DE102008019862B4 - Magnetic resonance apparatus and method for operating a magnetic resonance apparatus - Google Patents
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Abstract
Magnetresonanzgerät mit einem Gehäuse (1), das Magnetspulen zur Erzeugung der für eine Magnetresonanzbildung benötigten Magnetfelder und eine Öffnung (2) zur Aufnahme wenigstens eines Teils des Körpers eines Patienten (3) aufweist, mit einer Detektions- und Auswertungseinrichtung zur bildgebenden Wiedergabe und mit einer Radarsende- und -empfangseinrichtung (5, 6) zur Erfassung einer Bewegung in einem zu untersuchenden Teil (8, 9) des Körpers (3) während der Magnetresonanz-Bildgebung, dadurch gekennzeichnet, dass die Radarsende- und -empfangseinrichtung (5, 6) innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, dass von der Radarsende- und -empfangseinrichtung (5, 6) ausgesandte ultrabreitbandige Radarsignale in Form von kurzen Radarimpulsen auf den zu untersuchenden Teil (8, 9) des Körpers (3) gerichtet sind und dass in der Radarsende- und -empfangseinrichtung (5, 6) eine Auswertungseinrichtung Impulse dadurch generiert, dass die ausgesandten Radarimpulse mit von einem reflektierenden Gewebeübergang in dem zu untersuchenden Teil (8, 9) des Körpers (3) reflektierten Radarsignalen durch eine Autokorrelationsfunktion oder Kreuzkorrelationsfunktion verglichen werden und dass eine...Magnetic resonance device with a housing (1), which has magnetic coils for generating the magnetic fields required for magnetic resonance formation and an opening (2) for receiving at least part of the body of a patient (3), with a detection and evaluation device for imaging reproduction and with Radar transmitting and receiving device (5, 6) for detecting a movement in a part (8, 9) of the body (3) to be examined during magnetic resonance imaging, characterized in that the radar transmitting and receiving device (5, 6) is arranged within the housing that ultra-wideband radar signals emitted by the radar transmission and reception device (5, 6) are directed in the form of short radar pulses onto the part (8, 9) of the body (3) to be examined and that in the radar transmission and receiving device (5, 6) an evaluation device generates pulses by the radar pulses emitted by a reflecting Ge weave transition in the part (8, 9) of the body (3) to be examined reflected radar signals are compared by an autocorrelation function or cross-correlation function and that a ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät mit einem Gehäuse, das Magnetspulen zur Erzeugung der für eine Magnetresonanzbildung benötigten Magnetfelder und eine Öffnung zur Aufnahme wenigstens eines Teils des Körpers eines Patienten aufweist, mit einer Detektions- und Auswertungseinrichtung zur bildgebenden Wiedergabe und mit einer Radarsende- und -empfangseinrichtung zur Erfassung einer Bewegung in einem zu untersuchenden Teil des Körpers während der Magnetresonanz-Bildgebung.The invention relates to a magnetic resonance apparatus having a housing which has magnetic coils for generating the magnetic fields required for magnetic resonance imaging and an opening for receiving at least a part of the body of a patient, with a detection and evaluation device for imaging and with a Radarsende- and -empfangseinrichtung for detecting movement in a part of the body to be examined during magnetic resonance imaging.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts, mit dem eine Magnetresonanz-Bilderfassung eines zu untersuchenden Teils des Körpers eines Patienten vorgenommen wird, wobei während der Magnetresonanz-Bildgebung mit einer Radarsende- und -empfangseinrichtung die Bewegung in einem zu untersuchenden Teil des Körpers erfasst wird.The invention further relates to a method for operating a magnetic resonance apparatus, with which a magnetic resonance imaging of a part of the body to be examined of a patient is performed, wherein during the magnetic resonance imaging with a Radarsend- and -empfangseinrichtung the movement in a part of the body to be examined is detected.
