DE3839715A1 - Magnetresonanz-abbildungsgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanz-Abbildungsgerät zur Erzeugung eines (einer) Magnetresonanzbilds oder -ab­ bildung eines Prüflings unter Ausnutzung der Magnet­ resonanzerscheinung, insbesondere ein verbessertes Gerät dieser Art, bei dem das darin aufgeprägte Statikmagnet­ feld stabilisiert sein soll.

Bei einem Magnetresonanz- oder MR-Abbildungsgerät wird ein gleichmäßiges Statikmagnetfeld einem gewünschten Bereich eines Prüflings aufgeprägt, um damit eine Magnet­ resonanz lediglich in einem spezifischen Scheibenabschnitt des Prüflings, von dem ein Schnittbild gewonnen werden soll, mittels einer Übertragerspule hervorzurufen und (dabei) ein Hochfrequenz-Magnetfeld orthogonal zum Statikmagnetfeld zu bilden. Das nach Aufhebung dieses Hochfrequenz-Magnetfelds von den Atomkernen erhaltene MR-Signal wird dann mittels einer Empfängerspule abge­ griffen. Bei dieser Anordnung wird ein Gradientmagnetfeld mit einer linearen Neigung zur X′-Achse (Koordinaten­ system mit einer Drehung eines Winkels R° gegenüber der X-Achse) auf das Statikmagnetfeld ausgeübt, um ein zu­ sammengesetztes oder Misch-MR-Signal zu gewinnen. Auf der Grundlage dieses Mischsignals kann dann ein gewünschtes oder angestrebtes MR-Bild erzeugt werden.

Bei dem angegebenen MR-Abbildungsgerät ist es erforder­ lich, daß das Statikmagnetfeld eine zufriedenstellende Gleichmäßigkeit oder -förmigkeit in einem weiten Bereich und eine hohe Stabilität beibehält. Beispielsweise be­ trägt bei der gewöhnlichen Protonabbildung die erforder­ liche Stabilität des Statikmagnetfelds lediglich etwa 2 ppm/h, während bei der chemischen Verschiebungsabbildung eine hohe Stabilität von 0,1 ppm/h erforderlich ist. Mit einer supraleitenden Magnetvorrichtung, bei welcher ein Statikmagnetfeld in einem supraleitenden Zustand erzeugt wird, ist eine hohe Stabilität von 0,1 ppm/h vergleichs­ weise einfach in einem eingeschwungenen oder statischen (steady) Zustand zu erreichen. Zum Zeitpunkt der Erhöhung des Statikmagnetfelds oder unmittelbar nach der Änderung seiner Intensität oder Stärke ist es dagegen wegen einer erheblich großen Intensitätsdämpfung äußerst schwierig, die gewünschte Stabilität von 0,1 ppm/h zu erzielen.

Obgleich diese Dämpfung der Statikmagnetfeldintensität bei einer normalleitenden Magnetvorrichtung (oder -an­ ordnung) durch Regelung des der Spule zugespeisten Stroms ohne weiteres korrigiert werden kann, ist eine solche Korrektur bei einer supraleitenden Magnetvorrichtung aufgrund der Anwendung eines Permanentmodus (permanent mode), in welchem die Vorrichtung für gewöhnlich mit von ihr getrennter Stromquelle betrieben wird, unmöglich.

Bei dem angegebenen, eine supraleitende Magnetvorrichtung verwendenden herkömmlichen MR-Abbildungsgerät besteht damit das Problem, daß eine ausreichend hohe Stabilität des Statikmagnetfelds bei dessen Erhöhung oder unmittelbar nach Änderung seiner Intensität nicht erreicht werden kann.

Im Hinblick auf diese Probleme besteht die Aufgabe der Er­ findung in der Schaffung eines verbesserten Magnetresonanz- oder MR-Abbildungsgeräts, bei dem die Stabilität eines Statikmagnetfelds zum Zeitpunkt seiner Erhöhung oder un­ mittelbar nach der Änderung seiner Intensität bzw. Stärke in einer supraleitenden Magnetvorrichtung verbessert sein kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetresonanz-Abbildungsgerät mit einer supraleitenden Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines Statikmagnetfelds in einem supraleitenden Zustand und mit der Befähigung zur Erzeugung eines (einer) Magnet­ resonanzbilds oder -abbildung eines in dieses Statikmagnet­ feld eingebrachten Prüflings (oder auch Untersuchungsob­ jekts) erfindungsgemäß gelöst durch eine Spule zum Korrigieren der Intensität oder Stärke des Statikmagnet­ felds, einen Dämpfungsmustergenerator zum Erzeugen eines Dämpfungsmusters oder -profils der Statikmagnetfeldinten­ sität in der supraleitenden Magnetvorrichtung und eine Statikmagnetfeld-Korrekturstromquelle zur Lieferung eines für die Erzeugung eines Magnetfelds einer in bezug auf das Dämpfungsmuster inversen Charakteristik oder Kennlinie geeigneten Stroms, wobei das Ausgangssignal von dieser Korrek­ turstromquelle der Spule zugespeist wird.

