DE4200992A1 - Kernspintomograph - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kernspintomographen, bei dem zum Senden von Hochfrequenzsignalen zu einem Abbildungsbe­ reich eine Ganzkörperantenne und zum Empfang der Kernspin­ signale eine Oberflächenspule vorgesehen ist. Diese Oberflä­ chenspule ist über eine elektronische Signalaufbereitung an einen Zentralrechner CPU (central processor unit) und eine ge­ trennte Stromversorgung PTU (power transfer unit) angeschlos­ sen.

Es ist bekannt, daß man die an Wasser gebundenen Wasserstoff­ atomkerne, d. h. Protonen, eines Untersuchungsobjektes aus ei­ ner Vorzugsrichtung, die durch ein magnetisches Grundfeld ho­ her statischer Feldstärke erzeugt wird, durch hochfrequente Anregungsimpulse zur Präzession anregen kann. Nach dem Ende eines Anregungsimpulses präzedieren die Atomkerne mit einer Frequenz, die von der Stärke des Grundfeldes abhängt und pen­ deln sich dann aufgrund ihres Spins nach einer vorbestimmten Relaxationszeit wieder in die Vorzugsrichtung ein. Durch rech­ nerische oder meßtechnische Analyse der integralen Protonen­ signale kann aus der räumlichen Spindichte oder der Vertei­ lung der Relaxationszeiten innerhalb einer Körperschicht ein Bild erzeugt werden. Die Zuordnung des infolge der Präzes­ sionsbewegung nachweisbaren Kernresonanzsignals zum Ort seiner Entstehung erfolgt durch die Anwendung linearer Feldgradien­ ten. Diese Gradientenfelder werden dem Grundfeld überlagert und so gesteuert, dar nur in der abzubildenden Schicht eine Anregung der Protonen erfolgt. Diese Bilddarstellung ist be­ kannt unter den Bezeichnungen Kernspin-Tomographie KST, NMR- Tomographie (nuclear magnetic resonanz), Zeugmatographie oder Spin-Imaging sowie Spin-Mapping.

Die Qualität der erzeugten Schnittbilder wird wesentlich be­ stimmt vom Signal-Rauschverhältnis des induzierten Kernspin- Resonanzsignals. Da dieses Verhältnis mit der Frequenz steigt, die linear vom Grundfeld abhängt, sind auch starke Grundfelder und damit hohe Frequenzen vorgesehen. Weitgehend homogene hochfrequente Magnetfelder mit hohem Signal-Rauschverhältnis zur Signalanregung und zur Signalaufnahme können beispielswei­ se von Hochfrequenzspulen erzeugt werden, denen vorzugsweise noch eine gemeinsame weitgehend hochfrequenzdichte und nieder­ frequenzdurchlässige Hülle aus elektrisch gut leitendem Mate­ rial zugeordnet sein kann. Im gesamten von den Hochfrequenz­ spulen eingeschlossenen Volumen, in welches das Untersuchungs­ objekt eingeschoben wird, entstehen gleichphasig schwingende Felder.

Sollen nur verhältnismäßig kleine Objektbereiche (field of view) abgebildet werden, so kann zur Verbesserung des Signal- Rauschverhältnisses in Kernspintomographen zum Senden der Hochfrequenzsignale eine verhältnismäßig große Antenne, ins­ besondere eine Ganzkörperantenne, verwendet werden, damit das Abbildungsvolumen gleichmäßig bestrahlt wird; zum Empfang kann eine wesentlich kleinere Antenne, vorzugsweise eine Oberflä­ chenspule, vorgesehen sein. Die Empfangssignale werden von der Oberflächenspule mittels eines metallischen Hochfrequenz-Wel­ lenleiters, beispielsweise eines Koaxialkabels, weitergeleitet (Journal of Magnetic Resonance 62 (1985), S. 397-405).

