DE112010001412T5

DE112010001412T5 - Spulenanordnung

Info

Publication number: DE112010001412T5
Application number: DE112010001412T
Authority: DE
Inventors: Stuart Crozier; Adnan Trakic; Ewald Weber; Bing Keong Li; Hua Wang
Original assignee: University of Queensland UQ
Current assignee: University of Queensland UQ
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2012-12-27
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: US20120068709A1; US9977100B2; WO2010111736A1; DE112010001412B4; AU2010230843A1; AU2010230843B2

Abstract

Eine Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanzsystem, wobei das bildgebende System zur Erzeugung eines magnetischen Bildgebungsfeldes in einer Bildgebungsregion dient, umfasst mindestens drei Spulen, von denen mindestens eine zum Senden, zum Empfangen oder zum Senden und Empfangen eines elektromagnetischen Feldes dient, wobei jede Spule auf einer Spulengeometrie vorgesehen und im Wesentlichen orthogonal ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanzsystem, auf ein Verfahren zur Anwendung bei der Bestimmung einer Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanzsystem and insbesondere auf eine Spulenanordnung mit gegeneinander orthogonalen Spulen.
Beschreibung des Standes der Technik
Der Bezug in vorliegender Beschreibung auf irgendeine frühere Publikation (oder davon abgeleitete Information) oder auf irgendeine bekannte Sache ist kein – und soll nicht gehalten werden für ein – Eingeständnis oder eine Anerkennung oder irgendeine Form von Andeutung, dass die frühere Publikation (oder davon abgeleitete Information) oder bekannte Sache Teil des allgemein verbreiteten Kenntnisstandes auf dem Gebiet der Bestrebungen bildet, auf welche sich die vorliegend Beschreibung bezieht.
Wenn in der MRI eine Substanz wie das menschliche Gewebe einem starken und gleichförmigen polarisierenden statischen Magnetfeld B₀ ausgesetzt wird, richten die Spins von reichlich vorhandenen Wasserstoff-Protonen von Wasser im Gewebe ihre individuellen magnetischen Momente längs des Magnetfeldes B₀ in einem parallelen oder antiparallelen Energiezustand aus. Es existiert dann ein netto magnetisches Moment des Spin-Ensembles, welches längs des polarisierenden Flusses ausgerichtet ist (niedrige Energie oder paralleler Zustand) und mit der charakteristischen Larmor-Frequenz präzediert.
Falls ein räumlich homogenes HF-Feld B₁, welches nahe der Larmor-Frequenz oszilliert, dem abgebildeten Gewebe im rechten Winkel zum polarisierenden Magnetfeld B₀ überlagert wird, kann die netto longitudinale Magnetisierung M_z „geneigt” oder in to Ebene (x-y) senkrecht zum Magnetfeld B₀ rotiert werden um eine netto transversale Magnetisierung (oder den angeregten Zustand) zu erzeugen. Wenn das HF-Feld B₁ abgeklungen ist, relaxiert die netto Magnetisierung zurück in ihren ursprünglichen niederenergetischen Zustand, der existierte, bevor das HF-Feld B₁ angelegt wurde, und zwar unter Emission von Energie in Form eines HF-Signals, oder in der Fachsprache eines freien Induktionszerfalls (FID), der aufgefangen und digital weiterverarbeitet werden kann um ein MR-Bild zu formen.
Eine HF-Sendespule emittiert ein B₁-Feldin eine interessierende Bildgebungs-Region, wenn sie durch eine Computer-gesteuerte HF-Transceiver-Einheit angetrieben wird. Eine komplette Körper-Vogelkäfig (= body birdcage) HF-Körperspule gehört üblicherweise zur Ausrüstung in den meisten kommerziellen MRI-Systemen. Allerdings erzeugt die große Ausdehnung dieser HF-Spule ein geringeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR), wenn sie auch zum Empfang benutzt wird, und zwar hauptsächlich wegen ihres größeren Abstandes von den Signalerzeugenden Geweben, die abgebildet werden sollen. Statt dessen werden häufig dedizierte und konformale HF-Spulen für den Empfang benutzt, um die in der MRI höchst erwünschte SNR zu erhöhen. Diese dedizierten HF-Spulen, die HF-Spulen von volumetrischer Art oder Multi-Element HF-Spulenanordnungen sein können, sind speziell dazu ausgebildet, um nahe an dem oder konform mit dem anatomischen Teil oder der Form zu sein, die von Interesse ist. Daher ist das Rauschen, welches von diesen dedizierten HF-Spulen empfangen wird, überwiegend von den dielektrischen Proben und so wird die Menge an empfangenem Rauschen dramatisch reduziert und das SNR erhöht.
Obwohl HF-Spulen von volumetrischer Art oder Multi-Element HF-Spulenanordnungen verwendet werden können, sind HF-Spulenanordnungen – wie die in der von der General Electric Company angemeldeten US-4825162 beschrieben – noch wünschenswerter geworden. Dies liegt vor allem daran, weil HF-Spulenanordnungen im Vergleich zu HF-Spulen von volumetrischer Art ein höheres SNR erzielen können. Sie können für teilweise parallele Bildgebungs-Anwendungen eingesetzt werden, um die MR-Bildgebungszeit zu verkürzen. HF-Spulenanordnungen können auch verwendet werden, um ein Fokussieren des HF-Feldes zu bewirken, welches die Bildqualität, die für lokale interessierende Bereiche erhalten wird, verbessern kann, wie in der internationalen Patentanmeldung WO2006094354 beschrieben ist. Schließlich können HF-Spulenanordnungen verwendet werden für teilweise parallele Sende-Techniken, wie etwa „Transmit SENSE" [Katscher et al, Magn Reson Med 49 (1) pg 144–150, 2003], welche potentiell Inhomogenitätseffekte bei Hochfeld-HF verbessern können.
Ungeachtet der vielen Vorteile, die durch die Verwendung von Multi-Element HF-Spulenanordnungen erzielt werden können, ist ein gemeinsames Kriterium bei der Ausgestaltung von Spulenanordnungen, dass irgendeine Art von Maßnahmen zur gegenseitigen Entkopplung eingebaut sein muss, um die Spulenelemente zu entkoppeln. Eine Multi-Element HF-Spulenanordnung leidet normalerweise an einer starken gegenseitigen Kopplung zwischen individuellen Spulenelementen und einige der unerwünschten Effekte umfassen Schwierigkeiten bei der Abstimmung, verringerte SNR und HF-Feldverzerrung, die Bild-Artefakte verursacht. Daher ist eine Minimierung der gegenseitigen Kopplung von lebenswichtiger Bedeutung.
Eine Anzahl von Methoden sind vorgeschlagen worden, um die gegenseitige Kopplung zu minimieren. Beispiele hierfür umfassen ein Verfahren zur Entkopplung mit gegenläufig gewickeltem Induktor, das beschrieben ist in „A Novel 8-Channel Transceive Volume-Array for a 9.4T Animal Scanner" von Ewald Weber, Bing Keong Li, Feng Liu, Yu Li, Peter Ullmann, Hector Sanchez und Stuart Crozier, Proc. of the Annual Meeting of ISMRM, 2008; pp151, die Überlappung von benachbarten Spulen, wie beispielsweise in US-4825162 beschrieben, und die Benutzung von Vorverstärkern mit niedriger Eingangsimpedanz sowie die Verwendung von kapazitiven Entkopplungs-Netzwerken, wie in US-7091721 beschrieben.
Es ergeben sich jedoch einige Einschränkungen bei der Verwendung dieser Entkopplungsmethoden. Die Überlappung von benachbarten Spulen opfert den Bereich der Abdeckung, Einzelelement-Entkopplungs-Netzwerke weisen Begrenzungen in ihrem Entkopplungsvermögen auf und die Benutzung von Vorverstärkern mit niedriger Eingangsimpedanz kann den Leistung-Übertrag limitieren und die Verwendung von Phased-Array-Spulen allein auf das Empfangen beschränken (d. h. nicht geeignet für Transceive-Betrieb).
Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung
Die vorliegende Erfindung versucht einen oder mehrere der Nachteile von existierenden Anordnungen im Wesentlichen zu überwinden oder zumindest zu verbessern.
In einer ersten weitreichenden Abdeckung zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanz-System bereitzustellen, wobei das bildgebende System für die Erzeugung eines magnetischen Bildgebungsfeldes in einer Bildgebungsregion ausgestaltet ist, wobei die Spulenanordnung mindestens drei Spulen umfasst, von denen mindestens eine zum Senden, zum Empfangen oder zum Senden und Empfangen eines elektromagnetischen Feldes dient, und wobei jede Spule auf einer Spulengeometrie vorgesehen und im Wesentlichen orthogonal ist.
Typischerweise umfasst die Spulenanordnung einen Spulenträger zum Tragen der Spulen, wobei der Spulenträger eine Oberflächenform entsprechend der Spulengeometrie aufweist.
Typischerweise wird die Spulengeometrie entsprechend der durchzuführenden Bildgebung bestimmt.
Typischerweise ist die Spulengeometrie an die Form mindestens eines Gegenstands angepasst, für welchen eine Bildgebung erfolgen soll.
Typischerweise ist die Spulengeometrie rotationssymmetrisch um eine Achse der Spulengeometrie.
Typischerweise sind die Spulen elliptisch.
Typischerweise ist jede der Spulen zu einer zugehörigen Ebene von drei orthogonalen Ebenen ausgerichtet.
Typischerweise sind die Spulen mit Abstand in Umfangsrichtung um die Achse der Spulengeometrie angeordnet.
Typischerweise sind die Spulen azimutal um 120° beabstandet.
Typischerweise sind die Spulen unter einem Winkel zur Achse der Spulengeometrie ausgerichtet.
Typischerweise sind die Spulen unter einem Winkel von etwa 35,3° zur Achse der Spulengeometrie ausgerichtet.
Typischerweise ist die Spulengeometrie

