МАРШРУТИЗАТОР И МАТРИЦА КАТУШЕК ДЛЯ МРТ СО СВЕРХВЫСОКОЙ НАПРЯЖЕННОСТЬЮ ПОЛЯ
ROUTER AND COIL ARRAY FOR ULTRAHIGH FIELD MRI

Изобретение относится к области магнитно-резонансной техники, находит конкретное применение в магнитно-резонансной томографии при сверхвысоких напряженностях поля, например 3 тесла и выше, таких как 7 тесла и 9,4 тесла. Однако изобретение находит более общее применение при получении изображений магнитно-резонансной томографии и магнитно-резонансной спектроскопии и т.п.
0
1
Системы магнитно-резонансной томографии (МРТ) и магнитно-резонансной спектроскопии (МРС) часто используются для обследования и лечения пациентов. С помощью такой системы ядерные спины ткани тела, которая будет обследоваться, выравниваются посредством статического основного магнитного поля B и возбуждаются поперечными магнитными полями B, колеблющимся в радиочастотном диапазоне. При получении изображения сигналы релаксации подвергаются воздействию градиентных магнитных полей, чтобы локализовать ядерные спины. Сигналы релаксации принимаются, чтобы известным способом сформировать одномерное или многомерное изображение. В спектроскопии информация о составе ткани содержится в частотной составляющей резонансных сигналов.
1
1
1
Система РЧ катушек обеспечивает передачу радиочастотных сигналов и прием резонансных сигналов. В магнитно-резонансных системах с высокой напряженностью поля, например 3 тесла или выше, некоторые характеристики, такие как заполнение диэлектриком и удельная проводимость объекта, доминируют над неоднородностью поля B больше, чем при более низких напряженностях поля. Результатом является снижение однородности изображения, контраста и пространственно зависимое отношение сигнал-шум, что, следовательно, понижает качество полученных изображений. Для решения этой проблемы были предложены несколько конструктивных соображений по улучшению рабочих характеристик РЧ катушки, такие как многочисленные независимые каналы передачи и приема, чтобы иметь возможность шиммирования катушек, создающих B. Создание возбуждающего поля B с клинически приемлемой степенью однородности с шиммированием обычно требует приблизительно 8 или более независимых каналов при сверхвысоких напряженностях поля. Системы такой повышенной сложности существуют в исследовательских установках; однако выполнение требований по мощности для клинических установок обходится слишком дорого.
Другим конструктивным соображением является использование локальных поверхностных катушек для снижения потребления мощности по независимым каналам передачи. Эти системы используют локальные поверхностные катушки для возбуждения и приема. Во время процедур формирования изображения при сверхвысоких напряженностях поля используются многочисленные передающие и приемные (T/R) катушки в многочисленных местах, требуя от оператора ручного отключения и снова подключения различных поверхностных катушек к различным усилителям, что может дополнительно увеличивать время формирования изображения и нарушать последовательность выполнения операций.
При этом существует потребность в простых и гибких средствах соединения катушек с многочисленными точками подключения систем формирования изображения с высокой напряженностью поля, которые могут позволить использовать как существующие катушки, так и расширить использование многочисленных T/R катушек. Настоящая заявка обеспечивает новую и улучшенную взаимосвязанность для многочисленных комбинаций катушек, которая преодолевает упомянутые выше и другие проблемы.
1
В соответствии с одним вариантом представлена магнитно-резонансная (МР) система. МР-система содержит усилитель радиочастоты (РЧ), который генерирует уникальный сигнал возбуждения B для каждого из многочисленных каналов передачи. МР-система содержит по меньшей мере один блок РЧ катушек в сборе, имеющий многочисленные элементы-катушки. Элементы-катушки передают сгенерированный сигнал возбуждения в область обследования и принимают оттуда сигналы магнитного резонанса. Каждая из множества соединительных панелей соединяет усилитель РЧ с по меньшей мере одним блоком РЧ катушек в сборе через порты приемопередатчика, расположенные на каждой соединительной панели. Каждый порт приемопередатчика соединяет по меньшей мере один проводник элемента-катушки с индивидуальным каналом передачи. Маршрутизатор выборочно направляет сгенерированный сигнал возбуждения через соответствующий канал передачи в по меньшей мере один из портов приемопередатчика любой из множества соединительных панелей.
