FI86774C - Foerfarande och anordning foer avbildning av ett omraode under anvaendande av kaernmagnetisk resonans, varvid huvudmagneten har en styrbar faeltamplitud - Google Patents

Description

86774

Menetelmä ja laite alueen kuvaamiseksi käyttäen ydinmag-neettista resonanssia, jolloin päämagneetilla on ohjattava kenttäamplitudi 5 Tämä keksintö liittyy lääketieteellisiin kuvausjär jestelmiin, jotka käyttävät ydinmagneettista resonanssia. Ensisijaisessa käyttötarkoituksessaan keksintö liittyy nmr (nuclear magnetic resonance = ydinmagneettinen resonanssi) -kuvien muodostamiseen alhaisin kustannuksin parantuneella 10 signaalikohinasuhteella.

Ydinmagneettinen resonanssi - tai nmr-kuvaus on viime aikoina tullut kaupallisesti saatavissa olevaksi ja se on otettu innostuneesti vastaan johtuen ionisoivan säteilyn puuttumisesta ja sen merkittävästä kyvystä visuali-15 soida vaikeasti käsiteltävissä olevia tautiprosesseja. Sen korkeat kustannukset pyrkivät kuitenkin rajoittamaan sen käytön suurimpiin lääketieteellisiin keskuksiin.

Yleinen kuvaus teoriasta ja laitteistosta, jota käytetään nmr-kuvauksessa voidaan saada teoksesta otsikol-20 taan "Nuclear Magnetic Resonance Imaging in Medicine", julkaistu 1981 Igaku-Shoin, Ltd:n, Tokio, toimesta.

NMR-instrumentit vaativat hyvin voimakkaan päämag-neettikentän useiden pienempigradienttisten kenttien kanssa. Varhaiset nmr-instrumentit käyttivät resistiivisiä 25 sähkömagneetteja 0,5 - 1,5 kilogaussin pääkentän tuottamiseen. Vaikka nämä muodostivat mielenkiintoisia kuvia sig-naalikohinasuhde eli sks oli riittämätön joitakin tutkimuksia varten. Magneettikentän voimakkuutta rajoittaa re-sistiivisen magneetin tehohäviö. Tämän ongelman voittami-30 seksi otettiin käyttöön suprajohtavat magneetit pääkentän muodostamiseksi. Vaikka nämä muodostavat vaaditut voimakkaat kentät ilman häviöongelmia, ne ovat hyvin kalliita, kriittisiä käyttää ja ne kuluttavat suhteellisen suuria määriä nestekaliumjäähdytysainetta. Ne muodostavat kuiten-35 kin voimakkaita 5 kilogaussin luokkaa olevia kenttiä. Kos- 2 86774 ka sks vaihtelee likimain, kuten magneettikentän neliö, nämä voimakkaammat kentät ovat erittäin suotavia kaikkien nmr-kuvaustapojen yhteydessä.

Kuvaamisen lisäksi on usein suotavaa muodostaa 5 spektri, joka edustaa pienen tilavuuden materiaaliosia, jotta voidaan tutkia esimerkiksi fosforiaineenvaihtoa. Nämä tutkimukset vaativat kuitenkin hyvin voimakkaan pää-kentän tavallisesti yli 10 kilogaussia. Näillä kentänvoimakkuuksilla kuvaaminen on kuitenkin hyvin vaikeaa, jos ei 10 mahdotonta, johtuen kudosvaimennuksesta. Tämän johdosta yksi ainoa kone, joka muodostaa tehokkaasti kuvia ja ku-dosanalyysejä ei voi toimia kiinteällä kentänvoimakkuudella.

Yhden ainoan voxelin erottaminen kudosanalyysiä 15 varten voidaan suorittaa useilla tavoilla. Yhtä tapaa on E.R. Andrew kuvannut artikkelissaan otsikolla "Nuclear Magnetic Resonance Imaging: The Multiple Sensitive Point Method." IEEE Transactions on Nuclear Science, Voi. NS-27, kesäkuu 1980, sivut 1232-1238. Tässä järjestelmässä 20 erilaisten taajuuksien ajan suhteen muuttuvia gradientteja käytetään kolmen kohtisuoran akselin suunnassa. Tämän johdosta kaikki alueet pientä voxelia lukuun ottamatta ovat ajallisesti vaihtelevia ja keskiarvoistuvat nollaksi. Tämän johdosta tuloksena oleva signaali on voimassa ainoas-25 taan kiinnostuksen kohteena olevan voxelin suhteen. Pitkiä integrointiaikoja täytyy käyttää spektrin niiden hienojen viivojen erottamiseksi, jotka edustavat aineenvaihduntaa ilmaisevia parametrejä.