Erfindungsgemäß wird ein Strom, der ein Magnetfeld mit inverser Charakteristik oder Kennlinie in bezug auf das Feldintensität-Dämpfungsmuster oder -profil in der supra­ leitenden Magnetvorrichtung zu erzeugen vermag, der ge­ nannten Spule zugespeist, um eine zweckmäßige Korrektur der Statikmagnetfeldintensität zu bewirken, wodurch die Stabilität des Statikmagnetfelds zum Zeitpunkt seiner Erhöhung oder unmittelbar nach Änderung seiner Intensität verbessert bzw. erhöht wird.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Magnetresonanz-Ab­ bildungsgeräts gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung des prinzipiellen Aufbaus des Geräts nach Fig. 1 und

Fig. 3 bis 5 Kennlinien- und Zeitsteuerdiagramme zur Ver­ deutlichung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen MR-Abbildungsgeräts.

Bei der in Fig. 1 beispielhaft dargestellten Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Magnetresonanz-oder MR-Ab­ bildungsgeräts erzeugt ein Hochfrequenz-Oszillator 6 ein Hochfrequenz- bzw. HF-Signal unter der Steuerung einer Systemsteuereinheit 5. Das Ausgangssignal des Oszillators 6 wird einer Hochfrequenz- bzw. HF-Übertragerspule 16 über eine Torschaltung 7 und einen Leistungsverstärker 8 in der nachgeschalteten Stufe zugeführt. Eine Hochfrequenz- bzw. HF-Empfängerspule 15 dient zum Abgreifen eines MR-Signals von einem Prüfling, wobei das so abgegriffene oder detektierte MR-Signal über einen Vorverstärker 14 einem Phasendetektor 13 eingespeist wird, in welchem die Signalphase erfaßt wird. Das phasendetektierte Ausgangs­ signal des letzteren wird sodann einem Datenverarbeitungs- Rechner 2 über einen Wellenformspeicher 12 in der nachge­ schalteten Stufe eingegeben. Der Datenverarbeitungs- Rechner 2 umfaßt funktionell eine Statikmagnetfeld-Korrek­ tursteuereinheit 3 und eine Bildumformeinheit 4.

Die Statikmagnetfeld-Korrektursteuereinheit 3 führt eine korrigierende Steuerung der Statikmagnetfeldintensität durch Regelung des Stroms in einer Statikmagnetfeld- Korrekturspule 19 nach Maßgabe der Änderung der Statik­ magnetfeldintensität durch. Die Magnetfeldintensität kann beispielsweise durch Ausführung einer Fourierschen Umwandlung des MR-Signals und Erfassen seines Spitzen- oder Scheitelwerts berechnet werden. Sodann erfaßt die Steuereinheit 3 die Differenz zwischen der auf diese Weise berechneten Magnetfeldintensität und der voreinge­ stellten oder vorgegebenen Magnetfeldintensität entspre­ chend der Bezugs-MR-Frequenz f _O , und sie regelt den Strom in der Spule 19 über eine Magnetfeldkorrektur-Stromquelle 11 zwecks Beseitigung dieser Differenz.

Die Bildumformeinheit 4 dient zum Umformen (reform) des MR-Bilds auf der Grundlage der vom Wellenformspeicher 12 ausgegebenen MR-Information, worauf das umgeformte MR- Bild einer Anzeigeeinheit 1 für seine sichtbare Wiedergabe zugeführt wird.