В соответствии с другим вариантом обеспечивается способ для магнитного резонанса. Способ содержит этап, на котором для каждого из множества каналов передачи усилителя радиочастоты (РЧ) генерируют уникальный сигнал возбуждения. Сгенерированные сигналы возбуждения передаются в область обследования и из нее с помощью многочисленных элементов-катушек по меньшей мере одного блока РЧ катушек в сборе принимаются сигналы магнитного резонанса. Усилитель РЧ соединяется с по меньшей мере одним блоком РЧ катушек в сборе через порты приемопередатчика одной из множества соединительных панелей, причем каждый порт приемопередатчика соединяется по меньшей мере одним проводником с индивидуальным каналом передачи. Сгенерированный сигнал возбуждения выборочно направляется через соответствующий канал (Tx) передачи в по меньшей мере один порт приемопередатчика любой из множества соединительных панелей.
1
В соответствии с другим вариантом представлен элемент-катушка, содержащий по меньшей мере два проводника. Элементы-катушки работают в разных резонансных режимах, чтобы генерировать парные ортогональные магнитные поля B и принимать сигналы магнитного резонанса на соответствующих резонансных частотах в области обследования.
Одно из преимуществ состоит в улучшении однородности поперечного магнитного поля.
Другое преимущество состоит в том, что улучшаются однородность изображения, контрастность изображения и отношение сигнал-шум.
Другое преимущество состоит в том, что улучшается последовательность выполнения операций.
Другие дополнительные преимущества изобретения станут понятны специалистам в данной области техники после прочтения и понимания последующего подробного описания.
Изобретение может принимать форму различных компонентов и совокупности компонентов и различных этапов и совокупностей этапов. Чертежи предназначены только в целях иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления и не должны рассматриваться как ограничение изобретения.
Фиг.1 - схематическое изображение магнитно-резонансной системы, содержащей маршрутизатор и блоки передающих и приемных двухрежимных катушек в сборе.
Фиг.2 - схематическое изображение варианта осуществления маршрутизатора, показанного на фиг.1.
Фиг. 3A-3G - схематические изображения различных вариантов осуществления блока двухрежимных катушек в сборе.
1
Фиг. 4A-4D - графики Bдля некоторых различных вариантов осуществления блока двухрежимных катушек в сборе.
0
0
Со ссылкой на фиг.1, магнитно-резонансная (МР) система 10 формирования изображения содержит основной магнит 12, который генерирует пространственное и однородное во времени поле B через область 14 обследования. Основной магнит может быть кольцевым или тороидальным магнитом, C-образным разомкнутым магнитом, иметь другие конструкции разомкнутых магнитов и т.п. Катушки 16 градиентного магнитного поля расположены рядом с основным магнитом, чтобы генерировать градиенты магнитного поля вдоль выбранных осей относительно магнитного поля B для пространственного кодирования магнитно-резонансных сигналов, чтобы производить градиенты поля намагничивания-размагничивания и т.п. Катушка 16 градиента магнитного поля может содержать сегменты катушки, выполненные с возможностью генерирования градиентов магнитного поля в трех ортогональных направлениях, обычно продольном или z-направлении, поперечном или x-направлении и вертикальном или y-направлении.
1
13
31
23
19
Система 10 содержит многочисленные блоки 18 радиочастотных (РЧ) катушек в сборе, расположенных в области 14 обследования или вблизи нее. Несмотря на то, что показано под пациентом, также рассматриваются катушки для головы, гибкие и жесткие поверхностные катушки и другие катушки, которые устанавливаются на верхних и боковых поверхностях пациента, наматываются вокруг туловища или конечностей и т.п. Каждый блок 18 катушек в сборе содержит многочисленные элементы-катушки 20, которые во время работы в одиночку или все вместе генерируют радиочастотные поля для возбуждения магнитных резонансов в одном или более видах ядер, таких как H, C, P, Na, F и т.п. Блоки 18 радиочастотных катушек в сборе, один или все вместе, также служат для обнаружения сигналов магнитного резонанса, излучаемых из области формирования изображения.
