DE19902323B4

DE19902323B4 - Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts sowie Magnetresonanzgerät

Info

Publication number: DE19902323B4
Application number: DE19902323A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. Dietz; Winfried Dipl.-Ing. Arz (FH); Rudolf Dipl.-Math. Röckelein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2019-01-22
Also published as: US6396272B1; JP2000210268A; DE19902323A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts mit einem Gradientenrohr (3), an dem wenigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradientenspule (4) angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente (E) zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr (3) wirkenden Kraft angeordnet sind, wobei mittels der Elemente (E) eine oder mehrere Eigenschwingungsformen des Gradientenrohrs (3) angeregt werden, die den von Lorentz-Kräften, die infolge eines Stromflusses durch die Gradientenspule (4) erzeugt werden, hervorgerufenen Schwingungen des Gradientenrohrs (3) entgegenwirken, wobei zur Anregung der Elemente (E) Ansteuersignale dienen, bei welchem Verfahren zur Kompensation einer Änderung des Schwingungsverhaltens des Gradientenrohrs (3) in Abhängigkeit wenigstens eines ein Maß für die Änderung des Schwingungsverhaltens darstellenden Meßwerts die Amplituden und/oder die Phasen der Ansteuersignale zur Änderung der von den Elementen (E) erzeugten, auf das Gradientenrohr (3) wirkenden Kraft variiert werden, wobei als Meßwert die Temperatur des Gradientenrohrs (3) ermittelt wird und/oder eigenschwingungsbezogene Meßwerte in Form der Schwingungen des Gradientenrohrs (3) aufgenommen werden,...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts mit einem Gradientenrohr, an dem wenigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradientenspule angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr wirkenden Kraft angeordnet sind.
Mittels solcher Magnetresonanzgeräte ist es möglich, Schnittbilder des zu untersuchenden Objekts, in der Regel eines Patienten, durch bestimmte Körperebenen zu erzeugen. Dies geschieht mit Hilfe elektromagnetischer Felder. Um eine Ortsauflösung der auf Grund eines anliegenden magnetostatischen Grundfelds und eines anregenden Hochfrequenzfelds erhaltenen Signal zu ermöglichen, wird mittels mehrerer Gradientenspulen ein Gradientenfeld erzeugt. In der Regel kommen drei unterschiedliche Gradientenspulen zum Einsatz, die Felder in x-yz-Richtung bezüglich des Gradientenrohres erzeugen. Auf Grund des Stromflusses treten Lorentz-Kräfte auf, die auf das Gradientenrohr wirken und dieses wegen ihres zeitlichen Verlaufs zum Schwingen anregen. Diese mechanischen Schwingungen regen nun ihrerseits die Luft um das Gradientenrohr zu Luftdruckschwankungen an. Diese Schwingungen sind ursächlich für die beachtliche Lärmentwicklung während des Betriebs des Magnetresonanzgeräts, wobei Lärmspitzen weit über 100 dB auftreten.

Um diesen Schwingungen entgegenzuwirken und folglich den Lärm zu dämpfen ist es beispielsweise aus DE 44 32 747 A1 bekannt, mittels piezoelektrischer Elemente, die am Gradientenrohr angeordnet sind, Gegenkräfte zu erzeugen und so den von Lorentz-Kräften angeregten Schwingungen entgegenzuwirken. Die in dem genannten Dokument beschriebene Anordnung der piezoelektrischen Elemente erfolgt jedoch im Wesentlichen im Bereich der Spulenleiter. Hinsichtlich der tatsächlich erzeug ten Schwingungen ist die beschriebene Anordnung unselektiv, eine zielgerichtete Geräuschdämpfung ist folglich nicht möglich.

Um eine deutlich verbesserte Geräuschdämpfung zu erzielen, ist es aus der nachveröffentlichten Patentschrift DE 198 29 296 B4 bekannt, mittels der am Gradientenrohr angeordneten Elemente eine oder mehrere Eigenschwingungsformen des Gradientenrohrs anzuregen, die den von den Lorentz-Kräften hervorgerufenen Schwingungen des Gradientenrohrs entgegenwirken. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß jede Schwingung des Gradientenrohres eine Überlagerung mehrerer Eigenschwingungsformen ist, d. h., jede Schwingung kann auf bestimmte Eigenschwingungsformen reduziert werden. Dabei können die Eigenschwingungsformen unterschiedliche Beiträge zur tatsächlichen Rohrschwingung liefern, die Elemente lassen es jedoch zu, bestimmte Eigenschwingungsformen gezielt und definiert anzuregen, die den jeweiligen Eigenschwingungsformkomponenten der Rohrschwingungen entgegenwirken und diese eliminieren. Eine beachtliche Lärmreduzierung kann hierdurch erreicht werden. Es kann nun aber vorkommen, daß während des Betriebs des Magnetresonanzgeräts oder während dessen langer Betriebszeit Ursachen auftreten, die für eine Änderung des Schwingungsverhaltens des Gradientenrohres verantwortlich sind. Dies können reversible oder irreversible Veränderungen des Ausgangszustands sein. Ein starres Ansteuerspektrum der Elemente, also eine stets gleichbleibende, von den Elementen erzeugte Kraft auf das Gradientenrohr ist hinsichtlich der möglicherweise auftretenden Änderungen unspezifisch und kann diese nicht mehr hinreichend kompensieren.