Magnetresonanzgeräte dieser Art werden seit längerer Zeit zur nichtinvasiven medizinischen Diagnostik mit nicht ionisierender Strahlung eingesetzt. Die Bildgebung mit Magnetresonanzgeräten, insbesondere Magnetresonanztomographen (Kernspintomographen), ermöglicht die Erkennung von Krankheitsherden, die mit anderen bildgebenden Verfahren, beispielsweise der Röntgendiagnostik, nicht erfassbar sind. Insbesondere ist es möglich, Diagnosen in Weichgeweben, beispielsweise im Gehirn oder in Drüsengeweben, krankhafte Veränderungen, insbesondere Tumore, festzustellen.Magnetic resonance devices of this type have long been used for non-invasive medical diagnostics with non-ionizing radiation. The imaging with magnetic resonance devices, in particular magnetic resonance tomographs (magnetic resonance tomographs), allows the detection of disease foci, which are not detectable with other imaging methods, for example X-ray diagnostics. In particular, it is possible to establish diagnoses in soft tissues, for example in the brain or in glandular tissues, pathological changes, in particular tumors.
Die bildgebende Wiedergabe von Körperschnitten mittels der Magnetresonanztomographie erfordert üblicherweise eine Ruhestellung des Patienten während der Aufnahme.The imaging reproduction of body sections by means of magnetic resonance tomography usually requires a resting position of the patient during the recording.
Grundsätzlich könnte erwogen werden, auch dynamische Vorgänge am menschlichen Körper abzubilden. Insbesondere wäre es wünschenswert, eine hochauflösende Magnetresonanz-Bildgebung des menschlichen Herzens zu ermöglichen. Eine hochauflösende Darstellung der Koronararterien mittels einer Magnetresonanz-Bildgebung könnte eine Reihe von Problemen der konventionellen kontrastmittelgestützten Röntgenbildgebung während einer Katheteruntersuchung (Koronarangiographie) vermeiden, insbesondere die Strahlenbelastung und das Mortalitätsrisiko während des Eingriffs. Darüber hinaus könnte die Magnetresonanz-Bildgebung als alternative Bildgebungsmethode bei der Applikation von Herzkathetern eingesetzt werden, um beispielsweise Biopsien aus dem Herzmuskel zu ermöglichen, Stents zu setzen oder andere minimalinvasive Eingriffe am Herzen durchzuführen.In principle, consideration could also be given to mapping dynamic processes on the human body. In particular, it would be desirable to enable high-resolution magnetic resonance imaging of the human heart. High-resolution imaging of the coronary arteries using magnetic resonance imaging could avoid a number of problems with conventional contrast-enhanced X-ray imaging during catheterization (coronary angiography), particularly radiation exposure and mortality risk during surgery. In addition, magnetic resonance imaging could be used as an alternative imaging method in the application of cardiac catheters, for example, to allow biopsies from the heart muscle to set stents or perform other minimally invasive procedures on the heart.
Für eine Herzuntersuchung mittels der Magnetresonanz-Bildgebung besteht das grundsätzliche Problem, dass sich einerseits das Herz aufgrund der Herztätigkeit bewegt und andererseits der Patient während der Untersuchung Atembewegungen durchführt. Insbesondere durch die Atembewegung kommt es zu Bewegungsartefakten, die die Auswertung des Magnetresonanzbildes stören bzw. unmöglich machen. Es ist daher üblich, die Aufnahmen für die Magnetresonanz-Bildgebung bei angehaltenem Atem des Patienten vorzunehmen, um die Atembewegung zu eliminieren. Für die Darstellung der Koronararterien ist dieses Verfahren jedoch nicht anwendbar, da die Bilddatenaufnahme mehrere Minuten dauern kann, während der Durchschnittspatient nur für Bruchteile von Minuten den Atem anhalten kann.For a cardiac examination by means of magnetic resonance imaging, there is the fundamental problem that, on the one hand, the heart is moving due to the activity of the heart and, on the other hand, the patient is carrying out breathing movements during the examination. Movement artifacts in particular, which disturb the evaluation of the magnetic resonance image or make it impossible, occur in particular due to the respiratory movement. It is therefore customary to take the images for magnetic resonance imaging while the patient is holding his breath in order to eliminate the respiratory movement. However, this method is not applicable to imaging the coronary arteries because image data acquisition can take several minutes, while the average patient can only hold his breath for a fraction of a minute.