Eine Gradientmagnetfeldspule 17 zum Erzeugen eines dem Statikmagnetfeld zu überlagernden Gradientmagnetfelds umfaßt drei Spulenelemente, die jeweils ein in der Scheiben(schnitt)richtung geneigtes oder schräggestelltes Magnetfeld G _S , ein in Kodierrichtung geneigtes Magnet­ feld G _E und ein in Ausleserichtung geneigtes Magnetfeld G _R erzeugen. Eine Gradientmagnetfeld-Stromquelle 9 liefert den erforderlichen Strom zur Gradientmagnetfeldspule 17 und arbeitet unter der Steuerung der Systemsteuereinheit 5.

Eine supraleitende Magnetvorrichtung oder -anordnung 18 zum Erzeugen eines Statikmagnetfelds in einem supralei­ tenden Zustand umfaßt eine Statikmagnetfeldspule aus einem Supraleitermaterial und eine Einrichtung zur Kühlung dieser Spule. Die Kühlung der Statikmagnetfeldspule er­ folgt mittels flüssigen Heliums, flüssigen Stickstoffs o.dgl..

Ein Dämpfungsmustergenerator 20 erzeugt ein Dämpfungs­ muster (attenuation pattern) für das durch die supra­ leitende Magnetvorrichtung 18 erzeugte Statikmagnetfeld und kann aus einem Speicher o.dgl. bestehen, in welchem die vorher durch tatsächliche Messung gewonnene Dämpfungs­ musterinformation abgespeichert ist. Die vom Mustergenera­ tor 20 erhaltene Dämpfungsmusterinformation wird der Statik­ magnetfeld-Korrekturstromquelle 11 zugeführt, welche so­ dann die Spule 19 mit einem auf dieser Information basieren­ den Strom speist, der geeignet ist für die Erzeugung oder Bildung eines Magnetfelds mit einer inversen Charakteristik bzw. Kennlinie gegenüber dem Dämpfungsmuster. Anschließend wird der von der Statikmagnetfeld-Stromquelle 11 zur Spule 19 gelieferte Strom durch die Statikmagnetfeld-Korrektur­ steuereinheit 3 gesteuert bzw. geregelt.

Fig. 2 veranschaulicht die Lagenbeziehung zwischen der supraleitenden Magnetvorrichtung 18 und der Statikmagnet­ feld-Korrekturspule 19.

Die supraleitende Magnetvorrichtung 18 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet, und die genannte Korrekturspule 19 ist im Inneren der Magnetvorrichtung 18 in Kontakt mit dieser angeordnet. Die Korrekturspule 19 besteht aus vier Schleifenspulen 19 a, 19 b, 19 c und 19 d, die in Richtung des Statikmagnetfelds und in Reihe zueinander angeordnet sind. Diese Anordnung ist deshalb gewählt, weil zwei Schleifenspulen (Helmholtz-Spulen) für die Änderung der Statikmagnetfeldintensität in einem Zustand hoher Gleich­ förmigkeit unzureichend sind und mindestens vier oder mehr Spulen nötig sind. Mit 21 ist eine Aufnahme-Apertur be­ zeichnet, wobei ein Prüfling (oder auch Untersuchungs­ objekt) in das in dieser Apertur 21 erzeugte Statikmagnet­ feld H _O einführbar ist. Obgleich aus Vereinfachungs­ gründen nicht näher veranschaulicht, sind die Gradient­ magnetfeldspule 17, die HF-Übertragerspule 16 und die HF-Empfängerspule 15 mit der Statikmagnetfeld-Korrektur­ spule 19 zusammengegossen (bzw. einstückig ausgebildet) oder getrennt von ihr ausgebildet und in ihrem Inneren angeordnet.

Im folgenden ist die Arbeitsweise der vorstehend be­ schriebenen Ausführungsform näher erläutert.

Der Strom von der Statikmagnetfeld-Stromquelle 10 wird der supraleitenden Magnetvorrichtung 18 zugeführt, worauf die Stromquelle 10 abgeschaltet bzw. getrennt wird, so daß die supraleitende Magnetvorrichtung 18 in den permanenten Betriebszustand bzw. Permanentmodus versetzt wird. Das Sammeln von Daten erfolgt unter der Steuerung der Systemsteuereinheit 5. HF-Impulse werden von der Spule 16 in einer vorbestimmten Impulssequenz oder -folge übertragen, um die Datensammlung bzw. -erfassung zum Um­ formen (oder Reproduzieren) des MR-Bilds auszuführen, und das durch die Spule 17 erzeugte Gradientmagnetfeld wird dem Statikmagnetfeld überlagert. Das MR-Signal vom Prüfling wird mittels der HF-Empfängerspule 15 abgegriffen und dann über den Vorverstärker 14 dem Phasendetektor 13 eingegeben, in welchem die Signalphase erfaßt wird. Das phasendetektierte Ausgangssignal des letzteren wird über den Wellenformspeicher 12 der Bildumformeinheit 4 zuge­ führt, wobei das in letzterer umgeformte (reformed) MR- Signal auf der Anzeigeeinheit 1 in Form eines sichtbaren Bilds wiedergegeben wird.

