DE3518603A1 - Mit kernmagnetischer resonanz arbeitendes abbildungsgeraet - Google Patents

Mit kernmagnetischer resonanz arbeitendes abbildungsgeraet

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DE3518603A1 DE19853518603 DE3518603A DE3518603A1 DE 3518603 A1 DE3518603 A1 DE 3518603A1 DE 19853518603 DE19853518603 DE 19853518603 DE 3518603 A DE3518603 A DE 3518603A DE 3518603 A1 DE3518603 A1 DE 3518603A1
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Yuji Tokio/Tokyo Inoue
Hideto Hachiohji Tokio/Tokyo Iwaoka
Tadashi Musashino Tokio/Tokyo Sugiyama
Keiki Fuchu Tokio/Tokyo Yamaguchi
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Medical Systems Ltd
Yokogawa Hokushin Electric Corp
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Description

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner
Patentanwälte
Yokogawa Hokushin Electric Corporation
und
Yokogawa Medical Systems, Ltd. Musashino-shi, Tokyo, Japan
33 '
FA 85101/wa
Mit kernmagnetischer Resonanz arbeitendes Abbildungsgerät
Mit kernmagnetischer Resonanz arbeitendes Abbildungsgerät
Die Erfindung betrifft ein mit kernmagnetischer Resonanz arbeitendes bzw. sog. NMR-Abbildungsgerät für medizinische Ausrüstung zur Bestimmung der Verteilung bestimmter Atomkerne o.dgl. in einem Untersuchungsobjekt von dessen Außenseite her unter Ausnutzung der
kernmagnetischen Resonanzerscheinung oder sog. NMR-15
Erscheinung.
Bei einem NMR-Äbbildungsgerät wird ein Bild des Inneren eines Untersuchungsobjekts dadurch gewonnen, daß das Untersuchungsobjekt in Magnetfelder, die durch Zufuhr
eines elektrischen Stroms zu einer Spule für die Erzeugung statischer Magnetfelder und durch Zufuhr elektrischen Stroms mit Hochfrequenz zu einer Hochfrequenzspule für die Beaufschlagung des Untersuchungsobjekts
mit Hochfrequenz-Magnetfeldern unter einem vorbestimmten 25
Winkel erzeugt werden, eingebracht und die dabei sich ergebende NMR-Erscheinung im Untersuchungsobjekt mittels eines elektronischen Rechners verarbeitet oder ausgewertet wird. Hierbei ist es erforderlich, die Intensität der statischen elektrischen Felder konstant zu
halten, um ein zufriedenstellendes NMR-BiId zu gewinnen. Bei einem wassergekühlten normalleitenden Vierspulen-Magneten für die Erzeugung statischer Magnetfelder wird beispielsweise der den Spulen zur Erzeugung der statischen Magnetfelder zugeführte Strom mittels einer
Konstantstromquelle auf einer vorbestimmten Größe gehalten.
