EP4200626A1 - Spulenarray und dessen verwendung - Google Patents

Spulenarray und dessen verwendung

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EP4200626A1
EP4200626A1 EP21772666.0A EP21772666A EP4200626A1 EP 4200626 A1 EP4200626 A1 EP 4200626A1 EP 21772666 A EP21772666 A EP 21772666A EP 4200626 A1 EP4200626 A1 EP 4200626A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
array according
coil array
coils
elements
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP21772666.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Chang-Hoon Choi
Jörg FELDER
Suk Min Hong
Stefan Schwan
Philipp SÄUBERLICH
Aleksandr DMITRIEV
Abdullah Celik
Nadim Joni Shah
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP4200626A1 publication Critical patent/EP4200626A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/34046—Volume type coils, e.g. bird-cage coils; Quadrature bird-cage coils; Circularly polarised coils
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/341—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils
    • G01R33/3415—Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils comprising arrays of sub-coils, i.e. phased-array coils with flexible receiver channels

Definitions

  • the invention relates to a coil array and its use.
  • Magnetic resonance imaging is one of the most powerful non-invasive medical imaging modalities used in everyday clinical practice. Over the past decade, tremendous technological advances have significantly improved image quality, thereby improving many clinical applications. Every MRI system consists of a number of subsystems that perform dedicated functions that are necessary for the MR image acquisition of an object. As one of the essential magnetic resonance (MR) components, the radio frequency (RF) system plays a key role in generating RF excitation pulses and receiving the MR signal.
  • MR magnetic resonance
  • RF radio frequency
  • SNR signal-to-noise ratio
  • the SNR increases approximately in proportion to the main magnetic field strength (Bo) [1]. For example, an SNR that is twice as high is obtained if the Bo is increased from 1.5 Tesla to 3 Tesla.
  • the selection of an RF coil is usually based on the desired clinical applications.
  • the main aspects to be considered are the image or examination area (FOV, "field-of-view"), the spatial resolution, the sensitivity and the ability for parallel imaging. "volume-of-interest”), which requires the purchase of a number of expensive RF coils to cover the imaging of different parts of the body.
  • CONFIRMATION COPY is often chosen as a reference coil to evaluate the performance of newly developed arrays [6] [7] which can also be used for infant head examinations at 7 Tesla.
  • Birdcage coils and multi-channel loop arrays are usually mounted on cylindrical housings. This severely limits accessibility, particularly to lines or tubing for anesthesia, artificial feeding, or respiratory equipment for infants [8] [9]. In order to avoid this problem, the diameter of the coil or array must inevitably be increased, which leads to a poor fill factor and thus to a deterioration in the SNR. Pure multi-channel receiving arrays can often be designed to be geometrically more flexible and can therefore be used together with a body coil without the problem of restricted accessibility. Body coils are usually installed in MRI scanners up to 3 Tesla, but not at field strengths of 7 Tesla or higher.
  • Bo-shimming problems arise in MRI measurements of the brain mainly due to differences in susceptibility between air and biological tissue and are therefore particularly pronounced in the area of air-filled body cavities such as the mouth, nose and paranasal sinuses. In this area, therefore, the Bo field often cannot be sufficiently homogenized using conventional shim methods.
  • the object of the invention to provide a coil array for magnetic resonance tomography which can be used in VOs such as subjects and patients, preferably children, in particular infants or small children, but also monkeys and biological tissue.
  • the coil array should allow good or free access to supply lines, such as lines or hoses, for example for anesthesia, artificial nutrition or ventilation, and other patient connections, such as cables or probes, for example for measurement, without reducing the fill factor .
  • the coil array according to the invention should have a high sensitivity, in particular re enable a high signal-to-noise ratio, particularly in the area of the brain, and reduce bo-shimming problems, particularly in the area of air-filled cavities, such as the nasal cavities, for example in brain MRI.
  • the diameter of the coil or the coil array should be as small as possible, the fill factor should be increased and a good signal-to-noise ratio should be made possible, particularly when small objects to be examined, such as the heads of children or infants or monkeys biological tissue is to be examined by magnetic resonance imaging.
  • the penetration depth of the RF fields should be improved.
  • the coil array should enable the measurement of volumes to be examined, VOI, which are smaller than the standard adult head.
  • the coil array should also be suitable for magnetic resonance imaging and magnetic resonance spectroscopy.
  • VOI' such as test persons and patients, preferably children, in particular babies or small children, monkeys, in particular their heads, but also biological tissue by magnetic resonance imaging, with good or free access to feeds, such as lines or hoses, e.g. for anesthesia, artificial nutrition or ventilation, as well as other patient connections, such as cables or probes, e.g. for measurement, is made possible without reducing the fill factor or causing the risk of the hoses kinking.
