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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Sonden für Geräte zur Bildgebung mittels Magnetresonanz
(MR).
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Es
hat sich vor kurzem gezeigt, dass MR-Sonden in Katheter eingebaut
werden können, so
dass diagnostisch auswertbare Bilder mit hoher Auflösung vom
Inneren kleiner, intravaskulärer
Strukturen gewonnen werden können.
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Diese
Kathetersonden waren entweder vom länglichen Schleifentyp mit hoher
lokaler Empfindlichkeit (High Resolution Intravascular MRI and MRS by
Using a Catheter Receiver Coil, von Ergin Atalar, Paul A. Bottomley,
Ogan Ocali, Luis C.L. Correia, Mark D. Kelemen, Joao A.C. Lima und
Elias A. Zerhouni, Magn. Reson. Med. 36: 596-605 (1996)) oder von
schleifenloser Antennenbauart mit geringerer lokaler Empfindlichkeit
aber überlegenem
Sichtfeld (Intravascular Magnetic Resonance Imaging Using a Loop-less
Catheter Antenna, von Ogan Ocali und Ergin Atalar, Magn. Reson.
Med. 37: 112-118 (1997)). Die erstgenannte Sonde ist primär mit dem
Magnetfeld gekoppelt, die zweitgenannte Sonde ist primär mit dem
elektrischen Feld gekoppelt.
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1 zeigt
einen axialen Querschnitt einer schleifenlosen symmetrischen Antenne
entsprechend
4 des Dokuments
US-A-5.928.145 . Die Sonde
ist für
die axiale Einführung
in rechter Richtung vorgesehen, wie in der Zeichnung dargestellt. Die
Antenne ist ein Dipol
1,
2 bestehend aus einem Hohlleiter
1 und
einem Vollleiter
2, die beide den gleichen Durchmesser
aufweisen. Die Zuführung
erfolgt über
ein Koaxialkabel, das allgemein mit dem Bezugszeichen
3 bezeichnet
ist und dessen Mittenleiter
4 mit dem Arm
2 verbunden
ist und dessen Koaxialmantel
5 einen Bereich
6 mit
reduziertem Durchmesser hat, der über einen Bereich
7 mit
dem rechten Ende des hohlen Arms
1 verbunden ist. Ein Isolator
8 trennt
den hohlen Arm
1 von dem Teil
6 mit reduziertem
Durchmesser des Koaxialmantels
5 der Zuführung
3.
Die Kapazität
zwischen diesen beiden würde zu
Streustrom aus dem Arm
1 führen, so dass die dielektrische
Konstante des Isolators in Verbindung mit dem Durchmesser der Teile
1,
6 so
gewählt
wurde, dass die durch die Teile
1,
8,
6 gebildete Übertragungsleitung
eine Länge
von einer Viertelwellenlänge
aufweist, wodurch eine hohe Impedanz zwischen dem linken Ende des
Arms
1 und dem Teil
6 entsteht, wo durch der Streustrom
reduziert wird. Die Länge des
Arms
2 beträgt
ebenfalls eine Viertelwellenlänge, nämlich von
der Magnetresonanzfrequenz und in dem Material des Gewebes, in dem
er zu benutzen ist.
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Die
Erfindung schafft eine Sonde für
ein Gerät
zur Bildgebung mittels Magnetresonanz gemäß Anspruch 1.
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Die
Sonde ist in der Lage, die Funktion des schleifenlosen Dipols und
der länglichen
Empfangsschleife auszuüben.
In einer Ausführungsform
ist die Sonde zur gleichzeitigen Bildgebung in beiden Betriebsarten
in der Lage. Durch Kombinieren der Signale aus den beiden Betriebsarten
könnte
das Sichtfeld der Sonde vergrößert werden,
was mit der Möglichkeit
von Störabstandsgewinnen
nahe der Spule verbunden ist.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand von Beispielen unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
axiale Querschnittansicht einer bekannten schleifenlosen Dipolsonde
für die
Bildgebung mittels magnetischer Resonanz;
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2 eine
schematische Vorderansicht einer ersten Form der erfindungsgemäßen Sonde;
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3 eine
schematische Vorderansicht einer zweiten Form der erfindungsgemäßen Sonde;
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4 eine
Größenrekonstruktion
der Signale von der Sonde aus 2; wobei 4a die Größenrekonstruktion vom Gleichtaktsignal
und 4b die Größenrekonstruktion und
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5 Datenlinien
von der Mitte der Bilder aus 4.
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Das
Magnetresonanz-Bildgebungsgerät
besteht aus einem Magneten zur Erzeugung eines gleichmäßigen Magnetfelds über einer
interessierenden Region, Mitteln zum Erzeugen von Gradienten im
Magnetfeld, um Protonenseins in einem Objekt in der interessierenden
Region zu codieren, und HF-Anregungsmitteln zum Anregen von Resonanz
in den Protonen und zum Empfangen der durch die Protonen erzeugten
Relaxationssignale. Bei dem Magneten kann es sich um einen supraleitenden
oder widerstandsbehafteten Elektromagneten oder um einen Dauermagneten
handeln.
