DE19956595A1 - MR-Verfahren zur Anregung der Kernmagnetisierung in einem begrenzten räumlichen Bereich - Google Patents
MR-Verfahren zur Anregung der Kernmagnetisierung in einem begrenzten räumlichen BereichInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anregung der Kernmagnetisierung in einem begrenzten räumlichen Bereich eines Untersuchungsobjektes mit einer in diesem Bereich befindlichen Mikrospule (L), die zum Beispiel an einem interventionellen Instrument o. ä. befestigt ist, während der Erzeugung eines Magnetresonanz-Bildes des Untersuchungsobjektes beschrieben. Die Anregung der Kernmagnetisierung wird dabei mit mindestens einem HF-Impuls erzeugt, dessen Frequenzspektrum nicht mit dem Bereich des Kernresonanzspektrums überlappt, daß dadurch in dem Untersuchungsobjekt außerhalb des Nahbereichs der Mikrospule eine Kernmagnetisierung nicht angeregt wird. Die Mikrospule ist jedoch mit einer aktiven oder passiven Schaltung versehen (z. B. mit mindestens einer Kapazität (C) und einem nichtlinearen Bauelement (D¶1¶, D¶2¶) zu einem nichtlinearen Resonanzkreis verschltet), die aus dem HF-Impuls lokal ein mit der Kernresonanzfrequenz überlappendes HF-Signal erzeugt, das nur im Nahbereich der Mikrospule eine Anregung der Kernmagnetisierung bewirkt. Aus dieser wird nach Messung und entsprechender Signalverarbeitung entweder die Position der Mikrospule bestimmt und in das MR-Bild des Untersuchungsobjektes eingeblendet oder ein MR-Bild des Nahbereichs der Mikrospule erzeugt. Die Erfindung betrifft ferner ein medizinisches Instrument zur Anwendung mit dem Verfahren.
Description
Die Erfindung betrifft ein MR Verfahren (MR = Magnetresonanz) zur Anregung der
Kernmagnetisierung in einem begrenzten räumlichen Bereich eines Untersuchungsobjektes
mit einer in diesem Bereich befindlichen Mikrospule, auf die wenigstens ein
Hochfrequenz-Impuls einwirkt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und ein vorzugsweise medizinisches
Instrument zur Anwendung in dem Verfahren bzw. mit der Vorrichtung.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind aus der EP-A 928 972 (PHD 98-002)
bekannt. Der Mikrospule ist dabei eine Kapazität parallelgeschaltet, so daß ein im
wesentlichen auf die Frequenz der HF-Impulse (HF = Hochfrequenz) abgestimmter
Resonanzkreis entsteht. Das durch die HF-Impulse erzeugte, das Untersuchungsobjekt
durchsetzende (äußere) Magnetfeld wird im Nahbereich der Mikrospule verstärkt und in
seiner Phase verschoben. Dies führt wiederum dazu, daß die Kernmagnetisierung in
diesem Bereich verstärkt angeregt wird, so daß sich dieser Nahbereich in dem MR Bild
gegenüber den anderen Bereichen des Untersuchungsobjektes abhebt.
Die Anregung der Kernmagnetisierung in einem begrenzten Bereich läßt sich auf
verschiedene Weise ausnutzen: Eine Möglichkeit besteht darin, ein MR Bild dieses eng
begrenzten Bereiches - z. B. eines Blutgefässes - zu erzeugen. Die Beschränkung des MR-
Bildes auf einen kleinen Bereich führt zu kurzen Meßzeiten und gestattet fluoroskopische
Anwendungen. - Eine andere Möglichkeit besteht in der Lokalisierung der Mikrospule
und ggf. eines damit verbundenen Instrumentes. Dabei wird das z. B. medizinische
Instrument an der zu markierenden Stelle mit einer Mikrospule ausgestattet.
