Магнитно-резонансное устройство и способ

Магнитно-резонансное устройство и способ

Реферат

Изобретение относится к МР-устройству для магнитно-резонансной томографии тела, помещенного в исследовательский объем.

Кроме того, изобретение относится к способу для МР-томографии и к компьютерной программе для МР-устройства.

В магнитно-резонансной томографии (МРТ) последовательности импульсов, состоящие из РЧ-импульсов и переключаемых градиентов магнитного поля, подаются на объект (на пациента), помещенный в однородное магнитное поле внутри исследовательского объема МР-устройства. Таким образом генерируются магнитно-резонансные сигналы с фазовым кодированием, которые сканируются посредством приемных РЧ-антенн для получения информации от объекта и для восстановления его изображений. Со времени возникновения МРТ число клинически обоснованных областей ее применения значительно возросло. МРТ может применяться почти для каждой части тела, и ее можно использовать для получения информации о ряде важных функций человеческого тела. Последовательность импульсов, подаваемая в процессе МРТ-сканирования, играет существенную роль в определении характеристик восстановленного изображения, таких как расположение и ориентация объекта, размеры, разрешение, отношение сигнал-шум, контрастность, чувствительность к движениям и т.д. Оператор МРТ-устройства должен выбрать соответствующую последовательность и должен отрегулировать и оптимизировать ее параметры для соответствующего применения.

В последние годы быстро развивается так называемая молекулярная томография и диагностика (МТД). МТД иногда определяют как использование определенных молекул для контрастности изображения и для диагностики. Это определение относится к измерениям in vivo и определению характеристик процессов в человеческом организме на клеточном и молекулярном уровнях и к анализу биомолекул для скрининга, диагностики и контроля состояния здоровья человека и для оценки потенциальных рисков. Важной предпосылкой для молекулярной томографии является способность отображать молекулярные мишени и экспрессию генов. В настоящее время МР-томография считается одним из наиболее перспективных методов в молекулярной томографии. Поэтому ожидается, что МР-томография будет играть существенную роль в клиническом использовании МТД для скрининга, направленной доставки лекарств и оценки лечения. С недавнего времени для обеспечения МР-томографии молекулярных мишеней и экспрессии генов используются высокочувствительные контрастные вещества. Как сказано выше, МРТ позволяет визуализировать анатомическую структуру с хорошим пространственным разрешением, применима ко всем участкам тела и обеспечивает воспроизводимость и количественные характеристики изображения. Ее также можно использовать для внутрисосудистой доставки лекарств и доставки лекарств при помощи иглы, контролируемой по изображению. МР позволяет отчасти оценивать молекулярную информацию, например посредством спектроскопии.

Важно заметить, что МТД, использующая МРТ, основана на точном сборе и регистрации сигналов от ядер различных типов. Способность собирать такие данные одновременно является весьма полезной - если не существенной - в клинической практике. Кроме того, для целей МТД параметры сигналов, полученные от одного типа, могут использоваться для выделения или коррекции параметров, полученных от другого.

В патенте США 6081120 раскрыто устройство с РЧ-катушкой для МР-устройства, которое может работать на различных резонансных частотах для обнаружения множества типов ядер. В известном устройстве с катушкой используется переключаемая многослойная катушка в сочетании с набором согласующих и настроечных конденсаторов. Пользователь известного устройства может сделать выбор из различных сочетаний секций катушки и согласующих и настроечных конденсаторов посредством включения различных электронных переключателей. Таким образом можно осуществить изменение резонансной частоты устройства с катушкой.

Один недостаток известной системы, касающийся применения для МТД, состоит в том, что устройство с РЧ-катушкой можно настроить только на одну резонансную частоту. Таким образом, фактически невозможен одновременный прием МР-сигналов на различных резонансных частотах. Другой недостаток состоит в том, что известная система требует сложной коммутирующей электроники. Эта электроника, которая непосредственно соединена с РЧ-катушками известного МР-устройства, может оказывать неблагоприятное влияние на качество МР-сигнала, а также на надежность системы в целом.