1
1
0
0
1
В одном из вариантов осуществления каждый элемент-катушка 20 содержит по меньшей мере два проводника: одиночный проводник 22 синусоидального режима и по меньшей мере один проводник 24 однородного режима. Проводник 22 синусоидального режима является кольцевым проводником, настроенным на резонансный режим, который имеет синусоидальное распределение тока вдоль соответствующего проводника, чтобы генерировать первое магнитное поле B, направленное параллельно плоскости проводника 22. Проводник 24 однородного режима в одном из вариантов осуществления является кольцевым проводником, настроенным на резонансный режим, который имеет однородное распределение тока вдоль соответствующего проводника, чтобы генерировать второе магнитное поле B, направленное из плоскости с проводником 24. В показанном варианте осуществления плоскость проводников 22, 24 параллельна направлению основного магнитного поля B. При таком построении каждый элемент-катушка 20 действует как квадратурная поверхностная катушка, создающая магнитные поля возбуждения в двух направлениях, ортогональных полю B. Эта двухрежимная конфигурация предпочтительно улучшает однородность поля B и эффективность, что дополнительно улучшает чувствительность и отношение сигнал-шум, особенно во время магнитно-резонансных исследований с высокой напряженностью поля, такой как 3 тесла или выше (международная патентная заявка автора Zhai, документ WO 2008/104895).
1
0
Следует заметить, что применение проводника синусоидального режима более практично при напряженностях поля больше 3 T, например 7 T. В другом варианте осуществления, в котором основной магнит 12 работает с напряженностью поля 3 T, каждый элемент-катушка 20 содержит проводник 24 однородного режима квадратурной формы 24. Квадратурный проводник 24 однородного режима 24 является квадратурной катушкой, такой как катушка в форме бабочки, катушка в форме восьмерки и т.п., которая работает с однородным распределением тока для генерирования пары магнитных полей B возбуждения в двух направлениях, ортогональных полю B. В этом варианте осуществления проводник 22 синусоидального режима не требуется, поскольку квадратурный проводник 24 однородного режима генерирует пару ортогональных магнитных полей возбуждения.
1
0
1
N
1
В другом варианте осуществления каждый элемент-катушка 20 содержит петлеобразный проводник 24 однородного режима. Петлеобразный проводник 24 равномерного режима является кольцевым проводником, настроенным на резонансный режим, который имеет равномерное распределение тока вдоль соответствующего проводника, чтобы генерировать магнитное поле B, направленное из плоскости с проводником 24. Плоскость проводника 24 параллельна направлению основного магнитного поля B. Чтобы получить данные магнитного резонанса от объекта 30, объект располагается внутри области 14 обследования посредством опоры 31 для пациента, так чтобы интересующая область предпочтительно располагалась в изоцентре основного магнитного поля или вблизи него. Контроллер 32 сканирования управляет градиентным контроллером 34, который заставляет градиентные катушки 16 прикладывать выбранные импульсы градиентного магнитного поля так, чтобы они проходили через область формирования изображения, что требуется для выбранной последовательности магнитно-резонансной томографии или спектроскопии. Контроллер 32 сканирования также управляет одним или более радиочастотными передатчиками 36, чтобы генерировать уникальные радиочастотные сигналы на матрице усилителей 38 РЧ, содержащей индивидуальные усилители 38…, 38, каждый из которых заставляет один или более проводников 22, 24 локальных катушек генерировать импульсы B возбуждения и манипулировать магнитным резонансом. Каждый усилитель 38 РЧ усиливает сгенерированный уникальный сигнал возбуждения, который передается к одному или более проводникам 22, 24 по одному или более каналам Tx передачи. Вместо одного или более многоканальных передатчиков, которые имеют канал, соединенный с соответствующим усилителем 38, как показано на чертеже, обеспечивается матрица независимых передатчиков, в которой каждый передатчик может быть соединен с соответствующим каналом Tx передачи.
В МР-системе один или более усилителей выделяются для возбуждения в широкой полосе и используются прежде всего для мультиядерного (непротонного) формирования изображения или мультиядерной (непротонной) спектроскопии и один или более из них выделяются для узкополосного возбуждения, которое используется, главным образом, для формирования изображения посредством протонного ядерного магнитного резонанса или спектроскопии. Чтобы улучшить гибкость системы, каждый усилитель РЧ выполнен с возможностью передачи широкополосного сигнала возбуждения для возбуждения широкого диапазона видов ядер или одного или множества одиночных или многочисленных видов ядер одновременно. Встроенное устройство 39 развязки ограничивает широкополосный сигнал до узкополосного сигнала возбуждения для каждого канала Tx передачи. Устройство 40 обхода, выборочно управляемое контроллером 32 сканирования, позволяет обходить устройство развязки, когда предписываются процедуры широкополосного формирования изображения или спектроскопии.