Die Akquisition der MR Signale zur Abbildung eines begrenzten Bereiches bzw. zur
Lokalisierung der Mikrospule können zwar relativ einfach und schnell durchgeführt
werden. Jedoch werden dabei MR Signale aus dem gesamten Bereich empfangen, in dem
die Bedingungen für eine Magnetresonanz erfüllt sind. Dieser Bereich ist wesentlich größer
als der (Nah-)Bereich, in dem sich das Magnetfeld der Mikrospule im wesentlichen
konzentriert. Dadurch ergeben sich bei den MR-Bildern des Nahbereiches Aliasing-
Artefakte; bei der Lokalisierung mittels dreier orthogonaler Projektionsmessungen resultiert
daraus ein Signaluntergrund, der die Lokalisierung eventuell unmöglich macht.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschrieben
Art so auszugestalten, daß die Anregung der Kernmagnetisierung besser auf den
Nahbereich der Mikrospule beschränkt ist. Weiterhin soll ein MR-Gerät zur
Durchführung des Verfahrens sowie ein Instrument geschaffen werden, das in besonderer
Weise zur Anwendung mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 mit dem genannten Verfahren mit folgenden
Schritten gelöst,
- - Erzeugung des Hochfrequenzimpulses mit einem Frequenzspektrum, das sich nicht mit der Larmorfrequenz überlappt, so daß dadurch in dem Untersuchungsobjekt die Kernmagnetisierung nicht angeregt wird,
- - Erzeugung eines zusätzlichen Frequenzspektrums durch die Mikrospule unter der Einwirkung des Hochfrequenz-Impulses, das sich mit der Larmorfrequenz überlappt, so daß im Nahbereich der Mikrospule die Kernmagnetisierung angeregt wird.
Außerhalb des Nahbereichs der Mikrospule kann keine Kernmagnetisierung angeregt
werden, weil dort wegen des für die Erfindung spezifischen Spektrums des
Hochfrequenzimpulses die Bedingungen für eine Magnetresonanz nicht erfüllt sind. Nur
im Nahbereich der Mikrospule ist dies infolge Modifikation des Spektrums durch die
Mikrospule der Fall. Deshalb kann nur dort eine Kernmagnetisierung angeregt werden. Die
Erfindung hat somit den Vorteil, daß in den MR-Signalen praktisch kein aus dem
gesamten Bereich stammendes Untergrundsignal vorhanden ist, so daß durch den
wesentlich höheren Signal-Kontrast die Probleme der bisher bekannten Methode
vermieden werden.
Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes MR-Gerät ist in
Anspruch 5 angegeben. Schließlich wird gemäß Anspruch 6 ein vorzugsweise
medizinisches Instrument geschaffen, das sich besonders zur Anwendung mit einem
Verfahren oder einer Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet und das zur Lokalisierung
in einem Untersuchungsobjekt eine Mikrospule aufweist, die zu einem nichtlinearen
Resonanzkreis verschaltet ist.
Die Ansprüche 2 und 4 geben verschiedene Möglichkeiten zur Informationsgewinnung aus
der räumlich begrenzten Anregung der Kernmagnetisierung an. Bei der Ausgestaltung nach
Anspruch 3 wird abwechselnd die Kernmagnetisierung im Nahbereich und in einem
diesen umschließenden, größeren Bereich angeregt. Dadurch werden zusätzlich die MR-
Signale für ein MR-Bild akquiriert, in dem die aus der Lokalisierung resultierende Position
bei Bedarf sichtbar gemacht werden kann. Die abwechselnde Akquisition von MR-
Signalen zur Bildgebung und zur Lokalisierung ist insbesondere bei bewegten Objekten
von Vorteil, weil Bildgebung und Lokalisierung sich nahezu auf den gleichen Zeitraum
beziehen. Zur Erhöhung der Bewegungsauflösung kann die Dauer und die Häufigkeit der
beiden Vorgänge (das heißt ihr Tastverhältnis) vorteilhaft aufeinander abgestimmt werden.