Поэтому совершенно очевидно, что имеется потребность в усовершенствованном устройстве для магнитно-резонансной томографии, которое обеспечивает одновременный, то есть параллельный, сбор МР-изображений при различных резонансных частотах для МТД. Следовательно, главной целью настоящего изобретения является создание МР-устройства, выполненного с возможностью одновременной работы на резонансных (ларморовских) частотах двух или более типов ядер.

В соответствии с настоящим изобретением раскрыто МР-устройство для магнитно-резонансной томографии тела, помещенного в исследовательский объем, которое содержит основной магнит для создания стационарного и по существу однородного основного магнитного поля в исследовательском объеме и устройство с РЧ-катушками для создания РЧ-полей в исследовательском объеме и (или) для приема МР-сигналов от тела. Устройство с РЧ-катушками содержит множество независимых резонаторных элементов, которые расположены, прилегая друг к другу, в исследовательском объеме или вблизи него. Прилегающие резонаторные элементы поочередно настроены на одну из по меньшей мере двух различных МР резонансных частот, и каждый резонаторный элемент связан с отдельным каналом передачи сигналов и (или) приема сигналов МР-устройства.

Существенным признаком МР-устройства согласно изобретению является то, что множество независимо настраиваемых резонаторных элементов прилегают друг к другу, причем резонаторные элементы поочередно настроены на резонансные частоты двух или более различных ядер (например, ¹H и ¹⁹F). Различные резонаторные элементы присоединены по отдельности к соответствующим передатчикам и (или) приемникам. Таким образом, преимущество МР-устройства согласно изобретению состоит в том, что возможна подлинно одновременная томография и спектроскопия исследуемого объекта на различных резонансных частотах. Для этой цели не требуется никакой сложной коммутирующей электроники.

Еще одно преимущество МР-устройства согласно изобретению состоит в том, что оно позволяет одновременно использовать одну томографическую последовательность, содержащую РЧ-импульсы и переключаемые градиенты магнитного поля, для множества различных ядер. Одна и та же последовательность импульсов излучается при помощи соответствующим образом настроенных резонаторных элементов на различных частотах, а переключаемые градиенты используются для параллельного обнаружения изображений и спектров от соответствующих ядер. Одновременное обнаружение упрощает регистрацию параметров МР-сигнала. Это серьезная проблема для традиционных систем, например, когда для пациента требуется перейти от обнаружения сигнала от ядра одного типа к обнаружению сигнала от ядра другого типа. В частности, при интервенционном МР, когда, например, необходимо определить положение введенного инструмента по реконструируемому изображению, неправильная регистрация полученных данных представляет большую опасность.

Одновременное возбуждение и обнаружение МР-сигнала, обеспечиваемое устройством согласно изобретению, дает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что можно использовать томографические последовательности в установившемся состоянии (так называемые последовательности SSFP (свободная прецессия в установившемся состоянии) или True FISP (подлинная быстрая томография с установившейся прецессией)) на каждом отдельном канале для увеличения амплитуды МР-сигналов. Возможность их применения в устройстве по изобретению связана с тем, что в отличие от известных способов не требуется никакого чередования различных томографических последовательностей на различных МР-частотах. Таким образом, можно эффективно преодолеть трудности, связанные с недостаточной силой сигнала из-за различного относительного содержания ядер различных типов.

Поскольку с каждым резонаторным элементом связан, согласно изобретению, отдельный канал передачи, можно успешно полностью управлять распределением РЧ-поля на соответствующих частотах в исследовательском объеме. Это связано с тем, что в устройстве с катушками можно создать любое мыслимое распределение тока посредством выбора амплитуды и фазы отдельных каналов передачи. С этими целями выгодно распределить резонаторные элементы на поверхности вокруг исследовательского объема. Если резонаторные элементы распределены, например, на поверхности цилиндра, то вполне возможно воспроизвести распределение поля цилиндрической решетчатой катушки параллельно на двух различных частотах. Возможно также асимметричное поперечное сечение исследовательского объема, например, с целью максимально увеличить значение градиентов магнитного поля и тем самым разрешение изображения в месте исследуемого участка тела. Тот же принцип может применяться при создании головных или поверхностных матриц из катушек МР-устройства. Амплитуда и фаза каждого отдельного канала передачи может управляться программным обеспечением МР-устройства, обеспечивая тем самым непосредственное интерактивное управление распределением РЧ-поля (РЧ-шиммирование).