  • the coil array according to the invention has a high sensitivity, in particular a high signal-to-noise ratio, especially in the area of air-filled cavities, for example the forehead, and no or reduced bo-shimming problems, especially in the area of the nasal cavities, for example in brain MRT.
  • the fill factor of the coil array is increased.
  • the penetration depth of the RF fields into the object to be examined is improved and higher-quality images from deep regions are made possible.
  • the coil array enables the measurement of volumes to be examined, VOI, which are smaller than the standard adult head.
  • the coil array according to the invention can also be used for magnetic resonance tomography and magnetic resonance spectroscopy.
  • the coil array consists of at least two coil elements, of which at least one coil element is curved and open, so that access from leads, such as at least one hose or other patient connection, to an object to be examined is made possible.
  • This configuration of the coil array has the consequence that the problems with Bo-shimming, especially in the vicinity of the nasal cavities, are reduced.
  • At least one coil element is curved and open makes it possible for a subject or a patient, in particular a small child or infant, or monkeys, in particular their heads or biological tissue, to be supplied with supplies such as ventilation hoses and/or hoses for anesthesia and /or the artificial nutrition, as well as other connections, such as patient connections, such as cables or probes, for example for measurement, can be supplied well.
  • supplies such as ventilation hoses and/or hoses for anesthesia and /or the artificial nutrition
  • other connections such as patient connections, such as cables or probes, for example for measurement
  • the area of the air-filled cavities e.g. mouth, nose and nasal cavities in brain MRI always causes a bo-shimming problem.
  • a higher sensitivity is obtained in the region of the forehead and the disturbance associated with Bo-shimming in the vicinity of air-filled cavities is reduced.
  • An essential feature of the bent open dipole is its higher sensitivity in the feed area and the decrease in sensitivity towards the edge of the dipole antenna.
  • An opening within the meaning of the invention is understood to mean an interruption in the coil or a gap in the coil, which results in the coil not having a closed geometry. This allows access to lines or hoses, for example for anesthesia, artificial nutrition or respiration, as well as other connections or patient connections, such as cables or probes, for example for measurement.
  • Other coil elements can be closed. These closed coils can be surface coils or loop coils. These coils have no openings and are closed.
  • a subject or patient preferably children, in particular infants or monkeys, and in particular their heads, but also biological tissue can be understood as an object to be examined within the meaning of the invention.
  • Leads within the meaning of the invention can be understood to mean all possible feed lines, such as ventilation hoses and/or hoses for anesthesia and/or artificial nutrition, as well as other connections, in particular patient connections, or other feed lines, such as cables or probes, for example for measurement .
  • the curved, open coil element enables a good supply of at least one supply or the hoses or cables mentioned, it can have an opening in the order of a few millimeters to a few centimeters and is advantageously based on the diameter of the hoses/patient connections provided.
  • the interruption or opening can be 1 mm to 20 cm or 30 cm.
  • the size of the interruption can be freely selected and can be adapted to the embodiment of the array according to the invention.
  • the coil array according to the invention can have a plurality of coil elements.
  • it can have 3, 4, 5, 6 or more, for example up to 16 or 32 individual coil elements.
  • shapes with more than 32 elements are also possible.
  • the coil array according to the invention preferably encloses the object to be examined completely or in a cylindrical arrangement around the object to be examined.
  • the cylinder can advantageously taper conically into a cone or truncated cone, as a result of which better coverage of the object to be examined, for example the upper head, is achieved.
  • the coil elements can be arranged in a row along the circumference of the cylinder which encloses a Z-axis and/or enclose the circumference or the axis of rotation of the cylinder, cone or truncated cone or be arranged along the circumference in such a way that they at least partially enclose it.
  • the elements can be arranged freely, e.g. B. in several rows along the circumference of the cylinder or circumference of the truncated cone or in the shape of the hexagons of a soccer ball.
  • the open or discontinuous or the open or discontinuous elements are arranged in such a way that they allow easy access to the hoses/patient connections.
  • the open elements are preferably also arranged in such a way that they have little sensitivity in the area of the air-filled cavities and thus avoid bo-shimming problems.
  • the volume enclosed by the coil array can be used in particular for examining small objects to be examined with a circumference of, for example, 35 cm to 45 cm.
  • a human head typically has a volume of 1260 cm 3 for a male and 1130 cm 3 for a female, and an infant's head typically has a circumference of 35 cm to 45 cm.
  • the coil array according to the invention is therefore suitable for use in the heads of adults, children, small children, infants or monkeys, which typically have the stated dimensions in the stated size range.
  • the publication [12] discloses relevant dimensions of heads that can typically be examined with the coil array according to the invention. The head size measurements given in this publication are part of the disclosure of the application.
  • At least one bent and open coil element must be present in order to achieve the effect according to the invention.
  • the sensitivity in the area of the air-filled cavities can be adjusted in such a way that the Bo-shimming problem is largely reduced.
  • the coil array can have 1 to 4 curved, open coils.
