NL8401671A - Kernspinresonantie apparaat met oppervlaktespoel detectie. - Google Patents

Description

·*.

* PHN 11.042 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Kernspinresonantie apparaat net oppervlaktespoel detectie.

Kernspinresonantie apparaat uitgerust net een magneetstelsel voor het opwekken van een homogeen hoofdmagneetveld, een magneetstelsel voor het opwekken van gradientvelden, een magneetspoel voor het opwekken van een locaal homogeen radiofrequent magnetisch wisselveld in een 5 onderzoekruimte en een magneetspoel voor detectie van, in een te onderzoeken object opgewekte kernspinresonantie signalen.

Een dergelijk kernspinresonantie apparaat is bekend uit Corrputertomografie, 1, 1981, pp 2-1G terwijl in hoofdstuk 8, pagina 164 in het boek "Nuclear magnetic resonance and its applications to living 10 systems" van D.G. Gadian, Clarendon Press Oxford, 1982 wordt ingegaan op het voordeel van het gebruik van een zogenaamde oppervlaktespoel (surface coil) voor bloedstrooimetingen. Als voordelen worden aldaar genoemd de relatief gunstige waarde van de haalbare signaal-ruis verhouding in de detectie, de mogelijkheid van nauwkeurige metingen in 15 een relatief klein gebied nabij de spoel en de mogelijkheid de vorm en de grootte van de spoel aan te passen aan de vorm en de grootte van een te meten object. Voor het opwekken van het radiofrequent electro-magnetiscbe veld wordt gebruik gemaakt van een grotere spoel, veelal een bodyspoel genoemd, omdat anders de ruimtelijke homogeniteit in het veld 20 onvoldoende is. Is het nu in een dergelijk apparaat om een of andere reden gewenst, de zendspoel en een oppervlaktespoel als meetspoel, anders dan onderling loodrecht te plaatsen, dan treden ernstige storingen op.

De oppervlaktespoel wordt dan door het zend veld dermate geactiveerd dat oversturing van de detectieschakeling optreedt, hetgeen bijvoorbeeld 25 tot vernietiging van een voorversterker kan leiden. Ook wordt omgekeerd door de, tijdens het zenden in de oppervlaktespoel geïnduceerde stroom het radiofrequente zendsignaal verstoord waardoor bijvoorbeeld onjuiste 90° en 180° zendpulsen ontstaan. Een en ander resulteert in een sterke beperking van de toepassingsmogelijkheden van oppervlaktespoelen of 30 gaan anderzijds veel van de voordelen van de oppervlaktespoel door deze storingen weer verloren.

De uitvinding beoogt door het treffen van voorzieningen aan de oppervlaktespoel een apparaat voor kernspinresonantie metingen te 3401671 i i* PHN 11.042 2 verschaffen, waarin de oppervlaktespoel in alle posities en oriëntaties kan worden toegepast. Een kernspinresonantie apparaat van de in de aanhef genoemde soort heeft daartoe volgens de uitvinding tot kenmerk, dat de magneetspoel voor detectie van de kernspinresonantie signalen worden 5 gevormd door een oppervlaktespoel die is voorzien van. een electronisch ontkoppelcircuit voor het ontkoppelen van de oppervlaktespoel tijdens bekrachtiging van de radiofrequente zendspoel.

Omdat in een kernspinresonantie apparaat volgens de uitvinding de oppervlaktespoel tijdens het actief zijn van de zendspoel is ont-10 koppeld, zal daarin, onafhankelijk van de onderlinge oriëntatie van de zendspoel en de meetspoel geen storende inductiestroom optreden. De genoemde problemen zijn daarmede vermeden.

In een voorkeursuitvoering wordt de oppervlaktespoel, althans tijdens zenden door de radiofrequente zendspoel, ingesteld op een 15 frequentie die beduidend hoger ligt dan de werkfrequentie van het systeem. Een hogere frequentie is gunstig daar anders de meetspoel sterk stroom-voerend blijft.