Yksi käyttökelpoinen tapa on käyttää kuvausjärjes-30 telmää tautialueiden identifioimiseen ja käyttää sitten spektrianalyysiä pienillä alueilla taudin luonteen paljastamiseksi. Tämä vaatii kuitenkin sekä kuvaus- että spektroskooppista kykyä, mikä vaatii magneettikenttää, jota voidaan muuttaa.

35 Tämän keksinnön kohteena on mahdollistaa resistii- li 3 86774 visten sähkömagneettien toiminta voimakkailla kentillä ilman liian suurta tehohäviötä.

Tämän keksinnön toinen kohde on mahdollistaa pienen alueen kuvaamisen ja spektroskooppisen analyysin suoritta-5 minen samalla instrumentilla.

Keksinnölle on tunnusomaista se, mitä jäljessä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.

Keksinnön tarkemman kuvan saamiseksi voidaan viitata seuraavaan selitykseen, jossa 10 kuvio 1 on keksintöä havainnollistava kaavio.

Käsitys keksinnön laajoista mahdollisuuksista voidaan saada parhaiten viittaamalla kuvioon 1. Nmr-kuva on tehtävä kohteesta 10 tavallisesti ihmisruumiista. Pääkent-täkelat ovat tavallisesti sarja solenoideja, jotka muo-15 dostavat suhteellisen tasaisen kentän. Havainnollistuksen vuoksi on esitetty kaksi sarjaankytkettyä solenoidia 11 ja 12. Tavanomaisissa järjestelmissä nämä saavat tehonsa ta-savirtalähteestä, jonka virtaa rajoittaa itse kelojen tehohäviö.

20 Tässä keloja käytetään pulssilähteellä 13. Tiedon keruu jakson aikana vastaten aikaväliä T virtaa kasvatetaan arvoon Ihuippu, kuten on esitetty. Niin kauan kuin aika T on pieni verrattuna kelajärjestelmän termiseen aikavakioon tai termiseen inertiaan, magneetti ei saavuta lopullista 25 lämpötilaansa. Sen sijaan lämpötila perustuu keskimääräiseen tehosyöttöön eikä huipputehosyöttöön. Sen johdosta niin kauan kuin käytettyjen pulssien toimintajakso on suhteellisen lyhyt huippuvirta Ihuippu ja resultoiva magneettikenttä voivat olla paljon korkeampia kuin tavanomaisesti 30 käytetään, niin että voidaan saavuttaa haluttu 3,0 - 5,0 kilogaussin alue suhteellisen halvalla järjestelmällä.

Koska useita nmr-kuvausjärjestelmiä on selitetty kirjallisuudessa mukaan lukien edellä esitetty teos Nuclear Magnetic Resonance Imaging in Medicine, mitä ei ku- 35 vata tässä yksityiskohtaisesti. Yleistä kaikille järjes-

A

4 86774 telmille ovat kuitenkin suurtaajuuskelat 17 ja 18, jotka tuottavat pääkenttään nähden kohtisuoran kentän ydinspin-nien kiihdyttämiseksi ja resultoivien signaalien vastaanottamiseksi. Tiedonkeruujärjestelmä 14 edustaa yleisesti 5 lähetintä suurtaajuuskeloja varten ja resultoivien signaalien vastaanotinta sopivina aikaväleinä. Nämä signaalit käsitellään tiedonkäsittelyjärjestelmällä 15 kuvainformaa-tion muodostamiseksi kohteen 10 eri alueista. Joissakin suoritusmuodoissa vastaanotetusta signaalista otetaan Fou-10 rier-muunnos tilainformaation muodostamiseksi. Tätä käytetään sitten kussakin projektiossa rekonstruointijärjestelmässä. Rekonstruoitu kuvainformaatio esitetään 16:ssa.

