DE4239048A1

DE4239048A1 -

Info

Publication number: DE4239048A1
Application number: DE4239048A
Authority: DE
Inventors: Goesta Jakob Ehnholm; Ilmari Kinanen; Raimo Sepponen
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Philips Medical Systems MR Technologies Finland Oy
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 1993-05-27
Also published as: FI91448C; FI91448B; FI915520A; US5296811A; FI915520A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanzmethoden, die dazu ausgelegt ist, Abbildungen kleiner Objekte, wie beispielsweise Gelenken, insbesondere Kiefergelenken zu erstellen. - Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Darstellung von kleinen Ob jekten, insbesondere Kiefergelenken, mit der Vorrichtung.

Bilderzeugende magnetische Resonanzmethoden oder MRI sind ein schnellwachsendes Diagnosegebiet. Solche Verfahren wurden gegen Ende der 70iger Jahre entwickelt. Sie erstellen ähnliche Schnittbilder wie die Röntgen-Tomographie, jedoch mit einem verbesserten Kontrast und einer verbesserten Auflösung. Der jährliche Bedarf auf dem Markt liegt gegenwärtig in der Größenordnung von etwa 1000 Geräteeinheiten. Der bedeutendste Nachteil ist der hohe Preis. Der Preis einer einzelnen Einrichtung beträgt üblicherweise 1,5 bis 2 Mio. Dollar und mehr. Der Hauptgrund dafür ist, daß die verfügbaren Einrichtungen als Gesamtbildeinrichtungen ausgelegt im Stande sind, Bilder des gesamten menschlichen Körpers zu produzieren.

Aus diesem Grund wird die teuerste Komponente dieser Einrichtungen, ein Magnet, groß und technisch aufwendig.

Auf dem Markt besteht ein Interesse an preisgünstigeren Anlagen, wobei diese Spezialanlagen für die Abbildung nur einiger definierter Partien des Körpers, wie beispielsweise Fußknöchel, Knie, Handgelenk, Kiefergelenk, Thorax etc. bestimmt sein könnten.

Auf dem Gebiet der MRI besteht also ein deutlicher Bedarf an Entwicklungen bezüglich besserer und preisgünstigerer magnetischer Bilderzeugungssysteme.

Die gegenwärtigen MRI-Einrichtungen verwenden drei Arten von Magneten: Supraleitende Magnete, Widerstands- und Permanent- Magnete. Die supraleitenden Magnete erzeugen die besten Ergebnisse: Ein von diesen erzeugtes Feld ist gleichzeitig stark (< 1,5 Tesla), stabil und in einem großen Volumen homogen. Jedoch ist diese Magnetart die teuerste von allen. Der Permanent-Magnet ist im Stande, das zweitstärkste Feld (< 0,3 bis 0,5 Tesla) zu erzeugen, jedoch sind diese Magneten sehr schwer und auch verhältnismäßig teuer. Die Widerstands-Magneten sind die preisgünstigsten, sie erzeugen jedoch die schwächsten Felder (< 0,1 bis 0,2 Tesla) und haben häufig einen großen Elektrizitäts- und Kühlwasserbedarf.

In der US-PS 49 06 931 beschreibt R. Sepponen ein Mittel, um den Preis eines Bilderzeugungs-Magneten zu senken, ohne die Bildqualität zu beeinträchtigen. Die Bilderzeugung wird mittels zweier Felder bewirkt: Die erste Stufe ist die Ausrichtung oder Polarisation der Bildsignale abgebenden Protonen (oder Atomkerne) mittels eines starken Feldes Bp. Dieser folgt ein schneller Wechsel dieses Feldes in ein Feld Bo, um die eigentliche Bilderzeugung zu bewirken. Ein Vorteil der durch dieses Verfahren bewirkt wird ist, daß das Bilderzeugungsfeld Bo ziemlich schwach gehalten werden kann, beispielsweise 0,02 bis 0,04 Tesla, ohne wirklich etwas des Signales zu verlieren. Ein schwaches Feld kann beispielsweise mittels eines Wider stands-Magneten zu niedrigen Kosten erzeugt und gleichzeitig ausreichend homogen und stabil gemacht werden.

