DE19844762A1 - Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals in eine Empfangsantenne sowie medizinisches Interventionsinstrument - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinsignals in eine Empfangsantenne umfaßt drei resonante Spulenanordnungen (2, 4, 6; 2, 22, 22A; 2, 4A, 6A; 44, 46, 48), die voneinander entkoppelt sind und deren Abbildungsbereiche (24, 24A, 36) senkrecht aufeinander stehen und sich zumindest teilweise überlappen. Ein medizinisches Interventionsinstrument umfaßt eine an seinem invasiven Abschnitt (40) angeordnete Vorrichtung zur induktiven Einkopplung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur induktiven Ein­ kopplung eines Kernspinresonanzsignals in eine Empfangsanten­ ne mit einer resonanten Spulenanordnung, die einen Abbil­ dungsbereich besitzt.

Die Erfindung betrifft außerdem ein medizinisches Interventi­ onsinstrument, das mit einer Vorrichtung zur induktiven Ein­ kopplung eines Kernspinresonanzsignals in eine Empfangsanten­ ne verbunden ist.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der US 4 680 549 bekannt. Darin ist ausgeführt, daß ein Kernspin­ resonanzsignal aus einem beschränkten Bereich eines abzubil­ denden Untersuchungsobjekts deutlich erhöht werden kann, wenn man in unmittelbarer Nähe des Bereiches eine gesonderte Spule anordnet, die zu einem resonanten Stromkreis geschlossen wird. Die präzedierende Kernmagnetisierung induziert dann in der resonanten Spulenanordnung einen Strom, der wiederum in einer Empfangsantenne ein zusätzliches Signal induziert, das wesentlich größer ist, als das direkt von der präzedierenden Kernmagnetisierung in der Empfangsantenne induzierte. Das Si­ gnal-Rauschverhältnis in dem Bereich des Bildes, das dem von der Induktionsspule erfaßten Gebiet entspricht, verbessert sich beträchtlich. Um beim Senden mit einer separaten Sende­ antenne, d. h. beim Anregen der Kernspinresonanz, das Anrege­ feld nicht lokal zu verändern, ist mit der resonanten Emp­ fangsspulenanordnung eine Verstimmeinrichtung in Form von zwei antiparallel geschalteten Dioden verbunden.

Die Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses des induktiv gekoppelten, signalverstärkenden Resonanzkreises oder der re­ sonanten Spulenanordnung hängt von der Güte und vom Winkel des Abbildungsbereiches der resonanten Spulenanordnung mit dem magnetischen Grundfeld ab. Stehen beide parallel zueinan­ der, ergibt sich keine Verbesserung. Dies ist von Nachteil, wenn z. B. eine resonante Spulenanordnung an einer Oberfläche des abzubildenden Objekts angebracht werden soll, wo die Oberfläche nur eine Ausrichtung des Abbildungsbereiches der resonanten Spulenanordnung parallel zum Grundmagnetfeld zu­ läßt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals anzugeben, wobei der signalverstärkende Effekt unabhängig von der Ausrichtung der Vorrichtung im Grundmagnetfeld ist.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Interven­ tionsinstrument anzugeben, das unabhängig von seiner Ausrich­ tung mit Hilfe der Kernspinresonanztechnik gut lokalisierbar ist.

Die erstgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß statt einer drei resonante Spulenanordnungen vorhanden sind, die vonein­ ander entkoppelt sind und deren Abbildungsbereiche senkrecht aufeinander stehen und sich zumindest teilweise überlappen. Hierdurch wird unabhängig von der Ausrichtung der Vorrichtung stets ein verstärktes Signal von der Vorrichtung in die Emp­ fangsantenne eingekoppelt. Idealerweise ist dieses Signal so­ gar noch größer als das einer senkrecht zum Grundmagnetfeld induktiv gekoppelten resonanten Einzelspulenanordnung, weil nun stets die zirkulare Polarisation der Kernmagnetisierung ausgenutzt wird.

Im einfachsten Fall kann ein Triplett aus resonanten Dipol- oder Ringspulen zur Anwendung gelangen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Spulen um ein gemeinsames Zentrum angeordnet sind und ihre Symmetrieachsen senkrecht zueinander stehen. Ausschließ­ lich über die geometrische Anordnung ist damit erreicht, daß die Spulenanordnungen voneinander entkoppelt sind.

