FI89213C - Magnetresonansavbildningsanordning - Google Patents

Description

1 89213

Magneettiresonanssikuvauslaite. - Magnetresonansavbildningsan-ordning.

Tämän keksinnön kohteena on magneettiresonanssikuvauslaite, jolla voidaan suorittaa elektronispinresonanssi1 la tehostettua magneettikuvausta.

Magneettiresonanssikuvaus (MRI), jäljempänä magneettikuvaus, on non-invasiivinen kuvaustekniikka, joka on saavuttamassa lisääntyvää hyväksyntää lääkäreiden keskuudessa käytettäväksi lääketieteellisissä diagnooseissa. Tekniikan kehitti Lauter-bur, joka julkaisi ensimmäiset magneettikuvat v. 1973. Vuonna 1985 ainakin 500 magneettikuvauslaitetta oli asennettu sairaalakäyttöön ympäri maailmaa (katso esim. Lauterbur, Nature 242: 190-191 (1973), Steinberg, A.J.R. 147: 453-454 (1986) ja Steiner, A.J.R. 145: 883-893 (1985)).

Magneettikuvat kehitetään käsittelemällä MR-signaaleita, jotka havaitaan kohteesta, esim. ihmisen tai eläimen kehosta, joka on sijoitettu magneettikenttään ja johon kohdistetaan säteily-pulsseja, tyypillisesti radiotaajuudella (RP), joka on valittu virittämään MR-siirtymiä kohteen tietyissä ytimissä ("kuvaus-ytimet"), joiden spin on nollasta poikkeava.

Avaruuspaikkainformaation koodaamiseksi MR-signaaleihin ku-vaustapahtuman aikana modifioidaan magneettikenttää, jossa kohde on, aiheuttamalla magneettikenttägradientteja tasaiseen primäärimagneettikenttään B0. Niinpä esimerkiksi, koska ku-vausytimien resonanssitaajuus on riippuvainen sen magneettikentän (B) voimakkuudesta jossa ne sijaitsevat, samoin kuin tietysti muista tekijöistä kuten kemiallisesta ympäristöstä ja ytimien (jotka voivat olla esim. ^H, ^C, 19p) isotooppi-luonteesta, aiheuttamalla kohteeseen z-suuntainen kenttägradi-entti niiden jaksojen aikana, joina kohteeseen kohdistetaan MR siirroksen virittäviä säteilypulsseja, näytteen läpi kulkevan 2 89213 xy-tasossa olevan viipaleen, joka emittoi MR-signaaleita, sijainnin ja paksuuden z-suunnassa määrittää ensiökentän B0 voimakkuus, käytetty kenttägradientti dB/dz, ja viritys-pulssien taajuus ja kaistanleveys.

Määrittämällä tämänjälkeen lisää kenttägradientteja ajanjaksona, joka on MR-siirroksen virittävän säteilyn aloituspulssin ja MR-signaalin havaitsemis jakson välillä ja myös havaitsemis-jakson aikana, voidaan samalla tavoin koodata x ja y avaruus-paikkainformaatiota MR-signaaliin.

Tunnetaan useita erilaisia koodaustekniikoita, mutta ne kaikki perustuvat siihen, että ensiökenttään synnytetään kenttägradientte ja, joilla on eri suuruudet ja/tai eri suunnat, erityisesti sekvensseinä, jotka ovat MR-siirroksen viritys-/ MR-signaalin havaitsemisjaksojen sisällä.

Lisäksi käyttämällä erilaisia pulssi- ja havaitsemissekvensse-jä, esim. spinkaiku, spin inversio, spin recovery jne., voidaan havaituista signaaleista kehittää eri tyyppisiä MR-kuvia, esim. kuvia, joiden kuva-alkiotiheys on verrannollinen ku-vausytimien tiheyteen kohteen vastaavassa tilavuuselementissä (esim. protonitiheyskuvat), Tj ja T2 kuvat.

Magneettikuvauksen periaatteiden yleistä selvitystä varten viitataan artikkeleihin Bottomley, Rev. Sei. Instrum. 53: 1319-1337 (1982), Hinshaw et ai., Proc. IEEE 71: 338-350 (1983), House IEEE Trans. Nucl. Sei. NS-27: 1220-1226 (1980), Koutcher et ai. J. Nucl. Med.25: 371-382 (1984), Mansfield et ai."Advances in Magnetic Resonance" kustantanut Waugh, Academic Press, New York (1982), Twieg, Med. Phys. 10: 610-621 (1983) ja Kean et al. "Magnetic Resonance Imaging", Heinemann, Lontoo (1986).

Magneettikuvauslaitteessa primäärimagneettikenttä BQ synnytetään tavallisesti suprajohtavalla magneetilla, resistiivisellä magneetilla tai kestomagneetilla. Käytetyn primäärimagneetti- 3 89213 kentän voimakkuuden valinta magneettikuvauksessa vaikuttaa saatavien kuvien laatuun ja ominaisuuksiin ja vaikuttaa myöskin kuvanmuodostusaikaan ja magneettikuvauslaitteen hankinta-ja käyttökustannuksiin. Niinpä esimerkiksi tiettyä kuvanmuo-dostustapahtumaa varten voimakkaampien ensiökenttien käyttö johtaa signaali/kohina suhteen paranemiseen. Tästä johtuen parhaat toistaiseksi aikaansaadut magneettikuvat on tehty käyttäen voimakkaita ensiömagneettikenttiä, jotka on synnytetty suprajohtavilla magneeteilla. Tämä johtuu siitä että sellaiset magneetit antavat hyvin voimakkaan, stabiilin ja homogeenisen kentän samalla kun ne jonkinverran suojaavat ulkoisilta häiriömagneettikentiltä. Epäkohtana on kuitenkin se, että sellaiset magneetit ovat hyvin kalliita ja niitä on vaikea asentaa ja huoltaa, ja myöskin se, että nyt on havaittu voimakkaiden kenttien käyttöön liittyvän vaaroja.

