UNILATERALE MAGNETRESONANZ-ABTASTVORRICHTUNG FÜR DIE MEDIZINISCHE DIAGNOSTIK

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Abtastvorrichtung zur bildgebenden Magnetresonanz für die medizinische Diagnostik, insbesondere für die dentalmedizinische Diagnostik oder die HNO-Diagnostik, die einen Hauptmagneten zur Erzeugung eines statischen Hauptmagnetfelds und mindestens eine Sende- und/oder Empfangsspule zum Aussenden bzw. Empfangen eines hochfrequenten Magnetfeldes umfasst.

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Abtastvorrichtung zur bildgebenden Magnetresonanz sowie der Verwendung einer sol- chen Vorrichtung in der dentalmedizinischen Diagnostik nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Die bildgebende Magnetresonanz („Magnetic Resonance Ima- ging" = MRI) ermöglicht die Erzeugung sehr detailreicher Bilder von Organen und Geweben eines menschlichen oder tie- rischen Körpers bzw. eines Ausschnitts dessen. Solche Bil ^¬ der sind sonst nur durch Röntgenmethoden oder andere ionisierende Strahlen möglich, welche die bekannten gesundheitsschädlichen Wirkungen besitzen.

Bei der MRI wird in an sich bekannter Weise ein in das zu untersuchende Gewebe oder das Organ eindringendes stati ^¬ sches Magnetfeld hoher Feldstärke erzeugt. Dieses Magnet ^¬ feld bewirkt in dem Gewebe, dass sich die dort vielfach vorhandenen Protonen ausrichten. Daher ist einer der die Auflösung und Qualität der erzeugten Bilder bestimmenden Faktoren die Homogenität des im Abtastbereich vorliegenden statischen Magnetfeldes. Durch ein das statische Hauptmagnetfeld überlagerndes hochfrequentes Magnetfeld, welches über eine Sendespule in das Gewebe eingestrahlt wird, wird diese magnetische Aus ^¬ richtung in der Weise gestört, dass die Protonen in an sich bekannter Weise ein Signal ausstrahlen, welches über eine Empfangsspule erfassbar ist.

Durch ein zusätzlich eingestrahltes magnetisches Gradien ^¬ tenfeld werden die Protonen dazu veranlasst, in Richtung des Gradienten ortsabhängig Präzessionsbewegungen mit un- terschiedlicher Geschwindigkeit auszuführen, wodurch ermöglicht wird, aus den erfassten Signalen mittels Fourier- Analyse Rauminformationen zu extrahieren. Durch Verwendung solcher Gradienten in verschiedenen Raumrichtungen können zwei- oder dreidimensionale Bilder erzeugt werden.

Die MRI-Methode bietet insbesondere kontrastreiche Bilder zur Unterscheidung verschiedener Weichgewebe, insbesondere zur Unterscheidung von gesundem und krankem Gewebe.

Bei bekannten klinischen MRI-Systemen, welche auf einer Permanentmagnettechnologie oder einer auf supraleitenden Magneten beruhenden Magnettechnologie beruhen, wird der zu untersuchende Körper eines Patienten zumindest teilweise von einem das genannte statische Feld erzeugenden Hauptmag ^¬ neten umgeben. Der Hauptmagnet besteht im Beispiel eines magnetischen Dipols aus zwei Polschuhen, welche sich auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers befinden und welche über ein Eisenjoch miteinander verbunden sind.

Ein Nachteil dieser Systeme ist, dass der für die Bilder ^¬ zeugung relevante homogene Bereich des statischen Magnet ^¬ feldes durch den gesamten abzutastenden Körper verläuft (siehe Figur 1), auch wenn nur ein kleinerer Bereich von

Interesse ist. Die dabei eingesetzte Menge an magnetischem Material sowie die Systemdimensionen sind demnach größer als erforderlich, was höhere Kosten verursacht. Da alle Or ^¬ te im homogenen Bereich des statischen Magnetfeldes zum Abtast- bzw. Messsignal beitragen, ist das Sig- nal/Rauschverhältnis schlechter als bei einem räumlich mehr begrenzten homogenen Magnetbereich. Ein weiterer Nachteil ist die aufwendige Positionierung des Patienten im Haupt ^¬ magneten .

