WO2010018247A1 - Dispositivo para mejorar la sensibilidad de las bobinas receptoras en imágenes médicas por resonancia magnética - Google Patents

Dispositivo para mejorar la sensibilidad de las bobinas receptoras en imágenes médicas por resonancia magnética Download PDF

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    • G01R33/56—Image enhancement or correction, e.g. subtraction or averaging techniques, e.g. improvement of signal-to-noise ratio and resolution

Definitions

  • the present invention has as its object a device to improve the sensitivity of the surface coils that are used in the imaging of magnetic resonance imaging (MRI) for medical applications.
  • Said device consists of a focusing element of the magnetic field, a receiving coil and an electronic circuit of adaptation to the measurement system, with which it is possible to increase the ability to obtain deep images by means of said surface coils, or also to increase the quality of the images that would usually be obtained from said coils, or also decrease the acquisition time thereof.
  • MRI Magnetic resonance Imaging
  • Fig. 1 a diagram of the device is shown. In this, the focusing device (1), the receiving coil (2) and the adaptation circuit (3) appear.
  • Figure 2 shows a diagram of the preferred embodiment of the focusing device, consisting of a three-dimensional arrangement (in a simple cubic network) of resonators with a circular spiral shape (the capacitive element is represented by a cut in the loop).
  • Figure 4 shows a diagram of the receiving coil of the preferred embodiment, formed by a simple circular loop
  • the invention consists of: - The focusing device - A surface receiving coil, whose object is to receive the signal from radiofrequency from nuclear spins - The adaptation circuit between the coil and the measuring device
  • All these elements are arranged in direct order from the patient's body, so that the coil with the adaptation circuit is the most external element, and is connected to a machine and a conventional MRI measurement system.
  • the receiving coil is a simple turn, or collection of turns, of low losses (optionally super-conductive) adapted to the input impedance of the measurement system, which can be a conventional RM system. To do this, it must have an impedance matching circuit, which adapts it to the input impedance of the measurement system, which will normally be 50 ⁇ .
  • the focusing device can be combined with several receiving coils as described in the framework of a parallel imaging system [R. M. Heideman et al. "A brief Review of parallel magnetic resonance imaging” Eur. Radiology, vol.13, 2323-2337 (2003)] resulting in an increase in the spatial resolution and / or the sensitivity of said coils.
  • the focusing element may be convenient to place at a certain distance from the receiving coil, so that its presence does not affect its adaptation. In those cases, the focusing element could be used together with conventional receiving coils and sold separately.
  • the focusing element could, in some cases, be combined with a magnetic field reflecting element, so that the multiplier effect of the intensity of the latter is the result of a combined process of focusing and reflection.
  • the reflector element could be realized by means of the same technologies as the focuser, but by selecting the operating frequency of the resonant rings so that the. result is an effective medium of high permeability.
  • the preferred embodiment follows the scheme of Figure 1.
  • the elements of the focusing device are resonators formed by printed metal rings, with a capacitor connected in series (4). Said elements are arranged in accordance with a cubic network, as shown in Figure 2.
  • the focusing device is placed directly on the patient, on the area of his body to be studied, then applying a conventional sequence of radiofrequency magnetic fields.
  • the receiving coil whose scheme is shown in Figure 4, must be placed on the focusing device and connected to the output with the adaptation circuit.
  • the adaptation circuit can essentially consist of a variable capacitor connected in parallel with the coil to tune it to a resonance frequency that coincides with the frequency of emission of the nuclear spins and a series capacitor to adapt the global circuit to the impedance characteristic of the measurement system and thus guarantee maximum power transfer [RR Edelman et al, "Surface coil MR imaging of abdominal viscera", Mag. Res., vol. 157, 425, (1985)]. If it is desired to place the coil very close to the focusing device, it is possible to modify this simple circuit according to the circuit of the preferred embodiment (Fig.

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Abstract

La presente invención tiene por objeto un dispositivo para mejorar la sensibilidad de las bobinas de superficie que se usan en la obtención de imágenes mediante resonancia magnética (RM) para aplicaciones médicas. Dicho dispositivo consta de un elemento focalizador del campo magnético, una bobina receptora y un circuito electrónico de adaptación al sistema de medida, con el que se consigue aumentar la capacidad de obtener imágenes profundas mediante dichas bobinas de superficie, o asimismo aumentar la calidad de las imágenes que se obtendrían habitualmente a partir de dichas bobinas, o asimismo disminuir el tiempo de adquisición de las mismas.