Pienemmillä kentänvoimakkuuksilla, esim. 2000 gaussia (0,2T), voidaan käyttää resistiivisiä magneetteja, ja kentänvoimakkuuksilla 200 gaussia (0,02T) tai sen alle tällaiset magneetit ovat melko halpoja ja yksinkertaisia käyttää ja asentaa. Pienillä kentänvoimakkuuksilla tulee kuitenkin esiin teknisiä ongelmia, erityisesti heikko signaali/kohina suhde, mikä aiheutuu magneettikuvaussignaalin pienestä amplitudista ja taajuudesta.

Tähän tekniseen ongelmaan on vaikutettu monilla tavoilla. Niinpä esimerkiksi Hafslund Nycomed julkaisussa WO-A-88/10419 ja Laurie et ai. julkaisussa J. Magn. Reson. 76: 360-370 (1988) ovat kuvanneet dynaamisen polarisaation käyttöä, mikä on synnytetty kytkettyjen ESR siirrosten stimulaatiolla, lisäämään magneettikuvaussignaalin voimakkuutta, ja Stepisnik et ai. julkaisussa Society of Magnetic Resonance in Medicine, Seventh Annual Meeting, 20-26. elokuuta 1988, sivu 1060, ovat ehdottaneet että polarisaatiota voidaan tehostaa kohdistamalla kuvausytimiin pulsseja,joilla on voimakkaampi magneettikenttä, ennen magneettikuvaussignaalien detektoimista. On myöskin mahdollista lisätä signaali/kohina suhdetta vähentämällä 4 89213 magneettikuvaussignaalin detektorin, RF-vastaanotinkelan kohinaa jäähdyttämällä sitä nestetypellä ja/tai tekemällä se suprajohtavasta materiaalista.

Käyttämällä dynaamista polarisaatiota elektronispinresonassi1 -la tehostetussa magneettikuvauksessa (ESREMRI), magneettikuvaussignaalin voimakkuus tehostuu tekijällä (E), jonka absoluuttinen arvo riippuu useista tekijöistä, mutta joka voi käytännössä olla niinkin korkea kuin sata tai enemmän.

ESREMRI:ssa paramagneettinen materiaali ("kontrastianne") toimii ESR siirrosten lähteenä ja yleensä se sijoitetaan kuvattavaan kohteeseen, esim. ihmisen tai muun kuten nisäkkään kehoon tai elottomaan näytteeseen ennen kuvauksen suoritusta. Kohdetta säteilytetään ensimmäisellä säteilyllä, jonka taajuus ja amplitudi ovat valitut virittämään osan tai kaikki kontras-tiaineen ESR siirrokset (tämä on yleensä MW~alueen taajuus ja siksi yksinkertaisuuden vuoksi sellaista säteilyä kutsutaan tämänjälkeen MW-säteilyksi). Magneettikuvan aikaansaamiseksi kohdetta sätei1ytetään toisella säteilyllä, jonka taajuus on valittu virittämään ydinspin-siirrokset kuvausytimissä (tämä on yleensä RF-taajuusalueella ja siksi yksinkertaisuuden vuoksi sellaista säteilyä kutsutaan tämänjälkeen RF-säteilyk-si). RF-säteilypulssit ja niiden ajoitus ja magneettikenttä-gradienttien määrääminen niin että tuloksena saadaan magneet-tikuvaussignaaleita, joista voidaan kehittää ESR tehostettuja magneettikuvia, voivat olla, kuten on kuvattu julkaisussa WO-A-88/10419, kuten tavanomaisessa magneettikuvauksessa.

Lopputuloksena on parannettu magneettikuva, joka esittää kohteen tilavuuksia, jotka sisältävät kontrastiaineen, kuvan signaalivoimakkuuden ollessa vahvistettu kertoimella E, joka voisi teoreettisesti olla niinkin korkea kuin 330.

ESREMRI:llä on siis se etu, että kuvan signaali/kohina suhdetta voidaan suuresti parantaa. Sen ansiosta voidaan tehdä hyviä 5 89213 kuvia ensiömagneettikentän suhteellisen pienillä voimakkuuksilla. Toinen etu on se, että kuvat esittävät kontrastiainetta sisältävät kohteen osat paljon voimakkaammin kuin ne osat, jotka eivät sisällä kontrastiainetta. Tämä on erityisen edullista tutkittaessa virtausdynamiikkaa kohteessa tai potilaassa .

ESREMRI:llä on kuitenkin myös rajoituksensa. Yksi sellainen on selvästi MW säteilyn pyrkimys kuumentaa kohdetta. Täten tietyn kokoisella ja muotoisella kohteella ja tietyllä kuvausti1avuu-della kohteen absorboima teho, Pa, on verrannollinen MW säteilyn amplitudin ja taajuuden neliöihin. Täten 2 2 ^a = ko* **m * ^m * ®m jossa kQ on vakio ja Dm on MW säteilyn toimintajakso, ts. kokonaiskuvansajän suhteellinen osuus, jonka kohde on MW säteilyn alaisena. Toimintajakso on sisällytetty kaavaan (1), koska MW kuumennusta voidaan rajoittaa antamalla MW säteily lyhyinä pulsseina. Pa on täten tehollinen kudoksen keskimääräinen MW-tehon absorptioarvo. Tällainen keskimääräistäminen voidaan tehdä 0,1 tuntia kestävän ajan kuluessa turvallisuusmääräysten ANSI C95.1-1982 mukaisesti. Tämän tehonabsorption on oltava tarpeeksi pieni, jotta ominaisabsorptioaste (SAR / specific absorbtion rate) ei ylitä turvallisuusrajo ja. (Määritelmät ja suositellut ylärajat SAR:lie annetaan eri maiden viranomaisten toimesta, esim. USA:ssa Federal Drug Administration).