Bei geschlossenen Magneten, wie im Fall der bekannten Hal- bach-Geometrie bei PermanentmagnetSystemen oder einer zylindrischen Geometrie bei supraleitenden Systemen, bei der der Hauptmagnet um den Patienten geschlossen angeordnet ist, befindet sich der homogene Bereich des statischen Mag ^¬ netfeldes nur im Zentrum des Magneten, wodurch die Positio- nierung des Patienten erheblich erschwert wird.

Die genannten Nachteile können durch unilateral ausgebilde ^¬ te bzw. wirkende Magneten ausgeräumt werden. Ein entspre ^¬ chender für kernmagnetische Resonanzmessungen geeigneter unilateraler Magnet ist bereits aus der US 6,489,872 Bl be- kannt geworden. Bei den dort offenbarten Magnet-Anordnungen stehen sich in lateraler (seitlicher) Richtung jeweils gleiche magnetische Pole gegenüber. Dadurch wird entweder der für Magnetresonanzmessungen geeignete homogene Feldbereich auf ein relativ kleines Volumen (sog. „sweet spot") reduziert oder die mögliche Weite des Feldes außerhalb des Magneten auf relativ geringe Werte beschränkt. Darüber hin ^¬ aus sind die meisten der dort offenbarten Anordnungen von Magneten relativ komplex bzw. technisch aufwendig herstellbar bzw. betreibbar. Ein unilateraler Magnetresonanzsensor ist auch aus der DE 20 2006 002 074 Ul bekannt geworden. Dieser Sensor weist vier Permanentmagnete auf, welche durch zwei rechtwinklige Zwischenräume getrennt sind und welche zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds dienen. Erst durch die Anordnung von vier Permanentmagneten soll ein Magnetfeld mit ausreichender Homogenität erzeugbar sein. Dieser Sensor ist aufgrund der vier Permanentmagneten sowohl in der Herstellung als auch im Betrieb sehr aufwendig; zudem besitzt er ein rela ^¬ tiv großes Volumen und Gewicht und ist daher im Bereich der dentalmedizinischen Diagnose nicht geeignet.

Die genannten MRI-Systeme eignen sich aus den genannten Gründen insbesondere nicht für dentalmedizinische Diagnosen bzw. Untersuchungen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, eine MRI- Abtastvorrichtung bereitzustellen, bei der der genannte Hauptmagnet nicht um den Patienten herum angeordnet ist, sondern von außen unilateral und damit ungehindert an den Patienten bzw. das zu untersuchende Gewebe oder Organ des Patienten heranführbar ist. Bei der zugrundeliegenden Diagnostik an dem jeweils zu untersuchenden Gewebe oder Organ des Patienten handelt es sich bevorzugt um eine Dentaldia ^¬ gnostik oder Hals-Nasen-Ohren- (HNO-) Diagnostik .

Die Heranführbarkeit wird erfindungsgemäß dadurch ermög ^¬ licht, dass der Hauptmagnet aus wenigstens zwei, bevorzugt aus zwei unilateral angeordneten, nach außen gerichteten Polen unterschiedlicher magnetischer Polarität gebildet ist, so dass die von den mindestens zwei Polen erzeugten magnetischen Felder außerhalb des von den Polen des Hauptmagneten umschlossenen Bereichs (d.h. unilateral) verlaufen und somit der Hauptmagnet einseitig, ohne Behinderung durch die magnetischen Pole, an den Patienten herangeführt werden kann. Der Magnet kann die Form eines Hufeisenmagneten auf- weisen. Es versteht sich, dass der Hauptmagnet auch durch einen mehrpoligen Magneten, z.B. einen Quadrupolmagneten oder dergleichen, gebildet sein kann.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich trotz der unilateralen Anordnung der mindestens zwei Pole in nicht erwarteter Weise ein statisches Magnetfeld ausrei ^¬ chender Homogenität erzeugen lässt.

