WO2012016558A2 - Kernspintomograph sowie kernmagnetisches resonanzverfahren - Google Patents

Kernspintomograph sowie kernmagnetisches resonanzverfahren Download PDF

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    • 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
    • G01R33/44—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using nuclear magnetic resonance [NMR]
    • G01R33/48—NMR imaging systems
    • G01R33/4802—Travelling-wave MR

Definitions

  • the invention relates to a magnetic resonance tomograph and a nuclear magnetic resonance method.
  • a conventional magnetic resonance tomograph comprises a cylindrical magnet for generating a static magnetic field, which is generally referred to as a magnet, a further gradient coil for generating a magnetic gradient field, and a radio-frequency transmitter-receiver unit with antenna arrangement, the radio radiation in Hj ⁇ - Mode sends and registers, as well as a data processing system for the control, processing and display of the image data.
  • the transmitter-receiver unit generates progressive waves.
  • the field emitted and received is a waveguide mode in the Hu round waveguide.
  • the sensitivity of the measuring device becomes smaller, so that less sharp or less noise-free images occur in these areas.
  • the object of the invention to provide a nuclear spin tomograph and a nuclear magnetic resonance recording method, with which also in the edge regions the measurement volume and in a long sample good, sharp or low-noise images can be generated.
  • the measuring volume is defined by the homogeneous field range of the static magnetic field. It is intended to provide a method and a device which make it possible to irradiate the energy with excitation specifically to the object or human or animal to be examined without the specific absorption rate, for example on the head or the feet of an animal or animal human examination object, or without exceeding the legal limits of the specific absorption rate on the antenna-facing side of the human or animal object to be examined, ie the head or feet.
  • the object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1 and the independent method claim.
  • the method and the device according to the invention it is now possible to achieve sharp, low-noise, better images in the edge region of the measuring volume enclosed by the magnet.
  • the measuring volumes which are removed in the radial direction from the axis of rotation of the magnet, can be measured better and more accurately and less noise.
  • the sensitivity of the measuring device varies greatly along the axis due to absorption.
  • the sensitivity of the transceiver unit along the axis of the magnet is different.
  • Fig.1 representation of the sensitivity as a function of the distance from the
  • Fig.4 Course of the sensitivity along the axis of rotation of the magnet according to the invention.
  • the abscissae indicate the dimensionless distance from the transmitter, respectively, and the ordinates respectively the dimensionless sensitivity.
  • a magnetic resonance tomograph which has a coil for generating a static magnetic field and a means for generating a time-variable magnetic field gradient, which further comprises means for coupling in a propagating electromagnetic field of an Eoi mode.
  • the means for coupling in a propagating electromagnetic field or a propagating electromagnetic wave of an E 0 i mode cause measurements to be carried out with high sensitivity, in particular in the peripheral regions of the measuring volume which are located at a greater distance from the axis passing through the magnet can be. This is especially in the measurement of humans or animals receive low noise, sharp images. Furthermore, there is no longer the problem that the sensitivity of the measuring device along the axis varies greatly by absorption. Under this axis according to the invention, the axis of rotation of the magnet is to be understood, which passes through the bore of the magnet.
  • Eoi mode it may be, for example, an antenna or a shaft transformer.
  • the means for coupling the advancing electromagnetic field is preferably located outside the volume which is enclosed by the magnet, since in the investigation of living objects claustrophobic effects, which can also affect the measurement result, can be reduced or even eliminated ,
  • the measuring volume is formed by the homogeneous field region of the static magnetic field.
  • samples of larger dimensions can be examined as well as reduced in the investigation of living objects claustrophobic effects or completely excluded.
  • Eoi-Modes can be at one end of the limited by the magnet investigation or examination.
  • Measuring volume and can be equipped with a lid, which covers the end of the measuring volume to the outside.
  • the electromagnetic field can be coupled in particularly efficiently.
  • the lid does not have to completely close the measuring volume to the outside.
  • the means for coupling a progressive electromagnetic field in an E 0 [mode is preferably in a position which is located on the axis of rotation of the magnet, since in this position an optimal coupling into the measuring volume can take place.
  • the means for coupling in a propagating electromagnetic field of an E 0 r mode can also serve as a receiver for the measurement signals.
  • the receiver may also be designed as a separate unit.
  • the means for coupling advancing electromagnetic waves is a frequency generator which is connected via a coaxial cable with a shaft transformer to the waveguide, which is represented by the bore of the magnet.
  • the shaft transformer forms a waveguide, which is continued through the bore of the magnet.
  • the inner conductors of the coaxial cable protrude into the waveguide as pins and form a capacitive coupling of the guided wave to the waveguide mode.
  • an inductive coupling of the guided wave to the waveguide mode is possible. This is done by a coupling by means of a curved conductor.
  • advancing electromagnetic waves of E 0 i mode can be coupled into the waveguide.
  • the device according to the invention which is equipped with means for injecting a propagating electromagnetic field in an Eoi mode, enables a low-noise measurement of measuring volume regions, which are farther from the axis of rotation of the magnet.
  • the device comprises means for coupling in progressing electromagnetic fields of further modes, for example the Hn, H 2 i-Hör, En-, H31 -,
  • the means for injecting a traveling electromagnetic field of Eoi mode may also act as a receiver for the signals resulting from the measurement.
  • the means for coupling a progressive electromagnetic field of different modes can also be located at one end of the bore of the magnet, preferably in a position, in particular on the axis of rotation of the magnet, for. B. when an Eoi mode is coupled, in which a direct irradiation can take place.
  • the means for coupling electromagnetic waves of such modes is at the same end of the bore as the means for Coupling of electromagnetic waves of the Eoi mode. This has the advantage that the second opening of the magnet remains freely accessible.
