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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetresonanz. Sie findet
insbesondere Anwendung in Verbindung mit diagnostischer Bildgebung
an Operationsstätten
und wird unter besonderer Bezugnahme darauf beschrieben. Es ist
jedoch zu beachten, dass die Erfindung auch in anderen Magnetbildgebungs-,
Spektroskopie- und Therapie-Anwendungen eingesetzt wird.
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Frühere Magnetresonanz-Bildgebungssysteme
beruhten auf Elektromagneten. Das bedeutet, eine Reihe von ringförmigen Magneten
wurde um eine Öffnung
herum angeordnet, in der ein in Längsrichtung verlaufendes Magnetfeld
erzeugt wurde. Ein Patient wurde selektiv axial entlang einer horizontalen
Mittelachse der Öffnung
bewegt, um ihn in geeigneter Weise für die Bildgebung zu positionieren.
Magnetresonanz-Bildgebungssysteme
mit Elektromagneten riefen bei dem Patienten leicht ein Gefühl der Klaustrophobie
hervor. Außerdem
war der Zugang zu dem Patienten für chirurgische, minimal invasive
Prozeduren, physiologische Tests, Geräte und dergleichen begrenzt
und schwierig.
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Um
den Zugang zum Patienten zu verbessern und das Gefühl der Klaustrophobie
zu milder, wurden offene oder Vertikalfeld-Magneten konzipiert. Offene
Magneten umfassen typischerweise einen Rückflusspfad aus Eisen in Form
einer „C", „H" oder Vier-Poster-Anordnung.
Die Rückflusspfade
haben eine offene Lücke,
in der der Patient zur Bildgebung angeordnet wird. Aufgrund der
unterschiedlichen Suszeptibilität
des Rückflusspfads
und der Luft in der Patientenaufnahmeöffnung kommt es leicht zu Nichtlinearität und anderen
Magnetflussfehlern in der Patientenaufnahmeöffnung. Um ein gleichmäßigeres Magnetflussfeld
in der Öffnung
zu schaffen, werden üblicherweise
auf beiden Seiten der Patientenaufnahmeöffnung große Eisenpolschuhe an den Enden des
Rückflusspfads
angeordnet. Die Polschuhe sind nach Bedarf geformt und umrissen,
um einen gleichmäßigeren
Magnetfluss zwischen den Polschuhen zu erzeugen. Typischerweise
wird ein schwerer Eisenring, im Englischen als Rose-Ring bekannt,
an dem Umfang des Polschuhs angeordnet, um den Magnetfluss zur Mitte
des Polschuhs und der Patientenaufnahmeöffnung zu lenken.
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Obwohl
der Einsatz von Polschuhen erfolgreich war, ist er mit Nachteilen
verbunden. Erstens werden bei der Magnetresonanzbildgebung Magnetfeldgradienten
mitten durch das Bildgebungsvolumen erzeugt. Die Gradientenspulen
sind zwischen den Polschuhen und dem Patienten positioniert. Wenn
die Gradientenspulen Abschirmungsspulen enthalten, ist der durch
die selbstabschirmenden Gradientenspulen eingenommene Platz noch
größer. Der
von den Gradientenspulen eingenommene physikalische Raum erschwert
den Kompromiss zwischen einerseits dem Wunsch nach einer großen Patientenaufnahmeöffnung für einen
besseren Zugang zum Patienten und weniger Klaustrophobie und andererseits
dem Wunsch, die Polschuhe näher
aneinander zu positionieren, um ein gleichmäßigeres Magnetfeld zu erhalten.
Zweitens sind die Polschuhe üblicherweise
dicke Eisenscheiben, deren Durchmesser dem 2- bis 3-fachen der Höhe der Patientenaufnahmeöffnung entspricht.
Die Polschuhe aus massivem Metall stellen schwierige Anforderungen
an die technische Konstruktion, wenn es darum geht, für ihre stabile
Halterung bei minimaler Blockierung des Patientenzugangs zu sorgen.