Tiedonkeruujakso T voidaan määrittää monin tavoin. Useimmissa kuvausjärjestelmissä, kuten on selitetty aiem-15 min mainitussa teoksessa Magnetic Resonance Imaging in Medicine, saadaan sarja projektioita halutusta alueesta. Kuhunkin projektioon liittyy suurtaajuisen kentän kiihdy-tyspulssijakso, jota seuraa signaalin vastaanotto ydin-spinneistä. Noin 200 tällaista projektiota otetaan noin 20 sekunnin välein vastaten noin 2-5 minuutin kokonaistiedon-keruuaikaa kiinnostavaa aluetta varten riippuen tietystä käyttötarkoituksesta. Aikajakso T voi vastata tätä muutamien minuuttien kokonaisaikaväliä. Tämä aikaväli on vähäisempi kuin useimpien käytettyjen magneettien terminen ai-25 kavakio. Monikerrosjärjestelmien tapauksessa, jotka samanaikaisesti keräävät kaikki lohkot tässä muutamien minuuttien aikavälissä tämä olisi kokonaisaika kutakin potilasta varten. Siten tavanomainen aika, joka vaaditaan potilasta vaihdettaessa itsessään varmistaisi vaaditun lyhyen käyt-30 töjakson. Yksikerroskoneessa riittävä aika sallittaisiin kerrosten välillä alhaisen keskiarvon saavuttamiseksi ja liian suuren tehohäviön välttämiseksi.

Vaihtoehtoinen lähestymistapa on saada aikavakio T vastaamaan kutakin projektioaikaväliä. Kunkin projektion 35 kiihdytys ja vastaanottojaksot ovat luokkaa 10 ms tai noin i; 5 « 6 7 7 4 1 % yhden sekunnin toistotaajuudesta. Pulssi voitaisiin kytkeä päälle juuri näiden aikavälien aikana ja pois lepo-jaksojen aikana vaaditun alhaisen käyttöjakson saavuttamiseksi. Nämä suhteellisen lyhyet pulssit vaativat kuitenkin 5 käämit, joissa on vähennetty hajakapasitanssi itsevärähte-lytaajuuden kasvattamiseksi. Myös pulssigeneraattorivaati-mukset ovat vaikeammat.

Pulssiaaltomuoto kuviossa 1 on esitetty nousevine ja laskevine jaksoineen. Tämän tarkoituksena on välttää 10 liian suuria jännitteitä pääkäämien 11 ja 12 yli. Nämä jännitteet kunkin kelan yli saadaan

u = L di/dt + iR

15 missä i on hetkellinen virta ja L ja R ovat vastaavasti kelan induktanssi ja resistanssi. Huippujännitettä pienennetään sen johdosta olemalla tekemättä di/dt:tä, virran muutosnopeutta siirtymän aikana, vaadittua suuremmaksi. Suhteellisen pitkän nousu- ja laskuajan omaavan virtapuls-20 sin käyttö ei ole ongelma niin pitkään kuin pulssi on täysin päällä vaaditun tiedonkeruuaikavälin aikana.

Kuten aaltomuodon katkoviivoilla esitetyssä osassa on esitetty, pulssin ei tarvitse laskea nollaan tiedonkeruu jaksojen välillä. Useiden syiden johdosta voi olla suo-25 tavampaa laskea virta arvoon I^, kuten on esitetty kuviossa 1. Vaaditaan kuitenkin, että resultoiva jatkuva tehohäviö l2„inR on pienempi kuin magneettikelojen 11 ja 12 maksi-mihäviö. Yksi syy käytölle liittyy stabiilisuuteen.

Mittamuutosten minimoimiseksi magneettirakenteessa, jotka 30 saattaisivat häiritä yhtenäisyyttä, I,^,, käyttö minimoi läm-pötilamuutokset auttaen siten magneetin stabilointia. Toinen syy käytölle liittyy kuvausaikaan. Koska magnetoin-ti katoaa pääkentän puuttuessa magnetoinnin palauttaminen tutkittavaan kohteeseen voi vaatia lisäaikaa. I„ln läsnäolo 35 takaa jatkuvan magnetoinnin jollakin minimitasolla.