Es ist anzumerken, dass das unilaterale statische Magnet ^¬ feld sowohl durch eine erfindungsgemäße Anordnung von Mag- neten als auch durch eine entsprechende Anordnung von Pol ^¬ schuhen erzeugt werden kann. Im Fall einer Anordnung von Magneten kann der Hauptmagnet durch zwei auf einem Eisenjoch bzw. Eisenkern angeordnete Magnetblöcke entgegenge ^¬ setzter Polarität gebildet sein. Im Falle einer supralei- tenden Magnettechnologie können dabei supraleitende Spulen entsprechend angeordnet werden.

Bei den genannten Polschuhen des Hauptmagneten handelt es sich um an sich bekannte Bauteile aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität wie z.B. Eisen, welche vorliegend dazu dienen, die von den Permanentmagneten an der Rückseite des Magnetsensors erzeugten und dort in den freien Raum hinaustretenden magnetischen Felder bzw. Feldlinien einzufangen und zu bündeln, um dadurch magnetische Verluste zu minimieren. Die Polschuhe können in unterschiedlichen Anordnungen implementiert sein, z.B. durch wenigstens zwei von außen quad ^¬ ratisch oder rechteckförmig ausgebildete Magneten oder durch zwei aneinander grenzende, jeweils halbzylindrisch ausgebildete halbkreis- bzw. ringförmige Magneten, bei de- nen in der Mitte eine Öffnung ausgespart ist. Insbesondere aufgrund dieser Öffnung ragen die Feldlinien ausreichend weit in den Raum hinein, so dass sie in das zu untersuchende Gewebe bzw. Organ ausreichend tief eindringen können.

Zwischen den mindestens zwei Polen kann eine Aussparung angeordnet sein, mittels der eine Patientenpositionierung er- folgen kann. So kann z.B. der Kopf des Patienten in der

Aussparung so positioniert werden, dass der Kopf wenigstens zum Teil von den mindestens zwei Polen umgeben ist.

Die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung kann sowohl mit Permanentmagneten als auch mit Elektromagneten oder mit supra- leitenden Magneten realisiert werden und kann bevorzugt in der dentalmedizinischen Diagnostik eingesetzt werden. Darüber ist auch eine Verwendung in der allgemeinen medizinischen Diagnostik insbesondere von körperoberflächennahen Geweben oder Organen möglich. Auch kann die Vorrichtung im Bereich der computertomografischen Bildgebung eingesetzt werden, wobei die einzelnen photographischen Schichten entweder durch Relativbewegung zwischen Abtastvorrichtung und Patient oder durch entsprechende Variation des genannten magnetischen Gradienten-Feldes generiert werden. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfol ^¬ genden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein. In den Zeichnungen werden identische oder funk- tionell übereinstimmende Merkmale mit gleichen Bezugszei ^¬ chen versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine schematische Seitenansicht einer MRI- Abtastvorrichtung gemäß dem Stand der Technik; Figuren 2a, b schematische Ansichten zweier Ausführungsbei ^¬ spiele einer erfindungsgemäßen MRI-Abtastvorrichtung;

Figur 3 eine mittels einer Haltevorrichtung im Mundbereich eines sitzenden oder stehenden Patienten positionierte erfindungsgemäße Abtastvorrichtung zur Durchführung einer dentalmedizinischen oder HNO-medizinischen Diagnostik;

Figur 4 eine im Kopfbereich eines liegenden Patienten positionierte erfindungsgemäße Abtastvorrichtung zur Durchführung einer dentalmedizinischen Diagnostik;

Figuren 5a, b zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsge ^¬ mäßen Hauptmagneten mit jeweils integrierter Gradientenspule;

Figur 6 eine mittels einer nicht verstellbaren Haltevorrichtung gehaltene erfindungsgemäße Abtastvorrichtung, wo ^¬ bei ein Patient auf einem seitlich und in der Höhe verstellbaren Stuhl sitzend an der Abtastvorrichtung positioniert werden kann;

Figuren 7a - c drei Ausführungsbeispiele einer Haltevor ^¬ richtung zur Fixierung eines Patientenkopfs an einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung und

Figuren 8a, b zwei Ausführungsbeispiele zur Anordnung einer Sende-/Empfangsspule an einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung .

Ausführungsbeispiele

In der Figur 1 ist eine an sich bekannte Anordnung eines aus zwei Polschuhen 100, 105 gebildeten Hauptmagneten eines MRI-Systems gezeigt. Der Hauptmagnet 100, 105 umschließt den zu untersuchenden Patienten, der in dieser Darstellung, wie bei Ganzkörpersystemen üblich, in der z-Richtung 110 (entspricht Längsrichtung des Patientenkörpers) innerhalb der beiden Polschuhe 100, 105 positioniert ist. Alternativ, insbesondere im Falle eines offenen MagnetSystems , kann der Patient auch zwischen den Spulen des Hauptmagneten 100, 105, d.h. orthogonal zur z-Richtung 110, positioniert sein. Ein durch den Hauptmagneten 100, 105 erzeugtes statisches Magnetfeld 115 durchdringt den Körper des Patienten daher weitgehend, wodurch lokal begrenzte Untersuchungen, z.B. im Kopf- oder Mundbereich, erschwert oder gar nicht möglich sind. Aufgrund der hohen Anschaffungs- und Betriebskosten für ein solches Magnetsystem ist dieses MRI-System insbesondere für die Dentaldiagnostik nicht geeignet.

Die Figur 2a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfin ^¬ dungsgemäßen Hauptmagneten in einer schematischen Seitenansicht. Der Hauptmagnet ist vorliegend aus zwei Magnetblö- cken 205, 210 gebildet, welche mit entgegengesetzter Pola ^¬ risierung auf einem Eisenjoch 200 angeordnet sind. Zwischen den beiden Magnetblöcken 205, 210 ist eine Aussparung 215 ausgebildet. Die laterale Ausdehnung der Aussparung ent ^¬ spricht im Wesentlichen der lateralen Ausdehnung der Mag- netblöcke 205, 210. Anstelle des Eisenjochs 200 kann der Hauptmagnet auch aus einem durchgehenden Hufeisenmagneten gebildet sein.

Aufgrund der sich stirnseitig ergebenden entgegengesetzten Polung weist das sich ergebende Magnetfeld (in der Figur 2a dargestellte) Magnetfeldlinien 220 auf, welche in einem Be ^¬ reich 225 oberhalb der Aussparung 215 besonders homogen ausgebildet ist. Die räumliche Ausdehnung dieses homogenen Bereichs 225 beträgt in vertikaler als auch horizontaler (lateraler) Richtung mindestens 5 cm. Innerhalb des homoge- nen Bereichs weist das statische Magnetfeld eine Schwan ^¬ kungsbreite der Magnetfeldstärke von weniger als 50 ppm, bevorzugt von weniger als 10 ppm, auf. Es ist anzumerken, dass die beiden Pole auch durch zwei an einem Permanentmagneten stirnseitig angeordnete Polschuhe gebildet sein können.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2b zeigt die beiden Po- le 230, 235 eines erfindungsgemäßen Hauptmagneten in der Stirnansicht. In diesem Beispiel sind die Pole durch zwei halbschalige Magnetblöcke 230, 235 gebildet, die so ange ^¬ ordnet sind, dass sie zusammen einen nahezu vollständigen Ring ergeben. Das sich dabei ergebende statische Magnetfeld weist in der gezeigten Ebene Kreissymmetrie auf. Entspre ^¬ chend ist der homogene Bereich als Kreisscheibe ausgebil ^¬ det .