a) sphärisch oder
b) hemisphärisch oder
c) zylindrisch oder
d) konisch oder
e) ellipsoid.

Typischerweise ist jede Spule an einer Schnittstelle zwischen der Spulengeometrie und den orthogonalen Ebenen vorgesehen.
Typischerweise weist die Spulenanordnung eine Vorrichtung zur gegenseitigen Entkopplung für eine gegenseitige Entkopplung der Spulen auf.
Typischerweise sind die Spulen im Betrieb unter einem Winkelversatz zu einer zu einer Bildgebungs-Feldrichtung ausgerichtet.
Typischerweise sind die Spulen im Betrieb unter einem Winkel von ungefähr 54,7° zu einer zu einer Bildgebungs-Feldrichtung ausgerichtet.
Typischerweise sind die Spulen derart angeordnet, dass eine gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen vermindert wird.
Typischerweise ist die Spulenanordnung für die Verwendung bei der Bildgebung durch Modulieren/Kodieren eines gesendeten oder empfangenen elektromagnetischen Feldes eingerichtet.
Eine Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanzsystem, wobei das bildgebende System zur Erzeugung eines magnetischen Bildgebungs-Feldes in einer Bildgebungs-Region dient, umfasst

a) einen Spulenträger; und
b) mindestens drei Spulen von denen mindestens eine zum Senden, zum Empfangen oder zum Senden und Empfangen eines elektromagnetischen Feldes dient, wobei die Spulen vom Spulenträger getragen werden und im Wesentlichen orthogonal sind.

Typischerweise weist der Spulenträger eine Oberflächenform entsprechend der Spulengeometrie auf.
In einer zweiten weitreichenden Abdeckung zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein Verfahren zur Bestimmung einer Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanzsystem bereitzustellen, wobei das bildgebende System zur Erzeugung eines magnetischen Bildgebungs-Feldes in einer Bildgebungs-Region dient, umfassend folgende Schritte:

a) Bestimmung einer Spulengeometrie;
b) Anordnen von drei orthogonalen Ebenen derart, dass jede der Ebenen die Spulengeometrie schneidet; und
c) Bestimmung einer Spulenanordnung für jede der drei Spulen in Übereinstimmung mit der Überschneidung einer entsprechenden Ebene mit der Spulengeometrie.

Typischerweise umfasst das Verfahren die Bestimmung der Spulengeometrie in Übereinstimmung mit einer Form mindestens eines Teiles eines Gegenstands, für welchen eine Bildgebung erfolgen soll.
Typischerweise ist die Spulengeometrie angepasst an eine Form mindestens eines Teiles eines Gegenstands, für welchen eine Bildgebung erfolgen soll Typischerweise ist die Spulengeometrie

