DE4313392A1 - Verfahren zur Kompensation von durch Gradienten verursachten Wirbelströmen bei Kernspinresonanzgeräten - Google Patents
Verfahren zur Kompensation von durch Gradienten verursachten Wirbelströmen bei KernspinresonanzgerätenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von
durch Gradienten verursachten Wirbel strömen bei Kernspinreso
nanzgeräten.
Bekanntlich erfolgt eine Ortsauflösung der Kernresonanzsigna
le in der Kernspintomographie dadurch, daß einem homogenen,
statischen Grundfeld in der Größenordnung von 1 T ein Magnet
feld-Gradient überlagert wird. Die Prinzipien der Bildgebung
sind beispielsweise in dem Artikel von Bottomley "NMR-Imaging
Techniques and Applications: A Review", in Review of Scienti
fic Instrumentation, 53 (9), 9/1982, Seiten 1319 bis 1337
erläutert.
Zur Ortsauflösung in drei Dimensionen müssen Magnetfeldgra
dienten in drei, vorzugsweise senkrecht aufeinander stehenden
Richtungen erzeugt werden. In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein
Koordinatenkreuz x, y, z eingezeichnet, das die Richtung der
jeweiligen Gradienten darstellen soll. Fig. 1 zeigt schema
tisch eine herkömmliche Anordnung von Gradientenspulen für
die Erzeugung eines Magnetfeldgradienten Gy in y-Richtung.
Die Gradientenspulen 2 sind als Sattelspulen ausgeführt, die
auf einem Tragrohr 1 befestigt sind. Durch die Leiterab
schnitte 2a wird innerhalb eines kugelförmigen Untersuchungs
volumens 4 ein weitgehend konstanter Magnetfeldgradient Gy in
y-Richtung erzeugt. Die Rückleiter erzeugen aufgrund ihrer
größeren Entfernung vom Untersuchungsvolumen 4 dort lediglich
vernachlässigbare Magnetfeldkomponenten.
Die Gradientenspulen für die x-Magnetfeldgradienten sind
identisch zu den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgra
dienten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in
azimultaler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen
sind sie daher in Fig. 1 nicht dargestellt.
Die Gradientenspulen 3 für den Magentfeldgradienten in z-
Richtung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Spulen
sind ringförmig ausgeführt und symmetrisch zum Mittelpunkt
des Untersuchungsvolumens 4 angeordnet. Da die beiden Einzel
spulen 3a und 3b in der in Fig. 2 dargestellten Weise in ent
gegengesetzter Richtung stromdurchflossen sind, verursachen
sie einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung.
Die erforderlichen Magnetfeldgradienten müssen steile An
stiegs- und Abfallflanken aufweisen und während der Ein
schaltdauer möglichst konstant sein. Durch die steilen An
stiegs- und Abfallflanken werden jedoch in metallischen
Teilen des Kernspintomographen, insbesondere im Innenrohr des
den Untersuchungsraum umgebenden Kryostaten Wirbelströme
induziert, die wiederum Magnetfelder erzeugen, die den Ma
gnetfeldgradienten entgegengerichtet sind. Dies führt zu
einer Abrundung der Ecken der gewünschten Rechteckpulse und
zu einem nach Abschalten der Magnetfeldgradienten abklingen
den parasitären Magnetfeld. Dies wird in Fig. 3 deutlich, wo
der gewünschte rechteckförmige Magnetfeldgradient mit GS
bezeichnet ist. Der tatsächlich bei Ausschalten eines näheru
ngsweise rechteckförmigen Strompulses erzielte Gradientenver
lauf ist mit GI bezeichnet.
Aus der europäischen Patentanmeldung EP-A2-0 228 056 ist es
bekannt, durch ein Filter den Gradienten-Strompuls so zu
verformen, daß der Magnetfeldgradient letztlich der gewünsch
ten Rechteckform weitgehend angenähert ist. Je ein solches
Filter 7, 10 ist, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, zwi
schen der Ansteuerschaltung 6, 9 und der jeweiligen Gradien
tenspule 2, 3 eingefügt. Diese Filter sind als Hochpaßfilter
ausgeführt. Zur Bestimmung der für das Filter erforderlichen
Parameter müssen zunächst die durch Wirbelströme verursachten
Magnetfelder gemessen werden. Dies kann zum Beispiel durch
eine Magnetfeldsonde erfolgen, mit der das tatsächlich er
zeugte Magnetfeld an verschiedenen Punkten im Untersuchungs
raum ausgemessen wird. Dazu ist allerdings eine gesonderte
Meßeinrichtung erforderlich.
