DE69226273T2

DE69226273T2 - Volumen-Empfangsspule mit geometrisch isolierten Mehrfach-Zugängen enthaltend Mehrfach-Quadraturspulen.

Info

Publication number: DE69226273T2
Application number: DE69226273T
Authority: DE
Inventors: George Misic; Eric Reid
Original assignee: Medrad Inc
Current assignee: Bayer Medical Care Inc
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1992-08-10
Publication date: 1998-11-19
Anticipated expiration: 2012-08-11
Also published as: JPH06508786A; EP0598063A1; WO1993003393A1; EP0598063A4; US5258717A; JP2953781B2; CA2075658A1; EP0598063B1; DE69226273D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Magnetresonanzabbildungs(MRI)-Systeme und insbesondere eine MRI-Empfangsspule, die mehrere geometrisch isolierte Quadraturspulen hat.
Empfangsspulen dienen in MRI-Systemen zum Auffangen des von einem Menschen oder einem Objekt in Anwesenheit eines Hauptmagnetfeldes erzeugten Hochfrequenzmagnetfeldes. Die Hochfrequenzsignale liegen in Form eines zirkular polarisierten oder rotierenden Magnetfeldes vor, dessen Rotationsachse in der Richtung des Hauptmageffelds liegt.
In chonologischer Reihenfolge nahm die Empfangsspule zuerst die Form einer Volumenspule an, die ein Volumen umschließt, das einen Körperteil aufnimmt, wie z.B. ein Bein, einen Arm oder einen Kopf. Beispielhaft seien hier die US-A- 4 411 270 von Damadian und US-A-4 923 459 von Nambu angeführt. Dann wurde die Oberflächenempfangsspule entwickelt, die so gestaltet ist, daß sie neben einem interessierenden Bereich plaziert wird. Für eine Oberflächenempfangsspule sei beispielhaft die US-A-4 793 356 von Misic et al. genannt.
Fortschritte in dem Fachgebiet haben zu Modifikationen der Volumenspulen und der Oberflächenempfangsspulen zur Steigerung ihres Signal-Störverhältnisses geführt. Dies wurde durch Veränderung der die im rechten Winkel liegenden Komponenten des Hochfrequenzmagnetresonanzfeldes aufnehmenden Spulen erzielt. Diese Spulen sind als Quadraturspulen bekannt, die ein signifikant verbessertes Signal-Störverhältnis im Vergleich mit ihren nicht in Quadratur angeordneten Gegenstiicken haben. Hier sei z.B. die US-A-4 467 282 von Siebold und US-A-4 707 664 von Fehn genannt.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Hauptaufgabe dieser Erfindung, das Signal-Störverhältnis eines MRI- Empfangsspulensystems noch mehr zu verbessern.
Diese Erfindung zielt auf eine MRI-Empfangsspule die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Die in Quadratur angeordnete Empfangsspule wird zusammen mit einem Datensammelsystem verwendet, das mehrere Bildverarbeitungskanäle zur Verarbeitung mehrerer MRI-Signale und zur Kombination der verarbeitenden Signale hat, um ein Bild zu erzeugen. Die Empfangsspule weist mehrere Quadraturspulen auf, die beide Quardraturkomponenten von Magnetresonanzsignalen in räumlich abhängiger Weise auffangen. Jede Quadraturspule die ein Spulensystem in sich selbst ist, ermöglicht die Überdeckung eines Abschnitts eines targetsensitiven Gesamtvolumens längs einer parallel zum Hauptmagneffeld liegenden Achse. Folglich ist das sensitive Volumen jeden Spulensystems kleiner als das, welches sonst nötig wäre, sodaß jedes Spulensystem ein verbessertes Signal-Störverhältnis von dem Bereich innerhalb ihres sensitiven Volumens erzielen kann. Jeder der beiden Leiter, der jedes Spulensystem verbindet, ist mit einem bestimmten Verar beitungskanal des Datensammelsystems verbunden. Unter Verwendung bekannter Techniken zur Kombination der Ausgangssignale jedes Verarbeitungskanals läßt sich schließlich ein gültiger Datensatz aus dem targetsensitiven Gesamtvolumen erzeugen, dessen Signal-Störverhältnis größer als das eines großen Einzelspulensystems ist.