Typischerweise ist die Spulengeometrie rotationssymmetrisch um eine Achse der Spulengeometrie.
Typischerweise umfasst das Verfahren ein Anordnen der Ebenen derart, dass die Spulen elliptisch sind.
Typischerweise umfasst das Verfahren ein Anordnen der Ebenen derart, dass die Spulen mit Abstand in Umfangsrichtung um die Achse der Spulengeometrie angeordnet sind.
Typischerweise umfasst das Verfahren ein Anordnen der Ebenen derart, dass die Spulen azimutal um 120° beabstandet sind.
Typischerweise umfasst das Verfahren ein Anordnen der Ebenen unter einem Winkel zur Achse der Spulengeometrie.
Typischerweise werden die Ebenen unter einem Winkel von ungefähr 35,3° zur Achse der Spulengeometrie angeordnet.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der folgenden Zeichnungen beschrieben:
Die 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein bildgebendes MR-System;
Die 2 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine 3-Element HF Spulenanordnung;
Die 3A ist ein Ablaufschema eines Beispiels für einen Prozess zur Bestimmung einer Spulenanordnung;
Die 3B ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Verarbeitungssystem;
Die 4A ist eine schematische Darstellung eines simulierten Beispiels eines homogenen zylindrischen Phantoms in einer 3-Element-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung;
Die 4B ist eine schematische Darstellung eines simulierten Beispiels eines homogenen zylindrischen Phantoms in einer konventionellen 3-Element-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung;
Die 5A ist ein Bild eines Beispiels einer 3-Element-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung;
Die 5B ist ein Bild eines Beispiels einer konventionellen 3-Element-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung;
Die 6A und 6B sind Graphen von Beispielen gemessener S-Parameter für die 3-Element-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung der 5A;
Die 7A und 7B sind Graphen von Beispielen gemessener S-Parameter für die konventionelle 3-Element-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung der 5B;
Die 8A ist eine schematische Darstellung eines Beispiels der Position der Knie-Spulen-Anordnungen der 5A und 5B relativ zum B₀-Feld;
Die 8B und 8C sind Darstellungen eines Beispiels experimentell erlangter axial-ebener MR-Bilder eines zylindrischen Phantoms für die 3-Element-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung der 5A bzw. 5B;
Die 8D und 8E sind Darstellungen eines Beispiels simulierter MR-Bilder der zylindrischen Phantom Anordnung der 4A bzw. 4B;
Die 9A und 9B sind schematische Darstellungen von Beispielen der Position der Knie-Spulen-Anordnungen der 5A und 5B mit Winkeln von 30° und 90° relativ zum B⁰-Feld;
Die 9C und 9D sind Darstellungen eines Beispiels experimentell erlangter koronal- und axial-Schicht-MR-Bilder des zylindrischen Phantoms unter Verwendung der Knie-Spulen-Anordnungen der 5A, positioniert bei 30° bzw. 90°;
Die 9E und 9F sind Darstellungen eines Beispiels experimentell erlangter koronal- und axial-Schicht-MR-Bilder des zylindrischen Phantoms unter Verwendung der Knie-Spulen-Anordnungen der 5B, positioniert bei 30° bzw. 90°;
Die 10A und 10B sind Darstellungen eines Beispiels experimentell erlangter koronal- und axial-Schicht-MR-Bilder des linken Knies eines männlichen Freiwilligen unter Verwendung der Knie-Spulen-Anordnungen der 5A;
Die 10C und 10D sind Darstellungen eines Beispiels experimentell erlangter koronal- und axial-Schicht-MR-Bilder des linken Knies eines männlichen Freiwilligen unter Verwendung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnungen der 5B;
Die 11A ist eine Darstellung eines Beispiels experimentell erlangter MR-Bilder eines Knies eines erwachsenen Schweins mit der Knie-Spulen-Anordnungen der 5A positioniert bei 40°, 55°, 60° und 70° bezüglich des B₀-Feldes;
Die 11B ist eine Darstellung eines Beispiels experimentell erlangter MR-Bilder eines Knies eines erwachsenen Schweins mit der konventionellen Knie-Spulen-Anordnungen der 5B positioniert bei 40°, 55°, 60° und 70° bezüglich des B₀-Feldes;
Die 12 ist ein Graph eines gemessenen Signalintensitäts-Plots des Pantella-Bands für die Bilder der 11A und 11B;
Die 13A ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer 3-Element-Orthogonalitäts-Brustspulenanordnung für Anwendungen von MRI Brustbildern;
Die 13B ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer 3-Element-Orthogonalitäts-Intravenös-Spule;
Die 13C ist eine schematische Darstellung eines Beispiels einer 6-Element-Orthogonalitäts-Intravenös-Spule.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ein Beispiel eines bildgebenden Magnetresonanz-(MR-)Systems wird im Folgenden beschrieben in Bezugnahme auf 1.
In diesem Beispiel umfasst das MR-System einen getrimmten Haupt- oder Primärmagneten 101, drei Hauptgradientenspulen 102, ein Patienten-/Probenbett 108 und MR-Instrumentation 109. Im Betrieb wird der Hauptmagnet 101 angepasst, um ein im Wesentlichen homogenes magnetisches Feld in einer Bildregion 111 zu generieren, welche ein Subjekt beinhaltet, wie etwa zumindest einen Teil eines Patienten oder einer Probe. Das Subjekt wird dann einem HF Feld ausgesetzt, was die Durchführung der MRI erlaubt. Der Betrieb dieser Komponenten ist im Wesentlichen identisch mit heutigen Systemen und wird daher nicht weiter im Detail beschrieben.
Das HF-Feld wird typischerweise von einer oder mehreren HF-Spulenanordnungen 103 übertragen und empfangen. In einem Beispiel können separate Spulenanordnungen für das Empfangen und Übertragen des HF-Feldes verwendet werden, in einem anderen Beispiel kann eine einzelne Empfangs- und Sendespule verwendet werden.
Ein Beispiel einer Spulenanordnung, die orthogonal angeordnete Spulen umfasst (allgemein bekannt als Orthogonalitäts-Spulenanordnung), wird nun mit Bezug auf 2 beschrieben.
In diesem Beispiel basiert die Spulenanordnung auf einer zylindrischen Spulengeometrie 201, die typischerweise der Form einer Spulenhalterung folgt, an der die Spulen 202, 203, 204 vorgesehen sind. Die Spulen 202, 203, 204 haben eine elliptische Form, die den Spulen 202, 203, 204 erlaubt sich an die zylindrische Geometrie 201 anzupassen und zueinander orthogonal zu bleiben. In diesem Beispiel sind die drei elliptischen Spulen 202, 203, 204 120° azimutal entfernt angeordnet und um einen Winkel von 54,7° gekippt, im Verhältnis zur XY Ebene, welche senkrecht zu einer Achse 205 der zylindrischen Spulengeometrie 201 angeordnet ist.
Dementsprechend sind die drei elliptischen Spulen 202, 203, 204 in der oben beschriebenen Anordnung orthogonal zueinander angeordnet.
Spulen orthogonal anzuordnen reduziert gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen. Dies kann verwendet werden, um die Notwendigkeit für gegenseitige Entkopplungssysteme, welche angeordnet werden müssten, um die HF-Spulen zu entkoppeln, zu vermeiden, wodurch die resultierende MR Apparatur vereinfacht wird.
Zusätzlich können orthogonale Spulenanordnungen beliebig relativ zum statischen Hauptmagnetfeld (B₀) positioniert werden, während dem normalen Betrieb und ohne Verlust an Effizienz und Funktionalität. Folglich sind orthogonale Spulenanordnungen in der Lage, mit MRI-Systemen mit horizontalen, vertikalen Bohrungen und offenen MRI-Systemen eingesetzt zu werden. Dies sorgt für klinischen Komfort beim Abtasten von Anatomien, die nicht unbedingt mit dem B₀ Feld eines MRI-Systems ausgerichtet sind.
Die orthogonalen Spulenanordnungen können entsprechend für das Design von Sende- und/oder Empfangsspulen HF-Spulenanordnungen für menschliche/tierische MRI- und/oder Magnetresonanzspektroskopie-(MRS-)Anwendungen verwendet werden.
Darüber hinaus kann das orthogonale Verhältnis der Spulen in einem Beispiel bei der Durchführung von Magic Angle Anwendungen helfen, die die Bildintensität von strukturierten Collagen-Fasern verbessern können, wie unten noch genauer beschrieben wird.
Ein Beispiel für die Bestimmung einer orthogonalen Spulenanordnung wird nun anhand von 3A beschrieben.
In diesem Beispiel, bei Schritt 300, wird eine Spulengeometrie bestimmt. Dies kann durch jedwede passende Weise geschehen, und kann zum Beispiel vom Design der MR-Apparatur abhängen, in welcher die Spulenanordnung benutzt werden soll. Die Spulengeometrie wird jedoch typischerweise zumindest zum Teil basierend auf der beabsichtigten Bildanwendung bestimmt werden, und wird insbesondere ausgewählt, um sich der Form eines Teils eines abzubildenden Subjekts anzupassen. Daher ist zum Beispiel eine zylindrische Geometrie besonders geeignet, um Gliedmaßen abzubilden, da sie es erlaubt, die Gliedmaßen innerhalb der Spulenhalterung zu platzieren, wobei die Distanz zwischen den Spulen und den Gliedmaßen minimiert wird. Für andere Körperteile können jedoch andere Spulengeometrien verwendet werden. Beispiele für Spulengeometrien umfassen, sind aber nicht reduziert auf:

– sphärisch
– hemisphärisch
– zylindrisch
– konisch
– ellipsoid.

