Результат интеллектуальной деятельности: РАДИОЧАСТОТНАЯ АНТЕННА ДЛЯ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ СО СЪЕМНЫМ ПРОВОДНИКОМ

Область техники

Настоящее изобретение относится к радиочастотной (РЧ) передающей и/или приемной антенне, в частности в форме катушечной структуры или устройства в форме катушки или петли, имеющей один или более съемных проводников или структур проводника, в частности, для использования в системе магнитно-резонансной визуализации (МРВ) или магнитно-резонансном (МР) сканере, для передачи РЧ сигналов возбуждения (поле В₁) для возбуждения ядерных магнитных резонансов (ЯМР) и/или для получения ЯМР/РЧ сигналов релаксации. Настоящее изобретение дополнительно относится к системе магнитно-резонансной визуализации (МРВ) или магнитно-резонансному (МР) сканеру, содержащему также РЧ передающую и/или приемную антенну.

Уровень техники

В системе МРВ или МР сканере объект обследования, обычно пациент, подвергается воздействию однородного основного магнитного поля (поле В₀), так что магнитные моменты ядер внутри объекта обследования имеют тенденцию к вращению вокруг оси под действием приложенного поля В₀ (Ларморова прецессия) с некоторой результирующей намагниченностью всех ядер параллельно полю В₀. Скорость прецессии называется частотой Ларморовской прецессии, которая зависит от индивидуальных физических характеристик вовлеченных ядер, а именно их гиромагнитного отношения и силы приложенного поля В₀. Гиромагнитное отношение - это отношение между магнитным моментом и спином ядер.

Посредством передачи РЧ импульса возбуждения (поле В₁), который является ортогональным полю В₀, сгенерированному посредством РЧ передающей антенны, и настраивает частоту Ларморовской прецессии представляющих интерес ядер, спины ядер возбуждаются и совмещаются по фазе и получают отклонение их результирующей намагниченности от направления поля В₀, так что генерируется поперечная составляющая в зависимости от продольной составляющей результирующей намагниченности.

После окончания РЧ импульса возбуждения, начинаются процессы релаксации продольной и поперечной составляющих результирующей намагниченности до тех пор, пока результирующая намагниченность не возвратится к своему равновесному состоянию. ЯМР сигналы релаксации, которые испускаются процессами поперечной релаксации, регистрируются посредством РЧ приемной антенны. Принятые ЯМР сигналы, которые являются временными амплитудными сигналами, подвергаются преобразованию Фурье в сигналы частотного спектра ЯМР и обрабатываются известным способом для генерирования МР изображения объекта обследования.

Рассмотренные выше РЧ передающие и/или приемные антенны известны и в форме так называемых МР катушек тела, которые неподвижно закрепляются в исследуемом пространстве системы МРВ для формирования изображения всего объекта обследования и так называемых МР поверхностных катушек, которые размещаются непосредственно в локальной зоне или области, которая должна обследоваться, и которые создаются, например, в форме гибких подушек, или рукавов, или клеток (катушка для головы или катушка типа «клетки»). Для обследования локальной зоны или области хирургические устройства, подобные катетерам или другому инвазивному устройству, содержащим РЧ передающую и/или приемную антенну, в частности, в форме маленькой катушки или контура для приема МР сигналов релаксации также известны.

Что касается формы пространства обследования, могут быть выделены два типа систем МРВ или МР сканеров. Первая система, так называемая открытая система МРВ (вертикальная система), которая содержит зону обследования, которая расположена между концами вертикальной конструкции с рамой С-типа. Вторая система является горизонтальной системой МРВ, также названной осевой системой МРВ, которая содержит горизонтально продолжающееся трубчатое или цилиндрическое пространство для обследования.