6 86774

Toinen tapa varmistaa, että magneetti toimii kiinteässä stabiilissa lämpötilasta on käyttää toistuvasti pulssitettua aaltomuotoa. Siten pulssi 13 kuviossa 1 toistuisi kiinteällä aikavälillä. Tämä varmistaisi kiinteän 5 keskimääräisen tehon ja tehohäviön magneetissa ja muodostaisi yhä halutun korkean huippukentän johtuen arvosta Ihulppu. Kuten aiemminkin pulssien välillä, virta voisi laskea nollaan tai arvoon I^. Tiedonkeruuoperaatio ajoitetaan sitten sattumaan yhteen huippuvirta-aikavälien kanssa.

10 Epätarkkojen magneettikenttien ongelman minimoimi seksi, joita voi esiintyä käytettäessä pulssitettua lähdettä, voidaan käyttää erilaisia tarkkailujärjestelmiä. Nämä ottavat näytteitä magneettikentästä, jotta varmistetaan sen olevan oikeassa arvossaan. Jos sen arvo on väärä, 15 joko virtaa voidaan muuttaa sen korjaamiseksi tai kuvausjärjestelmässä käytettyjä taajuuksia voidaan sopivasti muuttaa muuttunutta magneettikenttää varten.

Eräs kiinnostava tapa magneettikentän tarkkailuun on kuvattu GB-patenttihakemuksessa G i N 2 076 542 hakija-20 na EMI Limited ja keksijänä Godfrey Hounsfield ja otsikoltaan "MNR Imaging Apparatus". Tässä ryhmä heloja on sijoitettu kohteen molemmille puolille kiinnostavan tason molemmille puolille kehitettyjen taajuuksien tunnustelema -seksi. Näitä signaaleja käytetään sitten dekoodaamaan in-25 formaatiota kiinnostavan tason sisällä, niin että automaattisesti kompensoidaan kaikki satunnaiset vaihtelut kentässä.

Monet variaatiot ovat mahdollisia tähän yleiseen teemaan niin kauan kuin pulssin kesto T on lyhyempi kuin 30 terminen aikavakio ja että yhdistetty keskimääräinen teho pitkällä aikavälillä on vähäisempi kuin sallittu tehohäviö. Tämä pitkä aikaväli on pitempi kuin terminen aikavakio. Tätä menetelmää voidaan käyttää minkä tahansa tiedonkeruu ja -käsittelyjärjestelmän kanssa ja se soveltuu eri-35 tyisesti järjestelmiin, joihin liittyy lyhyet tiedonkeruu- rv-..

7 86774 aikavälit, kuten tasokaikujärjestelmä, jota ovat kuvanneet P. Mansfield ja I.L. Pykett julkaisun Journal of Magnetic Resonance, voi. 29, 1978, sivujen 355-373 artikkelissa "Biological and Medical Imaging by NMR".

5 Kuten aiemmin on mainittu, on suotavaa, että sama kone kykenee sekä kuvaamiseen että pienten tilavuuksien spektrokopioon. Tätä ei nykyisin voida toteuttaa, koska järjestelmät käyttävät kiinteitä pääkenttiä. Suprajohtavat magneetit eivät kykene muutokseen.

10 Viitaten kuvioon 1 järjestelmä voidaan ensin kiih dyttää kuvausta varten, kuten aiemmin on kuvattu, missä ihuippu edustaa noin 3-5 kilogaussin pääkenttää, joka soveltuu kuvaamiseen. Voimakkaammat kentät johtavat vaimentumiseen ja resultoivan kuvan heikkenemiseen. Kuvat tutkitaan 15 ja löydetään patologisia alueita tai vammoja. Näiden vammojen identifioimiseksi arvoa Ihuippu kasvatetaan 10-20 kilogaussin kentän muodostamiseksi jälleen varmistuen, että keskimääräinen häviöteho on rajan sisällä ja kesto T on pienempi kuin magneetin terminen aikavakio. Tämän ajan ai-20 kana, kuten aiemmin on ilmaistu, gradienttikelat, joita ei ole esitetty, magnetoidaan vaihtovirtasignaaleilla plus esijännitteellä siten, että vain alue, joka edustaa vammaa, ei vaihtele ajan suhteen ja tuottaa ulostulosignaalin. Tämä signaali Fourier-muunnetaan dataprosessorilla 15 25 ja spektri esitetään näytöllä 16. Tämä spektri ilmaisee vamman luonteen, kuten erottaa hyvänlaatuisen kasvaimen pahanlaatuisesta kasvaimesta Γ-