  • the other coil elements can be closed coils or surface coils such as loop coils.
  • the number of other surface coils or loop coils can be freely selected.
  • the surface coils or loop coils each have at least one capacitor in order to produce resonance.
  • the bent, open coil elements have no capacitor.
  • the physical length of the bent, open coil elements can optionally be increased by the insertion of capacitors, e.g., if the dipole element is too short due to the wavelength.
  • the coil elements each have means for impedance matching and means for feeding. These means can be implemented by a circuit block. The feed takes place at the point of impedance matching.
  • the coil elements are decoupled from each other.
  • means known from the prior art for decoupling the individual coil elements can be used.
  • decoupling can be effected by overlapping common legs, capacitive decoupling or inductive decoupling as well as self-decoupling and appropriate means for this.
  • An example is shown in the publication by Yan et al [13]. Combinations of different decoupling means can also be used.
  • the size of the individual coil elements can be based on the object to be examined.
  • the small dimensions of the coil array in connection with the configuration of the coil array according to the invention have the consequence that the image quality, in particular the signal-to-noise ratio, improves and Bo-shimming problems can be reduced, although supply lines, for example, to supply the living to object to be examined, such as a patient, with various hoses are present.
  • the coil according to the invention enables a signal-to-noise ratio that is approx. 30% better than the prior art.
  • a good fill factor is achieved by the design of the coil array according to the invention. With a coil array diameter of 26 cm for adult subjects and a smaller coil array with a diameter of 16 cm, the fill factor improves according to Equation 1
  • the coil array according to the invention can be used in magnetic resonance tomography and in magnetic resonance spectroscopy, especially when examining small objects to be examined, especially children, small children, infants and monkeys, especially their heads, but also biological tissue and in MR-compatible versions of newborn incubators.
  • the figures show coil arrays in schematic form.
  • Fig.1 A coil array according to the prior art
  • FIG. 1 shows a coil array according to the prior art. It comprises several coils 1, 1a, 1b, 1c. Each coil has capacitors 2, 2a, 2b, 2c..., and a unit for feeding and impedance measurement 3.
  • Reference number 4 designates means for decoupling the coils.
  • a coil element 5 is bent and interrupted in a partial area, or not closed.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the coil array according to the invention, in which the individual coils are arranged in a cylindrical geometry. It is made clear that the coil geometry in the area of the individual open coil element used as an example in FIG. 2 has an opening through which hoses and/or patient connections can be routed to the patient or subject (FIG. 3, right). The conventional coil arrangement with closed conductor loops according to FIG. 1 cannot be opened at this point because of the conductor present there (FIG. 3, left).
  • FIG. 4 shows axial MR images which were recorded using a conventional 1-channel loop coil and a circular 1-channel dipole antenna according to the prior art.
  • the white dashed box in Figure 4 marks the area in which the object is positioned and the SNR is calculated.
  • a circularly curved dipole with a diameter of 12 cm was used for the recording by means of the dipole element according to the invention on the right-hand side of FIG. State of the art:
  • WHO child growth standards head circumference-for-age, arm circumference-forage, triceps skinfold-for-age and subscapular skinfold-for-age : methods and development.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spulenarray das mindestens zwei Spulenelemente besitzt und bei dem mindestens ein Spulenelement gebogen und nicht geschlossen ist, so dass ein Zugang von mindestens einer Zuleitung zu einem zu untersuchenden Objekt ermöglicht wird und dessen Verwendung.

Description

B e s c h r e i b u n g
Spulenarray und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft ein Spulenarray und dessen Verwendung.
Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eines der leistungsstärksten, nicht-invasiven medizinischen Bildgebungsmodalitäten, die im klinischen Alltag Anwendung findet. Während der letzten zehn Jahre, haben enorme technologische Fortschritte die Bildqualität erheblich erhöht und damit viele klinische Anwendungen verbessert. Jedes MRT System besteht aus einer Reihe von Teilsystemen, welche dezidierte Funktionen ausführen, die für die MR Bildaufnahme eines Objektes notwendig sind. Als eine der wesentlichen Magnetresonanz-(MR-) Komponenten spielt das Radiofrequenz- (RF-) System eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung von RF-Anregungsimpulsen und beim Empfang des MR Signals.
Für den Signalempfang ist es vorteilhaft, eine RF-Spule so nahe wie möglich am Objekt zu positionieren, da so ein bestmöglicher Füllfaktor und damit höheres Signal-zu-Rausch- Verhältnis (SNR) erreicht wird. Das SNR steigt ungefähr proportional zur Hauptmagnetfeldstärke (Bo) [1]. So erhält man z.B. eine zweimal höhere SNR, wenn das Bo von 1 ,5 Tesla auf 3 Tesla erhöht wird. Die Auswahl einer RF-Spule richtet sich in der Regel nach den gewünschten klinischen Anwendungen. Die zu berücksichtigenden Hauptaspekte sind dabei der Bild- bzw. Untersuchungsbereich (FOV, "field-of-view“), die räumliche Auflösung, die Empfindlichkeit und die Fähigkeit zur parallelen Bildgebung. Es wurden RF-Spulen für jedes zu untersuchende Volumen (VOI, “volume-of-interest“) konstruiert, was die Anschaffung einer Reihe von teuren RF-Spulen erfordert, um die Bildgebung verschiedener Körperteile abzudecken.
