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DE102020005044A1 - Coil array and its use - Google Patents

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DE102020005044A1
DE102020005044A1 DE102020005044.1A DE102020005044A DE102020005044A1 DE 102020005044 A1 DE102020005044 A1 DE 102020005044A1 DE 102020005044 A DE102020005044 A DE 102020005044A DE 102020005044 A1 DE102020005044 A1 DE 102020005044A1
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DE
Germany
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coil
coil array
until
array according
coils
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102020005044.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Chang-Hoon Choi
Jörg Felder
Suk Min Hong
Stefan Schwan
Philipp Säuberlich
Aleksandr Dmitriev
Celik Abdullah
Nadim Jon Shah
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority to DE102020005044.1A priority Critical patent/DE102020005044A1/en
Priority to EP21772666.0A priority patent/EP4200626A1/en
Priority to PCT/DE2021/000132 priority patent/WO2022037737A1/en
Publication of DE102020005044A1 publication Critical patent/DE102020005044A1/en
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    • G01R33/20Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/32Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/34Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
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    • GPHYSICS
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    • G01R33/34Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR
    • G01R33/341Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils
    • G01R33/3415Constructional details, e.g. resonators, specially adapted to MR comprising surface coils comprising arrays of sub-coils, i.e. phased-array coils with flexible receiver channels

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spulenarray das mindestens zwei Spulenelemente besitzt und bei dem mindestens ein Spulenelement gebogen und nicht geschlossen ist, so dass ein Zugang von mindestens einer Zuleitung zu einem zu untersuchenden Objekt ermöglicht wird und dessen Verwendung.

Figure DE102020005044A1_0000
The invention relates to a coil array which has at least two coil elements and in which at least one coil element is bent and not closed, so that access from at least one supply line to an object to be examined is made possible and its use.
Figure DE102020005044A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Spulenarray und dessen Verwendung.The invention relates to a coil array and its use.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist eines der leistungsstärksten, nicht-invasiven medizinischen Bildgebungsmodalitäten, die im klinischen Alltag Anwendung findet. Während der letzten zehn Jahre, haben enorme technologische Fortschritte die Bildqualität erheblich erhöht und damit viele klinische Anwendungen verbessert. Jedes MRT System besteht aus einer Reihe von Teilsystemen, welche dezidierte Funktionen ausführen, die für die MR Bildaufnahme eines Objektes notwendig sind. Als eine der wesentlichen Magnetresonanz-(MR-) Komponenten spielt das Radiofrequenz- (RF-) System eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung von RF-Anregungsimpulsen und beim Empfang des MR Signals.Magnetic resonance imaging (MRI) is one of the most powerful non-invasive medical imaging modalities used in everyday clinical practice. Over the past decade, tremendous technological advances have significantly improved image quality, thereby improving many clinical applications. Every MRI system consists of a number of subsystems that perform dedicated functions that are necessary for the MR image acquisition of an object. As one of the essential magnetic resonance (MR) components, the radio frequency (RF) system plays a key role in generating RF excitation pulses and receiving the MR signal.

Für den Signalempfang ist es vorteilhaft, eine RF-Spule so nahe wie möglich am Objekt zu positionieren, da so ein bestmöglicher Füllfaktor und damit höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) erreicht wird. Das SNR steigt ungefähr proportional zur Hauptmagnetfeldstärke (B0) [1]. So erhält man z.B. eine zweimal höhere SNR, wenn das B0 von 1,5 Tesla auf 3 Tesla erhöht wird. Die Auswahl einer RF-Spule richtet sich in der Regel nach den gewünschten klinischen Anwendungen. Die zu berücksichtigenden Hauptaspekte sind dabei der Bild- bzw. Untersuchungsbereich (FOV, „field-of-view“), die räumliche Auflösung, die Empfindlichkeit und die Fähigkeit zur parallelen Bildgebung. Es wurden RF-Spulen für jedes zu untersuchende Volumen (VOI, „volume-of-interest“) konstruiert, was die Anschaffung einer Reihe von teuren RF-Spulen erfordert, um die Bildgebung verschiedener Körperteile abzudecken.For signal reception, it is advantageous to position an RF coil as close as possible to the object, since this achieves the best possible fill factor and thus a higher signal-to-noise ratio (SNR). The SNR increases approximately in proportion to the main magnetic field strength (B 0 ) [1]. For example, the SNR is twice as high if the B 0 is increased from 1.5 Tesla to 3 Tesla. The selection of an RF coil is usually based on the desired clinical applications. The main aspects to consider are the field of view (FOV), spatial resolution, sensitivity and parallel imaging capability. RF coils were constructed for each volume of interest (VOI), requiring the purchase of a number of expensive RF coils to cover the imaging of different body parts.