In een voorkeursuitvoering wordt de ontkoppeling uitgevoerd door gebruik van een variabele capaciteit als C waarde voor de kring van 20 de oppervlaktespoel. Bij ontkoppeling wordt de C waarde verlaagd waardoor de eigenfrequentie van de kring wordt verhoogd. Indien een enkele variabele capaciteit,bijvoorbeeld in de vorm van een electrisch stuurbare varicap, de optredende spanningen niet kan overbruggen is het gunstig meerdere van dergelijke capaciteiten in serie te schakelen. Voor behoud van een 25 juiste totale capaciteitswaarde is het dan gewenst meerdere capaciteiten in parallelschakeling toe te passen. Aldus wordt een matrix van variabele capaciteiten samengesteld.

Het ontkoppelcircuit is in een voorkeursuitvoering welke is uitgerust met een balun verbinding of een andere voorziening voor 30 symmetrische detectie, opgenomen tussen die verbinding en de uiteinden van de eigenlijke oppervlaktespoel. Het is veelal gunstig tussen een voedingsbron voor het ontkoppelcircuit en het eigenlijke ontkoppelcircuit een hoogohmige veerstand op te nemen. Hierdoor kan worden voorkomen, dat de Q waarde van de kring voor de werkfrequentie ongunstig wordt 35 beïnvloed.

In een verdere voorkeursuitvoering is de radiofrequente zendspoel tijdens detectie met de meetspoel, bij voorkeur door middel van een diodenbrug, door een relatief kleine weerstand kortgesloten. Bij 8 4 0 16 7 1 ·* Λ EHN 11.042 3 voorkeur bevat het kortsluitcircuit daartoe twee serieschakelingen van een diode en een weerstand. Om ook hier onderlinge beïnvloeding te vermijden, zijn het kortsluitcircuit en een voedingsbron daarvoor, via bijvoorbeeld een bmgschakeling met elkaar verbonden.

5 Een verdere voorkeursuitvoering bevat althans twee gelijke of nagenoeg gelijke oppervlaktespoelen die elk van een ontkoppelcircuit zijn voorzien. Het kan daarbij gunstig zijn de ontkoppelcircuits zodanig met elkaar te koppelen dat een automatische onderlinge relatie voor activering van elk van de ontkoppelcircuits ontstaat. Toepassing van 10 meerdere oppervlaktespoelen in een enkel apparaat is bijvoorbeeld, gunstig voor oog, oor, maimia onderzoekingen en dergelijke. Ook kan met vrucht gebruik gemaakt worden van twee oppervlaktespoelen voor order zoek aan objecten, bijvoorbeeld patiënten die te ruim. in de zendspoelen passen hetgeen door de eis dat ook relatief corpulente patiënten gemeten moeten 15 kunnen worden, voor de meeste patiënten het geval zal zijn. De oppervlakfce-spcelen kunnen dan beide direkt tegen het te onderzoeken object worden aangelegd, en daar voor het realiseren van een ruimtelijk homogeen zend-veld voor het activeren van de kernspinresonantie ook hiergebruik wordt gemaakt van de grotere zendspoel is elk van de oppervlaktespoelen weer 20 van een ontkoppelcircuit voorzien. Deze circuits kunnen ook weer onderling zijn gekoppeld.

In het navolgende zullen enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven aan de hand van de tekening.

In de tekening toont : 25 Figuur 1 een schetsmatige weergave van een kernspinresonantie apparaat uitgerust met twee oppervlaktespoelen,

Figuur 2 een schetsmatige weergave van een spoelenstelsel met een bodyspoel en twee oppervlaktespoelen,

Figuur 3 een voorbeeld van een ontkoppelcircuit voor een 30 oppervlaktespoel,

Figuur 4 een meer uitvoerig schakelcircuit met een dergelijk ontkoppelcircuit,

Figuur 5 een voorbeeld van een kortsluitcircuit voor een bodyspoel in een spoelensysteem volgens de uitvinding.

