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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenzspulenanordnung
für die
magnetische Resonanz.
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Genauer
gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine HF-Spulenanordnung, die
zur Untersuchung der inneren Organe eines Patienten zu medizinisch
diagnostischen Zwecken geeignet ist.
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Bei
Magnetresonanzverfahren und -geräten
wird ein statisches Magnetfeld an den zu untersuchenden Körper angelegt,
um in der untersuchten Region des Körpers eine Gleichgewichtsachse
magnetischer Ausrichtung zu definieren. Anschließend wird orthogonal zu der
Richtung des statischen Magnetfelds ein Hochfrequenzfeld an die
zu untersuchende Region angelegt, um in der Region magnetische Resonanz
anzuregen, und die resultierenden Hochfrequenzsignale werden erfasst
und verarbeitet.
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Das
anregende HF-Feld wird angelegt, und die resultierenden Signale
werden von neben dem Körper angeordneten
HF-Spulen erkannt. Normalerweise werden zur Anregung und zur Erkennung
separate Spulen verwendet, obwohl für beide Zwecke auch dieselbe
Spule bzw. dieselben Spulen verwendet werden können.
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Um
eine bestimmte kleine Region, z.B. ein bestimmtes Organ bei einem
Patienten, zu medizinisch diagnostischen Zwecken zu untersuchen,
werden häufig
kleine HF-Empfangsspulen verwendet, die so nahe wie möglich an
der interessierenden Region positioniert werden. Im Allgemeinen
werden für
solche Untersuchungen flache, so genannte Oberflächenspulenanordnungen benutzt,
die außerhalb
des Patienten neben der interessierenden Region platziert werden.
Zur Optimierung des Rauschabstands können derartige Spulenanordnungen
eine Anzahl von Spulen umfassen, wobei sich benachbarte Spulen jeweils überlappen,
wie in der US-amerikanischen Patentschrift 4.825.162 beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine Magnetresonanz-HF-Spulenanordnung zu
schaffen, die zur Untersuchung innerer Regionen von Patienten geeignet
ist, die sich mit Hilfe externer Oberflächenspulenanordnungen nur schwer
untersuchen lassen.
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In
den SMRM Abstracts, 1993, Bd. 3, S. 1337, wird eine im Allgemeinen
röhrenförmige HF-Spule
für die
Untersuchung einer Körperregion
(z.B. eines Blutgefäßes) beschrieben,
die längsseits,
jedoch außerhalb des
von der Spulenanordnung umschlossenen zylindrischen Volumens liegt.
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In
der Patentschrift WO-A-89/05115 (der oben genannten US-amerikanischen Patentschrift A-4.825.162
entsprechend) wird unter anderem eine HF-Spulenanordnung beschrieben, die vier
im Wesentlichen identische, im Allgemeinen rechtwinklige, teilweise
kreisförmige,
symmetrisch um ein zylindrisches Volumen herum positionierte Sattelspulen
umfasst. Die sich diametral gegenüberliegenden Spulenpaare sind
passgenau angeordnet, wobei jede Spule einen Winkel von ungefähr 111° zu der Volumenachse
begrenzt, so dass sich benachbarte Spulenpaare entlang ihren geraden
Seiten überlappen,
wodurch der Rauschabstand verbessert wird. Die Spulenanordnung ist
koaxial um die zu untersuchende Region herum platziert.
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Gemäß vorliegender
Erfindung wird eine im Allgemeinen röhrenförmige Spulenanordnung geschaffen, die
für den
Einsatz in einem Verfahren zur Untersuchung einer Körperregion
mittels Magnetresonanztechnik geeignet ist, wobei das genannte Verfahren
Folgendes umfasst: Anordnen des Körpers in einem Magnetfeld, um
eine Gleichgewichtsachse magnetischer Ausrichtung in der genannten
Region zu definieren; Positionieren einer genannten Spulenanordnung
neben der genannten Region, wobei die genannte Region längsseits,
jedoch außerhalb
des von der Spulenanordnung umschlossenen zylindrischen Volumens
liegt; und Benutzen der genannten Spulenanordnung, um in der genannten
Region Magnetresonanz anzuregen und/oder zu erkennen, wobei die
genannte Spulenanordnung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie Folgendes
umfasst: ein Paar von im Wesentlichen identischen Sattelspulen,
die um das genannte zylindrische Volumen herum an komplementären Positionen
angeordnet sind und eine solche Spannweite haben, dass sie einander
in kreisförmiger
Richtung an gegenüberliegenden
Seiten des genannten Volumens überlappen;
und eine im Allgemeinen planare, rechtwinklige dritte Spule, die
in einer das genannte Volumen schneidenden Ebene angeordnet ist
und im Allgemeinen parallel zu den sich überlappenden Positionen der
Sattelspulen liegt. Vorzugsweise liegt die dritte Spule im Wesentlichen
in einer Ebene, die die Hauptachse des genannten Volumens enthält. Vorzugsweise
hat die dritte Spule eine Querschnittsfläche, die der axialen Querschnittsfläche des
genannten Volumens entspricht.