Um die Bewegungsartefakte durch die Herztätigkeit selbst zu unterbinden, werden die Magnetresonanz-Bilddatenerfassungen durch EKG-Signale (Elektrokardiogramm-Signale) getriggert aufgenommen. Diese Navigationstechnik für die Magnetresonanz-Bildgebung des Herzens ist nicht sehr präzise und bringt darüber hinaus den Nachteil mit sich, dass die EKG-Elektroden in Verbindung mit den vom Magnetresonanzsystem applizierten Hochfrequenzimpulsen eine Verbrennungsgefahr und mit dem geschalteten Gradientenfeldern aufgrund einer Nervenstimulation ein Sicherheitsrisiko darstellen.In order to prevent the movement artifacts by the heart activity itself, the magnetic resonance image data acquisitions are triggered triggered by ECG signals (electrocardiogram signals). This navigation technique for magnetic resonance imaging of the heart is not very precise and moreover has the disadvantage that the ECG electrodes in conjunction with the RF pulses applied by the magnetic resonance system represent a risk of burns and with the switched gradient fields due to nerve stimulation a safety risk.
In dem Aufsatz „Wearable System-on-a-Chip Pulse Radar Sensors for Health Care: System Overview” der Autoren Zito et al. ist es bekannt, ein tragbares Messgerät mit einem Ultrabreitband-Radarsender auszustatten, der auf die Herzwand oder die Brustwand gerichtet wird, um in Echtzeit die Pulsfrequenz und die Atemfrequenz zu detektieren. Die Auswertung der Signale erfolgt durch eine Kreuzkorrelation des ausgesandten Impulses mit dem empfangenen Impuls. Das System dient der Langzeitüberwachung von Patienten. Eine Steuerung von anderen Geräten ist hierbei nicht vorgesehen.In the article "Wearable System-on-a-Chip Pulse Radar Sensors for Health Care: System Overview" by the authors Zito et al. It is known to provide a portable meter with an ultra wide band radar transmitter which is aimed at the heart wall or chest wall to detect in real time the pulse rate and respiratory rate. The evaluation of the signals is carried out by cross-correlation of the emitted pulse with the received pulse. The system serves the Long-term monitoring of patients. A control of other devices is not provided here.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetresonanzgerät so auszubilden und zu betreiben, das Bewegungsartefakte vermieden oder korrigiert werden können und eine Steuerung des Magnetresonanzgeräts mit einer hohen Genauigkeit möglich ist.The object of the present invention is to design and operate a magnetic resonance apparatus such that motion artifacts can be avoided or corrected and control of the magnetic resonance apparatus with high accuracy is possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Magnetresonanzgerät der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Radarsende- und -empfangseinrichtung innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, dass von der Radarsende- und -empfangseinrichtung ausgesandte ultrabreitbandige Radarsignale in Form von kurzen Radarimpulsen auf den zu untersuchenden Teil des Körpers gerichtet sind und dass in der Radarsende- und -empfangseinrichtung eine Auswertungseinrichtung Impulse dadurch generiert, dass die ausgesandten Radarimpulse mit von einem reflektierenden Gewebeübergang in dem zu untersuchenden Teil des Körpers reflektierten Radarsignalen durch eine Autokorrelationsfunktion oder Kreuzkorrelationsfunktion verglichen werden und dass eine mittlere Laufzeit (τ1, τ2) für den reflektierten Impuls so eingestellt wird, dass sich die mittlere Laufzeit (τ1, τ2) immer auf einer Flanke des in der Auswertungseinrichtung gebildeten Impulses befindet, wodurch eine gemessene Amplitude zu einem Zeitpunkt (τ1, τ2) als Messwert für die Bestimmung der Position dient, um nur in einer gleichen Position des reflektierenden Gewebeübergangs in dem zu untersuchenden Teil des Körpers erfasste Magnetresonanzbilder zu verwerten.To achieve this object, a magnetic resonance apparatus of the type mentioned above is characterized in that the Radarsende- and -empfangseinrichtung is disposed within the housing that radiated from the radar transmitter and receiver ultra-wideband radar signals in the form of short radar pulses on the part to be examined Body are directed and that in the Radarsende- and -empfangseinrichtung an evaluation device pulses generated by the fact that the emitted radar pulses are compared with reflected by a reflective tissue transition in the part of the body to be examined radar signals by an autocorrelation function or cross-correlation function and that a mean time (τ 1 , τ 2 ) is adjusted for the reflected pulse so that the average transit time (τ 1 , τ 2 ) is always on one edge of the pulse formed in the evaluation device, whereby a measured amp Litude at a time (τ 1 , τ 2 ) is used as a measurement for the determination of the position, to utilize only in a same position of the reflective tissue junction in the part of the body to be examined detected magnetic resonance images.
Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die Radarsende- und -empfangseinrichtung innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, dass von der Radarsende- und -empfangseinrichtung ausgesandte ultrabreitbandige Radarsignale in Form von kurzen Radarimpulsen auf den zu untersuchenden Teil des Körpers gerichtet sind und dass in der Radarsende- und -empfangseinrichtung eine Auswertungseinrichtung Impulse dadurch generiert, dass die ausgesandten Radarimpulse mit von einem reflektierenden Gewebeübergang in dem zu untersuchenden Teil des Körpers reflektierten Radarsignalen durch eine Autokorrelationsfunktion oder Kreuzkorrelationsfunktion verglichen werden und dass eine mittlere Laufzeit (τ1, τ2) für den reflektierten Impuls so eingestellt wird, dass sich die mittlere Laufzeit (τ1, τ2) immer auf einer Flanke des in der Auswertungseinrichtung gebildeten Impulses befindet, wodurch eine gemessene Amplitude zu einem Zeitpunkt (τ1, τ2) als Messwert für die Bestimmung der Position dient, um nur in einer gleichen Position des reflektierenden Gewebeübergangs in dem zu untersuchenden Teil des Körpers erfasste Magnetresonanzbilder zu verwerten.To achieve the object, a method of the type mentioned above is characterized in that the Radarsende- and -empfangseinrichtung is disposed within the housing that emitted by the radar transmitter and receiver ultra-wideband radar signals in the form of short radar pulses on the part to be examined Body are directed and that in the Radarsende- and -empfangseinrichtung an evaluation device pulses generated by the fact that the emitted radar pulses are compared with reflected by a reflective tissue transition in the part of the body to be examined radar signals by an autocorrelation function or cross-correlation function and that an average transit time (τ 1 , τ 2 ) is adjusted for the reflected pulse so that the average transit time (τ 1 , τ 2 ) is always on one edge of the pulse formed in the evaluation device, whereby a measured amplitude to one m time (τ 1 , τ 2 ) serves as a measured value for the determination of the position in order to utilize magnetic resonance images acquired only in a same position of the reflecting tissue transition in the part of the body to be examined.
Die vorliegende Erfindung sieht somit vor, die Magnetresonanz-Bildgebung mit einer Abstandsmessung mit einem Ultrabreitbandradar (UWB-Radar) zu kombinieren, wobei mit dem Ultrabreitbandradar insbesondere Positionsänderungen durch die Atembewegung oder durch die Herzbewegung detektierbar sind. Da die Radarsende- und -empfangseinrichtung eine definierte Position innerhalb des Gehäuses des Magnetresonanzgeräts einnimmt, ermöglicht eine Messung des sich ändernden Abstandes eines Körperteils bzw. von Gewebe innerhalb eines Körperteils eine Positionsbestimmung. Diese Positionsbestimmung kann dazu ausgenutzt werden, die Magnetresonanz-Bildgebung immer nur in einer gleichen Position, beispielsweise des Herzens im Herzschlagzyklus, oder der Brustwand im Atemzyklus, vorzunehmen oder bei einer alternativen Magnetresonanz-Bilderfassungsmethode eine nachträgliche Korrektur der dabei gewonnenen Bilddaten vorzunehmen.The present invention thus provides for combining the magnetic resonance imaging with a distance measurement with an ultra-wideband radar (UWB radar), with the ultra-wideband radar in particular position changes by the respiratory movement or by the heart movement are detectable. Since the radar transmitting and receiving device occupies a defined position within the housing of the magnetic resonance device, a measurement of the changing distance of a body part or tissue within a body part enables a position determination. This position determination can be exploited to carry out the magnetic resonance imaging only in one and the same position, for example of the heart in the heartbeat cycle, or the chest wall in the respiratory cycle, or to carry out a subsequent correction of the image data obtained in an alternative magnetic resonance image acquisition method.
