DE4225592A1 - Verfahren zur Unterdrückung von peripheren Stimulationen in einem Kernspintomographiegerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Unterdrückung von peripheren Stimulationen in einem Kernspintomographiege­ rät mit einem Grundmagnetfeld und schnell geschalteten Gradientenfeldern, wobei Bilder innerhalb eines im Zen­ trum des Grundmagnetfeldes und der Gradientenfelder lie­ genden Untersuchungsvolumen erzeugt werden.

In der Kernspintomographie werden verschiedene magnetische und elektromagnetische Filter appliziert. Das Untersuchungs­ objekt liegt in einem starken Magnetfeld von etwa 0,2 bis 2 Tesla. Zur Anregung der Kernspins werden Hochfrequenz- Felder im Bereich von 10 bis 80 MHz verwendet. Zur Orts­ auflösung der empfangenen Signale werden dem Grundmagnet­ feld magnetische Gradientenfelder, d. h. ortsabhängige Ma­ gnetfelder überlagert. Diese müssen im Untersuchungsbe­ reich eine lineare Ortsabhängigkeit aufweisen. Die Gra­ dientenfelder werden innerhalb einer Pulssequenz zum An­ regen und Auslesen der Kernresonanzsignale mehrfach ge­ schaltet. Damit sind also im Untersuchungsraum eines Kernspintomographen zeitabhängige Magnetfelder vorhanden, die in leitfähigen Teilen Ströme induzieren. Dies gilt nicht nur für metallische Einbauten im Untersuchungsraum des Kernspintomographen, sondern im Prinzip auch für das Untersuchungsobjekt. In der konventionellen MR-Bildgebung sind Gradientenfelder mit einer Pulsdauer von einigen Millisekunden und Anstiegszeiten von etwa einer Milli­ sekunde üblich. Die verwendeten Gradientenamplituden liegen in der Regel unter 10 mT/m. Mit diesen Parametern liegen die in einer zu untersuchenden Person induzierten Ströme in einem Bereich, der für die Person nicht wahr­ nehmbar ist.

Beim sogenannten Echoplanar (EPI)-Verfahren, wie es bei­ spielsweise in der EP-A1-0 076 054 beschrieben ist, werden dagegen wesentlich höhere Gradientenamplituden in kurzen Zeiten geschaltet. Dies rührt daher, daß bei diesem Ver­ fahren nach einer einzigen Anregung eine Vielzahl von Signalen, nämlich die zur vollständigen Abtastung einer Schicht erforderlichen Signale durch eine entsprechend häufige Gradientenumkehr gewonnen werden. In der konven­ tionellen Bildgebung wird dagegen nach jeder Anregung typischerweise nur ein einziges Signal gewonnen. Beim EPI-Verfahren werden typischerweise Gradientenamplituden bis zu über 30 mT/m mit Schaltfrequenzen von 1 kHz und mehr eingesetzt. Dabei werden zwei verschiedene Gradien­ tenpulsformen verwendet, nämlich bipolare, trapezförmige oder sinusförmige Gradientenpulszüge. Bei trapezförmigen Pulszügen wird mit Anstiegszeiten von etwa 100 Ps gearbei­ tet. In beiden Fällen liegt die Grundfrequenz der Gradien­ tenpulse bei etwa 1 kHz.

Bei der Erprobung des EPI-Verfahrens hat sich gezeigt, daß bei diesen hohen Schaltfrequenzen und Amplituden bei den zu untersuchenden Personen periphere Nervenstimulationen auftreten, die sich vor allem in Muskelzuckungen äußern. Diese Stimulationen wurden von untersuchten Personen je nach dem untersuchten Körperteil als Zuckungen in der Ge­ säß- und Rückengegend sowie auch der Nasenwurzel beschrie­ ben.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem solche Stimulationen bei schnell geschalteten Gradien­ ten verhindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß stimulationsempfindliche Bereiche des Untersuchungsobjek­ tes außerhalb des Untersuchungsvolumens durch mindestens eine geschlossene Leiterschleife überdeckt werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 13 näher erläutert.