In ihrer bevorzugten Ausführungsform weist die Empfangsspule eine erste und zweite Käfigspule auf, die auf einer röhrenlrmigen Stütztrommel um eine parallel zur Achse des Hauptmagneffelds liegenden gemeinsamen Achse angeordnet sind. Die erste Käfigspule hat einen etwas größeren Durchmesser als die zweite Spule, sodaß sie die zweite Spule überlappen kann. Der Überlappungsbereich dient dazu, die Spulen magnetisch voneinander zu isolieren (die gegenseitige Induktivität ist Null), indem der von beiden Spulen geteilte wirksame Magnetfluß zur Null gemacht ist. Jede Spule ist eine Quadraturspule, und in diesem Sinne sind elektrische Speiseverbindungen zu jeder Spule unter einem Winkel von 90º bezogen auf die gemeinsame Spulenachse geführt, jedoch können die erste und zweite Spule gegeneinander verdreht werden ohne das Signal-Störverhältnis oder die elektrische Isolierung des Gesamtsystems zu stören. Die elektrischen Speiseverbindungen zu jeder Spule sind mit getrennten Ports eines Datensammelsystems verbunden und werden getrennt in unabhängigen Verarbeitungskanälen verstärkt und digitalisiert. Die unabhängigen, digitalisierten Bildsignale werden gemäß einem im Stand der Technik bekannten Algorithmus kombiniert um ein Bild mit erhöhtem Signal-Störverhältnis zu erzeugen.
Das Empfangsspulensystem der bevorzugten Ausführungsform ist zur Abbildung vieler anatomischer Körperbereiche oder anderer Bereiche, wie des Knies, des Beins, des Arms oder des Kopfes gestaltet.
Diese Erfindung zielt auch auf ein MRI-System gemäß Anspruch 7 und auf die Verwendung einer MRI-Empfangsspule nach Anspruch 8.
Die obigen und andere Aufgaben und Vorteile werden noch deutlicher, wenn Bezug auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen genommen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Figur 1 ist eine Seitenansicht des mehrere in Qudratur angeordnete Spulen aufweisenden erfindungsgemäßen Empfangsspulensystems.
Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung einer einzelnen, in Quadratur angeordneten Käfigspule, die einen Teil der in Figur 1 gezeigten Empfangsspule bildet.
Figur 3 ist ein schematisches Diagramm, das die elektrischen Verbindungen des Spulensystems der in Figur 1 gezeigten Empfangsspule veranschaulicht.
Figur 4 ist ein Blockschaltbild, das die Empfangsspule dieser Erfindung als Teil eines MRI-Systems veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Zuerst wird Bezug auf die Figuren 1 und 2 genommen, wo die Spule der bevorzugten Ausführungsform allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Spule 10 ist eine Volumenspule die für verschiedene anatomische Bereiche des Körpers oder anderer Bereiche wie z.B. für das Knie, das Bein, den Arm oder den Kopf gestaltet ist. Die Spule 10 weist zwei separate Qudraturvolumenspulen 12 und 14 auf, die um eine hohlzylindrische Trommel 16 angeordnet sind. Stützstäbe 18 können zur Stabilisierung der Trommel entlang der Länge der Trommel 16 angeordnet sein.
Die Spulen 12 und 14 sind im Stand der Technik bekannte "Käfig"-Spulen und weisen, wie Figur 2 zeigt, leitende Kreisringe 20 und 22 auf, die durch leitende Verbindungsglieder 24 miteinander verbunden sind. Es gibt bis zu acht die leitenden Kreisringe 20 und 22 verbindenden Verbindungsglieder 24. Jede Spule kann als separates Quadraturspulensystem angesehen werden.
Eine gegenseitige magnetische Beeinflussung der Spulen 12 und 14 wird durch die Stellung der Spulen um die Stütztrommel 16 derart vermieden, daß Radialsymmetrie um die parallel zum Hauptmagnetfeld liegende Achse vorliegt, die die in Figur 1 gezeigte Z-Achse ist. Darüber hinaus ist der Durchmesser der Spule 12 etwas größer als der der Spule 14, so daß die Spule 12 die Spule 14 überlappen kann. Die Überlappung ist so eingestellt, daß der wirksame Fluß von einer Spule, gesehen als die Vektorsumme des Flusses vom Überlappungsbereich, exakt den Fluß von der Gegenspule durch den Abgleich der Spulen auslöscht. Dies bewirkt, daß der anteilige wirksame Fluß und somit die gegenseitig wirksame Induktivität der benachbarten Spulensysteme Null ist. Die Isolation der Spulen bleibt trotz ihrer relativen Verdrehung um ihre gemeinsame Achse erhalten.
Die Spulen 12 und 14 sind in Bezug auf zwei Ebenen parallel zur Z-Achse symmetrisch, die jeweils im rechten Winkel zueinander liegen. Zusätzlich sind die beiden Spulen derart angeordnet, daß von jeder Spule der wirksame rotierende magnetische Vektor in der X-Y-Ebene liegt, daß diese jedoch räumlich voneinander längs der Z-Achse beabstandet sind. In dieser Hinsicht fängt jedes Spulensystem die Quadraturkomponenten des magnetischen Resonanzsignals innerhalb seines eigenen sensitiven Volumens auf.