Aus J. Qiu, J. Tani: „Vibration control of a cylindrical shell used in MRI equipment" in: Smart Mater. Struct. 4 (1995), A75 -A81 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgerätes sowie ein Magnetresonanzgerät bekannt, bei welchem mehrere Elemente bedarfsabhängig auf das Gradienten rohr einwirkende Kräfte erzeugen, wobei die Lage dieser Elemente in Abhängigkeit von Eigenschwingungsformen des Gradientenrohrs gewählt ist, so daß den durch die Lorentz-Kräfte hervorgerufenen Schwingungen des Gradientenrohrs entgegengewirkt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, welches eine Kompensation etwaiger auftretender Schwingungsänderungen ermöglicht.

Zur Lösung dieses Problems sieht die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts vor, mit einem Gradientenrohr, an dem wenigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradientenspule angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr wirkenden Kraft angeordnet sind, wobei mittels der Elemente eine oder mehrere Eigenschwingungsformen des Gradientenrohrs angeregt werden, die den von Lorentz-Kräften, die infolge eines Stromflusses durch die Gradientenspule erzeugt werden, hervorgerufenen Schwingungen des Gradientenrohrs entgegenwirken, wobei zur Anregung der Elemente frequenzbezogene Ansteuersignale dienen, bei welchem Verfahren zur Kompensation einer Änderung des Schwingungsverhaltens des Gradientenrohrs in Abhängigkeit wenigstens eines ein Maß für die Änderung des Schwingungsverhaltens darstellenden Meßwerts die Amplituden und/oder die Phasen der Ansteuersignale zur Änderung der von den Elementen erzeugten, auf das Gradientenrohr wirkenden Kraft variiert werden, wobei als Meßwert die Temperatur des Gradientenrohrs ermittelt wird und/oder eigenschwingungsbezogene Meßwerte in Form der Schwingungen des Gradientenrohrs aufgenommen werden, wobei zur Ermittlung der Schwingungen des Gradientenrohrs wenigstens so viele Sensorelemente verwendet werden, wie Eigenschwingungsformen unterdrückt werden sollen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhaft wenigstens ein Meßwert ermittelt, welcher ein Maß für die Änderung des Schwingungsverhaltens ist, d. h., das geänderte Schwingungsverhalten wird direkt oder indirekt mittels des Meßwerts erfaßt. In der Abhängigkeit dieses Meßwerts erfolgt anschließend eine Änderung der Ansteuersignale der Krafterzeugungselemente, d.h., die erzeugte Kraft wird in Abhängigkeit der Schwingungsänderung variiert und eingestellt, so daß diese Schwingungsänderung weitgehend kompensiert werden kann. Die Variation erfolgt durch Verändern der Amplitude und/oder der Phase der Kraft, welche als veränderbare Größen zur Verfügung stehen, wobei sich vornehmlich die Amplitudenvariation zur Kompensation eignet. Die Phase der Ansteuerung ist in der Regel sehr stabil, da die Kraft der Krafterzeugungselemente immer den Lorentz-Kräften entgegenwirken muß und dies nur in einem wohl definierten Phasenverhältnis möglich ist, jedoch können aufgrund eines zeitverzögerten Antwortverhaltens der Krafterzeugungselemente auf das Ansteuersignal etwaige hieraus resultierende Schwingungsänderungen durch Phasenvariation kompensiert werden. Relevante Änderungen des Schwingungsver haltens können vom Gradientenrohr direkt herrühren, wenn dieses beispielsweise in Folge eines Stromflußes durch die Gradientenspulen erwärmt wird. Diese Änderung ist reversibel, d. h., bei Abkühlen des Rohres ändert sich auch das Schwingungsverhalten entsprechend. Daneben können Änderungen auch beispielsweise durch Alterungseffekte des Schwingungsrohres hervorgerufen werden können, die beispielsweise in einer Änderung des E-Moduls resultieren, wobei dies z. B. durch die dauernde betriebsbedingte Erwärmung und Abkühlung bedingt sein kann. Auch kann sich die Dämpfung des Gradientenrohres ändern. Ferner kann sich die Kraftwirkung der Krafterzeugungselemente auf das Rohr, z. B. wegen einer Ermüdung des Materials mit lokaler Veränderung der Materialeigenschaften ändern, auch die Krafterzeugungselemente selbst können al-tern, so daß die erzeugte Kraft trotz gleicher Ansteuerung abnimmt. Die hieraus resultierenden Änderungen des Schwingungsverhaltens können vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kompensiert werden.

Läßt sich die Veränderung ausschließlich auf die Veränderung eines Krafterzeugungselements (z.B. teilweiser oder kompletter Ausfall) zurückführen, so sollte diese Veränderung auch nur an diesem Element kompensiert werden. (Austausch oder Anpassung der Ansteuerung dieses einen Elements an die benötigte Kraft.) Mögliche Sensoren sind während des Betriebs pro Krafterzeugungselement eine Kraftmessvorrichtung, deren Signal nur für die Ansteuerung dieses einen Elements benutzt wird, oder zur Überprüfung außerhalb des Betriebs der Abgleich der von diesem Krafterzeugungselement erzeugten Auslenkungen mit einem vorher ermittelten Referenzwert. Hierzu kann ein beliebiger Sensor (Auslenkung, Beschleunigung, Dehnung) benutzt werden.