Selbst bei der Anordnung einer solchen Einrichtung erfahren bei einer Änderung der Temperatur der Spulen, der Temperatur des Rahmens zum Tragen der Spulen, der
Umgebungslufttemperatur, der Temperatur des Kühlwassers für die Spulen und/oder der Kühlwassermenge die Temperaturen der Spulen und ihres Tragrahmens entsprechende Änderungen, so daß die Intensität der statischen Magnetfelder infolge einer Verformung der Spulen und dgl. aufgrund von Wärmeausdehnung schwankt und sich dadurch das NMR-BiId verschlechtert.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines mit kernmagnetischer Resonanz arbeitenden bzw. NMR-Abbil-
dungsgeräts, bei dem eine durch Verformung von Spulen o.dgl. aufgrund von Wärmeausdehnung hervorgerufene Verschlechterung eines NMR-Bilds automatisch korrigiert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den im Patentanspruch gekennzeichneten Merkmalen.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Geräts gemäß der Erfindung,
ö Fig. 2 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Ansicht der Magnetspulen und dgl., in Richtung des Pfeils A in Fig. 1 gesehen,
Fig. 3 und 4 schematische Darstellungen von Einrichtungen zur indirekten Messung der Temperatur
der Magnetspulen auf der Grundlage ihres Widerstandswerts und
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform zur Steuerung oder Einstellung beim NMR-Abbildungsgerät gemäß der Erfindung.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform enthält 10
Magnetspulen 1 zur Erzeugung statischer Magnetfelder. Obgleich in Fig. 1 vier Magnetspulen 1 dargestellt sind, ist die Erfindung keineswegs auf diese Zahl beschränkt. Jede Magnetspule 1 besteht aus zahlreichen Windungen von Leiterdrähten aus z.B. Kupfer. Die vier
Magnetspulen 1 sind elektrisch in Reihe miteinander geschaltet, doch können sie auch parallelgeschaltet sein. Obgleich in Fig. 1 nicht näher dargestellt, wird der Umfang jeder Magnetspule 1 mit Kühlwasser zu ihrer Kühlung beschickt. Bei 3 sind Rahmen zur Halterung der
Magnetspulen 1 angedeutet. In Richtung des Pfeils A in Fig. 1 gesehen, sind die Rahmen 3 und die Magnetspulen 1 auf die in Fig. 2 dargestellte Weise angeordnet. Insbesondere besitzt jede Magnetspule 1 eine ringförmige Gestalt, wobei vier derartige Magnetspulen 1 von den
Rahmen 3,getragen werden. Während jede Magnetspule 1 eine ringförmige Gestalt besitzt, ist die Form des Rahmens 3 nicht auf die in Fig. 2 gezeigte Form beschränkt, vielmehr kann er z.B. auch kreisförmig sein. Die Ziffern 5-9 bezeichnen noch näher zu beschreibende
Koeffizienteneinheiten, die in Abhängigkeit von den Temperaturkoeffizienten o.dgl. der Magnetspulen 1 und der Rahmen 3 eingestellt werden. Temperatur-Meßeinheiten 11 - 16 dienen zur Messung der Temperatur an den jeweiligen Anordnungsstellen dieser Meßeinheiten gemäß
Fig. 1. Insbesondere messen die Meßeinheiten 11 - 14
die Temperatur der einzelnen Magnetspulen, die Meßeinheit 15 die Temperatur der Rahmen 3 und die Meßeinheit
16 die Atmosphären- oder ümgebungslufttemperatur. Diese 5
Meßeinheiten sind an sich bekannt. Ein Addier/Subtrahierwerk 17 dient zum Addieren/Subtrahieren von durch jede der Koeffizienteneinheiten 5-9 eingegebenen Signalen. Eine Stromquelle 19 dient zur Speisung der einzelnen Magnetspulen 1 mit elektrischem Strom unter
Einstellung der Größe des Stroms I auf der Grundlage des Signals vom Addier/Subtrahierwerk 17 und einer noch zu beschreibenden Bezugsspannung 20.
In Fig. 1 bezeichnen die Buchstaben a ein auf die Tem-
peratur des Kühlwassers für die Magnetspulen bezogenes Signal und b ein auf die Kühlwassermenge bezogenes Signal. Das Signal a wird über die Koeffizienteneinheit 6, das Wassermengensignal b über die Koeffizienteneinheit 5 dem Addier/Subtrahierwerk 17 eingespeist. Die
Bezugsspannung 20 dient zur Einstellung des den Spulen einzuspeisenden Stroms I.
Das Gerät nach Fig. 1 arbeitet wie folgt:
Wenn bei einer Ausfuhrungsform des NMR-Abbildungsgeräts für medizinische Ausrüstung die Durchschnittstemperatur der Magnetspulen um 1"C ansteigt, verringern sich die Magnetfelder im Mittelbereich der Magnetspulen aufgrund der Wärmeausdehnung des die Spulen bildenden Kupfer-
werkstoffs um etwa 21 ppm. Bei einem Temperaturanstieg von 10C am Rahmen 3 vergrößert sich entsprechend der Abstand zwischen den Magnetspulen 1 aufgrund der Wärmeausdehnung der Rahmen 3, woraus sich eine Verringerung der Magnetfelder im Mittelbereich der Magnetspulen 1 um
etwa 75 ppm ergibt. Ein Untersuchungsobjekt wird in dem
durch die Anordnung aus den vier Magnetspulen 1 gebildeten zylindrischen Raum angeordnet. Wenn dabei die
Magnetspulen 1 mit einem konstanten Strom I von der 5
Stromquelle 19 her beschickt werden, werden im Inneren des zylindrischen Raums statische Magnetfelder erzeugt.
