Elektrodenanordnung für einen Magnetresonanztomographen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Elektrodenanordnung gemäß dem Oberbegriff des An- spruchs 9.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere die Magnetresonanztomographie (MRT). Die MRT hat bei der Versorgung von Patienten mit Erkrankungen des Gehirns eine herausragende Rolle. Aufgrund einer hohen Ortsauflösung und der Möglichkeit pathologische Prozesse in ihrer biologischen Wertigkeit einzugrenzen ist dieses Verfahren fest in die diagnostische Routine vor und nach Hirnoperationen eingebunden.
In vielen Fällen ist eine operative Therapie am Gehirn (z.B. Tumorentfernung) als Gradwanderung zwischen Radikalität und Funktionserhalt zu verstehen. Das Verständnis für die Funktionalität eines krankhaft veränderten Hirnareals ist von besonderer Bedeutung für die Planung eines operativen Eingriffes.
Die MRT ermöglicht nebst der Darstellung anatomischer Strukturen auch die Generierung und Visualisierung von funktionellen Informationen. Funktionelle Informationen beziehen sich auf Hirnareale, denen eine bestimmte Hirnleistung (z.B. Motorik, Sensorik etc.) zugeordnet ist. Das Verfahren, das auf unterschiedlichen Signalverhalten von identischen Hirnarealen mit aktiver und ruhender Funktion basiert, wird als funktionelle Kernspintomographie (fMRT) bezeichnet. Durch eine vom Patienten geleistete definierte Aufgabe während einer fMRT- Untersuchung wird ein der Leistung entsprechendes Hirnareal fünktionell aktiviert, also die Stoffwechselaktivität in diesem Gebiet erhöht. Als Folge dessen kommt es zu einer verstärkten, auf dieses Gebiet beschränkten Durchblutung und reaktiv zu einem Überangebot von oxygeniertem Blut (Oxyhämoglobin). Zu- sammenfassend gilt, daß in einem Hirnareal mit aktivierter Funktion mehr Oxyhämoglobin als im identischen, ruhenden Hirnareal vorliegt. Da sich mit Oxyhämoglobin stark gesättigte kernspintomographisch von geringer oxygenierten Arealen differenzieren läßt, ist mit der fMRT eine Aussage über die Aktivität einzelner Hirnareale möglich.
Der Mehrwert an Information, der aus einer fMRT für den operativen Eingriff gewonnen werden kann, ist erheblich - es kann zwischen pathologischen Prozessen und gesunden, eloquenten Hirnarealen eine Lagebeziehung hergestellt und so eine Resektionsgrenze anhand der funktionellen Daten definiert werden.
Grundlage der fMRT-Untersuchung ist ein sogenanntes Paradigma, eine fest definierte Sequenz von Aktivierungs- und Ruhephasen, die der Patient während der MRT-Untersuchung auszuführen hat (z.B. willkürliche Bewegungen, Sprachproduktion etc.). Aktive Paradigmen setzen jedoch eine hohe Kooperationsfähigkeit des Patienten voraus. Zudem muß eine ausreichende motorische Restfunktion vorhanden sein, um eine Aktivierung des zugehörigen motorischen Kortex erzielen zu können. Diese ist bei Patienten mit Hirntumoren meist nicht vorhanden.
Es ist bekannt, bei einer fMRT durch Druckluft sich alternierend aufblähende bzw. bewegende Membrankammern an den Fingern eines Patienten anzubringen, um ein passives Paradigma zu erreichen. Dieses Verfahren ist in Bezug auf Frequenzmodulation und Amplitude eingeschränkt. Grundsätzlich handelt es sich bei diesem Verfahren um ein mechanisches, welches ausschließlich nur eine Gruppe von Sensoren (Rezeptoren) und Nervenbahnen aktiviert. Eine Applikati- on dieser Membranen am Fuß hat sich nicht bewährt, da dabei keine verwertbare Aktivität des betroffenen Hirnareals gemessen werden kann.
Der Einsatz von elektrischem Strom zur neurologischen Funktionsdiagnostik (z.B. Nervenleitgeschwindigkeit, Somatosensorisch Evozierte Potentiale - SEP) wird seit Jahrzehnten im klinischen Alltag praktiziert, die Erfahrungen mit diesen Untersuchungsverfahren sind weitläufig und standardisiert.
Bisher war es jedoch nicht unmöglich, eine Elektrode im Bereich des Magnetfelds eines Magnetresonanztomographen für die fMRT einzusetzen, ohne Fehl- darstellungen oder Fehlfunktionen zu verursachen.
Die DE 195 27 921 AI offenbart eine geräteseitige Hochfrequenz- Abschirmung für die Spule eines Magnetresonanztomographen.