Die Korrektur der Statikmagnetfeldintensität oder -stärke erfolgt auf die nachstehend beschriebene Weise.

Es sei angenommen, daß die von der supraleitenden Magnet­ vorrichtung 18 erhaltene Statikmagnetfeldintensität (H _O ) auf die durch eine Kurve 22 in Fig. 3 angedeutete Weise gedämpft wird; die Dämpfungsmuster- oder -profil­ information wird sodann vom Dämpfungsmustergenerator 20 zur Statikmagnetfeld-Korrekturstromquelle 11 übertragen. Daraufhin liefert die Stromquelle 11 einen Strom, der ein durch eine Kurve 23 in Fig. 3 angedeutetes Magnetfeld mit inverser Charakteristik bzw. Kennlinie gegenüber dem Dämpfungsmuster zu erzeugen vermag, zur Statikmagnetfeld- Korrekturspule 19, wodurch die Intensität des Statik­ magnetfelds auf die durch eine Kurve 24 in Fig. 3 ange­ gebene Weise korrigiert und stabil eingestellt wird.

Durch Erzeugung eines solchen Magnetfelds mit einer gegenüber dem Dämpfungsmuster oder -profil des Statik­ magnetfelds inversen Charakteristik kann die Stabilität des Statikmagnetfelds zum Zeitpunkt seiner Erhöhung oder unmittelbar nach Änderung seiner Intensität ver­ bessert werden. Dabei kann jedoch eine gewisse Differenz zwischen der tatsächlichen Statikmagnetfeldintensität und der vorgegebenen Intensität, entsprechend der Bezugs- MR-Frequenz f _O , auftreten. In einem solchen Fall kann diese Differenz durch Regelung des Stroms in der Spule 19 auf die im folgenden angegebene Weise beseitigt werden.

Zunächst wird das vom Prüfling erhaltene MR-Signal unter der Steuerung der Systemsteuereinheit 5 abgegriffen. So­ dann wird das MR-Signal durch Fouriersche Umwandlung in der Statikmagnetfeld-Korrektursteuereinheit 3 verar­ beitet, und die Intensität des Statikmagnetfelds wird nach Maßgabe des Scheitel- oder Spitzenwerts des umge­ wandelten Signals berechnet. Anschließend erfolgt eine Berechnung zur Ermittlung der Differenz zwischen dieser tatsächlichen Magnetfeldintensität und der vorgegebenen Intensität entsprechend der Bezugs-MR-Frequenz f _O , wobei der in der Spule 19 fließende Strom durch die Stromquelle 11 derart geregelt wird, daß diese Differenz beseitigt wird. Die Intensität oder Stärke des Statikmagnetfelds wird somit durch die obige, als Magnetfeldaufschaltung (magnetic field lock) bezeichnete Operation korrigiert.