Description

Título
Dispositivo para mejorar Ia sensibilidad de las bobinas receptoras en imágenes médicas por resonancia magnética
Objeto de Ia invención
La presente invención tiene por objeto un dispositivo para mejorar Ia sensibilidad de las bobinas de superficie que se usan en Ia obtención de imágenes mediante resonancia magnética (RM) para aplicaciones médicas. Dicho dispositivo consta de un elemento focalizador del campo magnético, una bobina receptora y un circuito electrónico de adaptación al sistema de medida, con el que se consigue aumentar Ia capacidad de obtener imágenes profundas mediante dichas bobinas de superficie, o asimismo aumentar Ia calidad de las imágenes que se obtendrían habitualmente a partir de dichas bobinas, o asimismo disminuir el tiempo de adquisición de las mismas.
Estado de Ia técnica
La obtención de imágenes médicas por RM es una técnica muy extendida en Ia actualidad. Se basa en Ia aplicación sucesiva de pulsos de radiofrecuencia sobre un tejido ya magnetizado por un campo magnético estático de gran intensidad. La aplicación de dichos campos permite, mediante un adecuado procesado de Ia señal, identificar Ia localización espacial de los espines nucleares y, de ese modo, obtener una imagen del objeto de estudio.
Cuando se está interesado en obtener imágenes de una zona corporal específica del paciente, resulta útil recurrir a bobinas de superficie [M. R. Bendall, "Surface Coil Technology." ¡n Magnetic Resonance Imaging, ed. by CL. Partain, R.R. Price, JA Patton, M.V. Kulkarni, A.E. James, Saunders, Philadelphia, 1988] cuya capacidad para captar imágenes profundas depende típicamente de su tamaño: a mayor tamaño mayor sensibilidad. Ello es debido a que las líneas del campo magnético producido por Ia bobina de superficie tienden a dispersarse a medida que se alejan de Ia bobina, con Io que disminuye Ia sensibilidad de ésta, así como su capacidad de localización espacial.
Una forma de evitar Ia dispersión espacial de dichas líneas de campo es intercalar en algún punto entre Ia bobina y el cuerpo del paciente un dispositivo capaz de focalizar dichas líneas de campo. En una reciente publicación [R.Marqués et al "Theory of three dimensional sub-diffraction imaging" Appl Phys. Lett., vol.89, 21113 (2006)] se ha demostrado que es posible focalizar las líneas del campo electromagnético mediante dispositivos artificiales, obteniéndose un haz focalizado. De acuerdo con el Teorema de Reciprocidad de Lorentz, el incremento de Ia sensibilidad de una bobina de superficie a Ia que se Ie ha acoplado uno de estos dispositivos es igual a Ia capacidad de focalización de dicho dispositivo. Existen diversos dispositivos capaces teóricamente de producir esta focalización del campo magnético. En 2000, J. Pendry [J. Pendry "Negative refraction makes perfect lens", Phys. Rev. Lett., vol.85, 3967-3970 (2000)] demostró que una lámina de espesor d de un hipotético medio con permitividad relativa εr=-1 y permeabilidad relativa μr=-1 era capaz de focalizar el campo electromagnético de modo que cualquier distribución de campo se reproducía a una distancia 2d al otro lado de Ia lámina.
Un medio artificial con εr y μr simultáneamente negativos (y, eventualmente, con εr=-1 y μr=-1) fue patentado por D. Smith et al. [Int. App. Number: PCT/US01/08563] y publicado también en el año 2000 [D. Smith et al. "Composite Médium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity", Phys. Rev. Lett., vol.84, 4184-4188 (2000)]. No obstante, las frecuencias normalmente usadas en Ia adquisición de imágenes médicas por RM posibilitan tratar independientemente el campo eléctrico y el campo magnético, de modo que para este propósito sólo sería necesaria una lámina con μr=-1. Esta posibilidad fue demostrada usando láminas de ferrita, que poseen una zona de permeabilidad negativa cerca de Ia frecuencia de resonancia ferrimagnética, en [Marqués et al. "Near-field enhanced imaging by a magnetized ferrite slab", Appl. Phys. Lett. VoI.86, 023505 (2005)]. No obstante, en RM no es posible usar materiales ferrimagnéticos, por Io que esta realización resulta del todo inapropiada para Ia aplicación deseada.