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In
dem Dokument
US-A-5.194.810 ,
das die allgemeine Klausel von Anspruch 1 definiert, wird ein supraleitender
MRI-Magnet mit offenem Zugang beschrieben, der einen ferromagnetischen
Rahmen auf mindestens zwei Seiten und mit oberen und unteren Endplatten
sowie mindestens zwei Haltepfosten umfasst. An jeder Endplatte ist
eine supraleitende Spulenbaugruppe montiert. Um die Magnetfeldfluss-Rose-Shims zu formen,
sind innerhalb der Rose-Shims montierte Innenringe und an den Rose-Shims montierte abnehmbare
Segmente vorgesehen. Zwischen den Haltepfosten und den Endplatten
sind Übergangsplatten
angeordnet, um die Flussleckage zu minimieren.
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In
dem Dokument
EP-A-0
860 707 wird ein offener Elektromagnet beschrieben, der
ein Paar Feldspulen enthält,
welche jeweils nebeneinander angeordnete Pole des Elektromagneten
umfassen, zwischen denen ein Bildgebungsvolumen mit im Wesentlich
homogenem Magnetfeld definiert wird. Eine torische Abschirmungsspule
ist auf einer Schleife angeordnet, so dass sie, wenn sie mit Energie
versorgt wird, ein steuerndes Magnetfeld erzeugt, das einen Rückflusspfad
für die
Feldspulen konfiguriert. Eine Haltestruktur dient zur starren Unterstützung der
Abschirmungsspule und der Feldspulen.
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In
dem Dokument
JP-A-9056692 wird
ein offenes Magnetresonanz-Bildgebungssystem
mit magnetischen Polschuhen beschrieben, auf denen der Reihenfolge
nach Shim-Stücke
zum groben Shimmen, Gradientenspulen, eine nicht-magnetische Haltestruktur
und ein weiterer Satz Shim-Stücke
zum feinen Shimmen vorgesehen sind. Der letztgenannte Satz liegt
dem Bildgebungsvolumen gegenüber.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Magnetresonanz-Bildgebungssystem wie in Anspruch 1
definiert geschaffen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetresonanzverfahren
gemäß Anspruch
6 geschaffen.
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Im
Folgenden werden Möglichkeiten
zur Ausführung
der Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die
begleitende Zeichnung ausführlich
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Teilschnitt-Elevationsansicht eines Magnetresonanz-Bildgebungssystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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2 eine
Draufsicht des Magnetsystems aus 1.
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Bezug
nehmend auf 1 sind ringförmige primäre Magnetspulen 10,
die vorzugsweise supraleitend sind, in einem Paar paralleler, horizontaler Ebenen
auf beiden Seiten eines Bildgebungsvolumens 12 angeordnet.
Die primären
Magnetspulen erzeugen ein zeitlich konstantes Magnetfeld durch das Bildgebungsvolumen,
in der abgebildeten Ausführungsform
in der vertikalen Richtung. Ein Rückflusspfad umfasst einen ringförmigen Eisenring 14,
eine Deckplatte 16, eine Vielzahl von Pfosten 18,
eine Bodenplatte 20, einen unteren ringförmigen Eisenring 22 und
einen Eisenstopfen 24. Der Rückflusspfad bietet einen Flusspfad
mit geringem Widerstand in einer Schleife oder einer Reihe von Schleifen
mit einem Spalt von einer Seite des Bildgebungsvolumens 12 zur
anderen. Optional kann ein Einzelmagnet verwendet werden oder der
(die) Magnet(en) kann (können)
an anderen Stellen entlang des Flusses angeordnet werden.
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Ein
Rose-Ring 26 fokussiert den Magnetfluss und verbessert
die Gleichmäßigkeit
und Linearität
in dem Bildgebungsvolumen. Vorzugsweise ist der Rose-Ring aus kobaltreichem
Stahl konstruiert, so dass er widerstandsfähiger gegen Sättigung
ist, vor allem bei höheren
Feldern. Allerdings kann auch kohlenstoffarmer Stahl bei geringeren
Kosten zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Der Rose-Ring ist vorzugsweise
in Segmenten oder Elementen konstruiert, um die Möglichkeit
von Wirbelströmen
zu minimieren. Um eine vertikale Achse gewundene Blechplatten oder
-spiralen und andere den horizontale Querschnitt begrenzende Konstruktionen
werden bevorzugt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind Rose-Ringe
auf gegenüberliegenden
Seiten des Bildgebungsvolumens angeordnet.