In der oben bereits genannten EP-A2-0 228 056 ist ein Verfah
ren beschrieben, den Magnetfeldverlauf durch die in einer
Probe induzierten Kernresonanzsignale zu messen. Da die
Messung des Magnetfeldes an mindestens zwei Stellen des
Untersuchungsraums erforderlich ist, muß für jeden Meßzyklus
die Probe zwischen zwei Meßpositionen hin- und hergewechselt
werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kompensation
von Wirbelströmen so auszugestalten, daß ein Ortswechsel der
Probe vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin
dung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Verlauf der von den Wirbelströmen verursachten Magnetfel
der B(t) läßt sich wie folgt darstellen:
Dabei ist B₀(t) der ortsunabhängige Term nullter Ordnung Gx, Gy, Gz die Terme erster Ordnung und 0 (t, x², y², z²) der Term zweiter Ordnung.
Dabei ist B₀(t) der ortsunabhängige Term nullter Ordnung Gx, Gy, Gz die Terme erster Ordnung und 0 (t, x², y², z²) der Term zweiter Ordnung.
B(t) = B₀(t) + Gx(t)x + Gy(t)y + Gz(t)z + 0(t, x², y², z²).
Dabei dominieren die Terme Gx, Gy, Gz erster Ordnung. Nur
diese können mit einer Wirbelstromkompensation kompensiert
werden und müssen genau gemessen werden. Die Terme höherer
Ordnung, insbesondere der dritten Ordnung können nicht kom
pensiert werden und werden nur für größere Abstände vom
Zentrum bedeutend. Der ortsunabhängige Term erster Ordnung
B₀(t) ist im allgemeinen klein und kann zum Beispiel von der
unsymmetrischen Anordnung der Gradientenspule im Magneten
oder von anderen Effekten, die die Symmetrie stören, herrüh
ren. Zur Bestimmung der Terme nullter und erster Ordnung
reicht es aus, das von den Wirbelströmen herrührende Magnet
feld für jede Richtung x, y, z an zwei in der jeweiligen
Richtung räumlich getrennten Punkten zu messen.
Dazu wird entsprechend der Erfindung ein räumlich ausgedehn
tes Phantom, wie es bei Kernspintomographen auch für andere
Test- und Einstellzwecke verwendet wird, in den Untersu
chungsraum eingebracht. Ein solches Phantom ist in den Fig. 1
und 2 mit P bezeichnet. Dann werden für jede Koordinatenrich
tung x, y, z zwei räumlich beabstandete Schichten S1 und S2
selektiv angeregt, wie dies in Fig. 4 für die z-Richtung
dargestellt ist. Aus den selektiv angeregten Schichten S1 und
S2 werden Kernresonanzsignale ausgelesen, mit deren Hilfe die
Stärke des durch Wirbelströme verursachten Magnetfelds inner
halb dieser Schichten S1 und S2 bestimmt wird.
Eine erste Möglichkeit für eine entsprechende Pulssequenz ist
in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Dabei wird zunächst ein
Gradientenpuls G1 mit einer Dauer von zum Beispiel 2 bis 5 s
eingeschaltet. Unter der Einwirkung des Gradienten G1 wird
zunächst - wie in Fig. 6 dargestellt - ein 90°-Hochfrequenz
puls RF1 und dann ein 180°-Hochfrequenzpuls RF2 eingeschal
tet. Der Abstand zwischen den beiden Hochfrequenzpulsen
beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 3,4 ms. Durch den 90°-
Hochfrequenzpuls RF1 und den darauffolgenden 180°-Hochfre
quenzpuls RF2 entsteht ein Spinecho SE, das in dem in Fig. 6
durch einen schraffierten Balken gekennzeichneten Intervall
abgetastet wird. Durch entsprechende Lage der Hochfrequenz
pulse RF1 und RF2 wird das Spinecho zeitlich so positioniert,
daß es im Bereich der durch die abfallende Flanke des Gra
dientenpulses G1 ausgelösten Wirbelströme liegt. Bekanntlich
ist die Kreisfrequenz ω von Kernresonanzsignalen über das
gyromagnetische Verhältnis γ der jeweils herrschenden Magnet
feldstärke proportional:
ω = γ · B.
