Adaptive receiver arrays for magnetic resonance imaging

Abstract

In den letzten zwanzig Jahren hat sich die Magnetresonanztomographie (MRT) zu einer der wichtigsten und vielseitigsten klinischen Untersuchungsmethoden entwickelt, da sich mit ihrer Hilfe nichtinvasiv unterschiedliche Arten von Informationen aus dem Inneren des menschlichen Körpers mit hoher räumlicher Auflösung und ausgezeichnetem Weichteilkontrast gewinnen lassen. Das zugrunde liegende Prinzip ist die elektromagnetische Anregung von Atomkernen. Die so entstehende oszillierende Magnetisierung erzeugt Signale im Bereich von Radiofrequenzen (RF), die beispielweise mit Hilfe von elektrisch leitenden Schleifen, sogenannten Spulen, empfangen werden können. Seit den 90er Jahren werden Arrays solcher Empfangsspulen für die MRT benutzt. Ursprünglich wurden sie eingeführt, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des empfangenen Signals zu steigern. Später wurden die Vorteile der Mehrkanal- Detektion durch Entwicklung der parallelen Bildgebung dazu genutzt, die Untersuchungszeit zu verkürzen. Neuere theoretische und experimentelle Arbeiten zeigen, dass zur optimalen Nutzung der Array- Detektion das Objekt von einer großen Zahl von kleinen Oberflächenspulen abgedeckt werden sollte. Ein optimales Ergebnis in Hinblick auf SNR mit einfacher Handhabung des Spulenarrays zu kombinieren wird jedoch umso schwieriger je grösser die Anzahl der Empfangsspulen ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, Möglichkeiten zu untersuchen, diesen Herausforderungen zu begegnen. Dabei steht die Idee im Mittelpunkt, Empfangsspulenarrays für die MRT so zu konstruieren, dass sie sich durch Änderung der Grösse und Form der Spulenelemente und der Position der Spulenelemente relativ zueinander geometrisch an das Objekt anpassen können. Dadurch können die Spulen unabhängig von Form und Grösse des Objektes so nah wie möglich an der Oberfläche platziert und damit die Sensitivität gesteigert werden. Der zugrunde liegende Mechanismus muss sich einfach bedienen lassen und bequem für den Patienten sein. Geometrische Anpassungsfähigkeit führt aber auch im Zusammenhang mit der Elektronik, insbesondere in Bezug auf die Abstimmung der einzelnen Spulen, die Impedanzanpassung sowie die Rauscheigenschaften der Signalverstärkung zu einer Reihe von Herausforderungen. Zunächst wird eine neue Methode zur Charakterisierung der RFVorverstärker insbesondere im Hinblick auf deren Rauscheigenschaften vorgestellt. Die Impedanz am Eingang des Vorverstärkers kann sich bedingt durch unterschiedliche Beladung des Spulenarrays, Kopplung zwischen den Spulenelementen und verstärkte Wechselwirkungen zwischen Spulen und Objekt signifikant ändern. Da die Rauschzahl geeigneter Vorverstärker stark von der Impedanz am Eingang und der Messfrequenz abhängt, muss sie für verschiedene komplexe Impedanzen gemessen werden. Der Frequenzbereich reicht dabei von 42 MHz für klinische Niederfeldgeräte (1.0 T) bis zu 298 MHz für Forschungssysteme mit einer Feldstärke von 7.0 T. Dieser Frequenzbereich stellt eine der größten Herausforderungen dar, da Geräte für die Messung von Rauschzahlen wie beispielsweise Impedanz-Tuner für Frequenzen unterhalb von 500 MHz kommerziell nicht erhältlich sind. Dies liegt daran, dass solche Tuner in der Regel auf Transmission-Line-Technologie beruhen und damit nur schwer bei niedrigeren Frequenzen zu realisieren sind. Daher wurde eine andere Lösung entwickelt, die eine