Die US 5,986,531 A betrifft eine endseitige Abschirmung des Untersuchungsraums eines Magnetresonanztomographen, wobei die Abschirmung eine Öffnung
aufweist, durch die eine Gliedmaße eines zu untersuchenden Patienten in den Untersuchungsraum hineinreicht. Die Abschirmung liegt im Bereich der Öffnung unmittelbar an der Gliedmaße an und bildet einen niederohmigen Übergang, um gerade eine Einleitung von elektrischen Signalen durch den Patienten in den Untersuchungsraum bzw. das Innere des Magnetresonanztomographen auszuschließen.
Die DE 198 17 094 AI offenbart ein Verfahren und eine Einrichtung zum Ableiten eines Elektroenzephalogramms im Kernspintomograph. Zur Vermeidung von Störungen werden Elektrodensignale über Lichtleiter aus dem Tomographen herausgeleitet und anschließend gefiltert.
Die DE 198 14 961 AI, die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart ein Verfahren zur Stimulierung eines Nervs mit einem variablen Reizstrom sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung eines variablen Reizstroms. Der Reizstrom wird in unmittelbarer Nähe zum Nerv erzeugt und von außerhalb des Einflußbereichs des elektromagnetischen Feldes des Magnetresonanztomographen ohne Verwendung elektrischer Leitungen eingestellt. Der so erzeugte Reizstrom wird über eine nicht abgeschirmte Elektrode, insbesondere in Form einer dünnen, spitzen Nadel an den Hörnerv, übertragen. Diese Art der Reizstromerzeugung und Übertragung ist aufwendig und nicht fehlerfrei, insbesondere sind Fehldarstellungen oder FeWfunktionen nicht ausgeschlossen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Untersuchung eines Patienten mit einem ein Magnetfeld erzeugenden Tomographen sowie eine dafür vorgesehene Elektrodenanordnung anzugeben, um umfassendere Untersuchungen in einem Kernspin- bzw. Magnetresonanztomographen bei anliegendem Magnetfeld zu ermöglichen, insbesondere die Zuführung und/oder Messung elektrischer Ströme zum bzw. am Patienten zu ermögli- chen, insbesondere ohne Störungen der Bildinformation und/oder ohne Induktionsströme bzw. Fehlsignale in einem Stromleiter bzw. einer Elektrode hervorzurufen.
Die obige Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 oder eine Elektrodenanordnung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Insbesondere ist für die Applikation eines elektrischen Reizstromes (z.B. 3 Hz, 10 - 30 mA) am Patienten, der synchron zur Stimulation tomographisch untersucht wird, eine nicht-magnetisierbare, elektrische Abschirmung vorgesehen, die mindestens eine Elektrode insbesondere rohrförmig mit einem offenen Ende zur zumindest teilweisen Aufnahme einer Gliedmaße des Patienten umgibt. Die Elektrodenanordnung ist an ein außerhalb des Tomographen bzw. Magnetfelds oder außerhalb einer diesem zugeordneten Abschirmung angeordnetes Steuergerät elektrisch anschließbar bzw. angeschlossen. Dies ermöglicht einen einfachen, kostengünstigen und überraschend gut funktionierenden Aufbau.
Insbesondere ermöglicht die vorschlagsgemäße Lösung eine elektrische Stimulation des peripheren Nervensystems während einer fMRT-Untersuchung, um somit eine Aktivierung eines zentralen Hirnareals zu induzieren. Dies hat mehre- re entscheidende Vorteile im Vergleich zu bisherigen Verfahren:
Feine Modulation der Reizintensität durch Anpassung des applizierten Reizstromes; Feine Modulation der Reizfrequenz und dadurch optimierte Anpassung an die Latenz der cerebralen Stoffwechselreaktion nach Stimulation;
Feinere Abgrenzung der Reizareale, da entweder ausschließlich nur pe- riphere Nervenäste oder Kombinationen aus mehreren Nervenstämmen (N. medianus am Handgelenk oder N. tibialis am oberen Sprunggelenk) gereizt werden können.
Die vorschlagsgemäße Untersuchungsanordnung und Elektrodenanordnung werden insbesondere für die fMRT eingesetzt, können aber auch für sonstigen Un- tersuchungen oder Messungen eingesetzt werden.
Weitere Vorteile, Aspekte, Merkmale und Eigenschaften ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Die einzige Figur zeigt eine schematische, teilweise blockschaltbildartige Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Bei der dargestellten, vorschlagsgemäßen Anordnung 1 wird ein Patient bzw. Mensch 2 in einem elektromagnetischen Feld bzw. Magnetfeld 3 eines Kernspinbzw. Magnetresonanztomographen 4 untersucht. Das Feld 3 verläuft insbesondere zumindest im wesentlichen radial bezüglich der Längsachse des Patienten 2 bzw. des hier im Längsschnitt angedeuteten Tomographen 4.
