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Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanzeinrichtung, aufweisend eine Gradientenspulenanordnung mit durch wenigstens einen zylindrischen Spulenträger getragenen Gradientenspulen zur Erzeugung von Gradientenfeldern. Daneben betrifft die Erfindung ein Magnetresonanzsystem mit einer solchen Magnetresonanzeinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung oder eines Magnetresonanzsystems.
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Die Magnetresonanzbildgebung ist im medizinischen Bereich inzwischen ein etabliertes Bildgebungsmittel. In einer üblichen Magnetresonanzeinrichtung wird ein meist supraleitender Hauptfeldmagnet genutzt, um ein Grundmagnetfeld (BO-Feld) zu erzeugen. Die meisten Magnetresonanzeinrichtungen weisen dabei eine Hauptfeldmagneteinheit für den Hauptfeldmagneten auf, in der eine zylindrische Patientenaufnahme ausgebildet ist. Um Richtungen zu kodieren, ist es bekannt, eine Gradientenspulenanordnung mit mehreren, üblicherweise drei, Gradientenspulen zu verwenden, die Gradientenfelder in drei zueinander orthogonalen Hauptrichtungen erzeugen können. Eine Hochfrequenzspulenanordnung dient zum Aussenden von Anregungspulsen und zum Empfang von Magnetresonanzsignalen, die in entsprechende Magnetresonanzdaten umgewandelt werden.
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Gradientenspulen werden im Bildaufnahmebetrieb mit hohen Strömen betrieben, die innerhalb des Grundmagnetfelds zu mechanischen und elektromagnetischen Effekten führen. Insbesondere kommt es beim Betrieb der Gradientenspulenanordnung häufig zu einer starken Lärmentwicklung in der Magnetresonanzeinrichtung; die Vibrationen der Gradientenspulenanordnung selbst können wiederum jedoch elektromagnetische Effekte auslösen. Insgesamt kann gesagt werden, dass durch die Gradientenspulen fließende Ströme zwar das gewünschte Gradientenfeld erzeugen, damit verbunden aber auch Lorentzkräfte und Ohm'sche Wärme.
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Dabei wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, Gradientenspulenanordnungen mit Temperatursensoren zu versehen, deren Sensordaten repräsentativ für die Wärmeentwicklung sind. Dabei werden diese Temperatursensoren in der Gradientenspulenanordnung üblicherweise zur Überwachung der Maximaltemperaturen als Komponentenschutz eingebaut. Allerdings wurde inzwischen auch vorgeschlagen, Sensordaten der Temperatursensoren auch im Sinne einer „Präventivwartung“ („Preventive Maintenance“) und/oder zur Erhöhung der Bildqualität einzusetzen. Eine Erhöhung der Bildqualität kann beispielsweise durch eine B0-Drift-Korrektur in Abhängigkeit der Sensordaten der Temperatursensoren umgesetzt werden. Ferner bieten Sensordaten der Temperatursensoren die Möglichkeit temporärer Leistungserhöhungen auf Basis von Kontenmodellen.
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Weitere Sensorik, die bezüglich der Gradientenspulen der Gradientenspulenanordnung eingesetzt wird, sind Stromsensoren, die durch die Gradientenspulen fließenden Ströme erfassen. Derartige Stromsensoren sind üblicherweise im Gradientenverstärker verbaut und dienen der Überwachung.
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Weiterhin wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, auch andere Sensortypen zu bestimmten Analysezwecken temporär an einer Gradientenspule anzuordnen, beispielsweise Vibrationssensoren, oder aber im Nahbereich um eine Gradientenspule zu verwenden, beispielsweise Mikrofone zur Vermessung der Geräuschentwicklung, Pickup-Spulen zur Messung von B-Feldern und Hochfrequenzempfangsspulen zur Spike-Detektion.
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In der nachveröffentlichten europäischen Patentanmeldung mit dem Anmeldezeichen 17191898.0 wurde vorgeschlagen, Sensorplattformen vollständig in eine Gradientenspule zu integrieren, insbesondere zu vergießen, wobei diese Sensoren auch eine Vibrationsamplitude oder einen Beschleunigungswert vermessen können. Allerdings ist weder zur Ausgestaltung dieser Sensoren noch zur Nutzung von deren Daten Genaueres offenbart.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum verbesserten Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung durch verbesserte Überwachungs- und Analysemöglichkeiten für eine Gradientenspulenanordnung anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß eine Magnetresonanzeinrichtung, ein Magnetresonanzsystem und ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung beziehungsweise eines Magnetresonanzsystems gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einer Magnetresonanzeinrichtung der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß also insbesondere vorgesehen, dass als Teil der Gradientenspulenanordnung wenigstens ein Vibrationssensor zur Vermessung von Vibrationen der Gradientenspulenanordnung zumindest in radialer Schwingungsrichtung fest in oder an der Gradientenspulenanordnung verbaut ist.
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Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, bevorzugt zusätzlich zu wenigstens einem Temperatursensor auch wenigstens einen Vibrationssensor als fest verbauten Anteil der Gradientenspulenanordnung vorzusehen, so dass auch im Betrieb der Gradientenspulenanordnung das Schwingungsverhalten der Gradientenspulenanordnung beschreibende Sensordaten mittels des wenigstens einen Vibrationssensors aufgenommen werden können. Dabei ist wenigstens einer des wenigstens einen Vibrationssensors zur Vermessung wenigstens radialer Schwingungen der Gradientenspulenanordnung, insbesondere des Spulenträgers, ausgebildet, insbesondere orientiert. Die permanente Anbringung von Vibrationssensoren an einer Gradientenspulenanordnung ist geeignet, Sensordaten aufzuzeichnen, die repräsentativ für eine bisher nicht erfasste Eigenschaft des Betriebs der Gradientenspulenanordnung sind, nämlich für die Lorentzkräfte. Dabei hat sich gezeigt, dass hier die radialen Schwingungen die wichtigsten sind, mithin mit höchster Priorität vermessen werden, was sich durch die entsprechende Ausbildung wenigstens eines des wenigstens einen Vibrationssensors auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausdrückt. Wird die Längsrichtung der Patientenaufnahme und somit auch des zylindrischen Spulenträgers als Z-Richtung bezeichnet, bezieht sich die Vermessung von Vibrationen der Gradientenspulenanordnung, insbesondere des Spulenträgers, mithin wenigstens auf die dazu senkrechten X- und Y-Richtungen. Dabei kann, wie grundsätzlich bekannt, jeder dieser Hauptrichtungen eine Gradientenspule der Gradientenspulenanordnung zugeordnet sein.
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Die Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensor können sowohl innerhalb der Magnetresonanzeinrichtung als auch extern zu dieser, gegebenenfalls kombiniert, ausgewertet werden, bevorzugt gemeinsam mit Sensordaten eines ebenso vorgesehenen Temperatursensors der Gradientenspulenanordnung, so dass Aussagen zum Zustand der Gradientenspulenanordnung abgeleitet werden können, welche im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf vielerlei Art eingesetzt werden können. Insbesondere können Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung dabei auf sogenannte Big-Data-Ansätze und/oder Ansätze der künstlichen Intelligenz abzielen, um die zusätzlich gewonnenen Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors insbesondere auf zeitliche Verläufe und/oder statistisch feststellbare Korrelationen zu untersuchen und entsprechende Vorteile daraus herleiten zu können. Beispielsweise können durch Vergleich von Sensordaten über die Zeit, aber speziell bei wiederkehrender Verwendung einer definierten Magnetresonanzsequenz, beispielsweise auch einer Testsequenz, mechanische und/oder dynamische Veränderungen der Gradientenspulenanordnung detektiert werden und dieses Wissen insbesondere zur Anpassung des Betriebs der Magnetresonanzeinrichtung eingesetzt werden. Dabei sei hervorgehoben, dass eine Auswertung der Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors, bevorzugt gemeinsam mit Sensordaten des Temperatursensors, auch auf einer Entwicklung verbesserter Gradientenspulenanordnungen hin erfolgen kann.
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In bevorzugter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann als wenigstens einer des wenigstens einen Vibrationssensors ein piezoelektrischer Sensor und/oder ein Beschleunigungsaufnehmer, insbesondere als MEMS, sein. Dabei wurden bereits für den Einsatz in Magnetresonanzeinrichtungen besonders geeignete Beschleunigungsaufnehmer (Accelerometer) und piezoelektrische Sensoren vorgeschlagen, welche mithin wenig leitfähige Bauteile aufweisen und auf magnetische Bauteile möglichst vollständig verzichten. Das bedeutet, bevorzugt kann der wenigstens eine Vibrationssensor möglichst wenig leitfähige und keine magnetischen Bauteile aufweisen.