Патент 5457387 раскрывает осевое устройство МРВ, в котором обеспечен узел РЧ катушки, имеющий пару концевых колец, которые поддерживают узел градиентной катушки, причем между парой концевых колец продолжается продольно множество элементов катушки, которые механически и выборочно присоединяются и отсоединяются к/от узла градиентной катушки. Таким узлом РЧ катушки должно предотвращаться уменьшение критического диаметра внутри зазора магнита устройства МРВ и должна обеспечиваться большая апертура для пациента.

Сущность изобретения

Было обнаружено, что отсоединение и перемещение одного или более элементов катушки РЧ антенны может оказать вредное влияние на резонансные свойства РЧ антенны, так что чувствительность РЧ антенны и качество изображения ухудшаются.

Одной целью, лежащей в основе настоящего изобретения, является обеспечение РЧ передающей и/или приемной антенны, в частности, для использования в системах МРВ, причем упомянутая антенна содержит один или более схемных антенных элементов, причем на резонансные свойства РЧ антенны не влияет или влияет только минимально, когда один из по меньшей мере одного съемного антенного элемента удаляется.

Другой целью, лежащей в основе настоящего изобретения, является обеспечение РЧ передающей и/или приемной антенны, в частности в форме МР поверхностной катушки, которая может быть приспособлена, согласно требованиям определенных ЯМР обследований в отношении либо большого проема через антенну, либо способности параллельного формирования изображения (визуализации) без существенного влияния на резонансные свойства антенны.

Эти цели достигаются, согласно пункту 1 формулы изобретения, радиочастотной передающей и/или приемной антенной, содержащей структуру первого проводника, образующую первый замкнутый контур, который является резонансным на требуемой РЧ частоте, и, по меньшей мере, одну структуру второго проводника, которая может быть связана со структурой первого проводника так, что первый замкнутый контур разделен, по меньшей мере, одной структурой второго проводника на, по меньшей мере, второй и третий замкнутый контур, причем, по меньшей мере, одна структура второго проводника настроена так, что каждый из второго и третьего замкнутых контуров является резонансным при той же или по существу той же требуемой частоте, как первый замкнутый контур.

Дополнительные пункты формулы изобретения раскрывают предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Следует понимать, что признаки изобретения допускают сочетание любых комбинаций, без отступления от объема изобретения, как определено приложенной формулой изобретения.

Дополнительные подробности, признаки и преимущества изобретения вытекают из последующего описания предпочтительных и примерных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 показывает схематичный вид сбоку системы магнитно-резонансной визуализации (МРВ).

Фиг. 2 показывает пример РЧ антенны в форме одновитковой катушки или одиночного контура.

Фиг. 3 показывает пример РЧ антенны, содержащей две резонансные катушки или два контура.

Фиг. 4 показывает вариант осуществления РЧ антенны согласно изобретению; и

Фиг. 5 показывает эквивалентную схему РЧ антенны согласно Фиг. 4.

Подробное описание вариантов осуществления

Фиг.1 показывает основные компоненты системы МРВ, которые могут обеспечиваться РЧ передающей и/или приемной антенной, согласно изобретению, для передачи РЧ импульсов возбуждения и/или для приема МР/РЧ импульсов релаксации. На фиг.1 показана для примера вертикальная (открытая) система МРВ, имеющая зону обследования 10 между верхним и нижним концами рентгеновского устройства с рамой С-типа. Однако РЧ передающая и/или приемная антенна, согласно изобретению, может быть также использована в горизонтальной или аксиальной системе МРВ, которая содержит горизонтально продолжающийся трубчатый или цилиндрический объем обследования, как общеизвестно.

Верхняя часть и нижняя часть зоны обследования 10 обеспечены соответственными магнитными системами 20, 30, для генерации, по существу, однородного основного магнитного поля (поля В₀) для упорядочивания ориентации ядерных спинов в объекте, который обследуется, причем магнитная плотность потока (магнитная индукция) может быть величиной порядка от некоторых долей тесла до нескольких тесла. Основное магнитное поле по существу проникает через пациента Р в направлении, перпендикулярном к продольной оси пациента Р (т.е. в направлении Х).