Es wird in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, dass der Gebrauch einer zylindrischen Spulengeometrie in obigem Beispiel allein zum Zwecke der Illustration dient und nicht als Einschränkung gemeint ist. Spezielle Beispielgeometrien und ihre Anwendungen werden genauer weiter unten beschrieben.
Bei Schritt 310 werden drei orthogonale Ebenen so angeordnet, dass jede Ebene die Spulengeometrie kreuzt, was die Bestimmung der Spulengeometrie in Schritt 320 erlaubt, wobei jede Spulenposition auf dem Kreuzungspunkt der jeweiligen Ebene mit der Spulengeometrie basiert.
In einem Beispiel wird der oben beschriebene Prozess zumindest zum Teil durch ein Verarbeitungssystem durchgeführt, ein Beispiel, welches nun anhand von 3B beschrieben wird.
In diesem Beispiel umfasst das Verarbeitungssystem 350 einen Prozessor 351, einen Speicher 352, eine Ein-/Ausgabe-Vorrichtung, wie etwa Keyboard und Maus 353, und ein optionales externes Interface 354, das mittels eines Busses 355 verbunden ist. Das optionale externe Interface kann verwendet werden, um das Verarbeitungssystem 350 mit Peripheriegeräten, wie etwa Kommunikationsnetzwerken, Datenbankservern oder ähnlichem, zu verbinden.
Im Betrieb führt der Prozessor 351 typischerweise Anwendungssoftware aus, welche im Speicher 352 gespeichert ist, um dem Prozessor 351 zu erlauben, notwendige Berechnungen durchzuführen und/oder Spulenanordnungen, Spulengeometrien und orthogonale Ebenen oder ähnliches, anzuzeigen. Dies kann zum Beispiel beinhalten, dem Benutzer zu erlauben, eine Spulengeometrie zu definieren, eine Wiedergabe der Spulengeometrie und der dazugehörigen orthogonalen Ebenen anzuzeigen, wobei dem Benutzer erlaubt ist, die Wiedergabe zu verändern, und damit auch die relative Position der Ebenen und Spulengeometrie, und die daraus resultierenden Spulenanordnungen zu berechnen. Es ist wünschenswert wenn diese Prozesse automatisch durchgeführt werden können, aber typischerweise beinhalten sie zumindest ein wenig Input oder anderweitige Kontrolle durch den Benutzer.
Es ist daher vorteilhaft wenn das Verarbeitungssystem 350 ein entsprechend programmiertes Computersystem ist, wie etwa ein Laptop, Desktop, PDA, Server oder ähnliches, obwohl alternativ das Verarbeitungssystem auch aus spezieller Hardware aufgebaut sein kann.
Unabhängig davon, wie die Methode ausgeführt wird, stellt die Methode eine Design-Technik zur Verfügung, die die Gestaltung von HF-Spulenanordnungen erlaubt, die in gegenseitig orthogonalen Spulen resultieren. Dies erlaubt Spulenanordnungen zu entwickeln, die sich nicht auf existierende gegenseitige Entkopplungssysteme stützen, um gegenseitige Entkopplung der Spulen zu erreichen, und ist daher in der Lage, hohe Isolations-/Entkopplungswerte zur erreichen. Es ist jedoch von Vorteil, dass die Orthogonalitäts-Spulenanordnungen mit gegenseitigen Entkopplungssystemen benutzt werden können, um die Isolations-/Entkopplungswerte weiter zu verbessern oder um die Anzahl der Spulenelemente zu erhöhen, die in den Spulen benutzt werden können.
Um die Effektivität der Orthogonalitäts-Spulenanordnungen zu demonstrieren, werden Beispiel-Spulenanordnungen sowohl in Simulation als auch im Experiment betrachtet.
Zum Zweck dieses Beispiels wird vor der Konstruktion einer physischen Anordnung eine kombinierte Momenten-Methode (MoM)/Finite Elemente Methode (FEM) Hybrid-Methode für die Modellierung und Analyse einer 3-Elemente-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung eingesetzt.
Die MoM/FEM Software ist im Handel erhältlich von FEKO (erhältlich von EM Software & Systems-SA (Pty) Ltd of Technopark, Stellenbosch, South Africa; www.feko.info). Der Grund für die Verwendung einer Mom/FEM Hybridmethode ist, dass MoM sehr gut für die Modellierung komplexer Spulenanordnungen geeignet ist, aber nicht ebenso gut für komplizierte biologische Gewebeproben geeignet ist, wegen ihrer Erfordernis entweder komplizierte Green-Funktionen und/oder die Lösung großer nicht vollbesetzter Matrix-Gleichungen zu benutzen, um akkurat die essentiell verlustbehafteten dielektrischen Ladungen zu modellieren, was zeitintensiv ist. Im Blick darauf wir FEM statt der komplexen Green-Funktionen gebraucht, um die dielektrischen Ladungen zu modellieren. Durch die Verwendung von FEM können beliebige inhomogene dielektrische Ladungen einfach modelliert werden. Die Elemente, die in der Diskretisierung des Volumens für die FEM gebraucht werden, erlauben eine akkurate geometrische Wiedergabe von Volumen mit gekrümmten Oberflächen und die Formulierung erlaubt darüber hinaus die Variation in den dielektrischen Eigenschaften von Element zu Element.
Eine beispielhaft modellierte 3-Elemente-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung ist in 4A gezeigt, eine konstruierte Spulenanordnung wird in 5A gezeigt. In diesem Beispiel befindet sich in der Knie-Spulen-Anordnung 405 ein homogenes zylindrisches Phantom 406, mit einem Durchmesser von 140 mm, mit den dielektrischen Eigenschaften σ = 0,6 S/m und ε_r = 48.6, was in etwa menschlichen Gliedmaßen entspricht.
Die drei elliptischen Spulenelemente 402, 403, 404 sind in der jeweiligen diametrischen Ebene der zylindrischen Spulengeometrie 401 angeordnet, mit einem Durchmesser von 160 mm und einer Höhe von 230 mm. Damit sich die Spulenelemente 402, 403, 404 dieser zylindrischen Geometrie 401 anpassen, misst jedes elliptische Spulenelement 402, 403, 404 160 mm auf der schmalen Achse, während die Längsachse etwa 280 mm misst. Die Spulen sind gleichwinklig um die zylindrische Spulengeometrie beabstandet, mit einem azimutalen Winkel von 120° zwischen den nächsten benachbarten Spulen und um 54,7° geneigt, wie bereits vorher diskutiert.
Drei verteilte Kapazitäten sind um das Spulenelement eingefügt, um das Spulenelement so einzustellen, dass die Resonanz bei 85 MHz liegt und es an die Systemimpedanz von 50 Ω anzupassen.
Um zu demonstrieren, dass die Orthogonalitäts 3-Element Knie-Spulen-Anordnung gegenseitige Entkopplung ohne den Gebrauch irgendwelcher gegenseitiger Entkopplungssysteme erreichen kann und auch hohe Isolations-/Entkopplungswerte, wurde zu Vergleichszwecken eine konventionelle 3-Element-Knie-Spulen-Anordnung ebenfalls entworfen und konstruiert. Eine beispielhaft modellierte konventionelle 3-Elemente-Knie-Spulen-Anordnung wird in 4B gezeigt, eine konstruierte Spulenanordnung wird in 6B gezeigt.