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Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn der piezoelektrische Sensor und/oder der MEMS-Beschleunigungsaufnehmer in einem Bereich geringer dynamischer Magnetfelder angeordnet sind. Solche dynamischen Magnetfelder einer Magnetresonanzeinrichtung umfassen insbesondere Gradientenfelder und Hochfrequenzfelder. Entsprechende Bereiche geringer dynamischer Magnetfelder können gemäß Design beziehungsweise Auslegung der Magnetresonanzeinrichtung bereits bekannt sein und/oder durch Messungen festgestellt werden. Bei Bereichen geringer dynamischer Magnetfelder handelt es sich also um solche, in denen die Amplituden der dynamischen Magnetfelder geringer als in anderen Bereichen der Gradientenspulenanordnung ist.
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In alternativer, aber weniger bevorzugter Ausgestaltung können als wenigstens einer des wenigstens einen Vibrationssensors auch Dehnungsmessstreifen und/oder Mikrofone eingesetzt werden. Dabei gilt bei Dehnungsmessstreifen jedoch, dass bestimmte Arten der Vibration beziehungsweise Schwingung sich durch Dehnung nicht erfassen lassen, insbesondere Starrkörperbewegungen, wie sie bei Tieffrequenzanregungen auftreten können und Biegeschwingungen bei Platzierungen der Dehnungsmessstreifen an den freischwingenden Enden des zylindrischen Spulenkörpers. Mikrofone erfassen den von der Gradientenspulenanordnung abgestrahlten Lärm, wobei einem derart ermittelten akustischen Signal als Sensordaten auch Informationen aus der Umgebung der Gradientenspulenanordnung beigemischt werden, beispielsweise Lärm aus Wirbelstromquellen und/oder die akustischen Luftresonanzen des die Gradientenspulenanordnung umgebenden Resonanzkörpers.
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Konkret kann zum einen vorgesehen sein, dass wenigstens einer des wenigstens einen Vibrationssensors innerhalb des Spulenkörpers der Gradientenspulenanordnung integriert, insbesondere vergossen, ist. Dies sorgt für hervorragende Erfassungseigenschaften, bietet jedoch keinen späteren Zugriff auf den wenigstens einen Vibrationssensor, beispielsweise bei Defekten und/oder sonstigen Wartungsarbeiten.
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Mithin ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, dass wenigstens einer des wenigstens einen Vibrationssensors an einer Oberfläche der Gradientenspulenanordnung, insbesondere austauschbar, befestigt ist. Hierzu kann konkret vorgesehen sein, dass wenigstens ein Befestigungsmittel, insbesondere eine wenigstens ein Schraubgewinde umfassende Befestigungsplatte, an einer Oberfläche des Spulenkörpers der Gradientenspulenanordnung eingegossen ist, an dem wenigstens einer des wenigstens einen Vibrationssensors befestigt ist. Im Sinne leichteren Austausches im Fehlerfall ist eine Platzierung des wenigstens einen Vibrationssensors an der Oberfläche der Gradientenspulenanordnung, insbesondere also des Spulenkörpers, von Vorteil. Ein weiterer sich aus der oberflächlichen Platzierung des wenigstens einen Vibrationssensors ergebender Vorteil ist, dass der Vibrationssensor erst nach dem Verguss der Gradientenspulen angebracht werden kann, somit nicht den hohen Temperaturen des Vergussprozesses ausgesetzt werden muss. Wird eine Befestigungsplatte, beispielsweise eine Sockelplatte, mit Gewinde für den später darauf zu befestigenden Vibrationssensor verwendet, ist dennoch eine stabile und definierte Anbringung gewährleistet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei frei gelagerten Enden des Spulenkörpers wenigstens einer des wenigstens einen Vibrationssensors an wenigstens einem Ende des Spulenkörpers positioniert ist. Wie bereits erwähnt, ist die Gradientenspulenanordnung üblicherweise die Patientenaufnahme zylindrisch umgebend angeordnet, so dass sich die Längsenden entsprechend ergeben. Dabei haben Untersuchungen gezeigt, dass der Spulenkörper im Wesentlichen als ein Freischwinger angenommen werden kann, der freie Enden aufweist, da bei den Randbedingungen „frei“ auf beiden Seiten die höchsten Amplituden für die Vibrationen, also Schwingungen, an eben diesen Enden zu erwarten sind. Dabei sind, wie dargelegt wurde, speziell die radialen Vibrationen von besonderem Interesse, da die meisten Effekte vor allem durch diese Bewegungskomponente bestimmt werden. Dabei sei angemerkt, dass die Enden auch häufig Bereichen geringer dynamischer Magnetfelder entsprechen.
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Wird der wenigstens eine an wenigstens einem Ende des Spulenkörpers angeordnete Vibrationssensor als „Priorität 1“ angesehen, sieht eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, die als „Priorität 2“ verstanden werden kann, vor, dass bei wenigstens einem an wenigstens einem Ende des Spulenkörpers vorgesehenen Vibrationssensor wenigstens ein weiterer Vibrationssensor in der Mitte des Spulenkörpers, insbesondere in einer Isozentralebene der Magnetresonanzeinrichtung, angeordnet ist. Auch im Längsbereich des Isozentrums im Spulenkörper liegen meist deutlichere Ausschläge bei Schwingungen, mithin Vibrationen, vor, so dass es zweckmäßig ist, wenigstens einen weiteren Vibrationssensor in diesem Bereich anzuordnen, der diese „Submaxima“ erfasst.
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Im Hinblick auf bestimmte Arten der Auswertung kann es jedoch auch zweckmäßig sein, neben den radialen Vibrationen/Schwingungen auch solche in Längsrichtung des Spulenkörpers zu erfassen. In einer entsprechenden Ausgestaltung, die auch als „Priorität 3“ bezeichnet werden kann, kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer des wenigstens einen an wenigstens einem Ende angeordneten Vibrationssensors und/oder ein zusätzlicher an dem Ende angeordneter Vibrationssensor zur Messung von in Längsrichtung erfolgenden Schwingungen der Gradientenspulenanordnung ausgebildet ist. Während bei Vermessung radialer Vibration beziehungsweise Schwingungen mithin hauptsächlich auf die wesentliche Bedeutung von „Biegeschwingungen“ abgestellt wird, werden in Längsrichtung auch sogenannte „Stauchermoden“ erfasst, die ebenso relevant sein können, beispielsweise, wenn die Auswertung im Hinblick auf eine Belastung der Koaxial-Anschlüsse der Gradientenspulenanordnung gerichtet ist.
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Die konkrete Platzierung hinsichtlich der Umfangsrichtung kann von der Zahl der tatsächlich verwendeten Vibrationssensoren, insbesondere an den Enden, abhängen. Wie bereits erwähnt, kann die Magnetresonanzeinrichtung eine in einer Hauptmagneteinheit gebildete zylindrische Patientenaufnahme aufweisen, die umgebend die Gradientenspulenanordnung angeordnet ist, wobei die drei Gradientenspulen jeweils einer von drei orthogonalen Hauptrichtungen, von denen eine der Längsrichtung der Patientenaufnahme entspricht, zugeordnet sind. Das bedeutet, die einer Hauptrichtung zugeordneten Gradientenspulen erzeugen ein Gradientenfeld mit einem Gradienten in dieser Hauptrichtung. Beispielsweise kann die Längsrichtung der Patientenaufnahme (und somit des bevorzugt alle drei Gradientenspulen tragenden Spulenkörpers) der Z-Richtung als Hauptrichtung entsprechen, wobei die weiteren Hauptrichtungen die X-Richtung und die Y-Richtung sind. Entsprechend können im Übrigen auch die einzelnen Gradientenspulen der Gradientenspulenanordnung als X-Gradientenspule, Y-Gradientenspule und Z-Gradientenspule bezeichnet werden.