Обычно планарная или по меньшей мере приблизительно планарная РЧ передающая антенна 40 (в частности, в форме РЧ поверхностного резонатора) служит для того, чтобы генерировать РЧ передаваемые импульсы возбуждения (поле В₁) на МР частотах, упомянутая РЧ передающая антенна 40 размещена в или на по меньшей мере одной из магнитных систем 20, 30. Планарная или по меньшей мере приблизительно планарная МР/РЧ приемная антенна (50) служит для приема последовательных ЯМР сигналов релаксации. Эта антенна может быть также обеспечена в форме РЧ поверхностного резонатора, который установлен в или на по меньшей мере одной из магнитных систем 20, 30. По меньшей мере одна общая РЧ/МР антенна, в частности РЧ поверхностный резонатор, может также использоваться и для РЧ передачи, и для РЧ приема, если она подходящим образом переключается между передачей и приемом, или две РЧ антенны 40, 50, которые обе могут служить для поочередной передачи РЧ импульсов и приема РЧ сигналов совместно.

По меньшей мере одна из этих РЧ передающих и/или приемных антенн 40, 50 может быть обеспечена в форме РЧ передающей и/или приемной антенны соответственно согласно изобретению.

Кроме того, для пространственного выбора или выбора среза и пространственного кодирования принимаемых РЧ сигналов релаксации, исходящих от ядер (локализация возбужденных состояний), также обеспечено множество градиентных катушек магнитного поля 70, 80, посредством которых генерируется три градиентных магнитных поля, которые продолжаются в направлении оси Х. Первое градиентное магнитное поле изменяется по существу линейно в направлении оси Х, в то время как второе градиентное магнитное поле изменяется по существу линейно в направлении оси Y, и третье градиентное магнитное поле изменяется по существу линейно в направлении оси Z.

Наконец, дополнительные электрические устройства или вспомогательное оборудование обеспечены для проведения обследований. Такое устройство как, например, РЧ приемная антенна в форме РЧ/МР поверхностной катушки 60, которая используется дополнительно или, в качестве возможного варианта, к постоянно встроенной планарной РЧ приемной антенне 50 (катушка тела, накладная катушка) и которая расположена непосредственно на пациенте Р или зоне, которая будет обследована. Такая РЧ/МР поверхностная катушка 60 может быть сконструирована как гибкая подкладка, или рукав, или клетка и может содержать или быть обеспечена в форме РЧ передающей и/или приемной антенной согласно изобретению.

Вышеописанные и следующие принципы изобретения и обсуждения также применимы в случае осевой или горизонтальной системы МРВ, в которой пациент или другой объект обследования направлены в осевом направлении сквозь цилиндрическое или трубчатое пространство обследования 10. Формы и габариты магнитов и РЧ передающих и/или приемных антенн приспособлены к форме цилиндрического или трубчатого пространства обследования известным способом.

Дополнительно, РЧ антенна, согласно изобретению, предпочтительно использовать как РЧ приемную антенну для приема только МР сигналов релаксации. Однако принципы изобретения применимы также для РЧ передающей антенны для передачи РЧ импульсов возбуждения и для РЧ антенны, которая обеспечена как для передачи РЧ импульсов возбуждения, так и для приема МР сигналов релаксации. Все эти РЧ антенны могут быть использованы как в вертикальной (открытой) системе МРВ, так и в горизонтальной или осевой системе МРВ. Для покрытия всех этих возможных вариантов следующее, как правило, относится к РЧ передающей и/или приемной антенне.

Обычно вышеописанные РЧ передающие и/или приемные антенны могут иметь каждая одну или более структур проводника (т.е. элементов антенны), каждая из которых является резонансной для передачи и/или приема РЧ сигналов, независимо от других таких структур проводника или сегментов РЧ антенны, и каждая из которых обеспечена своим электронным РЧ передающим и/или приемным блоком подобно РЧ генераторам сигнала, РЧ усилителям мощности и/или РЧ приемникам, как общеизвестно, так что обеспечено множество независимо действующих РЧ передающих и/или приемных каналов.