Ist daran gedacht, eine Anordnung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals in einer Empfangsantenne auf einer Oberfläche eines abzubildenden Objekts zu applizieren, wäre bei der ausschließlichen Verwendung von resonanten Di­ polspulen mit einer schlechten Ankopplung der von der Ober­ fläche wegstehenden Dipolspulen an das Objekt und damit nur mit einer geringen Signalverstärkung zu rechnen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt die Anordnung zur indukti­ ven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals mindestens eine resonante Quadrupolspule, z. B. in Form einer Schmetterlings­ spule oder achtförmigen Spule. Wegen des mit zunehmendem Ab­ stand rasch abklingenden Quadrupolfeldes der Schmetterlings­ spule würde bei größerem Abstand zur Empfangsantenne jedoch keine bemerkenswerte Signalverstärkung erzielt. Daher ist mit der resonanten Quadrupolspule eine senkrecht dazu angeordnete resonante Dipolspule gekoppelt. Das magnetische Quadrupolfeld der Schmetterlingsspule durchströmt dann die weitere resonan­ te Dipolspule und induziert hierin einen Strom, dessen Ma­ gnetfeld dann die induktive Kopplung der Quadrupolspule an die Empfangsantenne vermittelt.

Bei magnetresonanztomographisch geführten Eingriffen besteht oft der Wunsch, die Lage eines Interventionsinstruments, z. B. einer Biopsieanordnung, eines Endoskops oder auch eines Zeigers, mit dem auf eine abzubildende Stelle am Untersu­ chungsobjekt gedeutet wird, in einem Tomogramm anzuzeigen. Auch ist es oft von Vorteil, wenn mit dem Interventionsin­ strument direkt am Ort des Instrumentes endoskopische Kernre­ sonanzbilder angefertigt werden können. In jedem Fall ist es wichtig, daß diese Anzeige unabhängig von der Ausrichtung des interventionellen Instruments ist.

Die zweitgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, an einen inva­ siven Teil eines medizinischen Interventionsinstruments eine Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinreso­ nanzsignals anzuordnen, die drei orthogonale und sich zumin­ dest teilweise überlappende Abbildungsbereiche besitzt.

So wird bei einer wichtigen Anwendung die Vorrichtung zur in­ duktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals an einen Katheter oder an ein Inverventionsinstrument befestigt und erlaubt so die Verfolgung (Lokalisation und Navigation) des Instruments im Körper mit Hilfe der Kernspinresonanztechnik. Als sichtbare Markierung des Orts in der Anwendung mit einem Katheter kann entweder durch die Vorrichtung strömendes Blut dienen oder auch eine in die Markierungsspulen eingebrachte Probe mit Protonen, z. B. paramagnetisch dotierten Wassers. Dabei kann mit einer im Vergleich zur Bildgebung verminderten Sendeleistung gearbeitet werden, weil das von einer Sendean­ tenne abgestrahlte Anregungsfeld durch die resonanten Spulen­ anordnungen verstärkt wird. Weil die verminderte Sendelei­ stung nun nicht ausreicht, das Untersuchungsobjekt zur Kern­ resonanz anzuregen, tritt als Empfangssignal nur das induktiv in die Empfangsspule eingekoppelte Signal der Markierungsspu­ len in Erscheinung. Aus drei in orthogonalen magnetischen Gradientenfeldern aufgenommenen Empfangssignalen kann man die Position der Markierungsspulen ableiten und z. B. in ein zuvor aufgenommenes Bild eintragen. Das Signal der Markierungsspu­ len kann jedoch auch zur Abbildung des die Markierungsspulen umgebenden Bereichs genutzt werden.

Soll gleichzeitig beim Tracking und Navigieren des Instru­ ments eine Bildgebung mit der normalen Empfangsspule erfol­ gen, sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die resonanten Spulenanordnungen jeweils mit einer Verstimm­ einrichtung verbunden. Die Verstimmeinrichtungen verstimmen die ansonsten resonanten Spulenanordnungen bei aktivierter Sendeantenne, wodurch das Sendefeld im Bereich der resonanten Spulenanordnungen nicht verstärkt wird. Deshalb kann mit der normalen Sendeleistung gearbeitet werden, und in der Emp­ fangsspule überlagern sich dann das aus dem Untersuchungsob­ jekt stammende Kernresonanzsignal, das zur Bildgebung verwen­ det wird und das von den resonanten, am Interventionsinstru­ ment angebrachten, Spulen herrührende, was im Bild zu einer signalverstärkten Darstellung des Abbildungsbereiches der am Interventionsinstrument angebrachten Spulen führt. Würden hingegen diese Spulen nicht mit einer Verstimmungsvorrichtung versehen sein, wäre beim Senden die Sendefeldstärke zu groß, so daß die Kernmagnetisierung nicht im optimalen Winkel aus der Gleichgewichtslage gekippt wird, also nur ein ungenügen­ des Signal liefern würde.