Erfindungsgemäß sind die Temperatur-Meßeinheiten 11 15 an den jeweiligen Magnetspulen 1 und den Rahmen 3 angeordnet und auf Größen oder Werte entsprechend den Temperaturkoeffizienten der Magnetspulen 1 und der Rahmen 3 eingestellt (so daß die Meßergebnisse an den Einheiten mit größeren Temperaturkoeffizienten auf
diejenigen für die Einheiten nt kleineren Temperatur-15
koeffizienten abgestimmt werden können). Die Ausgangssignale der Temperatur-Meßeinheiten werden von den Koeffizienteneinheiten 7, 8 abgenommen, und ihre Additionsgroße wird zur Ansteuerung der Stromquelle 19 benutzt. Der Strom I kann mithin entsprechend den
Temperaturänderungen der Magnetspulen und/oder der Rahmen so eingestellt werden, daß Schwankungen des Magnetfelds Hn unterdrückt werden. Wenn insbesondere das das Untersuchungsobjekt beaufschlagende Magnetfeld H aufgrund der Temperaturänderung zu variieren bestrebt °
ist, kann das Untersuchungsobjekt durch Einstellung der Größe des den Magnetspulen eingespeisten Stroms I mit Magnetfeldern einer konstanten Intensität beaufschlagt werden.
Da sich die Temperatur der Rannen 3 unter dem Einfluß
der Umgebungstemperatur ändert, kann letztere anstelle der Temperatur der Rahmen 3 gemessen werden, wie dies durch die Temperatur-Meßeinheit 16 gemäß Fig. 1 angedeutet ist, die für die Korrektur benutzt werden kann. 35
BAD
Da weiterhin die Temperatur der Magnetspulen 1 den Einflüssen von Kühlwassertemperatur, Kühlwassermenge,
Umgebungstemperatur und Größe der Luftströmungsmenge 5
unterliegt, können diese Größen, wie bei a, b in Fig. angedeutet, ebenfalls für die Korrektur benutzt werden.
Da darüber hinaus die Temperatur der einzelnen Abschnitte der Magnetspulen nicht immer gleichmäßig ist, müssen an den betreffenden Abschnitten mehrere Temperatur-Meßeinheiten angeordnet werden.
Anstatt die verschiedenen Temperatur-Meßeinheiten zu
verwenden, können gemäß Fig. 3 oder 4 auch die Ände-15
rungen des elektrischen Widerstands der Magnetspulen
mittels entsprechender Einrichtungen gemessen werden, wobei der Meßwert für die Korrektur als Durchschnittstemperatur der Magnetspulen, bezogen auf den Temperaturkoeffizienten bekannten elektrischen Widerstands, 20
herangezogen werden kann.
Fig. 3 veranschaulicht eine Magnetspule 1, einen Nebenschlußwiderstand 20 und einen Teiler 21. Wenn die Eingangssignale des Teilers zu el und e2 vorausgesetzt 25
werden, gibt das Ausgangssignal eO vom Teiler 21 den Widerstand der Magnetspule 1 an, d.h. eO = e1/e2.
Gemäß Fig. 4 bilden Widerstände 22 - 24 und eine Magnetspule 1 eine (Meß-)Brückenschaltung, wobei eine Span-30
nung über die Meßbrückenseiten von einem Verstärker angenommen wird. Das Ausgangssignal eO des Verstärkers 25 gibt dabei die Schwankungen im Widerstandswert der Magnetspule 1 wieder.