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Sollen nun nur ein einziger Vibrationssensor beziehungsweise ein einziger Vibrationssensor pro beziehungsweise für die freien Enden des alle Gradientenspulen tragenden Spulenkörpers eingesetzt werden, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Vibrationssensor oder die Vibrationssensoren in der Mittelebene zwischen den durch die Längsrichtung und die erste weitere Hauptrichtung und die Längsrichtung und die zweite Hauptrichtung gebildeten Ebenen angeordnet ist. Sollen mehrere Vibrationssensoren verwendet werden, kann wenigstens ein Vibrationssensor in der Ebene aus der Längsrichtung und der ersten weiteren Hauptrichtung und wenigstens ein weiterer Vibrationssensor in der Ebene aus der Längsrichtung und der zweiten weiteren Hauptrichtung angeordnet sein. Das bedeutet, abhängig von der Anzahl der verwendeten Vibrationssensoren variiert die optimale Platzierung. Die Hauptvibrationen des X- und des Z-Gradienten sind bei Positionen in der X-Z-Ebene zu erwarten, für den Y- und den Z-Gradienten in der Y-Z-Ebene. Steht nur ein Vibrationssensor zur Verfügung, kann eine Platzierung auf der 45°-Ebene zwischen den soeben genannten Ebenen gewählt werden, so dass zwar nicht die absoluten Maxima der jeweiligen Vibrationen aufgenommen werden, dafür aber keine entscheidende Schwingungsmode nicht erfasst wird. Bei mehreren Vibrationssensoren (insbesondere pro Ende) kann wenigstens ein Vibrationssensor in der X-Z-Ebene, wenigstens ein weiterer Vibrationssensor in der Y-Z-Ebene angeordnet werden, um auch die absoluten Maxima zu erfassen.
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Dabei sei bereits an dieser Stelle angemerkt, dass die Verwendung mehrerer Vibrationssensoren erfindungsgemäß bevorzugt ist, insbesondere also eines Sensorarrays aus Vibrationssensoren, da dann unter Ausnutzung der üblichen Gradientensymmetrien über die Erfassung von Amplitudenrelationen und über die Phasenlagen auch Ergebnisdaten zur Rekonstruktion von Schwingungsformen durch Auswertung erhalten werden können.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der wenigstens eine Vibrationssensor zur Aufnahme von eine Schwingungsamplitude und/oder eine Schwingungsgeschwindigkeit und/oder eine Schwingungsbeschleunigung über die Zeit beschreibenden Sensordaten und/oder zur Aufnahme von Sensordaten mit einer Frequenz von wenigstens 2000 Hz, bevorzugt 20000 Hz, ausgebildet ist. Aus einer derartigen Vibrationsmessung können viele Daten einer Schwingung extrahiert werden, beispielsweise Amplituden, Anteile von Oberwellen, Phasenlagen und/oder Zeitkonstanten, wobei auch eine hinreichende zeitliche Auflösung gegeben sein sollte. Bei Vibrationsfrequenzen bis zu 2000 Hz und üblicherweise erwünschter Auflösung von 5 Messpunkten pro Halbwelle ergibt sich beispielsweise ein Zeitraster von etwa 50 us, in dem Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors aufgenommen werden.
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Wie bereits erwähnt, sieht eine besonders bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vor, dass neben dem wenigstens einen Vibrationssensor die Gradientenspulenanordnung auch wenigstens einen Temperatursensor zur Messung einer Temperatur der Gradientenspulenanordnung aufweist. In vielen Fällen ist es dabei sinnvoll, im Rahmen der Auswertung Temperatureffekte und Schwingungseffekte, mithin Effekte der Lorentzkräfte, gemeinsam zu betrachten, um ein vollständiges Abbild vom Zustand der Gradientenspulenanordnung und der hierdurch ausgelösten Effekte zu erhalten.
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Zweckmäßigerweise kann die Magnetresonanzeinrichtung eine Steuereinrichtung aufweisen, die zur wenigstens teilweisen Auswertung der Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors, insbesondere wenigstens teilweise gemeinsam mit Sensordaten des wenigstens einen Temperatursensors, ausgebildet ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann jedoch auch ein Magnetresonanzsystem gebildet werden, das wenigstens eine Magnetresonanzeinrichtung der erfindungsgemäßen Art und eine externe Steuereinrichtung aufweist, die zur wenigstens teilweisen Auswertung der Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors, insbesondere wenigstens teilweise gemeinsam mit Sensordaten des wenigstens einen Temperatursensors, ausgebildet ist.
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Das bedeutet, die Auswertung von Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors (und bevorzugt auch des wenigstens einen Temperatursensors) kann sowohl lokal an der Magnetresonanzeinrichtung selbst als auch entfernt durch eine externe Steuereinrichtung, beispielsweise eine Backendeinrichtung, erfolgen. Dabei kann die Ausführung von Auswertungsaufgaben auch verteilt sein, so dass beispielsweise die magnetresonanzseitige Steuereinrichtung Auswertungen im Hinblick auf Echtzeit-Kompensationen und/oder Rekonstruktions- und/oder Nachbearbeitungs-Korrekturen an Magnetresonanzdaten vornehmen kann, während die externe Steuereinrichtung beispielsweise für die statistische Auswertung von Sensordaten über längere Zeiträume, insbesondere in Big-Data-Ansätzen, zuständig sein kann.
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Zur konkreten Auswertung der Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors (und bevorzugt der des wenigstens einen Temperatursensors) existieren eine Vielzahl von Möglichkeiten, die im Folgenden näher dargelegt werden sollen. Allgemein gesagt kann die magnetresonanzeinrichtungsseitige Steuereinrichtung und/oder die externe Steuereinrichtung zur Auswertung der Sensordaten, insbesondere im Rahmen einer Modalanalyse, zur Ermittlung wenigstens einer Kenngröße wenigstens einer vermessenen Schwingung ausgebildet sein, insbesondere zur Ermittlung einer Frequenz und/oder eines Frequenzspektrums und/oder einer Oberwelleninformation und/oder einer Amplitudeninformation und/oder einer Phasenlage zwischen zwei Schwingungsanteilen und/oder einer Zeitkonstante und/oder einer räumlichen Relationsgröße, und/oder zur Auswertung der Sensordaten mittels oder zum Trainieren wenigstens eines auf wenigstens eine Korrelation bezogenen Algorithmus der künstlichen Intelligenz und/oder zur Sicherheitsüberwachung der Magnetresonanzeinrichtung anhand der Sensordaten und/oder zur Auswertung der Sensordaten zur Anpassung von Betriebsparametern, insbesondere Aufnahmeparametern, der Magnetresonanzeinrichtung, insbesondere zur Kompensation aktueller und/oder prädizierter Effekte des Gradientenspulenbetriebs und/oder zur Verhinderung des Eintritts zuvor vermessener Effekte des Gradientenspulenbetriebs, und/oder zum Auslösen einer Präventivwartung anhand der Sensordaten ausgebildet ist.
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Entsprechend betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzeinrichtung der erfindungsgemäßen Art oder eines Magnetresonanzsystems der erfindungsgemäßen Art, wobei eine magnetresonanzeinrichtungsseitige Steuereinrichtung und/oder eine externe Steuereinrichtung die Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors, insbesondere wenigstens teilweise gemeinsam mit Sensordaten des wenigstens einen Temperatursensors, auswertet. Sämtliche Ausführungen zur erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung beziehungsweise zum erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystem lassen sich analog auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragen, mit welchem mithin auch die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Insbesondere kann mithin vorgesehen sein, dass die magnetresonanzeinrichtungsseitige Steuereinrichtung und/oder die externe Steuereinrichtung die Sensordaten, insbesondere im Rahmen einer Modalanalyse, zur Ermittlung wenigstens einer Kenngröße wenigstens einer vermessenen Schwingung und/oder mittels oder zum Trainieren wenigstens eines auf wenigstens eine Korrelation bezogenen Algorithmus der künstlichen Intelligenz und/oder mittels statistischer Korrelationsverfahren auswerten und/oder eine Sicherheitsüberwachung der Magnetresonanzeinrichtung anhand der Sensordaten ausführen und/oder die Sensordaten zur Anpassung von Betriebsparametern der Magnetresonanzeinrichtung auswerten und/oder eine Präventivwartung anhand der Sensordaten auslösen. Andererseits gilt aber auch, dass sich sämtliche hier und im Folgenden diskutierten verfahrenstechnischen Aspekte der vorliegenden Erfindung auf entsprechende Ausbildungen der jeweiligen Steuereinrichtungen übertragen lassen, welche im Übrigen jeweils wenigstens einen Prozessor und/oder wenigstens ein Speichermittel aufweisen können. Auswertungsaspekte können dabei durch Hardware- und/oder Software-Komponenten beziehungsweise entsprechende Funktionseinheiten umgesetzt werden.
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Wie bereits angedeutet, umfassen Auswertungsmöglichkeiten für die Sensordaten zum einen statistische, auf längere Zeiträume bezogene Ansätze, insbesondere Big-Data-Ansätze, aber auch auf bestimmte Bildaufnahmevorgänge bezogene Ansätze, beispielsweise die Echtzeit-Kompensation von Effekten beziehungsweise die Korrektur von Magnetresonanzdaten in einer Rekonstruktion oder Nachbearbeitung. Ergebnisse einer statistischen Auswertung in einer Korrelationsanalyse bzw. Auswertung unter Nutzung künstlicher Intelligenz können selbstverständlich wiederum für aktuelle Kompensations- und/oder Korrekturaufgaben herangezogen werden. Konkrete Beispiele sollen im Folgenden erläutert werden.