Nach dem Faradayschen Gesetz wird in einem leitfähigen Medium, also z. B. auch in einem menschlichen Körper, durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld nach folgender Gleichung ein elektrisches Feld induziert:

Dabei gilt: E = elektrische Feldstärke
s = Weg
B = magnetische Feldstärke
a = Flächenelement
A = Gesamtfläche
K = Kreisring
^· = Zeitableitung

Für eine einfache Leiterschleife mit dem Radius r erhält man:

Dies ergibt bei einer elektrischen Leitfähigkeit σ eine Stromdichte j:

Für den menschlichen Körper nimmt man eine mittlere Leit­ fähigkeit von etwa 0,25 S/m an, diese variiert allerdings je nach Gewebetyp um bis zu drei Größenordnungen.

Anhand der Fig. 2 bis 10 wird im folgenden untersucht, welche Feldkomponenten zu den Stimulationen bei schnell geschalteten Gradienten führen.

Anhand der Fig. 2 bis 4 erfolgt diese Betrachtung zunächst für den einfachsten Fall des Gradienten in Richtung des Grundmagnetfeldes, wobei diese Richtung entsprechend der üblichen Nomenklatur als z-Richtung bezeichnet wird. Bei herkömmlichen supraleitenden Magneten liegt das Grund­ magnetfeld B₀, wie in Fig. 2 dargestellt, in Längsrichtung der zu untersuchenden Person. Ein z-Gradient wird dadurch erzeugt, daß zwei Gradientenspulenhälften G_z1, G_z2 in z-Richtung beabstandet angeordnet und entgegengesetzt mit Strom durchflossen sind. Die Gradientenspulenhälften G_z1, G_z2 liegen symmetrisch zur 0-Ebene z=0 des Kernspintomo­ graphen. Die Gradientenspulenhälften G_z1, G_z2 werden bei­ spielsweise mit einem Stromverlauf nach Fig. 4 beaufschlagt. Eine genauere Beschreibung einer typischen z-Gradienten­ spulenstruktur ist im US-Patent 4,468,622 zu finden. Bei der z-Gradientenspule kann nur die z-Komponente des er­ zeugten Magnetfeldes, also die Komponente parallel zur Körperachse zur Stimulation beitragen. Transversalkompo­ nenten (also Komponenten senkrecht zur z-Achse) treten nur sehr nahe an den Spulenwindungen und an den Enden der Spu­ len auf. Der Feldverlauf des zeitlich veränderlichen z- Gradienten B_Z(z) ist in Fig. 3 dargestellt. Im Feldmaximum ist nur die z-Komponente des z-Gradienten von Bedeutung. Dieses Feldmaximum liegt bei der typischen Konfiguration eines Kernspintomographen etwa 35 cm von der Symmetrieebe­ ne z=0 des Kernspintomographen entfernt. Die Stimulations­ schwelle ist bestimmt durch den Fluß Φ im Feldmaximum:

Entscheidend für die Stimulationsschwelle ist daher die Querschnittsfläche des untersuchten Körpers im Feldmaximum und die maximale B_z-Komponente.

Üblicherweise umfaßt das Untersuchungsvolumen einer MR-An­ lage einen Bereich innerhalb einer Kugel mit 40 bis 50 cm Durchmesser im Symmetriezentrum des Gerätes. Innerhalb dieser Kugel ist die Homogenität des Grundmagnetfeldes und die Linearität der Gradientenfelder spezifiziert. Die zu untersuchenden Körperregionen werden üblicherweise in das Symmetriezentrum des Gerätes gelegt und durch elektroni­ sche Schichtverschiebung um diesen Ort herum untersucht.