Toinen ongelma tai rajoitus ESREMRI:llä liittyy "alkuperäis-kuvaan", ts. tehostamattomaan kuvaan, esim. niiden osien kuvaan, jotka eivät sisällä kontrastiainetta. Liiallisen kuumenemisen välttämiseksi tulisi valita todella pieni arvo MW säteilyn taajuudelle Fm ja tämä automaattisesti rajoittaa magneettikenttää Be, jolla elektronit resonoivat taajuudella Fm koska Fm on verrannollinen kentänvoimakkuuteen Be. Pulssit-tamalla MW säteily kuten selitettiin, jolloin Dm tulee pienem- 6 892 I 3 maksi, voidaan sietää suurempia Fm:n arvoja, mutta silti vain tiettyyn käytännölliseen rajaan asti. Kaavasta (1) nähdään, että tähän rajaan vaikuttaa voimakkaasti Am, eli MW amplitudi, joka tarvitaan ESR viivan sopivaa stimulaatiota tai saturaa-tiota varten. Tunnetut paramagneettiset aineet, esim. typpioksidin stabiilit vapaat radikaalit, tarvitsevat melko korkeita Am arvoja lämmön kehityksen kannalta katsottuna. Jopa parannetuilla kontrastiainei1 la, esim. deuteroidut stabiilit vapaat radikaalit, joista on puhuttu julkaisussa Hafslund Nycomed WO-A-90/00904, näyttää selvältä, että kuumeneminen on edelleen otettava huomioon.

Se tosiasia, että liiallisen MW kuumennuksen välttäminen vaatii käytettäväksi suhteellisen heikkoja magneettikenttiä (Be), merkitsee sitä, että ydinpolarisaatio, joka on verranol-linen kentänvoimakkuuteen, pienenee ja sen seurauksena MR signaalin voimakkuus myös pienenee ja kuvan laatu heikkenee. ESREMRI kuvat ovat edelleen hyviä MR signaalin voimakkaan tehostumisen takia; mutta alkuperäiskuvien laatu on ongelmallinen ja käytännöllisiä kliinisiä sovelluksia varten on hyvin toivottavaa kyetä saamaan myöskin hyviä alkuperäisiä magneettikuvia, koska muutoin ESREMRI kuvien, jotka tuovat korostetusti esiin kontrastiainetta sisältävät alueet, tulkinta voi estyä.

Tunnetussa tekniikassa ehdotetaan kahta menetelmää, joilla ESREMRI kuvia ja kelvollisia alkuperäismagneettikuvia voitaisiin kehittää liikuttamatta kohdetta ESREMRI kuvaus-laitteesta tavanomaiseen MRI kuvauslaitteeseen - menettely, joka ei sallisi tarkoin pääl1ekkäisasettuvien ESREMRI- ja alkuperäis-magneettikuvien välitöntä kehittämistä. Molempiin näistä menetelmistä liittyy ensiömagneettikentän nopea jaksotus kahden arvon välillä, joista toisessa ydinspinsiirrokset stimuloidaan RF-sätei1yl1ä ja magneettikuvaussignaalit detek-toidaan ja toisessa, yhden menetelmän mukaisesti, suoritetaan ydinpolarisaatio, ja toisen menetelmän mukaisesti, suoritetaan MW-sätei1ytys.

7 89213 Näistä ensimmäisessä menetelmässä käytetään Stepinsk et ai. (supra) menettelyä ja ensiömagneettikenttä kytketään nopeasti jaksotettuna suuren arvon Bp,joka on ydinpolarisaatiojaksoa varten ja kestää suunnilleen ajan T^p, kuvausytimien spin-hila relaksaatioaika, ja pienen arvon B0 välillä, joka B0 on kuvausjaksoa varten, jonka aikana suoritetaan ESREMRI- tai alkuperäismagneettikuvan kehityksen viritys-ja detektointijakso. Polarisaatiojakson aikana kuvausytimi1 le annetaan sopivan korkea polarisaatioaste, joka siirretään kuvausjaksoon kytkemällä nopeasti jaksotettuna ensiökenttä arvosta Bp arvoon B0 ajanjaksona, joka on paljon lyhyempi kuin T2p, kuvausytimien spin-spin relaksaatioaika. Tällä tavoin riittävän pieni B0:n arvo, jolla MW-kuumennus on siedettävä, voitiin valita samalla kun yhä saavutettiin riittävä ydinpolarisaatio, jolla alkupe-räiskuvat ovat kelvollisia.

Toisessa menetelmässä käytetään menettelyä, jota ovat kuvanneet Sepponen (katso suomalainen patenttihakemus No. 883153) tai Laurie et ai. (katso J. Mag. Reson. 84:431 (1989) ja Society of Magnetic Resonance in Medicine, 8. vuosikokous, s.329) ja jossa ensiömagneettikenttää kytketään nopeasti jaksotettuna pienen arvon Bc ja suuren arvon B0 välillä, joista pieni arvo Bc on ESR-saturaatiojaksoa varten ja kestää suuruusluokkaa T^p olevan ajan, jona aikana kohde saatetaan suhteellisen pientaajuisen MW-säteilyn alaiseksi aikaansaamaan kuvausytimien dynaaminen ydinpolarisaatio suhteellisen pienellä MW-kuumennuksella, ja joista suuri arvo B0 on kuvaus-jaksoa varten, jona aikana suoritetaan magneettikuvan kehityksen viritys-detektointijakso. Valitsemalla riittävän suuri B0:n arvo, voidaan kehittää laadultaan kelvollinen alkuperäismag-neettikuva.

Molemmilla näillä menetelmillä on kuitenkin vakava epäkohta siinä, että ne vaativat ensiökentän nopeaa kytkentä jaksoa ja nyt on oivallettu, että ongelma voidaan ratkaista tehokkaammin varustamalla ESREMRI-laite kelaelimillä (Fig. 1;MG,M), jotka synnyttävät ensiömagneettikentän ensimmäisen arvon Be ESREMRI- 8 89213 ydinspinsiirrosten virityksen ja magneettiresonanssisignaalin detektointijaksojen aikana elektronispinresonanssi11 a tehostettujen magneettikuvien kehitystä varten, ja kelaelimillä (Fig.1;MG;M), jotka synnyttävät ensiömagneettikentän toisen ja suuremman arvon BQ ydinspinsiirrosten virityksen ja magneet-tiresonanssisignaalin detektointijaksojen aikana alkuperäis-magneettikuvien kehitystä varten.

