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Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung mit einem Magnetsystem, das zum Erzeugen eines Gradientenfelds ausgebildet ist, mit einer Lokalspule, die zum Empfangen eines Magnetresonanzsignals ausgebildet ist, und mit einem Lokalisierungssystem, das zum Lokalisieren der Lokalspule ausgebildet ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Lokalisieren einer Lokalspule in einer solchen Magnetresonanztomographie-Vorrichtung sowie eine dazu geeignet ausgebildete Lokalspule.
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Bei der Magnetresonanztomographie, auch kurz MRT oder Kernspintomographie genannt, handelt es sich um eine inzwischen weit verbreitete Technik zur Akquisition von Bildern vom Körperinneren eines lebenden Untersuchungsobjekts. Um mit diesem Verfahren ein Bild zu gewinnen, d. h. eine Magnetresonanzaufnahme eines Untersuchungsobjekts zu erzeugen, muss zunächst der Körper bzw. der zu untersuchende Körperteil des Patienten einem möglichst homogenen statischen Grundmagnetfeld ausgesetzt werden, welches von einem Grundfeldmagneten des Magnetsystems der Magnetresonanztomographie-Vorrichtung erzeugt wird. Diesem Grundmagnetfeld werden während der Aufnahme der Magnetresonanzbilder schnell geschaltete Gradientenfelder zur Ortskodierung überlagert, die von sogenannten Gradientenspulen des Magnetsystems erzeugt werden. Außerdem werden mit einer Hochfrequenzantenne der Magnetresonanztomographie-Vorrichtung HF-Pulse einer definierten Feldstärke in das Untersuchungsvolumen eingestrahlt, in dem sich das Untersuchungsobjekt befindet. Hierzu weist die Magnetresonanztomographie-Vorrichtung üblicherweise eine fest eingebaute Hochfrequenzantenne, die sogenannte Ganzkörperspule, auf. Mittels dieser HF-Pulse werden die Kernspins der Atome im Untersuchungsobjekt derart angeregt, dass sie um einen sogenannten ”Anregungsflipwinkel” aus ihrer Gleichgewichtslage, welche parallel zum Grundmagnetfeld verläuft, ausgelenkt werden. Die Kernspins präzedieren dann um die Richtung des Grundmagnetfelds. Die dadurch erzeugten Magnetresonanzsignale werden meist von einer nicht ortsfesten Lokalspule erfasst und einer weiteren Verarbeitung zugänglich gemacht. Die Lokalspule ist dabei möglichst nahe an dem Patienten angeordnet, z. B. auf der Oberfläche das Patienten oder Probanden abgelegt, und weist üblicherweise eine oder mehrere MRT-Antennen bzw. Antennenspulen auf. Zur weiteren Verarbeitung der erfassten Magnetresonanzsignale ist es sinnvoll, die Position der Lokalspule möglichst genau zu kennen.
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Da die MRT-Vorrichtung kein A-priori-Wissen über die Lage bzw. Position der nicht ortsfesten Lokalspule auf der Liege bzw. auf dem Patienten hat, muss diese zunächst „gesucht” werden. Die Position der Lokalspule im Koordinatensystem der MRT-Vorrichtung wird üblicherweise durch Magnetresonanz-Experimente „gesucht” bzw. bestimmt. Die dabei eingesetzten Elemente der MRT-Vorrichtung bilden ein Lokalisierungssystem zum Lokalisieren der Lokalspule. Dabei wird die Patientenliege mit dem darauf befindlichen Patienten und den nicht ortsfesten, daran angeordneten Lokalspulen innerhalb eines Messraums (Bore) der MRT-Vorrichtung, also innerhalb des Magnetsystems, in verschiedene z-Positionen entlang der Längsrichtung des Messraums gebracht und an den jeweiligen z-Positionene in Magnetresonanz-Experiment durchgeführt. Aus dem so erhaltenen Übersichts-MRT-Bild lässt sich die Lage bzw. Position der nicht ortsfesten Lokalspulen automatisch innerhalb gewisser Genauigkeitsgrenzen berechnen, wenn ein charakteristisches Antennenprofil der in der Lokalspule enthaltenen MRT-Antenne bekannt ist.
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Bei diesem Verfahren zum Lokalisieren der Lokalspule bereiten jedoch Doppeldeutigkeiten Schwierigkeiten, die beispielsweise durch innerhalb einer Lokalspule sehr nahe aneinander lokalisierte MRT-Antennen verursacht sein können. Zudem ist eine so durchgeführte Lokalisierung problematisch, wenn sich die Lokalspule außerhalb oder am Rand des Homogenitätsvolumens befindet.