35 Een kernspinresonantie apparaat zoals weergegeven in figuur 1 bevat een magneetstelsel 2 voor het opwekken van een stationair homogeen magneetveld Ho, een magneetstelsel 4 voor het opwekken van magnetische gradientvelden, eventuele voedingsbronnen 6 en 8 respectievelijk 9 4 Λ '1 S 7 -f r PHN 11.042 4 voor het magneetstelsel 2 en het magneetstelsel 4. Een magneetspoel 10 dient voor het opwekken van een radiofrequent magnetische wisselveld en is daartoe aangesloten op een radiofrequenthron 12. Voor detectie van door het radiofrequente zendveld in een te onderzoeken object opgewekte 5 kernspinresonantie signalen zijn hier twee oppervlakte spoelen 13 opge-nomen. Voor het uitlezen zijn beide spoelen 13 verbonden met een signaal-versterker 14. De signaalversterker 14 is verbonden met een fasegevoelige gelijkrichter 16 die met een centrale besturingsinrichting 18 is verbonden. De centrale besturingsinrichting 18 stuurt verder een modulator 10 20 voor de radiofrequente bron 12, de voedingsbron 8 voor de gradient-spoelen en een monitor 22 voor beeldweergave. Een hoogfrequent oscillator 24 stuurt zowel de modulator 20 als de meetsignalen verwerkende fasegevoelige gelijkrichter 16. Voor eventuele koeling van magneetspoelen voor het hoofdveld dient een koelinrichting 26 met koelleidingen 27. Een 15 dergelijke koelinrichting kan uitgevoerd zijn als waterkoeling voor weerstandsspoelen of als vloeibare heliumkoeling voor supergeleidende magneetspoelen. De binnen de magneetstelsels 2 en 4 geplaatste zendspoelen 10 omsluiten een meetruimte 28 die bij een apparaat voor medische diagnostische metingen ruim genoeg is voor het omvatten van patiënten 20 binnen ruim te stellen voorkomende omvangsgrenzen. In de meetruimte 28 zijn aldus een homogeen magneetveld Ho; voor positie selectie van af te beelden doorsneden benodigde gradientvelden en een ruimtelijk homogeen radiofrequent wisselveld op te wekken. Binnen de ruimte 28 zijn de oppervlakte spoelen 13 hier instelbaar aan te brengen. Voor bepaalde 25 onderzoeken zoals aan rugwervels en lichaamsonderzoek in het algemeen in het gunstig een van de spoelen op te nemen in een draagtafel voor de patiënt, welke draagtafel in de ruimte 28 axiaal verplaatsbaar en radiaal instelbaar is en de tweede spoel zodanig los aan te brengen dat deze aan het lichaam of het te onderzoeken deel van het lichaam aangepast 30 kan worden. Beide spoelen 13 of voor vele metingen een enkele speel 13 zijn dan gebruikelijk tijdens het verloop van het onderzoek in feite aan de patiënt gekoppeld en bewegen bij voorkeur, bij herpositioneren van de patiënt met de patiënt mee.

In figuur 2 zijn de zendspoelen 10 en de oppervlaktespoelen 13, 35 meer in perspectief, in een onderlinge positie ten opzichte van elkaar geschetst. De hier geschetste onderlinge oriëntatie zal gemakshalve als parallel oriëntatie worden gedefinieerd, oirdat hier, door de windingen van de zendspoelen en de oppervlaktespoelen bepaalde vlakken, substantieel 3401671 * PHN 11.042 5 onderling parallel verlopen. Ben net onderbroken lijnen aangegeven positie van cppervlaktespoelen 13' zal als loodrechte oriëntatie worden gedefinieerd. Slechts in deze loodrechte oriëntatie zal door de zendspoelen veelal geen storende inductiestroom in de oppervlaktespoelen 5 worden opgewekt. Door de vorm van een cylindermanteldeel van de vlakken van de zendspoelen en uitwaaieren van het zendveld zal dat zelfs hier slechts in eerste benadering gelden. Voor vele onderzoekingen is de loodrechte oriëntatie niet de meest optimale en treedt er door de onderlinge beïnvloeding van de zend- en de ireetspoelen een beduidende beperking 10 aan de mogelijkheden van onderzoek net een dergelijke opstelling op.