Näin ollen, yhden esimerkin mukaisesti, keksintö tarjoaa ESREMRI-laitteen, jossa on kelaelimet M järjestettynä synnyttämään ohjausyksikön MG avulla ensimmäisen arvon mukainen ensiömagneettikenttä Be ajanjaksoiksi, joina ydinspinsiirrok-set viritetään kelaelimien MWA ja ohjausyksikön MWG avulla ja magneettiresonanssisignaali detektoidaan kohteen (P) ESREMRI-kuvien kehittämistä varten, ja kelaelimet M järjestettynä synnyttämään ohjausyksikön MG avulla toisen ja suuremman arvon mukainen ensiömagneettikenttä BQ ajanjaksoiksi, joina ydin-spinsiirrokset viritetään kelaelimillä RF ja magneettiresonanssisignaali detektoidaan (myös kelaelimillä RF) kohteen alkuperäismagneettikuvien kehittämistä varten, ja edullisesti myöskin tietokone-elimet C näin kehitettyjen ESREMRI-kuvien ja alkuperäismagneettikuvien yhdistämiseksi, esim. päällekkäis-asettamiseksi.

Kun keksinnönmukaista laitetta käytetään magneettikuvan kehittämiseksi kohteesta, kehitetään ESREMRI-kuva ainakin osasta kohdetta kun kohteeseen aiheutetaan ensimmäisen arvon mukainen ensiömagneettikenttä, ja kehitetään alkuperäismagneettikuva ainakin osasta kohdetta kun kohteeseen aiheutetaan toisen ja isomman arvon mukainen ensiömagneettikenttä, ja edullisesti kehitetään myös yhdistetty kuva mainitun ESREMRI-kuvan ja alkuperäismagneettikuvan yhdistelmänä, esim. pääl1ekkäinase-tettuna. Jotta varmistetaan MW-kuumennusvaikutuksen minimointi, on keksinnönmukainen laite edullisesti varustettu elimillä C,MG ensiökentän kytkemiseksi jaksoittain sen ensimmäisen ja toisen arvon välillä esim. sellaisella taajuudella että kohteen MW-sätei1ytys pysyy arvon 2W/kg kehon painoa alapuolella 9 89213 minkä tahansa 6 minuutin jakson ajan. Sellaiset jaksotuselimet voidaan sopivasti aikaansaada tietokoneelle C, joka on järjestetty valvomaan koko kuvauslaitteen toimintaa. Sopivimmin jaksotuksen kytkentä suoritetaan nopeasti niin, että vaihto kestää esim. 1-60 sekuntia. Erityisen edullisesti jaksotuksen kytkentä suoritetaan niin, että ensiökentän vaikutus jakso sen ensimmäisellä arvolla, ESREMRI-jakso, kestää riittävän kauan mahdollistamaan ainakin yhden ESREMRI-kuvan kehittämisen, kun taas toisen arvon vaikutusaika voi olla riittävä ainoastaan havaitsemaan osan signaalidatasarjasta, joka tarvitaan alkupe-räismagneettikuvan kehittämiseen. Tällä tavoin aikamuuttuva ESREMRI-kuvasarja voidaan asettaa vasten alkuperäiskuvaa, joka edustaa ajallista keskiarvoa alkuperäiskuvalle koko aikajaksolla. Näin ollen keksinnön mukaisessa menetelmässä on erityisen edullista käyttää niinsanottua pikakuvaustekniikkaa, esim. näytteenotto- (snapshot) tekniikkaa ESREMRI-kuvausta varten.

Keksinnönmukaisessa laitteessa ja menetelmässä voidaan tietenkin käyttää hyväksi nopeaa jaksotusmenettelyä samaan tapaan kuin Stepisnik et ai. ja/tai Sepponen. Kuitenkin jäljempänä tarkemmin ilmenevistä syistä tätä ei yleensä tehdä.

Mutta jos niin tehdään, niin ESREMRI-kuvan aikaansaamiseksi ensiökenttää voidaan jaksoittain kytkeä ESR-viritysjaksoa varten olevan kolmannen arvon ja kuvausjaksoa varten olevan ensimmäisen arvon välillä, kolmannen arvon ollessa pienempi kuin ensimmäinen arvo. Tämän lisäksi tai vaihtoehtoisesti, voidaan alkuperäismagneettikuvien kehittämistä varten kytkeä ensiökenttä jaksoittain polarisointijaksoa varten olevan neljännen arvon ja kuvausjaksoa varten olevan toisen arvon välillä, neljännen arvon ollessa tässä tapauksessa suurempi kuin toinen arvo. Näinollen laite voi haluttaessa olla varustettu elimillä, jotka on järjestetty synnyttämään ensiömag-neettikentän mainituilla kolmannella ja/tai neljännellä arvolla.

Keksinnönmukaisen laitteen tulee tietenkin olla varustettu erilaisilla komponenteilla, jotka ovat tarpeen kehitettäessä 10 »9213 ESREMRI-kuvia tai alkuperäismagneettikuvia. Siihen voi esimerkiksi kuulua rakennekomponentteja, joita on kuvattu oheisessa piirustuksessa (kuva 1). Täten siihen voi sopivasti kuulua magneettikenttägradientin aikaansaavat kelaelimet G, jotka saavat pulssinsa ohjausyksiköstä GC tietokoneen C kautta ja mikroaaltosäteilytyksen aikaansaavat kelaelimet MWA, jotka saavat pulssinsa ohjausyksiköstä MWG tietokoneen C kautta, ja radiotaajuussätei1yn lähetys- ja detektointieliminä toimivat kelaelimet RP, joita ohjaa ohjausyksikkö TxRx,sekä elimet C kuvien kehittämiseksi detektoiduista magneettikuvaussignaa-leista, tavallisesti tietokone C, joka sopivimmin toimii myös eri kentänsynnytys- ja säteilynsynnytys/detektointielimien toiminnan ohjaamiseksi. Sellaiset komponentit ovat tietenkin tavanomaisia eivätkä siksi vaadi paljon kuvausta tässä yhteydessä .