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Ein
Magnetresonanzverfahren und -gerät,
das eine erfindungsgemäße Spulenanordnung
verwendet, wird im Folgenden von Beispielen und unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
eines typischen Magnetresonanzgeräts;
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2 eine schematische perspektivische
Ansicht einer ersten für
die Verwendung in einem Magnetresonanzgerät geeigneten HF-Spulenanordnung,
wobei diese erste Anordnung zwar nicht mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmt,
aber hilfreich für
das Verstehen der Erfindung ist;
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3 eine schematische perspektivische
Ansicht einer zweiten für
die Verwendung in einem Magnetresonanzgerät geeigneten HF-Spulenanordnung,
wobei diese zweite Anordnung zwar nicht mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmt,
aber hilfreich für
das Verstehen der Erfindung ist;
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4 eine schematische perspektivische
Ansicht einer dritten für
die Verwendung in einem Magnetresonanzgerät geeigneten HF-Spulenanordnung,
wobei diese dritte Anordnung mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmt;
und
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5 eine schematische perspektivische
Ansicht einer vierten für
die Verwendung in einem Magnetresonanzgerät geeigneten HF-Spulenanordnung,
wobei diese vierte Anordnung zwar nicht mit der vorliegenden Erfindung übereinstimmt,
aber hilfreich für
das Verstehen der Erfindung ist.
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Bezug
nehmend auf 1 enthält das Gerät, bei dem
es sich um ein Gerät
zur medizinischen Bildgebung mittels Magnetresonanz handelt, einen
röhrenförmigen Elektromagneten 1,
der ein starkes gleichförmiges,
statisches Magnetfeld in der Hauptachse eines zylindrischen Volumens 3 erzeugt,
in dem ein unter Verwendung des Geräts abzubildender Patient platziert
wird.
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Die
Stärke
des Felds im Volumen 3, und damit im Körper des abgebildeten Patienten,
wird durch ein Hauptmagnetfeld-Steuermittel 5 gesteuert,
das die Zuführung
des Erregerstroms zur elektromagnetischen Erregerspule (nicht dargestellt)
steuert.
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Das
Gerät enthält ferner
eine Gradientenspulenanordnung 7, wobei ein Gradient dem
statischen Magnetfeld im Volumen 3 in einer oder mehreren
orthogonalen Richtungen auferlegt sein kann. Die Spulenanordnung 7 wird
unter der Steuerung eines Computers 11 durch ein Gradientenfeld-Steuermittel 9 angeregt.
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Weiterhin
enthält
das Gerät
ein HF-Spulensystem 13 mit einer Sendespulenanordnung,
die während des
Betriebs des Geräts
unter der Steuerung des Computers 11 durch einen HF-Sender 15 angeregt
wird, um an den abzubildenden Körper
ein Hochfrequenzfeld anzulegen.
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Das
HF-Spulensystem 13 enthält
auch eine HF-Empfangsspulenanordnung, die vorgesehen ist, um HF-Signale
zu erkennen, die aus der im Körper
des abzubildenden Patienten angeregten Magnetresonanz resultieren.
Die detektierten Signale werden über
einen Empfänger 19 an
ein Bildgebungssystem 21 weitergeleitet, das die Signale
unter der Steuerung des Computers 11 verarbeitet, um Signale
zu erzeugen, die ein Bild des Patientenkörpers darstellen. Diese Signale
werden wiederum an ein Sichtgerät 23 weitergeleitet,
um eine visuelle Anzeige des Bildes zu schaffen.
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Während des
Gerätebetriebs
definiert das von dem Elektromagneten 1 geschaffene starke
Magnetfeld eine Gleichgewichtsachse magnetischer Ausrichtung in
dem abgebildeten Körper.
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Um
ein Bild einer ausgewählten
Region zu erhalten, z.B. eine Querschnittsschicht des Körpers, wird zunächst mit
Hilfe des Spulensystems 13 ein HF-Feldimpuls an den Körper angelegt,
um in der ausgewählten Region
magnetische Resonanz anzuregen. Zu diesem Zweck erzeugt das Spulensystem 13 ein
orthogonal zur Richtung des statischen Feldes ausgerichtetes Feld,
um die Spins der Kerne in der ausgewählten Region aus der Richtung
des statischen Feldes in eine Ebene orthogonal zur Richtung des
statischen Feldes zu kippen, d.h. in die x-y-Ebene, wobei die x-,
y- und z-Richtung wie in 1 dargestellt
verlaufen. Um die Erregung auf die ausgewählte Region zu beschränken, wird
der HF-Feldimpuls
in Verbindung mit magnetischen Feldgradienten angelegt, die durch
die Spulenanordnung 7 auferlegt werden, wobei die Frequenz
des HF-Feldes in Verbindung mit den Größen und Richtungen der auferlegten
Gradienten so gewählt
wird, dass die Larmor-Frequenz
von gewählten
Protonen im Körper,
z.B. Wasserstoffprotonen, nur in der ausgewählten Region gleich der HF-Feldfrequenz
ist.