Die weiteren Schritte betreffen alle Krafterzeugungselemente einer Gruppe gemeinsam:
So hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Änderung der Ansteuersignale durch eine Änderung wenigstens einer in einer Steuerungseinrichtung abgelegten Ansteuerkurve, die frequenzbezogene Werte der von den Elementen auf das Gradientenrohr zur Erzeugung der Eigenschwingungen aufzubringenden Kraft enthält und basierend auf welcher die Ansteuersignale ermittelt werden, erfolgt. Solche Ansteuerkurven liegen für jede Gruppe an Elementen, die zur Anregung eines bestimmten Eigenschwingungsmodes angeordnet sind, vor und stellen eine Frequenzcharakteristik dar, die aussagt, mit welcher Amplitude und Phase das Signal auf die Krafterzeugungselemente einer Elementgruppe gegeben werden muß, um die Wirkung der Lorentz-Kraft einer sinusförmigen Anregung mit Stärke 1 bei der jeweiligen Frequenz zu kompensieren. Die Wirkung muß über die Phase so eingestellt sein, daß die Kraftwirkung der Krafterzeugungselemente der der Lorentz-Kraft entgegen wirkt. Bedingt durch die Schwingungsänderung ist eine andere, größere oder geringere Kraft aufzubringen, was auf einfache Weise durch Variation der "Kraft-Ansteuerungskurve", basierend auf welcher rechnerisch mittels der Steuerungseinrichtung die tatsächlichen Ansteuersignale ermittelt werden, berücksichtigt werden kann. Dabei kann die Ermittlung der Ansteuersignale erfindungsgemäß derart erfolgen, daß zunächst aus einer zeitabhängigen Ansteuersignalkurve für die am Gradientenrohr befindlichen Gradientenspulen die einzelnen richtungsabhängigen Signalkurven der jeweiligen Gradientenachsen separiert und durch Fouriertransformation frequenzabhängige Ansteuersignalkurven erzeugt werden, die anschließend mit der oder den Ansteuerkurven, die jeweils einer bestimmten Gruppe an Elementen der jeweiligen Gradientenachse zugeordnet sind, überlagert werden, wonach die erhaltenen Überlagerungskurven durch Fourierrücktransformation in elementgruppenspezifische zeitabhängige Ansteuersignalkurven überführt werden. Diese Art der Ermittlung der Ansteuersignale ist in zweifacher Hinsicht vorteilhaft. Zum einen ermöglicht sie es, auf das Zeitsignal des Gradientenstroms zu reagieren, was insoweit äußerst relevant ist, als der Gradientenstrom ursächlich für die Erzeugung der Lorentz-Kräfte ist. Durch rechnerische Verknüpfung bzw. Berücksichtigung des Gradientenstromsignals im Rahmen der Ermittlung der Ansteuersignale für die Elemente kann so die Zeitkomponente des Gradientenstroms innerhalb der zeitabhängigen Ansteuersignale für die Krafterzeugungselemente berücksichtigt werden. Der zweite Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung liegt darin, daß – da die Ansteuersignalkurve für die Gradientenspulen stets gleich bleibt – im Rahmen der Ermittlung lediglich die Kraft-Ansteuerkurven variiert werden müssen, d.h., es wird innerhalb der rechnerischen Erzeugungsprozedur lediglich ein Verarbeitungsparameter, nämlich die zu überlagernde Kraft-Ansteuerungskurve geändert, um die erforderlichen, der Kompensation dienenden neuen Ansteuercharakteristiken zu erhalten.

Als Meßwert kann erfindungsgemäß ein Meßwert für eine reversible Schwingungsänderung ermittelt werden, beispielsweise die Temperatur des Gradientenrohrs. Wenngleich durch geeignete Variation der ursprünglichen abgelegten, elementgruppenspezifischen Ansteuerkurven eine Kompensation erreicht werden kann, hat es sich in diesem Fall als zweckmäßig erwiesen, wenn erfindungsgemäß in der Steuerungseinrichtung eine Schar von Ansteuerkurven abgelegt ist, von denen jede einem bestimmten Meßwert oder einem Meßwertintervall zugeordnet ist, und aus welcher in Abhängigkeit des Meßwerts eine der Ansteuerung zugrunde zu legende Ansteuerkurve gewählt wird.

Alternativ oder zusätzlich hierzu können erfindungsgemäß als gegebenenfalls weitere eigenschwingungsbezogene Meßwerte die Schwingungen des Gradientenrohres aufgenommen werden. Dies gilt sowohl für den Fall einer Kompensation temperaturschwankungsbedingter Schwingungsänderungen, wie auch zur Ermittlung von Systemänderungen, die quasi nicht reversibel sind und beispielsweise auf Ermüdungserscheinungen, Materialänderungen oder Leistungsverlusten, beispielsweise bei den Krafterzeugungselementen zurückzuführen sind. Dabei können als Meßwerte die Amplituden der Eigenschwingungen ermittelt werden. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn erfindungsgemäß zur Kompensation die Ansteuersignale unter im Wesentli chen gleichzeitiger Ermittlung der eigenschwingungsbezogenen Meßwerte variiert und die Wirkung der Variation anhand der Meßwerte überprüft wird. In diesem Fall kommt also ein Regelkreis zur Anwendung, bei dem bei oder nach einer Änderung der Ansteuersignale die Kompensationswirkung überprüft wird. Wird beispielsweise die von einer Elementgruppe zur Erzeugung eines bestimmten Eigenschwingungsmodes aufgebrachte Kraft zur Kompensation erhöht, kann auf diese Weise nach dem ersten oder nach wenigen Erhöhungsschritten erkannt werden, ob eine Erhöhung tatsächlich zu einer Kompensation führt. Falls nicht kann seitens der Steuerungseinrichtung die Variation derart erfolgen, daß die erzeugte Kraft erniedrigt wird, wobei auch in diesem Fall stets die Wirkung überprüft wird. Dabei findet die Änderung beispielsweise der Amplitude der Ansteuersignale bzw. als hierfür ursächlich der Ansteuerkurve so lange statt, bis ein Kompensationsoptimum erreicht ist. Es hat sich als ausreichend erwiesen, wenn erfindungsgemäß bezüglich jeder zu kompensierenden Eigenschwingung lediglich ein frequenzbezogenes Signal der Ansteuerkurve der Elemente variiert wird. Al-ternativ hierzu ist es auch möglich, eine Signalgruppe eines bestimmten Frequenzbereichs zu variieren.