  • the means for irradiating advancing electromagnetic waves of different modes are in a position such that these means are each arranged in a position which corresponds to a zero crossing of the respective other mode. This has the advantage that the modes are decoupled from each other. Furthermore, means for coupling progressive electromagnetic fields of different modes into the measuring volume can be present at the same time. Furthermore, at least two or different means for coupling propagating electromagnetic fields of different modes into the measurement volume may be present at the same time, which allows an even more complete measurement of the measurement volume.
  • a device which comprises both means for coupling in a traveling electromagnetic field of an Em-mode and another mode makes it possible to use Transmit-SENSE methods, in which the sensitivity differences in the coordinates of the measuring volume can be used for additional information coding ,
  • at least two modes are required, for example, from the group of modes Hu-, H 2 i- H 0 r, En-, H j- or E 2 i
  • Modes are limited only by the physical dimensions of the magnet.
  • the hole should allow the propagation of progressive electromagnetic waves.
  • diameters for the bore of the magnet in a 9.4 Tesla system may be given from 58 cm to, for example, 63 cm.
  • the diameter for the hole is basically open according to upper values and limited only by the technical feasibility.
  • the minimum diameter beyond which modes are capable of propagation depends on the operating frequency of the nuclear magnetic resonance tomograph and the material properties of the test sample.
  • a propagating electromagnetic field of a particular mode can be coupled and propagated even if the bore of the magnet is below the minimum diameter for propagating a wave of the magnet in the unladen case.
  • the cut-off frequency of the mode is lowered.
  • At least one mode for example the Hi i mode
  • two pins are arranged at an angle, preferably orthogonal to each other, in each case the same mode, for example, the Ho ⁇ -Mode einkoppeln.
  • This has the advantage that it is also possible to use orthogonal modes of one type for sensitivity coding, and that the coupled-in progressive electromagnetic field can be optimally adapted to the spatial extent of the object to be examined. At an angle other than 90 ° favorable spatial detections of the object to be measured are also possible.
  • the receiver is preferably located outside the measuring volume enclosed by the magnet. This has the advantage that claustrophobic effects can be prevented. The same also applies to means for coupling propagating electromagnetic waves, another mode, for example a H
  • the receiver may be both the transmitter and another unit independent of it.
  • an object to be examined is examined in a magnetic resonance tomograph which has a magnet which builds up a static magnetic field.
  • a time-variable magnetic field is generated, which enables a spatial coding.
  • an electromagnetic progressive wave or a propagating electromagnetic field is coupled into the bore of the magnet in an Eoi mode.
  • an antenna or a shaft transformer is used for coupling in the advancing electromagnetic field according to the invention.
  • the advancing electromagnetic field is preferably coupled into the measurement volume from a position outside the magnet, since in the investigation of living objects, claustrophobic effects, which can also affect the measurement result, can be reduced or even eliminated.
  • the opening of the magnet at the end of which the means for coupling in the advancing electromagnetic field of an Eoi mode is shielded by a cover.
  • the advancing electromagnetic field is preferably coupled into the measurement volume from a point on the axis of rotation of the magnet.
  • progressing electromagnetic fields of different modes are coupled from positions into the measuring volume, which are each in the position of a zero crossing of the fields of other modes.
  • This has the advantage that the modes can be decoupled from each other.
  • transmit SENSE methods in transmission mode in which the sensitivity differences in the coordinates of the measurement volume can be used for additional information coding , This requires at least two modes. If the means for transmitting or other receiving antennas with a diversity of at least two are used for receiving, SENSE methods can also be used in receive mode.
  • the same mode can be coupled in twice, wherein the second coupling is coupled to the first polarized at an angle, preferably orthogonal to the first.
  • this polarized coupling can be done with any mode whose field lines are not rotationally symmetric, e.g. with Hi i-Mode. This has the advantage that due to the resulting electromagnetic field, the spatial extent of the object to be examined can be optimally adapted. If the angle of the polarization of the second coupling of the mode deviates from 90 °, an improved spatial measurement of the object can likewise be achieved. In particular, in the study of humans and animals, a polarization of Modes is advantageous.
  • the cutoff frequency of at least one coupled-in mode is reduced. This can be done by attaching dielectric materials within the bore of the magnet.
  • the receiver is preferably positioned outside the volume enclosed by the magnet. This has the advantage that claustrophobic effects can be prevented.
  • means for coupling propagating electromagnetic waves another mode, for example a Hu mode.
  • both the means for sending, as well as independent units can be used.
  • the invention is based on the following questions:
  • High-field MRI systems use the high frequency (RF) shielding of the gradient system as a waveguide.
  • the guided in the shield wave can then be used both to excite the nuclear magnetic resonance, as well as to receive the relaxation signal.
  • the cut-off frequency of the corresponding mode must be exceeded.
  • the limiting frequency of a method is determined by the cross-sectional dimension of the waveguide for 7 Tesla (T) systems With a proton resonance frequency of 300 MHz and a typical RF shielding diameter of 58 cm, the cutoff frequency of the fundamental mode (mode with the lowest cutoff frequency - this is the Hu mode in a circular cylindrical waveguide) is just over 300 MHz of the magnet with a dielectric body (human body or phantom), the cutoff frequency can be lowered to just below the resonant frequency, so that the fundamental mode becomes propagation capable and MRI by means of a traveling wave becomes possible
  • the ⁇ mode has a characteristic distribution of magnetic field strength above the cross-section of the waveguide and decreases
  • the Eoi mode is not capable of propagation in a 7T system with a diameter of the 58 cm RF screen since the cutoff frequency is significantly higher than 300 MHz.
  • the invention is therefore based on an MRT system with a higher resonance frequency (9 AT which corresponds to a resonance of the hydrogen nuclei of 400 MHz) and a larger diameter of the RF shield (63 cm), which is made possible by a larger magnet bore.