Es gibt mehrere konventionelle Spulen, die für die Bildgebung insbesondere des kindlichen Gehirns verwendet werden können. Hughes et al. änderten die Größe einer herkömmlichen Birdcage-Spule und passten sie an den Kopf des Säuglings bei 3 Tesla an [2]. Auf diese Weise konnte die MR-Bildqualität im Vergleich zur Verwendung von regulär verfügbaren Erwachsenenspulen verbessert werden. Zur Verbesserung der Spulenempfindlichkeit und um bei höherem B0 eingesetzt werden zu können, werden häufig Mehrkanal-Array-Spulen verwendet [3] [4] [5]. Ein spezieller Spulentyp, wie z.B. ein 8-Kanal- Rechteckschleifen-Array, wird oft als Referenzspule gewählt, um die Leistung neu entwickelter Arrays zu bewerten [6] [7] die auch für Kopfuntersuchungen an Säuglingen bei 7 Tesla verwendet werden können.There are several conventional coils that can be used for imaging, particularly of the infant brain. Hughes et al. resized a conventional birdcage coil and fitted it to the infant's head at 3 Tesla [2]. In this way, the MR image quality could be improved compared to the use of commonly available adult coils. Multi-channel array coils are often used to improve the coil sensitivity and to be able to be used at higher B 0 [3] [4] [5]. A specific type of coil, such as an 8-channel square loop array, is often chosen as a reference coil to evaluate the performance of newly developed arrays [6] [7] that can also be used for infant head studies at 7 Tesla.

Üblicherweise werden Birdcage Spulen und Mehrkanal-Loop Arrays auf zylindrischen Gehäusen montiert. Dadurch wird die Zugänglichkeit, insbesondere zu Leitungen bzw. Schläuchen für Anästhesie, für die künstliche Ernährung oder Beatmungshilfen von Säuglingen, erheblich eingeschränkt [8] [9]. Um dieses Problem zu vermeiden, muss der Durchmesser der Spule oder des Arrays zwangsläufig vergrößert werden, was zu einem schlechten Füllfaktor und damit zu einer Verschlechterung des SNR führt. Reine Mehrkanal-Empfangs-Arrays können oftmals geometrisch flexibler gestaltet werden und dadurch ohne das Problem der beschränkten Zugänglichkeit zusammen mit einer Körperspule verwendet werden. Körperspulen sind üblicherweise in Kernspintomographen bis zu 3 Tesla, nicht aber bei Feldstärken von 7 Tesla oder höher installiert.Birdcage coils and multi-channel loop arrays are usually mounted on cylindrical housings. This significantly restricts access, especially to lines or hoses for anesthesia, artificial feeding or respiratory aids for infants [8] [9]. In order to avoid this problem, the diameter of the coil or array must inevitably be increased, resulting in a poor fill factor and hence a deterioration in SNR. Pure multi-channel receiving arrays can often be designed to be geometrically more flexible and can therefore be used together with a body coil without the problem of restricted accessibility. Body coils are usually installed in MRI scanners up to 3 Tesla, but not at field strengths of 7 Tesla or higher.

Aufgrund der von der Wellenlänge vorgegebenen geometrischen Länge von Dipolen werden diese trotz des Vorteils einer höheren Eindringtiefe in Gewebe eher in MRT's mit einer Feldstärke von 7 Tesla oder mehr eingesetzt [10]. Lakshmanan et al. [11] modifizierten die gerade Dipolantenne, indem sie sie in „Schleifenform“ bogen und die Enden mit einem Kondensator überbrückt. Dadurch erreichten sie, dass sich sowohl die Stromverteilung einer konventionellen Spule als auch diejenige einer Dipol-Antenne überlagern können.Due to the geometric length of dipoles, which is determined by the wavelength, they are more likely to be used in MRIs with a field strength of 7 Tesla or more, despite the advantage of a greater penetration depth in tissue [10]. Lakshmanan et al. [11] modified the straight dipole antenna by bending it into a "loop shape" and bridging the ends with a capacitor. This enabled them to superimpose both the current distribution of a conventional coil and that of a dipole antenna.

Bo-Shimming Probleme ergeben sich bei MRT Messungen des Gehirns hauptsächlich durch Suszeptibilitätsunterschiede zwischen Luft und biologischem Gewebe und sind deshalb besonders im Bereich der luftgefüllten Körperkavitäten wie Mund, Nase und Nasennebenhölen ausgeprägt. In diesem Bereich kann das B0 Feld daher oft nicht mittels konventioneller Shim-Methoden hinreichend homogenisiert werden.Bo-shimming problems arise in MRI measurements of the brain mainly due to differences in susceptibility between air and biological tissue and are therefore particularly pronounced in the area of air-filled body cavities such as the mouth, nose and paranasal sinuses. In this area, the B 0 field often cannot be sufficiently homogenized using conventional shim methods.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung ein Spulenarray für die Magnetresonanztomographie zu Verfügung zu stellen, welches bei VOI's wie Probanden und Patienten, vorzugsweise Kindern, insbesondere Säuglingen oder Kleinkindern aber auch Affen, sowie biologischem Gewebe, eingesetzt werden kann. Insbesondere soll bei dem Spulenarray ein guter, bzw, freier Zugang von Zuführungen, wie Leitungen oder Schläuchen, beispielsweise für die Anästhesie, künstliche Ernährung oder Beatmung, sowie anderen Patientenanschlüssen, wie Kabeln oder Sonden, beispielsweise zur Messung, ermöglicht werden ohne den Füllfaktor zu reduzieren. Das erfindungsgemäße Spulenarray soll eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere ein hohes Signal-Rauschverhältnis, insbesondere im Bereich des Gehirns ermöglichen und B0-Shimming Probleme, insbesondere im Bereich von luftgefüllten Kavitäten, wie beispielsweise der Nasenhöhlen, beispielsweise beim Gehirn-MRT verringern.
Weiterhin soll ein möglichst kleiner Durchmesser der Spule, bzw. des Spulenarrays ermöglicht werden, der Füllfaktor vergrößert, und ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis ermöglicht werden, insbesondere, wenn kleine Untersuchungsobjekte, wie der Kopf von Kindern oder Säuglingen oder Affen aber auch biologischem Gewebe magnetresonanztomographisch untersucht werden soll. Die Eindringtiefe der RF-Felder soll verbessert werden. Insbesondere soll das Spulenarray die Vermessung von zu untersuchenden Volumina, VOI, ermöglichen, welche kleiner sind als der Standardkopf eines Erwachsenen. Das Spulenarray soll auch für die Magnetresonanztomographie und die Magnetresonanzspektroskopie geeignet sein.
It is therefore the object of the invention to provide a coil array for magnetic resonance tomography which can be used with VOIs such as subjects and patients, preferably children, in particular infants or small children, but also monkeys and biological tissue. In particular, the coil array should allow good or free access to supply lines, such as lines or hoses, for example for anesthesia, artificial nutrition or ventilation, and other patient connections, such as cables or probes, for example for measurement, without reducing the fill factor . The coil array according to the invention should enable high sensitivity, in particular a high signal-to-noise ratio, in particular in the area of the brain and reduce B 0 shimming problems, in particular in the area of air-filled cavities such as the nasal cavities, for example in brain MRT.
Furthermore, the smallest possible diameter of the coil or the coil array should be made possible, the fill factor is increased, and a good signal-to-noise ratio is made possible, especially when small objects to be examined, such as the heads of children or infants or monkeys, but also biological tissue, are to be examined by magnetic resonance imaging. The penetration depth of the RF fields should be improved. In particular, the coil array should enable the measurement of volumes to be examined, VOI, which are smaller than the standard adult head. The coil array should also be suitable for magnetic resonance imaging and magnetic resonance spectroscopy.

Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruch 1 angegebenen Merkmale.Based on the preamble of claim 1, the object is achieved according to the invention by the features specified in the characterizing part of claim 1.

Mit dem erfindungsgemäßen Spulenarray ist es nunmehr möglich, bei VOI', wie Probanden und Patienten, vorzugsweise Kinder, insbesondere Säuglinge oder Kleinkinder, Affen, insbesondere deren Köpfe aber auch biologischem Gewebe magnetresonanztomographisch zu untersuchen, wobei ein guter, bzw. freier Zugang von Zuführungen, wie Leitungen oder Schläuchen, beispielsweise für die Anästhesie, die künstliche Ernährung oder Beatmung , sowie anderen Patientenanschlüssen, wie Kabeln oder Sonden, beispielsweise zur Messung, ermöglicht wird, ohne den Füllfaktor zu reduzieren oder die Gefahr des Abknickens der Schläuche zu verursachen. Das erfindungsgemäße Spulenarray hat eine hohe Empfindlichkeit, insbesondere ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis insbesondere auch im Bereich von luftgefüllten Kavitäten, beispielsweise der Stirn und keine oder verringerte B0-Shimming Probleme, insbesondere im Bereich der Nasenhöhlen, beispielsweise beim Gehirn-MRT. Der Füllfaktor des Spulenarrays wird vergrößert. Die Eindringtiefe der RF-Felder in das zu untersuchende Objekt wird verbessert und hochwertigere Bilder aus tiefen Regionen werden ermöglicht. Insbesondere ermöglicht das Spulenarray die Vermessung von zu untersuchenden Volumina, VOI, welche kleiner sind als der Standardkopf eines Erwachsenen. Das erfindungsgemäße Spulenarray kann auch für die Magnetresonanztomographie und die Magnetresonanzspektroskopie verwendet werden.With the coil array according to the invention, it is now possible to examine VOI', such as test persons and patients, preferably children, in particular babies or small children, monkeys, in particular their heads, but also biological tissue by magnetic resonance imaging, with good or free access to feeds, such as lines or hoses, e.g. for anesthesia, artificial nutrition or ventilation, as well as other patient connections, such as cables or probes, e.g. for measurement, is made possible without reducing the fill factor or causing the risk of the hoses kinking. The coil array according to the invention has high sensitivity, in particular a high signal-to-noise ratio, especially in the area of air-filled cavities, for example the forehead, and no or reduced B 0 shimming problems, especially in the area of the nasal cavities, for example in brain MRT. The fill factor of the coil array is increased. The penetration depth of the RF fields into the object to be examined is improved and higher-quality images from deep regions are made possible. In particular, the coil array enables the measurement of volumes to be examined, VOI, which are smaller than the standard adult head. The coil array according to the invention can also be used for magnetic resonance tomography and magnetic resonance spectroscopy.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Im Folgenden wird die Erfindung in ihrer allgemeinen Form beschrieben, ohne dass dies einschränkend ausgelegt werden soll.In the following, the invention is described in its general form without this being intended to be restrictive.

