DE3839715C2 - Magnetresonanz-Abbildungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanz-Abbildungsgerät zur Erzeugung eines Magnetresonanzbilds eines Prüflings, bei dem das Statikmagnetfeld stabilisiert sein soll.

Bei einem MR-Abbildungsgerät ist es erforder­ lich, daß das Statikmagnetfeld eine zufriedenstellende Gleichmäßigkeit in einem weiten Bereich und eine hohe Stabilität aufweist. Beispielsweise be­ trägt bei der Protonenabbildung die erforder­ liche Stabilität des Statikmagnetfelds etwa 2 ppm/h, während bei der Abbildung der chemischen Verschiebung eine Stabilität von 0,1 ppm/h erforderlich ist. Mit einer supraleitenden Magnetvorrichtung ist eine hohe Stabilität von 0,1 ppm/h im eingeschwungenen oder statischen Zustand vergleichsweise einfach zu erreichen. Unmittelbar nach der Änderung der Stärke des Statikmagnetfelds ist es dagegen äußerst schwierig, die gewünschte Stabilität von 0,1 ppm/h zu erzielen.

Aus der DE 28 57 267 A1 ist ein Kernresonanzspektrometer bekannt, das eine Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines in einer Richtung verlaufenden Statikmagnetfeldes, eine Spule zum Korrigieren der Intensität des Statikmagnetfeldes und eine mit der Spule verbundene Statikmagnetfeld-Korrekturstromquelle aufweist. Die Stabilisierung der Feldstärke des Statikmagnetfeldes erfolgt durch ein Verriegelungssystem, bei dem die Magnetfeldstärke des Statikmagnetfeldes unter Bezug auf das NMR-Signal eines in das Statikmagnetfeld eingebrachten Referenzmaterials unter Nutzung einer geeigneten dafür vorgesehenen elektronischen Schaltung in einem geschlossenen Regelkreis hochgenau stabilisiert wird.

Aus der US-PS 42 84 950 ist eine NMR-Apparatur für medizinische Zwecke bekannt, die ein Magnetfeldmeßsystem umfaßt, das die Stärke eines Statikmagnetfeldes an einer Anzahl von Stellen in dem zu untersuchenden Raumgebiet mißt und ein Fehlersignal erzeugt, das die Abweichung des Statikmagnetfeldes hinsichtlich der räumlichen Gleichförmigkeit angibt.

Bei einer normalleitenden Magnetvorrichtung kann die Feldstärke durch Regelung des der Spule zugespeisten Stroms ohne weiteres korrigiert werden; eine solche Korrektur ist jedoch bei einer supraleitenden Magnetvorrichtung, die für gewöhnlich mit abgetrennter 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 Erfindung in der Schaffung eines verbesserten Magnetresonanz-Abbildungsgeräts mit einem supraleitenden Magneten, bei dem die Stabilität des Statikmagnetfelds unmittelbar nach Beladung des Magneten oder nach einer Änderung seiner Feldstärke verbessert ist, so daß das Abbildungsgerät möglichst bald wieder zu Messungen einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetresonanz-Abbildungsgerät mit einer supraleitenden Magnetvorrichtung zur Erzeugung eines Statikmagnetfelds durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

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

Im folgenden wird die Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

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-Ab­ bildungsgeräts erzeugt ein Hochfrequenz-Oszillator 6 ein HF-Signal unter der Steuerung einer Systemsteuereinheit 5. Das Ausgangssignal des Oszillators 6 wird einer HF-Übertragerspule 16 über eine Torschaltung 7 und einen Leistungsverstärker 8 in der nachgeschalteten Stufe zugeführt. Eine 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 Korrektur 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 Fourier- Transformation 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 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 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 Scheibenrichtung 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 18 zum Erzeugen eines Statikmagnetfelds in einem supralei­ tenden Zustand umfaßt eine Statikmagnetfeldspule aus einem Supraleiter 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 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 Genera­ 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 eines Magnetfelds mit einer inversen Charakteristik gegenüber dem Dämpfungsmuster. Anschließend wird der von der Statikmagnetfeld-Stromquelle 11 zur Spule 19 gelieferte Strom durch die Statikmagnetfeld-Korrektur­ steuereinheit 3 gesteuert.

Fig. 2 veranschaulicht die Anordnung 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 19a, 19b, 19c und 19d, 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 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, d. h. 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 abgetrennt wird, so daß die supraleitende Magnetvorrichtung 18 in den permanenten Betriebszustand versetzt wird. Das Sammeln von Daten erfolgt unter der Steuerung der Systemsteuereinheit 5. HF-Impulse werden von der Spule 16 in einer vorbestimmten Impulssequenz übertragen, 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 MR- Signal auf der Anzeigeeinheit 1 in Form eines sichtbaren Bilds wiedergegeben wird.

Die Korrektur der Statikmagnetfeldintensität 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 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 gegenüber dem Dämpfungsmuster zu erzeugen vermag, zur Statikmagnetfeld- Korrekturspule 19, wodurch die Intensität des Statik­ magnetfelds auf die durch die Kurve 24 in Fig. 3 ange­ gebene Weise korrigiert wird.

Durch Erzeugung eines solchen Magnetfelds mit einer gegenüber dem Dämpfungsmuster 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 Fourier-Transformation 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 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 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 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 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 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 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 (3)

1. Magnetresonanz-Abbildungsgerät, das einen von einer Statikmagnetfeld-Stromquelle (10) aufladbaren supraleitenden Magneten (18) sowie eine von einer Statikmagnetfeld-Korrekturstromquelle (11) gespeiste Korrekturspule (19) aufweist, wobei die Statikmagnetfeld-Korrekturstromquelle (11) durch eine von einer Korrektursteuereinheit (3) gelieferte und durch Messung der statischen Magnetfeldstärke gewonnene Regelgröße sowie durch ein von einem Generator (20) erzeugtes Steuersignal angesteuert wird, das auf einer vorherigen Messung des Abklingverhaltens des statischen Magnetfeldes basiert und die Statikmagnetfeld- Korrekturstromquelle (11) aufgrund dieses Steuersignals der Korrekturspule (19) einen Strom zuführt, der ein Magnetfeld mit einer gegenüber der Abklingkurve des statischen Magnetfeldes inversen Charakteristik erzeugt.

2. Magnetresonanz-Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (20) einen Speicher zum Abspeichern der Abklingkurve aufweist.

3. Magnetresonanz-Abbildungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Statikmagnetfeld-Korrekturspule aus einer Anzahl von miteinander in Reihe geschalteten Helmholtz-Spulen (19a . . . 19d) besteht, deren Spulenfläche senkrecht zur Längsachse des Statikmagnetfeldes ausgerichtet ist.