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Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn wenigstens ein Teil der Sensordaten an die externe Steuereinrichtung übertragen, über die Zeit gesammelt und statistisch und/oder unter Verwendung von Maschinenlernen bezüglich wenigstens eines Algorithmus der künstlichen Intelligenz ausgewertet werden. Insbesondere künstliche Intelligenz ist in der Lage, Korrelationen zwischen Daten unterschiedlicher Art herzustellen, wobei beispielsweise Techniken des sogenannten Deep Learning und/oder andere Ansätze des Maschinenlernens herangezogen werden können, um einen Algorithmus der künstlichen Intelligenz, der diese Korrelationen beschreibt, anzulernen und somit zu parametrieren. Ein Algorithmus der künstlichen Intelligenz kann dabei beispielsweise ein neuronales Netzwerk, insbesondere ein tiefes neuronales Netzwerk, sein. Eine andere entsprechende Methode ist die statistische Korrelationsanalyse. Bei der statistischen Auswertung, aber auch beim Maschinenlernen, kann vorgesehen sein, Sensordaten verschiedener Umstände gleicher Betriebsbedingungen gemeinsam zu verarbeiten, beispielsweise also mit den Sensordaten Betriebsparameter, insbesondere Aufnahmeparameter, aufzuzeichnen, die diese Betriebsbedingungen beschreiben. Beispielsweise können gleiche bzw. äquivalente Gradientenpulse von Magnetresonanzsequenzen, gleiche und/oder äquivalente Magnetresonanzsequenzen und dergleichen identifiziert werden.
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Die Auswertung kann dabei sowohl hinsichtlich mechanischer als auch hinsichtlicher elektromagnetischer Effekte des Betriebs der Gradientenspulenanordnung erfolgen. Mechanische Effekte beschreiben dabei insbesondere die Auswirkungen der bereits genannten Lorentzkräfte, während elektromagnetische Effekte beispielsweise die Induktion von Wirbelströmen oder dergleichen betreffen. Dabei können beide Arten von Effekten indirekt und/oder durch den jeweils anderen hervorgerufen werden. Beispielsweise können elektromagnetische Effekte, beispielsweise die Induzierung von Wirbelströmen in ein Vakuumgefäß des Hauptmagneten, zu dortigen Lorentzkräften und somit mechanischen Effekten führen; gleichermaßen können jedoch auch Vibrationen der Gradientenspulenanordnung, die sich in Vibrationen der Gradientenspulen übertragen, dazu führen, dass wiederum zusätzliche elektromagnetische Effekte, beispielsweise zusätzliche Wirbelströme, auftreten. Bei vielen der mechanischen und elektromagnetischen Effekte spielt zudem die vorteilhafterweise mitberücksichtigte Temperatur bzw. Temperaturverteilung der Gradientenspulenanordnung eine Rolle.
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Konkret kann vorgesehen sein, dass die Auswertung zur Ermittlung wenigstens einer einen mechanischen Effekt und/oder einen elektromagnetischen Effekt des Betriebs der Gradientenspulenanordnung beschreibenden Beurteilungsgröße erfolgt.
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Vorzugsweise kann wenigstens eine der wenigstens einen Beurteilungsgröße zur Echtzeit-Kompensation eines zugeordneten Effekts durch Anpassung wenigstens eines Betriebsparameters der Magnetresonanzeinrichtung verwendet werden. Dies kann sich zum einen auf den Bildgebungsbetrieb an sich beziehen, beispielsweise durch Anpassung von Pulsformen oder dergleichen, wobei eine besonders bevorzugte Ausgestaltung die Echtzeit-Entstörung einer Kommunikationseinrichtung eines Patienten im Hinblick auf aktuell durch die Gradientenspulenanordnung erzeugten, durch wenigstens eine der wenigstens einen Beurteilungsgröße beschriebenen Lärm beziehen kann. Eine derartige Kommunikationseinrichtung, die häufig auch als „Interkom“ bezeichnet wird, ermöglicht die Kommunikation zwischen Bedienpersonal und einem zu untersuchenden Patienten innerhalb der Patientenaufnahme der Magnetresonanzeinrichtung. Beispielsweise können hierüber auf die Atmung bezogene Kommandos oder dergleichen gegeben werden. Dabei ist es wichtig, dass der Patient derartige Kommunikationsansätze des Bedienpersonals auch versteht bzw. umgekehrt, in welchem Zusammenhang der durch die Gradientenspulenanordnung erzeugte Lärm besonders wesentlich ist. Werden aktuelle Vibrationen der Gradientenspulenanordnung durch den wenigstens einen Vibrationssensor vermessen, können zumindest Anteile dieses Lärms ermittelt werden und letztlich in Echtzeit kompensiert werden, wozu bereits verschiedene Ansätze im Stand der Technik bekannt sind. Dabei sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch andere Lärmquellen, die auf dem Betrieb der Gradientenspulenanordnung beruhen und durch die Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors (gegebenenfalls gemeinsam mit Sensordaten des wenigstens einen Temperatursensors) beschrieben werden, berücksichtigt werden können, insbesondere wenn zuvor ein entsprechender Algorithmus, insbesondere ein Algorithmus der künstlichen Intelligenz, trainiert bzw. parametrisiert wurde, insbesondere auch durch Auswertung von Sensordaten. Insbesondere können hierbei Effekte durch Induzierung von Wirbelströmen und entsprechend entstehende Lorentzkräfte in einem äußeren Vakuumgefäß einer Hauptmagneteinheit analysiert und nachfolgend berücksichtigt werden, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
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Insbesondere können die in Echtzeit vorliegenden Sensordaten also als Input zur Verbesserung der Kommunikationsqualität, insbesondere durch verbessertes Herausfiltern des Gradientenlärms und/oder Berücksichtigung von Einschwingvorgängen, genutzt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der wenigstens einen Beurteilungsgröße durch wenigstens ein Sicherheitskriterium ausgewertet wird, welches eine Beeinträchtigung der Dauerfestigkeit von die Gradientenspulenanordnung selbst oder diese umgebenden Komponenten und/oder eine aktuelle Beschädigungsgefahr für wenigstens eine Komponente der Magnetresonanzeinrichtung und/oder eine Gefährdung einer zu untersuchenden Person beschreibt und bei dessen Erfüllung eine Unterbrechung des Bildaufnahmebetriebs der Magnetresonanzeinrichtung erfolgt. Da sich aus der Schwingung der Gradientenspulenanordnung, speziell in ihren Resonanzen und den dabei entstehenden großen Amplituden, der Lärm der Magnetresonanzeinrichtung ableitet und die Dauerfestigkeit von die Gradientenspulenanordnung umgebenden Teilen beeinflusst wird, kann die Schwingungsinformation der Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors auch zur Sicherheitsüberwachung bzw. dann auch Sicherheitsabschaltung der Magnetresonanzeinrichtung verwendet werden. Bezüglich der Komponentenschädigung kann sich dies beispielsweise auf Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung beziehen, bei denen durch die Vibrationen der Gradientenspulenanordnung Spannungen eingekoppelt werden, wobei als Beispiel Shimspulen, speziell Shimspulen der dritten Ordnung, genannt seien. Gerade bezüglich der Einkopplung von Spannungen bzw. Spannungsspitzen werden so Leistungselektronikkomponenten, insbesondere Verstärker, geschützt. Neben der Beschädigungsüberwachung für Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung kann auch eine Lärmüberwachung, insbesondere im Hinblick auf den Patienten, erfolgen. Insbesondere dann, wenn der Lärm durch die Gradientenspulenanordnung zu stark wird, kann auch ein Notfall-Abbruch des Bildaufnahmebetriebs erfolgen.
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In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass aus wenigstens einer aus während eines Bildaufnahmevorgangs mit der Magnetresonanzeinrichtung aufgenommenen Sensordaten ermittelten Beurteilungsgröße eine Korrektur der aufgenommenen Magnetresonanzdaten auf durch die Gradientenspulenanordnung, insbesondere deren Bewegung, erzeugte Artefakte, insbesondere Ghosting-Artefakte, ermittelt und angewendet wird. Vibrationsinduzierte Wirbelströme können Bildqualitätsstörungen, beispielsweise Ghosting-Artefakte, hervorrufen. Da die entsprechenden Feldoszillationen unmittelbar auf die gemessenen Vibrationen zurückgeführt werden können und die Sensordaten bevorzugt Stärke und Phasenlagen der Vibration beschreiben, können die Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors für eine Korrektur von Bildartefakten, insbesondere bei der Nachbearbeitung der Magnetresonanzdaten, herangezogen werden.