ffet een ontkoppelcircuit voor de oppervlaktespoel wordt deze beperking opgeheven. Figuur 3 geeft een elementair schakelschema voor een dergelijke ontkoppeling. De te ontkoppelen oppervlaktespoel 13 vormt hier met een balun verbinding 30 voor symmetrische aansturing en twee 15 variabele capacitieve elementen 15, bij voorkeur in de vorm van varicaps, voor tuning een LC kring. Deze LC kring nu kan met behulp van variabele capacitieve elementen 17, bij voorkeur eveneens in de vorm van varicaps, ontkoppeld worden waartoe de capaciteitswaarde van bij voorkeur alle varicaps op een beduidend lagere waarde wordt ingesteld. Een toevoer-20 leiding 31 verbindt het geheel met een verder niet weergegeven uitlees-inrichting zoals de inrichting 14 in figuur 1.

In een meer uitvoerige schakelcircuit als weergegeven in figuur 4 zijn de spoel 13, een balun verbinding 30, een aansluiting 31 en een tuning circuit 32, zoals beschreven op pagina's 170-171 van het genoemde 25 boek van Gadian, maar hier uitgerust met twee varicaps 33 die via ont-koppeiweerstanden 34 zijn verbonden net een voedingsbron 35. Een ontkoppelcircuit 36 net hier twee variabele capaciteiten 38 en 40 waarvan midden-contacten 42 via een hoogfrequent ontkoppelingsweerstand 44 met, hier de positieve pool van een voedingsbron 45 zijn verbonden. De van de midden-30 contacten 42 afgekeerde uitgangen van de varicap 38 en 40 zijn elk gezamenlijk via hoogfrequent ontkoppelweerstanden 48 en 50 verbonden met de negatieve pool van de voedingsbron 45. De twee voedingsbronnen 35 en 45 kunnen als een enkele voedingsbron zijn uitgevoerd. Het matching circuit dat hier is uitgerust met varicaps 33 kan ook met mechanisch 35 instelbare capaciteiten of andere instelbare capaciteiten zijn uitgevoerd maar de geschetste uitvoeringsvorm heeft zeker schakeltechnische voordelen wat betrouwbaarheid en schakelsnelheid betreft. De. weer standswaarde van de ontkoppelweerstanden is bijvoorbeeld ongeveer 500 k·**»· Aan 8401671 PHN 11.042 6 de leiding 31 kan veer een voorversterker zijn gekoppeld.

Het ontkoppelcircuit dat in het geschetste voorbeeld 2 varicaps bevat kan ook met een varicap of met een matrix van meerdere varicaps zijn uitgerust al naar gelang de te verwachten maximaal optredende 5 spanningen over de varicapschakeling . Met de voedingsbron 46 kan de te gebruiken voedingsspanning voor het ontkoppelcircuit en hier tevens voor het matching circuit worden ingesteld.

Tijdens detectie van de in een te onderzoeken object opgewekte kernspinresonantie signalen zijn de zendspcel en de meetspoel of meet-10 spoelen allen op eenzelfde frequentie, de zogenaamde Larmor frequentie ingesteld. Dit geeft veeal aanleiding tot gekoppelde kringen wat resulteert in een verlaging van de Q waarde en tuningsproblemen van de rneet-spoelen, hier de oppervlaktespoelen. Ontkoppeling van de zendspoel zoals in het voorafgaande is beschreven voor de meetspoelen is niet praktisch 15 daar hier vanwege de relatief hoge spanningen en hoge vermogens bezwaarlijk gebruik kan worden gemaakt van de beschreven variabele capaciteiten. Een oplossing hiervoor biedt een· kortsluitcircuit zoals in figuur 5 is aangegeven. De zendspoel 10 die met een instelbare tuning capaciteit 70 een IC kring vormt kan hier stuurbaar worden kortgesloten met een, 20 een relatief kleine resistantie vormerd kortsluitcircuit 72 gevormd door een brugschakeling 74 van vier dioden 76 en twee in principe vaste relatief grote ontkoppel capaciteiten 78. De brugschakeling wordt gevoed vanuit een instelbare voedingsbron 80 die via twee relatief hoog-ohmige ontkoppelingsweerstanden 82 met de brugschakeling is verbonden.