Recientemente, se ha reportado un dispositivo basado en un principio físico diferente, capaz también de producir Ia focalización del campo magnético bajo ciertas circunstancias [M. Freiré et al. "Planar magnetoinductive lens for three- dimensional subwavelength imaging", ApI. Phys. Lett, vol. 86, 182505 (2005)]. Dicho dispositivo, llamado "lente magnetoinductiva", tiene un comportamiento similar al de Ia mencionada lámina de μr=-1 , aunque su diseño sólo involucra dos láminas paralelas de resonadores magnéticos. Descripción de las figuras
En Ia Fig.1 se representa un esquema del dispositivo. En éste aparece el dispositivo focalizador (1), Ia bobina receptora (2) y el circuito de adaptación (3).
En Ia Figura 2 se representa un esquema de Ia realización preferida del dispositivo focalizador, constituido por un arreglo tridimensional (en red cúbica simple) de resonadores con forma de espira circular (el elemento capacitivo se representa por un corte en la espira).
En Ia Figura 3, de modo meramente descriptivo y sin ánimo de ser exhaustivos, se representan algunos de los resonadores que podrían utilizarse para realizar el dispositivo focalizador de la Fig.2. Se trata de una espira con un condensador conectado en serie (4), de un par de tiras metálicas en forma de anillo, cortadas y apiladas de modo conveniente (5) y de una modificación del diseño anterior en Ia que ambas tiras se conectan para formar una hélice (6), con Io que el tamaño eléctrico en Ia resonancia de la configuración se reduce a Ia mitad.
En Ia Figura 4 se representa un esquema de Ia bobina receptora de Ia realización preferida, formada por una simple espira circular
En Ia Figura 5 y sin ánimo de ser exhaustivo se representa el esquema de un posible circuito de adaptación.
Finalmente, en Ia figura 6 se representa una simulación electromagnética de Ia sensibilidad de una espira circular con y sin el elemento focalizador que, a efectos de Ia simulación, se supone un medio efectivo de permeabilidad relativa μr=-1. La sensibilidad es directamente proporcional al valor del campo magnético creado por una corriente de módulo unidad sobre Ia espira. Puede observarse como Ia presencia del elemento focalizador aumenta Ia intensidad del campo magnético y, por tanto, Ia sensibilidad de Ia espira, en el interior del cuerpo del paciente.
Descripción de Ia invención
La invención consta de: - El dispositivo de focalización - Una bobina receptora de superficie, cuyo objeto es recibir Ia señal de radiofrecuencia procedente de los espines nucleares - El circuito de adaptación entre Ia bobina y el aparato de medida
Todos estos elementos se disponen en orden directo a partir del cuerpo del paciente, de modo que Ia bobina con el circuito de adaptación sea el elemento mas externo, y se conecta a una máquina y a un sistema de medida de RM convencionales.
Pasemos en primer lugar a considerar las diversas posibilidades para realizar el dispositivo de focalización. En primer lugar consideraremos Ia posibilidad de realizar un medio con μr=-1 apropiado para Ia aplicación que se considera. Es importante señalar que es preciso obtener las propiedades magnéticas que se desean a partir de elementos no magnéticos que no interfieran con los fuertes campos magnéticos estáticos que se utilizan en RM. En principio cualquier colección de resonadores que proporcionen bucles cerrados corriente podrían ser útiles para nuestro propósito. Sin embargo, a las frecuencias de operación en RM para aplicaciones médicas, Ia longitud de onda electromagnética es de varios metros, mientras que las bobinas de superficie no pueden tener un tamaño superior a unas decenas de centímetros. Por tanto, el dispositivo que se pretende obtener ha de tener una escala de detalle no superior a algunos centímetros. Ello obliga a que el tamaño eléctrico de los elementos del medio artificial deba ser del orden de 1/100 o aún menor, Io que constituye una restricción bastante fuerte para el diseño de dichos elementos. Una buena solución es usar anillos metálicos con un condensador conectado en serie. Dichos elementos fueron ya propuestos por Shelkunoff and Friis en 1952 [S. A. Schelkunoff and T. H. Friis Antennas. Theory and practice, Wyley, New York, 1952] para obtener medios artificiales con una elevada respuesta magnética. En nuestro caso, Ia capacidad y Ia autoinducción del elemento deben sintonizarse de modo que Ia frecuencia de resonancia del mismo quede algo por debajo de Ia frecuencia de operación de Ia RM. De ese modo puede conseguirse, mediante un cuidadoso proceso de sintonía, que el medio artificial presente una permeabilidad efectiva μr=-1 a Ia frecuencia