Такие многоканальные системы, как правило, используются для улучшения способностей параллельной визуализации всей РЧ передающей и/или приемной антенны и до некоторой степени улучшают соотношение сигнал/шум (с/ш) генерированных МР изображений, в частности, в непосредственной близости от проводников РЧ передающей и/или приемной антенны.

Однако, особенно в случае РЧ поверхностной катушки, проблема с такими многоэлементными антеннами может быть в том, что доступ через РЧ антенну (который иногда требуется для некоторых обследований) ограничен или труден. Фиг. 2 и 3 показывают эту проблему для типичной очень простой структуры РЧ передающей и/или приемной антенны в форме (поверхностной) катушечной структуры. Фиг. 2 показывает одноэлементную РЧ антенну, имеющую один контур или катушку 1, доступ через которую сравнительно прост благодаря большому проему, окруженному катушкой 1. По сравнению с этой антенной двухэлементная РЧ антенна согласно фиг.3 имеет почти такой же размер W, что и одноэлементная РЧ антенна, согласно фиг. 2, однако она содержит первую катушку 2 и вторую катушку 3 для предоставления возможности параллельной визуализации, причем обе катушки имеют общую перекрывающуюся структуру 23 проводника, которая значительно ограничивает доступ через РЧ антенну.

Требования к РЧ передающей и/или приемной антенне, по отношению как к большому проему, так и способности параллельной визуализации, различны для различных видов обследований и/или различных видов объектов обследования. Следовательно, соответствующая РЧ передающая и/или приемная антенна должна быть выбрана и, возможно, размещена в системе МРВ до проведения такого обследования. Это, разумеется, считается трудоемким, особенно в случае, когда требования меняются во время обследования одного и того же объекта. Это может иметь место, например, в случае, когда должна быть сделана первая диагностическая визуализация, для которой качество изображения и свойства параллельной визуализации более важны, чем доступ к объекту, и затем хирургические устройства, подобные катетеру, или иглы биопсии, или другое инвазивное устройство должны быть введены на объекте для обследования локальной зоны или области, для которых необходим достаточно большой свободный доступ к объекту, в частности, если РЧ передающая и/или приемная антенна является поверхностной катушкой, которая размещена непосредственно на зоне, подлежащей обследованию.

Другим примером таких изменяющихся требований является то, когда после диагностической МР визуализации должна проводиться терапия высокоэффективным сфокусированным ультразвуком (HIFU), при этом ультразвук должен передаваться через РЧ поверхностную катушку на объект. Чтобы избегать любого нарушения ультразвукового поля, никакие структуры проводника не могут продолжаться через эту область и, следовательно, через проем РЧ антенны.

Согласно изобретению эта проблема преодолена обеспечением РЧ передающей и/или приемной антенны, которая, с одной стороны, имеет способность параллельной визуализации и, с другой стороны, может быть без труда обеспечена проемом, который предоставляет легкий доступ через РЧ антенну, без каких-либо значительных изменений резонансных свойств РЧ антенны.

В качестве альтернативы, согласно изобретению, одноканальная РЧ передающая и/или приемная антенна, имеющая большой проем для предоставления легкого доступа через РЧ антенну, обеспечена так, что способность параллельной визуализации может быть легко получена без уменьшения представляющей интерес области всей РЧ антенны и без значительного изменения резонансных свойств РЧ антенны по сравнению с одноэлементной РЧ антенной.