Figur 3 veranschaulicht die Art, in der die elektrischen Speiseverbindungen zu den Spulen 12 und 14 hergestellt sind. Jeder Leiter der Spule ist mit einem jeweiligen Port eines bekannten Datensammelsystems 34 durch zwei elektrische Koaxialleiter verbunden. Das Datensammelsystem 34 wird von Roemer et al. in einem Artikel mit dem Titel "The NMR Phased Array" Magnetic Resonance in Medicine, Band 16 (1990), Seiten 192 - 225, beschrieben. Dieses System weist mehrere Verarbeitungskanäle 36 - 42 auf, von denen jeder zur Verarbeitung der von den Leitern 30a, 30b, 32a, 32b aufgenommenen Bildsignale einen Verstärker, ein Filter und einen A/D Wandler enthält. Der Ausgang jedes Kanals wird von dem Multiplexer 44 im Mulitplex verarbeitet und von dem Computer/Mikroprozessor 46 übereinstimmend mit einem Gewichtungsalgorithmus kombiniert. Dieser Algorithmus ist derart gestaltet, daß die Ausgänge der Verarbeitungskanäle gewählt und zur Erzeugung eines optimalen Gesamtbildsignals verknüpft werden (d.h. mit maximalem Signal- Störverhältnis, usw.).
Die Koaxialleiter 30a und 30b sind mit Punkten der Spule 12, die zueinander um 90 versetzt sind und jeweils mit Ports 1 und 2 des Datensammelsystems 36 verbunden. Gleichermaßen sind Koaxialleiter 32a und 32b mit um 90 zueinander versetzten Punkten der Spule 14 und außerdem jeweils mit Ports 3 und 4 des Datensammelsystems 36 verbunden. Jeder Koaxialleiter enthält einen Mittelleiter und einen Schirm, wie es in der Technik bekannt ist. Ein (nicht gezeigtes) elektrisches Netzwerk ist zwischen den Koaxialleitern und der Spule zur geeigneten Verbindung des Kabels mit der Spule eingefiigt. Ein solches Netzwerk ist in der Technik bekannt. Außerdem können die Spulen 12 und 14 relativ zueinander ohne Verschlechterung des erfindungsgemäß erhöhten Signal-Störverhältnisses verdreht werden.
Figur 4 veranschaulicht eine besondere Verwendung der Spule 10 als Teil eines MRI-Systems. Wie in der Technik bekannt, enthält ein MRI-System einen Hauptmagnetfeldgenerator 50, einen Hochfrequenz-(HF) Anregungsgenerator 52, sowie auch eine benachbart zum interessierenden Bereich plazierte Empfangssonde. Die Spule 10 ist so gestaltet, daß sie einen Arm, einen Kopf, ein Knie oder einen anderen Körperteil innerhalb der hohlen Öffnung der Trommel 16 aufnimmt. Die Spule 10 ist mit dem Datensammelsystem 34 (wie dies in Figur 3 gezeigt ist) geeignet verbunden, und erlaubt so eine Analyse der vom Körperteil 54 ausgesendeten und von der Spule 10 aufgenommenen Magnetresonanzsignale.
Diese Erfindung verbessert die Empfangsspulen des Standes der Technik, wenn mehrere Vorrichtungen zur Verarbeitung der Bildsignale zur Verfügung stehen. Das sensitive Volumen des Spulensystems wird erweitert und gestattet das Auffangen beider Quadraturkomponenten der MRI-Signale in räumlich abhängiger Art, wobei jedes Spulensystem einen Abschnitt des gewünschten sensitiven Volumens längs der zum Hauptmagneffeld parallel liegenden Achse bedeckt. Folglich ist das sensitive Volumen jedes Spulensystems kleiner als eines das sonst nötig wäre; mit jedem dieser Spulensysteme läßt sich ein verbessertes Signal-Störverhältnis aus dem Bereich innerhalb seinen eigenen sensitiven Volumens erzielen. Mit Hilfe von in der Technik zum Sammeln der MRI-Daten bekannten Prozeduren kann ein endgültiger Datensatz aus dem sensitiven Gesamttargetvolumen erzeugt werden, dessen gesamtes Signal- Störverhältnis verbessert ist. Insbesondere erreicht ein System mit zwei Quadraturspulen einen 2 Gewinn gegenüber dem System mit einzelner Quadraturspule, wohingegen ein typisches System mit Einzeiquadraturspule einen 2 Gewinn im Signal-Störverhältnis gegenüber einem linearen Spulensystem ergibt.
Es ist verständlich, daß diese Erfindung nicht auf das System mit zwei Spulen beschränkt ist. Stattdessen kann die Erfindung in Form eines Systems mit N Quadraturspulen ausgeführt werden, wobei N eine ganze Zahl ist und N Verarbeitungsvorrichtungen für jedes Spulensystem zur Verfügung stehen, wobei die von jeder Verarbeitungsvorrichtung für die zugeordnete Spule verarbeiteten Daten zur Erzeugung eines optimalen gewünschten Bildes kombiniert werden.
Die obige Beschreibung ist lediglich beispielhaft und soll nicht zu irgendeiner Beschränkung dieser Erfindung dienen, die lediglich durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt ist.