Der zur Oberflächenspule führende Wellenleiter bildet zusammen mit dem Schirmrohr der Ganzkörperantenne bzw. mit der Labor­ peripherie den Innenleiter eines koaxialen Wellenleitersy­ stems, in dem sich insbesondere bei nicht genau erdsymmetri­ schen Anschlußbedingungen des zur Oberflächenspule führenden Wellenleiters sogenannte Mantelwellen ausbreiten können. Die Folge sind unkontrollierbare Verkopplungen mit dem Feld der Ganzkörperspule sowie unkontrollierbare Stehwelleneffekte.

Störungseinkopplung und Güteabfall der Oberflächenspule und der Ganzkörperantenne durch Abstrahlungseffekte sind weitere Folgen. Schließlich bereitet die Abstimmung der Oberflächen­ spule und der Ganzkörperantenne Schwierigkeiten, da sich jede Veränderung der Umgebung darauf auswirkt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Ausfüh­ rungsform eines Kernspintomographen mit einer Oberflächenspule als Empfangsantenne anzugeben, bei der Mantelwellenprobleme nicht auftreten können.

In einer bekannten Ausführungsform eines Kernspintomographen ist zur Patientenüberwachung, beispielsweise des Herzschlages, ein Signalkreis vorgesehen, bei dem die Übertragung der am Patienten aufgenommenen Überwachungssignale mit Sekundärener­ gie, beispielsweise mit Lichtleitern oder mit einer Ultra­ schallübertragungsstrecke, erfolgt. Zu diesem Zweck ist an den Enden der Übertragungsstrecke jeweils ein Energiewandler ange­ ordnet. Für den Signalkreis ist eine getrennte Stromversorgung PTU (power transfer unit) vorgesehen. Diese Stromzuführung enthält zwar eine Potentialtrennung, die Energieübertragung erfolgt jedoch mit metallischen Leitern. Das Mantelwellenpro­ blem ist deshalb nicht gelöst (US-Patentschrift 47 37 712).

Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß Störungen durch Mantelwellen nicht auftreten können, wenn metallische Leiter zur Energieübertragung vermieden werden und sie besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere besondere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Blockschaltbild zum Be­ trieb der Empfangsantenne schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Energiekonverters auf der Antennenseite.

In der Ausführungsform eines Kernspintomographen gemäß Fig. 1 mit einer getrennten Sende- und Empfangsantenne, von denen zur Vereinfachung nur die Empfangsantenne 2 mit einer Oberflächen­ spule 3 dargestellt ist, werden die aufgenommenen Signale über eine elektronische Signalaufbereitung 4 sowie einen Übertra­ gungsleiter, beispielsweise einen Lichtwellenleiter 5, einem Zentralrechner CPU (central processor unit) zugeführt, der vorzugsweise auch noch mit einem Frequenzsynthesizer versehen sein kann. Die elektronische Signalaufbereitung 4 ist erfor­ derlich, damit die relativ schwachen Empfangssignale von der Oberflächenspule 3 über den Lichtwellenleiter 5 übertragen werden können. Diese Signalaufbereitung 4 kann beispielsweise aus einem kompletten Homo- oder Heterodynempfänger mit Quadra­ turdemodulator und Analog-Digital-Wandler bestehen, so daß die Empfangssignale dann verhältnismäßig störungsarm in digitali­ sierter Form als Bitmuster über den Lichtwellenleiter 5 über­ tragen werden können. Werden die Synchronisierimpulse vom Zen­ tralrechner CPU nur während der Empfangspausen der Antenne 2 übertragen, so können auch diese Synchronisierimpulse vom Lichtwellenleiter 5 zur Signalaufbereitung 4 übertragen wer­ den.

