DE19702831A1 - Vorrichtung zur Kompensation von externen Feldstörungen des Grundmagnetfeldes bei Kernspintomographen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von externen Feldstörungen des Grundmagnetfeldes bei Kernspinto­ mographen, wobei die Feldstörungen mit mindestens einer in der Nähe des Grundfeldmagneten angeordneten Sonde erfaßt wer­ den und wobei Mittel vorgesehen sind, mit denen aufgrund des in der Sonde gemessenen Ist-Werts des Magnetfeldes Einflüsse der Feldstörungen auf ein mit dem Kernspintomographen erzeug­ tes Bild kompensiert werden. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 195 10 142 bekannt.

Heutige Kernspintomographiegeräte arbeiten im allgemeinen nach dem sogenannten Fourier-Verfahren, wie es zuerst von Ernst, Kumar und Welti (US-PS 4,070,611) vorgeschlagen wurde. Dabei wird das Kernresonanzsignal in mindestens einer Rich­ tung phasencodiert. Dieses Verfahren setzt eine extrem hohe zeitliche Stabilität des der Kernspinpolarisation dienenden Grundmagnetfeldes voraus, weil ansonsten die Bildqualität durch Artefakte (Verschmierungen in Richtung des Phasenco­ diergradienten) erheblich verschlechtert wird. Dies ist in dem Buch von E. Krestel (Herausgeber) "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", 2. Auflage, 1988, unter dem Abschnitt "Feldstabilität" auf den Seiten 491 und 492 näher erläutert. Bei den heute üblichen Feldstärken für Kernspinto­ mographiegeräte von 0,1 bis 2 T und den heute gebräuchlichen Pulssequenzen ist eine Feldstabilität von bis zu weniger als 20 bis 80 nT erforderlich. Diese Feldstabilität muß über ei­ nen Zeitbereich von einigen Millisekunden bis zu etlichen Se­ kunden (entsprechend einem Frequenzbereich von einigen Zehn­ tel Hz bis zu einigen 10 Hz) eingehalten werden, bei höheren Frequenzen (bzw. kürzeren Zeiten) nehmen die Anforderungen stark ab. Diese Forderung entspricht je nach Grundfeldstärke einer Genauigkeit von 0,1 ppm bis 0,01 ppm und weniger.

Diese Anforderung gilt sowohl für die Feldstabilität des vom Grundfeldmagneten selbst erzeugten Magnetfelds als auch für äußere Einflüsse.

Externe Störquellen sind z. B. Fahrzeuge, die sich in der Nähe des Magneten bewegen oder von Wechselstrom oder veränderli­ chen Gleichstrom durchflossene Leitungen (Transformatoren, Fahrleitungen von Bahnen usw.). Ohne besondere Maßnahmen müß­ ten solche Störquellen einen großen Abstand vom Aufstellungs­ ort des Kernspintomographiegeräts haben. Eine Straßenbahn, deren Fahrleitungsstrom 500 A beträgt, erzeugt z. B. in 2 km Entfernung ein Störfeld von 50 nT, wenn man annimmt, daß der Feldabfall dem Abstand umgekehrt proportional ist. In der Praxis ist es kaum möglich, einen Installationsort für ein Kernspintomographiegerät zu finden, bei dem externe Störein­ flüsse ohne besondere Maßnahmen am Gerät selbst innerhalb to­ lerierbarer Grenzen bleiben.

Abhängig vom Magnettyp sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um Feldinstabilitäten zu vermeiden. Hierbei ist zu unter­ scheiden zwischen der Stabilität des vom Gerät selbst erzeug­ ten Magnetfeldes und externen Störungen. Permanentmagnete müssen temperaturstabilisiert werden, damit sie ein ausrei­ chend konstantes Magnetfeld liefern. Supraleitermagnete im üblichen Kurzschlußbetrieb (Feldabfall in der Regel kleiner 0,1 ppm/Stunde) sind inhärent stabil. Bei normalleitenden Ma­ gneten besteht die Schwierigkeit darin, den Versorgungsstrom zeitlich konstant (je nach Feldstärke Änderungen <0,1 ppm) zu halten.