Благодаря возможности выбора произвольного пространственного распределения РЧ-поля в исследовательском объеме посредством устройства с РЧ-катушками в соответствии с настоящим изобретением, на возбужденную ядерную намагниченность, соответствующую разным типам ядер, можно нанести метку посредством индивидуального пространственного кодирования; такое кодирование может, например, применяться для быстрой объемной томографии (так называемый метод Transmit SENSE).

Еще одно преимущество МР-устройства согласно изобретению заключается в том, что резонаторный элемент устройства с РЧ-катушками связан с отдельным каналом приема сигналов. Для каждого канала приема могут отдельно формироваться фрагменты изображения по обнаруженным МР-сигналам. Эти фрагменты изображения могут на последующем этапе соединяться для получения целостного изображения. Такой подход может быть выгоден потому, что, с одной стороны, улучшается отношение сигнал-шум, причем отдельные резонаторные элементы используются в этом случае в качестве синергетических катушек, работающих параллельно на двух различных частотах. С другой стороны, возможно также объединять различные изображения на основе профилей пространственной чувствительности, относящихся к отдельным резонаторным элементам, что позволяет сэкономить время измерения при проведении томографии (так называемый метод SENSE).

При практическом применении изобретения два или несколько независимых резонаторных элемента МР-устройства согласно изобретению настраиваются на одну резонансную частоту, а два или более других резонаторных элемента настраиваются на другую резонансную частоту. Предпочтительно, чтобы у резонаторных элементов, настроенных на одну резонансную частоту, отсутствовала электромагнитная связь друг с другом. Взаимная развязка резонаторных элементов может быть осуществлена посредством емкостей и индуктивностей (развязывающих фильтров), расположенных между проводниками соответствующих резонаторных элементов. Электромагнитная развязка обеспечивает подачу радиочастотного сигнала, поступающего по одному каналу передачи, только к тому резонаторному элементу, который связан с этим каналом. Аналогично РЧ-сигналы, принятые по одному из каналов приема, могут быть однозначно отнесены к соответствующему резонаторному элементу при условии наличия достаточной электромагнитной развязки.

Как указано выше, возбуждение и обнаружение МР-сигналов выполняются МР-устройством согласно изобретению посредством МР-томографической последовательности, содержащей переключаемые градиенты магнитного поля и РЧ-импульсы, генерируемые одновременно на двух или более различных МР-резонансных частотах через отдельные каналы передачи. Обнаружение МР-сигналов от исследуемого тела также осуществляется одновременно на различных частотах через отдельные каналы приема сигналов. Затем по обнаруженным параметрам сигнала восстанавливается МР-изображение, причем единое изображение может генерироваться, отображая вклады от разных типов ядер, соответствующих различным МР-резонансным частотам. Параметры томографической последовательности, то есть преимущественно форму колебаний переключаемых градиентов магнитного поля, можно первоначально выбирать для типов ядер с наименьшим гиромагнитным отношением. Затем при помощи вышеуказанных форм колебаний градиентов для всех обнаруживаемых типов ядер корректируют отдельные полосы РЧ-возбуждения и полосы дискретизации сигнала (определяющие поле обзора) для получения требуемого разрешения изображения и размера изображения. Таким образом, одна конфигурация градиентов и одно обнаружение изображения может использоваться для обнаружения МР-сигналов от двух или более типов ядер одновременно.