Одной из основных идей изобретения является обеспечение РЧ передающей и/или приемной антенны, содержащей по меньшей мере одну структуру первого проводника, в частности, скомпонованную в форме одной или более резонансных катушек или контуров, где структура первого проводника формирует первый замкнутый контур (т.е. заключает в себе проем), который имеет специально заданные размеры такие, чтобы предоставить прямой доступ к объекту обследования, или представляющий интерес области такого объекта, причем обеспечена по меньшей мере одна структура второго проводника, которая может быть электромагнитно соединена или подключена к структуре первого проводника так, что делит первый замкнутый контур на по меньшей мере второй и третий замкнутый контур (т.е. она проходит через проем структуры первого проводника), причем структура второго проводника настроена так, что каждый из второго и третьего замкнутых контуров является резонансным при той же или по существу той же требуемой частоте, что и первый замкнутый контур (т.е. без структуры второго проводника), таким образом обеспечивая способность параллельной визуализации РЧ передающей и/или приемной антенны.

Такая РЧ передающая и/или приемная антенна схематично показана в примерном варианте осуществления на фиг. 4. Она содержит структуру первого проводника в форме двух первых проводников 4, 5, которые вместе формируют первый замкнутый контур в форме контура или катушки антенны, являющейся по существу кольцевой или, как показано на фиг. 4, фактически прямоугольной формы, окружающей вышеупомянутый проем. Дополнительно РЧ антенна содержит структуру второго проводника в форме одного второго проводника 6, проходящего через проем и электромагнитно связанного или подключенного к двум первым проводникам 4, 5, формируя при этом второй и третий замкнутый контур внутри первого замкнутого контура. Эта связь обеспечена так, что второй проводник 6 может быть удален от первых проводников 4, 5 и снова соединен с этими проводниками 4, 5 простым способом. Дополнительно, каждый из первых проводников 4, 5 обеспечен первым последовательно включенным конденсатором CI, и второй проводник 6 обеспечен вторым последовательно соединенным конденсатором C2.

Фиг. 5 показывает эквивалентную схему РЧ антенны согласно фиг. 4. Каждый из двух первых проводников 4, 5 обеспечен последовательным соединением первого конденсатора CI и первой индуктивности LI, и второй проводник 6 обеспечен последовательным соединением второго конденсатора C2 и второй индуктивности L2. Дополнительно, на этом чертеже показана взаимная индукция M между двумя первыми проводниками 4, 5 и взаимная индукция Ml2 между каждым первым проводником 4, 5 и вторым проводником 6. Дополнительно, следует полагать, что электромагнитная энергия, которая принимается и/или передается посредством РЧ антенны, передается из и/или в РЧ антенну посредством предусилителя или генератора соответственно параллельно (или как часть) с обоими первым конденсаторами CI.

Посредством этой РЧ антенны первая одиночная токовая мода I0 может генерироваться посредством двух первых проводников 4, 5, формирующих первый замкнутый контур, если второй проводник 6 удален. Дополнительно, если второй проводник 6 связан с первыми проводниками 4, 5, возникает вторая токовая мода I1 во втором замкнутом контуре, и возникает третья токовая мода I2 в третьем замкнутом контуре, причем вторая и третья токовые моды I1, I2 равны в этом примере.

Величина второго конденсатора C2 во втором проводнике 6 выбирается для развязки двух вторых токовых мод I1, I2:

где частота ω этих токовым мод I1, I2 равна

Частота ω - требуемая резонансная частота РЧ антенны и выбирается для использования РЧ антенны в системе МРВ равной МР частоте путем соответствующего выбора значения первых конденсаторов CI.

В этом случае, если второй проводник 6 удален, вышеупомянутая первая одиночная токовая мода I0 имеет ту же резонансную частоту, что и вторая и третья токовые моды I1, I2, которые возникают, если второй проводник 6 соединен с первыми проводниками 4, 5.

Поэтому РЧ антенна может быть использована как двухэлементная или двухканальная антенна (например, для параллельной визуализации) или как одноэлементная или одноканальная антенна посредством удаления второго проводника 6 (если требуется большой проем, например, для получения доступа к объекту обследования), причем обе на одной и той же резонансной частоте.