Zur Ermittlung der Meßwerte können erfindungsgemäß mehrere am Gradientenrohr angeordnete Sensorelemente verwendet werden. Die Sensorelemente zur Ermittlung der Temperatur sollten nahe der Elemente selbst angeordnet sein, da hierdurch gleichzeitig auch die Temperatur der Krafterzeugungselemente, die gegebenenfalls für eine Änderung der Funktion derselben verantwortlich sein kann, erfaßt werden kann. Ferner können zur Ermittlung der Schwingungen des Gradientenrohrs wenigstens so viele Sensorelemente verwendet werden, wie Eigenschwingungsformen unterdrückt werden sollen. Die angelegten Schwingungsformen sind bekannt, die Anzahl wichtiger Moden ist überschaubar. Im Idealfall genügen dann ebenso viele Sensorelemente wie zu beachtende Schwingungsmoden pro Raumrichtung existieren. Mathematisch betrachtet bilden die Eigenschwingungsformen die Basis eines Vektorraums, die Sensorelemente stellen die Stützpunkte dar, an denen die Funktion bekannt ist. Die Platzierung der Sensorelemente muß dabei derart sein, daß ein ausreichendes Input-Signal, welches der Steuerungseinrichtung gegeben wird, zur Verfügung gestellt wird. So sollten die Sensorelemente nicht in einer gemeinsamen Knotenlinie mehrerer Moden liegen oder symmetrische Positionen einnehmen, die keine relevanten Informationen liefern. Es genügt die Platzierung der Aufnehmer bereits innerhalb eines kleinen Segmentsbereichs des Rohres, d. h., sie müssen nicht über das gesamte Rohr verteilt sein.

Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung ferner ein Magnetresonanzgerät mit einem Gradientenrohr, an dem wenigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradientenspule angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr wirkenden Kraft angeordnet sind, wobei die Lage der Elemente in Abhängigkeit wenigstens einer Eigenschwingungsform des Gradientenrohrs gewählt ist, so daß die jeweilige Eigenschwingungsform bei Betrieb der Elemente anregbar ist, wobei wenigstens ein Sensorelement zum Ermitteln wenigstens eines Meßwerts vorgesehen ist, der ein Maß für eine Änderung des Schwingungsverhaltens des Gradientenrohrs darstellt, wobei ein oder mehrere Sensorelemente zum Ermitteln der als Meßwert dienenenden Temperatur des Gradientenrohrs und/oder ein oder mehrere gegebenenfalls weitere Sensorelemente zum Ermitteln eigenschwingungsbezogene Meßwerte für die Schwingungen des Gradientenrohrs ausgebildet sind, von denen wenigstens so viele Sensorelemente vorgesehen sind, wie Eigenschwingungsformen unterdrückt werden sollen, und wobei eine Steuerungseinrichtung vorgesehen ist, die zur Variation der Amplitude und/oder der Phase von frequenzbezogenen Ansteuersignalen, mittels welchen die Elemente angesteuert werden, in Abhängigkeit des Meßwerts ausgebildet ist, so daß die Änderung des Schwingungsverhaltens zumindest teilweise kompensierbar ist.

Als Sensorelemente können auch hier Kraftsensoren wie auch Temperatursensoren verwendet werden, wie auch solche, die eine Ermittlung eigenschwingungsbezogener Meßwerte für die Rohrschwingung selbst liefern. An Schwingungssensoren können erfindungsgemäß wenigstens so viele vorgesehen sein, wie Eigenschwingungsformen unterdrückt werden sollen. Dabei sollten die Sensorelemente in Rohrlängsrichtung und in Rohrumfangsrichtung angeordnet und im Wesentlichen äquidistant voneinan der beabstandet sein, wobei es bereits ausreichend ist, wenn die Sensorelemente lediglich über eine Teillänge und einen Teilumfang des Gradientenrohrs, beispielsweise 1/8-Segment angeordnet sind. Als Sensorelemente können beispielsweise Beschleunigungssensoren, Dehnungssensoren oder Kraftsensoren verwendet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Magnetresonanzgeräts sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipskizze eines Magnetresonanzgeräts,
2 eine Prinzipskizze der Anordnung mehrere Elemente zur Erzeugung bestimmter Eigenschwingungsmoden an einem Gradientenrohr,
3 eine Aufsicht auf das Gradientenrohr aus 2,
4 ein prinzipielles Flußdiagramm zur Darstellung der Ermittlung der der Kompensation dienenden Ansteuersignale,
5 ein Beispiel für eine Schar an temperaturbezogenen Ansteuerkurven, und
6 ein Beispiel für die Variation einer Ansteuerkurve.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät 1, bestehend aus einem Gerätegehäuse 2 mit einem darin angeordnetem Gradientenrohr 3 mit daran angeordneten Gradientenspulen 4, die hier nur prinzipiell dargestellt sind und in realiter entsprechend dem jeweils von jeder Spule zu erzeugenden richtungsabhängigen Feld angeordnet sind. Ferner ist eine den Be trieb des Magnetresonanzgeräts steuernde Steuerungseinrichtung 5 vorgesehen. Am Gradientenrohr 3 sind mehrere Elemente E zur Krafterzeugung vorgesehen (2, 3), bei denen es sich um Piezoelemente handelt. Diese werden über die Steuerungseinrichtung 5 gesteuert mit Spannung beaufschlagt und erzeugen bedingt durch die spannungsbedingte Formänderung eine auf das Gradientenrohr wirkende Kraft. Sämtliche Elemente E sind am Gradientenrohr 3 derart plaziert, daß durch ihren Betrieb bestimmte Eigenschwingungsmoden des Gradientenrohrs 3 definiert angeregt werden können. Dabei ist die jeweilige Kraft, die ein Element erzeugt, gerade so gewählt, daß die beim Betrieb des Magnetresonanzgeräts durch Lorentz-Kräfte, die aufgrund eines Stromflusses durch die Gradientenspulen 4 erzeugt werden, im Wesentlichen ausgeglichen werden, d. h., die mittels der Elemente E anregbare Eigenschwingung hat im Wesentlichen die gleiche Amplitude und Phase, so daß sich die Schwingungsformen gegenseitig auslöschen.