Fig. 1 veranschaulicht eine Anordnung, bei welcher alle
genannten Faktoren berücksichtigt werden, d.h. Temperaturmessung an den Magnetspulen (Einheiten 11 - 14),
Temperaturmessung ah den Rahmen 3 (Einheit 15), Kühl-5
wasser-Temperaturmessung (Einheit a), Kühlwassermengenmessung (Einheit b) und Umgebungslufttemperaturmessung (Einheit 16). Da hierbei die Abweichungen zwischen den Temperaturkoeffizienten für die einzelnen Abschnitte
mittels der jeweiligen Koeffizienteneinheiten 5-9 10
einstellbar sind, ist das Addier/Subtrahierwerk 17 zum Addieren und Subtrahieren der Größen oder Werte von den jeweiligen Koeffizienteneinheiten vorgesehen.
Für die Erfindung ist es jedoch nicht in jedem Fall
nötig, alle diese Parameter zur Einstellung des Stroms I zu erfassen, vielmehr kann der Strom I auf der Grundlage mindestens eines der genannten gemessenen Parameter eingestellt werden, wodurch sich die eingangs geschilderten Probleme beim Stand der Technik weitgehend lösen
lassen. Dies bedeutet, daß es erfindungsgemaß nur notig ist, mindestens einen der genannten Parameter für die Einstellung des Stroms I zu erfassen.
Vorstehend ist anhand von Fig. 1 eine Ausführungsform
beschrieben, bei welcher der Strom I in Abhängigkeit von Temperaturänderungen an den einzelnen Abschnitten und von der Änderung der Kühlwassermenge eingestellt wird, derart, daß unerwünschte Auswirkungen dieser Änderungen auf das NMR-BiId korrigiert werden können.
Im folgenden ist anhand von Fig. 5 eine andere Steueroder Einstelleinrichtung zum Korrigieren von unerwünschten Auswirkungen oder Einflüssen der Temperaturschwankung an den einzelnen Abschnitten auf das NMR-BiId be-
schrieben.
Fig. 5 zeigt ein vollständiges Blockschaltbild eines NMR-Abbildungsgeräts. Die Anordnung nach Fig. 5 umfaßt
eine ein statisches Magnetfeld erzeugende Einrichtung 5
30 aus denselben Magnetspulen, Rahmen und dgl. wie in Fig. 1, die Magnetfelder H als statische Magnetfelder erzeugt, sowie Hochfrequenzspulen 31 und 32. Die in Fig. 1 nicht dargestellten Hochfrequenzspulen 31, 32 sind für ein NMR-Abbildungsgerät unabdingbar. Die von den Hochfrequenzspulen erzeugten Hochfrequenz-Magnetfelder sind so ausgestaltet, daß sie einen vorbestimmten Winkel relativ zu den statischen Magnetfeldern H festlegen. Mit 33 und 34 sind Hochfrequenz-Verstärker
bezeichnet, von denen der Verstärker 33 zur Anlegung 15
eines Stroms einer zweckmäßigen Größe an die Hochfrequenzspule 31 dient, während der Verstärker 34 ein für die durch die Hochfrequenzspule 32 erfaßte NMR-Erscheinung relevantes Signal verstärkt und das verstärkte Signal zur nachfolgenden Stufe überträgt. Die Anordnung
umfaßt ferner einen Hochfrequenz-Oszillator 35, eine Mutliplizierschaltung 36, Analog/Digital- bzw. A/D-Wand ler 37 und 38 zum Umwandeln von Analogsignalen in Digitalsignale sowie einen (elektronischen) Rechner 39, der
die auf die NMR-Erscheinung in jedem Schnitt des Unter-25
suchungsobjekts bezogenen Daten vom A/D-Wandler 3 7 abnimmt und auf ihrer Grundlage das Innere des Untersuchungsobjekts darstellende Bilddaten ausgibt. Die Ziffer 40 bezeichnet eine Anzeigeeinheit, z.B. eine
Kathodenstrahlröhre, während mit B eine Einrichtung zur 30
Messung verschiedener, anhand von Fig. 1 bereits erläuterter Arten von Parametern (z.B. Temperatur der Magnet spulen, der Rahmen, des Kühlwassers usw.) bezeichnet ist.
Bei der Anordnung nach Fig. 5 werden für ein übliches
NMR-Abbildungsgerät neben der Meßeinrichtung B auch andere Baueinheiten verwendet. Da die grundsätzliche
Arbeitsweise des Geräts nach Fig. 5 (als NMR-Abbil-5
dungsgerät) an sich bekannt ist, braucht sie im folgenden nur kurz erläutert zu werden.