On kuitenkin huomattava, että edullisessa suoritusmuodossa keksinnönmukainen laite voi olla varustettu kelaelimillä MWA synnyttämään MW-säteilyä, joka pystyy samanaikaisesti stimuloimaan enemmän kuin yhden ESR siirroksen kontrasti-aineessa, esim. laajakaistaemittoijalla tai edullisemmin kelaelimillä MW-säteilyn emittoimiseksi kahdella tai useammalla taajuuskaistalla.

On selvää, että kelaelimet M eri ensiömagneettikenttien Be ja B0 synnyttämiseksi voivat olla laitteen samoja tai eri komponentteja. Sanalla tavoin kelaelimet (RF) RF-säteilyn synnyttämiseksi ja ilmaisemiseksi ESREMRI-kuvan kehitystä varten ja aikuperäismagneettikuvan kehitystä varten voivat olla samoja tai erillisiä. On myös selvää, että koska diagnostikko ei ehkä tarvitse tai halua nähdä erillisiä ESREMRI-tai alkuperäismagneettikuvia ja voi pitää yhdistettyä kuvaa tarpeitaan vastaavana, ei keksinnönmukaisella menetelmällä kehitettyjen kuvien tarvitse olla suoraan nähtävässä muodossa, vaan sensijaan ne voivat olla yksinkertaisesti datasarjojen muodossa, jotka voitaisiin käsitellä muodostamaan näkyvä kuva ja jotka on 11 89213 tallennettu tietokoneen muistiin tai muuhun tiedontallennusvä- lineeseen.

Keksinnönmukaisen laitteen yhdessä edullisessa suoritusmuodossa kela tai kelat, joita käytetään magneettiresonanssisignaa-lien (vapaasti indusoituvat vaimenevat signaalit) detektoin-tiin ja valinnaisesti myös ydinspinsiirrosten virityssateilyn (RF-säteilyn) lähettämiseen kohteeseen, on sama tai ovat samoja sekä ESREMRI-kuvan että alkuperäismagneettikuvan kehittämiseen. Tässä tapauksessa laite on varustettu elimillä RF-kelojen palauttamiseksi ESREMRI- ja alkuperäiskuvien välisinä jaksoina tai vaihtoehtoisesti 1 aajakaistakeloja, jotka eivät vaadi palautusta, voidaan käyttää. Myöskin edullisessa vaihtoehtoisessa suoritusmuodossa keksinnönmukainen laite on varustettu kahdella keskenään vaihdettavalla RF-kelalla (tai kelasarjalla), joista ensimmäinen on järjestetty toimimaan ESREMRI-kuvausjaksojen aikana ja toinen on järjestetty toimimaan alkuperäismagneettikuvien kuvausjaksojen aikana. Kaksi kelaa tai kelasarjaa voidaan tehdä keskenään vaihdettaviksi esim. varustamalla kumpikin omalla asetelmalla mekaanisia johteita niin että se voidaan liikuttaa toiminta-asentoon ja siitä pois tarpeen mukaan.

Molemmissa tapauksissa keksinnönmukainen laite voidaan tällöin kytkeä ESREMRI-kuvausmoodista alkuperäiskuvia tuottavaan moodiin kohdetta liikuttamatta, erityisesti säilyttäen kohteen asema magneettikenttägradienttikeloihin nähden.

Ensiökentän voimakkuuden ensimmäisen arvon (joka esiintyy ESREMRI-kuvausjaksojen aikana) edullisimman suuruuden valinta edustaa yleensä kompromissia, erityisesti kun ESR-viritys on suoritettu käyttäen samaa ensiökenttää. Arvon tulisi täten olla niin suuri kuin mahdollista niiden turval1isuusrajojen sisäpuolella, jotka MW-kuumennus asettaa, ottaen huomioon, että MW-säteilyn amplitudin tulisi olla kuvausalueella riittävän korkea virittämään ESR-siirroksia riittävästi aikaansaamaan hyväksyttävissä oleva signaali/kohinasuhteen tehostumi- 12 89213 nen, esim. saturoimaan siirrokset pisteeseen, jossa tehostuminen tulee amplitudiin verrannollista pienemmäksi, ja ottaen myöskin huomioon sen suositeltavan tilanteen, että käytännön tarpeita varten MH-jakson kesto ei saisi ylittää 20%; erityisen edullisesti jakso on alle 10%, erityisesti 5-10% , parhaiten noin 5%.

Sitävastoin, taloudellisten ja muiden käytännöllisten näkökohtien asettamissa rajoissa, ensiökentän voimakkuuden toinen arvo (joka esiintyy alkuperäismagneettikuvien kuvausjaksojen aikana) valitaan edullisesti niin suureksi kuin mahdollista. Kun RF-kelojen on annettava palautua ESREMRI- ja alkuperäisku-vausjaksojen välillä, rajoittaa toisen arvon suuruutta palautumisen hitaus paljon suurempiin taajuuksiin johtuen kelojen hajakapasitansseista tai muista samantapaisista fysikaalisista ilmiöistä.