  • a higher resonance frequency 9 AT which corresponds to a resonance of the hydrogen nuclei of 400 MHz
  • a larger diameter of the RF shield 63 cm
  • the originally open RF shielding (cylinder without the cover sides) can advantageously be closed on one side of the magnet with a cover plate.
  • this is the so-called “service end” of the magnet, as the patient bed is mounted on the other side ("patient end").
  • the Hn coupling pin a quarter waveguide wavelength was removed from the cover.
  • the lid acts like an open end on the coupling pin and has no influence on the excitation of the fashion.
  • the Decoupling between the two pins takes place through the geometric arrangement.
  • the pins are arranged so that they lie in the zeros of the fields of the respective other mode.
  • a coupling of the different modes can also be done with special antennas. Due to the higher technical complexity, however, the coupling was selected by means of shaft transformer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kemspintomograph sowie ein kernmagnetisches Resonanzverfahren. Erfindungsgemäß wird ein Kernspintomograph eingesetzt, welcher einen Magneten, eine Gradientenspule sowie eine Sendeeinheit für fortschreitende, elektromagnetische Wellen umfasst, mit der fortschreitende elektromagnetische Wellen eines E01-Mode in das Messvolumen eingekoppelt werden.

Description

B e s c h r e i b u n g Kernspintomograph sowie kemmagnetisches Resonanzverfahren
Die Erfindung betrifft einen Kernspintomograph sowie ein kernmagnetisches Resonanzverfahren.
Für die Bildgebung sind nach dem Stand der Technik verschiedene kernmagnetische Resonanzverfahren bekannt. Diese machen von Kernspintomographen Gebrauch. Ein nach dem Stand der Technik gebräuchlicher Kernspintomograph umfasst einen zylindrischen Magneten zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes, der im Allgemeinen als Magnet bezeichnet wird, eine weitere Gradientenspule zur Erzeugung eines Magnetgradientenfeldes, und eine Hochfrequenz-Sender-Empfängereinheit mit Antennenanordnung, die Radiostrahlung im Hj ι -Mode sendet und registriert, sowie eine Datenverarbeitungsanlage zur Steuerung, Bearbei- tung und Anzeige der Bilddaten. Die Sender- Empfängereinheit generiert dabei fortschreitende Wellen. In einer der Erfindung naheliegenden Ausführung handelt es sich bei dem ausgesendeten und empfangenen Feld um eine Hohlleitermode im runden Hohlleiter vom Typ Hu. Mit diesen Geräten werden die zu untersuchenden Proben bzw. in der Medizin Tiere und Menschen axial in den Magneten gelegt und einem Gradientenfeld ausgesetzt, wobei durch die Sende- und Empfängereinheit Radiostrahlung im Hi ι Mode ausgestrahlt und registriert wird.
Mit diesen Geräten, welche Hn-Moden anregen, werden Bilder erzeugt, welche entlang der Achse des Magneten scharf und rauscharm sind, da sie nur entlang der Achse aus Ortsbereichen der Probe oder des Lebewesens kommen, in denen sie Sensitivität des Messgeräts sehr hoch ist. Für Ortsbereiche, die weiter von der Magnetachse entfernt sind bzw. durch leitende Materialien von direkter Feldeinstrahlung abgeschirmt werden, nehmen Rauschen und Unscharfe der erzeugten Bilder zu, da die Sensitivität des Messgerätes hier kleiner wird.
In den Randbereichen, also in größerer Entfernung zur Achse des Magnetes wird die Sensitivität des Messgeräts kleiner, so dass in diesen Bereichen weniger scharfe bzw. weniger rauschfreie Bilder entstehen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Kernspintomograph und ein kernmagnetisches Resonanzaufnahmeverfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen auch in den Randbereichen des Messvolumens sowie in einer langen Probe gute, scharfe bzw. rauscharme Bilder generiert werden können. Das Messvolumen wird dabei durch den homogenen Feldbereich des statischen Magnetfeldes definiert. Es soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche es ermöglichen, die Energie bei Anregung gezielt auf das zu untersu- chende Objekt oder den Menschen bzw. das Tier einzustrahlen ohne die spezifische Absorptionsrate, beispielsweise an Kopf oder den Füßen eines tierischen oder menschlichen Untersuchungsobjektes, zu erhöhen bzw. ohne die gesetzlichen Grenzwerte der spezifischen Absorptionsrate auf der Antennen zugewandten Seite des menschlichen oder tierischen Untersuchungsobjekts, also dem Kopf oder den Füßen, zu überschreiten. Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 sowie des nebengeordneten Verfahrensanspruchs.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es nunmehr möglich, scharfe, rauscharme, bessere Bilder im Randbereich des durch den Magneten eingeschlossenen Mess- volumens zu erzielen. Insbesondere die Messvolumina, welche in radialer Richtung von der Rotationsachse des Magneten entfernt sind, lassen sich besser und genauer und rauschärmer vermessen. Zudem besteht nicht mehr die Problematik, dass die Empfindlichkeit des Messgerätes entlang der Achse durch Absorption stark variiert. Es besteht nicht mehr die Problematik, dass die Empfindlichkeit der Sende-Empfängereinheit entlang der Achse des Magneten unterschiedlich ist. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen
Verfahren ist es möglich, mehr Energie bei Anregung mit fortschreitenden Wellen einzustrahlen ohne die spezifische Absorptionsrate an Kopf oder an den Füßen eines tierischen oder menschlichen Untersuchungsobjektes zu erhöhen.
Die Figuren zeigen einen Vergleich der Ergebnisse gemäß dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Es zeigt:
Fig.1 : Darstellung der Sensitivität in Abhängigkeit vom Abstand von der
Achse des durch den Magneten eingeschlossenen Mess volumens nach dem Stand der Technik. Fig.2: Darstellung der Sensitivität in Abhängigkeit vom Abstand von der
Achse des durch den Magneten eingeschlossenen Messvolumens gemäß der Erfindung.