Wie oben ausgeführt, liegt das Feldmaximum des von den z-Gradienten herrührenden Gradientenfeldes, das mit dem Maximum der Stimulationen korreliert, 35 cm vom Symmetrie­ zentrum des Kernspintomographiegerätes entfernt. Für das später zu erläuternde Verfahren zur Unterdrückung von Stimulationen ist die Feststellung von Bedeutung, daß der Ort der durch die z-Gradientenspule verursachten Stimu­ lationen außerhalb des eigentlichen Untersuchungsvolumens liegt.

Im folgenden werden die Verhältnisse für die transversalen Gradientenspulen, also für diejenigen Gradientenspulen, die Magnetfeldgradienten in x- bzw. y-Richtung erzeugen, untersucht. Dabei zeigt Fig. 5 schematisch einen Axial­ schnitt durch das Gradientenspulensystem, also einen Schnitt in z-Richtung und die Fig. 6 und 7 einen Transver­ salschnitt, also einen Schnitt in der x-y-Ebene. y- und x-Gradientenspulen Gx, Gx sind im allgemeinen al sattel- förmige Windungen auf ein Gradientenrohr RG aufgebracht, wobei in Fig. 5 der Übersichtlichkeit wegen nur die y-Gra­ dientenspule G_y, in Fig. 6 ebenfalls die y-Gradientenspule G_y und in Fig. 7 nur die x-Gradientenspule G_x dargestellt ist. x- und y-Gradientenspulen G_y und G_x sind identisch aufgebaut und lediglich um 90° zueinander verdreht auf dem Gradientenrohr aufgebracht, was aus einem Vergleich der Fig. 6 und 7 erkennbar ist.

Jede Gradientenspule G_x, G_y besteht aus vier Einzelspulen, die sattelförmig auf einem Gradientenrohr symmetrisch zur Symmetrieebene z=0 angebracht sind. Für die Ortsauflösung sind nur die z-Komponenten der von den Gradientenspulen G_x, G_y erzeugten Gradientenfelder wirksam. Diese werden ausschließlich durch die der Symmetrieebene z=0 benachbar­ ten azimutalen Bögen der Gradientenspulen erzeugt. Die entsprechenden Feldlinien sind in Fig. 5 mit BZ bezeich­ net. Es ist offensichtlich, daß die größte Feldstärke in der Nähe dieser Leiterbögen und damit außerhalb der zu untersuchenden Person liegt.

Für eine genauere Beschreibung einer typischen transver­ salen Gradientenspulenstruktur wird auf das US-Patent 4,486,711 verwiesen.

Neben den Komponenten in Längs(z)-Richtung sind auch die Querkomponenten der von den x- und y-Gradientenspulen G_x und G_y erzeugten Magnetfelder zu betrachten. Diese sind für die y-Gradientenspule G_y in Fig. 7 und für die x-Gra­ dientenspule G_x in Fig. 8 dargestellt. Eine magnetische Flußbetrachtung zeigt, daß bei der y-Gradientenspule G_y neben der Magnetfeldkomponente in z-Richtung im wesentli­ chen nur noch eine Komponente in y-Richtung, bei der x- Gradientenspule eine Komponente in x-Richtung auftritt. Dabei ist die Magnetfeldkomponente in y-Richtung bezüglich Stimulationen kritischer, da die Feldlinien den Körper frontal durchdringen und damit ein größerer Fluß erzeugt wird.

Wesentlich ist, daß auch bei den x- und y-Gradienten das Feldmaximum der von den Gradientenspulen erzeugten Magnet­ felder außerhalb des Untersuchungsbereiches liegt. Auf­ bauend auf dieser Erkenntnis werden nach dem erfindungs­ gemäßen Verfahren stimulationsempfindliche Bereiche des Untersuchungsobjektes außerhalb des Untersuchungsvolumens durch mindestens eine geschlossene Leiterschleife überdeckt, so daß der auf diese Bereiche einwirkende Fluß reduziert wird. Dies ist lediglich aufgrund der oben dar­ gestellten Erkenntnis möglich, daß die Flußänderung außer­ halb des Untersuchungsbereiches am größten sind, da eine Anbringung einer Leiterschleife innerhalb des Untersu­ chungsbereiches zu einer nicht tolerierbaren Verzerrung der Gradientenfelder führen würde.

