DE69228691T2

DE69228691T2 - Anatomisch angepasste Quadratur-Oberflächenspule für die Bildgebung mittels magnetischer Resonanz.

Info

Publication number: DE69228691T2
Application number: DE69228691T
Authority: DE
Inventors: George J. Novelty Oh 44072-9634 Misic; Eric D. Turtle Creek Pa 15145 Reid
Original assignee: Medrad Inc
Current assignee: Bayer Medical Care Inc
Priority date: 1991-08-06
Filing date: 1992-08-05
Publication date: 1999-08-05
Anticipated expiration: 2012-08-06
Also published as: EP0598013A1; CA2075419A1; EP0598013B1; US5196796A; WO1993003391A1; DE69228691D1; JPH06508785A; EP0598013A4

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Kernspinresonanztomographie, und insbesondere eine Quadratur-Empfangsspule und ein Verfahren zur Herstellung von Quadratur-Empfangsspulensystemen, bei denen die Isolierung zwischen den einzelnen Spulen der Quadraturanordnung aufrechterhalten oder eingestellt wird, indem ein gewählter Abschnitt einer Spule mit einem gewählten Abschnitt der anderen Spule zur Überlappung gebracht wird.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Kernspinresonanztomographie (MRT) ist eine relativ neue Technologie, die genutzt werden kann, um zweidimensionale Schichtbilder des menschlichen Körpers auf einem Bildschirm darzustellen. Die Technologie bietet gegenüber den herkömmlichen Röntgenverfahren einen Vorteil, da der Patient keiner schädlichen ionisierenden Strahlung und den daraus resultierenden nachteiligen Einflüssen ausgesetzt wird. MRT-Systeme können auch genutzt werden, um viele verschiedene Arten von Atomen zu beobachten, und sie können die chemische Umgebung der Atome identifizieren.
Für seine Funktion nutzt ein MRT-System ein starkes Hauptmagnetfeld, um selektiv solche Atome auszurichten, die eine ungerade Anzahl von Protonen in ihrem Kern besitzen. Ein zweites Magnetfeld, das hochfrequenten Schwingungen unterliegt und normalerweise jeweils im rechten Winkel zum Hauptfeld angelegt wird, wird dann dazu verwendet, die Kerne in einen umgeklappten Zustand zu bringen. Wenn das angelegte Magnetfeld anschließend wieder weggenommen wird, fallen die Kerne aus ihrem umgeklappten Zustand zurück und strahlen dabei Energie in Form schwacher, aber nachweisbarer elektromagnetischer Wellen ab. Die resultierenden Signale werden dann empfangen und von dem MRT-System dazu verwendet, eine zweidimensionale Darstellung des Aufbaus einer Probe zu erzeugen.
Um all dies zu bewirken, weisen Kernspinresonanztomographiesysteme allgemein einen Generator für das Hauptmagnetfeld, eine Hochfrequenz-Erregereinrichtung, Steuerungs-/Bildwiedergabeschaltungen und eine Empfangssonde für das Magnetresonanzsignal auf. Der Generator für das Hauptmagnetfeld stellt ein Hauptmagnetfeld längs einer Z-Achse bereit, um einzelne Atome auszurichten. Die Hochfrequenz-(HF)-Erregereinrichtung regt selektiv die Kerne dieser Atome an und läßt die Kerne anschließend wieder abklingen. Das resultierende elektromagnetische Signal, das von den abklingenden Kernen erzeugt wird, wird anschließend von der Empfangssonde aufgenommen und in der Steuerungs-/Bildwiedergabeschaltung verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen, das repräsentativ für den Aufbau der Probe ist.
Die empfangenen elektromagnetischen Signale haben die Form eines zirkular polarisierten oder rotierenden Magnetfelds, dessen Rotationsachse entsprechend der Achse des Hauptmagnetfelds des MRT-Systems ausgerichtet ist. Durch Verwendung einer Empfangssonde, die in der Lage ist, die beiden senkrechten Komponenten des rotierenden Magnetfelds konstruktiv zu addieren, kann ein stärkeres Signal von dem MRT-System erhalten werden. Empfangssonden dieses Typs, die zwei senkrechte Komponenten eines magnetischen Resonanzsignals messen, sind im Stand der Technik wohlbekannt und werden gemeinhin als Quadratursonden oder Quadraturspulen bezeichnet.
Für eine ideale Quadratursondenstruktur muß die Isolierung der einzelnen Spulen aufrechterhalten werden, und ebenso die zueinander senkrechte Ausrichtung der jeweiligen Feldvekto ren. Durch das Aufrechterhalten der Isolierung in Verbindung mit einer senkrechten gegenseitigen Ausrichtung wird im allgemeinen der Rauschabstand der Empfangssonde optimiert und dadurch der Rauschabstand des MRT-Systems insgesamt verbessert.
In der Vergangenheit wurden Quadratursonden aus einer Vielzahl einzelner Spulenkonfigurationen aufgebaut, die im allgemeinen sowohl zylindrische Formen als auch ebene Strukturen aufwiesen. Unabhängig davon, welche Konfiguration verwendet wurde, war es stets schwierig, die Isolierung zwischen Quadraturspulen und gleichzeitig die rechtwinklige Ausrichtung zwischen ihren magnetischen Vektoren aufrechtzuerhalten.
