Untersuchungsobjekt innerhalb einer Anordnung plaziert und einem polarisierenden Magnetfeld Bo ausgesetzt. Dieses Magnetfeld Bo wird von einem Magneten M erzeugt. Hierzu wird üblicherweise eine Spulenanordnung verwendet, die über eine Stromversorgungsquelle MC gespeist wird. Wird ein Magnetfeld Bo über dem Untersuchungsobjekt erzeugt, so stellen sich die meisten der magnetischen Momente der Kerne des Untersuchungsobjektes parallel zum äußeren Magnetfeld ein und erzeugen ihrerseits eine meßbare Nettomagnetisierung. Die Anordnung besteht desweiteren aus Gradientenspulen GC, die das Untersuchungsobjekt P umgeben. Die Stärke des von den Gradientenspulen GC erzeugten Magnetfeldes wird durch ein NMR-Spektrometer NMRS gesteuert, über eine zwischengeschaltete Gradientenstromquelle G. Das NMR-Spektrometer NMRS steuert gleichfalls einen Radiofrequenzsender ESRE, welcher die Energie (Sättigungsenergie) erzeugt, die erforderlich ist, um das Elektronenspinsystem in die Sättigung zu bringen, unmittelbar am medizinischen Instrument BN oder Teilen desselben. Das NMR-Spektrometer NMRS umfaßt Radiofrequenzkomponenten, die notwendig sind, um ein NMR-Signal zu erzeugen und auch zu empfangen sowie zu speichern und weiter zu verarbeiten. Hierzu ist eine Antennenanordnung A vorgesehen. Das resultierende Endbild wird auf einem Display D dargestellt.
  • Bei dem für die NMR-Testanordnung verwendeten Magneten M kann es sich um einen resistiven, permanenten oder supraleitenden Magneten (auch das Erdmagnetfeld kann unter bestimmten Umständen verwendet werden) handeln, der für die Erzeu gung des polarisierenden Magnetfeldes Bo notwendig ist. Ferner umfaßt die NMR-Testanordnung das NMR-Spektrometer NMRS sowie die Antenne A. Zusätzlich umfaßt die NMR-Darstellungsanordnung Gradientenspulen GC (in der sog. Rotationsrahmen-Zeugmatographie werden einige der Gradienten in einem von der NMR-Frequenz erregten Feld erzeugt), steuerbare Stromquellen sowie Elemente für die Rekonstruktion und Darstellung des Bildes.
  • Die 2A und 2B zeigen verschiedene Ausführungsformen des Biopsie-Röhrchens. Gemäß 2A kann das Biopsie-Röhrchen als vollständiges Koaxial-Röhrchen ausgebildet sein bzw. gemäß 2B auch als nur teilweise koaxial ausgebildetes Röhrchen aufgeteilt sein.
  • Gemäß 3A kann ein aktivierendes Agens EC durch eine Kanüle des medizinischen Instruments BN auf die Operationsfläche injiziert werden. Gemäß 3B ist das aktivierende Agens EC auf der Oberfläche eines medizinischen Instruments BN aufgebracht. Bei der Darstellung gemäß 3C befindet sich das aktivierende Agens EC in einer getrennten Kapsel CA mit semipermeablen Wänden. Diese ermöglichen, dass die Wassermoleküle der Operationsoberfläche freien Zugang zur Wechselwirkung mit dem aktivierenden Agens EC haben. Das aktivierende Agens EC kann aber auch zusammen mit einem NMR-Signale aussendenden Material in einer dicht verschlossenen Kapsel enthalten sein.