Andererseits kann das Polarisationsfeld Bp ebenfalls zu einem niedrigen Preis erzeugt werden, weil dessen Homogenität und Stabilität nicht besonders gut sein müssen. Das Bp-Feld muß ziemlich schnell abgeschaltet werden, in ungefähr 0,1 Sekunden, wie es von Macovski dargestellt wurde (A. Macovski et al.: Department of Electrical Engineering, Standford University, Standford, USA). Das Bp-Feld kann durch die Verwendung einer anderen Magnetspule als der zur Erzeugung des Bo-Feldes erstellt werden, wodurch dessen Erzeugung preisgünstig ist, da der Bp-Magnet keine besonders gute Homogenität und Stabilität aufweisen muß.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, eine Vorrichtung für die Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz zu schaffen, die zur Darstellung kleiner Objekte geeignet ist, deren Bauteile preisgünstig sind und deren Magnetfelder sich nicht gegenseitig beeinflussen; ferner soll ein Verfahren zur Darstellung von kleinen Objekten, insbesondere Kiefergelenken, mit der Vorrichtung entwickelt werden.

Als technische Lösung wird gemäß der Erfindung vorrichtungsmäßig vorgeschlagen, daß die Atomkerne, Protonen oder paramagnetischen Elektronen eines darzustellenden Objektes zyklisch mittels eines Permanentmagneten polarisiert werden, der nach dem Polarisationsprozeß in eine solche Entfernung von dem polarisierten Objekt verschoben wird, daß dieser keine wesentliche Wirkung auf die nachfolgend ausgeführte Signalerfassung zur Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz hat.

Als verfahrensmäßige Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, daß ein das darzustellende Objekt polarisierender Permanent-Magnet in einem Rohr pneumatisch, mechanisch oder vorzugsweise mittels eines magnetischen Impulses vorwärts und rückwärts auf das darzustellende Objekt zu oder von diesem fort bewegt wird, dieser Impuls zu Beginn eines Abbildungsprozesses für etwa eine Sekunde von einer Spule in der Nähe des darzustellenden Objektes abgegeben wird, wodurch die Protonen des darzustellenden Objektes vorübergehend polarisiert werden, der Permanent-Magnet daraufhin schnell aus der Nähe des darzu stellenden Objektes zu einem entfernten Teil des Rohres hin fortbewegt wird und anschließend in üblicher Weise sofort ein Magnetresonanzbild des darzustellenden Bereiches dadurch erzeugt wird, daß entweder das Feld des Permanent-Magneten oder des Widerstands-Magneten verwendet werden, während ein Bo-Feld und zeitabhängige Magnetfeldgradienten durch ein Gradienten-Spulen system erhalten werden und ein Spulensystem die notwendigen Rf-Signale und Empfängersignale liefert, die zu einem Computer übermittelt werden, der die Bilderstellung und den Abbildungs prozeß steuert.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre Arbeitsweise wird detaillierter anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße MRI-Vorrichtung bestehend aus einem in einem Rohr bewegbaren Permanent-Magneten, einen Widerstands- oder Permanent-Magneten, einem Gradienten-Spulensystem, einem Spulensystem zur Erzeugung der magnetischen Kraft zum Verschieben des Permanent-Magneten, einem Rf-Sender-Empfänger, einem Spulensystem, einer darzustellenden Partie eines Patienten sowie einer Regeleinheit zur Steuerung der Vorrichtung;

Fig. 2 den mittleren Durchmesser eines ringförmigen Permanent-Magneten, die Breite des Magneten, die Entfernung einer darzustellenden Partie von dem Magneten sowie einen dadurch mit der Mittellinie des ringförmigen Magneten und der Dicke des ringförmigen Magneten gebildeten Winkel;