Es gibt mehrere konventionelle Spulen, die für die Bildgebung insbesondere des kindlichen Gehirns verwendet werden können. Hughes et al. änderten die Größe einer herkömmlichen Birdcage-Spule und passten sie an den Kopf des Säuglings bei 3 Tesla an [2]. Auf diese Weise konnte die MR-Bildqualität im Vergleich zur Verwendung von regulär verfügbaren Erwachsenenspulen verbessert werden. Zur Verbesserung der Spulenempfindlichkeit und um bei höherem Bo eingesetzt werden zu können, werden häufig Mehrkanal-Array-Spulen verwendet [3] [4] [5], Ein spezieller Spulentyp, wie z.B. ein 8-Kanal- Rechteckschleifen-Array,
BESTÄTIGUNGSKOPIE wird oft als Referenzspule gewählt, um die Leistung neu entwickelter Arrays zu bewerten [6] [7] die auch für Kopfuntersuchungen an Säuglingen bei 7 Tesla verwendet werden können.
Üblicherweise werden Birdcage Spulen und Mehrkanal-Loop Arrays auf zylindrischen Gehäusen montiert. Dadurch wird die Zugänglichkeit, insbesondere zu Leitungen bzw. Schläuchen für Anästhesie, für die künstliche Ernährung oder Beatmungshilfen von Säuglingen, erheblich eingeschränkt [8] [9], Um dieses Problem zu vermeiden, muss der Durchmesser der Spule oder des Arrays zwangsläufig vergrößert werden, was zu einem schlechten Füllfaktor und damit zu einer Verschlechterung des SNR führt. Reine Mehrkanal-Empfangs- Arrays können oftmals geometrisch flexibler gestaltet werden und dadurch ohne das Problem der beschränkten Zugänglichkeit zusammen mit einer Körperspule verwendet werden. Körperspulen sind üblicherweise in Kernspintomographen bis zu 3 Tesla, nicht aber bei Feldstärken von 7 Tesla oder höher installiert.
Aufgrund der von der Wellenlänge vorgegebenen geometrischen Länge von Dipolen werden diese trotz des Vorteils einer höheren Eindringtiefe in Gewebe eher in MRT's mit einer Feldstärke von 7 Tesla oder mehr eingesetzt [10], Lakshmanan et al. [11] modifizierten die gerade Dipolantenne, indem sie sie in "Schleifenform" bogen und die Enden mit einem Kondensator überbrückt. Dadurch erreichten sie, dass sich sowohl die Stromverteilung einer konventionellen Spule als auch diejenige einer Dipol-Antenne überlagern können.
Bo-Shimming Probleme ergeben sich bei MRT Messungen des Gehirns hauptsächlich durch Suszeptibilitätsunterschiede zwischen Luft und biologischem Gewebe und sind deshalb besonders im Bereich der luftgefüllten Körperkavitäten wie Mund, Nase und Nasenneben- hölen ausgeprägt. In diesem Bereich kann das Bo Feld daher oft nicht mittels konventioneller Shim-Methoden hinreichend homogenisiert werden.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Spulenarray für die Magnetresonanztomographie zu Verfügung zu stellen, welches bei VOl's wie Probanden und Patienten, vorzugsweise Kindern, insbesondere Säuglingen oder Kleinkindern aber auch Affen, sowie biologischem Gewebe, eingesetzt werden kann. Insbesondere soll bei dem Spulenarray ein guter, bzw, freier Zugang von Zuführungen, wie Leitungen oder Schläuchen, beispielsweise für die Anästhesie, künstliche Ernährung oder Beatmung, sowie anderen Patientenanschlüssen, wie Kabeln oder Sonden, beispielsweise zur Messung, ermöglicht werden ohne den Füllfaktor zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Spulenarray soll eine hohe Empfindlichkeit, insbesonde- re ein hohes Signal-Rauschverhältnis, insbesondere im Bereich des Gehirns ermöglichen und Bo-Shimming Probleme, insbesondere im Bereich von luftgefüllten Kavitäten, wie beispielsweise der Nasenhöhlen, beispielsweise beim Gehirn-MRT verringern.