Die in den 2 und 3 dargestellte Elementanordnung ist lediglich ein Beispiel, es kommt im vorliegenden nicht darauf an, welche Eigenschwingungsmoden hier konkret angeregt werden. Hinsichtlich der Anordnung sowie Arbeitsweise wird auf die Patentschrift DE 198 29 296 B4 verwiesen.
Wie 3 ferner zeigt, sind am Außenmantel des Gradientenqrohrs 3 weitere Sensorelemente vorgesehen. Hier ist zwischen in Längsrichtung angeordneten Sensorelementen S_L und in Umfangsrichtung angeordneten Sensorelementen S_U zu unterscheiden. Die Sensorelemente S_L und S_U dienen dazu, Schwingungen des Gradientenrohres zu ermitteln. Sie liefern eigenschwingungsbezogene Meßwerte, die es ermöglichen, die Eigenschwingungskomponenten innerhalb der gesamten Schwingung des Gradientenrohrs zu separieren. Es sollten wenigstens so viele Sensorelemente vorgesehen sein, wie relevante Schwingungsmoden pro Raumrichtung existieren. Die Sensorelemente S_L können beispielsweise auf einer Winkelposition von 20° in Längsrichtung angeordnet und äquidistant voneinander beabstandet sein.
Das dem Rohrende nächste Sensorelement sollte etwas vom Ende entfernt angeordnet sein. Für die Platzierung in Umfangsrichtung (Sensorelemente S_U) ist im gezeigten Beispiel eine Position in der Mitte der Länge des Rohres gewählt. In Umfangsrichtung werden die Sensorelemente ebenfalls äquidistant plaziert, wobei das erste und das letzte Sensorelement nicht bei 0 und 90° angeordnet sein sollten. Es ist ausreichend, wenn die Sensorelemente S_L, S_U lediglich über beispielsweise 1/8-Segment des Gradientenrohrs verteilt angeordnet sind. Aus den von den Sensorelementen S_L, S_U ermittelten Meßwerten kann die Amplitude jeder Schwingungseigenform seitens der Steuerungseinrichtung 5 ermittelt werden. Im Bedarfsfall ist es auch möglich, die Elemente E selbst als Sensorelemente mit zu verwenden, wobei diese dann in ihrem Betrieb alternierend zwischen Krafterzeugung und Meßwerterfassung geschalten werden.
Ferner sind mehrere Sensorelemente S_T vorgesehen, die der Temperaturerfassung des Gradientenrohrs dienen. Jedes in 3 gezeigte Sensorelement S_T ist unmittelbar an einem Sensorelement E angeordnet, so daß es gleichzeitig auch möglich ist, im Wesentlichen die Temperatur des Elements E zu ermitteln. Die Temperatur des Rohres wie auch des Elements kann Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten bzw. das Krafterzeugungsverhalten des Elements haben. Mittels der Sensorelemente S_T ist es möglich, reversible Schwingungsänderungen zu ermitteln, die Sensorelemente S_L, S_U dienen im Wesentlichen der Ermittlung nicht-reversibler Schwingungsänderungen, die ihre Ursache in irreversiblen Systemänderungen, wie beispielsweise einer Rohrermüdung, einer Ermüdung der Krafterzeugungselemente und ähnlichem haben.
4 zeigt in Form eines prinzipiellen Flußdiagramms die Ermittlung der Ansteuersignale für eine Gruppe von Elementen zur Erzeugung eines bestimmten Eigenschwingungsmodes. Wie beschrieben sind die vom Stromfluß durch die Gradientenspulen hervorgerufenen Lorentz-Kräfte ursächlich für das Schwingungsverhalten des Gradientenrohrs. Da die mittels der Kraft erzeugungselemente erzeugten Gegenschwingungen die ursächlichen Eigenschwingungen kompensieren und auslöschen sollen, müssen diese folglich zeitgleich mit den ursächlichen Eigenschwingungen erzeugt werden. Zur Einbeziehung eines beliebigen Zeitsignals seitens des Gradientenstromsignals geht die Ermittlung der Ansteuersignale für die Krafterzeugungselemente vom zeitbezogenen Stromsignal I(t) (= zeitabhängige Ansteuersignalkurve) des Gradientenstromsignals aus. 4 gibt exemplarisch einen beispielhaften Verlauf eines solchen Signals wieder. Im gezeigten Beispiel ist lediglich allgemein das Signal I(t) angegeben. Das beim Betrieb des Magnetresonanzgeräts verwendete Gradientensignal besteht aus drei überlagerten einzelnen Signalen für die jeweiligen Gradientenachsen x, y, z. Das gemeinsame Gradientensignal wird zunächst in die jeweiligen gradientenachsespezifischen Signale aufgespalten. Das in 4 gezeigte Signal I(t) stellt exemplarisch eines dieser aufgespaltetenen achsbezogenen Signale dar. Die Vorgehensweise ist für jedes achsspezifische Signal die gleiche, weshalb auf eine Differenzierung hier verzichtet wurde.