Fig. 3 einen Verschiebemechanismus für den Magneten, der durch einen pneumatischen Druck oder Hydraulik flüssigkeitsdruck, aufgebracht durch die von der Regeleinheit gesteuerte Tätigkeit eines Ventiles, in dem Rohr von einer äußersten Position zu einer anderen bewegbar ist und

Fig. 4 einen Verschiebemechanismus für den Magneten, der durch die Tätigkeit eines Elektromotors, der von einer Regeleinheit, einem Schwungrad und einer Kurbelwelle gesteuert wird, in dem Rohr von einer äußersten Position zu einer anderen bewegbar ist.

In Anbetracht des Energieverbrauchs erscheint es ökonomischer, das Bp-Feld durch die Verwendung eines Permanent-Magneten zu erzeugen, welcher überhaupt keine Energie verbraucht. Dies ist mit der vorliegenden Erfindung möglich. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Eine in dieser Abbildung dargestellte Vorrichtung ist zur Bilderzeugung kleiner Objekte ausgelegt, insbesondere der Abbildung eines Kiefergelenks. Ein Widerstands-Magnet 1, der beispielsweise ein Spulen-Paar wie ein Helmholtz-Spulen-Paar sein kann, oder ein Permanent-Magnet werden verwendet, um ein vertikales, homogenes Bo-Feld in dem darzustellenden Bereich 3 zu erzeugen, der durch die gestrichelte Linie genau bestimmt ist. Der Magnet wird von einer Gleichstromquelle versorgt, die in einem Elektronikgehäuse 2 eingeschlossen ist. Ein Gradienten-Spulen-System 4 wird in üblicher Weise verwendet, um die zeitabhängigen Gradienten zu erzeugen, die für die Bilderzeugung erforderlich sind. Das Gradienten-Spulensystem 4 wird von drei computergesteuerten Stromquellen versorgt (in 2 enthalten).

Die Protonen-Resonanz wird mit einem Spulensystem 5 erregt und aufgezeichnet, das mit einem Rf-Sender-Empfänger verbunden ist, welcher wiederum mit einem Computer 2 verbunden ist, der die Bilderzeugung steuert. Dies alles sind Bauteile und Funktionen, die von gegenwärtigen Einrichtungen bekannt sind.

Um mehr Signale zu erzeugen, ist die Vorrichtung mit den folgenden Bauteilen und Funktionen ausgestattet, die die Neuheit der Erfindung begründen. Dies sind ein Polarisations-Permanent- Magnet 6 sowie Mittel um diesen Magneten 6 nahe an den abzubildenden Bereich 3 heran- und von diesem fortzutragen. In diesem Fall bestehen diese Mittel aus einem pneumatischen (Fig. 3) oder einem mechanischen (Fig. 4) System oder vorzugsweise einem Spulensystem 7, das durch die Zwischenschaltung einer steuerbaren Stromquelle so computergesteuert ist, daß das Spulensystem 7 eine magnetische Kraft in dem Magneten 6 erzeugt (wie in einem Linearmotor), sowie aus einem Rohr 8, in dem sich der Magnet 6 vorwärts und rückwärts bewegen kann. Die andere äußerste Position des Magneten 6 ist in der Abbildung Fig. 1 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Die eigentliche Bewegung kann beispielsweise auch pneumatisch (Fig. 3) oder mechanisch (Fig. 4) erzeugt werden.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die Spule 7 wird verwendet um den Magneten 6 zu Beginn eines Bilderzeugungsverfahrens für etwa eine Sekunde in die Nähe des abzubildenden Objektes 3 zu bewegen, um die Protonen in dem abzubildenden Objekt 3 zu polarisieren. Daran anschließend wird innerhalb etwa 1/10 Sekunde der Permanent-Magnet 6 schnell fort bewegt, wonach der darzustellende Bereich 3 in bekannter Weise durch die Verwendung eines Magnetfeldes, wie das Bo-Feld eines Magneten 1 schnell in eine MRI-Bilddarstellung umgewandelt wird und dieser Magnet 1 ein Solenoid oder Permanent-Magnet sein kann. Alternativ ist es möglich, einige Bildinformationen zu sammeln und die abwechselnde Bewegung des Polarisations-Magneten 6 einige Male zu wiederholen und nach jeder Bewegung die Bildinformationen zu sammeln, bis sie ausreichend für eine vollständige Rekonstruktion eines Bildes sind.