Kun edellämainitulla tavalla ESR-viritys suoritetaan pienellä (kolmas) ensiökentän voimakkuudella nopeasti jaksotettuna ensiökentän väliarvon (ensimmäinen) kanssa ESREMRI-kuvausjaksoja varten, samalla kun alkuperäiskuvien kehitys suoritetaan suurella (toinen) ensiökentän arvolla, on toisaalta mahdollista ensimmäisen (väliarvo) kentänvoimakkuustason huolellisella valinnalla pitää hallittavissa rajoissa teho ja pyörrevirtaon-gelmat, jotka liittyvät nopeaan jaksotukseen, ja toisaalta voidaan saavuttaa hyvä RF-kelan tehokkuus ensimmäisellä ken-tänvoimakkuusarvolla ja kelan palautumiseen liittyvät ongelmat pienenevät johtuen pienemmästä erosta ensimmäisen ja toisen kentänvoimakkuusarvon välillä. Jaksotettua tehoa voidaan täLlä tavoin verrata alkuperäismagneettikuvien kehityksessä käytettyyn.

Esilläoleva keksintö tarjoaa täten menetelmän ja laitteen, jota käytettäessä voidaan kehittää samojen alueiden ESREMRI-ja aikuperäismagneettikuvia muuttamatta kuvattavan kohteen asemaa, ja ne voidaan välittömästi asettaa tarkasti päällekkäin tulkinnan helpottamiseksi.

13 8S213

Keksinnönmukaisen laitteen edut voidaan nähdä erityisen selvästi kun otetaan huomioon pelkästään nopeaan jaksotukseen perustuvien menettelyjen epäkohdat ja tulevat erityisen selvästi esiin kuvan laadun kohottamista varten lasketulla hy-vyysarvolla (figure of merit, FOM), josta puhutaan jäljempänä.

Seuraava esimerkki valaisee hyvin sitä epäkohtaa, joka aiheutuu jos käytetään yksinomaan ensiökentän nopeaa jaksotusta: Pienin kentänvoimakkuus nykyisillä kaupallisesti saatavilla magneettikuvauslaitteilla, joilla saadaan hyväksyttäviä alku-peräismagneettikuvia, on 0,04T. magneetti ottaa 104 Ά virran 115V jännitteellä, tehon ollessa 12kW. Tämän magneetin puls-sittamiseksi esimerkiksi kenttien Be=0,01T ja Bo=0,04T välillä 10 millisekunnissa, tarvitaan 500V jännite, jotta voitetaan induktanssin (0,06 Henryä) vaikutus. Tehonsyötön huipputeho nousee tällöin 64 kW:iin. Lisäksi syötön on oltava kaksinapainen. Sellaisen syöttölähteen aikaansaaminen, joka voi suorittaa nopean kytkennän näin suurilla tehoilla ja samanaikaisesti pitää tarvittavan stabiilisuuden alle yhden miljoonasosan rajoissa välittömästi kytkennän jälkeen, olisi kallista ja monimutkaista.

Nopea jaksotus on ongelmallista myös pyörrevirtavaikutusten takia, joita esiintyy sekä lähellä että kaukana kuvattavasta tilavuudesta. Magneettikenttään nähden kohtisuoriin kupari-tai alumiinikappaleisiin, joiden minimidimensio on muutamia senttimetrejä tai enemmän, indusoituu pyörrevirtoja 10 millisekunnista ylöspäin olevilla aikavakioilla. Tämä merkitsee sitä, että magneettikuvauslaite tulee olemaan yhtä herkkä mille tahansa metalliesineelle tässä kokoluokassa kuin nykyiset järjestelmät ovat ferromagneettisille esineille. Tämä johtuu siitä, että täysin diamagneettinen (sisäpuolelta pyörrevirto jen suojaama) kohde antaa saman kenttähäiriön kuin saman kokoinen ja muotoinen, vahvasti ferromagneettinen kohde, vaikka onkin ajasta riippuvainen ja vastakkaismerkkinen. Magneetin huolellinen suunnittelu, paljaiden johtimien välttäminen käämityksissä ja hienojakoisesta raudasta tehdyn ferro- 14 39213 magneettisen suojuksen käyttäminen voisivat teoriassa auttaa. Käytännössä tällainen suojus on kallis ja vaikea rakentaa sellaiseksi, että siihen itseensä ei muodostu pyörrevirtoja. Nopea kentän jaksotus ei siis sinänsä näytä muodostavan ratkaisua kelvollisten alkuperäismagneettikuvien ja ESREMRI-kuvien synnyttämiseksi turvallisilla MW-kuumennuksen tasoilla. Tätä on havainnollistettu lisää edellämainituilla laskelmilla.

Hyvyysarvoksi FOM valitaan sen kokonaisajan käänteisarvo, joka tarvitaan tietynlaatuisen kuvan muodostamiseen, olettaen että laatuun vaikuttaa signaali/kohinasuhde ja tiedonkeruuseen käytetty kokonaisaika (tämä ottaa huomioon monien datasarjojen keskimääräisen vaikutuksen). Tällöin FOM voidaan kirjoittaa muotoon FOM = k2 (SN)2 Dee (2) jossa k2 on vakio, SN on signaali/kohinasuhde ja Dee, tiedon-keruutehokkuus, on murto-osa kokonaiskuvausajasta, joka on todellisuudessa käytetty hyödyllisen kuvadatan keräämiseen. Lisäksi aiemman yhtälön (1) ehto tulee täyttää. Koska käytetään kahta kentänvoimakkuutta, tämä voidaan kirjoittaa muotoon

Pa = k^ Be2 Aj,,2 Dm (3)

Koska Fm on verrannollinen kentänvoimakkuuteen Be, on ESR-virityksen aikana käytetty kenttä k0Fm2 korvattu kentällä k^Be2, jossa k^ on toinen kerroin.

SN on riippuvainen useista erilaisista muotoilu- ja rakenne-parametreista. Julkaisussa Magn. Resonance in Medicine 3: 604 (1986), Edelstein et ai. analysoi tekijöitä, jotka vaikuttavat SN:n arvoon, ja jakaa ne luonteenomaisiin ja satunnaisiin.