Anschließend werden die Signale I(t) einer Fouriertransformation (FT) unterworfen, um ein frequenzabhängiges komplexes Stromsignal I(f) (= in Amplitude und Phase frequenzabhängige Ansteuersignalkurve) zu erzeugen, wobei 4 auch ein Beispiel eines solchen frequenzbezogenen Signalverlaufs wiedergibt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die jeweiligen Beispielkurven nicht miteinander im Zusammenhang stehen, sondern lediglich Prinzipbeispiele darstellen.
Im nächsten Schritt wird das Signalspektrum I(f) mit der frequenzbezogenen Kraftkurve K_Piezo(f) überlagert. Diese Kraftkurve enthält frequenzbezogene Kraftwerte, welche die jeweiligen Elemente, die eine bestimmte Eigenschwingungsform erzeugen sollen, aufbringen sollen. Diese Elementgruppe ist der jeweiligen Gradientenachse, deren Gradientenstromsignal verarbeitet wird, zugeordnet. Die Überlagerung entspricht einer Neugewichtung der Frequenzanteile. Die Kraftkurve K_Piezo(f) ist die Ansteuerkurve, welche zur Kompensation einer Schwingungsänderung variiert wird, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Die Überlagerung liefert eine frequenzbezogene Kraft-Steuersignalkurve K_Steuer(f) (= Überlagerungskurve).
Durch Fourierrücktransformation (Rück-FT) wird schließlich eine zeitbezogene Kraft-Steuersignalkurve (K_Steuer(t)) (= zeitabhängige Ansteuersignalkurve) erzeugt. Diese Ansteuersignalkurve wird anschließend noch hinsichtlich der jeweiligen gruppenzugehörigen Einzelelemente gewichtet, da nicht jedes Piezoelement in gleicher Form angesteuert werden muß, sondern abhängig von der modenspezifischen Kraft bzw. der Anordnung am Gradientenrohr die Elemente einer Funktionsgruppe unterschiedliche Kräfte erzeugen müssen. Hierauf kommt es aber hinsichtlich des allgemeinen Kompensationsverfahrens nicht an, weshalb dies nicht näher dargestellt ist. Die Kurve K_Steuer(t) stellt also den nötigen Kraftverlauf der Krafterzeugungselemente über die Zeit dar. Für die konkrete Ansteuerung der Einzelelemente wird das Kraftspektrum K_Steuer(t) nach entsprechender elementspezifischer Gewichtung abschließend in entsprechende zeitbezogene Spannungswerte umgewandelt, welche an die jeweiligen Krafterzeugungselemente angelegt werden.
Wie beschrieben ist zur Kompensation einer Änderung der Rohrschwingung die von den Elementen ausgeübte Kraft zur Erzeugung der Gegenschwingung zu ändern. Die entsprechende Anpassung bzw. Änderung der Ansteuersignale erfolgt durch Variation der frequenzbezogenen Piezoelement-Kraftkurve K_Piezo(f).
Für den Fall, daß eine reversible, von einer Temperaturerhöhung beispielsweise durch die sich im Betrieb erwärmenden Gradientenspulen hervorgerufene Schwingungsänderung vorliegt, ist in der Steuerungseinrichtung 5 eine Schar von Ansteuerkurven abgelegt, von denen jede einer anderen Temperatur zugeordnet ist. Ein prinzipielles Beispiel ist in 5 gezeigt. Die Kurve K₁ stellt die frequenzbezogene Kraftkurve für eine Temperatur T₁ = 20°C dar, die Kurve K₂ für T₂ = 30°C und die Kurve K₃ für T₃ = 40°C. Wird nun mittels eines der Sensorelemente S_T beispielsweise eine Temperatur des Rohres von T = 30°C ermittelt, so wählt die Steuerungseinrichtung 5 automatisch die Kurve K₂ aus und überlagert diese als Kraftkurve K_{Piezo, T=30°C}(f) mit der frequenzbezogenen Stromkurve I(f). Da, wie in 5 gezeigt, die Kurve K₂ einen anderen frequenzbezogenen Kraftverlauf zeigt als die vorher zugrunde gelegte Kurve K₁, ergibt sich letztendlich eine Änderung des aus der Verarbeitung gemäß 4 hervorgegangenen Ansteuersignals, so daß auf die temperaturbedingte Schwingungsänderung reagiert werden kann. 5 zeigt exemplarisch lediglich drei Kurven, selbstverständlich können innerhalb der Kurvenschar noch mehr Kurven abgelegt sein. Ferner ist es möglich, daß eine Kurve einem bestimmten Temperaturintervall zugeordnet ist.