Die Radarsende- und -empfangseinrichtung kann mit einer kombinierten Sende- und -empfangsstufe aufgebaut sein und in diesem Fall eine einzige Antenne aufweisen. Ein einfacher Aufbau ergibt sich, wenn alternativ eine von der Sendestufe separate Empfangsstufe mit jeweils einer eigenen Antenne vorgesehen sind. Ferner ist es möglich, mehrere Radarsende- und -empfangseinrichtungen zu verwenden, um eine verbesserte und ggf. erweiterte Positionsbestimmung durchführen zu können.The radar transmitter and receiver may be constructed with a combined transmit and receive stage and in this case have a single antenna. A simple construction results if, alternatively, a receiving stage separate from the transmitting stage, each with its own antenna, is provided. Furthermore, it is possible to use a plurality of radar transmitting and receiving devices in order to be able to carry out an improved and possibly extended position determination.
Die Radarsende- und -empfangseinrichtung kann in dem Gehäuse des Magnetresonanzgeräts so aufgebaut sein, dass es mit dem hohen statischen Magnetfeld und den geschalteten Gradientenfeldern des Magnetresonanzgeräts kompatibel ist. Ferner muss bei der Ausbildung des UWB-Radars darauf geachtet werden, dass der Empfängereingang des UWB-Geräts nicht durch die Hochfrequenz- und Gradientenfelder des Magnetresonanzgeräts zerstört werden. Die wenigstens eine Antenne des UWB-Radargeräts kann hierfür aus einem Material (z. B. Kupfer) aufgebaut und in an sich bekannter Weise so ausgebildet sein, dass nur minimale Induktionsspannungen aufgrund der geschalteten Gradientenfelder auftreten.The radar transmitting and receiving device may be constructed in the housing of the magnetic resonance apparatus so that it is compatible with the high static magnetic field and the switched gradient fields of the magnetic resonance apparatus. In addition, when designing the UWB radar, care must be taken that the receiver input of the UWB device is not destroyed by the radiofrequency and gradient fields of the magnetic resonance device. For this purpose, the at least one antenna of the UWB radar device can be constructed of a material (eg copper) and designed in a manner known per se so that only minimal induction voltages occur due to the switched gradient fields.
Um mit dem UWB-Radar Messdaten mit der benötigten Genauigkeit (Positionsbestimmung mit einer Genauigkeit < 1 mm) zu erhalten, muss eine relativ hohe Abtastfrequenz gewählt werden. Der Frequenzbereich der UWB-Radarsignale ist zweckmäßigerweise auf 0 bis 11 GHz begrenzt. Die maximale Sendeleistung darf die zulässige Störstrahlung von Elektrogeräten (beispielsweise –41,3 dBm/MHz, wie durch FCC und ITU festgelegt) nicht überschreiten, um eine Störung schmalbandiger Systeme auszuschließen. Für einen schmalbandigen Empfänger erscheint ein derartiges UWB-Signal dann wie Rauschen, sodass das UWB-Signal keinen Frequenzbeschränkungen ausgesetzt ist. Eine Erhöhung der Bandbreite bzw. der Abtastfrequenz empfiehlt sich nicht, weil oberhalb von 10 GHz eine erhöhte Dämpfung der Signale im Gewebe auftritt.In order to obtain measurement data with the required accuracy (position determination with an accuracy <1 mm) with the UWB radar, a relatively high sampling frequency must be selected. The frequency range of the UWB radar signals is expediently limited to 0 to 11 GHz. The maximum transmit power shall not exceed the permissible interference from electrical appliances (eg -41.3 dBm / MHz as determined by the FCC and ITU) exceed, in order to exclude a disturbance of narrow-band systems. For a narrowband receiver, such UWB signal then appears as noise, so that the UWB signal is not subject to frequency restrictions. An increase in the bandwidth or the sampling frequency is not recommended, because above 10 GHz, an increased attenuation of the signals in the tissue occurs.