Claims (10)

1. Menetelmä alueen kuvaamiseksi käyttäen ydinmag-neettista resonanssia, jolloin päämagneetilla (11, 12) on 5 ohjattava kenttäamplitudi, tunnettu siitä, että päämagneettikentän amplitudia kasvatetaan tiettyyn, olennaisesti vakiona pysyvään arvoon (IhuippU) kuvadatan kerää-misaikavälin aikana ajaksi (T), joka on lyhyempi kuin pää-magneetin (11, 12) terminen aikavakio, ja pienennetään 10 päämagneettikentän amplitudia aikoina, joina kuvadataa ei kerätä.

2. Laite alueen ydinmagneettisten kuvien tuottamiseksi, tunnettu siitä, että se käsittää sähkömagneetin (11, 12, 17, 18) kuvausjärjestelmän pääkentän muo- 15 dostamiseksi, tiedonkeruuvälineet (14) nmr-kuvadatan keräämiseksi, tiedonkäsittelyvälineet (15) nmr-datan käsittelemiseksi kuvan tuottamiseksi, ja välineet (13) päämagneettikentän amplitudin ohjaamiseksi, jolloin sitä kasvatetaan tiettyyn, olennaisesti vakiona pysyvään arvoon 20 (^huippu) datan keräämisen aikana ajaksi (T), joka on lyhyempi kuin sähkömagneetin terminen aikavakio ja pienennetään aikoina, joina kuvadataa ei kerätä.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että kenttä sammutetaan aikoina, joina 25 kuvadataa ei kerätä.

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että kenttää pienennetään aikoina, joina kuvadataa ei kerätä arvoon (Imin)/ joka johtaa keskimääräiseen tehohäviöön sähkömagneetissa (11, 12), joka on salli- 30 tun maksimihäviön alapuolella.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että aika (T), jonka päämagneettikenttä on lisätyllä tasolla, vastaa aikaa, joka vaaditaan alueen kaiken kuvadatan keräämiseen.

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tun- 9 86774 n e t t u siitä, että aika (T), jonka päämagneettikenttä on lisätyllä tasolla, vastaa datan keräysaikaa yhtä pro-jektioaikaväliä varten.

7. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, t u n -5 n e t t u siitä, että kasvavan ja pienenevän magneettikentän muutosnopeus on rajoitettu arvoon, joka estää liian suurta jännitettä esiintymästä sähkömagneetin yli ja aiheuttamasta läpilyöntiä.

8. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, t u n -10 n e t t u siitä, että se käsittää välineet magneettikentän kasvattamiseksi arvoon, joka on korkeampi kuin kuvadatan keräämiseen käytetty, välineet nmr-datan keräämiseksi alialueesta, joka on oleellisesti pienempi kuin kuvattu alue, ja välineet nmr-datan käsittelemiseksi alialueesta 15 käyttäen spektrianalyysiä alialueen luonnehtimiseksi.

8 Γ· 6 7 7 1

9. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että välineet päämagneettikentän amplitudin ohjäämiseksi sisältävät välineet kentän kasvattamiseksi jaksoittain kiinteällä toistotaajuudella.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä ydin- magneettista resonanssia käyttäen kuvatun alueen alialueen kudoksen luonnehtimiseksi, tunnettu siitä, että pulssitetaan päämagneettikenttä ensimmäiseen arvoon kuva-datan keräämisajan aikana, jonka kesto on lyhyempi kuin 25 päämagneetin (11, 12) terminen aikavakio, kerätään ja käsitellään kuvadata alueesta, pulssitetaan päämagneettikenttä toiseen arvoon, joka on korkeampi kuin ensimmäinen arvo ajaksi, joka on lyhyempi kuin päämagneetin terminen aikavakio, kerätään nmr-signaalit alialueesta, ja analy-30 soidaan spektrisesti signaalit alialueesta. ίο 8 6 7 7 4