In einer bevorzugten Ausführungsform, mit der Synchronisier­ impulse vom Frequenzsynthesizer auch während der Aufnahme der Signale mit der Oberflächenspule 3 übertragen werden sollen, kann zweckmäßig noch ein getrennter Übertragungsleiter, bei­ spielsweise ein Lichtwellenleiter 6, vorgesehen sein. Zur Energieversorgung der Antenne 2 ist eine getrennte Stromver­ sorgung PTU vorgesehen, die gemäß der Erfindung über eine nichtmetallische Leitung 7 und einen Energiewandler 8 an die Signalaufbereitung 4 angeschlossen ist. Diese Leitung 7 über­ trägt eine in dieser Leitung transportierbare Energie von der Stromversorgung PTU zur Signalaufbereitung 4. Zu diesem Zweck ist die Stromversorgung PTU an ihrem Ausgang mit einem in der Figur nicht näher dargestellten Energiewandler für Sekundär­ energie versehen. In gleicher Weise ist die Leitung 7 auf der Antennenseite mit einem Energiewandler 8 abgeschlossen, der diese Sekundärenergie, beispielsweise Licht- oder Schallener­ gie, insbesondere thermische Energie, wieder umwandelt in elektrische Energie. Besonders geeignet zur Energiezuführung als Sekundärenergie ist thermische Energie, da sich in dieser Energieform hohe Energiedichten verlustarm übertragen lassen und die Rückwandlung in elektrische Energie keine wesentlichen Verzerrungen der Magnetfelder des Kernspintomographen verur­ sacht.

Kernstück des antennenseitigen Energiewandlers 8 zur Umwand­ lung der thermischen Energie in elektrische Energie ist gemäß Fig. 2 ein invers betriebenes Peltierelement, insbesondere ein für den Inversbetrieb und für höhere Temperaturen auf der Warmseite optimiertes Peltierelement, ein sogenanntes thermo­ voltaisches Element. Wird an dessen beiden Flachseiten ein Temperaturgefälle erzeugt, so kann an den beiden Anschluß­ klemmen des thermovoltaischen Elements eine Gleichspannung abgegriffen werden. Das Temperaturgefälle wird in dieser Aus­ führungsform vorzugsweise aus mehreren, beispielsweise aus zwei Flüssigkeitskreisläufen gewonnen, die mittels Wärmetau­ scher thermisch an das thermovoltaische Element gekoppelt sind. In dieser Ausführungsform wird ein Energieträger, vor­ zugsweise ein flüssiger Energieträger, insbesondere Wasser, über eine kalte Zuleitung 10 und eine warme Zuleitung 11 je­ weils einem Wärmetauscher 20 bzw. 23 zugeführt, die über nicht näher bezeichnete Leitungen jeweils mit weiteren Wärmetau­ schern 21 und 22 bzw. 24 in Reihe geschaltet sind. Zwischen zwei Wärmetauschern ist jeweils ein Peltierelement angeordnet, die in der Figur mit 15 bis 18 bezeichnet und jeweils mit einem nicht näher bezeichneten elektrischen Anschluß versehen sind. Eine kalte Ableitung vom Wärmetauscher 22 ist in der Figur mit 12 und eine warme Ableitung vom Wärmetauscher 24 ist mit 13 bezeichnet.

Als Zuleitungen 10 und 11 und Ableitungen 12 und 13 sind bei­ spielsweise Kunststoffschläuche, insbesondere PVC-Schläuche, mit wenigen mm, beispielsweise 2 mm Durchmesser, geeignet. Sie sind metallfrei und ausreichend dünn und somit flexibel, so daß beispielsweise ein Arzt die Oberflächenspule 3 in unkom­ plizierter Weise positionieren kann. Eine gesonderte Kabelfüh­ rung in einem Kabelkanal innerhalb der Ganzkörperantenne ist in der dargestellten Ausführungsform somit nicht mehr erfor­ derlich. Die Lichtwellenleiter 5 und 6 sowie die metallfreie Leitung 7 können somit nahezu beliebig innerhalb der Ganzkör­ perantenne verlegt werden.

Außer der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des Ener­ giewandlers 8 können beispielsweise auch Luftwärmetauscher verwendet werden. Die beiden Ableitungen 12 und 13 können dann entfallen. Dabei ist zu beachten, daß die austretenden Luft­ ströme keine belästigende Geräuschentwicklung verursachen und thermisch im Mittel wieder etwa die Umgebungstemperatur erge­ ben.