Luonteenomaisia tekijöitä ovat toisaalta ensiökentän voimakkuudet, joita käytetään sekä polarisaatio- että kuvausjaksojen aikana, ja toisaalta kohteesta, esim. potilaan kudoksesta tuleva kohina, joka ei ole vältettävissä. Satunnaisiin teki- is 89 213 joihin kuuluu RF-kelan häviöistä tuleva kohina, ympäristön magneettinen rakenne jne., ts. tekijöitä, jotka periaatteessa voidaan välttää rakenteen parannuksilla. SN:n luonteenomainen komponentti on täten verrannollinen kentänvoimakkuuteen BQ. Satunnaiskohina RF-kelasta ja muista lähteistä voidaan sisällyttää kertoimella, jota kutsutaan kelan tehokkuudeksi Ce. Se määritetään signaalitehon häviönä kohteessa jaettuna signaali-tehon kokonaishäviöllä; tämä merkitsee, että SN on verrannollinen Ce:n neliöjuureen.

On myös otettava huomioon, että kuvausytimien polarisaatio mittauksessa, johon kuuluu dynaaminen polarisaatio ja kentän jaksotus, ei ole verrannollinen kentänvoimakkuuteen B0, kuten viitatussa julkaisussa, vaan kentänvoimakkuuteen E*Be, joka täten ottaa B0:n paikan yhtälössä. SN voidaan nyt kirjoittaa muotoon SN = k3E-Be-V~Ce (4) jossa E on funktio Am:stä ja Ce on funktio B0:sta. Systeemissä, jossa ei käytetä jaksotettuja ensiökenttiä, B0 = Be).

Sijoittamalla SN yhtälöön (2) saadaan FOM = k4E2Be2CeDce (5) jossa vakio k4 = k^k32.

Sallittujen kuumennusrajojen sisällä, jotka määritetään yhtälössä (3), on tietenkin toivottavaa optimoida FOM ja ensisijaisesti tämä tehdään optimoimalla E(Am). Teoreettinen yhtälö EtA^lille tunnetaan, mutta se perustuu oletukseen, että ku-vausytimet relaksoituvat kohti hila-asemaa yksinomaan vuorovaikutuksen kautta kontrastiaineen paramagneettisen spinin kanssa. Käytännön tilanteissa tämä oletus ei pidä. Teoriassa EfA^) on S-muotoinen käyrä, joka saturoituu johonkin arvoon alle E = 330 ja jonka kasvunopeus jyrkimmässä kohdassa lähes- ie 8 9 213 tyy A„,2:n kasvunopeutta. Käytännössä E(Am) voidaan tietenkin mitata ja mitattua käyrää voidaan käyttää optimointiin.

Voidaan johtaa vielä yksi yhtälö, joka yhdistää ajoituspara-metrit Dm ja Dee toisiinsa. Niinpä tyypillisessä kuvaussek-venssissä kukin MR-signaali kerätään aikana, joka on likimää-rin T2p. Jos toistoaika signaalintunnistusten välillä on Trep, niin

Dee — T2p/Trep (6)

Toisaalta ESR-viritys suoritetaan ennen kutakin signaalintun-nistusjaksoa aikana, joka on likimäärin Tlp. Täten

Dm = Tlp/Trep (7) ja siten Dee:lie voidaan antaa likiarvo

Dee = DmT2p/Tlp (8) Tätä käyttäen hyvyysarvoksi FOM tulee FOM = k4E2Be2DmCeT2p/Tlp (9) tai, käyttäen kaavaa (3) lausekkeelle Be2Dm: FOM = k5(E2/Am2) Ce (10) jossa vakio k5 = k4T2p pa/^lTlp‘ Tästä yhtälöstä voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset: (A) FOM on riippuvainen Be:stä ja Dm:stä vain lausekkeen (E/Am)2 kautta. Täten tulisi ensin optimoida (E/Am)2 ja sen jälkeen poimia Be:n ja Dm:n yhdistelmä, joka tyydyttää kaavan (3) vaatimukset. Tätä ohjaa tietenkin kriteerit, jotka eivät kuulu hyvyysarvon FOM sisältöön.

17 892 Ί 3 (Β) Β0 tulee mukaan hyvyysarvoon FOM ainoastaan Ce:n kautta.

Parametrien valinta voidaan nyt tehdä seuraavalla tavalla: ' Ensiksi, Be valitaan riittävän pieneksi, jotta ei tule liian pieneksi. Hyvin pieni Dm merkitsee, että MW-säteily on annettu hursteina suurella amplitudilla ja pitkillä kesto-ajoilla. Tämä rasittaa MW-vahvistinta ja rajoittaa sopivien pulssisekvenssien valintaa. Dm:n tulisi edullisesti olla suurempi kuin noin 0.1.

Toiseksi valitaan B0. Jos nopeaa kenttä jaksotusta ei käytetä (kuten edellämainituista syistä yleensä ei ole) B0 on yhtäsuuri kuin Be. Kelan tehokkuuden Ce riippuvuudelle BQ:sta ei ole mitään yksinkertaista kaavaa. Mittaukset todellisilla keloilla kyseeseen tulevalla kentänvoimakkuusalueel1 a noin 5 - 50 mT osoittavat, että kuormittamattoman RF-kelan Q-arvo voidaan, käyttäen litsilankaa ja huolellista suunnittelua, pitää välillä 2500 ja 3000. Voidaan osoittaa, että Ce:lle saadaan arvo

Ce = (potilashäviö) / (kokonaishäviö) = (potilashäviö) / (potilashäviö + kelahäviö) (11)

Voidaan kirjoittaa kelahäviö a 1/Q kuormittamaton (12) potilashäviö a 1/Q kuormitettuna (13) mikä antaa

Ce = 1 - (Q kuormitettu / Q kuormittamaton) (14) Tämä osoittaa kuinka Ce on mitattava kokeellisesti. Pääkelal-la, jonka sisällä oli tarpeeksi tilaa mikroaalto-antennille, Ce:lle mitattu arvo oli 0.24 kentänvoimakkuudella B0 = 10 mT ja 0,61 kentänvoimakkuudella 40 mT.