Если второй проводник 6 удален, оба предусилителя или генератора, параллельных каждому из первых конденсаторов CI, наблюдают ту же самую резонансную структуру проводника 4, 5. В случае приема сигналов информация одного из двух предусилителей может либо аннулироваться, либо сохраняться в зависимости от потребностей и требования восстановления сигнала, учитывая корреляцию и, в частности, шум принимаемых сигналов.

Как упомянуто выше, двухэлементная катушка, показанная на фиг.4 и 5, является только примером. Конечно, РЧ передающая и/или приемная антенна может быть обеспечена структурой первого проводника, имеющей более двух элементов, т.е. имеющей более двух первых проводников 4, 5, и/или более одной съемной структурой второго проводника (или одной структурой второго проводника, которая содержит более одного съемного проводника), который может быть удален без существенного влияния на резонансные свойства РЧ антенны.

Поэтому при связывании структуры второго проводника со структурой первого проводника могут быть обеспечены больше, чем второй и третий замкнутый контур, например три или пять и т.д. замкнутых контуров, для получения больших способностей параллельной визуализации.

Дополнительно, размеры или габариты замкнутых контуров, которые обеспечены связыванием структуры второго проводника со структурой первого проводника, могут все быть такими же или отличаться друг от друга.

Дополнительно, если обеспечено более одного второго проводника 6 или структуры второго проводника, они могут быть настроены так, что согласно требованиям один или более или все эти вторые проводники или структуры проводника могут быть удалены без существенного влияния на резонансные свойства РЧ антенны.

Дополнительно, второй проводник 6 может иметь другую форму, чем прямая форма, например изогнутую форму.

Согласно другому варианту осуществления изобретения по меньшей мере один из первых проводников 4, 5 или структур проводника может быть сделан настраиваемым, с целью компенсации возможного отклонения частоты, когда удаляется съемный (второй) проводник 6.

В другом варианте осуществления изобретения съемная структура проводника может быть объединена с развязывающим усилителем для увеличения связи с или без съемной структурой проводника, как описано в публикации: "The NMR Phased Array", P. B. Roemer, W. A. Edelstein, С. Е. Hayes, S. P. Souza, О. М. Mueller, in Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 16, Is. 2, p. 192-225 (1990).

Наконец, съемная структура второго проводника может быть изготовлена для одноразового использования. В частности, если структура второго проводника нуждается в стерилизации, то предпочтительно продавать ее в стерильном пакете как одноразовую единицу. Такое использование может иметь преимущество в проведении хирургических МРВ процедур. Пользователь может в любом месте вмешательства прикреплять или удалять стерильную одноразовую структуру второго проводника.

Наконец, вышеупомянутые принципы РЧ передающей и/или приемной антенны, согласно изобретению, могут быть применены для планарной катушки всего тела и трубчатой катушки всего тела, которые обе могут быть неподвижно установлены и в вертикальной или осевой системе МРВ соответственно и могут быть применены для поверхностной катушки, подобной гибкой подкладке, которая помещается непосредственно на области, подлежащей обследованию, или катушки типа «клетки» и т.д.

Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и вышеизложенном описании, такую иллюстрацию и описание надо считать иллюстративной или примерной, а не ограничительной, при этом изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Возможны изменения вышеописанных вариантов осуществления изобретения, например, применительно к другим формам и габаритам первых проводников 4, 5 и второго проводника 6, а также применительно к их числу и расположению друг относительно друга, не отступая от основного принципа изобретения, как определено формулой изобретения.

Модификации раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при практической реализации заявленного изобретения, исходя из анализа чертежей, настоящего раскрытия и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащее» не исключает другие элементы или шаги, и использование указания в единственном числе не исключает множества. Одиночный процессор или другой блок могут выполнять функции нескольких элементов, изложенных в формуле изобретения. Тот факт, что некоторые признаки изложены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что комбинация этих признаков не может быть с выгодой использована. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничивающие объем изобретения.