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Zur Lösung dieses Problems könnten beispielsweise auch Verfahren verwendet werden, bei denen die Lokalspule nicht erst mit Hilfe eines Übersichts-MRT-Bildes gesucht werden muss. Bei solchen Verfahren könnten in die Lokalspule integrierte MRT-sichtbare Marker zum Einsatz kommen, die jedoch weitere Probleme verursachen. Wird nämlich bei einem solchen Marker ebenfalls ein 1H-Kern verwendet, dann wird ein solcher Marker bei der anschließenden Patientenuntersuchung ebenfalls im MRT-Bild sichtbar sein und Artefakte, wie Einfaltungen in den Phasenkodierrichtungen, verursachen. Wird demgegenüber ein Marker mit einem anderen Kern wie beispielsweise einem 19F-Kern verwendet, so besteht das Problem, dass die gesamte MRT-Vorrichtung auf der zu diesem Kern korrespondierenden Resonanzfrequenz betrieben werden muss, was jedoch üblicherweise selbst bei frequenzmäßig sehr nahe an dem 1H-Kern gelegene Kernen – wie beispielsweise dem zuvor erwähnten 19F-Kern – nicht ohne weiteren Aufwand der Fall ist. Wieder andere Methoden müssten hinsichtlich ihrer MRT-Kompatibilität adaptiert werden und vielfach wären keine Synergien zwischen autarken Systemen und der MRT-Vorrichtung vorhanden.
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Zur Bestimmung der Position einer Lokalspule relativ zum Isozentrum wird in der
US 2008/0290870 A1 vorgeschlagen, neben anderen Messungen auch Magnetfeldsensoren einzusetzen. Hierzu werden mehrere Sensoren an verschiedenen Enden eines länglichen Spulenarrays eingesetzt, die jeweils die Amplitude des Gradientenfelds in z-Richtung messen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Lokalisieren einer Lokalspule in einer Magnetresonanztomographie-Vorrichtung weiterzuentwickeln und eine für diesen Zweck geeignete Lokalspule zu entwickeln, um eine möglichst einfache und auf Synergien mit bestehenden Komponenten der MRT-Vorrichtung basierende Lösung mit einer größeren Genauigkeit zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird zum einen durch eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1, zum anderen durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 6 und durch eine Lokalspule gemäß Patentanspruch 11 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist die Magnetresonanztomographie-Vorrichtung ein Lokalisierungssystem auf, das eine Anzahl von Magnetfeldsensoren aufweist, die mit der Lokalspule integriert und zum Erfassen des Gradientenfeldes ausgebildet sind.
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Des Weiteren ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Lokalisieren einer Lokalspule vorgesehen, dass das Lokalisieren mit Hilfe einer Anzahl von Magnetfeldsensoren erfolgt, die mit der Lokalspule integriert und zum Erfassen des Gradientenfeldes ausgebildet sind.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Lokalspule eine Anzahl von mit der Lokalspule integrierten Magnetfeldsensoren aufweist, die zum Erfassen eines von einem Magnetsystem der Magnetresonanztomographie-Vorrichtung erzeugten Gradientenfeldes ausgebildet sind.
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Die Verwendung zumindest eines Magnetfeldsensors ist deshalb von Vorteil, weil direkt von der jeweiligen auf ihn einwirkenden Stärke des magnetischen Feldes auf die Position des Magnetfeldsensors geschlossen werden kann, wenn seine Charakteristik und die Charakteristik des Gradientenfeldes bekannt sind. Ein solcher Magnetfeldsensor kann beispielsweise an oder in der Lokalspule angeordnet sein oder – mit anderen Worten – in ein Gehäuse der Lokalspule eingebaut oder an dem Gehäuse befestigt sein, was jeweils als „mit der Lokalspule integriert” zu verstehen ist. Hinsichtlich der Anzahl der Magnetfeldsensoren sei erwähnt, dass die Erfindung grundsätzlich auch mit einem einzigen Magnetfeldsensor realisierbar ist, sodass auf globale Weise die Position der Lokalspule bestimmbar ist. Wenn jedoch mehrere Magnetfeldsensoren vorhanden sind, die beispielsweise an verschiedenen Stellen mit der Lokalspule integriert sind, kann eine wesentlich genauere Bestimmung der Position und gegebenenfalls auch eine Bestimmung der Lage oder Orientierung der Lokalspule erreicht werden. Bei der vorliegenden Erfindung besteht die Synergie darin, dass als Signalquelle für das mit Hilfe der Magnetfeldsensoren erfassbare Magnetfeld das in der MRT-Vorrichtung bereits vorhandene Magnetsystem verwendet wird und somit ein A priori-Wissen betreffend die Parameter des damit erzeugten Magnetfelds, insbesondere jedoch des Gradientenfelds und seines Verlaufs, vorliegt. Dieses A-priori-Wissen kann vorteilhaft bei der Auswertung der Sensorsignale verwendet werden. Insbesondere kann durch die Erfindung weitgehend auf vorhandene Komponenten und Funktionalitäten der MRT-Vorrichtung zu rückgegriffen werden, sodass auch auf zusätzliche und gegebenenfalls auch kostspielige Systemtechnologien zur Ortung bzw. Lokalisierung von Markern verzichtet werden kann.
