DE10221640A1

DE10221640A1 - Verfahren zur Vibrationskompensation bei Kernspintomographen

Info

Publication number: DE10221640A1
Application number: DE10221640A
Authority: DE
Inventors: Joerg Fontius; Volker Weisenberger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-05-15
Filing date: 2002-05-15
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-16
Also published as: US20040032260A1; CN100529745C; DE10221640B4; US6864682B2; CN1493871A

Abstract

Verfahren zur Kompensation von Störungen durch Vibrationen bei Kernspintomographen mit einem auf dem Kryostaten sitzenden Kaltkopf der Kühlung eines supraleitenden Magneten und mit einer Kompensationseinrichtung zur Korrektur der durch die Vibratoren des Kaltkopfs erzeugten Magnetfeldschwankungen, wobei die Kompensationseinrichtung die Synthesizerfrequenz sowie die Gradientenströme entsprechend des in einem Tune up gewonnenen zeitlichen Verlaufs der Feld-Terme 0. und 1. Ordnung einstellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kompensation von Störungen durch Vibrationen bei Kernspintomographen mit einem auf dem Kryostaten sitzenden Kaltkopf zur Kühlung eines supraleitenden Magneten und mit einer Kompensationseinrichtung zur Korrektur der durch die Vibrationen des Kaltkopfs erzeugenden Magnetfeldschwankungen.

Bei einem aus der US 2001/0013778 A1 bekannt gewordenen Verfahren zur Kompensation von Störungen durch Vibrationen von Kernspintomographen sind magnetische Feldkorrekturspulen vorgesehen, die ein Korrekturfeld erzeugen, dessen Amplitude der magnetischen Feldvariationen entspricht, die durch die mechanischen Vibrationen bewirkt werden, die der meist mit Helium betriebene Kaltkopf auslöst. Diese Kompensation durch gesonderte Korrekturspulen ist nicht nur sehr bauaufwendig, sondern die dort vorgesehene Rechteckpulsansteuerung ermöglicht auch nur grobe Korrekturen, da sie nur erfasst, wann der Kolben des Kaltkopfes einen Bewegungshub in der einen oder anderen Richtung beginnt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass es bei einfacherem Aufbau wesentlich genauere Kompensationen der durch den Kaltkopf bedingten Vibrationsschwingungen der Magneten ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kompensationseinrichtung die Synthesizerfrequenz sowie die Gradientenströme entsprechend des in einem TuneUp gewonnenen zeitlichen Verlaufs der Feldterme 0. und 1. Ordnung einstellt, wobei gegebenenfalls Bewegungstrigger-Impulse vom Kaltkopf die Synchronisation mit dessen Vibrationen gewährleisten.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird vorausgesetzt, dass die Bewegung des Kaltkopfes reproduzierbare Feldstörungen bewirkt, das heißt, dass jeder Hub des Kolbens der Kältemaschine dieselben Vibrationen und damit die gleiche Feldstörung erzeugt. Unter dieser Voraussetzung genügt es beim TuneUp während eines Kolbenzyklus des Kaltkopfes die Feldschwankungen die sich aufgrund der Vibrationen der Magneten ergeben, zu messen. Diese dienen dann zur Erzeugung eines Korrektursatzes der Überlagerungssignale für den Synthesizer und die Gradientenströme. Allenfalls muss bei einem durch Alterung bedingten veränderten Vibrationsverhalten des Kaltkopfes die TuneUp-Messung wiederholt werden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bei dem diese Annahme eines stets die gleichen Vibrationen verursachenden Kaltkopfes nicht notwendig ist, geht man lediglich davon aus, dass sich das System, bestehend aus den mechanischen Schwingungen und dem Magnetfeld, in erster Näherung linear verhält und dadurch mit Hilfe der linearen Antworttheorie beschrieben werden kann. Erfindungsgemäß werden in diesem Fall die Vibrationen des Kaltkopfes während der gesamten Zeitdauer der NMR-Messung mittels eines Kraftaufnehmers oder Beschleunigungsmessers an geeigneten Stellen des Kryostaten gemessen und dessen Messsignale mit für das B₀- Feld, sowie für den A(1,0), A(1,1) und B(1,1)-Termen entsprechenden Übertragungsfunktionen transformiert und zur Korrektur der Synthesizer-Frequenz und der Gradientenströme verwendet. Dabei geht man davon aus, dass jede Art der mechanischen Schwingung, also hinsichtlich der Frequenz und der Amplitude eine bestimmte Feldverzerrung bewirkt, wobei die Übertragungsfunktion diejenige Funktion ist, die die über eine lineare Antworttheorie beschreibbare Korrelation zwischen mechanischen Schwingungen und Magnetfeld beschreibt.