6 zeigt schließlich, wie die Kraftkurve K_Piezo(f) zu variieren ist, wenn eine nicht-reversible systembedingte Schwingungsänderung vorkommt, die beispielsweise durch Ermüdungserscheinungen od. dgl. hervorgerufen werden kann. Nach einer ersten, in 6 links bezüglich des Plateaus P₁ gezeigten Möglichkeit wird innerhalb des dem Plateau P₁ entsprechenden Frequenzbereichs f₁ eine bestimmte Frequenz f_v (variierende Frequenz) ausgewählt, deren Kraftwert k_v (variierender Kraftwert) variiert wird. Er wird von der Steuerungseinrichtung automatisch beispielsweise zunächst erhöht, wobei über die Sensorelemente S_L, S_U die jeweilige Wirkung dieser Erhöhung, die sich in einer entsprechenden Änderung der konkreten Ansteuersignale und damit einer Änderung der tatsächlich erzeugten Kraft auswirkt, ermittelt wird. Es wird also nach Art eines Regelkreises sofort aufgenommen, ob die Änderung in der jeweiligen Richtung (hier einer Anhebung) zu einer Verbesserung der Schwingungsdämpfung führt oder nicht. Im Falle einer Verbesserung wird die Erhöhung so lange fortgesetzt, bis ein Kompensationsoptimum erreicht ist. Im Falle einer Verschlechterung erniedrigt die Steuerungseinrichtung den Kraftwert k_v entsprechend. Da die erzeugte Kraft innerhalb des Frequenzbereichs f₁ bei jeder Frequenz zu einer entsprechenden Erzeugung der Eigenschwingung führt, ist es aus reichend, wenn lediglich bei einer Frequenz eine Änderung des Kraftwertes vorgenommen wird, da diese erhöhte oder erniedrigte Kraft dann zur Erzeugung der geänderten Eigenschwingung führt, unabhängig davon, welche Frequenz f_v ausgewählt wird, so lange diese nur innerhalb des Frequenzbereichs f₁ liegt. Ist eine optimale Kompensation erreicht, kann die Kurve gemäß 6 hinsichtlich der Lage des Plateaus P₁ insgesamt entsprechend korregiert.
6 zeigt ferner eine weitere Möglichkeit der Variation in der rechten Bildhälfte. Hier wird das gesamte Plateau P₂ angehoben oder abgesenkt, wie durch die gestrichelten Linien gekennzeichnet ist. Die Wirkungsweise dieser Variation ist die gleiche wie die der vorbeschriebenen.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts mit einem Gradientenrohr (3), an dem wenigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradientenspule (4) angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente (E) zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr (3) wirkenden Kraft angeordnet sind, wobei mittels der Elemente (E) eine oder mehrere Eigenschwingungsformen des Gradientenrohrs (3) angeregt werden, die den von Lorentz-Kräften, die infolge eines Stromflusses durch die Gradientenspule (4) erzeugt werden, hervorgerufenen Schwingungen des Gradientenrohrs (3) entgegenwirken, wobei zur Anregung der Elemente (E) Ansteuersignale dienen, bei welchem Verfahren zur Kompensation einer Änderung des Schwingungsverhaltens des Gradientenrohrs (3) in Abhängigkeit wenigstens eines ein Maß für die Änderung des Schwingungsverhaltens darstellenden Meßwerts die Amplituden und/oder die Phasen der Ansteuersignale zur Änderung der von den Elementen (E) erzeugten, auf das Gradientenrohr (3) wirkenden Kraft variiert werden, wobei als Meßwert die Temperatur des Gradientenrohrs (3) ermittelt wird und/oder eigenschwingungsbezogene Meßwerte in Form der Schwingungen des Gradientenrohrs (3) aufgenommen werden, wobei zur Ermittlung der Schwingungen des Gradientenrohrs (3) wenigstens so viele Sensorelemente (S_L, S_U, S_T) verwendet werden, wie Eigenschwingungsformen unterdrückt werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als weitere Meßwerte solche Meßwerte mittels nahe eines jeden Elements (E) angeordneter Sensorelemente (5) aufgenommen werden, die ein Maß für die von einem Element (E) auf das Gradientenrohr (3) ausgeübten Kraft darstellen, wobei zur Kompensation einer möglichen Änderung des Schwingungsverhaltens die Ansteuerung lediglich des betroffenen Elements (E) variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Ansteu ersignale durch eine Änderung wenigstens einer in einer Steuerungseinrichtung (5) abgelegten Ansteuerkurve (K_piezo(f), K, K₁, K₂, K₃), die frequenzbezogenen Werte der von den Elementen (E) auf das Gradientenrohr (3) zur Erzeugung der Eigenschwingungen aufzubringenden Kraft enthält und basierend auf welcher die Ansteuersignale ermittelt werden, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge– kennzeichnet, daß zur Ermittlung der Ansteuersignale zunächst aus einer zeitabhängigen Ansteuersignalkurve (I(t)) für die am Gradientenrohr (3) befindlichen Gradientenspulen (4) die einzelnen richtungsabhängigen Signalkurven der jeweiligen Gradientenachse separiert und durch Fouriertransformation frequenzabhängige Ansteuersignalkurven (I(f)) erzeugt werden, die anschließend mit der oder den Ansteuerkurven (K_piezo(f)), die jeweils einer bestimmten Gruppe an Elementen (E) der jeweiligen Gradientenachse zugeordnet sind, überlagert werden, wonach die erhaltenen Überlagerungskurven durch Fourierrücktransformation in elementgruppenspezifische zeitabhängige Ansteuersignalkurven (I(t)) überführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Temperaturmeßwerte in der Steuerungseinrichtung (5) eine Schar von Ansteuerkurven (K₁, K₂, K₃), abgelegt ist, von denen jede einem bestimmten Meßwert oder einem Meßwertintervall zugeordnet ist, und aus welcher in Abhängigkeit des Meßwerts eine der Ansteuerung zugrunde zu legende Ansteuerkurve gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als eigenschwingungsbezogene Meßwerte die Amplituden der Eigenschwingungen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation die Ansteu ersignale unter im Wesentlichen gleichzeitiger Ermittlung der eigenschwingungsbezogenen Meßwerte variiert und die Wirkung der Variation anhand der Meßwerte überprüft wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bezüglich jeder zu kompensierenden Eigenschwingung lediglich ein frequenzbezogenes Signal oder eine Signalgruppe eines bestimmten Frequenzbereichs der Ansteuerkurve (Ansteuerkurve (K_piezo(f), K, K₁, K₂, K₃) der Elemente variiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Meßwerte mehrere am Gradientenrohr(3) angeordnete Sensorelemente (S_L, S_U, S_T) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Temperatur nahe der Elemente (E) angeordnete Sensorelemente (S_T) verwendet werden.