  • 4 stellt eine Darstellungsmethode dar, die auf der sog. dreidimensionalen Fourierdarstellungstechnik beruht. Um die Position eines medizinischen Instrumentes mittels magnetischer Darstellungsmethoden aufzeichnen zu können, muß als erster Schritt die Sättigung des Elektronenspinsystems im Operationsgebiet herbeigeführt werden. Dies geschieht vermittels elektromagnetischer Energie bei ESR-Frequenz sowie Übertragung durch das medizinische Instrument BN. In einem zweiten Schritt erfolgt die Anregung des Kernspinsystems der Operationsfläche vermittels elektromagnetischer Energie bei NMR-Frequenz. Der dritte Schritt umfaßt die Phasencodierung des Kernspinsystems. Hierzu erfolgen gerichtete Gradientimpulse entlag der y- und der z-Achse, deren Zeitpunkte auf den Achsen Gy und Gz markiert werden. In einem vierten Schritt erfolgt schließlich die Aufnahme eines NMR-Signals SE, während gleichzeitig der entlang der x-Achse gerichtete Gradientenimpuls eingeschaltet ist, dessen Zeipunkt auf der Achse Gx markiert wird. Die vorgenannten Schritte werden so oft wiederholt, wie es die Phasencodierung und alle notwendigen Informationen erforderlich machen. Die resultierende Datenmenge wird rekonstruiert, um ein endgültiges NMR-Bild zu erhalten.
  • 5 stellt eine Kapsel CA dar, die für die Strahlungstherapie bestimmt ist und die eine radioaktive Substanz IS (bspw. IR-192) enthält sowie einen Raum TT für die Mischung eines Aktivierungsagens und eines NMR-Signalsendeagens (bspw. Wasser). Eine die Kapsel CA tragende Nadel N verfügt über einen Koaxialleiter zur Übertragung der elektromagnetischen Energie bei ESR-Frequenz in die Nähe des Raumes TT, um das Elektronenspinsystem des Untersuchungsmaterials, welches sich im Raum TT befindet, in die Sättigung zu bringen. Auf diese Weise wird vom im Raum TT befindlichen Material ein aktiviertes NMR-Signal gewonnen, bei Anwendung der NMR-Resonanzbildgebungsmethode nach 4.
  • Die mit der erfindungsgemäßen Anordnung für die Lokalisierung eines medizinischen Instrumentes erreichten Vorteile werden deutlich bei Vergleich des Signals, welches von einer Wasserprobe stammt bei Anwendung bekannter Mittel mit normaler Energie und dynamischer Kernpolarisation (DNP), mit einem Signal, welches unter Anwendung von aktivierter magnetischer Resonanzdarstellung (MRI) erhalten wurde. Das aktivierte Signal kann bis zu mehreren 100-fach stärker sein, als ein Signal, das ohne Aktivierung erhalten wurde. Mit anderen Worten: wenn sich nach Aktivierung bspw. das 200-fache Signal ergibt, so bedeutet dies, dass eine Probe von 1 mm3 ein Signal emittiert, das einer Probe von 200 mm3 entspricht. Die bzgl. der Darstellungszeit erreichbare Reduktion ist noch gravierender: eine aktivierte Probe kann bei gleichem Signal-/Rauschverhalten 40.000-mal schneller lokalisiert werden, als eine nicht aktivierte Probe.
  • Das Probenmaterial (z.B. Silizium-Verbindungen oder Flüssigkeiten wie kochendes Öl) kann derart ausgewählt werden, dass gemäß der chemischen Umsetzung (chemischen Drift), die Resonanzfrequenz der Protonen anders ist als z.B. die von Wasser. Dadurch kann eine Probe sehr genau vom Umgebungsmaterial unterschieden werden (z.B. biologisches Gewebe durch Anwendung der chemischen Umsetzungsdarstellungsmethode).
  • Es ist möglich, als ein Aktivierungsagens oder eines Relaxanten bspw. Stickstoffradikale oder paramagnetische Ionen zu verwenden, wie bereits zum Stand der Technik erläutert.
  • Hinsichtlich der Erzeugung der elektromagnetischen Energie bei ESR-Frequenz sowie deren Übertragung ins Operationsgebiet kann gleichfalls auf bereits bekannte Ausführungen zurückgegriffen werden.
  • Wenn die Sättigungsenergie über andere Teile des medizinischen Instrumentes auf eine aktivierte Fläche geleitet wird, so hat die Absorbtion des Gewebes oder anderer Medien keine Auswirkung und der Energieverlust ist gering. Daher ergeben sich selbst bei hohen ESR-Frequenzen keine thermischen Schädigungen.
  • Ein medizinisches Instrument und seine Lokalisierungstechnik kann in Verbindung mit einem sog. stereotaktischen Rahmen benutzt werden, wie er in der finnischen Anmeldung 884 861 FI 80584 B offenbart ist.