Erfindungsgemäß besteht das Spulenarray aus mindestens zwei Spulenelementen, von denen mindestens ein Spulenelement gebogen und offen ist, so dass ein Zugang von Zuführungen, wie mindestens einem Schlauch oder anderweitigem Patientenanschluss zu einem zu untersuchenden Objekt ermöglicht wird.
Diese Ausgestaltung des Spulenarrays hat die Folge, dass die Probleme mit dem, Bo-Shimming insbesondere in der Nähe der Nasenhöhlen verringert, werden.
Dadurch, dass mindestens ein Spulenelement gebogen und offen ist, wird ermöglicht, dass einem Probanden oder einem Patienten, insbesondere einem Kleinkind oder Säugling, oder Affen, insbesondere deren Köpfen oder biologischem Gewebe, Zuführungen, wie Beatmungsschläuche, und/oder Schläuche für die Anästhesie und/oder die künstliche Ernährung, sowie andere Anschlüsse, wie beispielsweise Patientenanschlüsse, wie Kabel oder Sonden, beispielsweise zur Messung, gut zugeführt werden können. Insbesondere bei kleinen zu untersuchenden Objekten, wie Kindern, Kleinkindern, Säuglingen oder Affen, insbesondere deren Köpfen, können bessere Bilder erzeugt werden, die insbesondere ein gutes Signal-zu-Rauschverhältnis haben, da das erfindungsgemäße Spulenarray baulich kleiner ausgeführt werden kann, obwohl ein guter Zugang von Leitungen ermöglicht wird.
Im Allgemeinen verursacht der Bereich der luftgefüllten Kavitäten, z.B. Mund, Nase und Nasenhöhlen im Gehirn-MRT immer ein B0-Shimming Problem. Auf die erfindungsgemäße Weise wird daher eine höhere Empfindlichkeit im Bereich der Stirn erhalten und die Störung im Zusammenhang mit dem Bo-Shimming in der Nähe luftgefüllter Kavitäten verringert. Ein wesentliches Kennzeichen des gebogenen offenen Dipols ist seine höhere Empfindlichkeit im Bereich der Einspeisung und die Abnahme der Empfindlichkeit zum Rand der Dipolantenne hin.
According to the invention, the coil array consists of at least two coil elements, of which at least one coil element is curved and open, so that access from leads, such as at least one hose or other patient connection, to an object to be examined is made possible.
This configuration of the coil array has the consequence that the problems with bo-shimming, especially in the vicinity of the nasal cavities, are reduced.
The fact that at least one coil element is curved and open makes it possible for a subject or a patient, in particular a small child or infant, or monkeys, in particular their heads or biological tissue, to be supplied with supplies such as ventilation hoses and/or hoses for anesthesia and /or the artificial nutrition, as well as other connections, such as patient connections, such as cables or probes, for example for measurement, can be supplied well. Especially with small objects to be examined, such as children, small children, infants or monkeys, especially their heads, better images can be generated, which in particular have a good signal-to-noise ratio, since the coil array according to the invention can be made structurally smaller, although a good one Cable access is allowed.
In general, the area of the air-filled cavities, eg mouth, nose and nasal cavities, always causes a B 0 shimming problem in brain MRI. In the manner according to the invention, therefore, a higher sensitivity is obtained in the region of the forehead and the disturbance associated with Bo-shimming in the vicinity of air-filled cavities is reduced. An essential feature of the bent open dipole is its higher sensitivity in the feed area and the decrease in sensitivity towards the edge of the dipole antenna.

Unter einer Öffnung im Sinne der Erfindung wird eine Unterbrechung der Spule oder eine Lücke in der Spule verstanden, die zur Folge hat, dass die Spule keine geschlossene Geometrie hat. So wird der Zugang von Leitungen oder Schläuchen, beispielsweise für die Anästhesie, die künstliche Ernährung oder Beatmung, sowie anderen Anschlüssen bzw. Patientenanschlüssen, wie Kabeln oder Sonden, beispielsweise zur Messung, ermöglicht.An opening within the meaning of the invention is understood to mean an interruption in the coil or a gap in the coil, which results in the coil not having a closed geometry. This allows access to lines or hoses, for example for anesthesia, artificial nutrition or respiration, as well as other connections or patient connections, such as cables or probes, for example for measurement.

Andere Spulenelemente können geschlossen sein. Bei diesen geschlossenen Spulen kann es sich um Oberflächenspulen oder Schleifenspulen handeln. Diese Spulen weisen keine Öffnungen auf und sind geschlossen.
Das hat den Vorteil, dass entlang der Längsachse des Körpers oder des zu untersuchenden Objekts bzw. der Längsachse des Raumes, der von dem Spulenarray umschlossen wird, eine höhere Ausdehnung des sensitiven Bereichs erreicht werden kann.
Other coil elements can be closed. These closed coils can be surface coils or loop coils. These coils have no openings and are closed.
This has the advantage that a greater extension of the sensitive area can be achieved along the longitudinal axis of the body or the object to be examined or the longitudinal axis of the space enclosed by the coil array.

Als zu untersuchendes Objekt im Sinne der Erfindung kann ein Proband oder Patienten, vorzugsweise Kinder, insbesondere Säuglinge oder Affen, sowie insbesondere deren Köpfe, aber auch biologisches Gewebe verstanden werden.A subject or patient, preferably children, in particular infants or monkeys, and in particular their heads, but also biological tissue can be understood as an object to be examined within the meaning of the invention.

Unter Zuführungen im Sinne der Erfindung können alle möglichen Zuleitungen, wie Beatmungsschläuche, und/oder Schläuche für die Anästhesie und/oder die künstliche Ernährung, sowie andere Anschlüsse, insbesondere Patientenanschlüsse, oder andere Zuleitungen, wie Kabel oder Sonde, beispielsweise zur Messung, verstanden werden.Leads within the meaning of the invention can be understood to mean all possible feed lines, such as ventilation hoses and/or hoses for anesthesia and/or artificial nutrition, as well as other connections, in particular patient connections, or other feed lines, such as cables or probes, for example for measurement .