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Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
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Die MRT-Vorrichtung weist erfindungsgemäß eine Auswertungseinrichtung auf, die zum Auswerten eines Sensorssignals, das mit Hilfe der Anzahl von Magnetfeldsensoren im Betrieb erzeugt wird, hinsichtlich zumindest einer räumlichen Koordinate ausgebildet ist. Da primär die z-Komponente des Gradientenfeldes zur Lokalisierung der Lokalspule in z-Richtung relevant ist, könnte die Auswertung einzig und allein darauf ausgerichtet sein. Wie jedoch nachfolgend noch erörtert wird, kann es auch von Vorteil sein, wenn weitere Komponenten (z. B. die x- und y-Komponenten) des Gradientenfeldes bei der Auswertung des Sensorsignals berücksichtigt werden, weil dadurch die Genauigkeit der Lokalisierung der Lokalspule verbessert wird.
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Zu diesem Zweck kann das Lokalisierungssystem eine Schalteinrichtung aufweisen, die zum zeitlich sequentiellen Einschalten und Ausschalten des Gradientenfeldes jeweils in einer der drei Raumrichtungen ausgebildet ist. Dabei wird nacheinander jeweils eine der drei räumlichen Komponenten (x-, y-, und z-Komponente) des Gradientenfeldes eingeschaltet und wieder ausgeschaltet. Die dabei von dem jeweiligen Magnetfeldsensor gemessenen Magnetfeldänderungen bzw. Absolutwerte des Magnetfelds repräsentieren jeweils die drei Raumkoordinaten des Sensors. Auch in diesem Fall ist eine nicht unerhebliche Synergie erhalten, weil die MRT-Vorrichtung bereits solch eine Schalteinrichtung aufweist, mit der die Gradientenfelder für die Akquisition von Bild- bzw. Rohdaten geschaltet werden. Eine solche Schalteinrichtung ist typischerweise ein Bestandteil einer Zentral-Steuerung, welche zumindest einen Computer aufweist, auf dem Software abgearbeitet wird, und entsprechende elektronische Module umfasst, mit deren Hilfe Signale (z. B. Steuersignale oder Empfangssignale) zwischen dem Computer und dem Tomograph bzw. seinem Magnetsystem und/oder der Lokalspule ausgetauscht werden können. Mit Hilfe dieser Zentral-Steuerung ist beispielsweise eine Synchronisierung zwischen den geschalteten Komponenten des Gradientenfeldes und den empfangenen Sensorsignalen bzw. ihrer Verarbeitung realisiert.
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Da die Lokalspule nicht immer in einer definierten Orientierung auf oder nahe dem Patienten platziert ist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Anzahl der Magnetfeldsensoren zum Erfassen von drei Komponenten des Gradientenfeldes ausgebildet sind. Vorzugsweise sind hierzu drei magnetfeldsensitive Sensorelemente so ausgebildet und angeordnet, dass insgesamt drei linear unabhängige Komponenten des Gradientenfeldes erfassbar sind, wobei vorzugsweise von jedem Sensorelement eine der drei orthogonalen Komponenten des Gradientenfeldes messbar ist, d. h. jeder orthogonalen Komponente des Gradientenfeldes ist mindestens ein Sensorelement zur Messung zugeordnet. Dabei können beispielsweise drei gleichartig aufgebaute, orthogonal zueinander ausgerichtete magnetfeldsensitive Sensorelemente pro Magnetfeldsensor zur Anwendung kommen, die einen dreidimensionalen Magnetfeldsensor bilden. Mit Hilfe eines solchen dreidimensionalen Magnetfeldsensors und mit Hilfe des statisch z-gerichteten Grundmagnetfeldes lässt sich die z-Komponente des Gradientenfeldes aus den Sensorsignalen der Magnetfeldsensoren herauskalibrieren. Alternativ dazu lässt sich eine Konfiguration zum Erfassen der drei Komponenten des Gradientenfeldes auch durch drei separate Magnetfeldsensoren realisieren, die jeweils ein einziges magnetfeldsensitives Sensorelement aufweisen und wie beschrieben zueinander orthogonal angeordnet sind.
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Wie eingangs bereits erwähnt, beruht das elektrische Verhalten eines Magnetfeldsensors auf der Wirkung des magnetischen Feldes auf das Material oder die jeweilige Materialszusammensetzung des Magnetfeldsensors. Üblich sind hart- und weichmagnetische Werkstoffe oder andere Festkörper, wie Halbleiter oder Widerstandsschichten. Ausgehend von dem jeweils zum Tragen kommenden physikalischen Effekt lassen sich Magnetfeldsensoren wie folgt katalogisieren: Sogenannte AMR-Sensoren basieren auf dem anisotropen magnetoresistiven Effekt. Andere Magnetfeldsensoren nutzen den als „giant magnetoresistance” bekannten Effekt und werden daher als GMR-Sensoren bezeichnet. Auch der Wiegand-Effekt kommt zur Realisierung von Magnetfeldsensoren zur Anwendung, sodass diese Magnetfeldsensoren als Wiegand-Sensoren bezeichnet werden. Galvanometrische Effekte spielen wiederum bei Hall-Sensoren oder Feldplatten eine Rolle. Als Magnetfeldsensor kommen daher verschiedenste Realisierungen in Frage, wobei sinnvollerweise auf eine Verträglichkeit mit der Magnetresonanztomographie-Methode geachtet werden sollte. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedoch einer der Magnetfeldsensoren mit Hilfe zumindest eines Hall-Sensors realisiert, der ein magnetfeldsensitives Sensorelement des Magnetfeldsensors bildet. Dabei können ein einziges Sensorelement oder auch mehrere solcher Sensorelemente vorgesehen sein. Gleichbedeutend, jedoch ohne Vollständigkeit bei der Auswahl von möglichen Alternativen zu beanspruchen, sind auch GaAs-Transistoren, die ihre Eigenschaften, wie Gleichspannungsverhalten oder HF-Verhalten, unter Einwirkung von Magnetfeldern mit relative hoher Feldstärke verändern (vgl. Proc. Intl. Soc. Mag. Reson. Med. 16 (2008) „Influence of magnetic filed an preamplifiers using GaAs FET technology”).