Der Anspruch 7 beschreibt eine bevorzugte Ausgestaltung der mit der mit der Mikrospule
nichtlinear zusammenwirkenden Mittel. Stattdessen wäre aber auch der Einsatz einer
miniaturisierten Schaltung möglich, die bei Empfang von Signalen mit einer Frequenz
außerhalb der Larmorfrequenz ein Signal mit der Larmorfrequenz erzeugt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es
zeigt:
Fig. 1 eine stark vereinfachte Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von MR-
Bildern;
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild zum Betrieb einer solchen Vorrichtung;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer zu einem nichtlinearen Resonanzkreis verschalteten
Mikrospule;
Fig. 4 ein Diagramm verschiedener Frequenzverläufe und
Fig. 5 eine schematische Darstellung verschiedener Sequenzen bei einer MR Bilderzeugung
und Lokalisierung einer Mikrospule.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Erzeugung von MR-Bildern, die auch als
Kernspinuntersuchungsgerät bezeichnet wird, weist eine aus vier Hauptspulen 1
bestehende Anordnung zur Erzeugung eines homogenen stationären Magnetfeldes in z-
Richtung (Hauptfeld) auf, dessen magnetische Flußdichte (magnetische Induktion) in der
Größenordnung von einigen Zehntel Tesla bis einigen Tesla liegen kann. Die zu der z-
Achse konzentrisch angeordneten Hauptspulen 1 können auf einer Kugeloberfläche 2
liegen. Im Innern dieser Spulen befindet sich ein Untersuchungsobjekt, zum Beispiel ein
Patient 10 auf einer Tischplatte 4.
Zur Erzeugung eines in Richtung der z-Achse verlaufenden und sich in dieser Richtung
linear ändernden ersten Gradienten-Magnetfeldes sind vier erste Spulen 3 auf der
Kugeloberfläche 2 oder einer Zylinderoberfläche angeordnet. Weiterhin sind vier zweite
Spulen 7 vorgesehen, die ein ebenfalls in Richtung der z-Achse verlaufendes zweites
Gradienten-Magnetfeld erzeugen, das sich jedoch in vertikaler Richtung (x-Richtung)
linear ändert Schließlich wird mit vier dritten Spulen S (von denen nur zwei dargestellt
sind) ein in Richtung der z-Achse verlaufendes, drittes Gradient-Magnetfeld erzeugt, das
sich senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 (y-Richtung) linear ändert.
In den zu untersuchenden Bereich des Patienten ist ein medizinisches Instrument (zum
Beispiel ein Katheter) 60 eingeführt, an dessen Spitze sich eine Mikrospule L befindet.
Dieser Bereich ist ferner von einer durch einen HF-Impuls beaufschlagbaren
Hochfrequenz-Sendespule 11 umgeben, durch die dieser Bereich mit einem eine
Spinresonanz anregenden HF-Magnetfeld durchsetzt wird. Die sich an diese Anregung
anschließende Relaxation bewirkt eine Änderung der Magnetisierungszustände, die in einer
Hochfrequenz-Empfangsspule 12 (siehe Fig. 2) eine entsprechende Spannung induziert,
die zur MR-Bilderzeugung ausgewertet wird, wobei die Gradienten-Magnetfelder eine
Lokalisierung der angeregten Zustände ermöglichen.
Die zum Betrieb dieser Vorrichtung wesentlichen Komponenten sind schematisch in Fig. 2
dargestellt und umfassen eine Steuereinheit 17, die einen Gradienten-Wellenform-
Generator 20 ansteuert, an dessen Ausgängen jeweils ein erster, ein zweiter und ein dritter
Gradientenverstärker 21, 22, 23 angeschlossen ist. Diese Verstärker erzeugen jeweils den
Strom für die erste, zweite bzw. dritte Spule 3, 5, 7. Die Verstärkungsfaktoren dieser
Verstärker sind durch die Steuereinheit 17 über Leitungen 32 unabhängig voneinander
einstellbar, so daß die Spulen 3, 5, 7 die Gradientfelder in den x-, y- und z-Richtungen
erzeugen und eine Schichtselektion in den entsprechenden drei Raumrichtungen in dem
untersuchten Bereich vorgenommen werden kann.