Um den zeitlichen Verlauf der durch Wirbelströme verursachten
Magnetfeldstärke zu ermitteln, wird die Phase des empfangenen
Echosignals SE ermittelt, und die Ableitung der Phase ergibt
eine Frequenz, die gleich der Summe der Frequenz aufgrund des
statischen magnetischen Feldes und einer Frequenzverschiebung
ist. Die Frequenzverschiebung ist dem durch Wirbelströme ver
ursachten Magnetfeld proportional.
Die Pulssequenz nach den Fig. 5 und 6 muß für jede Gradienten
richtung x, y, z für jeweils zwei Schichten S1 und S2 durch
geführt werden. Dann kann man aus den gewonnenen Meßwerten
die linearen Feldterme der Wirbelstrom-Magnetfelder ermitteln
und Filterparameter für die Vorverzerrung der Gradientenpulse
bestimmen. Bezüglich der Ausgestaltung von Filtern und der
Bestimmung entsprechender Parameter aufgrund der ermittelten
Wirbelstrom-Magnetfelder kann auf bekannte Techniken zurück
gegriffen werden. Diesbezüglich wird beispielsweise auf die
Literaturstellen "Analytical Method for the Compensation of
Eddy-Current Effects Induced by Pulsed Magnetic Field Gra
dients in NMR Systems", Journal of Magnetic Resonance 90, 264
bis 278 (1990) und die US-Patentschrift 4 978 919 verwiesen.
Die oben beschriebene Pulssequenz nach den Fig. 5 und 6 kann
zur Messung von Wirbelstrommagnetfeldern bis zu 6 bis 15 ms
nach einem Gradientenpuls verwendet werden. Um Wirbelstrom
magnetfelder in einem längeren Zeitbereich zu erfassen, kann
man eine Pulssequenz nach den Fig. 7 und 8 verwenden.
Entsprechend der Pulssequenz nach den Fig. 7 und 8 kann ein
separater Schichtselektionsgradient G2 nach dem die Wirbel
ströme auslösenden Gradienten G1 verwendet werden. Unter
diesem Schichtselektionsgradienten G2 mit einer Länge von
z. B. 4,4 ms werden im Abstand von z. B. 1,7 ms zuerst ein
frequenzselektiver 90° Hochfrequenzpuls RF1 und dann ein
180° Hochfrequenzpuls RF2 eingestrahlt. Durch den Schicht
selektionspuls G2 werden zwar zusätzliche Wirbelströme ver
ursacht, die den vom Gradientenpuls G1 verursachten über
lagert werden und somit die Messung stören. Indem man den
Schichtselektionsgradienten G2 mit z. B. 4,4 ms verglichen mit
dem ersten Gradienten G1 mit einer Dauer von z. B. 2 bis 5 sec
sehr kurz hält, bleiben die durch den Schichtselektionsgra
dienten G2 ausgelösten Wirbelströme gering. Bei kurzen Gra
dientenpulsen kompensieren sich nämlich die durch die posi
tiven und negativen Flanken ausgelösten Wirbelströme zumin
dest im längeren Zeitbereich weitgehend. Da das in Fig. 8
schraffiert dargestellte Abtastintervall erst einige ms nach
dem Ende des Schichtselektionsgradienten G2 beginnt, stören
die stärkeren Wirbelstromkomponenten im kurzen Zeitbereich
nicht.
Um trotzdem verbleibende Wirbelstromkomponenten des Schicht
selektionsgradienten G2 zu kompensieren, kann man eine Refe
renzmessung nach den Fig. 9 und 10 ohne den Gradienten G1
durchführen. Sowohl für die Messung mit der Pulssequenz nach
den Fig. 7 und 8 als auch für die Referenzmessung werden aus
der Phase die jeweiligen Frequenzen bestimmt. Durch Diffe
renzbildung der so gewonnenen Frequenzen kann man den Effekt
der durch den kurzen Schichtselektionsgradienten G2 verur
sachten Wirbelströme eliminieren und erhält somit den Fre
quenzverlauf, der durch die Wirbelströme des ersten Gradien
ten G1 verursacht wird.