Die konventionelle Knie-Spulen-Anordnung 407 verwendet eine entgegengesetzt gewundene Drosselspule (beschrieben in "A Novel 8-Channel Transceive Volume-Array for a 9.4T Animal Scanner" von Ewald Weber, Bing Keong Li, Feng Liu, Yu Li, Peter Ullmann, Hector Sanchez und Stuart Crozier, Proc. of the 16th Annual Meeting of ISMRM, 2008; pp151, und ebenfalls beschrieben in der anhängigen Patentanmeldung AU2007901587 ), um gegenseitige Entkopplung zu erreichen. Die Spulenelemente 408, 409, 410 der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 407 sind bezüglich der diametrischen Ebene der zylindrischen Spulengeometrie 401 ähnlich angeordnet, mit einem Durchmesser von 160 mm und einer Höhe von 230 mm. Jede Spule misst 147 mm in der Weite und 230 mm in der Höhe. Die Spulen 408, 409, 410 sind gleichwinklig beabstandet über den zylindrischen Raum, mit einem azimutalen Winkel zwischen den nächsten benachbarten Spulen von 120° und mit einem homogenen zylindrischen Phantom 406 geladen. Entgegengesetzt gewundene Drosselspulen 411 sind ebenfalls, wie in der anhängigen Patentanmeldung AU2007901587 beschrieben, in jedem Spulenelement 408, 409, 410 angeordnet, um gegenseitige Entkopplung der Spulenelemente zu erreichen.
Wenn sowohl die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 405 als auch die konventionelle Knie-Spulen-Anordnung 407 modelliert sind, wird MoM7FEM verwendet, um zunächst zu überprüfen, ob gegenseitige Kopplungen zwischen den Spulenelementen minimiert wurden. Die wird über die Berechnung der S₁₁, S₂₁ und S₃₁ Antworten verifiziert.
Wie bemerkt kann für die Orthoganalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 405 kein Doppelminimum oder Aufteilung der Resonanzfrequenz, wie beschrieben in US-4825162 , beobachtet werden in den kalkulierten S₁₁, S₂₁ und S₃₁ Antworten. Fachleute werden verstehen, dass ein Aufteilen der Resonanzfrequenz auftaucht, wenn gegenseitige Kopplungen zwischen den Spulenelementen nicht minimiert wurden.
Ähnlich werden die S₁₁, S₂₁ und S₃₁ Antworten für die konventionelle Kniespule berechnet. Es wird jedoch bemerkt, dass bei diesem Vorgang ein Simplex Optimierungsalgorithmus eingeführt wird, um die optimale Zahl der Drehungen zu ermitteln, die jede entgegengesetzt gewickelte Drosselspule 411 haben sollte, so dass keine Aufteilung der Resonanzfrequenz beobachtet werden kann in den kalkulierten S₁₁, S₂₁ und S₃₁ Antworten. Weitere Hinweise, dass die gegenseitigen Kopplungen minimiert wurden werden genauer unten beschrieben.
Nachdem verifiziert wurde, dass sowohl für die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung als auch für die konventionelle Kniespule die Spulenelemente gegenseitig entkoppelt sind, wird als nächstes MoM/FEM angewendet, um die Magnetfelder innerhalb des zylindrischen Phantoms 406 mit einem axial Profil, welches in der Mittelsektion angeordnet ist, zu berechnen. Die kalkulierten magnetischen Felder werden dann benutzt, um die MR-Bilder des zylindrischen Phantoms zu generieren, wie beschrieben in "A Focussed, 8-element Transceive Phased Array Coil for Parallel MRI of the Chest – Theoretical Consideration" by Bing Keong Li, Feng Liu and Stuart Crozier, Magnetic Resonance in Medicine 2005; 53 (6), pp. 1251-1257. In dieser Veröffentlichung wird beschrieben, wie magnetische Felder berechnet werden und wie sie verwendet werden, um MR-Bilder des zylindrischen Phantoms zu generieren.
Die simulierten MR-Bilder werden verwendet für den Vergleich mit den mittels der konstruierten Spulenanordnungen erhaltenen, wie unten genauer beschrieben wird.
Die 3-Element Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 405 kann gegenseitige Entkopplung ohne die Notwendigkeit zusätzlicher gegenseitiger Entkopplungssysteme erreichen und die konventionelle Knie-Spulen-Anordnung 407 kann gegenseitige Entkopplung mittels der entgegengesetzt gewickelten Drosselspulen-Methode erreichen. Beispiele von konstruierten Knie-Spulen-Anordnungen sind in den 5A und 5B gezeigt. Beide Anordnungen 512, 513 wurden in Aufbau und Dimension entsprechend der Modellierung, wie in 4A und 4B gezeigt, konstruiert.
In diesen Beispielen wird ein zylindrischer Schlauch 514 aus Polyvinylchlorid-Material, mit einem Durchmesser von 160 mm und einer Höhe von 270 mm, als Halterung für die Spulenelemente 502, 503, 504, 508, 509, 510 verwendet und auch, damit dielektrische Proben darauf lagern können. Zusätzlich wurde je ein Feinauflösungs-Einstellungssystem 515 und ein Impedanz-anpassendes aktives Entkopplungssystem 516 in jedes Spulenelement 502, 503, 504, 508, 509, 510 eingebaut. Einem Fachmann wird klar sein, dass diese Systeme verwendet werden können, um eine Einstellung der Spulenelemente zu erreichen, so dass sie eine Resonanz bei 85 MHz aufweisen und um die Spulenelemente an die Systemimpedanz von 50 Ω anzupassen, während das aktive Entkopplungssystem die Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 während der Transmission der 90° HF-Pulse (mittels des eingebauten Ganzkörper HF-Systems) in die offene Kreiskonfiguration schalten.
Vor dem Testen der konstruierten Knie-Spulen-Anordnungen 512 und 513 in einem Bruker S200 2T Ganzkörper MRI-System, ausgestattet mit vier Empfangskanälen, wurden beide konstruierte Knie-Spulen-Anordnungen auf der Werkbank auf erfolgreiche gegenseitige Entkopplung getestet, was durch die Betrachtung der gemessenen S-Parameter zwischen den Spulenelementen bestimmt wird. Ein Agilent 2-Kanal HF-Netzwerk-Analysator, Modell Nummer 8712ET wurde verwendet, um die S-Parameter zu messen. Es sollte bemerkt werden, dass die Messung der S-Parameter mit den Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 durchgeführt wurde mit einem homogenen zylindrischen Phantom im inneren.
Die 6A und 6B zeigen die gemessenen S-Parameter für die 3-Element-Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, während die 7A und 7B die gemessenen S-Parameter für die konventionelle 3-Element-Kniespulen-Anordnung 513 zeigen. In den 6A und 7A ist „Spule 1” mit dem Reflexionskanal verbunden, während „Spule 2” mit dem Sendekanal eines Analysators verbunden ist; wogegen in den 6B und 7B „Spule 1” mit dem Reflexionskanal verbunden ist, während „Spule 3” mit dem Sendekanal eines Analysators verbunden ist. Die untenstehende Tabelle 1 zeigt die Spulenkombinationen für jede Messung, die in den 6A, 6B, 7A, 7B gezeigt wird, auf. In jedem Fall bezieht sich die Messung auf beide Knie-Spulen-Anordnungen 512 und 513 bei einem 2T Feld bei 85 MHz und dem Gebrauch von 3 Kanälen. Tabelle 1