Fig.3: Verlauf der Sensitivität entlang der Rotationsachse des Magneten nach dem Stand der Technik.
Fig.4: Verlauf der Sensitivität entlang der Rotationsachse des Magneten gemäß der Erfindung.
In den Figuren 1 und 2 bezeichnen die Abszissen jeweils den dimensionslosen Abstand von der Rotationsachse des Magneten, wobei R = 0 in der Mitte liegt und die Ordinalen bezeich- nen jeweils die dimensionslose Sensitivität.
In den Figuren 3 und 4 bezeichnen die Abszissen jeweils den dimensionslosen Abstand von dem Sender und die Ordinaten jeweils die dimensionslose Sensitivität.
Im Folgenden soll das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung erläutert werden.
Erfindungsgemäß wird ein Kernspintomograph zur Verfügung gestellt, welcher eine Spule zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes, sowie ein Mittel zur Erzeugung eines zeitvariablen magnetischen Feldgradienten aufweist, der weiterhin Mittel zur Einkopplung eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes eines Eoi -Mode besitzt.
Die Mittel zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes bzw. einer fortschreitenden elektromagnetischen Welle eines E0i-Mode bewirken, dass insbesondere in den Randbereichen des Messvolumens, welche sich in größerer Entfernung von der Achse, welche den Magneten durchläuft befindet, Messungen mit hoher Sensitivität vorgenommen werden können. Damit werden vor allen Dingen bei der Vermessung von Menschen oder Tieren rauscharme, scharfe Bilder erhalten. Weiterhin besteht nicht mehr die Problematik, dass die Empfindlichkeit des Messgerätes entlang der Achse durch Absorption stark variiert. Unter dieser Achse im Sinne der Erfindung ist die Rotationsachse des Magneten zu verstehen, welche die Bohrung des Magneten durchläuft.
Bei dem Mittel zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes im
Eoi-Mode, kann es sich beispielsweise um eine Antenne oder um einen Wellentransformator handeln. Das Mittel zum Einkoppeln des fortschreitenden elektromagnetischen Feldes befindet sich vorzugsweise außerhalb des Volumens, das durch den Magneten eingeschlossen wird, da somit bei der Untersuchung von lebenden Objekten klaustrophobische Effekte, die sich auch auf das Messergebnis auswirken können, vermindert oder sogar ausgeschlossen werden kön- nen. Das Messvolumen wird durch den homogenen Feldbereich des statischen Magnetfeldes gebildet. Somit können Proben von größeren Abmessungen untersucht werden sowie bei der Untersuchung von lebenden Objekten klaustrophobische Effekte reduziert oder ganz ausgeschlossen werden. Für die Verminderung von klaustrophobischen Effekten kann es auch ausreichend sein, wenn das Mittel zum Einkoppeln eines elektromagnetischen Feldes eines Eoi-Mode, nicht tief in das durch den Magneten eingeschlossene Volumen hineinragt.
Das Mittel zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes eines
Eoi-Modes kann sich an einem Ende des durch den Magneten begrenzten Untersuchungsbzw. Messvolumens befinden und kann mit einem Deckel ausgestattet sein, welcher das Ende des Messvolumens nach außen abdeckt. Dadurch kann das elektromagnetische Feld besonders effizient eingekoppelt werden. Der Deckel muss das Messvolumen jedoch nicht komplett nach außen abschließen.
Das Mittel zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes in einem E0[ - Mode befindet sich vorzugsweise in einer Position, die sich auf der Rotationsachse des Mag- neten befindet, da in dieser Position eine optimale Einkopplung in das Messvolumen erfolgen kann.
Das Mittel zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes eines E0r Mode, kann auch als Empfänger für die Messsignale dienen.
Alternativ kann der Empfänger auch als gesonderte Einheit ausgeführt sein.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist das Mittel zum Einkoppeln von fortschreitenden elektromagnetischen Wellen ein Frequenzgenerator, der über ein Koaxialkabel mit einem Wellentransformator mit dem Hohleiter, der durch die Bohrung des Magneten dargestellt wird, verbunden ist. Der Wellentransformator bildet einen Hohlleiter, der durch die Bohrung des Magneten fortgesetzt wird. Im Wellentransformator ragen die Innenleiter des Koaxialkabels als Stifte in den Hohlleiter hinein und bilden eine kapazitive Ankopplung der geführten Welle an den Hohlleitermode. Alternativ ist auch eine induktive Ankopplung der geführten Welle an den Hohlleitermode möglich. Dies geschieht durch eine Einkopplung mittels eines gebogenen Leiters. Mit dieser Anordnung können fortschreitende elektromagnetische Wellen der E0i-Mode in den Hohlleiter eingekoppelt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit Mitteln zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes in einem Eoi-Mode ausgestattet ist, ermöglicht eine rauscharme Vermessung von Messvolumenbereichen, die weiter von der Rotationsachse des Magneten entfernt sind.
Es können jedoch auch weitere Moden, wie Hl r, H21- H0r> En-, H31 -, E2i-Moden eingekop- pelt werden. Hierzu umfasst die Vorrichtung Mittel zum Einkoppeln von fortschreitenden elektromagnetischen Feldern weiterer Moden, beispielsweise der Hn-, H2i- Hör, En-, H31 -,
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Das hat den Vorteil, dass Bereiche des Messvolumens, welche durch fortschreitende elektromagnetische Wellen des Eoi-Mode weniger gut vermessen werden können, ebenfalls einer sensitiven Messung zugeführt werden können.