Sofern die Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kern­ spinresonanzsignals als Lokalisationshilfe eines Interventi­ onsinstruments oder ähnliches eingesetzt wird, ist gemäß ei­ ner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung im gemeinsamen Ab­ bildungsbereich der Empfangsspulenanordnungen eine als Mar­ kierung dienende Probe mit Kernspinresonanzsignal liefernder Materie angeordnet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von vier Figuren er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen perspektivischen Darstellung eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur in­ duktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals in einer Empfangsantenne mit einem Triplett von drei or­ thogonalen resonanten Dipolspulen mit gemeinsamen Zentrum,

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung eine resonante Quadrupolspule, die mit einer resonanten Dipolspule gekoppelt ist,

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung eine weitere Aus­ führungsform einer Vorrichtung zur induktiven Ein­ kopplung eines Kernspinresonanzsignals mit einer re­ sonanten Dipolspule und zwei orthogonalen resonanten Quadrupolspulen mit dazugehörigen Dipolspulen und

Fig. 4 in einer schematischen Darstellung eine dritte Aus­ führungsform einer Vorrichtung zur induktiven Ein­ kopplung eines Kernspinresonanzsignals mit einer re­ sonanten Dipolspule und zwei auf einer Zylinderman­ telfläche orthogonal zueinander angeordneten resonan­ ten.

Die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform der Vorrich­ tung zur induktiven Ankopplung eines Kernspinresonanzsignals ist z. B. als Lokalantenne in einem diagnostischen Magnetre­ sonanzgerät in einer beliebigen Ausrichtung bezüglich des Grundmagnetfeldes einsetzbar. Dabei besitzt die Vorrichtung keine galvanische Verbindung zum Empfangsteil des Magnetreso­ nanzgerätes, die Signalübertragung erfolgt mittels magneti­ scher Kopplung zur im Magnetresonanzgerät eingebauten Emp­ fangsantenne. Durch die induktiv gekoppelte Lokalantenne wird der lokale Signalbeitrag in der Empfangsspule um einen Faktor verstärkt, der etwa der Güte der Lokalantenne entspricht.

Die Vorrichtung besteht aus einem Triplett von resonanten Di­ pol- oder Ringspulen 2, 4, 6, die senkrecht zueinander ange­ ordnet sind. Die Dipolspulen 2, 4, 6 sind jeweils mit Hilfe eines eingefügten Kondensators 8 bzw. 10 bzw. 12 auf die Ar­ beitsfrequenz des Magnetresonanzgerätes, beispielsweise der Protonenresonanzfrequenz, abgestimmt. Die resonanten Spulen­ anordnungen besitzen hier gleiche rechteckige Geometrie. Sie sind zentrisch-symmetrisch zueinander angeordnet und stehen mit ihren Spulenachsen und damit mit ihren Hauptabbildungsbe­ reichen oder -empindlichkeitsbereichen senkrecht aufeinander. Parallel zu den Kondensatoren 8, 10, 12 ist jeweils eine Ver­ stimmeinrichtung 14 bzw. 16 bzw. 18 geschaltet. Die Verstimm­ einrichtungen 14, 16, 18 bestehen jeweils aus zwei antiparal­ lel geschalteten Dioden 20. Die Anregung der Kerne erfolgt mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Empfangsantenne, wo­ bei die resonanten Empfangsspulenanordnungen 2, 4, 6 über die Verstimmeinrichtungen 14, 16, 20 automatisch verstimmt wer­ den. Im Sendefall schalten die Dioden 20 die Kondensatoren 8, 10, 12 kurz, sobald ihre Durchlaßspannung erreicht ist. Damit ist die Resonanzbedingung nicht mehr erfüllt. Die resonanten Spulenanordnungen 2, 4, 6 sind im Sendefall wirkungslos. Im Empfangsfall werden wesentlich kleinere Spannungen als die Durchlaßspannung in den Spulenanordnungen 2, 4, 6 induziert. Die Dioden 20 bleiben im Empfangsfall im Sperrzustand, die Kondensatoren 8, 10, 12 sind wirksam und die Spulenanordnun­ gen 2, 4, 6 befinden sich in Resonanz.