Figur Orthogonalitäts Kniespule 512 Figur Konventionelle Kniespule 513

S11 S21 S11 S21

6A Spule 1 Spule 2 7A Spule 1 Spule 2

6B Spule 1 Spule 3 7B Spule 1 Spule 3
Es sollte bemerkt werden, dass keine „Aufteilung” der Resonanzfrequenz in den 6A und 6B sichtbar ist, was darauf hindeutet, dass die gegenseitige Kopplung zwischen den Spulenelementen 502, 503, 504 minimiert ist. Folglich geschieht gegenseitige Entkopplung natürlich ohne die Notwendigkeit irgendwelcher gegenseitiger Entkopplungssysteme. In ähnlicher Weise demonstrieren die 7A und 7B, dass gegenseitige Entkopplung durch die Verwendung der entgegengesetzt gewickelten Drosselspule erreicht werden kann.
Es sollte bemerkt werden, dass beim Vergleich der Isolations-/Entkopplungswerte zwischen diesen beiden verschiedenen Designs der 3-Element-Knie-Spulen-Anordnung, die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 höhere Isolations-/Entkopplungswerte erreichen kann im Vergleich zur konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513, ungefähr –23 dB im Vergleich zu –17 dB. Diese gemessenen S-Parameter geben unterstützende Hinweise darauf, dass der Gebrauch von orthogonalen Spulen höhere Isolations-/Entkopplungswerte erreichen kann.
Nach Sicherstellung, dass beide konstruierten Knie-Spulen-Anordnungen 512 und 513 gegenseitig entkoppelt sind, wurden sie an dem 2T MRI System getestet. Drei vergleichende MRI-Experimente zwischen der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 und der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513 werden nun beschrieben.
Das erste Experiment soll zeigen, dass die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 unveränderlich bezüglich der Richtung des Hauptmagnetfeldes B₀ des MRI-Systems ist und beliebig im MRI-System positioniert werden kann, ohne an Funktionalität zu verlieren. In diesem Experiment wird ein homogenes zylindrisches Phantom, mit den gleichen Dimensionen und dielektrischen Eigenschaften wie beim modellierten zylindrischen Phantom 406, abgebildet. Die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 und die konventionelle Knie-Spulen-Anordnung 513 werden zunächst mit der Geometrieachse 820 positioniert, entsprechend der Achse der zylindrischen Röhre 514, welche an der Richtung des B₀-Feldes ausgerichtet wird, wie in 8A dargestellt.
Unter Verwendung einer „Fast Low Angle Shot” (= FLASH) Bildaufnahmesequenz mit TR = 100 ms, TE = 9,1 ms und NEX = 1 werden 3 axiale Schichtbilder, welche in der Mittelsektion des zylindrischen Phantoms angeordnet sind, von jedem Spulenelement der zwei konstruierten Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 parallel zueinander aufgenommen. Die parallel empfangenen MR-Bilder werden danach unter Verwendung einer Quadratsummenmethode kombiniert, wodurch ein zusammengesetztes Bild des zylindrischen Phantoms gebildet wird. 8B zeigt das aufgenommene MR-Bild des zylindrischen Phantoms unter Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, während 8C das MR-Bild zeigt, das unter Verwendung der konventionellen Kniespulen-Anordnung 513 aufgenommen wurde. In den 8D und 8E sind die simulierten MR-Bilder der modellierten zylindrischen Phantome gezeigt. Es ist erkennbar, dass die simulierten MR-Bilder sehr akkurate Ergebnisse ähnlich den experimentell gemessenen Bildern zur Verfügung stellen.
Es sollte bemerkt werden, dass, nach wichtiger, die gemessenen MR-Bilder unter Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 einen hohen Level an Homogenität aufweisen, ähnlich der MR-Bilder in 8C, aufgenommen unter Verwendung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513. Dies ist ein Hinweis, dass, obwohl die Spulenelemente 502, 503, 504 der Orthogonalitäts-Kniespulen-Anordnung 512 so arrangiert sind, dass sie den zylindrischen Raum, der durch die Röhre 514 definiert wird, umlaufen und um einen Winkel relativ zum B0-Feld, und somit der Probe, gekippt sind, sie keinerlei Herabstufungen erfahren in Bezug auf Effizienz und Funktionalität im Vergleich zu den konventionellen Techniken, die Oberflächenspulen verwenden, die leitende Oberflächen haben, die während der Bildaufnahme flach zur Probe ausgerichtet sind, wie im Fall der Spulenelemente 508, 509, 510, die Verwendung in der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513 finden.
Zusätzlich betragen die gemessenen SNRs aus den 8B und 8C etwa 75,871 für die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 und 72,585 für die konventionelle Knie-Spulen-Anordnung 513, was darauf hindeutet, dass die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 höhere SNR zur Verfügung stellen kann.
Nach diesem Experiment werden zwei zusätzliche MR-Bildaufnahmeprozesse unter der Verwendung des zylindrischen Phantoms durchgeführt. Zuerst werden die konstruierten Kniespulen 512, 513 und das zylindrische Phantom in einem Winkel von 30° zur Richtung des B₀-Feldes mit der Geometrieachse 520 ausgerichtet, wie in 9A gezeigt. Zweitens werden die konstruierten Kniespulen 512, 513 und das zylindrische Phantom in einem Winkel von 90° zur Richtung des B₀-Feldes mit der Geometrieachse 520 ausgerichtet, wie in 9B gezeigt. FLASH Bildaufnahmesequenzen mit den gleichen Bildaufnahme-Parametern wie oben schon beschrieben werden verwendet, um MR-Bilder des zylindrischen Phantoms in diesen zwei verschiedenen Positionen aufzunehmen.
Die 9C und 9D zeigen die aufgenommenen koronalen und axialen Schichtbilder des zylindrischen Phantoms unter Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, während die 9E und 9F die entsprechenden aufgenommenen Schichtbilder des zylindrischen Phantoms unter Verwendung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513 sind. Beim Vergleich der 9C und 9E, bei dem 30° Winkel, ist erkennbar, dass das MR-Bild der 9E, aufgenommen unter Verwendung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513, die Homogenität nicht aufrecht erhalten kann. Im Gegensatz dazu kann das MR-Bild der 9C, aufgenommen unter Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, auch in dieser Position hohe Homogenität aufweisen. Dies wird weiter verdeutlicht durch die gemessenen SNRs dieser zwei MR-Bilder, die 75,122 für die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 und 61,446 für die konventionelle Knie-Spulen-Anordnung 513 betragen.
Für das Experiment mit den konstruierten Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 auf der Position 90°, unter Vergleich der 9D und 9F, wird deutlich, dass das MR-Bild der 9F, aufgenommen unter Verwendung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513, nicht normal funktioniert hat. Ein bogenförmiger dunkler Bereich in der unteren Hälfte des Bildes verzerrt das Bild. Das MR-Bild der 9D, aufgenommen unter Verwendung der Orthoganalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, zeigt jedoch, dass hohe Homogenität noch immer erreichbar ist. Außerdem sind die gemessenen SNRs dieser beiden MR-Bilder 60,774 bei Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 und 31,709 bei Verwendung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513.
Von diesen beiden experimentellen Ergebnissen sollte bemerkt werden, dass die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 Invarianz bezüglich der Richtung des B₀-Feldes demonstriert hat. Sie kann beliebig im MRI-System positioniert werden und erleidet keinerlei Verluste bezüglich Effizienz und Funktionalität. Es ist ebenso wichtig zu bemerken, dass bei dem Experiment, bei dem die Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 senkrecht (90°) zur Richtung des B₀-Feldes positioniert waren, das Szenario nachgestellt werden sollte, bei dem die Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 in einem MRI-System mit offenem Magneten verwendet werden. Die gemessenen SNRs bei Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 zeigen eine Konstanz, unabhängig wie sie im Verhältnis zur Richtung des Hauptmagnetfeldes B₀ positioniert wird, folglich liefert dies weitere Hinweise darauf, dass die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung entsprechend in allen derzeitigen MRI-Systemen verwendet werden kann.
Die MRI Experimente mit dem zylindrischen Phantom zeigen deutlich die Vorteile der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung. Um die Vorteile weiter zu demonstrieren, werden nun weitere Tests an menschlichen Aufnahmen beschrieben. In diesem Beispiel, wurden Aufnahmen des linken Knies einer freiwilligen, gesunden männlichen Person mit einvernehmlichem Einverständnis unternommen. Das linke Knie des gesunden männlichen Freiwilligen wurde unter Verwendung beider Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 aufgenommen.
Die 10A und 10B zeigen koronale und sagittale Schichtbilder des linken Knies, aufgenommen unter Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, während die 10C und 10D die entsprechenden Bilder aufgenommen unter Verwendung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513 zeigen. Beim Vergleich dieser Bilder muss wiederum bemerkt werden, dass die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 MR-Bilder von höherer Qualität aufnimmt als im Vergleich die konventionelle Knie-Spulen-Anordnung 513, was weiter stützt, dass das Vorliegen von Spulenelementen, die um die zylindrische Spulengeometrie herumgeführt sind und um einen Winkel gekippt sind, wie oben beschrieben, keinerlei Verluste an Effizienz und Funktionalität der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 verursacht. Es sollte bemerkt werden, dass keine Entkopplungssysteme notwendig sind bei der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, um diese hochqualitativen MR-Bilder aufzunehmen. Folglich können Spulenanordnungs-Design mit orthogonalen Spulen wesentlich vereinfacht werden und erlauben darüber hinaus einfache Modifikationen der Spulenanordnungen, so dass sie entweder im Nur-Sende-, Nur-Empfangs- oder Sende-/Empfangs-Modus betrieben werden können.