Je nach der räumlichen Ausdehnung des zu untersuchenden Gewebes oder Organs kann das eine oder andere der beiden Aus- führungsbeispiele aufgrund der räumlichen Übereinstimmung mit dem homogenen Magnetfeldbereich besonders geeignet bzw. vorteilhaft sein.

Wie aus der Figur 3 zu ersehen, wird bei einem erfindungs ^¬ gemäßen dentalen MRI-System der einseitig bzw. lateral an- geordnete Hauptmagnet bzw. Permanentmagnet 305 - 315 so au ^¬ ßerhalb am Patienten 300 positioniert, dass der homogene Feldbereich 325 des statischen Magnetfeldes 320 sich im zu untersuchenden Zahngewebe bzw. den zu untersuchenden Zähnen befindet. In diesem Ausführungsbeispiel sitzt oder steht der Patient 300, wobei der Patient z.B. mittels eines den

Kopf des Patienten umgebenden Gurts oder mittels eines Sys ^¬ tems aus aufblasbaren Kissen möglichst nahe der Abtastvorrichtung fixiert werden kann. Der Hauptmagnet 305 - 315 ist an einer Haltevorrichtung 330, 335 befestigt, welche in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine Querverbindung 330 und eine mit der Querverbindung 330 verbundene, auf dem (nicht gezeigten) Boden verankerte Säule 335 gebildet ist. Bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Hauptmagnet 400 - 410 durch zwei auf einem relativ breiten Eisenjoch bzw. Eisenkern 400 angeordnete Permanentmagnet ^¬ blöcke 405, 410 gebildet. Es versteht sich, dass an Stelle des Eisenkerns auch eine entsprechende Anordnung mit einem Hufeisenmagneten vorgesehen sein kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt der Kopf 425 des Patienten zumindest auf dem Eisenjoch 400, bzw. im Fall eines Hufeisenmagneten auf dem unteren Teil des Magneten. Der Kopf 425 wird dabei durch ein Unterlegekissen 430 fix gelagert. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der Kopf 425 in der oben beschrieben Öffnung bzw. Aussparung des Hauptmagneten 400 - 410. Das erzeugte statische Hauptmagnetfeld 415, insbeson ^¬ dere der homogene Bereich 420, durchflutet den vorderen Kopfbereich des Patienten 425.

In dem in Figur 5a gezeigten Ausführungsbeispiel sind wie ^¬ derum zwei Permanentmagnetblöcke 510, 515 auf einem Eisen ^¬ joch 500 angeordnet. Das Eisenjoch 500 weist wiederum eine Aussparung 505 auf, welche in dem Beispiel eine etwas grö- ßere laterale Ausdehnung aufweist, als einer der beiden

Permanentmagnetblöcke 510. Auch ist vorliegend das sich er ^¬ gebende statische Hauptmagnetfeld 535 sowie der homogene Bereich 540 eingezeichnet. Es versteht sich, dass die bei ^¬ den Permanentmagnetblöcke 510, 515 die gleiche laterale Ausdehnung wie die entsprechenden Oberseiten des Eisenjochs 500 besitzen können, wodurch die Übergänge zwischen Magnet und Eisenjoch 500 auch fluchtend (d.h. ohne die in der Figur 5a gezeigten Vorsprünge) ausgebildet bzw. angeordnet sein können. Zusätzlich zu dem Hauptmagneten 500, 510, 515 sind auf den Permanentmagnetblöcken 510, 515 jeweils Gradientenspulen 525, 530 angeordnet, mittels derer ein (hier nicht gezeig- tes) das Hauptmagnetfeld 535 überlagerndes, magnetisches Gradientenfeld erzeugt werden kann. Der besondere Vorteil eines solchen Gradientenfelds in der dentalmedizinischen Diagnose ist die Möglichkeit der räumlichen Darstellung ei- nes ganzen Kauapparats bzw. einzelner Zähne, wodurch die Diagnosegüte erheblich verbessert werden kann.