Unter Zugrundelegung einer Abtastfrequenz von 9 GHz ergibt sich eine maximale Laufzeitauflösung der Reflektionssignale von etwa 111 ps. Dies entspricht einer Bewegungsauflösung von etwa 1,7 cm, wenn εr = 1 ist.Based on a sampling frequency of 9 GHz results in a maximum delay resolution of the reflection signals of about 111 ps. This corresponds to a motion resolution of about 1.7 cm, when ε r = 1.
Die Bewegungsauflösung einer im Körper liegenden wasserreichen Schicht (z. B. der Herzwand mit εr ≈ 50; εr Dielektrizitätszahl des Gewebes) hängt von den dielektrischen Eigenschaften der sie umgebenden Schichten ab. Im günstigen Fall sind das dielektrische Materialien mit einem kleinen εr (εr ≈ 1) (so z. B. für Fettschichten und die Herzbeutelschicht), weswegen mit einer Erhöhung der Bewegungsauflösung um maximal den Faktor √50 zu rechnen ist, wenn die während der Propagation des Signals durch die verschiedenen Gewebeschichten auftretenden Dämpfungs- und Dispersionseffekte vernachlässigt werden können.The motion resolution of a water-rich layer lying in the body (for example, the heart wall with ε r ≈ 50, ε r dielectric constant of the tissue) depends on the dielectric properties of the surrounding layers. In a favorable case, these are dielectric materials with a small ε r (ε r ≈ 1) (eg for fat layers and the pericardial layer), which is why an increase of the motion resolution by a maximum of √50 is to be expected the propagation of the signal through the various tissue layers occurring attenuation and dispersion effects can be neglected.
Für eine Auflösung < 1 mm wäre eine Abtastfrequenz von über 150 GHz vorzusehen. Erfindungsgemäß kann mit einer Abtastfrequenz von < 10 GHz (beispielsweise 8,95 GHz) gearbeitet und dennoch eine Auflösung im Sub-Millimeter-Bereich erzielt werden, wenn die Abstandsbestimmung, auf einer Flanke des reflektierten Radarimpulses durch Ermittlung der Amplitude nach einer vorgegebenen Laufzeit, die auf der Flanke des reflektierten Radarimpulses liegt, vorgenommen wird. Auf diese Weise sind Bewegungen mit einer Amplitude von 1 mm sicher detektierbar.For a resolution <1 mm, a sampling frequency of more than 150 GHz would have to be provided. According to the invention, it is possible to work with a sampling frequency of <10 GHz (for example 8.95 GHz) and still achieve a resolution in the sub-millimeter range, if the distance determination on an edge of the reflected radar pulse is determined by determining the amplitude after a predetermined transit time is on the edge of the reflected radar pulse is made. In this way, movements with an amplitude of 1 mm can be reliably detected.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Erfindungsgemäß ist in der Öffnung
Entsprechend sind in
Diese Impulse werden dadurch in der Auswertungseinrichtung generiert, dass der ausgesandte, sehr kurze Radarimpuls in die Empfangseinrichtung der Radarsende- und -empfangseinrichtung geleitet wird und dort mit dem durch die Empfangsantenne
Die Auswertung des Abstandes geschieht nun in einer vorteilhaften Weise dadurch, dass die Kenntnis des Abstandes der Brustwand
Durch die entsprechende Amplitudenbestimmung zum Zeitpunkt τ1 kann die angestrebte Auflösungsvergrößerung erreicht werden.By the appropriate amplitude determination at the time τ 1 , the desired resolution increase can be achieved.
In entsprechender Weise findet die Auswertung für den vom Pericard
Die dabei ermittelte Messkurve
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