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Um Sensorsignale der Zentral-Steuerung bzw. einem Auswertungsmodul zugänglich zu machen, kann die Übertragung von Sensorsignalen zwischen der Lokalspule und der Zentral-Steuerung über bereits existierende Kabel der Lokalspule erfolgen, über welche die Lokalspule an die MRT-Vorrichtung angeschlossen, werden kann. Um jedoch einen zusätzlichen Aufwand bei der bereits bestehenden Verkabelung zu vermeiden, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Magnetfeldsensoren der Lokalspule zur drahtlosen Signalübertragung zwischen ihnen und einem Magnetresonanzsignal-Empfangssystem der Magnetresonanztomographie-Vorrichtung ausgebildet sind. Ein derartiges Magnetresonanzsignal-Empfangsystem wird bei der MRT-Vorrichtung zum Empfangen des Magnetresonanzsignals verwendet. Zu einem solchen Magnetresonanzsignal-Empfangssystem gehören typischerweise die genannte Ganzkörperspule, die verwendete Lokalspule sowie eine mit den jeweiligen Spulen gekoppelte Empfangselektronik, wie beispielsweise einen Hochfrequenzempfänger usw. Der zur drahtlosen Signalübertragung ausgebildete Magnetfeldsensor weist hierzu zumindest ein magnetfeldsensitives Sensorelement auf, das mit einem Schwingkreis gekoppelt ist. Der Schwingkreis hat dabei zweierlei Bedeutung. Einerseits kann der Magnetfeldsensor mit Hilfe eines Hochfrequenzsignals mit Energie „aufgeladen” werden, also zum Schwingen angeregt werden. Dies erfolgt typischerweise mit Hilfe der Hochfrequenzantenne des Tomographen. Andererseits erlaubt der Schwingkreis ein drahtloses Abgeben eines Signals, sobald das Hochfrequenzsignal abgeschaltet ist. Dabei wird die zuvor gespeicherte Energie abgegeben. Das mit dem Schwingkreis gekoppelte Sensorelement beeinflusst jedoch – in Abhängigkeit von dem auf das Sensorelement einwirkenden Gradientenfeld – die Frequenz, auf welcher der Schwingkreis schwingt. Das vom Schwingkreis abgegebene Signal wird dann mit der Ganzkörperspule und/oder den verwendeten Lokalspulen empfangen, und über die Empfangselektronik wird ein entsprechendes Signal an ein Auswertemodul des Lokalisierungssystems weitergeleitet. Somit lässt sich die Anzahl der kabelgebundenen Signalverbindungen reduzieren bzw. beibehalten und eine entsprechende Synergie mit bestehenden Komponenten der MRT-Vorrichtung erreichen.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Anzahl der Magnetfeldsensoren aktivierbar bzw. deaktivierbar, also ein- bzw. ausschaltbar ausgebildet. Diese Maßnahme ist insbesondere bei einer Anwendung von drahtlos funktionierenden Magnetfeldsensoren vorteilhaft, weil dadurch bei einer normalen Akquisition von Bild- bzw. Rohdaten mögliche Störungen durch die Magnetfeldsensoren vermieden werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen. Es zeigen:
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1 auf schematische Weise eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 auf schematische Weise eine auf einem Patienten platzierte Lokalspule mit drei Magnetfeldsensoren,
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3 ein Prinzipschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines zum drahtlosen Signalübertragen ausgebildeten Magnetfeldsensors,
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4 in Form eines schematischen Ablaufdiagramms ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der 1 ist eine Magnetresonanztomographie-Vorrichtung 1 dargestellt, die nachfolgend kurz MRT-Vorrichtung 1 genannt wird, wobei lediglich jene Komponenten im Detail dargestellt sind, welche zur Beschreibung der Erfindung unbedingt nötig sind. Zwecks Orientierung ist auch das Koordinatensystem der MRT-Vorrichtung 1 mit der x-Richtung, y-Richtung und der z-Richtung abgebildet.