Wenn die Anordnung zur induktiven Einkopplung auch im Sende­ fall aktiv sein soll, entfallen in der Anordnung die parallel zu den Kondensatoren 8, 10, 12 geschalteten Verstimmeinrich­ tungen 14, 16, 18. Dann tritt im Abbildungsbereich der reso­ nanten Spulenanordnungen 2, 4, 6 ein verstärktes Anregefeld auf. Um einen vorgegebenen Flipwinkel der Kernmagnetisierung zu bewirken, kann dann die Sendeleistung entsprechend der Si­ gnalverstärkungswirkung reduziert werden.

Wird die resonante Spulenanordnung 2 auf die Oberfläche des Objekts gelegt, dann ist bei den Signalkomponenten, die von den von der Oberfläche wegstehenden resonanten Spulenanord­ nungen 4 und 6 empfangen werden, eine im Vergleich zur reso­ nanten Spulenanordnung 2 geringere Signalverstärkung zu er­ warten. In diesem Fall kann die Signalverstärkung verbessert werden, wenn anstatt der resonanten Dipolspulen 4 und 6 je­ weils eine resonante Quadrupolspule 22 in Form einer Schmet­ terlingsspule eingesetzt wird. Die Quadrupolspule 22 besitzt eine Feldcharakteristik, die der von zwei gegenläufig orien­ tierten Dipol- oder Ringspulen entspricht. Der Abbildungsbe­ reich der Quadrupolspule 22 befindet sich hier unterhalb der gekreuzten Mittelleiter 23 und ist senkrecht dazu ausgerich­ tet, was durch einen Doppelpfeil 24 symbolisiert ist.

Da allgemein das Quadrupolfeld mit zunehmendem Abstand stark abfällt, und damit die induktive Kopplung zur Empfangsantenne entsprechend schwach ist, ist senkrecht zur Quadrupolspule 22 in einer Ebene, worin die Mittelleiter 23 angeordnet sind, eine resonante Dipolspule 26 vorgesehen. Die Dipolspule 26 st mit der Quadrupolspule 22 magnetisch stark gekoppelt. Die Dipolspule 26 vermittelt über die induktive Kopplung mit der Quadrupolspule 22 die Signale besser zur Empfangsantenne als die Quadrupolspule 22 alleine. Zur Abstimmung auf die Reso­ nanzfrequenz sind sowohl in der Quadrupolspule 22 wie auch in der Dipolspule 26 jeweils ein Kondensator 28 bzw. 30 einge­ fügt. Auch hier sind die Kondensatoren 28, 30 mit einer Ver­ stimmeinrichtung 32 bzw. 34 parallel geschaltet.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei eine resonan­ te Dipolspule 2 und zwei senkrecht zueinander angeordnete re­ sonante Quadrupolspulenanordnungen 22 und 22A verwendet wer­ den. Der Aufbau der Quadrupolspulen 22, 22A ist vorstehend anhand von Fig. 2 beschrieben. Die Auskopplung des Quadrupol­ signals und Übermittlung an die Empfangsantenne erfolgt über die Dipolspulen 26 und 26A. Resonanzkondensatoren und Ver­ stimmeinrichtungen sind aus Übersichtlichkeitsgründen hier nicht eingezeichnet. Die Dipolantenne 2 besitzt einen Abbil­ dungsbereich 36, der axial bezüglich der Leiterschleife aus­ gerichtet ist. Die Quadrupolspulenanordnungen 22 und 22A be­ sitzen senkrecht zueinander ausgerichtete Abbildungsbereiche 24 bzw. 24A, die ihrerseits senkrecht zum Abbildungsbereich 36 ausgerichtet sind.

Fig. 4 zeigt nun eine vierte Ausführungsform der Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals. Diese Ausführungsform ist an der Spitze eines Katheters 40 zum Lokalisieren und Navigieren unter Ausnutzung der kernma­ gnetischen Resonanz angeordnet. Auch hier werden drei reso­ nante Spulenanordnungen verwendet, deren Abbildungsbereiche sich überlappen und senkrecht aufeinander stehen. Auf einem zylindrischen Träger 42 ist zunächst eine resonante Solenoid­ spule 44 angeordnet, deren Empfindlichkeitsbereich axial zum zylindrischen Träger ausgerichtet ist. Die Solenoidspule 44 ist eine Ausführungsform einer Dipolspule und umfaßt mehrere Windungen. Ein Resonanzkondensator ebenso wie eine Verstimm­ einrichtung sind zwar vorhanden, hier jedoch nicht darge­ stellt. Eine zweite resonante Spulenanordnung besteht aus zwei resonanten Sattelspulen 46. Die Sattelspulen 46 sind gleich gestaltet und auf der Oberfläche des zylindrischen Trägers 42 gegenüberliegend angeordnet. Von den Leitern der Sattelspule 46 sind in Fig. 5 nur die vorderen Bereiche sicht­ bar, sie erstrecken sich auf die rückwärtige Seite des Kathe­ ters 40 symmetrisch zur Vorderseite fort. Eine dritte reso­ nante Spulenanordnung umfaßt ebenfalls zwei auf dem zylindri­ schen Träger gegenüberliegend angeordnete Sattelspulen 48, die gleich wie die Sattelspulen 46 aufgebaut, jedoch um 90° dazu verdreht angeordnet sind. Auch bei den Sattelspulen 46, 48 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung von Resonanzkondensatoren und Verstimmeinrichtungen verzich­ tet worden.