In den Fig. 8 bis 11 sind induzierte Ströme am Beispiel eines Kopfes dargestellt. Dabei zeigt Fig. 8 eine coronale Ansicht, Fig. 9 eine axiale Ansicht und Fig. 10 eine sa­ gittale Ansicht. In der Praxis hat sich gezeigt, daß die in coronalen Schichten keine spürbare Stimulation, in axialen Schichten eine geringfügig spürbare Stimulation und in sagittalen Schichten eine deutliche Stimulation im Bereich der Nasenwurzel auftritt. Aus den oben erläuterten Gründen tritt dieser Effekt bei den in der EPI-Bildgebung üblicherweise verwendeten Gradientenpulsen ausschließlich dann auf, wenn der Kopf nicht das Untersuchungsobjekt ist, sondern außerhalb, aber in der Nähe des Untersuchungsvo­ lumens liegt.

Um diese Stimulationen zu verhindern, kann man, wie in Fig. 11 dargestellt, um den Kopf eine geschlossene Leiter­ schleife legen, und zwar bevorzugt in einer sagittalen Ebene. In dieser Leiterschleife wird dann durch das ver­ änderliche Gradientenfeld ein Strom i_L induziert, welcher wiederum ein Magnetfeld B_s erzeugt. Dieses Magnetfeld B_s ist nach der Lenz′schen Regel dem erzeugenden primären Magnetfeld entgegengesetzt. Daraus resultiert dann eine Verringerung der induzierten Ströme in einem Bereich, der von der Leiterschleife überdeckt wird.

Da die Leiterschleife außerhalb des Untersuchungsbereiches angeordnet ist, hat sie kaum einen störenden Einfluß auf die für die Bildqualität äußerst wichtige Linearität des magnetischen Gradientenfeldes im Untersuchungsbereich.

Selbstverständlich kann das beschriebene Verfahren ent­ sprechend auch auf andere Körperteile angewandt werden, um Stimulationen zu unterdrücken. Je nach Körperteil können dabei verschiedene Strukturen verwendet werden, um ge­ schlossene Stromschleifen zur Verringerung der im entspre­ chenden Körperteil induzierten Ströme zu erreichen. Bei­ spielsweise können - wie in Fig. 12 dargestellt - auf entsprechende Körperteile außerhalb des Untersuchungsvo­ lumens flexible Matten M aus elektrisch leitendem Mate­ rial aufgelegt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es somit, zeit­ lich veränderliche Gradientenfelder mit deutlich höherer Amplitude und/oder Änderungsgeschwindigkeit zu schalten, ohne Stimulationsschwellen im zu untersuchenden Körper zu überschreiten. Insbesondere bei EPI-Anwendungen können höhere Gradientenfrequenzen und -amplituden angewandt werden. Das beschriebene Verfahren ist bei guter Wirksam­ keit mit geringem Aufwand verbunden und erfordert insbe­ sondere keine Modifikation von Pulssequenzen oder der Hardware des Kernspintomographen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Unterdrückung von peripheren Stimula­ tionen in einem Kernspintomographiegerät mit einem Grund­ magnetfeld und schnell geschalteten Gradientenfeldern, wobei Bilder innerhalb eines im Zentrum des Grundmagnet­ feldes und der Gradientenfelder liegenden Untersuchungs­ volumens erzeugt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß stimulationsempfindliche Bereiche des Untersuchungsobjektes außerhalb des Untersuchungs­ volumens (V) durch mindestens eine geschlossene Leiter­ schleife (S) überdeckt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Leiterschleife (S) durch ein flexibles Leitermaterial realisiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Leitermaterial ein Drahtgeflecht (M) ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife (S) aus Kupfer hergestellt wird.