Das Mittel zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes der Eoi-Mode kann auch als Empfänger für die aus der Messung resultierenden Signale fungieren. Alternativ kann jedoch auch ein anderer Empfänger vorhanden sein, der zu dem Mittel zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes im E0 i-Mode eine gesonderte Einheit darstellt. Dabei kann es sich um einen Empfänger außerhalb der Bohrung der Magnetspule oder innerhalb des Magneten handeln. Befindet sich der Empfänger innerhalb des Magneten, so soll er erfindungsgemäß vorzugsweise wenig Platz einnehmen. Dies hat den Vorteil, dass klaustrophobische Effekte verhindert werden können. Selbiges gilt auch für Mittel zum Einkoppeln und Senden von fortschreitenden elektromagnetischen Wellen, eines anderen Mode, beispielsweise eines Hn-, H2 H01-, En-, H31- oder E2]-Mode.
Die Mittel zum Einkoppeln eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes verschiedener Modes, wie dem Hn-, H2!- Hoi-, En-, H31- oder E2i-Mode können sich ebenfalls an einem Ende der Bohrung des Magneten befinden, vorzugsweise in einer Position, insbesondere auf der Rotationsachse des Magneten, z. B. wenn ein Eoi-Mode eingekoppelt wird, in der eine Direkteinstrahlung erfolgen kann. Vorzugsweise befindet sich das Mittel zum Einkoppeln von elektromagnetischen Wellen solcher Modes am gleichen Ende der Bohrung wie das Mittel zur Einkopplung von elektromagnetischen Wellen des Eoi-Mode. Dies hat den Vorteil, dass die zweite Öffnung des Magneten frei zugänglich bleibt.
Γη einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform befinden sich die Mittel zum Einstrahlen von fortschreitenden elektromagnetischen Wellen unterschiedlicher Modes in einer Position, dass diese Mittel jeweils in einer Position angeordnet sind, die einem Nulldurchgang des jeweils anderen Modes entspricht. Dies hat den Vorteil, dass die Modes voneinander entkoppelt sind. Weiterhin können Mittel zum Einkoppeln fortschreitender elektromagnetischer Felder unterschiedlicher Moden in das Messvolumen gleichzeitig vorhanden sein. Weiterhin können mindestens zwei oder verschiedene Mittel zur Einkopplung fortschreitender elektromagnetische Felder unterschiedlicher Moden in das Messvolumen gleichzeitig vorhanden sein, was eine noch vollständigere Ausmessung des Messvolumens ermöglicht.
Eine Vorrichtung, welche sowohl Mittel zur Einkopplung eines fortschreitenden elektromagnetischen Feldes eines Em- Mode als auch eines anderen Mode umfasst, ermöglicht die An- wendung von Transmit-SENSE-Verfahren, bei dem die Sensitivitätsunterschiede in den Koordinaten des Messvolumens zur zusätzlichen Informationskodierung verwendet werden können. Hierzu werden mindestens zwei Moden benötigt, beispielsweise aus der Gruppe der Modes Hu-, H2i- H0r, En-, H j- oder E2i Die Anwendbarkeit von fortschreitenden elektromagnetischen Feldern unterschiedlicher
Moden ist nur von den baulichen Abmessungen des Magneten begrenzt. Die Bohrung soll die Ausbreitung von fortschreitenden elektromagnetischen Wellen ermöglichen. Beispielhaft, aber nicht beschränkend können Durchmesser für die Bohrung des Magneten bei einem 9.4 Tesla-System von 58 cm bis beispielsweise 63 cm angegeben werden. Der Durchmesser für die Bohrung ist nach oberen Werten grundsätzlich offen und nur durch die technische Realisierbarkeit beschränkt. Der minimale Durchmesser, ab dem Moden ausbreitungsfähig sind, hängt von der Betriebsfrequenz des kernmagnetischen Kernspintomographen und den Materialeigenschaften der Messprobe ab.
Durch eine wenigstens teilweise Beladung des Magneten mit einem dielektrischen Material kann ein fortschreitendes elektromagnetisches Feld eines bestimmten Mode auch dann eingekoppelt und ausbreitungsfähig gemacht werden, wenn die Bohrung des Magneten im unbela- denen Fall unterhalb des minimalen Durchmessers zur Ausbreitung einer Welle des ge- wünschten Mode ist. Für einen solchen Aufbau wird die Grenzfrequenz der Mode herabgesetzt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann wenigstens eine Mode, beispielsweise die Hi i-Mode, in einem Winkel, vorzugsweise orthogonal polarisiert werden, was beispielhaft durch eine geometrische Rotation des entsprechenden Einkoppelstiftes auf dem Wellentransformator realisiert werden kann. Hierzu sind zwei Stifte in einem Winkel, vorzugsweise orthogonal zueinander angeordnet, die jeweils denselben Mode, beispielsweise den Ho ι -Mode, einkoppeln. Das hat den Vorteil, dass auch orthogonale Moden eines Typs zur Sensitivitäts- kodierung verwendet werden können, und dass das eingekoppelte fortschreitende elektromagnetische Feld der räumlichen Ausdehnung des zu untersuchenden Objekts optimal angepasst werden kann. Bei einem anderen Winkel als 90° werden ebenfalls günstige räumliche Erfassungen des zu vermessenden Objekts ermöglicht.
Der Empfänger befindet sich vorzugsweise außerhalb des durch den Magneten eingeschlosse- nen Messvolumens. Dies hat den Vorteil, dass klaustrophobische Effekte verhindert werden können. Selbiges gilt auch für Mittel zum Einkoppeln von fortschreitenden elektromagnetischen Wellen, eines anderen Mode, beispielsweise eines H| i-Mode.