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Die
aus der Anregung resultierenden HF-Signale werden anschließend in
bekannter Weise durch Anlegen eines oder mehrerer weiterer Gradientenmagnetfelder
räumlich
codiert, durch das HF-Spulensystem 13 erkannt und dann
zur Erzeugung eines Bildes verarbeitet.
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Normalerweise
sind eine Reihe von Anregungs- und Signalerkennungssequenzen erforderlich,
um genügend
Daten zur Erzeugung eines zufrieden stellenden Bildes zu sammeln.
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Um
eine bestimmte kleine innere Region im Körper eines Patienten zu untersuchen,
kann eine Spulenanordnung verwendet werden, wie sie in 2 dargestellt ist. Die Anordnung
umfasst zwei rechtwinklige, im Wesentlichen identische, teilweise
kreisförmige
Sattelspulen 25A und 25B, die sich diametral gegenüberliegend
passgenau um einzylindrisches Volumen 27 herum angeordnet
sind. Jede Spule begrenzt zu der Achse des Volumens 27 einen
Winkel, der um einen vorgegebenen Betrag etwas größer als
180° ist,
wie nachfolgend beschrieben wird. Die beiden Spulen 25A, 25B überlappen
sich also entlang ihren geraden Seiten. Typischerweise umfasst jede
Spule eine einzelne, aus Kupferfolie bestehende Wicklung, sie kann
aber auch mehr als eine Wicklung umfassen. Für jede Spule kann eine separate
Anschlussleitung (nicht dargestellt) vorhanden sein, oder alternativ
können
die Spulen beispielsweise parallel oder in Reihe miteinander verbunden
sein und eine einzelne Anschlussleitung für die beiden Spulen vorhanden
sein. Die Spulen werden von einem geeigneten Spulenkörper aus
einem biologisch inerten Kunststoffmaterial getragen, der eine röhrenförmige oder
massivzylindrische Form haben kann. Vorzugsweise sind die Spulen
in das Material des Spulenkörpers
eingebettet, anstatt auf der Oberfläche des Spulenkörpers befestigt
zu sein.
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Die Überlappung
der beiden Spulen 25A, 25B dient dazu, den Rauschabstand
der Spule auf bekannte Weise zu verbessern. Zu diesem Zweck wird
der Überlappungsgrad
so gewählt,
dass die gegenseitige Kopplung der Spulen 25A, 25B minimiert
wird und dadurch die Rauschkorrelation minimiert wird.
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Während der
Benutzung wird die Spulenanordnung so nahe wie möglich an der kleinen zu untersuchenden
Region platziert, wobei die Region längsseits der gekrümmten Oberfläche der
Anordnung, jedoch außerhalb
des zylindrischen Volumens 27, liegt. Es ist zu beachten,
dass sich die An der Benutzung deutlich von derjenigen unterscheidet,
bei der zur Ganzkörperabbildung
Sattelspulen als HF-Empfangsspulen verwendet werden. Bei einer typischen
Anwendung wird die Spulenanordnung im Mastdarm eines Patienten platziert,
um die benachbarten Regionen des Patienten zu untersuchen. In einer
derartigen Anordnung, bei der sich die Spulen 25A, 25B außen an einem
massivzylindrischen Spulenkörper
befinden, hat der Spulenkörper
einen Durchmesser von 12 mm, und die Spulen 25A, 25B haben
eine axiale Länge
von 10 cm und überlappen
sich um ca. 20 %, d.h. jede Spule begrenzt einen Winkel von ca.
225° zu
der Achse des Spulenkörpers.
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Eine
alternative Spulenanordnung zu der in 2 ist
in 3 dargestellt. Diese
Anordnung umfasst vier im Wesentlichen identische rechtwinklige,
teilweise kreisförmige
Sattelspulen 29A, B, C und D, die symmetrisch
um ein zylindrisches Volumen 31 herum positioniert sind,
wobei wie in 2 die Anschlussleitung oder
die Anschlussleitungen und der Spulenkörper der Anordnung der Übersichtlichkeit
halber weggelassen wurden. Die sich diametral gegenüberliegenden
Spulenpaare 29A,C und 29B,D sind passgenau angeordnet, und
jede Spule begrenzt zu der Achse des Volumens 31 einen
Winkel von etwas mehr als 90°,
so dass sich benachbarte Spulenpaare entlang ihren geraden Seiten überlappen
und dadurch den Rauschabstand verbessern, wie oben im Zusammenhang
mit der Spulenanordnung aus 2 erläutert. Allerdings
wirkt bei dieser Anordnung die starke gegenseitige Kopplung zwischen
den sich diametral gegenüberliegenden
Spulenpaaren einem guten Rauschabstand entgegen.