Wenn der Katheter 40 mit der Vorrichtung zur Signalverstär­ kung über Blutgefäße in den Körper eingebracht wird, kann als bildgebende Substanz im Magnetresonanztomogramm das durch die Gefäße strömende Blut verwendet werden. Da sich die Abbil­ dungsbereiche der resonanten Spulenanordnungen 44, 46, 48 in­ nerhalb des zylindrischen Trägers 42 befinden, müssen Öffnun­ gen im Träger 42 vorhanden sein, wodurch das Blut in den In­ nenraum strömen kann. Alternativ kann die an der Katheter­ spitze fixierte Vorrichtung zur induktiven Einkopplung auch geschlossen ausgestaltet sein, dann ist innerhalb der Vor­ richtung eine Probe 50 mit Kernspinresonanzsignal liefernder Materie im Zentrum des zylindrischen Trägers 42 angeordnet. Die Probe 50 ist beispielsweise in Form einer mit Wasser ge­ füllten Kapsel ausgeführt, wobei das Wasser zusätzlich mit einem paramagnetischen Salz dotiert ist.

Die Probe 50 wird im Magnetresonanztomogramm als Markierung abgebildet und erlaubt eine Lokalisierung der Spitze des Ka­ theters 40 oder allgemein eines Interventionsinstruments. Es ist jedoch auch möglich, mit einer einfachen Sequenz, bei der nur drei aufeinander senkrechte Gradientenfelder verwendet, lediglich die Probe 50 ohne Abbildung der Umgebung zu lokali­ sieren. Das Lokalisierungsergebnis wird dann verwendet, eine Marke in schon erstellten Abbildungen des Objekts einzutra­ gen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur induktiven Einkopplung eines Kernspinreso­ nanzsignals in eine Empfangsantenne mit einer resonanten Spu­ lenanordnung (2), die ein Abbildungsbereich (36) besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß statt einer drei resonante Spulenanordnungen (4, 6; 4A, 6A; 22, 22A; 46, 48) vorhanden sind, die voneinander entkop­ pelt sind und deren Abbildungsbereiche (24, 24A, 36) senk­ recht aufeinander stehen und sich zumindest teilweise über­ lappen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnungen (2, 4A, 6A) zentrisch-symmetrisch zueinander angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der resonanten Spulenanordnungen eine re­ sonante Dipolspule (2, 4, 6, 26, 44) umfaßt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der resonanten Spulenanordnungen eine re­ sonante Quadrupolspule (22, 22A) und eine senkrecht daran an­ geordnete, mit der Quadrupolspule (22, 22A) magnetisch gekop­ pelte resonante Dipolspule (26, 26A) umfaßt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der resonanten Spulenanordnungen zwei auf einer Zylindermantelfläche gegenüberliegend angeordnete reso­ nante Sattelspulen (46, 48) umfaßt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die resonanten Spulenanordnungen einen Kondensator (10, 12, 28, 30) umfassen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die resonanten Spulenanordnungen jeweils mit einer Ver­ stimmeinrichtung (16, 18, 32, 34) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstimmeinrichtungen (16, 18, 32, 34) jeweils zwei antiparallel geschaltete Dioden (20) umfassen, die elektrisch parallel zum Kondensator (10, 12, 28, 30) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im gemeinsamen Abbildungsbereich der Spulenanordnungen eine als Markierung dienende Probe (50) mit Kernspinresonanz­ signal liefernder Materie angeordnet ist.

10. Medizinisches Interventionsinstrument mit einem in einen Körper einbringbaren invasiven Abschnitt (40), dadurch gekennzeichnet, daß an dem invasiven Abschnitt (40) eine Vorrichtung zur in­ duktiven Einkopplung eines Kernspinresonanzsignals nach einem der Ansprüche 1 bis 9 angeordnet ist.