Bezüglich externer Störungen haben supraleitende Magnete ebenfalls deutliche Vorteile. Sofern sie keine sogenannten aktiven Streufeld-Abschirmungen aufweisen, dämpfen sie exter­ ne Störungen durch den Meissner-Ochsenfeld-Effekt wenigstens teilweise, d. h. etwa um einen Faktor 10. Bei einer aktiven Streufeld-Abschirmung, die aus einer zur Hauptwicklung gegen­ sinnig in Serie geschalteten äußeren Abschirmwicklung be­ steht, kann durch eine aus relativ wenigen Windungen beste­ hende supraleitende Hilfswicklung die Schirmwirkung gegen ex­ terne Störfelder wiederhergestellt werden. Außerdem wurde festgestellt, daß die tiefkalten Strahlungsschilde im Supra­ leiter-Kryostaten wegen ihrer guten elektrischen Leitfähig­ keit Feldstörungen mit Frequenzen größer als einige Hertz durch angeregte Wirbelströme recht gut dämpft.

Dagegen schirmen Permanentmagnete vom Ringtyp, normal leiten­ de Luftspulenmagnete in Helmholtz-Anordnung sowie permanent- magnetisch oder elektrisch angetriebene Jochmagnete externe Störungen kaum ab, insbesondere, wenn sie wegen der besseren Patientenzugänglichkeit relativ offen gebaut sind. Ein Joch­ magnet mit einem einseitigen Joch und einer offenen Bauweise ist beispielsweise in der US-PS 5,200,701 beschrieben.

Für Magnetsysteme mit Permanentmagneten oder normal leitenden Magneten ist daher in der Regel eine aktive Störkompensation erforderlich.

Für eine derartige Kompensation werden zunächst die externen Störfelder gemessen. Aufgrund der gemessenen Werte kann man verschiedene Maßnahmen ergreifen, um den Einfluß externer Störungen auf das gewonnene Bild zu eliminieren. In der deut­ schen Offenlegungsschrift 44 19 061 ist die Anwendung von Hilfsfeldspulen zur Steuerung des Grundmagnetfeldes beschrie­ ben. In der EP-A2-0 391 515 ist die Frequenz- bzw. Phasenkor­ rektur von Rohdaten aufgrund der gemessenen Feldstörungen ausgeführt. In dem Artikel S. Crocier et al. "Correction of Eddy-Current-Induced B₀ Shifts by Receiver Reference-Phase Modulation" in Journal of Magnetic Resonance 1997, Seiten 661 bis 665 (1992), ist beschrieben, wie man zur Kompensation von Grundfeldstörungen, die durch Wirbelströme verursacht werden, die Bezugsfrequenz des Empfängers steuert, um Bildstörungen zu vermeiden.

Zur Erfassung der Magnetfeldstörungen wurden bereits ver­ schiedene Meßsonden vorgeschlagen, z. B. Pick-up-Spulen, Flux-Gate-Sonden oder Präzisions-Hall-Generatoren. In der oben be­ reits genannten DE-A1-44 19 061 wurde ferner vorgeschlagen, für die Magnetfeldmessung MR-Sonden zu verwenden, bei denen der physikalische Effekt ausgenützt wird, daß für jede Kern­ sorte die Kernresonanzfrequenz streng proportional zum jewei­ ligen Magnetfeld ist. Jede dieser Meßsonden hat jedoch unter­ schiedliche Nachteile. Beispielsweise erfassen Pick-up-Spulen gut schnelle Feldänderungen, sie erfordern aber einen Inte­ grator, der eine Drift erzeugt und die untere Frequenzgrenze ist nicht Null. Mit Hall-Generatoren lassen sich problemlos auch langsame Feldänderungen erfassen, im hohen Grundfeld sind diese aber nicht genau genug und außerdem thermisch driftend. Auch mit Flux-Gates lassen sich langsame Feldände­ rungen erfassen, die Genauigkeit im hohen Grundfeld ist aber ebenfalls unbefriedigend. Bei MR-Sonden treten zwar die oben­ genannten Probleme nicht auf, sie sind aber im Vergleich zu anderen Meßsonden verhältnismäßig aufwendig. Ferner muß - da die MR-Sonden ebenfalls mit Hochfrequenz betrieben werden - für eine gute Schirmung der MR-Sonden gesorgt werden, um Stö­ rungen im Bildsignal zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art so auszugestalten, daß externe Magnet­ feldstörungen über einen großen Frequenzbereich mit ausrei­ chender Genauigkeit erfaßt werden, wobei außerdem der Aufwand gering bleiben soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßsonde einen magneto-resistiven Sensor enthält. Solche Sen­ soren erfassen auch magnetische Gleichfelder, sie sind in ei­ nem ausreichenden Meßbereich linear und mit geringem Aufwand herzustellen.