В соответствии с изобретением особенно выгодно, если каждый из резонаторных элементов МР-устройства многократно настраивается на две или более резонансных частоты. Для этой цели может применяться методика, раскрытая в вышеуказанном документе US 6081120. Например, при помощи системы из всего двух независимых резонаторных элементов, настраиваемых на две частоты, можно обнаруживать до четырех различных типов ядер. Кроме того, возможность настройки каждого из резонаторных элементов на множество частот выгодна тем, что для каждого резонаторного элемента можно более или менее произвольно выбирать режим работы при различных резонансных частотах на различных этапах процесса получения изображения. Например, в случае необходимости обнаруживать ядра двух типов ¹H и ¹⁹F первая группа резонаторных элементов может быть настроена на резонансную частоту ядра ¹H в течение первого периода получения изображения, а вторая группа резонаторных элементов настроена на ядро ¹⁹F. В течение второго периода получения изображения схема настройки изменяется на обратную. Первая группа резонаторных элементов настраивается на частоту ядра ¹⁹F, а вторая группа настраивается на частоту ядра ¹H. МР-сигналы, полученные в течение этих двух фаз процесса томографии, могут затем быть объединены в процессе восстановления изображения для улучшения однородности изображения.

Изобретение относится не только к устройству, но также и к способу для магнитно-резонансной томографии по меньшей мере части тела, помещенного в испытательный объем МР-устройства, при этом способ содержит этапы, на которых возбуждают ядерное намагничивание в теле посредством МР-томографической последовательности, содержащей переключаемые градиенты магнитного поля и РЧ-импульсы, причем РЧ-импульсы генерируются одновременно на двух или более различных МР-резонансных частотах посредством устройства с РЧ-катушками, содержащего множество независимых настраиваемых резонаторных элементов; одновременно принимают МР-сигналы от тела на множестве МР-резонансных частот через отдельные каналы приема сигналов, связанные с резонаторными элементами; восстанавливают МР-изображения из принятых МР-сигналов.

Известно, что различные типы ядер имеют различное (природное) относительное содержание. Обычно МР-сигналы типов ядер с более низким относительным содержанием необходимо принимать и накапливать несколько раз, чтобы получить достаточное отношение сигнал-шум. Поэтому в случае способа согласно изобретению имеет смысл многократно повторить этапы возбуждения ядерного намагничивания и приема МР-сигналов. Различные МР-изображения, соответствующие типу ядер с различным относительным содержанием, затем сознательно восстанавливаются с различной частотой повторения. Например, ядро ¹H, имеющее высокое природное относительное содержание, может успешно применяться для получения протонных изображений с более высокой частотой кадров, чем изображения, соответствующие ядрам, имеющим более низкое содержание. Как вариант, МР-изображения для типов ядер, имеющих различное относительное содержание, могут приниматься и восстанавливаться с различным разрешением изображения, учитывающим низкий уровень МР-сигнала от типов ядер, имеющих более низкое относительное содержание.

Компьютерная программа, выполненная с возможностью выполнения томографической процедуры согласно изобретению, может быть успешно реализована на обычных компьютерных аппаратных средствах, которые в настоящее время используются в клинической практике для управления магнитно-резонансными сканерами. Компьютерная программа может быть представлена на соответствующих носителях данных, таких как CD-ROM или дискета. Как вариант, она может быть загружена пользователем с Интернет-сервера.

Приложенный чертеж раскрывает предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. Однако следует иметь в виду, что чертеж служит исключительно иллюстративным целям и не накладывает ограничения на изобретение. На чертеже изображен вариант осуществления магнитно-резонансного сканера согласно изобретению.

На чертеже в виде блок-схемы приведено устройство 1 для магнитно-резонансной томографии в соответствии с изобретением. Устройство 1 содержит набор основных магнитных катушек 2 для создания стационарного и однородного основного магнитного поля и три набора градиентных катушек 3, 4 и 5 для наложения дополнительных магнитных полей с управляемой напряженностью, имеющих градиент в выбранном направлении. Как принято, направление основного магнитного поля обозначено как направление по оси Z, а два перпендикулярных ему направления обозначены как направление по оси X и направление по оси Y. Градиентные катушки 3, 4, 5 возбуждаются от источника 6 питания. Устройство 1 дополнительно содержит устройство с РЧ-катушками для генерирования РЧ-полей в исследовательском объеме 7. РЧ-устройство с катушками содержит шесть независимо настраиваемых резонаторных элементов 8, 9, 10, 11, 12, 13, которые примыкают друг к другу на цилиндрической поверхности вокруг исследовательского объема 7. Резонаторные элементы 8, 9, 10, 11, 12, 13 используются для испускания радиочастотных (РЧ) импульсов в направлении тела 14. Резонаторные элементы 8, 9, 10, 11, 12, 13 поочередно настраиваются на одну из двух различных МР-резонансных частот. Это означает, что элементы 8, 10, 12 настроены на первую МР-частоту (например, на МР-частоту ядра ¹H при соответствующей напряженности магнитного поля B₀), а элементы 9, 11, 13 настроены на вторую частоту (например, ядра ¹⁹F).