Bevorzugt kann die Übertragungsfunktion durch Filter und Verzögerungsglieder realisiert sein, deren Parameter in einem TuneUp-Schritt ermittelt werden. Dabei werden die Parameter einzeln für den Synthesizer und die drei Gradientenachsen derart variiert, dass die mittels Messsonden bestimmten Störungen der Feldterme 0. und 1. Ordnung minimal werden. Diese Optimierung kann sowohl durch manuelle Variation der Parameter, oder aber auch rechnerisch, z. B. mittels Korrelation zwischen dem Signal des Beschleunigungsmessers und des zeitlichen Verlaufs der Feldterme 0. Ordnung und 1. Ordnung erfolgen.

Die ermittelten Parameter werden im System abgespeichert und bei einer NMR-Messung zur Ansteuerung der Filter und Verzögerungsglieder verwendet. Die Verzögerungsglieder sind dabei u. a. deshalb bedeutsam, weil - bedingt durch die Anordnung des jeweiligen Kraftaufnehmers oder Beschleunigungssensors am Kryostaten - eine entsprechende geänderte zeitliche Versetzung zwischen den mechanischen Vibrationen und den sich ergebenden magnetischen Feldstörungen auftritt. Diese müssen in jedem Fall durch entsprechende Verzögerungsglieder korreliert werden.

Um das B₀-Feld und die linearen Feldterme der Gradientenfelder messen zu können wird in Ausgestaltung der Erfindung eine TuneUp-Messvorrichtung verwendet, die vier Messsonden enthält, von denen die eine im Magnetisozentrum und die anderen auf jeweils einer der Gradientenachsen angeordnet sind, wobei jede Messsonde einen von einer HF-Spule umgebenen Phantomkörper umfassen kann. Mit Hilfe einer geeigneten Sequenz, insbesondere einer Steady-State-Free-Precession-Sequenz kann über eine Phasenauswertung der zeitliche Verlauf des Magnetfeldes an den Sondenstandorten gemessen werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Funktionsdarstellung eines ersten Kompensationsverfahrens mit Triggerung der Steuerung durch den Kaltkopf,
Fig. 2 eine vom Aufbau her der Fig. 1 entsprechende Darstellung eines zweiten Kompensationsverfahrens, bei dem die Vibrationen des Kryostaten ständig gemessen werden und zur Ansteuerung dienen,
Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Positionen zur Bestimmung der Feldtermen 0. und 1. Ordnung, und
Fig. 4 ein Beispiel für den Aufbau einer TuneUp- Messvorrichtung mit mehreren Messspulen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erkennt man schematisch den Magneten 1 und den zur Kühlung dienenden Kaltkopf 2, wobei die äußeren Versorgungsleitungen zum Kompressor oder dergleichen nicht mit dargestellt sind. In gleicher Weise sind natürlich auch die Isoliergehäuse des Kryostaten nicht gezeigt, da es für die Darstellung der vorliegenden Erfindung hierauf nicht ankommt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Kompensationsverfahren wird vorausgesetzt, dass die Bewegung des Kaltkopfes reproduzierbare Feldstörungen bewirkt und es wird daher in einem TuneUp nur während eines Kolbenzyklus der zeitliche Verlauf der Feldschwankungen der Termen 0. und 1. Ordnung detektiert, wie dies anhand der Fig. 3 und 4 weiter unten noch im Einzelnen beschrieben werden soll.
Der Kaltkopf 2 übermittelt durch einen Triggerimpuls t den Start eines neuen Kolbenhubs an die Steuerung 3 in der die vorher gemessenen TuneUp-Daten für die Kompensation abgespeichert sind. Durch die Steuerung wird der infolge der Vibration eintretenden Feldstörung dadurch entgegengewirkt, dass sie die Synthesizer-Frequenz sowie die Gradientenströme für X-, Y- und Z-Gradient entsprechend des im TuneUp gewonnenen zeitlichen Verlaufs der Feldterme 0. und 1. Ordnung mit den zur Kompensation notwendigen Vorzeichen einstellt. Beim Synthesizer bedeutet dies gleiches Vorzeichen, bei den Gradientenströmen entgegengesetztes Vorzeichen. Lediglich bei verändertem Vibrationsverhalten des Kaltkopfes, z. B. durch Alterung, muss die TuneUp-Messung eventuell wiederholt werden. Ansonsten werden nur die Triggerimpulse vom Kaltkopf benötigt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist an einer geeigneten Stelle des Kryostaten ein - gegebenenfalls auch mehrere - Beschleunigungssensor 4 angeordnet, mit Hilfe dessen die Vibrationen des Kaltkopfes bzw. des Magneten während der gesamten Zeitdauer der NMR-Messung aufgenommen werden. Unter der bereits angesprochenen Annahme eines linearen Systems wird das Signal des Beschleunigungsmessers 4 mit der für das B₀-Feld, den A(1,0), A(1,1) und B(1,1)-Termen entsprechenden Übertragungsfunktion transformiert und zur Korrektur der Synthesizer-Frequenz und der drei Gradientenströme verwendet. Die entsprechenden Übertragungsfunktionen werden dabei durch Verzögerungsglieder und Filter 5 bis 8 realisiert, wobei die Parameter für die Filter und Verzögerungsglieder wiederum in einem TuneUp-Schritt ermittelt werden, der quasi die Korrelation zwischen mechanischen Bewegungen am Kryostaten und Magnet-Feldstörungen der Feldterme 0. und 1. Ordnung beschreibt.
Um das B₀-Feld und die linearen Feldterme messen zu können, müssen die Feldschwankungen mit einer Sonde an vier Raumpunkten im Magnetfeld gemessen werden. Die Positionen sind in Abb. 3 dargestellt. Auf der zentralen Position 4 wird die B₀-Feldänderung B₀(t) gemessen. Auf den Positionen 1, 2 und 3 werden in Kombination mit dem Ergebnis von Position 4 die Terme 1. Ordnung (A(1,0) (t), A(1,1) (t), und B (1,1) (t)) gemessen.
In Abb. 4 ist ein Beispiel einer TuneUp-Messvorrichtung mit vier Messsonden dargestellt. Die vier Messsonden S1 bis S4 befinden sich auf den in Fig. 3 eingezeichneten Positionen. Die Messwerterfassung erfolgt gleichzeitig mit vier Empfangskanälen, den Receivern R1 bis R4. Damit können, wie weiter oben bereits beschrieben, die B₀-Feldschwankungen und die Terme 1. Ordnung gemessen werden.
Eine Messsonde S1 bis S4 besteht aus einem kleinen Phantomkörper, der von einer Hochfrequenzspule umgeben ist. Mit Hilfe einer geeigneten Sequenz, z. B. die Sequenz Steady-State- Free-Precession, wird über eine Phasenauswertung der zeitliche Verlauf des Magnetfeldes an den Standorten gemessen.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung ergeben sich durch die recht genaue Kompensation der Störungen infolge der mechanischen Schwingungen des Kaltkopfes sehr viel weniger Artefakte in den Bildern trotz angeschaltetem Kaltkopf, wobei im Gegensatz zu den Kompensationslösungen des Standes der Technik ein sehr viel geringerer Bauaufwand erforderlich ist und gleichzeitig die erzielbare Kompensation der Störungen sehr viel größer ist.