Weiter ist eine Elektrodenanordnung 5 mit mindestens einer Elektrode 6 im Bereich des Felds 3 bzw. Tomographen 4 angeordnet. Die Elektrode 6 ist hier beispielsweise an die Hand oder das Handgelenk zur Reizung bei Untersuchungen, wie der fMRT, angeschlossen oder anschließbar.
Die Elektrodenanordnung 5 weist eine nicht-magnetisierbare, elektrisch leitende Abschirmung 7 auf. Insbesondere bildet die Abschirmung 7 gleichzeitig eine Umhüllung bzw. ein Gehäuse oder ist darin integriert. Die Abschirmung 7 kann auch als Schicht, Beschichtung, Folie o.dgl. ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die die Elektrodenanordnung 5 insgesamt nicht-magnetisierbar ausgebildet.
Unter "nicht-magnetisierbar" ist hier eine allenfalls geringe Abweichung der magnetischen Permeabilität von 1 bzw. dem Vakuum oder der Luft zu verstehen. Ein geringer Diamagnetismus oder Paramagnetismus ist jedoch noch tolerabel.
Vorzugsweise ist die Abschirmung 7 und/oder Elektrode 6, insbesondere die gesamte Elektrodenanordnung 5, aus Material(ien) mit einer magnetischen Suszep- tibilität Ix I < 5-10"5, insbesondere < 2-10"5, vorzugsweise < MO"6, hergestellt.
Die Abschirmung 7 ist vorzugsweise aus Kupfer und/oder einer geeigneten Kupferlegierung hergestellt, also sehr gut elektrisch leitend ausgebildet. So ist bei geringer bzw. fehlender Magnetisierbarkeit auch eine gute elektromagnetische Ab- schirmwirkung erreichbar.
Die Abschirmung bzw. Umhüllung 7 ist vorzugsweise hohlraum- bzw. rohrförmig mit vorzugsweise nur einer endseitigen Öffnung 8 zur Aufnahme einer Hand und ggf. eines Teils des Unterarms des Patienten 2 ausgebildet, hier als einseitig offene Röhre. Jedoch kann die Abschirmung 7 auch zweiseitig offen ausgebildet sein. Dies ermöglicht beispielsweise ein Hindurchstecken eines Arms des Patienten 2.
Die Elektrodenanordnung 5 bzw. die Elektrode 6 ist innerhalb der Abschirmung bzw. Umhüllung 7, insbesondere im Bereich eines geschlossenen oder von der Öffnung 8 entfernten Bereichs der Abschirmung 7, angeordnet und an ein außerhalb des Felds 3 angeordnetes Steuergerät, hier einen Signal- bzw. Reizstromgenerator 9, angeschlossen, und zwar über ein Kabel, hier ein Koaxialkabel 10. Insbesondere ist das Steuergerät außerhalb der üblicherweise den Tomographen 4 zugeordnet bzw. insgesamt umgebenden, nur schematisch angedeuteten Raum- abschirmung 11 angeordnet.
Die Abschirmung des Koaxialkabels 10 ist an die Abschirmung 7 und ggf. die Raumabschirmung 11 angeschlossen bzw. anschließbar und liegt auf einem festen elektrischen Potential, vorzugsweise auf Masse.
Die Abschirmung bzw. Umhüllung 7 ist vorzugsweise mit ihrer Haupt- bzw. Längsachse, die hier quer zur Öffnung 8 verläuft, zumindest im wesentlichen quer, insbesondere senkrecht, zum Magnetfeld 3 und vorzugsweise zumindest im wesentlichen parallel zur Längsachse des Tomographen 4 ausgerichtet.
Ein wesentlicher Aspekt liegt darin, durch die nicht-magnetisierbare, elektrisch leitende Abschirmung 7 eine elektrische Signal- oder Stromzuführung, -Übertragung, -leitung, -erfassung und/oder -Verarbeitung mittels der vom Tomographen 4 separaten Elektrode 6 im Bereich des Innenfelds 3 bzw. im Inneren des Tomographen 4 auf einfache, kostengünstige Weise zu ermöglichen, wobei Signalverfälschungen - einerseits der Elektroden 6 und ggf. des Geräts 9 sowie andererseits des Tomographen 4 - vermieden oder zumindest minimiert werden.
Versuche haben gezeigt, daß die vorschlagsgemäße Abschirmung 7 eine elektrische Stimulation bzw. Reizung von Patienten 2, insbesondere an Extremitäten, im Innenraum des Tomographen 4 mit Wechselstrom in einem sehr weiten Frequenzbereich und Amplitudenbereich ermöglicht, ohne Artefakte bei den tomographischen Aufnahmen zu erzeugen bzw. die MRT zu stören. Dementsprechend wird auf einfache, kostengünstige Weise eine sehr gut reproduzierbare fMRT ermöglicht.