Der Empfänger kann sowohl der Sender, als auch eine andere, davon unabhängige Einheit sein. Nach dem erfindungsgemäßen Bildgebenden Verfahren wird ein zu untersuchendes Objekt in einem Kernspintomograph untersucht, welcher über einen Magneten verfügt, der ein statisches Magnetfeld aufbaut. Es wird zusätzlich ein zeitvariables Magnetfeld erzeugt, welches eine Raumkodierung ermöglicht. Erfindungsgemäß wird in dem Bildgebenden Verfahren eine elektromagnetische fortschreitende Welle bzw. ein fortschreitendes elektromagnetisches Feld in die Bohrung des Magneten in einem Eoi-Mode eingekoppelt.
Dies hat den Vorteil, dass insbesondere in den Randbereichen des Messvolumens, welche sich in größerer Entfernung von der Achse die den Magneten durchläuft, Messungen mit einer höheren Sensitivität durchgeführt werden können, als mit dem Stand der Technik. Damit können insbesondere in Bereichen des Messvolumens, die durch einen menschlichen oder tierischen Probanden ausgefüllt werden, besonders rauscharme Messergebnisse erhalten werden. Weiterhin variiert die Empfindlichkeit des Messgeräts entlang der Achse nicht mehr so stark.
Zum Einkoppeln des erfindungsgemäßen fortschreitenden elektromagnetischen Feldes werden eine Antenne oder ein Wellentransformator eingesetzt. Das fortschreitende elektromagnetische Feld wird vorzugsweise von einer Position außerhalb des Magneten in das Messvolumen eingekoppelt, da somit bei der Untersuchung von lebenden Objekten klaustrophobische Effekte, die sich auch auf das Messergebnis auswirken können, vermindert oder sogar ausgeschlossen werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Öffnung des Magneten an deren Ende sich das Mittel zum Einkoppeln des fortschreitenden elektromagnetischen Feldes einer Eoi-Mode, durch einen Deckel abgeschirmt. Das hat den Vorteil, dass das fortschreitende elektromagnetische Feld besonders effektiv in das Messvolumen eingekoppelt werden kann.
Vorzugsweise wird das fortschreitende elektromagnetische Feld von einem Punkt auf der Rotationsachse des Magneten in das Messvolumen eingekoppelt.
Mit dem erfindungsgemäßem Verfahren, nach dem in das Messvolumen ein fortschreitendes elektromagnetisches Feld in das Messvolumen eingekoppelt wird, lassen sich rauscharme Messung in Bereichen durchfuhren, die weiter von der Rotationsachse des Magneten entfernt sind. Zusätzlich können in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, fortschreitende elektromagnetische Wellen anderer Moden, wie der H] [-, H2)- Hor, En-, H31- oder E21 -Mode, in das Messvolumen eingekoppelt werden. Das hat den Vorteil, dass Bereiche des Messvolumens, welche durch fortschreitende elektromagnetische Wellen der E0i-Mode oder einer anderen Mode nicht ausreichend gut vermessen werden können, ebenfalls einer hohen Sensitivität durchgeführt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, werden fortschreitende elektromagnetische Felder unterschiedlicher Moden von Positionen in das Messvolumen eingekoppelt, die sich jeweils in der Position eines Nulldurchgangs der Felder anderer Moden befindet. Dies hat den Vorteil, dass die Moden voneinander entkoppelt wer- den können. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem fortschreitenden Wellen mindestens zweier verschiedener Moden eingekoppelt werden, ermöglicht die Anwendung von Transmit-SENSE- Verfahren im Sendebetrieb, bei dem die Sensitivitätsunter- schiede in den Koordinaten des Messvolumens zur zusätzlichen Informationskodierung ver- wendet werden können. Hierzu werden mindestens zwei Moden benötigt. Werden die Mittel zum Senden oder andere Empfangsantennen mit einer Mannigfaltigkeit von mindestens zwei zum Empfangen eingesetzt, können ebenfalls SENSE-Methoden im Empfangsbetrieb eingesetzt werden.
In einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung kann dieselbe Mode zweimal eingekoppelt werden, wobei die zweite Einkopplung zu der ersten in einem Winkel, vorzugsweise orthogonal zu der ersten polarisiert eingekoppelt wird. Grundsätzlich kann diese polarisierte Einkopplung mit jeder Mode erfolgen deren Feldlinien nicht rotationssymmetrisch sind, z.B. mit der Hi i-Mode. Das hat den Vorteil, dass durch das resultierende elektromagnetische Feld, der räumlichen Ausdehnung des zu untersuchenden Objekts optimal angepasst werden kann. Weicht der Winkel der Polarisation der zweiten Einkopplung des Mode von 90° ab, so kann ebenfalls eine verbesserte räumliche Vermessung des Objekts erzielt werden. Insbesondere bei der Untersuchung von Menschen und Tieren ist eine Polarisation von Modes vorteilhaft.
In einer weiteren Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Grenzfrequenz mindestens einer eingekoppelten Mode herabgesetzt. Dies kann dadurch erfolgen, dass dielektrische Materialien innerhalb der Bohrung des Magneten angebracht werden.
Der Empfänger wird vorzugsweise außerhalb des durch den Magneten eingeschlossenen Volumens positioniert. Dies hat den Vorteil, dass klaustrophobische Effekte verhindert werden können. Selbiges gilt auch für Mittel zum Einkoppeln von fortschreitenden elektromagnetischen Wellen, eines anderen Mode, beispielsweise eines Hu-Mode. Als Empfänger können sowohl die Mittel zum Senden, als auch davon unabhängige Einheiten eingesetzt werden.
Beispiel:
Der Erfindung liegen folgende Fragestellungen zugrunde:
1. Wie kann die Region hoher Sensitivität bei der Anregung und/oder Aufnahme von kernmagnetischer Resonanz mittels fortschreitender Wellen vergrößert werden? 2. Wie können die Methoden der parallelen Anregung („Transmit- SENSE") und/oder Aufnahme („SENSE/GRAPPA") der kernmagnetischen Resonanz auf Magnet Resonanz Tomographie (MRT) Systeme mit Aufnahme/ Anregung mittels fortschreitender Wellen angewendet werden?