Каждый из шести резонаторных элементов 8, 9, 10, 11, 12, 13 соединен с модулем 15 РЧ-коммутации. Посредством модуля 15 коммутации соответствующий резонаторный элемент 8, 9, 10, 11, 12, 13 соединен либо с каналом 16 передачи сигналов, относящимся к соответствующему резонаторному элементу, либо с каналом 17 приема сигналов, в зависимости от режима работы устройства (либо режима передачи, либо режима приема). Для каждого резонаторного элемента 8, 9, 10, 11, 12, 13 в МР-устройстве 1 имеется индивидуальный канал 16 передачи (каждый из которых включает усилитель мощности, поочередно работающий на одной из двух МР-частотах) и канал 17 приема сигналов (каждый из которых включает чувствительный предусилитель, демодулятор и цифровой блок дискретизации, поочередно работающие на одной из двух МР-частотах). Управление каналом 16 передачи и источником 6 питания для градиентных катушек 3, 4 и 5 осуществляется системой 18 управления, которая вырабатывает фактическую томографическую последовательность в соответствии с вышеописанным изобретением. Система управления обычно представляет собой микрокомпьютер с памятью и программным управлением. Для практической реализации изобретения оно содержит программное обеспечение с описанием процедуры томографии, причем РЧ-имупульсы генерируются одновременно на первой частоте при помощи резонаторных элементов 8, 10, 12 и на второй частоте при помощи резонаторных элементов 9, 11, 13. Канал 17 приема сигналов соединен с блоком 19 обработки данных, например с компьютером, для преобразования принятых магнитно-резонансных сигналов в изображение. Это изображение можно сделать видимым, например, на устройстве 20 визуального отображения.

1. МР-устройство для магнитно-резонансной томографии тела (14), помещенного в исследовательский объем (7), устройство (1) содержитосновной магнит (2) для создания стационарного и, по существу, однородного основного магнитного поля в исследовательском объеме (7), иустройство с РЧ-катушками для генерирования РЧ-полей в исследовательском объеме (7) и (или) для приема МР-сигналов от тела (14), причемустройство с РЧ-катушками содержит множество независимых резонаторных элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13), которые расположены, прилегая друг к другу, в исследовательском объеме (7) или вблизи него;прилегающие резонаторные элементы (8, 9, 10, 11, 12, 13) поочередно настроены на одну из двух или более различных МР-резонансных частот, икаждый резонаторный элемент (8, 9, 10, 11, 12, 13) связан с отдельным каналом (16) передачи сигналов и (или) каналом (17) приема сигналов МР-устройства (1),причем устройство (1) дополнительно выполнено с возможностьюустанавливать параметры последовательности переключаемых градиентов магнитного поля, как требуется в зависимости от разрешения изображения для типов ядер с более низким гиромагнитным отношением;регулировать параметры последовательности РЧ-импульсов и полосу приема МР-сигналов для обоих типов ядер на основе вышеопределенных параметров переключаемых градиентов магнитного поля.

2. МР-устройство по п.1, в котором резонаторные элементы (8, 9, 10, 11, 12, 13) распределены по поверхности, окружающей исследовательский объем (7).

3. МР-устройство по п.2, в котором резонаторные элементы (8, 9, 10, 11, 12, 13) распределены по поверхности цилиндра.

4. МР-устройство по п.2, в котором исследовательский объем (7) имеет асимметричное поперечное сечение.

5. МР-устройство по любому из пп.1-4, в котором резонаторные элементы (8, 9, 10, 11, 12, 13) образуют головную или поверхностную матрицу катушек.

6. МР-устройство по п.1, в котором два или более независимых резонаторных элемента (8, 9, 10, 11, 12, 13) настроены на одну и ту же МР-резонансную частоту.