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Von
einer Seite des Rose-Rings 26 zur anderen ist ein Shim-Satz
hoher Ordnung 30 angebracht. Der Shim-Satz korrigiert die
Oberschwingungsverzerrung. Eine niedrige Frequenz oder Verzerrung niedriger
Ordnung ist die größte Verzerrungskomponente.
Je präziser
die Geräte
werden, desto mehr erfolgt die Kompensation für zunehmend höhere Ordnungen
(Frequenzen). Bei der bevorzugten Ausführungsform mit einem Paar Rose-Ringen
sind gleiche Shim-Sätze
hoher Ordnung an jedem Rose-Ring montiert. Insbesondere bei der
bevorzugten Ausführungsform
sind magnetisierte Ringe 32a, 32b, 32c und 32d symmetrisch
in jedem Polringsatz montiert. Die magnetisierten Ringe verändern das
Magnetfeld oder den Fluss durch das Bildgebungsvolumen. Insbesondere
interagieren die Polringe und der Rose-Ring, Eisenringe 14, 22 und
andere Rückflusspfadkonstruktionen,
um die Gleichmäßigkeit
des Magnetfelds in dem Bildgebungsvolumen zu maximieren. Bei der
bevorzugten Ausführungsform
sind sowohl der Rose-Ring und der Rückflusspfad auf der einen Seite
als auch der Polstirnringsatz 30 auf der anderen Seite
so konstruiert, dass sie eine nicht-gleichmäßige, aber ausgleichende Wirkung
auf das Magnetfeld in dem Bildgebungsvolumen haben. Das bedeutet,
dass die Magnetbaugruppe mit Bedacht so konstruiert wurde, dass
sie einen nicht-gleichmäßigen Magnetfluss
in dem Bildgebungsvolumen hat, der insofern nicht-gleichmäßig ist,
als er durch die Anwesenheit der Polringe homogen gemacht wird.
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Der
genaue Durchmesser der Polringe und ihre Anzahl werden mathematisch
geschätzt
und iterativ angepasst, bis der Magnetfluss in dem Bildgebungsvolumen
optimiert ist. Es ist zu beachten, dass die Größe, Breite und Anzahl der Ringe
mit der Stärke
des Magnetfelds und der Geometrie der Magneten variieren wird. Bei
Magnetfeldern im Bereich von 0,5 bis 0,75 Tesla werden vier Ringe
bevorzugt, wobei die Polarität
des vierten Rings von der Mitte 32d zu den anderen drei
Ringen umgekehrt ist. Mindestens der magnetisierte Ring mit umgekehrter
Polarität
ist aus einem dauermagnetischen Material konstruiert, das selbst
in Magnetfeldern im Bereich von 0,5 bis 0,75 Tesla magnetisch bleibt,
vorzugsweise aus einer Neodym-Bor-Eisen-Legierung (NdBFe). Die Ringe mit
nicht umgekehrter Polarität
können
aus Dauermagnetmaterial oder einem Material konstruiert sein, das
durch das Hauptmagnetfeld magnetisiert wird. Vorzugsweise sind die
Polringe aus Kugeln oder Pellets konstruiert, die in einer Art Sintervorgang
zu Ringsegmenten gepresst und gebrannt werden. Es wird eine Vielzahl
von Ringsegmenten positioniert, um die einzelnen Ringe zu bilden.