3. Wie kann mehr Energie bei Anregung mit fortschreitenden Wellen in die zu untersuchende Körperregion eingestrahlt werden, ohne die spezifische Absorptionsrate (SAR) an Kopf oder Füßen drastisch zu erhöhen?
Hochfeld MRT Systeme nutzen die Hochfrequenz (HF) Abschirmung des Gradientensystems als Wellenleiter. Die in der Abschirmung geführte Welle kann dann sowohl zur Anregung der kernmagnetischen Resonanz, als auch zum Empfang des Relaxationssignals verwendet werden. Damit sich eine fortschreitende Welle in einem Hohlleiter ausbreiten kann, muss die Grenzfrequenz („cut-off-frequency") der entsprechenden Mode überschritten werden. Die Grenzfrequenz einer Methode wird durch die Querschnittsabmessung des Hohlleiters be- stimmt. Für 7 Tesla (T) Systeme mit einer Protonen Resonanzfrequenz von 300 MHz und einem typischen Durchmesser der HF- Abschirmung von 58 cm liegt die Grenzfrequenz der Grundmode (Mode mit der niedrigsten Grenzfrequenz - dies ist die Hu-Mode in einem kreiszylindrischen Hohlleiter) bei knapp über 300 MHz. Durch die Beladung des Magneten mit einem dielektrischen Körper (Menschlicher Körper oder Phantom) kann die Grenzfrequenz auf knapp unter die Resonanzfrequenz gesenkt werden, so dass die Grundmode ausbreitungs- fähig und MRT mittels einer fortschreitenden Welle möglich wird. Die Ηπ-Mode weist eine charakteristische Verteilung der magnetischen Feldstärke über dem Querschnitt des Hohlleiters auf. Sie ist in der Mitte am höchsten und nimmt radial zum Rand hin ab. Da die Effi- zienz/Sensitivität einer MRT Anregung/ Aufnahme proportional zur magnetischen Feldstärke ist, können Volumina in der Mitte des Hohlleiters gut abgebildet werden. Zum Rand des Hohlleiters fallen Effizienz und Sensitivität stark ab und sind auf der Hohlleiteroberfläche identisch Null. Die Anregung/Aufnahme der fortschreitenden Welle erfolgt zumeist mit einer Antennenstruktur (Patch- Antenne, Dipolantenne) die konzentrisch zur HF-Abschirmung montiert wird. Für die SAR- Verteilung sind die elektrischen Felder ausschlaggebend. Auch hier weist die Hi i-Mode Nachteile auf. Wie bei der magnetischen Feldstärke sind die elektrischen Felder in der Mitte des Hohlleiters konzentriert. Von der Service- oder Patientenseite des Magneten eingestrahlte Wellen fuhren deshalb zu hohen SAR- Werten im Kopf oder an den Füßen. Zur Erhöhung der Sensitivität in den Randgebieten (z. B. für die Aufnahme von Körperteilen die Nahe an der HF-Abschirmung liegen) ist deshalb eine Verstärkung der magnetischen Feldstärke nahe der Abschirmung notwendig. Da sich die Feldverteilung einer Mode über dem Querschnitt nicht verändern lässt, müssen zusätzliche Moden zur Anregung/Aufnahme der MRT-Signale herangezogen werden. Komplementär zur Feldverteilung der H| [-Mode ist die Feldverteilung der Eoi-Mode - sie hat eine hohe magnetische Feldstärke in den Randgebieten die zur Achse des Hohlleiters hin auf Null abfällt. Gleichzeitig weist die Eoi-Mode eine elektrische Feldverteilung auf, die ebenfalls in den Randgebieten des Hohlleiters konzentriert ist. Bei MRT-Sequenzen mit SAR-Limitierung kann bei Anregung nur der Eoi-Mode die SAR Belastung reduziert werden. Die Eoi-Mode ist in einem 7T-System mit einem Durchmesser des HF-Schirms von 58 cm nicht ausbreitungsfähig, da die Grenzfrequenz deutlich höher als 300 MHz ist. Der Erfindung liegt deshalb eine MRT-System mit höherer Resonanzfrequenz (9 AT das entspricht einer Resonanz der Wasserstoffkerne von 400 MHz) und größerem Durchmesser der HF- Abschirmung (63 cm), die durch eine größere Magnetbohrung ermög- licht wird, zugrunde. Bei 400 MHz und der genannten Abmessung der HF-Abschirmung sind sowohl die Hn-Mode als auch die Eoi-Mode ausbreitungsfähig. Die oben aufgeführten Antennenstrukturen erzeugen zunächst primär eine Hn-Mode im Hohlleiter. Es ist deshalb eine Methode der Modeneinkopplung erforderlich, die ebenfalls die E0i -Feldverteilung anregt. Damit der unter Punkt zwei aufgeführte Gesichtspunkt erfüllt wird, müssen die beiden Moden unabhängig voneinander angeregt werden können. Dies bedeutet, dass ein Sende-/Empfangs- kanal die Hn-Mode anregt bzw. für deren Feldverteilung als Empfänger sensitiv ist, während ein zweiter Sende-/Empfangskanal mit der Eoi-Mode koppelt. Die Ankopplung weiterer Moden oder eine orthogonale Polarisation ist vorteilhaft. Wir haben die Aufgabe durch den Einsatz von Wellentransformatoren gelöst. Diese erlauben die Umwandlung einer TEM Mode, wie sie z. B. auf einem Koaxialkabel übertragen wird, in eine Hohlleiter Mode. So kann mittels einer kapazitiven Ankopplung am Rand des Hohlleiters eine Hn-Mode erzeugt werden. Ein zentral in der Mitte (auf der Achse) angeordneter Stift kann eine Eoi Mode anregen. Zu diesem Zweck kann die ursprünglich offene HF-Abschirmung (Zylinder ohne die Deckelseiten) vorteilhafter Weise auf einer Seite des Magneten mit einer Deckelplatte ver- schlössen werden. Dies ist in unserer Ausführung das so genannte„Service-Ende" des Magneten, da an der anderen Seite („Patienten-Ende") die Patientenliege montiert ist. Um die Moden getrennt anregen zu können, wurde der Hn-Koppelstift eine viertel Hohlleiterwellenlänge von dem Deckel entfernt angebracht. Auf diese Weise wirkt der Deckel wie ein leerlaufendes Ende auf den Koppelstift und hat keinen Einfluss auf die Anregung der Mode. Die Entkopplung zwischen beiden Stiften findet durch die geometrische Anordnung statt. Die Stifte sind so angeordnet, dass sie in den Nullstellen der Felder der jeweiligen anderen Mode liegen. Alternativ kann eine Einkopplung der verschieden Moden auch mit speziellen Antennen erfolgen. Aufgrund der höheren technischen Komplexität wurde jedoch die Ankopplung mittels Wellentransformator gewählt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Kernspintomograph umfassend einen Magneten, eine Gradient enspule, sowie Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen ein Mittel ist, welches fortschreitende, elektromagnetische Wellen im Eoi-Mode erzeugt.