7. МР-устройство по п.6, в котором резонаторные элементы (8, 9, 10, 11, 12, 13), настроенные на одну и ту же МР-резонансную частоту, электромагнитно не связаны друг с другом.

8. МР-устройство по п.1, в котором устройство (1) дополнительно содержит градиентные катушки (3, 4, 5) для генерации градиентов магнитного поля в исследовательском объеме (7), причем устройство выполнено с возможностьювозбуждать ядерное намагничивание в теле (14) посредством МР-томографических последовательностей, содержащих переключаемые градиенты магнитного поля и РЧ-импульсы, генерируемые одновременно на двух или более различных МР-резонансных частотах через отдельные каналы (16) передачи сигналов,принимать МР-сигналы от тела одновременно на двух или более различных МР-резонансных частотах через отдельные каналы (17) приема сигналов,воссстанавливать МР-изображение из принятых МР-сигналов.

9. МР-устройство по п.8, в котором устройство (1) дополнительно выполнено с возможностью восстанавливать единое МР-изображение с отображением вкладов от разных типов ядер, соответствующих различным МР-резонансным частотам в теле (14).

10. МР-устройство по п.9, в котором каждый из резонаторных элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13) многократно настраивается на две или более резонансных частоты.

11. Способ для МР-томографии по меньшей мере одной части тела (14), помещенного в исследовательский объем (7) МР-устройства (1), способ содержит следующие этапы:возбуждают ядерное намагничивание тела (14) посредством МР-томографической последовательности, содержащей переключаемые градиенты магнитного поля и РЧ-импульсы, причем РЧ-импульсы генерируются одновременно на двух или более различных МР-резонансных частотах посредством устройства с РЧ-катушками, содержащего множество независимо настраиваемых резонаторных элементов (8, 9, 10, 11, 12, 13),одновременно принимают МР-сигналы от тела (14) на двух или более различных МР-резонансных частотах через отдельные каналы (17) приема сигналов, связанных с резонаторными элементами,восстанавливают МР-изображение из принятых МР-сигналов,причем способ дополнительно содержит следующие этапы, выполняемые перед возбуждением ядерного намагничивания и приемом МР-сигналов:устанавливают параметры последовательности переключаемых градиентов магнитного поля, как запрашивается в зависимости от разрешения изображения для типов ядер, соответствующих более низкой МР-резонансной частотепосле этого определяют параметры последовательности РЧ-импульсов и полосу приема МР-сигнала для всех типов ядер на основе вышеопределенных параметров переключаемых градиентов магнитного поля.

12. Способ по п.11, в котором резонаторные элементы (8, 9, 10, 11, 12, 13) расположены, примыкая друг к другу, в исследовательском объеме (7) или вблизи него и поочередно настроены на одну из двух или более различных МР-резонансных частот.

13. Способ по п.11 или 12, в котором этапы возбуждения ядерного намагничивания и приема МР-сигналов многократно повторяют, и в котором различные МР-изображения, соответствующие типам ядер с различным относительным содержанием, восстанавливают с различной частотой повторения.

14. Машиночитаемый носитель, на котором хранятся исполняемые компьютером команды, чтобы заставить компьютер осуществлять способ магнитно-резонансной томографии, содержащий этапы на которых:генерируют МР-томографическую последовательность, содержащую переключаемые градиенты магнитного поля и РЧ-импульсы, причем РЧ-импульсы генерируются одновременно на двух или более различных МР-резонансных частотах;обрабатывают МР-сигналы, принятые одновременно на двух или более различных МР-резонансных частотах через отдельные каналы приема сигналов, связанные с независимо настраиваемыми резонаторными элементами устройства с РЧ-катушками;восстанавливают МР-изображения из принятых МР-сигналов;устанавливают параметры последовательности переключаемых градиентов магнитного поля, как запрашивается в зависимости от разрешения изображения для типов ядер, соответствующих более низкой МР-резонансной частотеопределяют параметры последовательности РЧ-импульсов и полос приема МР-сигнала для всех типов ядер на основе вышеопределенных параметров переключаемых градиентов магнитного поля.