Ferner ist auch nur eine einzige Luftzuführungsleitung mit warmer oder kalter Luft möglich, wobei dann eine Seite des thermovoltaischen Elements über einen Wärmekoppler etwa auf der Umgebungstemperatur gehalten wird.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein Stapel von vier Peltierelementen 15 bis 18 vorgesehen, die zwischen drei kal­ ten Wärmetauschern 20 bis 22 und zwei warmen Wärmetauschern 23 und 24 angeordnet sind. Durch diese Stapelung können mit Aus­ nahme der jeweils äußeren Wärmetauscher 20 und 22 immer beide Flachseiten der Wärmetauscher ausgenutzt werden. Das Bauvolu­ men und der Wärmetausch mit der Umgebung ist somit entspre­ chend begrenzt.

Das Temperaturgefälle auf der Seite der Energieversorgung PTU kann beispielsweise ebenfalls mittels Peltierelementen reali­ siert werden. Die Ankopplung an die Flüssigkeitskreisläufe mittels Wärmetauschern verläuft dann ähnlich wie in Fig. 2. Jeweils eine Pumpe pro Flüssigkeitskreislauf sorgt für ausrei­ chenden Flüssigkeitsdurchsatz. Da Peltierelemente im allge­ meinen nur für etwa 80°C auf der warmen Seite ausgelegt sind, kann zur Erzeugung höherer Temperaturen beispielsweise auch ein Heizstab verwendet werden.

In einer besonderen Ausführungsform können die Antenne 2, die Signalaufbereitung 4 und der Energiewandler 8 in einer inte­ grierten und insbesondere einer miniaturisierten Baueinheit 9 zusammengefaßt werden, wie es in Fig. 1 durch eine strich­ punktierte Einfassung angedeutet ist. In dieser Ausführungs­ form des Energieversorgungssystems bleibt die Wärmekapazität aller im thermischen Kreislauf einbezogenen Komponenten, bei­ spielsweise die Flüssigkeitsmenge und die Größe der Wärmetau­ scher, verhältnismäßig klein. Dadurch erreicht man bei ent­ sprechend großzügiger Dimensionierung des Energiewandlers der Stromversorgung PTU eine verhältnismäßig kurze Anlaufzeit, d. h. eine verhältnismäßig kurze Vorwärm- und Vorkühlphase, ab der dann die volle elektrische Leistung am antennenseitigen Energiewandler 8 in Fig. 1 zur Verfügung steht.

Claims (8)

1. Kernspintomograph, bei dem zum Senden von Hochfrequenz­ signalen zu einem Abbildungsbereich eine Ganzkörperantenne und zum Empfang der Kernspinsignale eine Oberflächenspule vorge­ sehen ist, die über eine elektronische Signalaufbereitung an einen Zentralrechner CPU und eine getrennte Stromversorgung PTU angeschlossen ist, gekennzeichnet durch eine nichtmetallische Leitung (7) zur Energiezuführung von der Stromversorgung PTU.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Leitung (7) auf der Antennenseite ein Energiewandler (8) zugeordnet ist und daß auch die Strom­ versorgung PTU mit einem Energiewandler versehen ist und daß zur Energiezuführung von der Stromversorgung PTU Wärmeenergie vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Leitung (7) wenigstens eine Rohr­ leitung aus Kunststoff für ein flüssiges oder gasförmiges Übertragungsmedium vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Energiewandler (8) an der Antenne (2) mindestens ein thermovoltaisches Element (15 bis 18) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Wärmetauschern (20 bis 22), denen Peltierelemente (15 bis 18) zugeordnet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Energiewandler an der Energiever­ sorgung PTU ebenfalls Peltierelemente vorgesehen sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekenn­ zeichnet durch eine integrierte Baueinheit (9) aus Antenne (2), Signalaufbereitung (4) und Energiewandler (8).

8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine miniaturisierte Baueinheit (9).