Halbleiterrauschquelle mit Netzwerken aus Widerständen, Kondensatoren und Spulen kombiniert. Dadurch entstehen Schaltungen variabler Impedanz und verstellbarer effektiver Rauschtemperatur. Die daraus resultierende Methode der Rauschzahlmessung wird sowohl durch die Übereinstimmung mit einem theoretischen Modell als auch durch MRT-basierte SNRMessungen überprüft. Als erster Schritt auf dem Weg zu anpassungsfähigen Empfangsspulenarrays wird der Bau eines mechanisch verstellbaren Arrays für MRT des Handgelenks bei 3.0 T beschrieben. Es kann sich Handgelenken unterschiedlicher Größe anpassen, indem der Abstand zwischen dem Handgelenk und den konisch angeordneten Elementen des Arrays verändert werden kann. Verschiedene Maßnahmen im Bereich des elektronischen Designs dieser Detektoren stellen sicher, dass trotz Veränderungen in der Beladung der Spulenelemente und der Kopplung untereinander, die sich aus der geometrischen Variabilität ergeben, gute Ergebnisse in robuster Art und Weise erzielt werden können. Mit Hilfe von SNR-Messungen in Abhängigkeit von der Impedanzanpassung, Messung unterschiedlich grosser Phantome sowie in-vivo Messungen von unterschiedlich großen Handgelenken werden die Vorteile dieses Ansatzes aufgezeigt. Das SNR von MRT-Experimenten skaliert etwa proportional zur Stärke des Hauptmagnetfeldes. Daher verspricht der Übergang von 3.0 T zu 7.0 T einen erheblichen Gewinn an Sensitivität, insbesondere für die Bildgebung des Handgelenks, das eine große Anzahl von kleinen, aber klinisch relevante Strukturen in einem kleinen Volumen vereint. Allerdings ist diese Vorhersage ist nicht einfach zu überprüfen. Eine der häufigsten Schwierigkeiten beim Vergleich von MRT bei verschiedenen Feldstärken ist die Tatsache, dass selten vergleichbare Spulenarrays auf beiden Systemen vorhanden sind. Um diesem Problem zu begegnen und die Vorteile der klinischen 7.0 T-Bildgebung des Handgelenkes im Vergleich zu 3.0 T zu untersuchen, wurde ein mechanisch verstellbares Spulenarray für MRT bei 7.0 T gebaut. Es ist geometrisch identisch mit der zuvor erwähnten Version für 3.0 T, jedoch im Bereich der Elektronik auf die grössere Resonanzfrequenz von 298 MHz bei 7.0 T angepasst. Die Handgelenke von 10 gesunden Probanden wurden nacheinander mit beiden Systemen gemessen und qualitativ von zwei unabhängigen Radiologen beurteilt. Die quantitative SNR-Analyse ergab ein bis zu 2-fach erhöhtes SNR bei 7.0 T im Vergleich zu 3.0 T. Allerdings hängt der SNR-Gewinn stark von der untersuchten Struktur und der Art des Gewebes ab. Die ultimative Lösung in Bezug auf die Anpassungsfähigkeit ist ein Spulenarray, dessen Elemente ihre Größe, Form und Anordnung durch Dehnung ändern und somit automatisch so nahe wie möglich an der Oberfläche des Objektes platziert werden. Das grundlegende Problem dieses Ansatzes, dehnbare elektrische Leiter mit genügend hoher Leitfähigkeit zu finden, wird durch die Verwendung metallischer Geflechte gelöst. Für einzelne Spulenelemente sowie für ein Spulenarray aus vier Elementen werden verschiedene Leitermaterialien sowie der Einfluss der Dehnung auf das SNR untersucht. Schliesslich wird die erfolgreiche Implementierung eines aus acht Spulenelementen bestehenden dehnbaren Arrays gezeigt. Dabei wurden zum ersten Mal Bilder bei verschiedenen Beugungswinkeln des Knies aufgenommen. Hierbei handelt es sich um eine vielversprechende orthopädische Anwendung, die sich mit den derzeitigen, starren Spulenarrays nicht realisieren lässt