Damit das gebogene, offene Spulenelement eine gute Versorgung mit mindestens einer Zuführung oder den genannten Schläuchen oder Kabeln ermöglicht, kann es eine Öffnung in der Größenordnung von wenigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern haben und orientiert sich vorteilhaft an dem Durchmesser der vorgesehenen Schläuche/Patientenanschlüsse. Beispielsweise kann die Unterbrechung bzw. Öffnung 1 mm bis 20 cm oder 30 cm betragen. Die Größe der Unterbrechung ist aber frei wählbar und kann der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Arrays angepasst werden.So that the curved, open coil element enables a good supply of at least one supply or the hoses or cables mentioned, it can have an opening in the order of a few millimeters to a few centimeters and is advantageously based on the diameter of the hoses/patient connections provided. For example, the interruption or opening can be 1 mm to 20 cm or 30 cm. However, the size of the interruption can be freely selected and can be adapted to the embodiment of the array according to the invention.

Das erfindungsgemäße Spulenarray kann eine Mehrzahl von Spulenelementen haben. So kann es beispielsweise 3, 4, 5, 6 oder mehr beispielsweise bis zu 16 oder 32 einzelne Spulenelemente besitzen. Es sind jedoch auch Formen mit mehr als 32 Elementen möglich.The coil array according to the invention can have a plurality of coil elements. For example, it can have 3, 4, 5, 6 or more, for example up to 16 or 32 individual coil elements. However, shapes with more than 32 elements are also possible.

Vorzugsweise umschließt das erfindungsgemäße Spulenarray das zu untersuchende Objekt vollständig oder in einer zylindrischen Anordnung um das zu untersuchende Objekt herum. Dabei kann der Zylinder sich vorteilhaft konisch zu einem Kegel oder Kegelstumpf verjüngen, wodurch eine bessere Abdeckung des zu untersuchenden Objekts, beispielsweise des oberen Kopfes zu erzielt wird. Die Spulenelemente können entlang des Zylinderumfangs der eine Z-Achse umschließt, in einer Reihe angeordnet sein und/oder den Umfang oder die Rotationsachse des Zylinders, des Kegels oder Kegelstumpfes umschließen bzw. entlang des Umfangs so angeordnet sein, dass sie ihn wenigstens teilweise umschließen.The coil array according to the invention preferably encloses the object to be examined completely or in a cylindrical arrangement around the object to be examined. In this case, the cylinder can advantageously taper conically into a cone or truncated cone, as a result of which better coverage of the object to be examined, for example the upper head, is achieved. The coil elements can be arranged in a row along the circumference of the cylinder which encloses a Z-axis and/or enclose the circumference or the axis of rotation of the cylinder, cone or truncated cone or be arranged along the circumference in such a way that they at least partially enclose it.

Alternativ lassen sich die Elemente wahlfrei anordnen, z. B. in mehreren Reihen entlang des Zylinderumfangs bzw. Umfangs des Kegelstumpfes oder in der Form der Sechsecke eines Fußballs.Alternatively, the elements can be arranged freely, e.g. B. in several rows along the circumference of the cylinder or circumference of the truncated cone or in the shape of the hexagons of a soccer ball.

Wichtig ist, dass das offene bzw. unterbrochene oder die offenen bzw. unterbrochenen Elemente so angeordnet sind, dass sie den leichten Zugang zu den Schläuchen/Patientenanschlüssen ermöglichen.It is important that the open/interrupted or open/interrupted elements are positioned to allow easy access to the tubing/patient connections.

Vorzugsweise sind die offenen Elemente ebenfalls so angeordnet, dass sie wenig Sensitivität im Bereich der luftgefüllten Kavitäten aufweisen und damit Bo-Shimming Probleme vermeiden.The open elements are preferably also arranged in such a way that they have little sensitivity in the area of the air-filled cavities and thus avoid bo-shimming problems.

Das von dem Spulenarray umschlossene Volumen kann insbesondere für die Untersuchung von kleinen zu untersuchenden Objekten eines Umfangs von beispielsweise 35 cm bis 45 cm eingesetzt werden.
Der Kopf von einem Menschen hat in der Regel ein Volumen von 1260 cm3 für einen Mann und 1130 cm3 für eine Frau und der Kopf eines Säuglings typischerweise einen Umfang von 35 cm bis 45 cm. Das erfindungsgemäße Spulenarray ist dadurch dafür geeignet, bei Köpfen von Erwachsenen, Kindern, Kleinkindern Säuglingen oder Affen eingesetzt zu werden, die typischerweise die genannten Abmessungen im genannten Größenbereich aufweisen. Die Veröffentlichung [12] offenbart relevante Abmessungen von Köpfen, die mit dem erfindungsgemäßen Spulenarray typischerweise untersucht werden können. Die in dieser Veröffentlichung angegebenen Maße für Kopfgrößen gehören zur Offenbarung der Anmeldung.
The volume enclosed by the coil array can be used in particular for examining small objects to be examined with a circumference of, for example, 35 cm to 45 cm.
A human head typically has a volume of 1260 cm 3 for a male and 1130 cm 3 for a female, and an infant's head typically has a circumference of 35 cm to 45 cm. The coil array according to the invention is therefore suitable for use in the heads of adults, children, small children, infants or monkeys, which typically have the stated dimensions in the stated size range. The publication [12] discloses relevant dimensions of heads that can typically be examined with the coil array according to the invention. The head size measurements given in this publication are part of the disclosure of the application.