Nachfolgend wird die vorteilhafte Arbeitsweise der Erfindung beschrieben:

In Anbetracht der Arbeitsweise ist es wesentlich, daß der Polarisations-Magnet 6 mit einer ausreichenden Geschwindigkeit verschoben werden kann und nicht auf das Erfassen der Bilddaten einwirkt. Bezüglich der Verwendbarkeit ist es wesentlich, daß das Polarisations-Feld eine ausreichende Stärke, beispielsweise < 0,1 Tesla, aufweist, deren Erfassen relativ einfach ist, um ein kontinuierliches Feld einzurichten.

Zuerst wird das mittels eines Polarisations-Magneten 6 erzeugte Feld ausgewertet. Das ausgewählte Magnetmaterial ist NdFeB, dessen Masse beispielsweise 2 kg oder dessen Volumen 270 cm³ beträgt. Wäre der Magnet 6 kugelförmig so hätte er einen Radius von 4 cm. Wird der Magnet 6 horizontal magnetisiert, erzeugt er an der Verlängerung des horizontalen Radius ein paralleles Feld,

B = JV/(2 π r³)

in einer Entfernung r von dessen Mittelpunkt. Hierbei ist J eine zu 1,2 Tesla gleichwertige Materialkonstante und V ist das Volumen der Kugel. Wenn B in Tesla und r in Zentimeter angegeben wird, kann eine Formel für die ausgewählte Materialmenge erstellt werden:

B = 0,8 (4/r)³.

Wenn der Magnet 6 weit von dem darzustellenden Objekt 3 entfernt ist, paßt diese Formel tatsächlich ungeachtet der Form des Magneten 6 sehr genau, so lange die Materialmasse dieselbe ist. Andererseits muß die genaue Form des Magneten 6 berücksichtigt werden, wenn der Magnet 6 nahe bei dem Objekt 3 ist. Fig. 2 zeigt eine anwendbare Form, nämlich einen ringförmigen Magneten 6 mit einem mittleren Durchmesser d≈8 cm. Somit wird das Feld in einer Entfernung von r = 4 cm, das ist annähernd die Entfernung, eines darzustellenden Objektes aus folgenden zwei Gründen schwächer:

Vor allen Dingen nimmt die Entfernung zu einem darzustellenden Objekt 3 um den Faktor 1/cos α zu. Daraus folgt, daß sich das Feld um den Faktor (cos α)³ abschwächt. Zweitens ist nur die horizontale Feldkomponente wirksam, was alleine schon eine Schwächung um den Faktor (cos α) bewirkt. Alles in allem beträgt der übliche Faktor hier (cos α) = 1/4. Somit hat sich in diesem speziellen Fall die Feldstärke von 0,8 Tesla abgeschwächt und beträgt nun

B = 0,8/4 = 0,2 T.

Demgemäß können gewünschte Feldstärken in der Nähe eines darzustellenden Objektes 3 erzeugt werden. Die hier gewählte Geometrie des Magneten 6 wird bevorzugt, weil die Feldstärke in dem darzustellenden Objekt 3 sich nicht sehr schnell in Abhängigkeit von der Entfernung ändert.

Als nächstes wird der Einfluß des Polarisations-Magneten 6 auf den Abbildungsumfang zur Zeit der Bilddatensammlung untersucht, beispielsweise wenn der Magnet 6 zurückgezogen worden ist. In diesem Fall ist die störende Feldkomponente parallel zum Bo-Feld, z. B. vertikal. Beim Fortbewegen von der Achse des Polarisations-Magneten 6 in eine Entfernung von Δ Z beträgt der Einfluß auf das Bo-Feld

Somit erzeugt dies einen Gradienten dessen Betrag in diesem Fall

beträgt.