Weiterhin wird durch die Steuereinheit 17 ein HF-Generator 18 angesteuert, um einerseits
zur MR-Bilderzeugung die Frequenz der HF-Impule auf die von den Gradientfeldern
abhängigen Larmor-Frequenzen abzustimmen und andererseits zur Lokalisierung der
Mikrospule eine Umschaltung der Frequenz in der Weise vorzunehmen, daß eine
Magnetresonanz nur noch in deren Nahbereich angeregt wird. Die HF-Impulse werden
einem Verstärker 19 zugeführt, dessen Verstärkung durch die Steuereinheit 17 gesteuert
wird, und gelangen anschließend zu der Hochfrequenz-Sendespule 11.
Die in der Hochfrequenz-Empfangsspule 12 durch die Relaxation der angeregten
Magnetisierungszustände induzierten MR-Signale werden in einem Quadratur-
Demodulator 13 durch Mischung mit zwei um 90° gegeneinander versetzten
Trägerschwingungen (mit einer durch die lokale Stärke der stationären Magnetfelder
bestimmten Larmor- bzw. MR-Frequenz) eines Oszillators 130 demoduliert, so daß zwei
Signale entstehen, die als Realteil und als Imaginärteil eines komplexen Signals aufgefaßt
werden können. Diese Signale werden einem Analog-Digitalwandler 14 zugeführt. Mit
einer Bildverarbeitungseinheit 16 werden schließlich die MR-Bilder in bekannter Weise
rekonstruiert und auf einem Monitor 15 wiedergegeben.
Fig. 3 zeigt die Mikrospule L sowie eine beispielhafte Verschaltung dieser Spule zu einem
nichtlinearen passiven Resonanzkreis. Dieser Resonanzkreis umfaßt in Parallelschaltung zu
der Spule L eine Kapazität C sowie zwei antiparallel geschaltete Dioden D1, D2, die die
Nichtlinearität erzeugen. Anstelle der Dioden können zu diesem Zweck natürlich auch
andere Elemente verwendet werden. Der gesamte Resonanzkreis ist vorzugsweise mit
miniaturisierten Bauelementen realisiert, so daß er vollständig an der Spitze eines in den zu
untersuchenden Bereich einzuführenden medizinischen Instrumentes 60 angeordnet
werden kann und keine nach außen geführten Anschlußleitungen erforderlich sind. Die
Mikrospule ist hierbei also passiv wirksam, d. h. es gibt keine von der Mikrospule nach
außen geführten Zuleitungen, die immer mit dem Risiko verknüpft sind, daß darin für
den Patienten schädliche Spannungen bzw. Ströme induziert werden können.
Durch die in den Resonanzkreis eingeführte Nichtlinearität kann das medizinische
Instrument 60, das die Mikrospule L trägt, in dem zu untersuchenden Bereich wesentlich
sicherer anhand der nun untergrundfreien Projektions-Meßsignale lokalisiert werden. Dies
beruht auf der in Fig. 4 dargestellten relativen Lage der verschiedenen Frequenzbereiche.
Zur Lokalisierung des Instrumentes G0 wird zunächst mittels der Steuereinheit 17 der HF-
Generator 18 so umgeschaltet, daß das Spektrum 50 des HF-Sendeimpulses außerhalb der
Spektrums 51 um die Larmorfrequenz 51 liegt, so daß in dem zu untersuchenden Bereich
keine zur MR-Bilderzeugung erforderliche ("globale") Spinresonanz angeregt wird.
Gleichzeitig liegt das Spektrum 50 des HF-Sendeimpulses jedoch innerhalb des wesentlich
breiteren Resonanzfrequenzganges 52 des Resonanzkreises.