Es muss mindestens ein gebogenes und offenes Spulenelement vorhanden sein um die erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen. Es ist aber auch denkbar mehrere gebogene und nicht offene vorzusehen, beispielsweise 2, 3, 4 oder maximal alle Elemente des Spulenarrays.
Durch die Verwendung von mehreren geschlossenen Spulenelementen bzw. Oberflächenspulen lässt sich die Sensitivität im Bereich der luftgefüllten Kavitäten so anpassen, dass das Bo-Shimming Problem weitgehend reduziert wird.
At least one bent and open coil element must be present in order to achieve the effect according to the invention. However, it is also conceivable to provide several curved and not open ones, for example 2, 3, 4 or at most all elements of the coil array.
By using several closed coil elements or surface coils, the sensitivity in the area of the air-filled cavities can be adjusted in such a way that the Bo-shimming problem is largely reduced.

In dem Fall in dem mehr als ein gebogenes, offenes Spulenelement vorhanden ist, können verschiedene Schläuche, Leitungen oder Kabel auch durch verschiedene gebogene, offene Spulenelemente zum zu untersuchenden Objekt geführt werden. Die Verwendung von mehr als einem gebogenen, offenen Spulenelement führt zu einer Verbesserung der RF- Feldhomogenität in den Regionen, die von besonderem Interesse sind, und zu einer Verbesserung der RF- Empfindlichkeit, der ausgesuchten Region, an der sich die Spulen befinden. Beispielhaft kann das Spulanarray 1 bis 4 gebogene, offene Spulen haben.In the case where more than one curved, open coil element is present, different hoses, lines or cables can also be routed through different curved, open coil elements to the object to be examined. The use of more than one curved, open coil element results in an improvement in RF field homogeneity in the regions of particular interest and an improvement in RF sensitivity of the region of interest where the coils are located. By way of example, the coil array can have 1 to 4 curved, open coils.

Bei den anderen Spulenelementen kann es sich um geschlossene Spulen, bzw. Oberflächenspulen wie Schleifenspulen handeln.The other coil elements can be closed coils or surface coils such as loop coils.

Die Anzahl von anderen Oberflächenspulen, bzw. Schleifenspulen kann frei gewählt werden.The number of other surface coils or loop coils can be freely selected.

Die Oberflächenspulen bzw. Schleifenspulen weisen jeweils mindestens einen Kondensator auf, um eine Resonanz herzustellen.The surface coils or loop coils each have at least one capacitor in order to produce resonance.

Die gebogenen, offenen Spulenelemente besitzen in einer einfachen Ausführungsform keinen Kondensator. Die physikalische Länge der gebogenen, offenen Spulenelemente kann fakultativ durch das Einfügen von Kondensatoren verlängert werden, z.B. wenn das Dipolelement auf Grund der Wellenlänge zu kurz ist.In a simple embodiment, the bent, open coil elements have no capacitor. The physical length of the bent, open coil elements can optionally be increased by the insertion of capacitors, e.g., if the dipole element is too short due to the wavelength.

Die Spulenelemente besitzen jeweils Mittel zur Impedanzanpassung und Mittel zur Einspeisung. Diese Mittel können durch einen Schaltungsblock realisiert sein. Die Einspeisung erfolgt dabei am Punkt der Impedanzanpassung.The coil elements each have means for impedance matching and means for feeding. These means can be implemented by a circuit block. The feed takes place at the point of impedance matching.

Die Spulenelemente werden voneinander entkoppelt. Dazu können nach dem Stand der Technik bekannte Mittel zum Entkoppeln der einzelnen Spulenelemente verwendet werden. Beispielshaft kann eine Entkopplung durch Überlappung gemeinsamer Schenkel, kapazitive Entkopplung oder induktive Entkopplung sowie Selbstentkopplung und entsprechenden Mittel dazu bewirkt werden. Ein Beispiel ist in der Veröffentlichung von Yan et al [13] gezeigt. Es können auch Kombinationen von verschiedenen Mitteln zur Entkopplung eingesetzt werden.The coil elements are decoupled from each other. For this purpose, means known from the prior art for decoupling the individual coil elements can be used. For example, decoupling can be effected by overlapping common legs, capacitive decoupling or inductive decoupling as well as self-decoupling and appropriate means for this. An example is shown in the publication by Yan et al [13]. Combinations of different decoupling means can also be used.

Die Größe der einzelnen Spulenelemente kann sich an dem zu untersuchendem Objekt orientieren.The size of the individual coil elements can be based on the object to be examined.

Die kleinen Abmessungen des Spulenarrays in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Spulenarrays haben zur Folge, dass sich die Bildqualität, insbesondere das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert, als auch B0-Shimming Probleme verringert werden können, obwohl Zuleitungen die beispielsweise zur Versorgung des lebenden zu untersuchenden Objekts, wie eines Patienten, mit diversen Schläuchen dienen, vorhanden sind.The small dimensions of the coil array in connection with the configuration of the coil array according to the invention have the result that the image quality, in particular the signal-to-noise ratio, improves and B 0 shimming problems can be reduced, although supply lines, for example, to supply the living object to be examined, such as a patient, are used with various hoses.