Контроллер сканирования также управляет радиочастотным приемником 41, соединенным с проводниками 22, 24, чтобы принимать от него сгенерированные сигналы магнитного резонанса. Принятые сигналы передаются от проводников 22, 42 к приемнику 41 через один или более каналов Rx приема. Предварительное усиление принимаемого сигнала может обеспечиваться блоком 18 катушек в сборе или переключателем 64 приемопередатчика, который будет описан позже. Аналогично, система 10 может содержать независимые приемники, каждый из которых соединяется с соответствующим каналом Rx приема. Следует заметить, что количество каналов Rx приема не должно соответствовать количеству каналов Tx передачи. Альтернативно, когда количество каналов Rx приема больше, чем количество доступных приемников 41, перед приемником 41 может использоваться мультиплексор канала приема.
Принятые данные от приемника 41 временно хранятся в буфере 50 данных и обрабатываются посредством процессора 52 данных магнитно-резонансного изображения, спектроскопии или других данных. Процессор магнитно-резонансных данных может выполнять различные функции, известные в технике, в том числе реконструкцию изображения (МРТ), магнитно-резонансную спектроскопию (МРС), определение местоположения катетера или хирургического инструмента и т.п. Реконструированные магнитно-резонансные изображения, данные считывания спектроскопии, информация о расположении хирургического инструмента и другие обработанные магнитно-резонансные данные запоминаются в памяти, такой как архив пациентов медицинского учреждения. Графический интерфейс пользователя или устройство 54 отображения содержит устройство ввода данных пользователем, которое врач может использовать для управления контроллером 32 сканирования, чтобы выбирать последовательности и протоколы сканирования, данные отображения магнитно-резонансных данных и т.п.
Как показано на фиг.2, маршрутизатор 60 выборочно определяет маршруты каждого канала Tx передачи и, следовательно, сигнала возбуждения, который передается через соответствующий канал Tx передачи к одному или более различных проводников 22, 24 любого из множества блоков 18 катушек в сборе. Маршрутизатор 60 обеспечивает гибкий интерфейс между блоками 18 катушек в сборе и РЧ передатчиком 36 для выбора различных комбинаций проводников 22, 24 и блоков 18 катушек в сборе с различными усилителями 38 во время возбуждения. Маршрутизатор содержит переключатель 62 РЧ, определяющий маршруты выходных сигналов усилителя, то есть каналов Tx передачи к одному из множества переключателей 64 приемопередатчика. Другими словами, маршрутизатор 60 также служит для переключения проводников между передачей сигналов и приемом сигналов. Во время передачи сигналов переключатель 64 приемопередатчика выборочно переключает каналы Tx передачи на связь с каналами T/R приемопередатчика, которые соответствуют переключателю 64 приемопередатчика. Альтернативно, во время приема сигналов переключатель 64 приемопередатчика выборочно переключает каналы T/R приемопередатчика на связь с каналами Rx приема, которые соответствуют переключателю 64 приемопередатчика. Мультиплексор каналов приема может быть интегрирован в маршрутизатор 60 или устанавливаться снаружи перед приемником 41, как описано ранее, чтобы мультиплексировать каналы приема, когда количество доступных приемников 41 меньше, чем количество каналов Rx приема. Каждый переключатель 64 приемопередатчика оперативно соединяется с соединительной панелью 66, связанной по меньшей мере с одним блоком 18 катушек в сборе. Как показано на чертеже, соединительные панели интегрируются в опору 31 для пациента. Однако подразумеваются также другие места расположения, такие как интегрирование панели 31 в корпус, окружающий основной магнит 12 и т.п. Соединительные панели содержат множество соединительных портов 68, с которыми соединяется с возможностью разъединения по меньшей мере один проводник 22, 24. Количество доступных соединительных портов 68 на каждой панели 66 может совпадать с количеством каналов Tx передачи. Однако могут также рассматриваться меньшее или большее количество портов 68.