Das verschobene Spektrum des HF-Sendeimpulses und die in den Resonanzkreis
eingeführte Nichtlinearität sind nun so gewählt, daß durch die Nichtlinearität lokal, d. h.
nur im Nahbereich der Mikrospule, ein (in Fig. 4 idealisiert dargestelltes)
Frequenzspektrum 53 erzeugt wird, das auch die Larmorfrequenz bzw. das Spektrum 51
überdeckt. Dieses lokale Anregungsspektrum bzw. der entsprechende, durch den
Resonanzkreis fließende Strom reicht aus, um im Nahbereich der Mikrospule eine
magnetische Flußdichte zu erzeugen, durch die eine Spinresonanz angeregt wird.
Die Lokalisierung dieser Spinresonanz und somit der Mikrospule L bzw. des medizinischen
Instruments erfolgt gemäß Fig. 5 durch Erfassen der aus der Anregung resultierenden
MR-Signale im wesentlichen in der Weise, wie auch die MR-Bilderzeugung nach
Anregung der Spinresonanz im gesamten zu untersuchenden Bereich vorgenommen wird.
Im Falle einer dreidimensionalen Lokalisierung kann eine Spin- oder Gradienten-Echo-
Signalauswertung erfolgen, wobei vorzugsweise keine Schichtselektionen und keine
Phasenkodierung erfolgen, sondern lediglich ein Auslese-Gradient-Magnetfeld in einer der
drei Raumrichtungen (frequenzcodierendes Magnetfeld) angelegt wird, um das
aufgenommene Signal durch Fourier-Transformation im Hinblick auf die Amplituden der
Frequenzkomponenten entlang der betreffenden Richtung auszuwerten. Diese Messung
und Auswertung wird im Wechsel für alle drei Raumrichtungen und im Wechsel mit der
Messung für die MR-Bilderzeugung durchgeführt (bei der das Spektrum des
Hochfrequenzimpulses die Larmorfrequenz in dem abzubildenden Bereich überdeckt), um
quasi simultan die dreidimensionale Position zu bestimmen und das MR-Bild zu erzeugen.
Alternativ zu dem beschriebenen Projektionsverfahren kann die Messung der im
Nahbereich der Mikrospule angeregten Kernmagnetisierung auch durch ein beliebiges
anderes Verfahren erfolgen.
Fig. 5 zeigt hierzu beispielhaft einen frequenzverschobenen HF-Impuls Rf und darunter
den Verlauf eines Gradienten-Magnetfeldes Gread zur Gradienten-Echo-Signalauswertung
sowie ein ausgewertetes Signal Acq zur Lokalisierung.
Wie aus Fig. 5 weiter deutlich wird, können die Vorgänge A zur Lokalisierung der
Mikrospule und B zur MR-Bilderzeugung des Untersuchungsobjektes abwechselnd
durchgeführt werden, so daß sich zwei ineinander verschachtelte Sequenzen A, B, A, B, . . .
ergeben. Die Länge der beiden Vorgänge A, B, das heißt die Folgefrequenz der Sequenzen
sowie deren Tastverhältnis können in Abhängigkeit von der betreffenden Anwendung,
insbesondere der Bewegungsgeschwindigkeit der Mikrospule, des darzustellenden Mediums
sowie der gewünschten Bewegungsauflösung nahezu frei gewählt werden. Die
Lokalisierung kann zum Beispiel 6 ms dauern, während für die MR-Bilderzeugung 500 ms
angesetzt werden.
Weiterhin kann während eines Lokalisierungsvorgangs entweder eine vollständige
dreidimensionale Bestimmung der Position der Mikrospule vorgenommen werden, oder es
wird mit jedem Vorgang die Lage in nur einer Richtung bestimmt, so daß sich erst nach
drei Lokalisierungsvorgängen die Position der Mikrospule ergibt.