Es ist bekannt, daß die (Atom-)Kerne (deren Atom- oder Massezahl ungerade ist) in statischen Magnetfeldern H υ
einer Präzession unterliegen, und sich die kernmagnetische Resonanz- oder NMR-Frequenz (Larmor-Frequenz) Can zu
O0 = f-
bestimmt und daher den statischen Magnetfeldern H proportional ist. In obiger Gleichung steht γ" für das gyromagnetische Verhältnis als die Art der Kerne angebende Konstante. Durch Erfassung der Temperatur der
Magnetspulen o.dgl. mittels der Einrichtung B nach Fig. 5 und damit Korrigieren der Hochfrequenz O des Hochfrequenz-Oszillators 35 mit y · ^H entsprechend der Temperaturschwankung ^H des statischen Magnetfelds HQ
können somit etwaige Auswirkungen der Schwankungen der 25
Magnetfeldintensität H auf das NMR-BiId verringert werden.
Wahlweise können die Signale für die mittels der Einrichtung B erfaßte Temperatur der Magnetspulen und dgl.
durch den Ä/D-Wandler 38 einer Analog/Digitalumwandlung unterworfen und als Daten dem Rechner 39 eingegeben werden. Sodann wird durch den Rechner 3 9 eine mathematische Operation zum Verschieben des Fourierschen Spektrums des mittels der Hochfrequenzspule 32 erfaßten
Hochfrequenzsignals um y· ^H durchgeführt, wodurch die
Auswirkung der Schwankungen der Magnetfeldintensität Hn auf das NMR-BiId ebenfalls vermindert werden kann.
Da bei der Erfindung, wie vorstehend beschrieben, Einrichtungen zum Kompensieren der Verschlechterung des NMR-Bilds vorgesehen sind, die durch Schwankungen der Intensität der statischen Magnetfelder H aufgrund von Änderungen der Temperatur der Magnetspulen, der Tempe-
ratur der Rahmen zur Halterung der Magnetspulen und der Temperatur des Kühlwassers für die Magnetspulen sowie der Kühlwassermenge und dgl. hervorgerufen wird, können durch Änderung der angegebenen Parameter die davon herrührenden unerwünschten Auswirkungen oder Einflüsse
auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden.

Claims (1)

  1. Patentanspruch
    Mit kernmagnetischer Resonanz arbeitendes Abbildungsgerät zur Gewinnung eines Bilds des Inneren eines Untersuchungsobjekts durch Einbringen des letzteren in
    durch Speisung einer ersten Spule mit elektrischem 10
    Strom erzeugte Magnetfelder, Zufuhr eines elektrischen Hochfrequenz-Stroms zu einer zweiten Spule zwecks Beaufschlagung des Untersuchungsobjekts mit Hochfrequenz-Magnetfeldern unter einem vorbestimmten Winkel und mathematische Verarbeitung der dabei im Untersuchungs-
    objekt auftretenden kernmagnetischen Resonanzerscheinung mittels eines (elektronischen) Rechners, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Temperatur der ersten Spule, die Temperatur eines die erste Spule halternden Rahmens, die Umgebungslufttemperatur, die Temperatur
    des Kühlwassers für die erste Spule und/oder die Kühlwassermenge erfaßbar oder meßbar sind bzw. ist und eine Verschlechterung des Bilds des Untersuchungsobjekts unter Verwendung mindestens einer der folgenden Einrichtungen kompensierbar ist:
    a) Einrichtung zum Steuern der Intensität der erzeugten
    Magnetfelder durch Korrigieren der Größe des der ersten Spule zugeführten Stroms auf der Grundlage der Meßgröße;
    b) Einrichtung zum Korrigieren der Hochfrequenz auf der
    Grundlage der Meßgroße; und
    c) Einrichtung zum im Rechner erfolgenden mathematischen Korrigieren eines vom Abbildungsgerät erzeugten kernmagnetischen Resonanzbilds auf der Grundlage der
    Meßgröße.
    35
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