Наличие многочисленных соединительных панелей 66 в системе 10 позволяет пользователю выбирать произвольные места расположения для различных многочисленных локальных блоков 18 катушек в сборе и их комбинаций, то есть соединительных панелей 66 и/или соединительных портов 68 в области обследования, чтобы получить желаемое поле зрения или различное анатомическое покрытие без необходимости изменения положения единственного блока катушек в сборе для различных процедур формирования изображения. Например, врач может прикрепить блок 18 катушек в сборе, выполненный с возможностью использования многоядерного магнитного резонанса, на первой соединительной панели 66, а блок 18 катушек в сборе, выполненный с возможностью использования для протонного магнитного резонанса, ко второй соединительной панели 66. Рассматриваются несколько других конфигураций блоков 18 катушек в сборе, например два блока 18 катушек в сборе, способных осуществлять функции передачи и приема, каждый из которых может располагаться для получения локального протонного магнитного резонанса обоих колен пациента. Аналогично, два блока 18 катушек в сборе, обладающих функциями как передачи, так и приема, могут быть расположены для обследования груди посредством локального магнитного резонанса. Другие примеры содержат, в частности, многочисленные локальные блоки 18 катушек в сборе, обладающие как функцией передачи, так и функцией приема, выполненные с возможностью формирования изображения или спектроскопии головы, шеи, позвоночника и т.п.
Контроллер 32 сканирования управляет первым обходом для передачи широкополосного сигнала к первой соединительной панели и управляет вторым обходом для передачи узкополосного сигнала ко второй соединительной панели. Контроллер 32 сканирования затем управляет маршрутизатором для направления возбуждающих сигналов к соответствующему проводнику или проводникам 22, 24. В одном из вариантов осуществления врач вручную вводит в графический интерфейс 54 пользователя тип катушки и выбранные порты 22, 24 для подключения при процедуре формирования изображения. В другом варианте осуществления каждый из элементов-катушек содержит модуль идентификации, который несет в себе информацию о типе катушки. Контроллер 32 сканирования автоматически обнаруживает информацию в модуле и порт или порты 68, с которыми он должен соединяться, и соответственно конфигурирует маршрутизатор 60 и обходы 40.
На фиг. 3A-3F различные варианты осуществления блоков двухрежимных катушек в сборе представлены более подробно. На фиг.3A вид в разрезе для одного из вариантов осуществления блока 18 двухэлементов-катушек в сборе показан более подробно. Как ранее описано, каждый элемент-катушка 20 содержит два концентрических кольцевых плоских проводника 22, 24. Внешний проводник 22 является проводником синусоидального режима, а внутренний проводник является проводником 24 однородного режима. Для МР-систем с напряженность поля 7 тесла, работающих на частоте 298 МГц, эффективный средний диаметр составляет 17 см для проводника 22 синусоидального режима и 13 см для проводника 24 однородного режима, и зазор между соседними проводниками 22 синусоидального режима составляет 1 см. Следует заметить, что для линейных катушек предполагаются и другие диаметры и геометрии кольцевых катушек для проводников, такие как эллиптические или многоугольные, например пятиугольные, шестиугольные, квадратные и т.п. Кроме того, катушка может быть жесткой, гибкой, плоской, контурной или любой их комбинацией и т.п. Размер и форма элемента-катушки 20 могут выбираться на основе требуемой частоты возбуждения и поля видимости. Проводники поддерживаются диэлектрическим слоем 70 и противоположная сторона проводников 22, 24 имеет экранировку 72 РЧ, чтобы экранировать проводники 22, 24 и различные цепи электропитания, управления, связи, стробирования, каналы передачи/приема и т.п. друг от друга. Для улучшения развязки между соседними элементами-катушками 20 проводники утоплены внутрь диэлектрического слоя 70. Необязательно экранировка 74 РЧ может проходить вокруг периферии диэлектрического слоя. Заметим, что предполагаются также блоки 18 в сборе с более чем двумя элементами-катушками 20, как показано на фиг. 3C и 3D, которые будут обсуждаться более подробно.