de obtención de las imágenes de RM. El mismo tipo de elementos puede aplicarse al diseño de las "lentes magnetoinductivas" mencionadas mas arriba. El uso de condensadores se traduce inevitablemente en un cierto nivel de pérdidas. Para evitar esto cuando se requieran altas ratios señal - ruido, es posible recurrir a un resonador compuesto por dos anillos conductores o superconductores cortados y apilados, según el diseño propuesto por Black en 1994 [R. D. Black et al. "Electronics for a High Temperature Superconducting system for Magnetic Resonance Microimaging" IEEE Transactions on Biomedical Engineering. Vol.41 , 195-197 (1994)]. U otra topología de parecidas prestaciones, capaz de ofrecer tamaños eléctricos en Ia resonancia tan pequeños como los referidos mas arriba.
La bobina receptora es una simple espira, o colección de espiras, de bajas pérdidas (opcionalmente súper-conductoras) adaptada a Ia impedancia de entrada del sistema de medida, que puede ser un sistema'de RM convencional. Para ello debe contar con un circuito de adaptación de impedancias, que Io adapte a Ia impedancia de entrada del sistema de medida, que normalmente será de 50 Ω.
Debe mencionarse que el dispositivo focalizador puede combinarse con varias bobinas de recepción como Ia descrita en el marco de un sistema de adquisición de imágenes en paralelo (parallel imaging) [R. M. Heideman et al. "A brief Review of parallel magnetic resonance imaging" Eur. Radiology, vol.13, 2323-2337 (2003)] resultando en un incremento en Ia resolución espacial y/o Ia sensibilidad de dichas bobinas.
Para algunos aplicaciones podría ser conveniente colocar el elemento focalizador a cierta distancia de Ia bobina receptora, de modo que su presencia no afecte a Ia adaptación de ésta. En esos casos, el elemento focalizador podría usarse junto con bobinas receptoras convencionales y comercializarse por separado.
Finalmente, el elemento focalizador podría, en algunos casos, combinarse con un elemento reflector del campo magnético, de modo que el efecto multiplicador de Ia intensidad de éste sea el resultado de un proceso de combinado de focalización y reflexión. El elemento reflector podría realizarse mediante las mismas tecnologías que el focalizador, pero seleccionando Ia frecuencia de operación de los anillos resonantes de modo que el. resultado sea un medio efectivo de alta permeabilidad.
Descripción de una realización preferida
La realización preferida sigue el esquema de Ia Figura 1. Los elementos del dispositivo focalizador son resonadores formados por anillos metálicos impresos, con un condensador conectado en serie (4). Dichos elementos se disponen de acuerdo con una red cúbica, tal y como se muestra en Ia Figura 2. Para Ia realización de las medidas el dispositivo focalizador se coloca directamente sobre el paciente, sobre Ia zona de su cuerpo que se quiere estudiar, aplicándose entonces una secuencia convencional de campos magnéticos de radiofrecuencia.
La bobina de recepción, cuyo esquema se muestra en Ia Figura 4, se ha de colocar sobre el dispositivo focalizador y conectarse a Ia salida con el circuito de adaptación. El circuito de adaptación puede consistir en esencia en un condensador variable conectado en paralelo con Ia bobina para sintonizar ésta a una frecuencia de resonancia que coincida con Ia frecuencia de emisión de los espines nucleares y un condensador en serie para adaptar el circuito global a Ia impedancia característica del sistema de medida y garantizar así Ia máxima transferencia de potencia [R. R. Edelman et al, "Surface coil MR imaging of abdominal viscera", Mag. Res., vol. 157, 425, (1985)]. Si se desea poner Ia bobina muy próxima al dispositivo focalizador, es posible modificar este circuito simple de acuerdo con el circuito de Ia realización preferida (Fig.5), en el cual Ia adecuada sintonía de los condensadores Ci y C2 permite seleccionar tanto Ia impedancia de Ia bobina vista desde el sistema de medida, como Ia impedancia vista desde Ia espira, de modo que se mejore Ia adaptación entre Ia espira, el dispositivo focalizador y el sistema de medida. Otros circuitos de adaptación pueden ser diseñados de acuerdo con este u otros propósitos. Finalmente, puede ser también deseable modular los elementos del dispositivo focalizador (y/o sintonizar externamente sus características) para mejorar la adaptación entre éste y el sistema de medida.