Es ist anzumerken, dass die Gradientenspulen 525, 530 und/oder (die nicht gezeigte (n) ) Sende-/Empfangsspule (n) auch im Bereich der zwischen den beiden Permanentmagnetblö- cken 510, 515 vorgesehenen Aussparung 520 angeordnet sein können. Ferner kann bzw. können Sende- und/oder Empfangsspule (n) durch eine einzige Spule gebildet sein.

Zusätzlich zu den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine Temperaturstabilisierung vorgesehen sein. Die Temperaturstabilisierung kann bspw. durch Wasserkühlung erfolgen, wobei die Durchflussmenge des Kühlwassers durch die am Magneten gemessene Temperatur reguliert wird. Alternativ kann auch eine Erwärmung des Systems über eine elektrische Heizung erfolgen, wobei die Erwärmung anhand einer gemesse- nen Temperatur geregelt wird.

In dem in der Figur 5b gezeigten Ausführungsbeispiel kommt, anstelle eines üblichen Permanentmagneten, ein supraleitender Magnet zum Einsatz. In einem üblichen Gehäuse oder Träger 550 sind supraleitende Spulen 555, 560 zur Erzeugung des Hauptmagnetfelds 585 mit einem homogenen Bereich 590 angeordnet. Zusätzlich sind in Bezug auf die supraleitenden Spulen 550, 560 rückseitig angeordnete Abschirmspulen 565, 570 zur aktiven Abschirmung des erzeugten Hauptmagnetfelds 585 nach hinten angeordnet. Auch in diesem Ausführungsbei- spiel sind zusätzlich Gradientenspulen 575, 580 vorgesehen. Es können auch mehr als eine Spule pro Magnetpol angeordnet sein, um die Homogenität des Magnetfeldes zu verbessern. Aufgrund der sehr geringen Baugröße der erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung kann diese, wie in der Figur 6 illustriert, an der Kopfseite 600 einer Säule 605 angeordnet wer ^¬ den. Der Patient 610 sitzt in dem vorliegenden Beispiel auf einem höhenverstellbaren Sitz bzw. Stuhl 615, der über eine Gelenkverbindung 620 z.B. an einer Raumwand befestigt sein kann. Der Sitz kann zudem in der Sitzebene drehbar ausgebildet sein, um den Patienten 610 für die Untersuchung noch besser positionieren zu können. Mittels des höhenverstell- baren Sitzes 615 kann der Patient an die Abtastvorrichtung 600 herangeführt werden.

In den Figuren 7a, 7b und 7c sind drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele zur Fixierung des Kopfs des Patienten 705 relativ zur Abtastvorrichtung schematisch dargestellt. Die Abtastvorrichtung ist jeweils als integraler Teil einer Haltevorrichtung 700 eines hier betroffenen MRI-Systems dargestellt. In der Figur 7a wird der Kopf mittels eines flexiblen Bands 710, z.B. eines Gummibands, an der Abtast ^¬ vorrichtung fixiert. In der Figur 7b erfolgt die Fixierung mittels einer in der Zahnmedizin üblichen Aufbissschiene

715, wohingegen in der Figur 7c der gesamte Kopf des Pati ^¬ enten 705 mittels einer Kopfstütze fixiert wird.

In den Figuren 8a und 8b sind zwei Ausführungsbeispiele dargestellt, um zu illustrieren, in welchen unterschiedli- chen Positionen eine oder mehrere der genannten Sende-

/Empfangsspulen, relativ zum Hauptmagnetfeld bzw. dem homogenen Bereich 800 des Hauptmagnetfelds angeordnet sein kön ^¬ nen. In dem ersten Beispiel gemäß Figur 8a befindet sich die Sende-/Empfangsspule 805 im Mundraum des Patienten 705. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass z.B. Strukturen von Zähnen mit höherer Auflösung bildgebend dargestellt werden können. In dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8b ist die Sende-/Empfangsspule 810 außerhalb des Mundraums des Patienten 705 angeordnet, wodurch bildgebende Über ^¬ sichtsdarstellungen, z.B. des gesamten Mundraums, ermöglicht werden.