Eine besonders gute Linearität über einen großen Bereich von Magnetfeldstärken erzielt man mit Sensoren, die auf dem Giant-Magneto-resistiven Effekt basieren.

Die Kompensation von Feldstörungen kann durch eine Steuerung des Grundmagnetfeldes erfolgen. Vorteilhafterweise wird dabei das Grundmagnetfeld durch separate Hilfsspulen gesteuert. Da­ mit ist kein Eingriff in den Regelkreis für die Hauptspulen erforderlich. Bei den Hilfsspulen kommt man mit wenigen Win­ dungen aus.

Die Anordnung von separaten Hilfsspulen erübrigt sich, wenn man das Grundmagnetfeld durch Beaufschlagung von Gradienten­ spulen mit entsprechendem Strom steuert.

Anstelle einer Steuerung des Grundmagnetfelds kann auch eine Kompensation von Feldstörungen durch Steuerung einer Bezugs­ frequenz einer Sende-Empfangseinheit des Kernspintomographen erfolgen. Damit ist auf der Magnetseite keinerlei Hardware-Aufwand erforderlich.

Eine weitere Möglichkeit zur Kompensation von Feldstörungen besteht darin, daß eine Phasen- und/oder Frequenzverschiebung bei den mit den Kernspintomographen gewonnenen Rohdaten er­ folgt. Damit kann die Kompensation rein mit Softwaremitteln erfolgen. Inhomogene Feldstörungen lassen sich erfassen, in­ dem diese durch mehrere, an verschiedenen Orten in der Nähe des Grundfeldmagneten plazierte Sonden gemessen werden.

In einer vorteilhaften Anordnung werden Streufelder des Grundfeldmagneten am Ort der Sonde durch ein Gegenmagnetfeld zumindest teilweise kompensiert. Dieses Gegenmagnetfeld kann durch einen Elektromagneten oder durch einen Permanentmagne­ ten erzeugt werden. Durch die Kompensation wird der Arbeits­ punkt des Sensors so verschoben, daß eine bestmögliche Linea­ rität im Zusammenhang zwischen tatsächlichem Magnetfeld und der Ausgangsgröße des Sensors erzielt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung mit Steuerung des Grundmagnetfelds über Hilfsspulen,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit Kompensation der Feld­ störungen über die Bezugsfrequenz einer Hochfre­ quenzeinheit bzw. Phasen- und/oder Frequenzverschie­ bung in den Rohdaten,