Magnetresonanzgerät (1) mit einem Gradientenrohr (3), an dem wenigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradientenspule (4) angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr wirkenden Kraft angeordnet sind, wobei die Lage der Elemente (E) in Abhängigkeit wenigstens einer Eigenschwingungsform des Gradientenrohrs (3) gewählt ist, so daß die jeweilige Eigenschwingungsform bei Betrieb der Elemente (E) anregbar ist, wobei wenigstens ein Sensorelement (S_L, S_U, S_T) zum Ermitteln wenigstens eines Meßwerts vorgesehen ist, der ein Maß für eine Änderung des Schwingungsverhaltens des Gradientenrohrs (3) darstellt, wobei ein oder mehrere Sensorelemente (S_T) zum Ermitteln der als Meßwert dienenenden Temperatur des Gradientenrohrs (3) und/oder ein oder mehrere gegebenenfalls weitere Sensorelemente (S_L, S_U) zum Ermitteln eigenschwingungsbezogene Meßwerte für die Schwingungen des Gradientenrohrs (3) ausgebil det sind, von denen wenigstens so viele Sensorelemente (S_L, S_U) vorgesehen sind, wie Eigenschwingungsformen unterdrückt werden sollen, und wobei eine Steuerungseinrichtung (5) vorgesehen ist, die zur Variation der Amplitude und/oder der Phase von frequenzbezogenen Ansteuersignalen, mittels welchen die Elemente (E) angesteuert werden, in Abhängigkeit des Meßwerts ausgebildet ist, so daß die Änderung des Schwingungsverhaltens kompensierbar ist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Element (E) ein Sensorelement zum Ermitteln eines Meßwerts, der ein Maß für die vom jeweiligen Element (E) auf das Gradientenrohr (3) ausgeübte Kraft darstellt, zugeordnet ist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (5) zum Ermitteln der Ansteuersignale basierend auf einer im Steuerungseinrichtung (5) abgelegten An-steuerkurve (K_piezo(f), K, K₁, K₂, K₃) die frequenzbezogenen Werte der von den Elementen (E) auf das Gradientenrohr (3) zur Erzeugung der Eigenschwingungen aufzubringenden Kraft enthält, und zum Ändern der Ansteuersignale durch Ändern der Ansteuerkurve (K_piezo(f), K, K₁, K₂, K₃) ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (5) zur Ermittlung der Ansteuersignale derart ausgebildet ist, daß zunächst aus einer zeitabhängigen Ansteuersignalkurve (I(t)) für die am Gradientenrohr (3) befindlichen Gradientenspulen (4) die einzelnen richtungsabhängigen Signalkurven der jeweiligen Gradientenachse separiert und durch Fouriertransformation frequenzabhängige Ansteuersignalkurven (I(f)) erzeugt werden, die anschließend mit der oder den Ansteuerkurven (K_Piezo(f)), die jeweils einer bestimmten Gruppe an Elementen (E) der jeweiligen Gradientenachse zugeordnet sind, überlagert werden, wonach die erhaltenen Überlagerungs kurven (K_Steuer(f)) durch Fourierrücktransformation in elementgruppenspezifische zeitabhängige Ansteuersignalkurven (K_Steuer(t)) überführt werden.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Temperaturmeßwerte in der Steuerungseinrichtung (5) eine Schar von Ansteuerkurven (K₁, K₂, K₃) abgelegt ist, von denen jede einem bestimmten Meßwert oder einer Meßwertschar zugeordnet ist, und aus welcher in Abhängigkeit des Meßwerts eine der Ansteuerung zugrunde zu legende Ansteuerkurve gewählt wird.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (S_T) zur Ermittlung der Temperatur nahe den Elementen (E) angeordnet sind.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als eigenschwingungsbezogene Meßwerte die Amplituden der Eigenschwingungen ermittelt werden.
Magnetresonanzeinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (S_L, S_U) in Rohrlängsrichtung und in Rohrumfangsrichtung angeordnet und im Wesentlichen äquidistant voneinander beabstandet sind.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (S_L, S_U) lediglich über eine Teillänge und/oder einen Teilumfang des Gradientenrohrs (3) angeordnet sind.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen sorelemente (S_L, S_U) Beschleunigungssensoren, Dehnungssensoren, Kraftsensoren od. dgl. sind.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (5) zur Variation der Ansteuersignale unter im Wesentlichen gleichzeitiger Ermittlung der eigenschwingungsbezogenen Meßwerte und zur Überprüfung der Wirkung der Variation anhand der Meßwerte ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (5) zur Variation lediglich eines frequenzbezogenen Signals der Ansteuerkurve der Elemente (E) oder einer in einem bestimmten Frequenzbereich liegenden Signalgruppe bezüglich jeder zu kompensierender Eigenschwingung ausgebildet ist.