Ein Lösungsansatz für die Bereitstellung einer maximierten Spulenisolierung unter Aufrechterhaltung einer senkrechten magnetischen Ausrichtung zueinander ist in dem US-Patent Nr. 4,752,736 von Arakawa offenbart. Außerdem ist hierbei das US- Patent Nr. 4,467,232 von Siebold zu nennen, das als eines der frühen Patente betreffend Quadraturspulen eine gleichförmig symmetrische Raumspule offenbart. Insbesondere das US-Patent Nr. 4,752,736 offenbart eine ziemlich komplexe Spulenstruktur, die eine Reihe von Unterbrechungen, leitfähigen Brücken und kapazitiven Elementen verwendet, um die Isolierung zwischen den einzelnen Spulen des Systems sicherzustellen. Diese komplexe Spulenkonfiguration ist vom räumlichen Typ und umschließt daher die zu untersuchende Probe bzw. den Patienten vollständig.
Eine weitere Quadraturspulenanordnung ist im US-Patent Nr. 4,707,664 von Fehn offenbart. Das Patent beschreibt eine Oberflächenspulenkonfiguration, die aus zwei getrennten Spulen besteht. Jede Spule ist fest auf einem eigenen quasizylindrischen Träger angebracht. Ein Träger mit der zugehörigen Spule ist vom anderen Träger mit der zugehörigen Spule umgeben, so daß der innere Träger gehaltert ist. Innerhalb dieser Halterung kann der innere Träger justiert werden, um jede Winkelausrichtung gegenüber dem anderen Träger anzunehmen. Auf diese Weise kann der Winkel zwischen den einzelnen Spulen eingestellt werden, um die Isolierung zu maximieren und dadurch den Rauschabstand insgesamt zu erhöhen. Wenn die Isolierung noch weiter einjustiert werden muß, kann eine Reihe isolierender kapazitiver Kopplungen über vorbestimmte Abschnitte der Oberflächenspulen geschaltet werden.
Ebene Quadraturspulensysteme sind in den US-Patenten Nr. 4,839,595 von Boskamp und Nr. 4,918,388 von Mehdizadeh et al. offenbart. Diese Spulensysteme enthalten zwei Spulenschlingen, die seitlich nebeneinander (Boskamp) oder übereinander (Mehdizadeh) in einer ebenen dielektrischen Platte angeordnet sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Quadratur-Oberflächenspule, die zwei einzelne Spulen anstelle von drei oder mehr Teilspulen verwendet.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Quadratur-Oberflächenspule, die insbesondere den Signalempfang über einen interessierenden Bereich verbessert, wobei bewußt Signale von außerhalb des interessierenden Bereichs liegenden Bereichen ausgeschlossen werden.
Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Quadratur-Oberflächenspule, die zwei einzelne spiegelsymmetrische Spulen hat, die die gleiche Empfindlichkeit hinsichtlich der Anatomie des Patienten aufweisen, so daß nahezu der volle theoretische Zuwachs (41,4%) beim Rauschabstand der Quadraturspule erreicht wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Einrichtung für die Minimierung der gegenseitigen Kopplung zwischen den beiden Einzelspulen der Quadratur-Oberflächensonde, indem ein Überlappungsbereich zwischen den beiden Spulen selektiv variiert wird.
Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Quadratur-Oberflächensonde und eines Verfahrens zur Einstellung der Quadratursonde so, daß Justierungen der Form der Einzelspulen durch Biegen oder auf andere Weise eine Möglichkeit bieten, die magnetischen Vektoren der Spulen so einzustellen, daß diese in einem Winkel von 90º zueinander gerichtet sind.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Quadratur-Oberflächensonde, bei der die Kombination der gegenseitigen Isolierung und einer senkrechten magnetischen Ausrichtung zueinander durch intermittierende Justierung eines Überlappungsbereichs zwischen den Spulen und durch Justierung der Spulenformen erreicht wird.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Quadratur-Oberflächensonde, die der anatomischen Form der untersuchten Probe bzw. des Patienten entspricht.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quadratur-Oberflächensonde für die Kernspinresonanztomographie bereitzustellen, bei der ein zu untersuchender Patient bzw. eine Probe nicht vollständig von der Sondenanordnung umgeben ist, sondern typischerweise zu weniger als 180º davon umgeben ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Quadratur-Oberflächensonde, die unabhängig von ebener Symmetrie ist, und die sich ausschließlich auf Spiegelsymmetrie stützt.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung einer solchen Sonde.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Quadratur-Oberflächensonde, bei der die Isolierung der einzelnen Spulen leicht einstellbar ist.
Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Quadratur- Oberflächensonde für die optimale Erfassung der hochfrequenten magnetischen Wechselfelder bereitgestellt, die von einem menschlichen Körper oder einem anderen Objekt bei der Kernspinresonanztomographie (MRT) oder der Kernspinresonanzspektroskopie (MRS) erzeugt werden. Die Oberflächensonde enthält zwei Schlingen, die spiegelsymmetrisch zu einer Ebene parallel zur Achse des Hauptmagnetfelds des Kernspinresonanzsystems angeordnet sind; die Schlingen schließen außerdem das Objekt oder den interessierenden Bereich teilweise räumlich in sich ein, typischerweise durch eine Umschließung von weniger als 180º um den Umfang des Objekts. Die beiden Schlingen sind in einer solchen Weise angeordnet, daß der Gesamtmagnetfeldvektor der einen Schlinge gegenüber dem Gesamtmagnetfeldvektor der anderen Schlinge um einen Winkel von 90º versetzt ist. Für menschliche Untersuchungsobjekte werden daher im Bereich der Halswirbelsäule oder in einem ähnlichen Gebiet die Vektoren in einem Winkel von ungefähr 45º und 135º in einem herkömmlichen XYZ-Koordinatensystem positioniert, wobei die Z-Achse parallel zum statischen Hauptmagnetfeld verläuft. Die Schlingen sind außerdem so geformt und positioniert, daß die gegenseitige Induktanz und damit der Großteil der Kopplung zwischen den beiden Schlingen minimiert ist. Dies wird durch Überlappung eines kritischen Abschnitts der von den Schlingen eingeschlossenen Fläche erreicht, so daß eine gemeinsame Nutzung des entsprechenden Wertes des phasengleichen Flusses bewirkt wird, um den Abgleich des außer Phase befindlichen Flusses auf Null zu bringen. Dies wiederum resultiert in einem Verschwinden des gemeinsamen Gesamtflusses und damit in einer gegenseitigen Gesamtinduktanz von Null.
Des weiteren können dadurch, daß die beiden einzelnen Spulenschlingen spiegelbildlich zueinander ausgeführt sind, bessere Näherungen des vollen theoretischen Zuwachses von 41,4% als ein Ergebnis des Signals am Ausgang der gleich großen Spulenschlingen erreicht werden.
Die vorerwähnten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der zugehörigen Zeichnungen offensichtlich, die alle nur das erfinderische Konzept wiedergeben und in keiner Weise gedacht sind, den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung einzuschränken, und die auch nicht in dieser Weise aufzufassen sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht zweier Spulenschlingen, die die Basis der Quadratur-Oberflächenspule gemäß der vorliegenden Erfindung bilden;
Fig. 1B ist eine graphische Darstellung der relativen Ausrichtungen der Magnetfeldvektoren der jeweiligen Spulenschlingen gemäß Fig. 1A;
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das die Schritte bei der Herstellung der Quadratur-Oberflächensonde gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der Quadratur- Oberflächenspule, die in einem Kunststoffgehäuse angeordnet und als Teil eines Kernspinresonanztomographiesystems mit den Empfangs- und Bildwiedergabeschaltungen verbunden ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Nachstehend wird ausschließlich für Darstellungszwecke eine spezielle Ausführungsform der Erfindung in Form einer Spule für Untersuchungen der Halswirbelsäule beschrieben.
In Fig. 1A ist zunächst die allgemein mit 10 bezeichnete Quadraturspule gezeigt, die zwei Spulenschlingen 20 und 30 umfaßt, die spiegelbildliche Duplikate voneinander sind. Dies bedeutet, daß die Spulenschlingen 20 und 30 gleich groß sind und wie Spiegelbilder voneinander gestaltet sind. Jede der Spulenschlingen 20 und 30 hat drei Leiterabschnitte 21, 22, 23 bzw. 31, 32, 33.
Die Spulenschlingen 20 und 30 sind so zueinander ausgerichtet, daß der Gesamtmagnetfeldvektor V1 von der Spule 20 senkrecht zum Gesamtmagnetfeldvektor V2 von der Spule 30 gerichtet ist. Der Winkel 40 zwischen V1 und V2 beträgt 90º. Dies bedeutet, wie in Fig. 1B gezeigt, daß der Winkel zwischen beiden Vektoren und der X-Achse 45º beträgt.
Die Spulenschlingen 20 und 30 sind so geformt und positioniert, daß die gegenseitige Induktanz minimiert ist. Demzufolge sind die Schlingen im wesentlichen elektrisch voneinander isoliert. Dies wird erreicht, indem die Schlingen in einem von ihnen eingeschlossenen Bereich überlappen; dabei werden die Schlingen aufeinander zu- und voneinander wegbewegt. Die Einstellungen der Überlappung erfolgen unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Winkelneigung jeder Schlinge, die in der vorerwähnten Ausrichtung festgehalten bleibt. Nach Ab schluß der Einstellung der Überlappung kann jedoch auch die relative Neigung der Schlingen weiter nachjustiert werden.
