DE10221640B4 - Verfahren zur Vibrationskompensation bei Kernspintomographen - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Kompensation von Störungen
durch Vibrationen bei Kernspintomographen mit einem auf dem Kryostaten
sitzenden Kaltkopf (2) zur Kühlung
eines supraleitenden Magneten (1) und mit einer Kompensationseinrichtung
zur Korrektur der durch die Vibrationen des Kaltkopfs (2) 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, wobei beim TuneUp während eines
Kolbenzyklus des Kaltkopfs (2) die Feldschwankungen gemessen und
zur Erzeugung eines Korrektursatzes der Überlagerungssignale für den Synthesizer
und die Gradientenströme
benutzt werden und Bewegungs-Triggerimpulse (T) vom Kaltkopf (2)
die Synchronisation mit dessen Vibrationen gewährleisten.
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 erzeugten 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 den 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.
-
US 4 535 595 offenbart eine Magnetresonanzeinrichtung, bei der durch den motorisierten Antrieb eines Kaltkopfes entstandene Störfelder kompensiert werden. Dafür ist eine Sensoreinrichtung vorgesehen, die die mechanischen Störungen, die durch den Kaltkopf verursacht werden, auffangen. Um das entstandene Störfeld zu kompensieren, sind Korrekturspulen vorgesehen, die aufgrund eines von dem Sensorsignal abhängigen Signals bestromt werden. -
EP 1 202 055 A2 befasst sich allgemein mit mechanischen Störungen, die beispielsweise umgebungsbasierte Störungen wie Gebäudevibrationen oder selbst induzierte Störungen durch die pulsierenden Magnetfeldgradienten während der Magnetresonanzaufnahme sein können. Über einen Sensor wird ein Signal er zeugt, welches mittels einer Übertragungsfunktion in ein Kompensationssignal umgewandelt wird. Dieses kann zur Veränderung einer Synthesizerfrequenz oder zu einer veränderten Ansteuerung der Gradientenspulen genutzt werden, um so die Effekte der mechanischen Störungen zu verringern. - 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 gemäß einer ersten Verfahrensausgestaltung erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kompensationseinrichtung die Synthesizerfrequenz und/oder die Gradientenströme entsprechend des in einem TuneUp gewonnenen zeitlichen Verlaufs der Feld-Terme 0. und 1. Ordnung einstellt, wobei 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 und Bewegungs-Triggerimpulse vom Kaltkopf die Synchronisation mit dessen Vibrationen gewährleisten.
- Bei dieser 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.
- In einer zweiten Verfahrensausgestaltung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kompensationseinrichtung die Synthesizerfrequenz und/oder die Gradientenströme entsprechend des in einem TuneUp gewonnenen Verlaufs der Feld-Terme 0. und/oder 1. Ordnung einstellt, wobei 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, wobei die Übertragungsfunktionen durch Filter und Verzögerungsglieder, die die zeitliche Versetzung zwischen den mechanischen Vibrationen und den sich ergebenden Feldströmungen korrelieren, realisiert sind, deren Parameter in einem TuneUp-Schritt ermittelt wurden.
- Bei dieser zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der 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 die A(1,0), A(1,1) und B(1,1)-Terme 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.
- Die Übertragungsfunktion ist durch Filter und Verzögerungsglieder realisiert, 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 dem Verlauf 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:
-
1 eine schematische Funktionsdarstellung eines ersten Kompensationsverfahrens mit Triggerung der Steuerung durch den Kaltkopf, -
2 eine vom Aufbau her der1 entsprechende Darstellung eines zweiten Kompensationsverfahrens, bei dem die Vibrationen des Kryostaten ständig gemessen werden und zur Ansteuerung dienen, -
3 ein Diagramm zur Darstellung der Positionen zur Bestimmung der Feldtermen 0. und 1. Ordnung und -
4 ein Beispiel für den Aufbau einer TuneUp-Messvorrichtung mit mehreren Messspulen. - Beim Ausführungsbeispiel nach
1 erkennt man schematisch den Magneten1 und den zur Kühlung dienenden Kaltkopf2 , 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 in1 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 Terme 0. und 1. Ordnung detektiert, wie dies anhand der3 und4 weiter unten noch im Einzelnen beschrieben werden soll. - Der Kaltkopf
2 übermittelt durch einen Triggerimpuls T den Start eines neuen Kolbenhubs an die Steuerung3 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 Syn thesizer bedeutet dies gleiches Vorzeichen, beiden 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
2 ist an einer geeigneten Stelle des Kryostaten ein – gegebenenfalls auch mehrere – Beschleunigungssensor4 angeordnet, mit Hilfe dessen die Vibrationen des Kaltkopfes2 bzw. des Magneten1 während der gesamten Zeitdauer der NMR-Messung aufgenommen werden. Unter der bereits angesprochenen Annahme eines linearen Systems wird das Signal des Beschleunigungsmessers4 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 Filter5 bis8 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
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
4 ist ein Beispiel einer TuneUp-Messvorrichtung mit vier Messsonden S1 bis S4 dargestellt. Die vier Messsonden S1 bis S4 befinden sich auf den in3 eingezeichneten Positionen. Die Messwerterfassung erfolgt gleichzeitig mit vier Empfangskanälen, den Receivern R1 bis R4. Damit können, wie wei ter 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. der 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 (5)
- Verfahren zur Kompensation von Störungen durch Vibrationen bei Kernspintomographen mit einem auf dem Kryostaten sitzenden Kaltkopf (
2 ) zur Kühlung eines supraleitenden Magneten (1 ) und mit einer Kompensationseinrichtung zur Korrektur der durch die Vibrationen des Kaltkopfs (2 ) 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, wobei beim TuneUp während eines Kolbenzyklus des Kaltkopfs (2 ) die Feldschwankungen gemessen und zur Erzeugung eines Korrektursatzes der Überlagerungssignale für den Synthesizer und die Gradientenströme benutzt werden und Bewegungs-Triggerimpulse (T) vom Kaltkopf (2 ) die Synchronisation mit dessen Vibrationen gewährleisten. - Verfahren zur Kompensation von Störungen durch Vibrationen bei Kernspintomographen mit einem auf dem Kryostaten sitzenden Kaltkopf (
2 ) zur Kühlung eines supraleitenden Magneten (1 ) und mit einer Kompensationseinrichtung zur Korrektur der durch die Vibrationen des Kaltkopfs (2 ) erzeugten Magnetfeldschwankungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinrichtung die Synthesizerfrequenz und/oder die Gradientenströme entsprechend des in einem TuneUp gewonnenen Verlaufs der Feld-Terme 0. und/oder 1. Ordnung einstellt, wobei die Vibrationen des Kaltkopfes (2 ) 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, wobei die Übertragungsfunktionen durch Filter und Verzögerungsglieder (5 , ...,8 ) die die zeitliche Versetzung zwischen den mechanischen Vibrationen und den sich ergebenden Feldströmungen korrelieren, reali siert sind, deren Parameter in einem TuneUp-Schritt ermittelt wurden. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer TuneUp-Messvorrichtung mit vier Messsonden (S1, ..., S4), von denen eine im Magnetisozentrum und die anderen auf jeweils einer der Gradientenachsen angeordnet sind.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Messsonde (S1, ..., S4) einen von einer HF-Spule umgebenen Phantomkörper umfasst.
- Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, 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.
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