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Vorzugsweise kann aus in der Vergangenheit aufgenommenen Sensordaten eine wenigstens einem Teil der Sensordaten, insbesondere der Temperatur, eine Resonanzfrequenz der Gradientenspulenanordnung zuordnende Vorschrift ermittelt werden, wobei in Abhängigkeit einer den aktuellen Sensordaten entsprechenden Resonanzfrequenz wenigstens eine nicht durch wenigstens eine Komponente der Magnetresonanzeinrichtung zu verwendende Sperrfrequenz, insbesondere ein Sperrfrequenzbereich, ermittelt wird. Dabei kann die Aufzeichnung von Sensordaten, die zur Ermittlung der Vorschrift ausgewertet werden sollen, eine spezielle Testsequenz verwendet werden, welche die Reaktion der Gradientenspulenanordnung auf verschiedene Testfrequenzen abtastet. Die Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors werden auf Resonanzen der Gradientenspulenanordnung ausgewertet, so dass als Vorschrift beispielsweise ein Kennfeld, eine Look-up-Tabelle und/oder ein parametrierter Zuordnungsalgorithmus entstehen können, aus der mit Hilfe von aktuellen Sensordaten Sperrfrequenzen abgelesen werden. Insbesondere können hierbei auch Temperaturen und/oder Temperaturverteilungen der Gradientenspulenanordnung, wie sie von dem wenigstens einen Temperatursensor gemessen werden können, berücksichtigt werden, wobei sich die Zuordnung wenigstens einer Resonanzfrequenz zu aktuellen Sensordaten insbesondere auf Sensordaten des Temperatursensors beziehen kann, da die Temperatur sich als wesentlich erwiesen hat. Es sei darauf hingewiesen, dass die Resonanzfrequenz, welche auch als Beurteilungsgröße verstanden werden kann, auch gleich der Sperrfrequenz sein kann und/oder unmittelbar zur Definition eines Sperrfrequenzbereiches um die Resonanzfrequenz genutzt werden kann.
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In einer diesbezüglichen Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Vorschrift auch die Position eines aufzunehmenden Patienten und/oder den Aufnahmebereich des Patienten und/oder Eigenschaften des Patienten berücksichtigend ermittelt wird. Auf diese Weise kann mithin eine Art prädiktiver Vibrationsanalyse erfolgen, das bedeutet, das Schwingverhalten der Gradientenspulenanordnung kann zusammen mit den Bildaufnahmevorgang beschreibenden Parametern aufgezeichnet werden, beispielsweise umfassend die Position der Patientenliege, das Patientengewicht, die Patientengröße, den Body-Mass-Index des Patienten, die Lage des Patienten und/oder den Aufnahmebereich (beispielsweise Abdomen, Kopf, Becken, Beine, ...). Veränderungen des Schwingverhaltens können auf Basis von „Data Mining“ und/oder statistischen Modellen und/oder Maschinenlernen gelernt werden. Damit wird es ermöglicht, das Schwingverhalten der Gradientenspulenanordnung im Voraus zu berechnen und dementsprechend Aufnahmeparameter optimal anzupassen, um aktuelle mechanische Resonanzen durch geeignete Sperrfrequenzen bzw. Sperrfrequenzbereiche zu vermeiden.
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Insgesamt kann also gesagt werden, dass durch die Aufnahme von Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors Resonanzphänomene, insbesondere in ihrer Abhängigkeit von der Temperatur, gelernt werden können und so genutzt werden können, um durch Adaption von Sperrfrequenzen an den aktuellen Zustand der Gradientenspulenanordnung beispielsweise Lärmspitzen zu vermeiden und dergleichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass zusätzlich zu über die Lebensdauer gewonnenen, Veränderungen im Schwingungsverhalten der Gradientenspulenanordnung beschreibenden Sensordaten durch Zerlegung der Gradientenspulenanordnung nach der Lebensdauer gewonnene Zustandsinformationen ermittelt werden, wobei eine Korrelation zwischen der Veränderung des Schwingungsverhaltens und der Zustandsinformation aus Datensätzen zu mehreren Gradientenspulenanordnungen ermittelt und zur Vorhersage einer Lebensdauer einer aktuell verwendeten Gradientenspulenanordnung anhand deren Schwingungsverhalten beschreibender aktueller Sensordaten verwendet werden. Konkret kann dabei vorgesehen sein, dass bei Erreichen eines Zeitabstands vor dem vorausberechneten Ende der Lebensdauer ein Hinweis auf eine Präventivwartung erzeugt wird. Mithin kann also beobachtet werden, ob eine Veränderung des Schwingungsverhaltens über die Lebenszeit der Gradientenspulenanordnung auf bestimmte Alterungseffekte und Beschädigungen schließen lässt, so dass mithin bei Beobachtung einer ähnlichen Veränderung des Schwingungsverhaltens bei einer baugleichen Gradientenspulenanordnung ein Ende der Lebensdauer der Gradientenspulenanordnung vorausgesagt werden kann, so dass beispielsweise eine Präventivwartung angesetzt werden kann, in der die Gradientenspulenanordnung frühzeitig ausgetauscht/repariert wird und Ausfallzeiten somit präventiv vermieden werden können. Insbesondere können so beispielsweise Delaminierungseffekte untersucht werden und gelernt werden, welche Art von Delaminierungen zu welchem veränderten Schwingverhalten der Gradientenspulenanordnung führen. Hierzu werden mithin Sensordaten auch beibehalten, bis die Gradientenspulenanordnung das Ende ihrer Lebenszeit erreicht hat und entsprechend untersucht werden kann. Eine derartige Untersuchung kann beispielsweise einen Teil eines Recyclingprozesses („Ausschlachten der Spule“) bilden.
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In besonders bevorzugter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Schwingungsverhalten der Gradientenspulenanordnung während eines Bildaufnahmevorgangs beschreibende Sensordaten mit zugeordneten Aufnahmeparametern mit Bildartefakte in den resultierenden Magnetresonanzdaten, insbesondere Ghosting-Artefakte, beschreibenden Artefaktdaten korreliert werden, woraus eine den Raum wählbarer Aufnahmeparameter und/oder Aufnahmeparameterkombinationen beschränkende Einschränkungsinformation ermittelt und an der Magnetresonanzeinrichtung angewendet wird. Ein derartiges Vorgehen kann auch als „Preventive Image Quality Assurance“ bezeichnet werden. Das Schwingungsverhalten der Gradientenspulenanordnung wird gemeinsam mit resultierenden Bildartefakten, insbesondere Ghosting-Artefakten, aufgezeichnet. Maschinenlernen und/oder „Data Mining“ und/oder statistische Korrelationsmethoden können angewendet werden, um zu identifizieren, welche Aufnahmeparameter, insbesondere Sequenzparameter wie Repetitionszeit, Echozeit und dergleichen, zu stärkeren Artefakten führen, um diese in der Zukunft zu vermeiden.
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Eine weitere bevorzugte Art der Auswertung der Sensordaten ist gegeben, wenn das Schwingungsverhalten und das Temperaturverhalten beschreibende Sensordaten miteinander zur Parametrierung eines Schwingungsprädiktionsalgorithmus korreliert werden, der ausgehend von einer initialen Temperatur oder Temperaturverteilung in der Gradientenspulenanordnung das Schwingungsverhalten während eines Bildaufnahmevorgangs prädiziert, wobei wenigstens ein Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung aufgrund der Prädiktion angepasst wird. Dabei kann die Anpassung insbesondere zur Erhöhung der Bildqualität und/oder zur Vermeidung von Beschädigungen wenigstens einer Komponente der Magnetresonanzeinrichtung und/oder zur Vermeidung von Gefährdungen des Patienten erfolgen. In diesem Fall wird mithin das Schwingverhalten der Gradientenspulenanordnung gemeinsam mit gleichzeitigen Temperaturmessergebnissen in der Gradientenspulenanordnung aufgezeichnet. Maschinenlernen und/oder „Data Mining“ und/oder statistische Korrelationsmethoden können eingesetzt werden, um in der Zukunft Vorhersagen bezüglich des zu erwartenden Schwingverhaltens abhängig von der initialen Temperatur bzw. der initialen Temperaturverteilung in der Gradientenspulenanordnung zu treffen. So können Aufnahmeparameter bzw. sonstige Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung bereits optimal angepasst werden, bevor der eigentliche Bildaufnahmevorgang beginnt.