Die Erfindungsgemäße Spule ermöglicht insbesondere in der Ausführungsform für kleine zu untersuchende Objekte, wie Körperteile, insbesondere Köpfe, von Kindern, Kleinkindern und Säuglingen oder auch Affen ein Signal- Rauschverhältnis, dass gegenüber dem Stand der Technik ca. 30% besser ist.Particularly in the embodiment for small objects to be examined, such as body parts, in particular heads, of children, small children and infants or also monkeys, the coil according to the invention enables a signal-to-noise ratio that is approx. 30% better than the prior art.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Spulenarrays wird ein guter Füllfaktor erreicht. Bei einem Durchmesser eines Spulenarrays von 26 cm für Erwachsene Probanden und einem kleineren Spulenarray eines Durchmessers von 16 cm verbessert sich der Füllfaktor nach der Gleichung 1 F u ¨ llfaktorverbesserung = ( 26 / 16 ) 3 = 4,3,

Figure DE102020005044A1_0001
so, dass der Füllfaktor für die kleine Spule gegenüber der großen Spule bei diesem Beispiel um den Faktor 4,3 verbessert wird.A good fill factor is achieved by the design of the coil array according to the invention. With a coil array diameter of 26 cm for adult subjects and a smaller coil array with a diameter of 16 cm, the fill factor improves according to Equation 1 f and ¨ factor improvement = ( 26 / 16 ) 3 = 4.3,
Figure DE102020005044A1_0001
so that the fill factor for the small coil is improved by a factor of 4.3 compared to the large coil in this example.

Das erfindungsgemäße Spulenarray kann bei der Magnetresonanztomographie und in der Magnetresonanzspektroskopie insbesondere bei der Untersuchung von kleinen zu untersuchenden Objekten, insbesondere Kindern, Kleinkindern, Säuglingen und Affen insbesondere deren Köpfen aber auch biologischem Gewebe sowie in MR kompatiblen Versionen von Neugeborenen Inkubatoren verwendet werden.The coil array according to the invention can be used in magnetic resonance tomography and in magnetic resonance spectroscopy, especially when examining small objects to be examined, especially children, small children, infants and monkeys, especially their heads, but also biological tissue and in MR-compatible versions of newborn incubators.

Die Figuren zeigen Spulenarrays in schematischer Form.The figures show coil arrays in schematic form.

Es zeigt:

  • 1: Ein Spulenarray nach dem Stand der Technik
  • 2: Ein erfindungsgemäßes Spulenarray
  • 3: Ein erfindungsgemäßes Spulenarray
  • 4: MR Bilder mit Spulenarrays nach dem Stand der Technik und dem erfindungsgemäßen Spulenarray
It shows:
  • 1 : A prior art coil array
  • 2 : A coil array according to the invention
  • 3 : A coil array according to the invention
  • 4 : MR images with coil arrays according to the prior art and the coil array according to the invention

1 zeigt ein Spulenarray nach dem Stand der Technik. Es umfasst mehrere Spulen 1, 1a, 1b, 1c.....Jede Spule weist Kondensatoren 2, 2a, 2b, 2c ... auf, sowie eine Einheit für die Einspeisung und Impedanzmessung 3. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet Mittel zum Entkoppeln der Spulen. 1 shows a prior art coil array. It comprises several coils 1, 1a, 1b, 1c... Each coil has capacitors 2, 2a, 2b, 2c... and a unit for injection and impedance measurement 3. The reference number 4 designates means for decoupling the Wash.

In 2 haben gleiche Vorrichtungsmerkmale dieselben Bezugszeichen. In dieser Ausführungsform ist ein Spulenelement 5 gebogen und in einem Teilbereich unterbrochen, bzw. nicht geschlossen.In 2 the same device features have the same reference numbers. In this embodiment, a coil element 5 is bent and interrupted in a partial area, or not closed.

3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Spulenarrays, in dem die einzelnen Spulen in einer zylindrischen Geometrie angeordnet sind. Verdeutlicht wird, dass die Spulengeometrie im Bereich des in 2 exemplarisch verwendeten einzelnen offenen Spulenelements eine Öffnung aufweist, durch den Schläuche und/oder Patientenanschlüsse zum Patienten oder Probanden geführt werden können (3, rechts). Die herkömmliche Spulenanordnung mit geschlossenen Leiterschleifen nach 1 kann aufgrund des dort vorhandenen Leiters nicht an dieser Stelle geöffnet werden (3, links). 3 shows a further embodiment of the coil array according to the invention, in which the individual coils are arranged in a cylindrical geometry. It is made clear that the coil geometry in the area of the in 2 individual open coil element used as an example has an opening through which hoses and/or patient connections can be routed to the patient or subject ( 3 , to the right). The conventional coil arrangement with closed conductor loops 1 cannot be opened at this point due to the conductor present there ( 3 , Left).

4 zeigt auf der linken Seite axiale MR-Bilder, die mit einer konventionellen 1-Kanal-Schleifenspule und einer kreisförmigen 1-Kanal-Dipolantenne nach dem Stand der Technik aufgenommen wurden. Die weiß gestrichelte Box in 4 kennzeichnet den Bereich in dem das Objekt positioniert und das SNR berechnet wird. 4 shows on the left axial MR images acquired with a conventional 1-channel loop coil and a prior art 1-channel circular dipole antenna. The white dotted box in 4 indicates the area in which the object is positioned and the SNR is calculated.