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Die MRT-Vorrichtung 1 weist einen Scanner bzw. Tomographen 2 auf, welcher das nicht explizit dargestellte stationäre Magnetsystem der MRT-Vorrichtung 1 beherbergt. Der Tomograph 2 weist einen Messraum 3 auf, der im Fachjargon auch als „Bore” bekannt ist. In diesen Messraum 3 lässt sich eine Liege 4 einführen, auf der ein Patient 5 positioniert ist, um in dieser Position Rohdaten zur Rekonstruktion von Volumenbilddaten aufzunehmen. Zu diesem Zweck wird mit Hilfe des stationären Magnetsystems ein Magnetresonanzsignal im Gewebe des Körpers des Patienten 5 erzeugt, das mit Hilfe einer Lokalspule 6 empfangen wird. Da jedoch die optimale Auswertbarkeit der Rohdaten die genaue Kenntnis der Position der Lokalspule 6 voraussetzt, weist die MRT-Vorrichtung 1 ein Lokalisierungssystem 7 auf, mit dem die Lokalisierung der Lokalspule 6 durchgeführt wird, worauf nachfolgend im Detail eingegangen ist. Dabei wird üblicherweise die Position der Lokalspule 6 in Bezug auf einen Referenzpunkt des Magnetsystems des Tomographen 2 bzw. der MRT-Vorrichtung 1 ermittelt.
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Beispielhaft weist das Lokalisierungssystem 7 im vorliegenden Fall drei Magnetfeldsensoren 8 auf, die mit der Lokalspule 6 integriert sind und zum Erfassen des mit Hilfe des Magnetsystems erzeugten Gradientenfeldes ausgebildet sind. Jeder der Magnetfeldsensoren 8 weist im vorliegenden Fall einen Hall-Sensor auf. Zu diesem Sachverhalt sind in der 2 Details der auf dem Patienten 5 abgelegten Lokalspule 6 auf schematische Weise dargestellt. Die Lokalspule 6 weist ein Gehäuse 9 auf, in dem zum Erfassen der aus dem Gewebe des Patienten 5 stammenden Magnetresonanzsignale vier Antennenspulen 10 angenommen sind. Des Weiteren sind in dem Gehäuse 9 die drei Magnetfeldsensoren 8 aufgenommen. Die Lokalspule 6 weist weiterhin ein Kabel 11 auf, mit dem sie mit der MRT-Vorrichtung 1 elektrisch verbunden werden kann, sodass elektrische Signale, welche das mit den Antennenspulen 10 empfangene Magnetresonanzsignal repräsentieren, einer weiteren Verarbeitung im Sinne der Akquisition und Auswertung der Rohdaten zugänglich gemacht werden können.
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Das Lokalisierungssystem 7 weist weiterhin eine Schaltenrichtung 20 auf, die zum zeitlich sequentiellen Ein- und Ausschalten des Gradientenfeldes in einer der drei Raumrichtungen x, y und z ausgebildet ist. Damit lassen sich die einzelnen Gradientenfelder nacheinander in x-Richtung, y-Richtung und z-Richtung ein- bzw. ausschalten, sodass sich entsprechende Magnetfeldänderungen bei dem jeweiligen Hall-Sensor einstellen, welche zum Bestimmen der Position der Lokalspule 6 verwendet werden. Die Schalteinrichtung 20 ist über einen Signalbus 21 mit dem Tomographen 2 gekoppelt, um das Magnetsystem entsprechend anzusteuern. Die Schalteinrichtung 20 empfängt ihre Steuersignale von einem Computer 18.
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In Abhängigkeit von der jeweiligen Feldstärke des jeweils aktiven Gradientenfeldes liefert jeder der Hall-Sensoren ein Sensorsignal S, das über das Kabel 11 an die MRT-Vorrichtung 1 abgegeben wird. Die gemessenen Magnetfeldänderungen repräsentieren dabei die drei Raumkoordinaten x, y und z des jeweiligen Magnetfeldsensors 8.
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Um die verschiedenen Sensorsignale S der Magnetfeldsensoren 8 auszuwerten, weist das Lokalisierungssystem 7 ein Auswertungsmodul 17 auf. Das Auswertungsmodul 17 ist mit Hilfe von Software realisiert, die auf dem Computer 18 abgearbeitet wird. Der Computer 18 ist weiterhin mit dem Tomographen 2 über den Signalbus 21 verbunden, sodass auch über diesen Signalbus 21 die Sensorsignale S von dem Tomographen 2 her empfangen werden. Bei der Auswertung wird von einer bekannten analytischen Beschreibung des Gradientenverlaufs der Gradientenfelder ausgegangen, mit der die Sensorsignale S verglichen werden. Hierzu wird vom Computer aus die Schalteinrichtung 20 für einen Lokalisierungsvorgang passend angesteuert.
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Der Computer 18 dient weiterhin der Synchronisation der verschiedenen Abläufe bei der Erfassung und Auswertung der Rohdaten, der Steuerung des Magnetsystems und der Steuerung der Positionierung der Liege 4 und weiterer bei der Tomographie üblicher Prozesse, auf die im Detail jedoch nicht näher ein, gegangen wird, weil sie nicht die Erfindung betreffen.