Claims

Reivindicaciones
1.- Dispositivo para incrementar Ia sensibilidad de las bobinas de superficie utilizadas en Ia generación de imágenes por resonancia magnética caracterizado porque consta de un elemento focalizador del campo magnético, una bobina receptora y un circuito electrónico de adaptación al sistema de medida.
2.- Dispositivo para disminuir el tiempo de adquisición de imágenes por resonancia magnética, con Ia misma configuración descrita en Ia reivindicación 1.
3.- Dispositivo para aumentar Ia profundidad de captación de imágenes por resonancia magnética según Ia misma configuración descrita en Ia reivindicación 1.
4.- Dispositivo descrito según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por Ia combinación del dispositivo focalizador con más de una bobina de recepción con el fin de mejorar Ia sensibilidad y/o Ia resolución espacial de cada una de dichas bobinas en el marco de un proceso de adquisición de imágenes en paralelo (parallel imaging) u otra tecnología de similar proposito.
5.- Dispositivo descrito según reivindicaciones 1 a 4, en el que se usan varios elementos focalizadores a fin de multiplicar su efecto, o a fin de crear zonas diferenciadas de campo magnético.
6.- Dispositivo descrito según las reivindicaciones 1 a 5 en los que el dispositivo focalizador está formado por resonadores de anillo que incorporan uno o más condensadores (4) dispuestos de acuerdo con una red cúbica.
7.- Dispositivo descrito según las reivindicaciones 1 a 5 en el que el dispositivo focalizador está formado por resonadores de anillo que incorporan uno o mas condensadores (4) dispuestos en planos paralelos o en cualquier otra disposición geométrica útil para las aplicaciones que se proponen.
8.- Dispositivo descrito según las reivindicaciones 6 y 7 en el que el dispositivo focalizador está constituido por resonadores formados por dos o más anillos conductores o superconductores apilados y acoplados de tal forma que el condensador o los condensadores localizados se sustituyen por una capacidad distribuida.
9.- Dispositivo descrito según las reivindicaciones 1 a 8 en el que los elementos del dispositivo focalizador están modulados a fin de mejorar Ia adaptación entre los diferentes elementos del sistema
10.- Dispositivo descrito según las reivindicaciones 1 a 9 en el que los elementos del dispositivo focalizador pueden sintonizarse externamente, a fin de mejorar Ia adaptación entre los diferentes elementos del sistema.
11.- Dispositivo focalizador de acuerdo con Io descrito en las reivindicaciones 1 a 10 que, por hallarse alejado de las bocinas de recepción, puede usarse en combinación con bobinas receptoras convencionales y comercializarse de modo independiente.
12.- Dispositivo según Io descrito en las reivindicaciones 1 a 11 que además incorpora un elelento reflector del campo magnético, que Io re-dirige hacia alguna zona pre-determinada de exploración. El elemento reflector se realiza mediante las técnicas descritas en las reivindicaciones 6 a 10, pero sintonizando los anillos a una frecuencia diferente. O bien colocando una placa metálica cerca de Ia cara posterior del elemento focalizador de modo que cambie Ia frecuencia de resonancia de los anillos de dicha cara. O bien, simplemente, mediante uno o varios anillos resonantes de grandes dimensiones, sintonizados a Ia frecuencia de operación.
13.- Dispositivo focalizador para manipular el campo magnético diseñado de acuerdo a Io descrito en las reivindicaciones 5 a 9 anteriores, cuyo objeto no sea Ia generación de imágenes por resonancia magnética, sino Ia focalización del campo magnético para calentamiento localizado o hypertermia de algún tejido.
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