18 89213 Nämä yhtälöt ja Ce:n mittaukset perustuvat kaikki ympäristön lämpötilassa oleville keloille. Jäähdyttämällä keloja nestety-pellä, voidaan kelojen kohinaa edelleen pienentää, ja silloin voidaan saavuttaa suuruusluokkaa 0.8 olevia Ce:n arvoja.

Nämä laskelmat, nojautuen mittauksiin, ovat täten osoittaneet, että kun tehdään ESREMRI, olettaen että käytetty kontrastiaine on sellaista että MH-kuumennus rajoittaa sallitun MW-tehon amplitudia, niin hyvyysarvo FOM, joka määrää tietyn laatuisen (jota signaali/kohinasuhde rajoittaa) kuvan saantiin tarvittavan ajan käänteisarvon, riippuu käytetyn kentän voimakkuudesta vain kelan tehokkuuden Ce kautta. Riippuvuus ei ole kovin vahva ja jos kelaa jäähdytetään nesteilmalla tai nestetypellä, Ce saadaan lähelle sen maksimiarvoa, yksi.

Riippuen käytetyn kontrastiaineen ominaisuuksista, ovat ensiö-kentän voimakkuudet ESREMRI:ä varten tällöin valinnan mukaan Be = B0 = 5-20 mT. Olennaisesti pienemmillä kentänvoimakkuuksilla (esim. alle 2 mT) polarisaatio tulee vähitellen pienemmäksi niin että MR-signaali tulee heikoksi silloinkin kun se on vahvistettu dynaamisen ydinpolarisaation vaikutuksilla. Kentänvoimakkuuksilla yli 20 mT ESR-resonanssitaajuuden kasvaminen tekee vähitellen vaikeammaksi saada MW-säteily tunkeutumaan potilaan kehoon. Myös käyttökelpoinen toimintajakso kasvaa nopeasti, mikä tekee vaikeaksi suunnitella hyviä puls-sisekvenssejä.

Sellaiset edulliset kentänvoimakkuusarvot ESREMRI:ä varten ovat kuitenkin liian pieniä hyvälaatuisten alkuperäiskuvien kehittämiseen ja tämä epäkohta on vältetty käyttämällä esilläolevaa keksintöä.

Claims (10)

19 8 9 2 13

1. Elektronispinresonanssi1 la tehostettu magneettiresonanssi-kuvauslaite, tunnettu siitä, että kuvauslaitteessa on kahdet, kahdella eri taajuudella toimivat kelaelimet, joilla voidaan muodostaa kaksi eri magneettiresonanssikuvaa, nimittäin ensimmäiset kelaelimet (MWA) järjestettynä synnyttämään ensiömagneettikentässä, jolla on ensimmäinen kentänvoimakkuus (Be), elektronispinresonanssi11 a tehostettu ydinspinsiirrosten viritys ja magneettiresonanssisignaali, elektronispinresonans-silla tehostettujen magneettiresonanssikuvien kehittämiseksi ainakin osasta kohdetta (P), ja toiset kelaelimet (RF) järjestettynä synnyttämään ensiömagneettikentässä, jolla on toinen ja suurempi kentänvoimakkuus (BQ), ydinspinsiirrosten viritys ja magneettiresonanssisignaali, tehostamattornien eli alkupe-räismagneettiresonanssikuvien kehittämiseksi ainakin osasta kohdetta (P).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että siihen lisäksi kuuluu elimet (C) tehostettujen ja tehostamattomien kuvien yhdistämiseksi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnet -t u siitä, että se on lisäksi varustettu elimillä (C,MG) mainitun ensiökentän synnyttämisen jaksottamiseksi mainitun ensimmäisen (Be) ja toisen (B0) kentänvoimakkuuden välillä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut jaksotuselimet (C,MG) on järjestetty suorittamaan vaihto ensiökentän mainittujen kentänvoimakkuuksien (Be ja B0) välillä 1-60 sekunnin välein.

5. Patenttivaatimuksen 3 tai 4 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut jaksotuselimet (C,MG) on järjestetty niin että kuvan kehityksen aikana mainittu ensiökenttä on mainitussa ensimmäisessä arvossaan (Be) ainakin 20%:iin saakka ajasta. 20 892 1 3

6. Jonkin patenttivaatimuksen 3-5 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainitut jaksotuselimet (C,MG) on järjestetty siten että mainittu ensiökenttä on mainitussa ensimmäisessä kentänvoimakkuusarvossaan (Be) ajanjaksoina, jotka ovat riittäviä kehittämään ainakin yhden mainituista tehostetuista kuvista, ja toisessa arvossaan (BQ) ajanjaksoina, jotka ovat riittäviä synnyttämään detektoitu magneetti-resonanssisignaalin datasarja, joka yhdessä ainakin yhden toisen mainitun datasarjan kanssa on riittävä mahdollistamaan alkuperäiskuvan kehityksen.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen laite, tunnettu siitä, että se on järjestetty synnyttämään mainittuja tehostettuja kuvia käyttämällä pikakuvaustekniikkaa.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-7 mukainen laite, tunnettu siitä, että aikana, jonka kohde on altistettuna ensiömagneettikentän vaikutukselle, kohteen altistaminen elektronispinresonanssisiirroksen virityssäteilylle, joka tehostaa magneettiresonanssisignaaleitä, ei ylitä 2W/kg kohteen painosta yhtenäkään 6 minuutin aikajaksona.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että samaa kelaa käytetään magneettikuvaussignaalin detektoimiseen ja/tai virittämiseen kehitettäessä sekä elek-tronispinresonanssi1 la tehostettuja magneettiresonanssikuvia että alkuperäismagneettiresonanssikuvia.

10. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että eri keloja (MWA ja RF) käytetään magneettikuvaus-signaalin detektoimiseen ja/tai virittämiseen kehitettäessä yhtäältä elektronispinresonanssi1 la tehostettuja magneettiresonanssikuvia ja toisaalta alkuperäismagneettiresonanssiku-via. 2i 892.3 P£!i£Qtkray