Weiterhin soll ein möglichst kleiner Durchmesser der Spule, bzw. des Spulenarrays ermöglicht werden, der Füllfaktor vergrößert, und ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis ermöglicht werden, insbesondere, wenn kleine Untersuchungsobjekte, wie der Kopf von Kindern oder Säuglingen oder Affen aber auch biologischem Gewebe magnetresonanztomographisch untersucht werden soll. Die Eindringtiefe der RF-Felder soll verbessert werden. Insbesondere soll das Spulenarray die Vermessung von zu untersuchenden Volumina, VOI, ermöglichen, welche kleiner sind als der Standardkopf eines Erwachsenen. Das Spulenarray soll auch für die Magnetresonanztomographie und die Magnetresonanzspektroskopie geeignet sein.
Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
Mit dem erfindungsgemäßen Spulenarray ist es nunmehr möglich, bei VOI', wie Probanden und Patienten, vorzugsweise Kinder, insbesondere Säuglinge oder Kleinkinder, Affen, insbesondere deren Köpfe aber auch biologischem Gewebe magnetresonanztomographisch zu untersuchen, wobei ein guter, bzw. freier Zugang von Zuführungen, wie Leitungen oder Schläuchen, beispielsweise für die Anästhesie, die künstliche Ernährung oder Beatmung , sowie anderen Patientenanschlüssen, wie Kabeln oder Sonden, beispielsweise zur Messung, ermöglicht wird, ohne den Füllfaktor zu reduzieren oder die Gefahr des Abknickens der Schläuche zu verursachen. Das erfindungsgemäße Spulenarray hat eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis insbesondere auch im Bereich von luftgefüllten Kavitäten, beispielsweise der Stirn und keine oder verringerte Bo-Shimming Probleme, insbesondere im Bereich der Nasenhöhlen, beispielsweise beim Gehirn-MRT. Der Füllfaktor des Spulenarrays wird vergrößert. Die Eindringtiefe der RF-Felder in das zu untersuchende Objekt wird verbessert und hochwertigere Bilder aus tiefen Regionen werden ermöglicht. Insbesondere ermöglicht das Spulenarray die Vermessung von zu untersuchenden Volumina, VOI, welche kleiner sind als der Standardkopf eines Erwachsenen. Das erfindungsgemäße Spulenarray kann auch für die Magnetresonanztomographie und die Magnetresonanzspektroskopie verwendet werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Im Folgenden wird die Erfindung in ihrer allgemeinen Form beschrieben, ohne dass dies einschränkend ausgelegt werden soll.
Erfindungsgemäß besteht das Spulenarray aus mindestens zwei Spulenelementen, von denen mindestens ein Spulenelement gebogen und offen ist, so dass ein Zugang von Zuführungen, wie mindestens einem Schlauch oder anderweitigem Patientenanschluss zu einem zu untersuchenden Objekt ermöglicht wird.
Diese Ausgestaltung des Spulenarrays hat die Folge, dass die Probleme mit dem, Bo- Shimming insbesondere in der Nähe der Nasenhöhlen verringert, werden.
Dadurch, dass mindestens ein Spulenelement gebogen und offen ist, wird ermöglicht, dass einem Probanden oder einem Patienten, insbesondere einem Kleinkind oder Säugling, oder Affen, insbesondere deren Köpfen oder biologischem Gewebe, Zuführungen, wie Beatmungsschläuche, und/oder Schläuche für die Anästhesie und/oder die künstliche Ernährung, sowie andere Anschlüsse, wie beispielsweise Patientenanschlüsse, wie Kabel oder Sonden, beispielsweise zur Messung, gut zugeführt werden können. Insbesondere bei kleinen zu untersuchenden Objekten, wie Kindern, Kleinkindern, Säuglingen oder Affen, insbesondere deren Köpfen, können bessere Bilder erzeugt werden, die insbesondere ein gutes Signal-zu- Rauschverhältnis haben, da das erfindungsgemäße Spulenarray baulich kleiner ausgeführt werden kann, obwohl ein guter Zugang von Leitungen ermöglicht wird.
Im Allgemeinen verursacht der Bereich der luftgefüllten Kavitäten, z.B. Mund, Nase und Nasenhöhlen im Gehirn-MRT immer ein Bo-Shimming Problem. Auf die erfindungsgemäße Weise wird daher eine höhere Empfindlichkeit im Bereich der Stirn erhalten und die Störung im Zusammenhang mit dem Bo-Shimming in der Nähe luftgefüllter Kavitäten verringert. Ein wesentliches Kennzeichen des gebogenen offenen Dipols ist seine höhere Empfindlichkeit im Bereich der Einspeisung und die Abnahme der Empfindlichkeit zum Rand der Dipolantenne hin.
Unter einer Öffnung im Sinne der Erfindung wird eine Unterbrechung der Spule oder eine Lücke in der Spule verstanden, die zur Folge hat, dass die Spule keine geschlossene Geometrie hat. So wird der Zugang von Leitungen oder Schläuchen, beispielsweise für die Anästhesie, die künstliche Ernährung oder Beatmung, sowie anderen Anschlüssen bzw. Patientenanschlüssen, wie Kabeln oder Sonden, beispielsweise zur Messung, ermöglicht. Andere Spulenelemente können geschlossen sein. Bei diesen geschlossenen Spulen kann es sich um Oberflächenspulen oder Schleifenspulen handeln. Diese Spulen weisen keine Öffnungen auf und sind geschlossen.