Bei einem gewählten Abstand r_e = 50 cm beträgt das Ergebnis:

Üblicherweise betragen Abbildungsgradienten 10^-4 bis 10^-5 T/cm, so daß dieser Gradient leicht mittels eines abbildenden Gradienten-Spulen-System kompensiert werden kann. Der Einfluß höhergradiger Feldgradienten ist vernachläßigbar.

Abschließend muß eine notwendige Kraft abgeschätzt werden, um den Magneten 6 innerhalb von 0,1 Sekunden über 50 cm zu bewegen.

Gemäß einer Annahme wird der Magnet 6 zuerst für 0,05 Sekunden mit einer konstanten Kraft beschleunigt und dann durch eine gleiche, entgegengesetzte Kraft abgebremst.

Die benötigte Geschwindigkeit nach 0,05 Sekunden beträgt
2 × 0,25 m / 0,05 s = 10 m/s.

Die benötigte Beschleunigung beträgt somit

10 m/s/0,05 s = 200 m/s².

Die notwendige Kraft bei einer Masse von 2 kg beträgt somit 400 N, welches sehr angemessen erscheint. In der Praxis ist es vorzuziehen, die Kraft sanft zu steigern, wodurch deren Maximum zu einem gewissen Grade ansteigt, was jedoch keine Probleme verursacht. Nötigenfalls kann das Spulensystem in horizontaler Ebene bewegbar und mit einer Masse von beispielsweise 20 kg beladen sein. Somit ist die Kraft von 400 N an die Masse von 20 kg anzupassen, um während der Bewegung des Polarisations-Magneten 6 die Spule einige Zentimeter rückwärts und vorwärts zu bewegen, ohne daß der Rest der Vorrichtung irgendeiner Kraft ausgesetzt ist.

Die für die Bewegung des Polarisations-Magneten 6 erforderliche Energie beträgt unter dem Vorbehalt, daß die Bewegung einmal pro Sekunde eingeleitet wird und die Energie zum Abbremsen verloren geht,

400 N × 0,25 m/1 s = 100 W.

Dieser Betrag ist sehr niedrig. Ein ein entsprechendes Feld produzierender Elektromagnet benötigt ungefähr 5 mal so viel Energie, wobei dieser darüber hinaus ein Kühlproblem verursacht. Zusätzlich werden während der Bilderzeugung in einem erfindungs gemäß bewegbaren Magneten 6 keine störenden Wirbelströme erzeugt.

Die Erfindung kann ferner dadurch weiterentwickelt werden, daß dem Spulenelement 7 zusätzlich zum Verschieben des Magneten 6 eine andere Aufgabe zugewiesen wird. Während der Polarisations stufe kann ein an das darzustellende Objekt 3 angepaßtes Bp-Feld durch aufrechterhalten des Stromes in dem Spulenelement 7 sogar weiter verstärkt werden, was leicht auszuführen ist, um die Spule 7 zu beidem zu befähigen, den Magneten 6 zu verschieben und zu dem Polarisations-Feld beizutragen. Die Polarisations stufe ist demgemäß dadurch beendet, daß der Strom in dem Spulen element 7 oder, wenn dieses aus mehreren Windungen besteht, einem Abschnitt davon kurzzeitig umgeschaltet wird.