25 Door het kortsluitcircuit 72 althans gedurende signaaldetectie te activeren wordt de IC kring ingesteld op een afwijkende eigenfrequentie doordat de lage resistantie waarde R van de spoel 10 nu vervangen wordt door de impedantie waarde R + ii.uL van de spoel 10. Hierdoor zullen de genoemde storingen niet optreden. Een verdere beperking aan de toe-30 passing van oppervlaktespoelen vooral voor het meten aan grotere objecten wordt gevormd door het feit, dat het gezichtsveld van een cppervlakte-spoel relatief beperkt is en niet veel dieper ingrijpt dan over een afstand overeenkomende met de afmeting van het spoeloppervlak. Om storende invloeden vanuit gebieden met relatief lage signalen te voorkomen is 35 het dan gewenst signalen tot over een afstand gelijk aan twee maal de spoelafmeting op te nemen hetgeen vooral door de hogere ruisbijdrage een beperking aan de meetnauwkeurigheid stelt. Dit nadeel wordt ondervangen door, bij gebruik van twee oppervlaktespoelen als meetspoelen 0401671 9 PHN 11.042 7 net een af te beelden object tassen deze spoelen tijdens het zenden een van de meetspcelen te ontkoppelen en de andere niet of, indien dat bezwaarlijk is voor de apparatuur slechts gedeeltelijk te ontkoppelen.

. Door de niet geheel ontkoppelde ireetspoel wordt dan het zendveld van 5 de zendspoel gecompenseerd over een afstand afhankelijk van veer het oppervlak van de spoel en de matje van ontkoppeling. Hierbij treedt dus de sterkste compensatie op bij een geheel, niet ontkoppelde tweede meet-spoel. Tijdens detectie met de eerste meetspcel, die dus geheel was ontkoppeld tijdens het zenden, behoeft nu niet over een extra grote 10 afstand te worden gemeten hetgeen vooral de signaal-ruis verhouding en het oplossend vermogen van de meetsignalen ten goede kant, Tijdens deze detectie is de tweede meetspcel bij voorkeur geheel ontkoppeld en is de zendspoel cp de aangegeven wijze kortgesloten. Het zal duidelijk zijn, dat in deze procedure de functie van de twee meetspoelen ver-15 wisseld kan worden. De methode resulteert zonder verlies aan ruimtelijk oplossend vermogen in een verkorte neet- en reconstructietijd en zoals reeds opgemerkt een betere signaal-ruis verhouding of bij een gelijke meettijd in een verhoogde spatiele resolutie.

In apparaten waarin bijvoorbeeld zowel een zendspoel voor body- 20 metingen als een zendspoel voor hoofdmetingen wordt toegepast kan het gunstig zijn ook aan deze spoelen kortsluitcircuits toe te voegen.

Deze kortsluitcircuits kunnen dan weer onderling zijn gekoppeld. Hierdoor kan verstoring van de zendsignalen door de spoelen worden vermeden of althans voldoende worden gereduceerd.

25 In een praktisch voorbeeld van een kernspinresonantie apparaat net een supergeleidende magneetspoel kan veelal worden gesteld, dat de ruis in het meetsignaal wordt bepaald door het te neten object.

Voor het meten van een transversale plak uit het object wordt het gehele object in de meetruimte geëxciteerd en bij het neten van de plak draagt 30 de ruis uit dat gehele object aan de ruis in het neetsignaal bij.

Wordt in plaats van net de zendspoel gemeten net twee oppervlakte- spoelen die volgens de uitvinding tijdens het zenden zijn ontkoppeld, dan draagt slechts de ruis van een door de breedte van deze spoel bepaald gedeelte van het object aan de ruis in het meetsignaal bij. Met een 35 bodyspoel met een opening van gebruikelijk 50 cm en een lengte van 2 ongeveer 60 cm en oppervlaktespcelen van bijvoorbeeld 10 x 40 cm zoals bij ruggemergonderzoek gebruikelijk is kan het volume van het object dat bijdraagt tot de ruis bij het meten van een verticale plak in de ver- 3401671

> V

« PHN 11.042 8 houding van de spoelafmsting in de richting dwars op de plak, dus net de verhouding 60 tot 10 worden gereduceerd. Een gelijke reductie kan bij het meten van een sagitale plak. Hierbij zijn de oppervlakte spoelen over 90° gedraaid opgesteld. Voor een coronale plak kan de signaal-ruis 5 verhouding hierdoor niet worden verbeterd en voor die metingen kan dan ook de zendspoel als meetspoel worden gebruikt. De oppervlaktespoelen worden dan ontkoppeld of eventueel uit het apparaat verwijderd.