Das hat den Vorteil, dass entlang der Längsachse des Körpers oder des zu untersuchenden Objekts bzw. der Längsachse des Raumes, der von dem Spulenarray umschlossen wird, eine höhere Ausdehnung des sensitiven Bereichs erreicht werden kann.
Als zu untersuchendes Objekt im Sinne der Erfindung kann ein Proband oder Patienten, vorzugsweise Kinder, insbesondere Säuglinge oder Affen, sowie insbesondere deren Köpfe, aber auch biologisches Gewebe verstanden werden.
Unter Zuführungen im Sinne der Erfindung können alle möglichen Zuleitungen, wie Beatmungsschläuche, und/oder Schläuche für die Anästhesie und/oder die künstliche Ernährung, sowie andere Anschlüsse, insbesondere Patientenanschlüsse, oder andere Zuleitungen, wie Kabel oder Sonde, beispielsweise zur Messung, verstanden werden.
Damit das gebogene, offene Spulenelement eine gute Versorgung mit mindestens einer Zuführung oder den genannten Schläuchen oder Kabeln ermöglicht, kann es eine Öffnung in der Größenordnung von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern haben und orientiert sich vorteilhaft an dem Durchmesser der vorgesehenen Schläuche/Patientenanschlüsse. Beispielsweise kann die Unterbrechung bzw. Öffnung 1 mm bis 20 cm oder 30 cm betragen. Die Größe der Unterbrechung ist aber frei wählbar und kann der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Arrays angepasst werden.
Das erfindungsgemäße Spulenarray kann eine Mehrzahl von Spulenelementen haben. So kann es beispielsweise 3, 4, 5, 6 oder mehr beispielsweise bis zu 16 oder 32 einzelne Spulenelemente besitzen. Es sind jedoch auch Formen mit mehr als 32 Elementen möglich.
Vorzugsweise umschließt das erfindungsgemäße Spulenarray das zu untersuchende Objekt vollständig oder in einer zylindrischen Anordnung um das zu untersuchende Objekt herum. Dabei kann der Zylinder sich vorteilhaft konisch zu einem Kegel oder Kegelstumpf verjüngen, wodurch eine bessere Abdeckung des zu untersuchenden Objekts, beispielsweise des oberen Kopfes zu erzielt wird. Die Spulenelemente können entlang des Zylinderumfangs der eine Z-Achse umschließt, in einer Reihe angeordnet sein und/oder den Umfang oder die Rotationsachse des Zylinders, des Kegels oder Kegelstumpfes umschließen bzw. entlang des Umfangs so angeordnet sein, dass sie ihn wenigstens teilweise umschließen. Alternativ lassen sich die Elemente wahlfrei anordnen, z. B. in mehreren Reihen entlang des Zylinderumfangs bzw. Umfangs des Kegelstumpfes oder in der Form der Sechsecke eines Fußballs.
Wichtig ist, dass das offene bzw. unterbrochene oder die offenen bzw. unterbrochenen Elemente so angeordnet sind, dass sie den leichten Zugang zu den Schläu- chen/Patientenanschlüssen ermöglichen.
Vorzugsweise sind die offenen Elemente ebenfalls so angeordnet, dass sie wenig Sensitivi- tät im Bereich der luftgefüllten Kavitäten aufweisen und damit Bo-Shimming Probleme vermeiden.
Das von dem Spulenarray umschlossene Volumen kann insbesondere für die Untersuchung von kleinen zu untersuchenden Objekten eines Umfangs von beispielsweise 35 cm bis 45 cm eingesetzt werden.
Der Kopf von einem Menschen hat in der Regel ein Volumen von 1260 cm3 für einen Mann und 1130 cm3 für eine Frau und der Kopf eines Säuglings typischerweise einen Umfang von 35 cm bis 45 cm. Das erfindungsgemäße Spulenarray ist dadurch dafür geeignet, bei Köpfen von Erwachsenen, Kindern, Kleinkindern Säuglingen oder Affen eingesetzt zu werden, die typischerweise die genannten Abmessungen im genannten Größenbereich aufweisen. Die Veröffentlichung [12] offenbart relevante Abmessungen von Köpfen, die mit dem erfindungsgemäßen Spulenarray typischenweise untersucht werden können. Die in dieser Veröffentlichung angegebenen Maße für Kopfgrößen gehören zur Offenbarung der Anmeldung.
Es muss mindestens ein gebogenes und offenes Spulenelement vorhanden sein um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen. Es ist aber auch denkbar mehrere gebogene und nicht offene vorzusehen, beispielsweise 2, 3, 4 oder maximal alle Elemente des Spulenarrays.