Claims

1. Vorrichtung für die Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanzmethoden, die dazu ausgelegt ist, Abbildungen kleiner Objekte wie beispielsweise Gelenken, insbesondere Kiefergelenken, zu erstellen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne, Protonen oder paramagnetischen Elektronen eines darzustellenden Objektes (3) zyklisch mittels eines Permanent-Magneten (6) polarisiert werden, der nach dem Polarisationsprozeß in eine solche Entfernung von dem polarisierten Objekt verschoben wird, daß dieser keine wesentliche Wirkung auf die nachfolgend ausgeführte Signal erfassung zur Bilderzeugung durch magnetische Resonanz methoden hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisierende Permanent-Magnet (6) frei auf das darzustellende Objekt (3) zu oder von diesem fort hin- und herbewegbar in einem Permanent-Magneten-Tragerohr (8) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der polarisierende Permanent-Magnet (6) mittels eines magnetischen Impulses in dem Tragerohr (8) vorwärts und rückwärts verschoben wird, welcher von einer Spule (7) abgegeben wird, die von einer Regeleinheit (2) gesteuert wird.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der polarisierende Permanent-Magnet (6) mittels Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit in dem Tragerohr (8) vorwärts und rückwärts verschoben wird, die von der Regeleinheit (2) gesteuert wird.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der polarisierende Permanent-Magnet (6) mechanisch durch den Antrieb eines Elektromotors (9) in dem Tragerohr (8) vorwärts und rückwärts verschoben wird, der von der Regeleinheit (2), einem Schwungrad (10) und einer Kurbelwelle (11) gesteuert wird.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß am Permanent-Magneten-Tragerohr (8) eine Permanent-Magneten- oder Widerstand-Magneten-Spule (1) angeordnet ist, die für bilderzeugende magnetische Resonanz methoden erforderlich ist und das sogenannte Helmholtz-Spulenpaar, welches ein homogenes Magnetfeld (Bo) in dem darzustellenden Bereich (3) erzeugt, ein Gradienten-Spulensystem (4) zum Erzeugen eines für die Bilderstellung notwendigen, zeitabhängigen Magnetfeld gradienten, einem Spulensystem (5) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Radiofrequenz-Erregungssignals, das mit den Atomkernen oder paramagnetischen Elektronen eines darzustellenden Objektes (3) im Zusammenhang steht, und zum Anzeigen einer Antwort auf diese Signale in den Atomkernen oder Elektronen, sowie einer Regeleinheit (2) zum Steuern der Einrichtungen (1, 4 und 5), um diese mit der notwendigen elektrischen Energie zu versorgen und die von diesen Einrichtungen kommenden Informationen zu empfangen, um ein Bild oder eine andere Darstellung davon zu erstellen.

7. Verfahren zur Darstellung von kleinen Objekten, insbesondere Kiefergelenken, mit einer Vorrichtung zur Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein das darzustellende Objekt (3) polarisierender Permanent-Magnet (6) in einem Rohr (8) pneumatisch, mechanisch oder vorzugsweise mittels eines magnetischen Impulses vorwärts und rückwärts auf das darzustellende Objekt (3) zu oder von diesem fortbewegt wird, und der Impuls zu Beginn eines Abbildungsprozesses für etwa eine Sekunde von einer Spule (7) in der Nähe des darzustellenden Objektes (3) abgegeben wird, wodurch die Protonen des darzustellenden Objektes (3) vorübergehend polarisiert werden und daraufhin der Permanent-Magnet (6) schnell aus der Nähe des darzustellenden Objektes (3) zu einem entfernten Ende des Rohres (8) hin fortbewegt wird und anschließend in üblicher Weise sofort ein Magnetresonanz bild des darzustellenden Bereiches (3) dadurch erzeugt wird, daß entweder das Feld des Permanent-Magneten (1) oder des Widerstands-Magneten (1) verwendet wird, während ein Bo-Feld und ein zeitabhängiger Magnetfeldgradient durch ein Gradienten-Spulensystem (4) erhalten werden und ein Spulen system (5) die notwendigen Rf-Signale und Empfängersignale liefert, die zu einem Computer (2) übermittelt werden, der die Bilddarstellung und den Abbildungsprozeß steuert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß während der Polarisationsstufe Spulenelemente (7) das Polarisationfeld (Bp) in einem darzustellenden Bereich (3) verstärken.