Voor metingen in een kernspinresonantie apparaat uitgerust net een weerstandspoel voor het hoofdveld is gebruikelijk de invloed 10 van de apparatuur ruisbepalend. Met bijvoorbeeld cirkelvormige oppervlaktespoelen met een diameter van 30 cm kan dan een winst in de signaal-ruis verhouding van een faktor twee worden gerealiseerd vergeleken net een meting met de zendspoel.

15 20 25 30 \ 35 8401671

Claims (10)

1. Kernspinresonantie apparaat uitgerust met een magneetstelsel (2) vocht het opwekken van een homogeen hoofdmagneetveld (Ho), een magnetisch stelsel (4) voor het opwekken van gradïentvelden, een magneet-spoel (10) voor het opwekken van een locaal homogeen radiofrequent 5 magnetisch wisselveld in een onderzoekruimte en een magneetspcel voor detectie van in een te onderzoeken object opgewekte kernspinresonantie signalen met het kenmerk, dat de magneetspoel voor detectie wordt gevormd door een cppervlaktespoel (13) die is voorzien van een electronisch ontkoppel circuit (36) voor ontkoppeling van de meetspoel (13) tijdens 10 bekrachtiging van een radiofrequente zendspoel (10).

2. Kernspinresonantie apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het electronisch ontkoppelcircuit (36) de detectiespoel (13) tijdens bekrachtiging van de zendspoel (10) op een eigen frequentie instelt die beduidend hoger is dan de frequentie van de zendspoel.

3. Kernspinresonantie apparaat volgens conclusie 1 of 2, net het kenmerk, dat het electronisch ontkoppelcircuit (36) is uitgerust net althans een electronisch bestuurbaar variabel capacitief element (17, 38, 40).

4. Kernspinresonantie apparaat volgens conclusie 1, 2 of 3, 20 met het kenmerk, dat het electronisch ontkoppelcircuit iteerdere in een matrix geschakelde variabele capacitieve elementen (38, 40) bevat.

5. Kernspinresonantie apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het electronisch ontkoppelcircuit is opge-nanen tussen een parallel met de spoel opgestelde symmetrie verbinding 25 en uiteinden van de spoel (13).

6. Kernspinresonantie apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een voedingsbron (45) voor het electronisch ontkoppelcircuit (36) via de Q factor voor de spoel niet substantieel beïnvloedende hoogohmige weerstanden (44, 49, 50) met het 3g ontkoppelcircuit is verbonden.

7. Kernspinresonantie apparaat volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de radiofrequente zendspoel tijdens detectie door de detectiespoel via een kortsluitcircuit (72) is kortgesloten.

8. Kernspinresonantie apparaat volgens conclusie 7, net het kenmerk, dat het kortsluitcircuit (72) voor de zendspoel (10) een via weerstanden (82) met een voedingsbron (80) verbonden brugschakeling (74) van dioden (76) bevat. •34 0 1 6 7 1 .1 "Ο ν ΡΗΝ 11.042 10

9. Kernspinresonantie apparaat volgens één der voorgaande conclusies, net het kenmerk, dat de detectieinrichting twee althans nagenoeg gelijke oppervlaktespoelen bevat die beiden met een electronisch ont-kqppelcircuit zijn uitgerust, velke ontkoppelcircuits onderling elec- 5 tronisch stuurbaar zijn verbonden.

10. Kernspinresonantie apparaat volgens conclusie 9, met het kerarerk, dat een van de detectiespoelen is opgenomen in een draagtafel voor een te meten object en de tweede aan een tegenoverliggende zijde van het object aansluitbaar positioneerbaar is. 15 20 25 30 35 84 0 1 6 7 1