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Die
Sonden der Erfindung können
in Katheter eingebaut werden, die in kleine intravaskuläre Strukturen
eingeführt
werden können.
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Die
Sonden empfangen Magnetresonanzsignale von angeregten magnetresonanzaktiven
Nuklei in der Nähe
des Sondenpfads, um diagnostisch auswertbare Bilder mit hoher Auflösung gewinnen
zu können.
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Bezug
nehmend auf 2 ist die erste Sondenform ein
Dipol mit einem Arm, der allgemein mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet
wird, und einem Arm 10, jeweils eine Viertelwellenlänge bei
der Magnetresonanzfrequenz in dem Gewebe, in das er eingeführt wird,
und mit einer zentralen Zuführung 11. Der
Arm 9 wird durch eine längliche
Empfangsschleife 12 gebildet, die an einem Punkt elektrischer
Symmetrie A mit der zentralen Zuführung 11 verbunden ist.
In der Schleife 12 ist ein Kondensator C1 vorgesehen, um
die Schleife auf die Frequenz der Magnetresonanz abzustimmen, und
es sind Kondensatoren C2, C3 vorgesehen, um die Schleife so abzugleichen,
dass am Symmetriepunkt A (an der Verbindungsstelle der Kondensatoren 2, 3)
eine Impedanz von 50 Ω vorliegt.
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Symmetrierglieder 13, 14 verbinden
die Ausgänge
der Schleife 12 (parallel zu den Kondensatoren C2, C3 geschaltet)
und den Dipol 9, 10 mit jeweiligen 50-Ω-Koaxialkabeln 15, 16,
die mit getrennten Kanälen
des Magnetresonanz-Bildgebungsgeräts verbunden sind.
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Im
Dipol-(Gleichtakt-)Betrieb fließt
der Strom in beiden Seiten des Dipols in die gleiche Richtung und
in beiden Seiten der Schleife 12 fließen gleiche Ströme in die
gleiche Richtung. Im Schleifen-(Differential-)Betrieb fließt der Strom
in beiden Seiten der Schleife 12 in entgegengesetzten Richtungen.
Die beiden Betriebsarten können
gleichzeitig und unabhängig
voneinander existieren. Beide Signale können kombiniert werden: das
Sichtfeld der Schleifenspule kann dadurch vergrößert werden und es besteht
eine Möglichkeit
von Störabstandsgewinnen
in der Nähe
der Spule. Gleichermaßen
kann jederzeit bei Bedarf auch das eine oder das andere Signal alleine
verwendet werden.
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Das
Symmetrierglied 13 schafft eine hohe Impedanz zwischen
Punkt A und dem Koaxialkabel 15 und damit eine wesentliche
Voraussetzung für
die Trennung der Betriebsarten. Andernfalls würde Strom vom Dipolbetrieb
in das Koaxialkabel 15 streuen. Die an C2, C3 aufgebaute
Spannung führt
zu einer Spannung am Symmetrierglied 13 und damit zu einem
Strom in dem Koaxialkabel 15, jedoch kann kein Strom zwischen
den beiden Seiten der Schleife 12 und dem Koaxialkabel 15 fließen.
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Das
Symmetrierglied 13 kann eine Brückenschaltung mit vier Anschlüssen, zwei
Spulen und zwei Kondensatoren sein, die über die Eigenschaft verfügt, dass
50-Ω-Impedanzen zwischen
den Eingangsanschlüssen
und zwischen den Ausgangsanschlüssen vorliegen,
jedoch hohe Impedanzen in jeder Richtung zwischen jedem Eingangsanschluss und
dem Ausgangsanschluss auf der gleichen Seite, in jedem Fall bei
einer bestimmten Frequenz, nämlich der
Magnetresonanzfrequenz.
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Das
Symmetrierglied 14 ist vorgesehen, um Abschirmungsströme im Dipolbetrieb
zu reduzieren, indem es den Dipolbetrieb von der Masse isoliert,
jedoch ist es nicht von entscheidender Bedeutung für die Funktion
der Schaltung. Das Symmetrierglied 14 kann ebenso wie das
Symmetrierglied 13 eine Brückenschaltung mit vier Anschlüssen, zwei
Spulen und zwei Kondensatoren sein.
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Die
Symmetrierglieder 13, 14 enthalten auch Schaltungen
zum Verstimmen des Dipols und der Schleife 12, wenn die
HF-Anregungsimpulse zugeführt
werden, um Magnetresonanz anzuregen.
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Der Übersichtlichkeit
halber zeigt 2 einen herkömmlichen Dipol, jedoch würde man
in der Praxis einen „zurückgefalteten" Ausgleichtransformator
benötigen.
Das heißt,
einer der Arme, zum Beispiel Arm 10, würde hohl sein, die Zuführung 11 würde innerhalb
des Arms verlaufen und die Isolation im Arm würde eine Viertelwellenlänge-Übertragungsleitung bilden.
Es könnte
eine Anordnung, wie sie für den
bekannten Dipol aus 1 dargestellt ist, verwendet
werden.