Durch die Verwendung von mehreren geschlossenen Spulenelementen bzw. Oberflächenspulen lässt sich die Sensitivität im Bereich der luftgefüllten Kavitäten so anpassen, dass das Bo-Shimming Problem weitgehend reduziert wird.
In dem Fall in dem mehr als ein gebogenes, offenes Spulenelement vorhanden ist, können verschiedene Schläuche, Leitungen oder Kabel auch durch verschiedene gebogene, offene Spulenelemente zum zu untersuchenden Objekt geführt werden. Die Verwendung von mehr als einem gebogenen, offenen Spulenelement führt zu einer Verbesserung der RF- Feldhomogenität in den Regionen, die von besonderem Interesse sind, und zu einer Verbesserung der RF- Empfindlichkeit, der ausgesuchten Region, an der sich die Spulen befinden. Beispielhaft kann das Spulanarray 1 bis 4 gebogene, offene Spulen haben.
Bei den anderen Spulenelementen kann es sich um geschlossene Spulen, bzw. Oberflächenspulen wie Schleifenspulen handeln.
Die Anzahl von anderen Oberflächenspulen, bzw. Schleifenspulen kann frei gewählt werden.
Die Oberflächenspulen bzw. Schleifenspulen weisen jeweils mindestens einen Kondensator auf, um eine Resonanz herzustellen.
Die gebogenen, offenen Spulenelemente besitzen in einer einfachen Ausführungsform keinen Kondensator. Die physikalische Länge der gebogenen, offenen Spulenelemente kann fakultativ durch das Einfügen von Kondensatoren verlängert werden, z.B. wenn das Dipolelement auf Grund der Wellenlänge zu kurz ist.
Die Spulenelemente besitzen jeweils Mittel zur Impedanzanpassung und Mittel zur Einspeisung. Diese Mittel können durch einen Schaltungsblock realisiert sein. Die Einspeisung erfolgt dabei am Punkt der Impedanzanpassung.
Die Spulenelemente werden voneinander entkoppelt. Dazu können nach dem Stand der Technik bekannte Mittel zum Entkoppeln der einzelnen Spulenelemente verwendet werden. Beispielshaft kann eine Entkopplung durch Überlappung gemeinsamer Schenkel, kapazitive Entkopplung oder induktive Entkopplung sowie Selbstentkopplung und entsprechenden Mittel dazu bewirkt werden. Ein Beispiel ist in der Veröffentlichung von Yan et al [13] gezeigt. Es können auch Kombinationen von verschiedenen Mitteln zur Entkopplung eingesetzt werden.
Die Größe der einzelnen Spulenelemente kann sich an dem zu untersuchendem Objekt orientieren.
Die kleinen Abmessungen des Spulenarrays in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Spulenarrays haben zur Folge, dass sich die Bildqualität, insbesondere das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert, als auch Bo-Shimming Probleme verringert werden können, obwohl Zuleitungen die beispielsweise zur Versorgung des lebenden zu untersuchenden Objekts, wie eines Patienten, mit diversen Schläuchen dienen, vorhanden sind. Die Erfindungsgemäße Spule ermöglicht insbesondere in der Ausführungsform für kleine zu untersuchende Objekte, wie Körperteile, insbesondere Köpfe, von Kindern, Kleinkindern und Säuglingen oder auch Affen ein Signal- Rauschverhältnis, dass gegenüber dem Stand der Technik ca. 30% besser ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Spulenarrays wird ein guter Füllfaktor erreicht. Bei einem Durchmesser eines Spulenarrays von 26 cm für Erwachsene Probanden und einem kleineren Spulenarray eines Durchmessers von 16 cm verbessert sich der Füllfaktor nach der Gleichung 1
Füllfaktorverbesserung = (26/16)3 = 4,3, (1) so, dass der Füllfaktor für die kleine Spule gegenüber der großen Spule bei diesem Beispiel um den Faktor 4,3 verbessert wird.
Das erfindungsgemäße Spulenarray kann bei der Magnetresonanztomographie und in der Magnetresonanzspektroskopie insbesondere bei der Untersuchung von kleinen zu untersuchenden Objekten, insbesondere Kindern, Kleinkindern, Säuglingen und Affen insbesondere deren Köpfen aber auch biologischem Gewebe sowie in MR kompatiblen Versionen von Neugeborenen Inkubatoren verwendet werden.
Die Figuren zeigen Spulenarrays in schematischer Form.
Es zeigt:
Fig.1: Ein Spulenarray nach dem Stand der Technik
Fig.2: Ein erfindungsgemäßes Spulenarray
Fig.3: Ein erfindungsgemäßes Spulenarray
Fig.4: MR Bilder mit Spulenarrays nach dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Spulenarray Figur 1 zeigt ein Spulenarray nach dem Stand der Technik. Es umfasst mehrere Spulen 1 , 1 a, 1 b, 1c Jede Spule weist Kondensatoren 2, 2a, 2b, 2c ... auf, sowie eine Einheit für die Einspeisung und Impedanzmessung 3. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet Mittel zum Entkoppeln der Spulen.