Im Falle der Benutzung der Mikrospule zur Bildgebung eines eng begrenzten Bereichs - z. B.
eines Blutgefässes - wird ebenfalls ein HF-Sendepuls mit frequenzverschobenem Spektrum
verwendet in Kombination mit einem beliebigen bildgebenden MR-Verfahren, das der
Bildgebung in einem eng begrenzten Bereich angepaßt ist.
Claims (9)
1. MR-Verfahren zur Anregung der Kernmagnetisierung in einem begrenzten räumlichen
Bereich eines Untersuchungsobjektes mit einer in diesem Bereich befindlichen Mikrospule,
auf die wenigstens ein Hochfrequenz-Impuls einwirkt,
gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erzeugung des Hochfrequenzimpulses mit einem Frequenzspektrum, das sich nicht mit der Larmorfrequenz überlappt, so daß dadurch in dem Untersuchungsobjekt die Kernmagnetisierung nicht angeregt wird,
Erzeugung eines zusätzlichen Frequenzspektrums durch die Mikrospule unter der Einwirkung des Hochfrequenz-Impulses, das sich mit der Larmorfrequenz überlappt, so daß im Nahbereich der Mikrospule die Kernmagnetisierung angeregt wird.
Erzeugung des Hochfrequenzimpulses mit einem Frequenzspektrum, das sich nicht mit der Larmorfrequenz überlappt, so daß dadurch in dem Untersuchungsobjekt die Kernmagnetisierung nicht angeregt wird,
Erzeugung eines zusätzlichen Frequenzspektrums durch die Mikrospule unter der Einwirkung des Hochfrequenz-Impulses, das sich mit der Larmorfrequenz überlappt, so daß im Nahbereich der Mikrospule die Kernmagnetisierung angeregt wird.
2. MR-Verfahren nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Lokalisierung der Mikrospule.
3. MR-Verfahren nach Anspruch 2, wobei zusätzlich eine Reihe von Sequenzen zwecks
Gewinnung eines MR-Bildes von einem Bereich des Untersuchungsobjektes erzeugt wird,
der größer ist als der Nahbereich,
dadurch gekennzeichnet, daß die zur Lokalisierung der Mikrospule (L) erforderlichen
Messungen abwechselnd mit der auf den Nahbereich der Mikrospule beschränkten
Anregung der Kernmagnetisierung erfolgen.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die im Nahbereich der Mikrospule (L) angeregte
Kernmagnetisierung in einem MR-Bild dargestellt wird.
5. MR-Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Magneten (1)
zur Erzeugung eines homogenen stationären Magnetfeldes, dessen Stärke die
Larmorfrequenz definiert, mit Mitteln (11) zur Erzeugung von Hochfrequenz-Impulsen
und Mitteln (12) zum Empfangen von im Untersuchungsobjekt erzeugten MR-Signalen
gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (17) zum Steuern des Frequenzspektrums
der Hochfrequenz-Impulse in der Weise, daß dadurch in dem Untersuchungsobjekt keine
Kernmagnetisierung angeregt wird, daß das Frequenzspektrum des Hochfrequenz-Impulses
mittels einer mit der Mikrospule verbundenen aktiven oder passiven Schaltung in deren
Nahbereich so verändert wird, daß es dort die Larmorfrequenz überdeckt und daß die im
Nahbereich der Mikrospule entstehenden MR-Signale von den Mitteln (12) zum
Empfangen erfaßbar sind.
6. Instrument zur Anwendung mit einem Verfahren nach Anspruch 1 oder einer
Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß es eine Mikrospule (L) aufweist, die mit nichtlinear
wirkenden Mittel (D1, D2) versehen ist.
7. Instrument nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrospule zu einem nichtlinearen Resonanzkreis
verschaltet ist.
8. Instrument nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis zwei antiparallel geschaltete Dioden (D1,
D2) aufweist, die dessen Nichtlinearität erzeugen.
9. Instrument nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis (L, C, D1, D2) in Form eines
miniaturisierten Schaltungsmoduls an dem Instrument befestigt ist.
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