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In
einem Beispiel wurde die Dipol/Schleifen-Struktur in 0,9-prozentige
Kochsalzlösung
getaucht und die Ausgangsimpedanz mit einem Vektorimpedanzmesser
gemessen. Für
die Bildgebungstests wurde eine Abgleich-/Verstimmungsschaltung für den Gleichtaktmodus
sowie eine Verstimmungsschaltung für den Differentialmodus aufgenommen.
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Man
hat eine Prototyp-Sondenbaugruppe mit einem Schleifenspulenleiterabstand
von 1 mm und einer Länge
von λ/4
in Wasser mit einem 0,5-T-Picker-Apollo-System (Cleveland Ohio)
in Querrichtung abgebildet. Es wurde eine einfache Spinechosequenz
verwendet: TR/TE 200/10 ms; 180 mm Sichtfeld; 5 mm Schichtdicke;
Erfassungsmatrix 128×256.
Die Daten wurden über
separate Vorverstärker
und Empfangskanäle
gleichzeitig von beiden Betriebsarten erfasst; diese Daten wurden
anschließend
zu separaten Bildern rekonstruiert.
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Die 4a, 4b zeigen
Bilder, die man gleichzeitig vom Gleichtaktmodus bzw. vom Differentialmodus
gewonnen hat. In 4a ist das überlegene Leistungsvermögen über weite
Strecken zu erkennen, weil das Phantom in vollem Ausmaß, einschließlich der
Außenränder der
Phantomstruktur, deutlich zu sehen ist. Der Differentialmodus führte zu
dem charakteristischen hohen Störabstand
in der Nähe der
Leiter, jedoch ist der Störabstand
für Radien > 20 mm vernachlässigbar. 5 zeigt
die Profile für
die räumliche
Empfindlichkeit beider Betriebsarten anhand von Daten, die von Bildern
mit einer einzigen Größenlinie
erfasst wurden, wie sie in 4a, b dargestellt
sind. Die schwarze Linie stammt vom Differentialmodus und die graue
Linie vom Gleichtaktmodus. Bei einem Radius von ca. 5 mm ist der
Störabstand
gleich.
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Die
Erfindung liefert also eine Schleifenspulenstruktur, die in eine
Dipolantenne eingebaut ist und zwei Betriebsarten ermöglicht.
Die Signale werden unabhängig
extrahiert und können
verwendet werden, um ein zusammengesetztes Bild mit einem Störabstand
zu erzeugen, der dem der einzelnen Betriebsarten überliegen
ist.
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Bezug
nehmend auf 3 kann das Verfahren auf andere
Spulenstrukturen angewendet werden, zum Beispiel eine Tracking-Spule
mit verdrillten Aderpaaren. In diesem Fall liefern die beiden Betriebsarten
zwei recht getrennte Funktionen, der Differentialmodus liefert mit
seinem minimalen Sichtfeld Verfolgungsinformationen und der Gleichtaktmodus liefert über einen
größeren Bereich
Bildgebungsinformationen.
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In 3 sind
die gleichen Teile wie in 2 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Die Sonde beruht auf der Kathetersonde aus 2.
Der einzige Unterschied besteht darin, dass die offene längliche
Schleifenspule 12 durch eine eng verdrillte Spulenschleife 17 (linke
Seite des Dipols) ersetzt wurde. Dies bewirkt eine Begrenzung des
Schleifenmodus-Flusses auf eine sehr nahe an dem Draht gelegene
Region, so dass ein stark lokalisiertes Bild erzeugt wird, das sich
speziell für
die Verfolgung eignet. Die in jeden durch eine Verdrillung definierten
Schleifenabschnitt induzierten Ströme werden durch die in den
nächsten,
durch die nächste
Verdrillung definierten Schleifenabschnitt induzierten Ströme aufgehoben,
so weit empfindliche Bereiche in einiger Entfernung zu dem Draht
betroffen sind. Im Gegensatz hierzu liefert der schleifenlose (Dipol-)Betrieb
ein nutzbares Signal innerhalb eines Radius von typischerweise 3
cm vom Draht, so dass man auswertbare Bilder der umgebenden anatomischen
Strukturen wie zum Beispiel der Arterienwände usw. erhält. Da die
Daten beider Betriebsarten gleichzeitig erfasst werden, ist die
Sonde in der Lage, zwei normalerweise im Widerspruch zueinander
stehende Anforderungen in einer einzigen Vorrichtung zu erfüllen. Alternativ
kann, wie dies bei der Sonde aus 2 der Fall ist,
zwischen den beiden Betriebsarten abgewechselt werden.
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Es
ist zu beachten, dass der Strom im schleifenlosen Modus wie bei
der vorhergehenden Doppelmodusausführung auf beiden Seiten des
Dipols und in beiden Drähten des
verdrillten Paares in die gleiche Richtung fließt. Im Schleifenmodus fließt der Strom
in den verdrillten Drähten
natürlich
in entgegengesetzten Richtungen.
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Der
Arm 10 des Dipols könnte
hohl sein, um die Zuführung
aufzunehmen, so dass der verdrillte Abschnitt 17 der vordere
Teil der Sonde sein könnte.
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Text in der Zeichnung
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5
Log(Intensität)/willkürliche Einheiten
Abstand
von der Mitte/mm