  • Eine im medizinischen Instrument enthaltene Probe kann ebenfalls benutzt werden für die Beobachtung des Oxydationsgrades, der Temperatur oder ähnlichen Materialparametern im Operationsgebiet. Diese physikalischen Parameter haben eine Auswirkung auf die Relaxationszeit der Kerne und den Grad der Aktivierung, welche durch die dynamische Kernpolaristation (DNP) erhalten werden kann. Der Effekt der Umgebungsbedingungen auf eine Probe kann bspw. durch Einkapseln der Probe in eine semipermeable Membran oder durch Aufbringung des Aktivierungsagens auf die Oberfläche des medizinischen Instrumentes erzeugt werden.
  • Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die oben genannten Ausführungsbeispiele, andere Ausführungsbeispiele können ebenso in Betracht gezogen werden. Als Zielkerne kommen alle jenen Kerne in Betracht, die für derartige NMR-Untersuchungsmethoden geeignet sind, wie die Kerne von NMR-aktiven Isotopen von Wasserstoff, Phosphor, Stickstoff und Fluorkohlenstoff. Abgesehen von medizinischen Anwendungen kann die erfindungsgemäße Lösung auch zur Untersuchung von Tieren, Nahrungsmitteln und festen Gegenständen angewendet werden.

Claims (9)

  1. Instrumentenkörper für ein medizinisches Instrument, welcher hinreichend klein in Bezug auf das Untersuchungsobjekt ausgeführt ist und in das Untersuchungsobjekt, das seinerseits mittels NMR-Untersuchungsmethoden analysiert wird, einführbar ist, wobei die Untersuchung innerhalb eines äußeren Magnetfeldes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, – dass dem Instrumentenkörper (BN) Mitteln (CA) zugeordnet sind, die ihrerseits geeignet sind, ein vorbestimmtes, lokalisierten Gebiet innerhalb des Untersuchungsobjektes, unmittelbar benachbart zum Instrumentenkörper, mit einem paramagnetischen Relaxant zu versorgen und eine Wechselwirkung mit NMR-aktiven Kernen herbeizuführen, die ihrerseits geeignet sind, unmittelbar am Relaxant ein NMR-Signal zu emittieren, wobei das paramagnetische Relaxant ein Elektronenspinsystem besitzt, welches eine Nettomagnetisierung im externen Magnetfeld hervorruft; – dass Mittel vorhanden sind, die zur Lieferung der Elektronen-Spin-Resonanz-Energie durch den Instrumentenkörper für das Relaxant geeignet sind, um dessen Elektronenspinsystem zu sättigen; und – dass es auf diese Weise zur Verstärkung des NMR-Signals durch dynamische Kernpolarisation kommt, die von den Kernen während der NMR-Untersuchung des Untersuchungsobjektes erhalten wurden und zu verbesserten Sichteigenschaften für die NMR-Bildgebung führen.
  2. Instrumentenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bereitstellung eines paramagnetischen Relaxants einen geschlossenen integralen Teil des Instrumentenkörpers (BN) in Form einer Kapsel (CA) bilden, welcher das Relaxant beinhaltet.
  3. Instrumentenkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Instrumentenkörperteil (CA) zur Außenseite hin offen ausgebildet ist.
  4. Instrumentenkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Instrumentenkörperteil (CA) von einer semipermeablen Wand umgeben ist.
  5. Instrumentenkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Instrumentenkörperteil (CA) das Relaxant enthält sowie eine Substanz, welche NMR-aktive Kerne beinhaltet.
  6. Instrumentenkörper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Untersuchungsobjekt aus Materialien besteht, welche eine definierte NMR-Frequenz aufweisen und die Substanz, die im Instrumentenkörperteil enthalten ist, über NMR-Eigenschaften verfügt, welche eine NMR-Frequenz erzeugen, die verschieden ist zur chemischen Drift der NMR-Frequenz des Untersuchungsobjektes.
  7. Instrumentenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Bereitstellung des paramagnetischen Relaxants Mittel umfassen, die ein Abfließen des Relaxants in das zu untersuchende Gebiet gestatten.
  8. Instrumentenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Relaxant zur Oberfläche des Instrumentenkörpers hin begrenzt ist.
  9. Instrumentenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Ausführung einer therapeutischen Behandlung im Instrumentenkörper (BN) vorgesehen sind.
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