Claims

1. MRI-Empfangsspule (10), die aufweist:

mehrere in Quadratur angeordnete Volumenspulen (12, 14), deren gemeinsame Symmetrieachse parallel zur Achse eines zur magnetischen Resonanzbildgebung erzeugten Hauptmagnetfelds liegt und die einander so überlappen, daß sie magnetisch von einander isoliert sind, wobei die Gesamtheit der Spulen (12, 14) ein targetsensitives Volumen einschließt, und

eine Vorrichtung (30a, 30b, 32a, 32b) zur elektrischen Verbindung jeder der in Quadratur angeordneten Volumenspulen (12,14) mit unabhängigen Bildverarbeitungsvorrichtungen (36, 38, 40, 42), dadurch gekennzeichnet, daß

jede Volumenspule einen ersten und zweiten, längs der gemeinsamen Achse voneinander beabstandeten, leitenden Ring (20, 22) und mehrere leitende Verbindungsglieder (24) parallel zur gemeinsamen Achse aufweist, die die leitenden Ringe (20, 22) verbinden.

2. MRI-Empfangsspule (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Stützmittel (16, 18) zur Befestigung der mehreren in Quadratur angeordneten Volumenspulen (12,14) so, daß die Volumenspulen (12,14) die gemeinsame Achse haben.

3. MRI-Empfangsspule (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in Quadratur angeordneten Volumenspulen (12, 14) eine erste und zweite Quadraturvolumenspule (12, 14) aufweisen.

4. MRI-Empfangsspule (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Quadraturvolumenspule (12, 14) relativ zueinander auf den Stützmitteln (16,18) um die Achse des Hauptmagneffelds verdrehbar sind.

5. MRI-Empfangsspule (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Datensammelsystem (34), welches die Vielzahl der unabhängigen Bildverarbeitungsvorrichtungen (36, 38, 40, 42) und Mittel (44, 46) zur Kombination der Ausgangssignale der Bildverarbeitungsvorrichtungen (36, 38, 40, 42) zur Erzeugung eines Bildes hat.

6. MRI-Empfangsspule (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verbindungsvorrichtungen (30a, 30b, 32a, 32b) erste und zweite Leiter (30a, 30b) (32a, 32b) für jede in Quadratur angeordnete Volumenspule (12, 14) aufweisen, wobei die ersten und zweiten Leiter (30a, 30b) (32a, 32b) mit jeder Spule (12,14) derart verbunden sind, daß sie Quadraturkomponenten magnetischer Resonanzsignale aufnehmen und mit je einer bestimmten Bildverarbeitungsvorrichtung (36, 38, 40, 42) verbunden sind.

7. MRI-System, das aufweist:

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hauptmagnetfelds (50),

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochfrequenzanregungsfeldes (52),

die MRI-Empfangsspule (10) gemäß einem der Ansprüche 1 - 6.

8. Verwendung der MRI-Empfangsspule (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für ein MRI-System, das aufweist:

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hauptmagneffelds (50),

eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Hochfrequenzanregungsfeldes (52).