Diese zeigen deutlich die Unterschiede in der Homogenität und im SNR. Die berechneten SNRs (= Signalmittelwert/Rauschstandardabweichung) des Phantoms betrugen 87,3 (= 288/3,3) für die konventionelle und 115,7 (= 344/3,0) für die erfindungsgemäße Bauweise. Die Abbildungen zeigen die MR-Bilder eines zylinderförmigen, wassergefüllten Phantoms aufgenommen bei einer Feldstärke von 7T mit einer 2D FLASH Sequenz (TR/TE = 7.6/3.45 ms, 4 Mittelungen, Matrix Dimensionen = 512 x 512, Abmessung des Aufnahmefeldes = 250 x 250 mm2 Gesamtaufnahmezeit ungefähr 30 s). Für die Aufnahme mittels des erfindungsmäßen Dipolelements auf der rechten Seite der 4 wurde ein kreisförmig gebogener Dipol mit einem Durchmesser von 12 cm verwendet.These clearly show the differences in homogeneity and SNR. The calculated SNRs (=signal mean value/noise standard deviation) of the phantom were 87.3 (=288/3.3) for the conventional design and 115.7 (=344/3.0) for the design according to the invention. The figures show the MR images of a cylindrical, water-filled phantom recorded at a field strength of 7T with a 2D FLASH sequence (TR/TE = 7.6/3.45 ms, 4 averaging, matrix dimensions = 512 x 512, dimensions of the recording field = 250 x 250 mm2 total recording time about 30 s). For recording by means of the dipole element according to the invention on the right side of the 4 a circularly curved dipole with a diameter of 12 cm was used.

Stand der Technik:State of the art:

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (15)

Spulenarray aus mindestens zwei Spulenelementen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Spulenelement gebogen ist und eine Öffnung hat, so dass ein Zugang von mindestens einer Zuleitung zu einem zu untersuchenden Objekt ermöglicht wird.Coil array made up of at least two coil elements, characterized in that at least one coil element is bent and has an opening, so that access from at least one supply line to an object to be examined is made possible. Spulenarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente, welche nicht gebogen und offen sind, Oberflächenspulen sind.coil array after claim 1 , characterized in that the coil elements which are not bent and open are surface coils. Spulenarray nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der Spulenelemente die gebogen und offen sind, so groß ist, dass sie den Zugang von mindestens einer Komponente der Gruppe aus einem Schlauch, Zuleitung für Beatmung oder Anästhesie oder künstliche Ernährung, weitere Zuleitungen, Kabel oder Sonden, ermöglicht.coil array after claim 1 or 2 , characterized in that the opening of the coil elements, which are curved and open, is large enough to allow access of at least one of the group consisting of a hose, a ventilation or anesthesia or artificial feeding line, other lines, cables or probes . Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen eine Größe in einem Bereich von 1 mm bis 30 cm haben.Coil array according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the openings have a size in a range from 1 mm to 30 cm. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es über 2 bis 32 Spulenelemente verfügt.Coil array according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that it has 2 to 32 coil elements. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es über 1 bis 4 Spulenelemente mit einer Öffnung verfügt.Coil array according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that it has 1 to 4 coil elements with an opening. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente in dem Array in Form eines Zylinders, eines Kegels oder eines Kegelstumpfes angeordnet sind.Coil array according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that the coil elements in the array are arranged in the form of a cylinder, a cone or a truncated cone. Spulenarray nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente entlang des Umfangs des Zylinders des Kegels oder des Kegelstumpfes, der eine z-Achse umschließt, in einer Reihe angeordnet sind und/oder den Umfang umschließen bzw. entlang des Umfangs so angeordnet sind, dass sie ihn wenigstens teilweise umschließen.coil array after claim 7 , characterized in that the coil elements are arranged in a row along the circumference of the cylinder of the cone or of the truncated cone which encloses a z-axis and/or enclose the circumference or are arranged along the circumference in such a way that they at least partially enclose. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogenen und offenen Spulenelemente so angeordnet sind, dass sie wenig Sensitivitäten im Bereich von luftgefüllten Kavitäten eines zu untersuchenden Objekts aufweisen.Coil array according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the curved and open coil elements are arranged in such a way that they have little sensitivity in the area of air-filled cavities of an object to be examined. Spulenarray nach einem er Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenelemente ein Objekt eines Umfangs von 35 cm bis 45 cm oder eines Volumens von 1260 cm3 bis 1130 cm3 umschließen.coil array after a he Claims 1 until 9 , characterized in that the coil elements enclose an object with a circumference of 35 cm to 45 cm or a volume of 1260 cm 3 to 1130 cm 3 . Spulenarray nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenspulen über mindestens einen Kondensator verfügen.Coil array according to one of claims 2 until 10 , characterized in that the surface coils have at least one capacitor. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die gebogenen offenen Spulen über mindestens einen Kondensator verfügen.Coil array according to one of Claims 1 until 11 , characterized in that the bent open coils have at least one capacitor. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen über Mittel zur Einspeisung und Impedanzanpassung verfügen.Coil array according to one of Claims 1 until 11 , characterized in that the coils have means for feeding and impedance matching. Spulenarray nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es über Mittel zur Entkopplung der einzelnen Spulen verfügt.Coil array according to one of Claims 1 until 12 , characterized in that it has means for decoupling the individual coils. Verwendung des Spulenarrays nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für die Magnetresonanztomographie, die Magnetresonanzspektroskopie, sowie in MR kompatiblen Neugeborenen Inkubatoren.Use of the coil array according to one of Claims 1 until 13 for magnetic resonance imaging, magnetic resonance spectroscopy, as well as in MR-compatible newborn incubators.
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