Claims

1. Verfahren zur Kompensation von Störungen durch Vibrationen bei Kernspintomographen mit einem auf dem Kryostaten sitzenden Kaltkopf zur Kühlung eines supraleitenden Magneten und mit einer Kompensationseinrichtung zur Korrektur der durch die Vibrationen des Kaltkopfs erzeugten Magnetfeldschwankungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung die Synthesizerfrequenz und/oder die Gradientenströme entsprechend des in einem TuneUp gewonnenen zeitlichen Verlaufs der Feld-Terme 0. und/oder 1. Ordnung einstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bewegungs-Triggerimpulse vom Kaltkopf die Synchronisation mit dessen Vibrationen gewährleisten.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim TuneUp während eines Kolbenzyklus des Kaltkopfs die Feldschwankungen gemessen und zur Erzeugung eines Korrektursatzes der Überlagerungssignale für den Synthesizer und die Gradientenströme benutzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationen des Kaltkopfes während der gesamten Zeitdauer der NMR-Messung mittels eines Kraftaufnehmers an geeigneten Stellen des Kryostaten gemessen und dessen Messsignale mit für das B₀-Feld, sowie den A (1,0), A (1,1) und B (1,1)-Termen entsprechenden Übertragungsfunktionen transformiert und zur Korrektur der Synthesizer-Frequenz und der Gradientenströme verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktionen durch Filter und Verzögerungsglieder realisiert sind, deren Parameter in einem TuneUp-Schritt ermittelt wurden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Verwendung einer TuneUp-Messvorrichtung mit vier Messsonden, von denen eine im Magnetisozentrum und die anderen auf jeweils einer der Gradientenachsen angeordnet sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messsonde einen von einer HF-Spule umgebenen Phantomkörper umfasst.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer geeigneten Sequenz, insbesondere einer Steady- State-Free-Precession-Sequenz über eine Phasenauswertung der zeitliche Verlauf des Magnetfeldes an den Sondenstandorten gemessen wird.