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Einen für die Qualität von Bildaufnahmevorgängen relevanten Effekt des Betriebs der Gradientenspulenanordnung stellen auch die sogenannten „Spikes“ dar. Bei „Spikes“ handelt es sich um pulsartige, ein breites Frequenzband abdeckende Einkopplungen in Hochfrequenzspulen der Magnetresonanzeinrichtung, deren Frequenzbereiche auch mit der Magnetresonanzfrequenz bzw. dem für die Magnetresonanzbildgebung benutzten Bereich zumindest überlappen können und somit zu einer Störung der Bildgebung führen können, die sich beispielsweise in entsprechenden Bildartefakten äußern kann. Dabei existieren bislang noch keine genaueren Analysen, wie es zu solchen durch die Gradientenspulenanordnung ausgelösten Spikes kommt. Auch hier kann die vorliegende Erfindung durch Auswertung von Sensordaten des wenigstens einen Vibrationssensors zweckmäßig eingesetzt werden.
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Entsprechend kann vorgesehen sein, dass Sensordaten mit dem Zeitpunkt des Auftretens eines Spikes beschreibenden Spikedaten korreliert werden, wobei wenigstens ein zukünftiger Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung zur Vermeidung von Spikes aufgrund des Korrelationsergebnisses angepasst wird. Dabei werden bevorzugt wiederum ebenso die Temperatur der Gradientenspulenanordnung beschreibende Sensordaten des wenigstens einen Temperatursensors mit beachtet. Beispielsweise kann ein Prädiktionsmodell unter Nutzung von „Data Mining“ und/oder Maschinenlernen und/oder statistischen Korrelationsmethoden trainiert werden, so dass Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung in der Zukunft angepasst werden können, um Spikes zu vermeiden.
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In einer weiteren zweckmäßigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Magnetresonanzeinrichtung eine Helium nutzende Kühleinrichtung für einen Hauptfeldmagneten aufweist, wobei wenigstens ein Kennparameter der Kühleinrichtung, insbesondere wenigstens eine Temperatur des Hauptfeldmagneten und/oder des Heliums und/oder eines Vakuumgefäßes und/oder eine Heliumabdampfungsgröße und/oder eine Heliumverlustgröße und/oder eine Kühlungsreserve, zur Ermittlung eines Zusammenhangs mit den Sensordaten korreliert werden, wobei der Zusammenhang zur Prädiktion des Kühlverhaltens der Kühleinrichtung und zur davon abhängigen Anpassung wenigstens eines Betriebsparameters der Kühleinrichtung verwendet wird, insbesondere in einem Kontenmodell. Diese Ausgestaltung ist insbesondere für sogenannte Wenig-Helium-Kühleinrichtungen (Low He) sinnvoll, also solche Kühleinrichtungen für einen Hauptmagneten, die mit möglichst wenig Helium als Kühlmittel auskommen wollen. In diesem Zusammenhang kann dieser Ansatz auch als „predictive boil-off analysis for low-He magnets“ bezeichnet werden. Das Schwingungsverhalten und bevorzugt auch das Temperaturprofil der Gradientenspulenanordnung wird gemeinsam mit Messungen des Heliumverbrauchs und der Temperaturentwicklung im Hauptmagneten aufgezeichnet. Auch hier kann ein Prädiktionsmodell, beispielsweise in Form eines entsprechenden Kühlprädiktionsalgorithmus der künstlichen Intelligenz, auf Basis von „Data Mining“ und/oder Maschinenlernen und/oder statistischen Korrelationsmethoden trainiert werden, um eine Vorhersage bezüglich der zu erwartenden Heliumabdampfung, der Kühlungsreserve, des Heliumverlustes und dergleichen treffen zu können. Dies lässt sich besonders vorteilhaft im Rahmen eines Kontenmodells einsetzen.
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Vorzugsweise kann ferner mittels einer Feldkamera zu Sensordaten eine Gradienten-Impuls-Antwortfunktion aufgezeichnet werden und durch Korrelation dieser Informationen ein Impulsantwortprädiktionsalgorithmus parametriert werden, wobei durch den Impulsantwortprädiktionsalgorithmus eine eintretende Feldverzerrung während eines Bildaufnahmevorgangs prädiziert und durch Anpassung von Aufnahmeparametern wenigstens teilweise kompensiert und/oder zur Korrektur von Magnetresonanzdaten verwendet wird. Bei dieser Ausgestaltung, die auch als „Predictive Gradient Pulse Response Analysis“ bezeichnet werden kann, werden das Schwingungsverhalten und bevorzugt auch das Temperaturprofil der Gradientenspulenanordnung gemeinsam mit Messungen der Gradienten-Impuls-Antwortfunktion (GIRS) aufgezeichnet. Die Gradienten-Impuls-Antwortfunktion kann dabei bevorzugt mit einer Feldkamera aufgezeichnet werden, wobei entsprechende Feldkameras für Magnetresonanzeinrichtungen, die beispielsweise im Homogenitätsvolumen platziert werden können, grundsätzlich bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind. Diese Gesamtdaten werden verwendet, um eine Aussage über die erwarteten Veränderungen in Gradienten-Impuls-Antwortfunktionen, insbesondere hinsichtlich der Wirbelstromerzeugung, zu erlauben und hierdurch den Bildaufnahmevorgang entsprechend anzupassen und/oder bevorzugt in der Bildrekonstruktion eine optimale Korrektur durchzuführen.
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Eine Weiterbildung im Hinblick auf die Lärmentwicklung als Effekt des Betriebs der Gradientenspulenanordnung sieht vor, dass zusätzlich zu den Sensordaten auch Lärmdaten eines Vakuumgefäßes der Magnetresonanzeinrichtung, in das die Gradientenspulenanordnung Wirbelströme induziert, aufgenommen werden, wobei durch Korrelation der Sensordaten und der Lärmdaten abhängig von dem Betrieb der Gradientenspulenanordnung ein Lärmprädiktionsalgorithmus parametriert wird, der zur Vorhersage eines Lärmanteils des Vakuumgefäßes auch ohne Erfassung von Lärmdaten genutzt wird. Dem liegt die Feststellung zugrunde, dass es zwei Hauptwege gibt, durch die insbesondere die Kommunikation mit dem Patienten störender Lärm bei Betrieb der Gradientenspulenanordnung entsteht. Einer dieser Hauptwege ist der direkt von der Gradientenspulenanordnung erzeugte Lärm, der bzw. dessen Kompensation aufgrund der Sensordaten bereits angesprochen wurde. Der zweite Weg ist die indirekte Lärmerzeugung, bei der Wirbelströme in anderen Komponenten, hauptsächlich einem äußeren Vakuumgefäß des Hauptmagneten, induziert werden, welche dort zu einer Lärmentstehung führen. Wird neben einem Vibrationssensor auf der Gradientenspulenanordnung zumindest temporär auch ein Mikrofon in der Nähe des entsprechenden Vakuumgefäßes verwendet, kann auch diese Lärmquelle erfasst werden. Die Aufteilung des Lärms auf beide Hauptwege kann durch „Data Mining“, Maschinenlernen und/oder statistische Korrelationsmethoden gelernt werden, insbesondere auch abhängig von Sequenzeigenschaften, also genutzten Aufnahmeparametern. Dann kann zu einem späteren Zeitpunkt auch ohne Verwendung eines derartigen Mikrofons an dem Vakuumgefäß ein Lärmanteil abgeschätzt werden. Insbesondere kann dann auch dieser Lärmanteil in eine Kompensation bei einer Kommunikationseinrichtung eingehen.
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Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es für zumindest einen Teil der beschriebenen Auswertungsvorgänge auch sinnvoll sein kann, Sensordaten (und entsprechende zugeordnete Daten/Informationen) mehrerer Magnetresonanzeinrichtungen heranzuziehen, insbesondere von mehreren Magnetresonanzeinrichtungen, bei denen wenigstens die Gradientenspulenanordnung baugleich ausgebildet ist. Auf diese Weise wird die Datenbasis insbesondere für die beschriebenen Lernmethoden, sei es Maschinenlernen der künstlichen Intelligenz und/oder statistische Korrelationsmethoden, weiter vergrößert und mithin die Qualität verbessert. Daher empfiehlt es sich nicht nur wegen der größeren realisierbaren Rechenleistung, derartige lernende Auswertungsvorgänge auf der externen Steuereinrichtung, beispielsweiser einer Backend-Einrichtung, die Daten von mehreren Magnetresonanzeinrichtungen erhält, auszuführen.