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Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel können die drei Hall-Sensoren die gleiche Orientierung aufweisen, wobei in einer üblichen Orientierung der Lokalspule 6 (beispielsweise eine perfekte Ausrichtung in z-Richtung) ihre jeweilige Flächennormale in z-Richtung orientiert ist, sodass die Hall-Sensoren nur die z-Komponente des Gradientenfeldes erfassen.
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Im Betrieb kann es jedoch vorkommen, dass die Lokalspule 6 nicht perfekt in z-Richtung orientiert ausgerichtet ist. Da jedoch nur die z-Komponente der drei Gradientenfelder relevant ist, muss diese gesondert ausgewertet werden. Um dies zu ermöglichen, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Magnetfeldsensor 8 mit Hilfe von drei Sensorelementen (z. B. Hall-Sensoren) realisiert. Die drei Sensorelemente sind orthogonal zueinander ausgerichtet und bilden einen dreidimensionalen Magnetfeldsensor 8. Im Betrieb wird mit Hilfe des dreidimensionalen Magnetfeldsensors 8 zusätzlich zu bzw. unabhängig von der zuvor beschriebenen Verwendung der drei Gradientenfelder das mit Hilfe des Magnetsystems erzeugte statische Grundmagnetfeld, das im Homogenitätsvolumen des Messraums in z-Richtung orientiert ist, zum Herauskalibrieren der z-Komponente der Magnetfeldsensoren 8 benutzt.
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Im Betrieb kann es weiterhin vorkommen, dass zunächst nicht klar ist, ob die Lokalspule 6 bereits innerhalb eines Homogenitätsvolumens des Magnetsystems lokalisiert ist oder nicht. Somit kann es zu einer Doppeldeutigkeit hinsichtlich der Position der Lokalspule 6 kommen, weil sich der Verlauf des Gradientenfeldes außerhalb des Homogenitätsvolumens im Vergleich zu dem Verlauf innerhalb des Homogenitätsvolumens ändert. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann diesem Umstand dadurch Rechnung getragen werden, dass bereits beim Einfahren des Patienten 5 in den Messraum 3, also wenn die Lokalspule 6 beispielsweise noch außerhalb des Messraums 3, insbesondere jedoch außerhalb des Homogenitätsvolumens ist, mit Magnetfeldmessungen begonnen wird. Demnach werden entlang der z-Richtung mehrere Magnetfeldmessungen durchgeführt, wobei die drei Komponenten des Gradientenfeldes mehrfach während der Bewegung der Liege 4 entlang der z-Richtung der Reihe nach durchgeschaltet (z. B. sequentiell jeweils ein- und ausgeschaltet) werden. Durch Auswertung der Sensorsignale S ergibt sich für jeden Magnetfeldsensor 8 in Abhängigkeit von der z-Position der Liege 4, die hinlänglich bekannt ist, ein Funktionsgraph des gemessen Feldverlaufs. Die erhaltenen Sensorsignale S, die ja das jeweils eingeschaltete Gradientenfeld repräsentieren, lassen sich durch geeignete Anpassungsalgorithmen, wie beispielsweise die Methode der kleinsten quadratischen Abweichungen, auch „least square fitting” genannt, an den a priori analytisch bekannten Verlauf der Gradientenfelder anpassen, woraus die exakte z-Position – z. B. die absolute Position im Koordinatensystem der MRT-Vorrichtung 1 oder die relative Position in Bezug auf die bekannte Position der Liege 4 – der Lokalspule 6 ableitbar ist.
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Um beim Bestimmen der Position der Lokalspule 6 Probleme mit Uneindeutigkeiten zu vermeiden bzw. zu reduzieren, kann als Hilfestellung auch die Position der Liege 4 mit berücksichtigt werden, die ja a priori bekannt ist, weil die Position über den Computer 18 gesteuert wird. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, wenn nicht nur die z-Komponente des Gradientenfeldes, sondern auch die x- und/oder die y-Komponente mit berücksichtigt werden. Diese zusätzlichen Komponenten können sowohl bei Verwendung nur eines ein zigen Sensorelements, das eine beliebige Ausrichtung hat und somit der Wirkung dieser Komponenten ausgesetzt ist, als auch bei Verwendung des dreidimensionalen Magnetfeldsensors 8 erfasst werden. Die zusätzlichen Komponenten liefern die fehlende Information, die beim Anpassen (fitten) der Sensorsignale S an den a priori bekannten Verlauf des Gradientenfeldes nötig ist, um eindeutige Ergebnisse betreffend die Position der Lokalspule 6 zu erhalten.