1
2
1
2
На фиг. 3B и 3C в одном варианте осуществления проводники 24 однородного режима соединяются с первым соединительным портом 68, а проводники 22 синусоидального режима соединяются со вторым соединительным портом 68. При таком построении с совместно используемой мощностью все проводники 22 синусоидального режима совместно используют первый сигнал возбуждения, который направляется к первому соединительному порту 68, тогда как все проводники 24 однородного режима совместно используют второй сигнал возбуждения, который направляется ко второму соединительному порту 68. Вместо совместного использования проводниками в таком режиме единого соединительного порта 68, как показано на чертеже, маршрутизатор 60 может разделить мощность на переключателе 62 РЧ, так чтобы единый канал Tx передачи использовался совместно двумя или более соединительными портами 68.
1
1
1
1
1
1
1
1
1
Как показано на фиг.3D, в другом варианте осуществления проводники могут работать в независимой конфигурации, когда каждый проводник соединяется с независимым каналом Tx передачи. Маршрутизатор 60 направляет каждый выходной сигнал от усилителей 38 к уникальным соединительным портам 68 выбранной соединительной панели 66. Такое построение предпочтительно для шиммирования возбуждающего поля B, чтобы обеспечивать максимальное покрытие при сохранении однородного поля. Блоки катушек в сборе могут быть ориентированы параллельно или ортогонально вдоль продольной оси пациента, основываясь на желаемом поле зрения. Следует заметить, что элементы-катушки 20 могут использоваться в качестве традиционной многоконтурной матрицы, отключая проводники 22 синусоидального режима, так чтобы они не использовались, и направляя сигнал возбуждения только к проводникам 24 однородного режима. Как показано на фиг. 3E и 3F, в другом варианте осуществления каждый элемент-катушка 20 содержит более одного проводника 24 однородного режима, то есть два, три или больше. Диаметр проводников 24 однородного режима снижается, чтобы проходить внутри окружающего проводника 22 синусоидального режима. Однако минимальный размер должен сохраняться, чтобы избежать риска снижения глубины проникновения поля B. Проводники однородного режима могут располагаться по соседству друг с другом, как на фиг.3E, или могут перекрывать друг друга, как на фиг.3F, чтобы улучшить шиммирование и развязку с соседними элементами-катушками. Величина перекрытия может быть выбрана такой, чтобы минимизировать взаимоиндукцию. На фиг.4A-4D представлены примеры поля |B+| в стреловидной плоскости фантома, используя блок двух элементов-катушек в сборе с осевым расположением. На графиках значения |B+| масштабированы к 1 Вт общей поглощаемой средней мощности в фантоме. На фиг.4A показано поле |B+| в микротеслах для первого примера, где маршрутизатор 60 направляет сгенерированный сигнал возбуждения к единственному соединительному порту 68, к которому прикрепляются проводники 24 однородного режима в конфигурации совместного использования мощности. Во втором примере на фиг.4B показано поле |B+| проводников 22 синусоидального режима, совместно использующих мощность от единого канала Tx передачи. В третьем примере на фиг.4C показано поле |B+| всех проводников 22, 24, совместно использующих мощность, получаемую от единого канала Tx передачи. Проводники 22 синусоидального режима соединяются с первым соединительным портом 68, проводники 24 однородного режима соединяются со вторым соединительным портом 68. Маршрутизатор направляет одну и ту же радиочастотную мощность к двум соединителям, но со сдвигом фаз 90°. В четвертом примере на фиг.4D показано поле |B+| соединителей схожих режимов, совместно использующих мощность, подаваемую от единого канала Tx передачи, то есть проводники 22 синусоидального режима соединяются с первым соединительным портом 68 и проводники однородного режима соединяются со вторым соединительным портом 68. Маршрутизатор затем направляет уникальные сигналы возбуждения к каждому из двух соединительных портов 68. В этом примере использовались отношение напряжений проводников однородного режима к напряжению проводников синусоидального режима 0,5 В и сдвиг фаз 10°. Видно улучшение однородности поля |B+| вдоль осевого направления вблизи поверхности фантома.
Изобретение было описано со ссылкой на предпочтительные варианты осуществления. После прочтения и понимания предшествующего подробного описания могут быть предложены другие модификации и изменения. Подразумевается, что изобретение должно истолковываться как содержащее в себе все такие модификации и изменения, насколько они попадают в пределы объема прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.