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Die hier beschriebenen verschiedenen Auswertungsansätze und Korrelationsansätze können dabei, zumindest teilweise, auch kombiniert werden, so dass beispielsweise auch Korrelationen kombiniert betrachtet werden können und dergleichen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist im Übrigen auch ein Computerprogramm denkbar, welches die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt, wenn es auf einer Steuereinrichtung einer Magnetresonanzeinrichtung und/oder einer externen Steuereinrichtung eines Magnetresonanzsystems ausgeführt wird. Dabei kann das Computerprogramm direkt in einen Speicher einer entsprechenden Steuereinrichtung ladbar sein und Programmmittel aufweisen, um die Schritte eines hierin beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Das Computerprogramm kann auf einem elektronisch lesbaren Datenträger gespeichert sein, welcher mithin darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen umfasst, welche zumindest ein genanntes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Datenträgers in einer magnetresonanzseitigen Steuereinrichtung und/oder einer externen Steuereinrichtung ein hierin beschriebenes Verfahren durchführen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer Hauptmagneteinheit einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung,
- 2 eine blockschaltbildartige Darstellung relevanter Komponenten eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems,
- 3 eine Perspektivansicht eines Spulenkörpers,
- 4 eine Detailansicht zur Befestigung von Sensoren, und
- 5 eine Skizze zur Erläuterung von Prinzipien des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Perspektivansicht einer Hauptmagneteinheit 1 einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 2. Die Hauptmagneteinheit 1 enthält den hier supraleitenden Hauptmagneten, der von einem inneren und einem äußeren Vakuumgefäß (hier nicht gezeigt) umschlossen ist. In der Hauptmagneteinheit 1 ist eine zylindrische Patientenaufnahme 3 ausgebildet, in die ein zu untersuchender Patient mittels einer Patientenliege 4 eingefahren werden kann. Die Längsrichtung der zylindrischen Patientenaufnahme 3 bildet dabei vorliegend die Z-Richtung, die dazu und zueinander orthogonalen weiteren Hauptrichtungen sind als X-Richtung und Y-Richtung bezeichnet, wie anhand des Koordinatensystems 5 zu erkennen ist.
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Die Patientenaufnahme 3 umgebend sind eine Hochfrequenzspulenanordnung 6 und eine Gradientenspulenanordnung 7 vorgesehen, wobei die Gradientenspulenanordnung 7 als festen Anteil zum einen Vibrationssensoren 8, zum anderen Temperatursensoren 9 umfasst.
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Wie sich aus der Prinzipskizze der 2 entnehmen lässt, besteht die Gradientenspulenanordnung 7 aus einem vorliegend auch zylindrischen Spulenträger 10, der drei Gradientenspulen 11 trägt, die in 2 ebenso nur schematisch dargestellt sind. Jede der Gradientenspulen 11 ist einer der Hauptrichtungen, vorliegend der X-Richtung, der Y-Richtung und der Z-Richtung, zugeordnet. Ferner sind auf oder in dem Spulenträger 10 auch die Vibrationssensoren 8 und die Temperatursensoren 9 angeordnet.
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Die Vibrationssensoren 8 und die Temperatursensoren 9 liefern ihre Sensordaten zunächst an eine Steuereinrichtung 12 der Magnetresonanzeinrichtung 1, die neben dem Bildaufnahmebetrieb auch andere Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung 1 ansteuern kann. Konkret gezeigt ist hier eine Kommunikationseinrichtung 13 („Interkom“), die der Kommunikation zwischen einem in der Patientenaufnahme 3 angeordneten Patienten und außerhalb der Schirmkabine befindlichen Bedienpersonal dient. Die Sensordaten der Vibrationssensoren 8 (und gegebenenfalls auch die Sensordaten der Temperatursensoren 9) können in der Steuereinrichtung 12 beispielsweise ausgewertet werden, um eine Echtzeit-Kompensation von durch die Gradientenspulenanordnung 7 erzeugtem Lärm vorzunehmen oder auch, falls ein Sicherheitskriterium bezüglich von Lärmspitzen erfüllt ist, den Bildaufnahmebetrieb abzubrechen. Ähnliche Sicherheitskriterien können auch bezüglich der drohenden Beschädigung von Komponenten der Magnetresonanzeinrichtung vorgesehen sein. Die Steuereinrichtung 12 kann zudem auch eine Rekonstruktionseinheit 14 (neben anderen Funktionseinheiten) aufweisen, die während eines Bildaufnahmevorgangs aufgezeichnete Sensordaten der Vibrationssensoren 8 und der Temperatursensoren 9 nutzt, um eine Korrektur aufgenommener Magnetresonanzdaten vorzunehmen. Schließlich ist seitens der Magnetresonanzeinrichtung 1 noch eine Anpassungseinheit 15 der Steuereinrichtung 12 dargestellt, die aufgrund von Prädiktionen durch entsprechende Prädiktionsmodelle/Algorithmen Aufnahmeparameter direkt oder indirekt anpassen kann, indirekt beispielsweise durch die Bestimmung von Sperrfrequenzen oder Sperrfrequenzbereichen.
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Die Steuereinrichtung 12 kommuniziert über eine Kommunikationsverbindung 16, die beispielsweise das Internet umfassen kann, auch mit einer externen Steuereinrichtung 17, beispielsweise einer Backend-Einrichtung, die ebenso Sensordaten der Vibrationssensoren 8 und der Temperatursensoren 9 sowie gegebenenfalls weitere Informationen entgegennehmen kann, um Auswertungen durchzuführen, insbesondere nach einer Akkumulation größerer Datenmengen („Data Mining“) durch Maschinenlernen und/oder statistische Korrelationsmethoden, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird.
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Als Vibrationssensoren 8 werden vorliegend piezoelektrische Sensoren und/oder Beschleunigungssensoren, hier als MEMS ausgebildete Beschleunigungsaufnehmer, verwendet. Diese weisen keine magnetischen Teile und möglichst wenig elektrische Teile auf. 3 zeigt die Positionierung der Vibrationssensoren 8 auf dem Spulenkörper 10 nun genauer.
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Dabei wird vorliegend der Spulenkörper 10 als freischwingend mit „frei-frei“-Randbedingungen angenommen. Das bedeutet, die stärksten Schwingungsamplituden, also Vibrationsamplituden, werden an den jeweiligen Enden 18 des Spulenkörpers 10 in Längsrichtung, also Z-Richtung, erwartet. Ferner gilt, dass aufgrund der Zuordnung der Gradientenspulen 11 zu den Hauptrichtungen entsprechende Vibrationen zum einen in der X-Z-Ebene, zum anderen in der Y-Z-Ebene erwartet werden. Entsprechend ist vorliegend vorgesehen, jeweils zwei Vibrationssensoren 8 an den entsprechenden Enden 18 vorzusehen, von denen je einer in einer dieser Ebenen angeordnet ist, um diese verschiedenen Schwingungsrichtungen möglichst genau zu vermessen. Nachdem bei einem freischwingend angenommenen Spulenkörper 10 auch nennenswerte Vibrationsamplituden in der Mitte erwartet werden, sind zwei weitere Vibrationssensoren 8 an den Schnittpunkten einer hier nur angedeuteten Isozentralebene 19 mit der X-Z-Ebene bzw. der Y-Z-Ebene angeordnet.
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Nachdem ferner die Biegeschwingungen als die wesentlichen Schwingungen angenommen werden, erfassen die Vibrationssensoren 8 vorliegend in jedem Fall radiale Schwingungskomponenten, mithin für die in den entsprechenden Ebenen angeordneten Vibrationssensoren entlang der X-Richtung oder der Y-Richtung. Das bedeutet beispielsweise, dass bei als Beschleunigungsaufnehmer ausgebildeten Vibrationssensoren 8 die Beschleunigungsaufnehmer bei in der Y-Z-Ebene angeordneten Vibrationssensoren 8 in der dort radialen Y-Richtung messend orientiert sind, bei in der X-Z-Ebene angeordneten Vibrationssensoren 8 in der dort die Radialrichtung bildenden X-Richtung.
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Optional können die Vibrationssensoren 8 zusätzlich wenigstens teilweise zur Messung in Längsrichtung (Z-Richtung) ausgebildet bzw. orientiert sein und/oder zusätzliche Vibrationssensoren 8 wenigstens teilweise vorgesehen sein, um Vibrationen auch in Z-Richtung vermessen zu können (Stauchermoden) .
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Grundsätzlich ist es denkbar, die Vibrationssensoren 8 (und auch die Temperatursensoren 9) vollständig in den Spulenkörper 10 zu integrieren, beispielsweise in diesen zu vergießen. Bevorzugt ist es jedoch, die Vibrationssensoren 8 und die Temperatursensoren 9, welche der Übersichtlichkeit halber in 3 nicht gezeigt sind, austauschbar an der Oberfläche des Spulenkörpers 10 zu befestigen, wie beispielhaft in 4 gezeigt. Dort ist als Befestigungsmittel 20 eine in den Spulenkörper 10 eingegossene Befestigungsplatte 21 gezeigt, die Gewindelöcher 22 zur Befestigung von Vibrationssensoren 8 und Temperatursensoren 9 aufweist.