2. Kernspintomograph nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen im Eoi-Mode eine Antenne oder ein Wellentransformator ist.
3. Kemspintomograph nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich das Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen im Eoi-Mode außerhalb der Bohrung des Magneten befindet oder nicht tief in diese hineinragt.
4. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich das Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen im Eoi-Mode am Ende des durch den Magneten begrenzten Volumens befindet.
5. Kemspintomograph nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen im Eoi- Mode mit einem Deckel ausgestattet ist, welcher das Ende des Volumens nach außen abdeckt.
6. Kemspintomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich das Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen im Eoi-Mode auf einer Position auf der Rotationsachse des Magneten befindet.
7. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen im E0[- Mode ein Frequenzgenerator ist, der über ein Koaxialkabel mit einem Wellentransfor- mator, der durch die Bohrung des Magneten fortgesetzt wird, verbunden ist, wobei in den Wellentransformator der Innenleiter des Koaxialkabels als Stift in den Hohlleiter hineinragt.
8. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Einkopplung von fortschreitenden, elektromagnetischen Wellen im Eor
Mode ein Frequenzgenerator ist, der über ein Koaxialkabel mit einem Wellentransformator, der durch die Bohrung des Magneten fortgesetzt wird, verbunden ist, wobei in den Wellentransformator der Innenleiter des Koaxialkabels in gebogener Geometrie in den Hohlleiter hineinragt.
9. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
er über Mittel zum Einkoppeln mindestens einer weiteren fortschreitenden, elektromagnetischen Welle eines anderen Modes, als dem E0r Mode verfügt.
10. Kernspintomograph nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zum Einkoppeln mindestens einer weiteren fortschreitenden, elektromagnetischen Welle eines anderen Modes, als dem Eoi-Mode, ein Mittel zum Einkoppeln einer fortschreitenden, elektromagnetischen Welle eines Hu-, H2|- Hoi-, En-, H31 - oder E2r Mode ist.
1 1. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zum Einkoppeln verschiedener fortschreitender, elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Modes in einer Position angeordnet sind, die einem Nulldurchgang des jeweils anderen Modes entspricht.
12. Kernspintomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwei Einkopplungs stifte für die Einkopplung des selben Mode in einem Winkel zueinander angeordnet sind.
13. Kernmagnetisches Resonanzverfahren, bei dem ein zu untersuchendes Objekt in einem statischen Magnetfeld einem sich zeitlich ändernden Magnetfelds ausgesetzt wird, welches eine Raurnkodierung ermöglicht, und zur Vermessung des Objekts eine fortschreitende, elektromagnetische Welle in das durch das statische Magnetfeld definierte Messvolumen eingekoppelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
als fortschreitende, elektromagnetische Welle eine Welle des Eoi-Mode eingekoppelt wird.
14. Kernmagnetisches Resonanzverfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass die fortschreitende elektromagnetische Welle eine Welle des Eoi-Mode von einer Position eingekoppelt wird, die sich außerhalb der Bohrung des Magneten definierten Volumenbereichs befindet oder nicht tief in dieses hineinragt.
15. Kernmagnetisches Resonanzverfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Öffnung des Magneten an dem Ende, an dem die elektromagnetische Welle des Eo Modes eingekoppelt wird, abgeschirmt wird.
16. Kernmagnetisches Resonanzverfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine weitere fortschreitende, elektromagnetische Welle in das Messvolumen eingekoppelt wird.
17. Kernmagnetisches Resonanzverfahren nach einem der Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine fortschreitende, elektromagnetische Welle eines Hn-, H2 L- H01 -, En-, H3] - oder E21-Modes eingekoppelt wird.
18. Kernmagnetisches Resonanzverfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet,
dass zwei fortschreitende elektromagnetische Wellen des selben Mode in einem Winkel zueinander polarisiert eingekoppelt werden. .
19. Kernmagnetisches Resonanzverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass fortschreitende elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Modes von Positionen in das Messvolumen eingekoppelt werden, die sich jeweils in der Position eines Nulldurchgangs der Felder der anderen Mode befindet.
20. Kernmagnetisches Resonanzverfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Sensitivitätsunterschiede verschiedener Moden für ein Transmit-SENSE- Verfahren eingesetzt werden.
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