In einem dritten Experiment wird der Vorteil der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 in Magic Angle MRI Anwendungen untersucht. In MRI ist es gut bekannt, dass das Magic Angle Phänomen die Signalintensität von Kollagen-Bändern verstärken kann, wenn sie im „magischen Winkel” von 54,74° (üblicherweise gerundet auf 55°) zum B₀-Feld platziert werden. In der Praxis werden, um eine Magic Angle Anwendung durchzuführen, die Probe, die aufgenommen werden soll, und die HF-Spule im „magischen Winkel” positioniert. In den früheren Experimenten an dem zylindrischen Phantom hat sich jedoch gezeigt, dass bei Verwendung der konventionellen HF Spule ein Verlust an SNR unvermeidlich ist, wenn diese von der Richtung des B₀-Feldes weg positioniert werden. Dies ist jedoch nicht der Fall für die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, die wie oben beschrieben entwickelt wurde. Daher wird davon ausgegangen, dass die Verwendung der oben beschriebenen Spulenanordnungen weitere Vorteile in Magic Angle Anwendungen haben kann.
Um dies zu demonstrieren, wurden Magic Angle MRI-Experimente an einem Knie eines erwachsenen Schweins unter Verwendung beider Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 positioniert bei 40°, 55°, 60° und 70° relativ zum B₀-Feld durchgeführt. MR-Bilder des Schweineknies, aufgenommen unter diesen verschiedenen Winkeln, unter Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, werden in 11A gezeigt, während 11B die Bilder unter Verwendung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513 zeigt.
Das patellare Ligament, welches mit der weißen Linie 1117 umkreist ist, wird herangezogen um das Phänomen des magischen Winkels (= „magic angle”) zu erläutern. Beim Vergleich der vier Bilder von 11A kann man sehen, das das bei 55° aufgenommene patellare Ligament 1117 leuchtender erscheint als die bei 40°, 60° und 70° aufgenommenen. Dieser Effekt wird auch deutlich in den vier Bildern der 11B. Um das Phänomen des magischen Winkels noch besser darzustellen, ist die Signal-Intensität des patellaren Ligaments 1117 an diesen Positionen gemessen und aufgetragen, wie in 12 gezeigt. Bei der Durchsicht der grafischen Darstellung der Signal-Intensität in 12 kann man sehen, dass die Signalintensität des patellaren Ligaments 1117 beginnend mit der Position bei 40° graduell ansteigt, bei 55°, welches der magische Winkel ist, ihren Höhepunkt erreicht und im Folgenden wieder abfällt, wenn jenseits des magischen Winkels positioniert wird. Diesen Effekt des magischen Winkels kann man sehen, wenn man beide Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 benutzt. Beim Vergleich der gemessenen Signal-Intensitäten von beiden Knie-Spulen-Anordnungen 512, 513 wird man bemerken, dass die Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 mit höheren Signal-Intensitäten aufwarten kann. Die gemessene Signal-Intensität beim magischen Winkel von 55° unter Benutzung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512 beträgt 2.3e5, während sie bei Benutzung der konventionellen Knie-Spulen-Anordnung 513 1.53e5 beträgt. Eine Verbesserung von 53.33% kann erreicht werden durch die Verwendung der Orthogonalitäts-Knie-Spulen-Anordnung 512, die wie oben beschrieben gestaltet ist. Dies ist ein Anzeichen dafür, dass der oben beschriebene Gestaltungs-Prozess und die resultierenden Orthogonalitäts-Spulen-Anordnungen somit den zusätzlichen Nutzen einer Verbesserung von MRI-Anwendungen beim magischen Winkel erbringen kann, wobei die MR Bilder von Collagen-Fasern aufgebessert werden.
Die oben beschriebenen Beispiele konzentrieren sich auf eine Spulen-Geometrie, die zu einem zylindrischen Raum passt. Freilich können die Techniken angemessen auch auf die Gestaltung von anderen Formen angewendet werden, insbesondere auf andere Formen, die so gestaltet sind, dass sie der Form eines Teiles des abzubildenden Messobjektes entsprechen. Spezielle Beispiele hierfür werden im Folgenden beschrieben.
Im Beispiel von 13A wird die oben beschriebene Technik zur Gestaltung einer Orthogonal-Spule angewendet auf die Gestaltung einer 3-Element-Brust-Spulenanordnung basierend auf einem halb-sphärischen Raum 1301, der dafür benutzt werden kann, um die Brust während der Bildaufnahme darauf ruhen zu lassen. In diesem Beispiel sind drei Spulen-Elemente 1302, 1303 und 1304 jeweils um 120° azimutal versetzt angeordnet und um einen Winkel von 54.74° in Bezug auf eine XY-Ebene gekippt. Im Ergebnis sind die drei Spulen-Elemente 1302, 1303 und 1304 orthogonal zueinander und es wird nur eine minimale gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen-Elementen stattfinden, wie weiter oben erklärt wurde.
Da die Orthogonalitäts-Spulen-Anordnungen invariant gegen die Richtung des angelegten B₀-Feldes sind, kann die Gestaltung der halbkugeligen Spulen-Anordnung auch verwendet werden, um ein Spulenanordnungssystem für intravenöse MRI Anwendungen ohne Führung zu gestalten, wo eine Kontrolle der Position des Spulenanordnungssystems nicht möglich ist. Ein Beispiel dafür ist in 13B gezeigt, in welcher eine 3-Element-Spulenanordnung 1310 auf einem hemisphärischen Abschnitt 1311 einer Sonde 1312 vorgesehen ist.
Eine weitere Ergänzung zu dieser Anordnung ist in 13C gezeigt, in der ein zusätzliches 3-Element System 1320 auf einem zylindrischen Teil 1321 der Sonde 1312 vorgesehen ist. Es wird vermerkt, dass irgendeine Art von gegenseitiger Entkopplungsmaßnahme erforderlich sein wird, um diese zwei separaten Spulen-Systeme 1310, 1320 zu entkoppeln und eine mögliche Entkopplungsmaßnahme, die angewendet werden kann, ist eine Überlappungs-Methode wie dargestellt.
Zusätzlich sei angemerkt, dass Spulenanordnungen, deren Gestaltung oben beschrieben ist, für Mehr-Kern-MR-Bildgebung leicht modifiziert werden können aufgrund des Vorteils, dass die Modifikation irgendeiner für Mehr-Kern-MR-Bildgebung gestalteten Spulenanordnung aufgrund der Tatsache, dass die gegenseitige Entkopplung natürlicherweise von selbst auftritt, einfach eine Angelegenheit des simplen Re-Tunings und Re-Matchings jedes Spulen-Elements auf Resonanz bei den Larmor-Frequenzen der unterschiedlichen interessierenden Kerne sein wird.
Entsprechend illustrieren die oben beschriebenen Beispiele, wie Spulen-Orthogonalität erreicht werden kann, die dann in verbesserten Bildgebungseigenschaften resultiert. In einem Beispiel wird dies dadurch erreicht, dass die Spulen werden um einen Winkel bezüglich der Spulen-Geometrie-Achse gekippt, so dass die Spulen im Betrieb ungefähr um 54.74° gegenüber dem B₀-Bildgebungs-Feld gekippt sind. Dies erlaubt in effektiver Weise das inhärente Auftreten einer gegenseitigen Entkopplung als ein Ergebnis der Spulenanordnung als solche, und es ist keine explizite Maßnahme zur gegenseitigen Entkopplung erforderlich. Man wird bemerken, dass durch das Erreichen von Orthogonalität zwischen den Spulenelementen ein hoher Grad an Isolation/Entkopplung erlangt werden kann.
Die oben beschriebenen Techniken sind nicht nur auf zylindrische Strukturen beschränkt, sondern können auch auf eine Fülle von unterschiedlichen Geometrien angewandt werden. Folglich gibt es – abhängig von den Anwendungen und wobei die Vorteile dringend benötigt werden – keine bindenden Randbedingungen im Hinblick auf konformale Strukturen, auf welch die oben beschriebenen Techniken angewendet werden können.
Man wird bemerken, dass in dem oben geschilderten Beispiel ein nur-Empfangs-Spulenanordnungssystem beschrieben ist. Die Techniken sind jedoch nicht auf ein solches System beschränkt, sondern können – ohne jegliche Begrenzungen – auch auf die Gestaltung von nur-Sende- und Transceive-Spulenanordnungssysteme angewandt werden.
Man wird weiter bemerken, dass die orthogonalen Spulen-Anordnungen invariant gegen die Richtung des angelegten Bildgebungs-B₀-Feldes sind und als solche ohne Beschränkungen mit allen beliebigen MRI-Systemen mit horizontaler oder vertikaler Bohrung oder mit offenen MRI-Systemen benutzt werden können.
Weiter sei hervorgehoben, dass die orthogonalen Spulen-Anordnungen invariant gegen die Richtung des angelegten Bildgebungs-B₀-Feldes sind und daher im Lichte des Phänomens des magischen Winkels MR-Bilder von Collagen-Fasern verbessern können.
Des Weiteren sei darauf hingewiesen, dass die orthogonalen Spulen-Anordnungen invariant gegen die Richtung des angelegten Bildgebungs-B₀-Feldes sind und daher die Spulenanordnung ohne jegliche Beschränkungen bei intravenösen MRI Anwendungen ohne Führung benutzt werden können.
Weiterhin wird man erkennen, dass die beschriebenen Ausführungsformen von einem Knie-Spulenanordnungssystem Gebrauch machen, wobei jedoch die Spulenanordnungen nicht nur auf MR Bildgebung beim Menschen beschränkt sind, sondern – ohne jegliche Beschränkungen – auch bei der MR Bildgebung am Tier und bei MR Spektroskopie Anwendungen eingesetzt werden können.
Außerdem wird man zur Kenntnis nehmen, dass ein Spulenanordnungssystem, welches mit den oben beschriebenen Techniken gestaltet wurde, ohne jegliche Beschränkungen auch für Mehr-Kern MRI-Anwendungen eingesetzt werden kann.
Schließlich sei erwähnt, dass die oben beschriebenen Spulenanordnungen die Anwendungen von paralleler Bildgebung und beschleunigter räumlich selektiver Anregung ergänzen werden.
Über die gesamte Beschreibung war es das Ziel, die Erfindung darzustellen ohne sie zu beschränken auf irgendeine besondere Kombination von wechselnden Merkmalen oder irgendwelche speziellen Anwendungen, wo sie verwirklicht werden kann. Fachleute auf dem vorliegenden Gebiet werden es daher zu schätzen wissen, dass zahlreiche Variationen und Modifikationen offenbar werden. Alle derartigen Variationen und Modifikationen, die Fachleuten auf dem vorliegenden Gebiet offenbar werden, sollen angesehen werden als unter den Geist und den Schutzbereich dessen fallend, was die oben breit beschriebene Erfindung aufzeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4825162 [0006, 0008, 0093]
WO 2006094354 [0006]
US 7091721 [0008]
AU 2007901587 [0091, 0091]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Transmit SENSE” [Katscher et al, Magn Reson Med 49 (1) pg 144–150, 2003] [0006]
„A Novel 8-Channel Transceive Volume-Array for a 9.4T Animal Scanner” von Ewald Weber, Bing Keong Li, Feng Liu, Yu Li, Peter Ullmann, Hector Sanchez und Stuart Crozier, Proc. of the Annual Meeting of ISMRM, 2008; pp151 [0008]
”A Novel 8-Channel Transceive Volume-Array for a 9.4T Animal Scanner” von Ewald Weber, Bing Keong Li, Feng Liu, Yu Li, Peter Ullmann, Hector Sanchez und Stuart Crozier, Proc. of the 16th Annual Meeting of ISMRM, 2008; pp151 [0091]
”A Focussed, 8-element Transceive Phased Array Coil for Parallel MRI of the Chest – Theoretical Consideration” by Bing Keong Li, Feng Liu and Stuart Crozier, Magnetic Resonance in Medicine 2005; 53 (6), pp. 1251-1257 [0095]