Die Schritte zur Herstellung des Spulensystems gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 2 gezeigt. Die Quadraturspule 10 wird dadurch hergestellt, daß zunächst in Schritt 60 zwei Spulenschlingen 20 und 30 gebogen werden, und daß Krümmung und Form der Schlingen so eingestellt werden, daß ein Winkel von genau 90º zwischen den von jeder Spulenschlinge erzeugten Gesamtmagnetfeldvektoren gebildet wird. Anschließend wird in Schritt 62 die Isolierung zwischen den Spulenschlingen geprüft und eine etwaige Neupositionierung der Spulenschlingen vorgenommen, um die Überlappung im Hinblick auf eine vollständige Isolierung geeignet einzustellen. Die relative Ausrichtung der Gesamtmagnetfeldvektoren V1 und V2 wird in Schritt 64 nochmals geprüft. Abschließend wird, wenn erforderlich, die Krümmung bzw. Form jeder Spule in Schritt 66 nachjustiert, um den 90º-Winkel zwischen den jeweiligen Magnetfeldvektoren sicherzustellen.
Das Verfahren für die Herstellung der Schlingen ist ein iteratives Verfahren. Vektorposition, Flußausdehnung und Isolierung sind eine Funktion von Spulenform, -position und -überlappung. Folglich können die Schritte 62-66 mehrere Male wiederholt werden, um die gewünschte Flußausrichtung zu erzielen. In der Praxis wird jede Spulenschlinge in Resonanz gebracht und an 100 Ohm angepaßt. Mittels eines Netzwerkanalysators wird die Kopplung zwischen den Spulen entsprechend einer S21-Messung gemessen, wobei eine Spulenschlinge mit Port 1 des Analysators und die andere Spulenschlinge mit Port 2 verbunden ist. Das Maß der Kopplung wird minimiert, indem die Spulen entsprechend einem Minimalwert für S21 justiert werden. Bei einer einfacheren Instrumentierung kann ein Signalgenerator an eine Spulenschlinge angeschlossen werden, und ein Oszilloskop an die andere. Die Spulen werden justiert, bis sich ein minimaler Signalpegel am Oszilloskop er gibt. Um die Flußrichtung zu messen, wird eine Abtastschlinge mit Faradayschem Käfig derart verwendet, daß der Fluß senkrecht auf der Position steht, für die die Abtastschlinge die größte Signalgröße liefert.
Die Geometrie der Überlappung zwischen den Spulenschlingen 20 und 30, wie sie während der Entwicklung festgelegt wurde, bleibt in der Herstellung unverändert. Um die Isolierung einzujustieren, wird entweder die Position des Spulenleiters leicht versetzt, oder es wird ein Kupferstreifen 70 an einer der Schlingen angebracht, um den Stromweg geringfügig zu verändern.
Fig. 3 zeigt eine Ansicht von oben auf das Gehäuse mit den darin angebrachten Spulenschlingen 20 und 30. Das Gehäuse 72 weist eine sich allmählich nach oben krümmende Oberfläche 73 auf, die in zwei gleichartig sattelförmig ausgebildete Seiten 74 und 76 übergeht. Die Seiten 74 und 76 sind durch einen dazwischenliegenden elliptischen Oberflächenabschnitt 78 verbunden, der den Hals eines Patienten stützen soll. Die Abschnitte 21 und 31 der Spulenschlingen 20 und 30 sind nebeneinander entlang der Unterseite des Gehäuses 70 erstreckt, und die Abschnitte 23 und 33 folgen dem elliptischen Oberflächenabschnitt 78 jeweils entlang einer der beiden Seiten 74 und 76. Die Form der Seiten 74 und 76 des Gehäuses ist entsprechend einer vorbestimmten "Grundform" und Ausrichtung der Spulenschlingen 20 und 30 vorgefertigt.
Wie im Stand der Technik wohlbekannt, ist das Spulensystem mit einem elektronischen Netzwerk 80 verbunden, das Komponenten für die Abstimmung und die Impedanzanpassung enthält. Das Netzwerk kann im Gehäuse 72 untergebracht oder extern zu diesem angeordnet sein und ist mit den Spulenschlingen 20 und 30 über herkömmliche Verbindungen verbunden. Das elektronische Netzwerk 80 für die Abstimmung und Anpassung ist mit einer Empfangsschaltung 82 verbunden, die unter anderem die Ver stärkung des Ausgangs des Netzwerks 80 übernimmt, um die Bilddaten auf dem Bildschirm 84 darzustellen.
Wie im Stand der Technik wohlbekannt, wird die Quadratur- Oberflächensonde 10 bei Vorliegen eines statischen Magnetfelds und in Verbindung mit einer Erregerspule und einem HF- Generator eingesetzt, um das Erregerfeld an den Patienten zu liefern.
Es ist vorstellbar, einen Einstellmechanismus im Gehäuse bereitzustellen, um die Spulenschlingen zur Kompensation geringfügiger Abweichungen zu verstellen, die aufgrund von Toleranzen der realen Ausführung von Gerät zu Gerät auftreten.
Die obige Beschreibung ist ausschließlich beispielhaft gedacht und ist in keiner Weise als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehen, wie sie in den nun folgenden Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Quadratur- Oberflächensonde (10) für die Kernspinresonanztomographie (MRT), umfassend die folgenden Schritte:

a) Biegen einer ersten (20) und einer zweiten (30) elektrisch leitenden Schlinge zu einer gebogenen Form, so daß die erste und die zweite Schlinge Spiegelbilder voneinander sind;

b) Einstellen der Ausrichtung, Krümmung und Form der ersten und der zweiten Schlinge derart, daß der Gesamtmagnetfeldvektor (V1) der ersten Schlinge senkrecht steht zum Gesamtmagnetfeldvektor (V2) der zweiten Schlinge;

c) Messen des Grades an gegenseitiger Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Schlinge;

d) Einstellen einer Überlappung zwischen der ersten und der zweiten Schlinge, indem man die Schlingen aufeinander zu- und voneinander wegbewegt, um auf diese Weise die gegenseitige induktive Kopplung zwischen ihnen zu minimieren;

e) Wiederholen der Schritte b) - d), bis sowohl die Bedingung, daß die jeweiligen Gesamtmagnetfeldvektoren senkrecht zueinander stehen müssen, als auch die Bedingung, daß ein Mindestmaß an gegenseitiger induktiver Kopplung vorliegen muß, erfüllt sind, wobei die erste und die zweite Schlinge Spiegelbilder voneinander bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, des weiteren umfassend den Schritt, daß nach der Herstellung der Spulen gemäß Schritt a) bis e) ein leitfähiger Streifen (70) an einer von der ersten und der zweiten Schlinge befestigt wird, um die gegenseitige Kopplung zwischen ihnen einzustellen.

3. Auf Basis der magnetischen Resonanz arbeitende Quadraturoberflächensonde (10), die hergestellt ist nach dem Verfahren von Anspruch 1, umfassend:

eine erste Spulenschlinge (20) mit einem ersten Gesamtmagnetfeldvektor (V1) und eine zweite Spulenschlinge (30) mit einem zweiten Gesamtmagnetfeldvektor (V2), wobei die erste und die zweite Spulenschlinge jeweils ein Paar voneinander beabstandeter paralleler Schenkel umfaßt, die an jedem Ende durch einen gebogenen Leiterabschnitt miteinander verbunden sind, so daß die erste und die zweite Spule jeweils eine gebogene Form besitzt, wobei die Spulen so geformt sind, daß sie Spiegelbilder voneinander sind;

wobei die erste und die zweite Schlinge einander in Umfangsrichtung überlappen, so daß zwischen ihnen ein Mindestmaß an induktiver Kopplung vorliegt; und wobei die zwei gebogenen Leiterabschnitte eine nichtkreisförmige gebogene Form besitzen, um einen 90º-Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Gesamtmagnetfeldvektor sicherzustellen.