Der Zeitpunkt für die Durchführung dieser Magnetfeld­ aufschaltung kann unter Berücksichtigung der Dämpfungs­ größe der Statikmagnetfeldintensität zweckmäßig bestimmt werden, so daß die geforderte Magnetfeldstabilität erzielt wird. Wenn jedoch die Aufnahmezeit (Datenerfassungszeit) lang ist, kann diese Zeit auf die in Fig. 4 graphisch dar­ gestellte Weise in vorbestimmte Zeitintervalle mit da­ zwischen liegenden Nichtaufnahmeperioden (AUS-Zeit) unter­ teilt werden, wobei der Magnetfeldaufschaltungsmodus in diese AUS-Zeiten einbezogen werden kann. Fig. 5 veran­ schaulicht graphisch die Beziehung zwischen der Änderung des Stroms der Statikmagnetfeld-Korrekturspule 19 und der in der Intensität des Statikmagnetfelds herbeige­ führten Änderung. In dieser graphischen Darstellung stehen H _O für die Intensität des Statikmagnetfelds und I _B für den in der Statikmagnetfeld-Korrekturspule 19 fließenden Strom. Falls keine Korrektur der Statikmagnetfeldintensität vorgenommen wird, wird auf die durch eine Kurve 27 in Fig. 5 gezeigte Weise eine große Intensitätsdämpfung induziert bzw. eingeführt; dagegen kann durch Erzeugung des Magnet­ felds mit der gegenüber dem Dämpfungsmuster oder -profil des Statikmagnetfelds inversen Charakteristik die Statik­ magnetfeldintensität auf die durch eine Kurve 25 in Fig. 5 angedeutete Weise korrigiert werden. Da weiterhin der Strom in der Statikmagnetfeld-Korrekturspule 19 auch durch die Magnetfeldkorrektur-Steuereinheit 3 (im Magnetfeld­ aufschaltungsmodus) geregelt wird, läßt sich eine hohe Stabilität im Bereich des Bezugspunkts H _O (Statikmagnet­ feldintensität entsprechend der Bezugs-MR-Frequenz f _O ) erreichen, wie dies durch eine Kurve 26 in Fig. 5 ange­ geben ist.

Wie durch eine ausgezogene Kurve 28 in Fig. 5 angedeutet, wird der Strom I _B bevorzugt so eingestellt, daß er zum Zeitpunkt der Erhöhung des Statikmagnetfelds oder un­ mittelbar nach der Änderung seiner Intensität negativ ist und im Einschwingzustand des Geräts zu Null wird. Mit dieser Einstellung kann wirksam die erforderliche, der Statikmagnetfeld-Korrekturspule 19 zuzuführende Energie minimiert werden.

Beim beschriebenen Gerät gemäß der Erfindung, bei dem ein Strom, der zur Erzeugung eines Magnetfelds mit inverser Charakteristik oder Kennlinie gegenüber dem Dämpfungs­ muster des Statikmagnetfelds in der supraleitenden Magnet­ vorrichtung 18 geeignet ist, dieser Korrekturspule 19 zugeführt wird, kann somit die Stabilität des Statik­ magnetfelds zum Zeitpunkt seiner Erhöhung oder unmittelbar nach Änderung seiner Intensität verbessert bzw. erhöht werden. Da weiterhin der in der Korrekturspule 19 fließende Strom auch nach Maßgabe einer etwaigen Änderung oder Variation in der Statikmagnetfeldintensität geregelt wird, kann eine hohe Stabilität im Bereich der Magnetfeld­ intensität entsprechend der Bezugs-MR-Frequenz f _O reali­ siert werden.

Claims (4)

1. Magnetresonanz-Abbildungsgerät mit einer supraleitenden Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines Statikmagnetfelds in einem supraleitenden Zustand und mit der Befähigung zur Erzeugung eines (einer) Magnetresonanzbilds oder -abbildung eines in dieses Statikmagnetfeld eingebrachten Prüflings (oder auch Untersuchungsobjekts), gekenn­ zeichnet durch
eine Spule zum Korrigieren der Intensität oder Stärke des Statikmagnetfelds,
einen Dämpfungsmustergenerator zum Erzeugen eines Dämpfungsmusters oder -profils der Statikmagnetfeldinten­ sität in der supraleitenden Magnetvorrichtung und
eine Statikmagnetfeld-Korrekturstromquelle zur Lieferung eines für die Erzeugung eines Magnetfelds einer in bezug auf das Dämpfungsmuster inversen Charakteristik oder Kennlinie geeigneten Stroms, wobei das Ausgangssignal von dieser Korrekturstromquelle der Spule zugespeist wird.

2. Magnetresonanz-Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsmustergenerator einen Speicher zum Abspeichern der durch vorherige Messung gewonnenen Dämpfungsmusterinformation bezüglich des Statikmagnetfelds aufweist.

3. Magnetresonanz-Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statikmagnetfeld-Korrekturspule aus einer Anzahl von in Richtung des Statikmagnetfelds angeordneten und miteinander in Reihe geschalteten Schleifenspulen besteht.

4. Magnetresonanz-Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statikmagnetfeld-Korrekturstrom­ quelle durch eine Statikmagnetfeld-Korrektursteuereinheit für die Erzeugung eines Ausgangssignals zum Korrigieren einer etwaigen, in der Intensität des Statikmagnetfelds hervorgerufenen Änderung oder Variation steuerbar ist.