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Es
ist natürlich
zu beachten, dass die Spulenanordnung aus 3 bei der Benutzung entlang der zu untersuchenden
Region und nicht koaxial um die Region herum platziert ist, wie
dies der Fall ist, wenn eine derartige Anordnung für die Ganzkörperabbildung
benutzt wird.
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Die
Spulenanordnung in 4 umfasst
zwei Sattelspulen 33A, B, die in ähnlicher Weise wie die Spulen 25A, 25B der
Spulenanordnung aus 2 geformt
und positioniert sind. Die Anordnung in 4 beinhaltet darüber hinaus jedoch eine ebene
rechtwinklige Spule 35, die im Allgemeinen in einer Ebene
angeordnet ist, die das zylindrische Volumen 37 diametral
halbiert, um das herum die Spulen 33A,B angeordnet sind,
und die im Allgemeinen parallel zu den sich überlappenden Teilen der Spulen 33A,
B liegt. Normalerweise wird die Spule 37 eine Querschnittsfläche haben,
die der des Volumens 37 entspricht. Aufgrund der in Bezug
auf die Spulen 33A, B orthogonalen Position der Spule 35 besteht
eine geringe Korrelation zwischen dem von der Spule 35 und
dem von den Spulen 33A, B aufgenommenen Rauschen, was zu
einem verbesserten Rauschabstand führt, wenn die von der Spule 35 und
von den Spulen 33A, B aufgenommenen Signale auf geeignete Weise
kombiniert werden.
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Die
Spulenanordnung in 5 umfasst
drei im Wesentlichen identische rechtwinklige, teilweise kreisförmige Sattelspulen 39A,
B, C, die symmetrisch um ein zylindrisches Volumen 41 herum
positioniert sind, wobei wiederum die Anschlussleitungen) und der
Spulenkörper
der Übersichtlichkeit
halber weggelassen wurden. Jede Spule begrenzt einen Winkel von
etwas mehr als 120° zu
der Achse des Volumens 41, so dass sich benachbarte Spulenpaare
entlang ihren geraden Seiten überlappen.
Die Anordnung funktioniert auf ähnliche Weise
wie die Anordnung aus 3,
vermeidet jedoch das Problem einer Kopplung sich diametral gegenüberliegender
Spulenpaare, das bei der Anordnung aus 3 auftritt.
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Es
hat sich gezeigt, dass jede der Spulenanordnungen aus den 4 und 5 im Allgemeinen am effizientesten funktioniert,
wenn sie so positioniert ist, dass ihre Achse parallel zur Richtung
des angelegten Magnetfelds verläuft.
Zufrieden stellende Ergebnisse können
jedoch auch mit anderen Ausrichtungen in Bezug auf das Magnetfeld
erreicht werden.
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Es
ist zu beachten, dass die verschiedenen von den Spulen jeder der
Spulenanordnungen aus den 4 und 5 erzeugten Signale benutzt
werden können,
um verschiedene Bilder zu erzeugen, und die verschiedenen Bilder
kombiniert werden können,
um ein zusammengesetztes Bild zu ergeben. Alternativ können die
Signale kombiniert und die kombinierten Signale verwendet werden,
um ein einzelnes Bild zu erzeugen.
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Obwohl
bei den oben beschriebenen Spulenanordnungen die Spulen und die
von diesen umschlossenen zylindrischen Volumina teilweise kreisförmig und
kreisförmig
zylindrisch sind, versteht es sich, dass dies nicht der Fall sein
muss, und dass die zylindrischen Volumina und Spulenanordnungen
teilweise nicht kreisförmig,
z.B. oval oder sogar im Wesentlichen rechtwinklig, sein können.
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Obwohl
eine Spulenanordnung insbesondere Anwendung als HF-Empfangsspulenanordnung
Anwendung findet, versteht es sich, dass sie auch als HF-Sendespule eingesetzt
werden kann.
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Text
in der Zeichnung Figur
1
| Main
magnetic field control | Hauptmagnetfeld-Steuerung |
| Gradient
field control | Gradientenfeld-Steuerung |
| RF
transmitter | HF-Sender |
| Imager | Bildgebungssystem |
| Receiver | Empfänger |
| Control
computer | Steuerungscomputer |