In Figur 2 haben gleiche Vorrichtungsmerkmale dieselben Bezugszeichen. In dieser Ausführungsform ist ein Spulenelement 5 gebogen und in einem Teilbereich unterbrochen, bzw. nicht geschlossen.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spulenarrays, in dem die einzelnen Spulen in einer zylindrischen Geometrie angeordnet sind. Verdeutlicht wird, dass die Spulengeometrie im Bereich des in Figur 2 exemplarisch verwendeten einzelnen offenen Spulenelements eine Öffnung aufweist, durch den Schläuche und/oder Patientenanschlüsse zum Patienten oder Probanden geführt werden können (Figur 3, rechts). Die herkömmliche Spulenanordnung mit geschlossenen Leiterschleifen nach Figur 1 kann aufgrund des dort vorhandenen Leiters nicht an dieser Stelle geöffnet werden (Figur 3, links).
Figur 4 zeigt auf der linken Seite axiale MR-Bilder, die mit einer konventionellen 1 -Kanal- Schleifenspule und einer kreisförmigen 1-Kanal-Dipolantenne nach dem Stand der Technik aufgenommen wurden. Die weiß gestrichelte Box in Figur 4 kennzeichnet den Bereich in dem das Objekt positioniert und das SNR berechnet wird.
Diese zeigen deutlich die Unterschiede in der Homogenität und im SNR. Die berechneten SNRs (= Signalmittelwert/Rauschstandardabweichung) des Phantoms betrugen 87,3 (= 288/3,3) für die konventionelle und 115,7 (= 344/3,0) für die erfindungsgemäße Bauweise. Die Abbildungen zeigen die MR-Bilder eines zylinderförmigen, wassergefüllten Phantoms aufgenommen bei einer Feldstärke von 7T mit einer 2D FLASH Sequenz (TR/TE = 7.6/3.45 ms, 4 Mittelungen, Matrix Dimensionen = 512 x 512, Abmessung des Aufnahmefeldes = 250 x 250 mm2 Gesamtaufnahmezeit ungefähr 30 s). Für die Aufnahme mittels des erfindungs- mäßen Dipolelements auf der rechten Seite der Figur 4 wurde ein kreisförmig gebogener Dipol mit einem Durchmesser von 12 cm verwendet. Stand der Technik:
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© World
[13] Yan X et al., Self-decoupled RF coil array for MRI, WO2018175530, 2018.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Spulenarray aus mindestens zwei Spulenelementen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spulenelement gebogen ist und eine Öffnung hat, so dass ein Zugang von mindestens einer Zuleitung zu einem zu untersuchenden Objekt ermöglicht wird.
2. Spulenarray nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente, welche nicht gebogen und offen sind, Oberflächenspulen sind.
3. Spulenarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der Spulenelemente die gebogen und offen sind, so groß ist, dass sie den Zugang von mindestens einer Komponente der Gruppe aus einem Schlauch, Zuleitung für Beatmung oder Anästhesie oder künstliche Ernährung, weitere Zuleitungen, Kabel oder Sonden, ermöglicht.
4. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen eine Größe in einem Bereich von 1 mm bis 30 cm haben.
5. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es über 2 bis 32 Spulenelemente verfügt.
6. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es über 1 bis 4 Spulenelemente mit einer Öffnung verfügt.
7. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente in dem Array in Form eines Zylinders, eines Kegels oder eines Kegelstumpfes angeordnet sind. Spulenarray nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente entlang des Umfangs des Zylinders des Kegels oder des Kegelstumpfes, der eine z-Achse umschließt, in einer Reihe angeordnet sind und/oder den Umfang umschließen bzw. entlang des Umfangs so angeordnet sind, dass sie ihn wenigstens teilweise umschließen. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogenen und offenen Spulenelemente so angeordnet sind, dass sie wenig Sensitivitäten im Bereich von luftgefüllten Kavitäten eines zu untersuchenden Objekts aufweisen. Spulenarray nach einem er Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente ein Objekt eines Umfangs von 35 cm bis 45 cm oder eines Volumens von 1260 cm3 bis 1130 cm3 umschließen. Spulenarray nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenspulen über mindestens einen Kondensator verfügen. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die gebogenen offenen Spulen über mindestens einen Kondensator verfügen. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen über Mittel zur Einspeisung und Impedanzanpassung verfügen. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es über Mittel zur Entkopplung der einzelnen Spulen verfügt. Verwendung des Spulenarrays nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für die Magnetresonanztomographie, die Magnetresonanzspektroskopie, sowie in MR kompatiblen Neugeborenen Inkubatoren.
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