Andere Ringkonstruktionen, die Wirbelströme minimieren, kommen ebenfalls
in Betracht. Es könnten
auch Wicklungen und Spulen eingesetzt werden. Die Ringe liegen auf einem
nichteisenhaltigen, nichtmagnetflussleitenden und elektrisch isolierenden
Material auf, zum Beispiel einer faserverstärkten Epoxidscheibe oder einer
anderen Konstruktion 34. Die Nichteisen-Konstruktion 34 verfügt über eine
ausreichende strukturelle Festigkeit, um die Position der Polringe
unter den durch das primäre
Magnetfeld ausgeübten
großen
Kräften stabil
zu halten. Dennoch ist die Konstruktion 34 magnetisch und
hochfrequenzmäßig durchlässig. Bei der
bevorzugten Ausführungsform
hat die den Ring tragende Konstruktion 34 auch Taschen
oder andere Montagestrukturen zur Aufnahme der Neodym-Bor-Eisen-Legierung
oder anderer dauermagnetischer Shims, um durch Shimmen des Magnetfelds
eine größere Homogenität zu erreichen.
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Angrenzend
an das Bildgebungsvolumen sind Hochfrequenzanregungs- und Empfangsspulen angeordnet.
In der abgebildeten Ausführungsform sind
planare Ganzkörper-HF-Spulen 40 an
den Stirnflächen
der den Ring tragenden Konstruktion 34 befestigt. Natürlich kommen
auch andere HF-Spulenkonstruktionen, zum Beispiel Oberflächenspulen,
die direkt an geeigneten Bereichen des Patienten angebracht sind,
in eine Patientenauflage 42 eingebettete Spulen und dergleichen,
in Betracht.
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Hinter
dem Ringsatz 30 sind Gradientenmagnetfeldspulen 50,
vorzugsweise selbstabschirmende Gradientenspulen, angeordnet. Da
die den Ring tragende Konstruktion im Gegensatz zu einem Eisenpolschuh
nicht magnetisch reagiert, gelangen die durch die Gradientenspulen
erzeugten Magnetfeldgradienten ungehindert in das Bildgebungsvolumen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
werden die Position der Magnetspule 10, des Rose-Rings
und der Anpassungsteile des Rückflusspfads
so gewählt,
dass die axialen Kräfte
auf die Spule Null werden. Dadurch wird die mechanische Aufhängung des
Kryostaten vereinfacht. Weniger Masse in dem Aufhängungssystem
trägt dazu
bei, den Wärmeverlust
und das Abdampfen im Kryostat zu reduzieren.
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Im
Betrieb steuert eine Sequenzsteuerschaltung 60 Gradientenspulenverstärker 62 und
einen Sender 64 gemäß einer
zuvor ausgewählten
Magnetresonanz-Bildgebungssequenz, um Magnetresonanzechos in Gewebe
oder anderes Material im Bildgebungsvolumen 12 zu induzieren.
Ein Hochfrequenzempfänger 66 ist
mit den Spulen 40 oder Oberflächenspulen (nicht abgebildet)
verbunden, um die induzierten Magnetresonanzechos zu empfangen.
Die empfangenen Magnetresonanzsignale werden durch einen Rekonstruktionsprozessor 68 vorzugsweise mit
einem inversen Fourier-Transformations-Algorithmus
zu einer elektronischen Bilddarstellung rekonstruiert, die in einem
Bildspeicher 70 gespeichert wird. Ein Videoprozessor 72 ruft
unter der Steuerung eines Bedienpults ausgewählte Bereiche des rekonstruierten
Bildes ab und wandelt sie in ein geeignetes Format zur Anzeige auf
einem Video- oder anderen Monitor 74 um.
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Der
oben beschriebene MRI-Magnet verfügt über eine hohe Homogenität, bietet
einen guten Patientenzugang und übt
geringe Kräfte
auf die Ansteuerungsspulen aus. Ein Vorteil besteht darin, dass
er den Entwurf von offenen Magneten mit stärkeren Magnetfeldern vereinfacht.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass er die Homogenität des Magnetfelds
verbessert. Ein weiterer Vorteil besteht in dem verbesserten Patientenzugang.
Ein weiterer Vorteil besteht in der Reduzierung von möglichen
Wirbelströmen. Noch
ein weiterer Vorteil besteht in der reduzierten Polmasse.
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1
- Sequence
control
- Sequenzsteuerung
- Transmitter
- Sender
- Receiver
- Empfänger
- Recon.
Processor
- Rekonstruktionsprozessor
- Volume
image memory
- Volumenbildspeicher
- Video
processor
- Videoprozessor