Fig. 3 eine Schaltung für die Sonde

Fig. 4 eine Kennlinie für den Sensor.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Kernspintomographiegerät 2 mit einer offenen Magnetstruktur in der sogenannten C-Bogen-Bauweise. Dabei ist in zwei Polschuhen 6 der magnetische An­ trieb in Form eines Permanentmagneten oder eines Elektroma­ gneten eingebaut. Zur Flußrückführung sind die Polschuhe 6 über ein Joch 4 verbunden. Zwischen den Polschuhen 6 liegt der Untersuchungsraum, in dem ein homogenes Magnetfeld B₀ herrscht, das aus den eingangs erläuterten Gründen zeitlich extrem -konstant sein muß. In Fig. 1 sind die zum Betrieb des Kernspintomographiegeräts 2 erforderlichen Hochfrequenz und Gradientensysteme sowie Steuerungscomputer und Bildauswertung weggelassen, da diese Elemente zur Erläuterung der Erfindung nicht erforderlich sind. In der Nähe des Kernspintomographie­ geräts 2 ist eine Sonde mit einem magneto-resistiven Sensor 12 angebracht. Der Sensor 12 ist so plaziert, daß er den Ein­ fluß externer Störungen auf das Grundmagnetfeld B₀ möglichst gut erfaßt und seine optimale Position hängt weitgehend von den speziellen örtlichen Gegebenheiten ab, z. B. davon, wo im konkreten Fall Störquellen auftreten. Vielfach wird daher die Position des Sensors 12 experimentell oder von einem über die örtliche Situation informierten Serviceingenieur aufgrund seiner Erfahrungen festgelegt. Durch die Plazierung mehrerer Sensoren 12 an unterschiedlichen Orten können auch inhomogene Störungen erfaßt werden.

Als magneto-resistive Sensoren eignen sich insbesondere sol­ che, die auf dem Giant-Magneto-resistiven(GMR)-Effekt beru­ hen. Solche Sensoren weisen meist eine Brückenschaltung auf, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Ausgangsspannung V_out in Abhängigkeit vom anliegenden Magnetfeld B ist in Fig. 4 dargestellt. Man erkennt, daß in einem relativ großen Magnet­ feldstärkenbereich eine gute Linearität der Kennlinie vor­ liegt. Erst bei höheren Feldstärken wird die Kennlinie nicht­ linear. Wenn am Ort des Sensors noch ein relativ großes Streufeld des Grundfeldmagneten herrscht, könnte dies zu Nichtlinearitäten führen. Man kann jedoch dieses Grundfeld zumindest weitgehend kompensieren, um den magneto-resistiven Sensor wieder in den linearen Meßbereich zu bringen. Hierfür kann man einen Permanentmagneten 28 vorsehen, dessen Magnet­ feld im Bereich des Sensors 12 dem Streufeld des Grundfeldma­ gneten entgegengerichtet ist. Alternativ kann um den Sensor 12 auch eine Spule 24 gelegt werden, die von einer steuerba­ ren Stromquelle 26 angesteuert wird und im Bereich des Sen­ sors 12 das Streufeld kompensiert.

Die Ausgangsgröße des Sensors 12 wird einer Signalverarbei­ tungseinheit 14 zugeführt. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird zur Kompensation externer Feldstörungen das Magnetfeld B₀ durch Hilfsspulen 16 so gesteuert, daß die externen Feld­ störungen kompensiert werden. Die Signalverarbeitungseinheit enthält hierzu eine Auswerteelektronik 18, ein Filter 20, mit dem Störungen höherer Frequenz eliminiert werden sowie einen Verstärker 22, der die Hilfsspulen 16 mit einem entsprechend den Strom beaufschlagt. Die Hilfsspulen 16 können als separa­ te Spulen in Form von Zusatzwicklungen auf den Polschuhen 6 vorgesehen sein. Sie können aber auch Bestandteil von Gra­ dientenspulen sein, so daß sich zusätzliche Spulen erübrigen.

Die externen Feldstörungen können aber auch dadurch kompen­ siert werden, daß man die Bezugsfrequenz der Sende-/Empfangs­ einheit des Kernspintomographen entsprechend steuert bzw. bei der Bildberechnung die Rohdaten entsprechend manipuliert.

In Fig. 2 ist schematisch eine Anlage dargestellt, bei der die vorgenannten Möglichkeiten realisiert sind. Dabei sind mit dem Bezugszeichen 30 Hochfrequenzantennen bezeichnet, die an beiden Polschuhen 6 angeordnet sind. Über eine Sende-/Emp­ fangseinheit 32 werden die Hochfrequenzantennen 30 im Sende­ zustand mit Hochfrequenz beaufschlagt, im Empfangszustand wird über die Hochfrequenzantennen 30 das Kernresonanzsignal empfangen. Aus den in der Sende-/Empfangseinheit 32 demodu­ lierten Kernresonanzsignalen wird mit einem Bildrechner 36 ein Bild gewonnen und auf einem Monitor 38 dargestellt. Ein Frequenzsynthesizer 35 bestimmt die Sende-Frequenz der Sende-/Empfangseinheit 32. Der Frequenzsynthesizer 34 bestimmt fer­ ner die Bezugsfrequenz bei der phasenempfindlichen Demodula­ tion der Kernresonanzsignale. Die Resonanzfrequenz _R der Kernresonanzsignale ist streng proportional zum herrschenden Magnetfeld B:

_R = γ·B

wobei γ das sogenannte gyromagnetische Verhältnis ist. Wenn man nun den Frequenzsynthesizer 34 entsprechend der Änderung des Grundmagnetfelds B₀ nachführt, so werden die Einflüsse von Grundfeldschwankungen im demodulierten Kernresonanzsignal kompensiert. Nähere Erläuterungen zur Kompensation von Grund­ feldschwankungen durch Nachführung der Bezugsfrequenz für dem Demodulator finden sich in der bereits eingangs genannten Li­ teraturstelle S. Crocier et al. "Correction of Eddy-Current-Induced B₀ Shifts by Receiver Reference-Phase Modulation" in Journal of Magnetic Resonance 1997, Seiten 661 bis 665 (1992).

Unkompensierte Schwankungen des Grundmagnetfelds führen zu Frequenz- bzw. Phasenverschiebungen bei den Kernresonanzsi­ gnalen, also den für die Bildgewinnung herangezogenen Rohda­ ten. Die Kernresonanzsignale werden bei Kernspintomographie­ geräten nach der phasenempfindlichen Demodulation bekanntlich abgetastet und in eine sogenannte k-Raummatrix eingetragen, wo die Position den Phasenfaktoren des Kernresonanzsignals entspricht. Wie in der Fig. 2 gestrichelt eingetragen, kann man aufgrund der gemessenen Feldstärke in dieser k-Raummatrix eine entsprechende Frequenz- bzw. Phasenkorrektur durchführen und erhält dann nach weiterer Auswertung ein Bild, das durch die Schwankungen des Grundmagnetfelds nicht mehr beeinflußt ist. Nähere Erläuterungen zur Kompensation von Schwankungen des Grundmagnetfeldes in der k-Raummatrix sind in der eben­ falls bereits eingangs zitierten EP-A2-0 391 515 zu finden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Kompensation von externen Feldstörungen des Grundmagnetfeldes bei Kernspintomographen, wobei die Feldstörungen mit mindestens einer in der Nähe des Grundfeld­ magneten (10) angeordneten Sonde erfaßt werden und wobei Mit­ tel vorgesehen sind, mit denen aufgrund des mit der Sonde ge­ messenen Istwerts des Magnetfelds Einflüsse der Feldstörungen auf ein mit dem Kernspintomographen (2) erzeugtes Bild kom­ pensiert werden, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sonde einen magneto-resistiven Sensor (12) enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Sensor (12) auf dem Giant Magneto-resistiven Effekt basiert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation von Feldstörungen durch eine Steuerung des Grundmagnetfeldes er­ folgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Grund­ magnetfeld durch separate Hilfsspulen (16) gesteuert wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Grund­ magnetfeld durch Beaufschlagung von Gradientenspulen mit ent­ sprechendem Strom gesteuert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation von Feldstörungen durch Steuerung einer Bezugsfrequenz einer Sen­ de-Empfangseinheit (32) des Kernspintomographen (2) erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation von Feldstörungen durch Phasen- und/oder Frequenzverschiebung bei den mit dem Kernspintomographen gewonnenen Rohdaten erfolgt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß Feldstörun­ gen durch mehrere an verschiedenen Orten in der Nähe des Grundfeldmagneten plazierte Sonden erfaßt werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß Streufelder des Grundfeldmagneten am Ort der Sonde (12) durch ein Gegen­ magnetfeld zumindest teilweise kompensiert werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gegenmagnetfeld durch eine stromdurchflossene Spule (24) erzeugt wird.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gegenmagnetfeld durch einen Permanentmagneten (28) erzeugt wird.