Claims

Eine Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanzsystem, wobei das bildgebende System zur Erzeugung eines magnetischen Bildgebungsfeldes in einer Bildgebungsregion dient, wobei die Spulenanordnung mindestens drei Spulen umfasst, von denen mindestens eine zum Senden, zum Empfangen oder zum Senden und Empfangen eines elektromagnetischen Feldes dient, und wobei jede Spule auf einer Spulengeometrie vorgesehen und im Wesentlichen orthogonal ist.
Eine Spulenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Spulenanordnung einen Spulenträger zum Tragen der Spulen umfasst und wobei der Spulenträger eine Oberflächenform entsprechend der Spulengeometrie aufweist.
Eine Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Spulengeometrie entsprechend der durchzuführenden Bildgebung bestimmt wird.
Eine Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Spulengeometrie an die Form mindestens eines Gegenstands angepasst ist, für welchen eine Bildgebung erfolgen soll.
Eine Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Spulengeometrie rotationssymmetrisch um eine Achse der Spulengeometrie ist.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Spulen elliptisch sind.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede der Spulen zu einer zugehörigen Ebene von drei orthogonalen Ebenen ausgerichtet ist.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Spulen mit Abstand in Umfangsrichtung um die Achse der Spulengeometrie angeordnet sind.
Eine Spulenanordnung nach Anspruch 8, wobei die Spulen azimutal um 120° beabstandet sind.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Spulen unter einem Winkel zur Achse der Spulengeometrie ausgerichtet sind.
Eine Spulenanordnung nach Anspruch 10, wobei die Spulen unter einem Winkel von etwa 35,3° zur Achse der Spulengeometrie ausgerichtet sind.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Spulengeometrie sphärisch oder hemisphärisch oder zylindrisch oder konisch oder ellipsoid ist.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 12, wobei jede Spule an einer Schnittstelle zwischen der Spulengeometrie und den orthogonalen Ebenen vorgesehen ist.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Spulenanordnung eine Vorrichtung zur gegenseitigen Entkopplung für eine gegenseitige Entkopplung der Spulen aufweist.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Spulen im Betrieb unter einem Winkelversatz zu einer zu einer Bildgebungsfeldrichtung ausgerichtet sind.
Eine Spulenanordnung nach Anspruch 15, wobei die Spulen im Betrieb unter einem Winkel von ungefähr 54,7° zu einer zu einer Bildgebungsfeldrichtung ausgerichtet sind.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Spulen derart angeordnet sind, dass eine gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen vermindert wird.
Eine Spulenanordnung nach einem der der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Spulenanordnung für die Verwendung bei der Bildgebung durch Modulieren/Kodieren eines gesendeten oder empfangenen elektromagnetischen Feldes bestimmt ist.
Eine Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanzsystem, wobei das bildgebende System zur Erzeugung eines magnetischen Bildgebungsfeldes in einer Bildgebungsregion dient, wobei die Spulenanordnung umfasst: a) einen Spulenträger; und b) mindestens drei Spulen von denen mindestens eine zum Senden, zum Empfangen oder zum Senden und Empfangen eines elektromagnetischen Feldes dient, wobei die Spulen vom Spulenträger getragen werden und im Wesentlichen orthogonal sind.
Eine Spulenanordnung nach Anspruch 19, wobei der Spulenträger eine Oberflächenform entsprechend der Spulengeometrie aufweist.
Ein Verfahren zur Bestimmung einer Spulenanordnung zur Verwendung in einem bildgebenden Magnetresonanzsystem, wobei das bildgebende System zur Erzeugung eines magnetischen Bildgebungsfeldes in einer Bildgebungsregion dient, umfassend folgende Schritte: a) Bestimmung einer Spulengeometrie; b) Anordnen von drei orthogonalen Ebenen derart, dass jede der Ebenen die Spulengeometrie schneidet; c) Bestimmung einer Spulenanordnung für jede der drei Spulen in Übereinstimmung mit der Überschneidung einer entsprechenden Ebene mit der Spulengeometrie.
Ein Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Verfahren die Bestimmung der Spulengeometrie in Übereinstimmung mit einer Form mindestens eines Teiles eines Gegenstands, für welchen eine Bildgebung erfolgen soll, umfasst.
Ein Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Spulengeometrie angepasst ist an eine Form mindestens eines Teiles eines Gegenstands, für welchen eine Bildgebung erfolgen soll
Ein Verfahren nach eine der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Spulengeometrie a) sphärisch oder b) hemisphärisch oder c) zylindrisch oder d) konisch oder e) ellipsoid ist.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die Spulengeometrie rotationssymmetrisch um eine Achse der Spulengeometrie ist.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei das Verfahren ein Anordnen der Ebenen derart umfasst, dass die Spulen elliptisch sind.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei das Verfahren ein Anordnen der Ebenen derart umfasst, dass die Spulen mit Abstand in Umfangsrichtung um die Achse der Spulengeometrie angeordnet sind.
Ein Verfahren nach Anspruch 27, wobei das Verfahren ein Anordnen der Ebenen derart umfasst, dass die Spulen azimutal um 120° beabstandet sind.
Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei das Verfahren ein Anordnen der Ebenen unter einem Winkel zur Achse der Spulengeometrie umfasst.
Ein Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Ebenen unter einem Winkel von ungefähr 35,3° zur Achse der Spulengeometrie angeordnet werden.