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Wie weiter oben bereits erörtert wurde, kann zur Signalübertragung der Sensorsignale S das Kabel 11 verwendet werden. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Magnetfeldsensoren 8 jedoch zur drahtlosen Signalübertragung zwischen ihnen und einem Magnetresonanzsignal-Empfangssystem (nachfolgend kurz MR-Empfangssystem genannt) der MRT-Vorrichtung 1 ausgebildet. Das MR-Empfangssystem umfasst üblicherweise zumindest eine fest eingebaute Antenne (Ganzkörperantenne) des Tomographen 2, die jedoch nicht im Detail dargestellt ist, oder fallspezifisch auch die Lokalspule 6 bzw. präziser die Antennenspulen 10 der Lokalspule 6 und entsprechende elektronische Komponenten eines MR-Empfängers 19, die mit der Antenne z. B. über den Signalbus 21 verbunden sind. Dabei handelt es sich um jenen MR-Empfänger 19, der auch im Zuge der Rohdatenakquise zum Empfangen des Magnetresonanzsignals verwendet wird. Der MR-Empfänger 19 ist weiterhin mit dem Computer 18 gekoppelt, sodass die Sensorsignale S dem Auswertungsmodul 17 zugänglich gemacht werden.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass – wie in der 1 mit. Hilfe der unterbrochenen Trennlinie 22 angedeutet ist – bei einer MRT-Vorrichtung 1 üblicherweise jene Baugruppen, wie im vorliegenden Fall der Computer 18 und der MR-Empfänger 19 und die Schalteinrichtung 20, welche im Betrieb möglichst nicht dem relativ starken Magnetfeld des Tomographen 2 ausgesetzt sein sollen, von dem Tomographen 2 räumlich oder baulich getrennt angeordnet sind. Im vorliegenden Fall bilden diese Baugruppen 18, 19 und 20 Bestandteile einer Zentral-Steuerung der MRT-Vorrichtung 1. Auch wenn dies nicht aus der 1 ersichtlich ist, sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Signalbus 21 üblicherweise aus unterschiedlichen voneinander abgeschirmten Leitungen besteht kann.
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Eine mögliche Ausführungsform eines solchen drahtlos funktionierenden Magnetfeldsensors 8 ist in 3 dargestellt. Der Magnetfeldsensor 8 weist ein magnetfeldsensitives Sensorelement 12 (z. B. einen Hall-Sensor), eine „positive-intrinsicnegative” Diode 13 (kurz PIN-Diode 13), eine als Schleife ausgeführte Sensorantenne 14 (auch Loop-Antenne genannt) sowie ein zwischen der Sensorantenne 14 und der PIN-Diode 13 lokalisiertes Schaltelement 15 und ein mit dem Schaltelement 15 gekoppeltes Steuerelement 16 auf.
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Die PIN-Diode 13, die in Sperrrichtung betrieben wird, verändert ihren Kapazitätswert C(U) in Abhängigkeit von der an ihr anliegenden Spannung U(B), welche wiederum vom Wert des Magnetfelds B (z. B. Grundmagnetfeld oder Gradientenfeld) abhängig ist, das auf das Sensorelement 12 einwirkt. Demzufolge bilden die PIN-Diode 13 und die Sensorantenne 14 einen resonanten Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz fres(C) von dem auf das Sensorelement 14 einwirkenden Magnetfeld B abhängig ist. Im Betrieb, für den nun angenommen sei, dass das Schaltelement 15 einen leitenden Zustand einnimmt, wird der Schwingkreis durch einen mit Hilfe einer MR-Ganzkörperantenne des stationären Magnetsystems erzeugten breitbandigen MR-Sendeimpuls sozusagen „aufgeladen” bzw. mit Energie versorgt.
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Nach Abschalten dieses MR-Sendeimpulses wird die in dem Schwingkreis gespeicherte Energie abgestrahlt, wobei die Frequenz des abgestrahlten Signals proportional zu dem auf das Sensorelement wirkenden Magnetfeld B, also z. B. proportional zu dem ortsabhängigen Gradientenfeld ist.
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Um sicherzustellen, dass kein Magnetresonanzsignal diese Art der drahtlosen Signalübertragung oder umgekehrt stört, wird die Resonanzfrequenz fres des Schwingkreises um einige hundert kHz neben die Frequenz des Magnetresonanzsignals gelegt. Um jedoch auch sicherzustellen, dass der jeweilige Magnetfeldsensor 8 bei der normalen Akquisition von Rohdaten nicht stört, kann das Schaltelement 15 zwischen einem leitenden und einem nicht leitenden Zustand geschaltet werden. Das Schaltelement 15 ist beispielsweise durch einen Transistor realisiert, der mit dem Steuerelement 16 gekoppelt ist. Das Steuerelement 16 ist im vorliegenden Fall mit Hilfe eines HF-Detektors realisiert, der zum Detektieren von z. B. einem hochfrequenten Hilfsträger ausgebildet ist. Der Hilfsträger wird von der MRT-Vorrichtung 1 generiert, wobei hierzu der vorhandene Sendepfad (d. h. der vorhandene Hochfrequenzverstärker und z. B. die vorhandene Ganzkörperspule) aber auch ein separater Sendepfad genutzt werden kann (welcher beispielsweise einen zusätzlichen eigenen Hochfrequenzverstärker und die vorhandene Ganzkörperspule oder auch eine oder mehrere separate zusätzliche Antennen umfasst). Bei Vorliegen des Hilfsträgers wird mit Hilfe des HF-Detektors auf elektromagnetische Weise Energie für das Schaltelement 15 bereitgestellt und der leitende Zustand des Schaltelements 15 hergestellt. Bei einem Fehlen des Hilfsträgers wird durch Wegfall der elektrischen Versorgung der sperrende Zustand des Schaltelements 15 hergestellt und somit der Magnetfeldsensor 8 funktionslos geschaltet, weil der Schwingkreis aufgetrennt ist. Am dieser Stelle sei jedoch erwähnt, dass die Energie für den Betrieb des Schaltelements 15 und/oder ein entsprechendes Steuersignal zum Einnehmen des leitenden oder sperrenden Zustands auch über das Kabel 11 bereitgestellt werden kann.