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5 erläutert nochmals näher Grundprinzipien zur Auswertung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei existieren im Wesentlichen zwei Auswertungsebenen für Sensordaten, die sich ergänzend eingesetzt werden. In einer ersten Auswertungsebene werden Sensordaten 23 sowie gegebenenfalls weitere Informationen an die externe Steuereinrichtung 17 übertragen, dort gesammelt und einer statistischen Auswertung, bevorzugt mittels Maschinenlernens, unterzogen, vgl. Schritt 24. Ergebnis solcher Korrelationsanalysen, die aus „Data Mining“, Maschinenlernen und/oder statistischen Korrelationsanalysen bestehen können, sind parametrierte Zuordnungsmittel 25, beispielsweise Prädiktionsmodelle, trainierte Prädiktionsalgorithmen der künstlichen Intelligenz, Zuordnungsvorschriften, Korrelationen, Korrelationsergebnisse, Zusammenhänge und dergleichen.
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Diese Zuordnungsmittel 25 werden nun wiederum an die magnetresonanzeinrichtungsseitige Steuereinrichtung 12 zurückgegeben, wo sie im Rahmen der dortigen Auswertungsprozesse, Schritt 26, die auch aktuelle Sensordaten 27 und weitere Informationen berücksichtigen, eingesetzt werden können. Weitere Auswertungsprozesse, beispielsweise manche Überwachungsprozesse von Sicherheitskriterien, können jedoch auch ohne Nutzung von Zuordnungsmitteln innerhalb der Steuereinrichtung 12 ablaufen.
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Konkrete Beispiele für Gesamt-Auswertungsprozesse und dergleichen sollen anhand von Beispielen im Folgenden noch näher erläutert werden.
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So kann konkret vorgesehen sein, Sensordaten sowohl der Vibrationssensoren 8 als auch der Temperatursensoren 9 über die gesamte Lebensdauer der Gradientenspulenanordnung 7 aufzunehmen und nach Ende der Lebensdauer durch Zerlegung der Gradientenspulenanordnung 7 Zusatzinformationen zu gewinnen, so dass über viele derartige Gradientenspulenanordnungen 7 Veränderungen im Schwingungsverhalten mit der Zustandsinformation korreliert werden können. Dabei können die beschriebenen Methoden der künstlichen Intelligenz (Maschinenlernen) und/oder statistische Korrelationsverfahren, wie auch bei vielen der folgenden Beispiele, genutzt werden, um beispielsweise einen Lebensdauerprädiktionsalgorithmus, der die ermittelte Korrelation beschreibt, zu parametrieren, also anzulernen. Mittels eines solchen Lebensdauerprädiktionsalgorithmus können für aktuell verwendete Gradientenspulenanordnungen 7 Lebensdauern prädiziert werden, so dass dann, wenn das Lebensdauerende in einem vorbestimmten Zeitabstand vorausliegt, ein Hinweis auf eine Präventivwartung ausgegeben werden kann und die Gradientenspulenanordnung 7 idealerweise ohne längere Ausfallzeiten ausgetauscht werden kann.
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In einem anderen Auswerteprozess kann eine Korrelation des Schwingungsverhaltens der Gradientenspulenanordnung 7 während eines Bildaufnahmevorgangs mit auftauchenden Bildartefakten in den resultierenden Magnetresonanzdaten, beschrieben durch Artefaktdaten, korreliert werden, wobei hier (wie auch bei anderen Korrelationsprozessen) Aufnahmeparameter, insbesondere also die verwendete Magnetresonanzsequenz, berücksichtigt werden können. Hieraus lassen sich Einschränkungsinformationen durch statistische Korrelationsverfahren und/oder Maschinenlernen ableiten, die den Raum wählbarer Aufnahmeparameter und/oder Aufnahmeparameterkombinationen beschränken, um solche Bildartefakte, insbesondere Ghosting-Artefakte, in der Zukunft zu vermeiden.
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In einem weiteren Auswerteprozess, insbesondere wiederum seitens der externen Steuereinrichtung 17, kann eine Zuordnungsvorschrift, gegebenenfalls in Form eines Zuordnungsalgorithmus der künstlichen Intelligenz, aber auch als Kennfeld und/oder Look-up-Tabelle, ermittelt werden, die bevorzugt eine aktuelle Temperatur oder Temperaturverteilung der Gradientenspulenanordnung 7 zuordnet. Abhängig von diesen Resonanzfrequenzen können dynamisch Sperrfrequenzen bzw. Sperrfrequenzbereiche, die durch Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung 2 zu berücksichtigen sind, aktualisiert werden. Dabei werden mit besonderem Vorteil, ermöglicht durch die vielen gesammelten Daten, die Korrelationen auch bezüglich der Position eines aufzunehmenden Patienten, des Aufnahmebereichs des Patienten und von Eigenschaften des Patienten ausgewertet, da auch diese Eingangsparameter einen Einfluss auf Resonanzfrequenzen der Gradientenspulenanordnung 7 haben können.
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Eine andere Möglichkeit eines Zuordnungsmittels 25, das durch Maschinenlernen und/oder statistische Korrelationsverfahren parametriert bzw. angelernt werden kann, ist ein Schwingungsprädiktionsalgorithmus, der unmittelbar das Schwingungsverhalten und das Temperaturverhalten miteinander korreliert. Ein solcher Schwingungsprädiktionsalgorithmus kann ausgehend von einer initialen Temperatur oder Temperaturverteilung in der Gradientenspulenanordnung 7 das Schwingungsverhalten während eines Bildaufnahmevorgangs prädizieren. Diese Information kann dann wiederum in der Steuereinrichtung 12 genutzt werden, um Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung bereits vor Beginn des Bildaufnahmevorgangs geschickt anzupassen.
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Ein weiterer Auswerteprozess betrifft das recht wichtige Problem, dass aufgrund des Betriebs der Gradientenspulenanordnung 7 sogenannte Spikes in den Hochfrequenzspulen auftreten können, mithin Hochfrequenzpulse einer großen Frequenzbandbreite, die auch den zur Magnetresonanzbildgebung genutzten Frequenzbereich umfasst und daher die Messung stören können. Werden derartige Spikes aufgezeichnet, kann auch hier eine Korrelation mit gleichzeitig aufgezeichneten Sensordaten der Vibrationssensoren 8 und der Temperatursensoren 9 erfolgen, denen wiederum bestimmte Betriebsparameter der Magnetresonanzeinrichtung zugrunde liegen. Derartige Betriebsparameter, die nachvollziehbar zu Spikes führen, können in der Zukunft vermieden werden oder zumindest präventiv angepasst werden.
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Ein weiterer nutzbringender Einsatz der in großer Menge während des normalen Bildaufnahmebetriebs aufnehmbaren Sensordaten, die auch Vibrationen der Gradientenspulenanordnung 7 beschreiben, ergibt sich im Zusammenhang mit einer Kühleinrichtung für den Hauptmagneten, nachdem das Schwingverhalten und das Temperaturprofil der Gradientenspulenanordnung 7 auch mit die Kühltätigkeit und den Kühlmittelzustand beschreibenden Betriebsparametern der Kühleinrichtung korreliert werden können. Insbesondere bei sogenannten Low-He-Kühleinrichtungen/ Magneten können Messungen zum Heliumverbrauch und zur Temperaturentwicklung im Hauptmagneten zur Korrelation mit Sensordaten vorgesehen sein, um einen Kühlprädiktionsalgorithmus, insbesondere der künstlichen Intelligenz, zu trainieren, der Vorhersagen bezüglich zu erwartender Heliumabdampfung, Kühlungsreserve, Heliumverlust und dergleichen treffen kann, die in einem Kontenmodell oder dergleichen berücksichtigt werden können.
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Ein weiterer denkbarer Ansatz betrifft die Prädiktion von Gradienten-Impuls-Antwortfunktionen, die mittels einer Feldkamera in der Patientenaufnahme 3 vermessen werden können, um auch eine Korrelation vorzunehmen und auftretende Verzerrungen in der Bildrekonstruktion aufgrund eines parametrierten Impulsantwortprädiktionsalgorithmus zu korrigieren.
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Es sei abschließend noch angemerkt, dass zur Sammlung weiterer Sensordaten bzw. weiterer Informationen insbesondere für die Auswertungsprozesse im Schritt 24 auch andere Magnetresonanzeinrichtungen mit zumindest baugleichen Gradientenspulenanordnungen 7 herangezogen werden können, um die Datenbasis zu vergrößern.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