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Mit Hilfe der zuvor beschriebenen strukturellen Maßnahmen lässt sich im Betrieb der MRT-Vorrichtung 1 ein erfindungsgemäßes Verfahren abarbeiten bzw. durchführen, bei dem das Lokalisieren der Lokalspule 6 mit Hilfe einer Anzahl von Magnetfeldsensoren 8 erfolgt, die mit der Lokalspule 6 integriert und zum Erfassen des Gradientenfeldes ausgebildet sind. Dabei wird das mit Hilfe der Magnetfeldsensoren 8 erzeugte Sensorsignal S hinsichtlich der z-Koordinate ausgewertet, wobei zwecks Erzeugung des Sensorsignals S das Gradientenfeld sequentiell in jeweils einer der drei Raumrichtungen ein- und ausgeschaltet wird.
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Dieses Verfahren ist stark schematisiert in 4 dargestellt und beginnt in einem Block I mit dem Einschalten (Aktivieren) der Magnetfeldsensoren 8. In einem Block II wird das Gradientenfeld in x-Richtung ein- bzw. ausgeschaltet und das im eingeschalteten Zustand erhaltene Sensorsignal S an das Auswertungsmodul 17 übermittelt. Danach wird bei einem Block III das Gradientenfeld in y-Richtung ein- bzw. ausgeschaltet und das im eingeschalteten Zustand erhaltene Sensorsignal S an das Auswertungsmodul 17 übermittelt. In Analogie dazu wird letztendlich bei einem Block IV das Gradientenfeld in z-Richtung ein- bzw. ausgeschaltet und das im eingeschalteten Zustand erhaltene Sensorsignal S an das Auswertungsmodul 17 übermittelt. Diese Verfahrensschritte II bis IV können bereits dann beginnen, wenn die Liege 4 noch außerhalb des Messraums 3 bzw. außerhalb des Homogenitätsvolumens des Magnetsystems ist, und werden so oft wie nötig wiederholt, um ausreichend Messdaten während der Bewegung der Liege 4 zu erhalten. Die Auswertung der erhaltenen Sensorsignale S erfolgt in einem Block V. Sie kann bereits nach einem einzigen Durchlauf der Verfahrensschritte II bis IV oder erst nach einer Anzahl von Durchläufen der Verfahrensschritte II bis IV erfolgen, was mit Hilfe der beiden angedeuteten Schleifen visualisiert ist. Das Verfahren endet in einem Block VI mit dem Ausschalten (Deaktivieren) der Magnetfeldsensoren 8.
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Es sei jedoch erwähnt, dass das gruppenweise Einschalten bzw. Ausschalten der Magnetfeldsensoren 8 auch an anderen Stellen des Verfahrens erfolgen kann oder dass auch jeder einzelne Magnetfeldsensor 8 unabhängig von den anderen Magnetfeldsensoren 8 ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass das Sensorsignal S durch geeignete Maßnahmen (z. B. Modulation oder Codierung) voneinander unterscheidbar die Messinformation der einzelnen Sensorelemente 12 des jeweiligen Magnetfeldsensors 8 oder der Magnetfeldsensoren 8 repräsentiert.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei der dargestellten MRT-Vorrichtung lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung wurde überwiegend anhand eines Einsatzes in einer medizinisch genutzten MRT-Vorrichtung erläutert. Sie ist jedoch nicht auf derartige Einsätze beschränkt, sondern kann auch in wissenschaftlichen und/oder industriellen Einsätzen genutzt werden. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließen die Begriffe „Vorrichtung”, „Einheit”, „Modul” oder „Element” usw. nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetresonanztomographie-Vorrichtung
- 2
- Tomograph
- 3
- Messraum/Bore
- 4
- Liege
- 5
- Patient
- 6
- Lokalspule
- 7
- Lokalisierungssystem
- 8
- Magnetfeldsensor
- 9
- Gehäuse
- 10
- Antennenspule
- 11
- Kabel
- 12
- Sensorelement
- 13
- PIN-Diode
- 14
- Sensorantenne
- 15
- Schaltelement
- 16
- Steuerelement
- 17
- Auswertungsmodul
- 18
- Computer
- 19
- MR-Empfänger
- 20
- Schalteinrichtung
- 21
- Signalbus
- 22
- Trennlinie
- S
- Sensorsignal
- B
- Magnetfeld
- U
- Spannung
- C
- Kapazitätswert
- fres
- Resonanzfrequenz
- x, y, z
- Raumrichtungen