Um den vollen Zeitbereich der Wirbelströme, der vom ms bis
zum sec.-Bereich reicht, zu erfassen, kann man die Messung
nach den Fig. 7 und 8 mehrfach mit unterschiedlichen Abständen
zwischen den Gradienten G1 und G2 wiederholen. Wenn dieser
Abstand größer als die Relaxationszeiten T1 und T2 der Kern
spins im verwendeten Phantom sind, können nach einem Gra
dientenpuls G1 mehrere Spinechos angeregt werden.
Die oben angegebenen Messungen müssen für jede Gradienten
richtung für jeweils zwei Schichten durchgeführt werden, um
Terme erster Ordnung der Wirbelstrommagnetfelder zu ermit
teln. Für die Wirbelstromkompensation ist dies ausreichend.
Im Prinzip könnten durch Messung mehrerer Schichten jedoch
auch höhere Terme ermittelt werden.
Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes können dazu führen, daß
die angeregten Schichten unterschiedliche Grundfrequenzen der
Kernspins aufweisen. Dies könnte das Meßergebnis für die
Wirbelströme verfälschen. Wenn dieser Fehler stört, muß man
die Grundfrequenz für die jeweiligen Schichtpositionen ohne
den Einfluß von Wirbelströmen ermitteln. Dies erfolgt eben
falls mit Hilfe von Spinechos, wobei jedoch dafür Sorge ge
tragen werden muß, daß Wirbelströme, die durch die benötigten
Schichtselektionsgradienten ausgelöst werden, das Meßergebnis
nicht verfälschen. Dies kann im wesentlichen durch drei
Maßnahmen erreicht werden, nämlich durch möglichst kurze
Schichtselektionsgradienten, durch Hinzufügen negativer Gra
dientenpulse und durch lange Echozeiten. Durch kurze Schicht
selektionsgradienten werden - wie bereits oben erläutert -
nur Wirbelströme mit kurzen Zeitkonstanten angeregt. Durch
Additionen negativer Impulse löschen sich die Wirbelströme
der positiven und negativen Pulse näherungsweise aus und
durch lange Echozeiten wird erreicht, daß die durch die
Schichtselektionsgradienten erzeugten Wirbelströme bereits
weitgehend abgeklungen sind.
Eine entsprechende Pulssequenz zur Bestimmung der Grundfre
quenz in einer Schicht des Phantoms ist in den Fig. 11 und 12
dargestellt. Unter einem ersten bipolaren Schichtselekti
onsgradienten G3 wird ein frequenzselektiver 90°-Hochfre
quenzpuls RF1 auf das Phantom eingestrahlt. Unter einem zwei
ten bipolaren Schichtselektionsgradienten G4 wird ein zweiter
Hochfrequenzpuls RF2 eingestrahlt. In einem möglichst großen
Abstand zum zweiten Schichtselektionsgradienten G4 wird das
Spinecho ausgelesen und dessen Frequenz bestimmt. Dieser Vor
gang muß für jede Schicht, in der die Wirbelstrom-Magnetfel
der bestimmt werden sollen, durchgeführt werden. Die damit
erhaltenen Frequenzmeßwerte werden von den unter der Wirkung
des Gradienten G1 nach den Fig. 5 und 6 erhaltenen Fre
quenzen subtrahiert, so daß Magnetfeldinhomogenitäten das
Meßergebnis für die Wirbelstrommagnetfelder nicht verfäl
schen.
Bei der oben beschriebenen Pulssequenz nach den Fig. 7 und 8
können Magnetfeldinhomogenitäten auch mit der Pulssequenz
nach den Fig. 9 und 10 kompensiert werden.
Eine andere Methode, den Einfluß unterschiedlicher Stärken
des Grundmagnetfeldes in den gemessenen Schichten zu elimi
nieren, besteht darin, die Messung nach den Fig. 5 und 6 bzw.
7 und 8 mit negativen Gradientenpulsen zu wiederholen und die
dabei erhaltene Frequenzdifferenz zu bestimmen. Damit wird
jedoch die Meßzeit verlängert.
Bei dem beschriebenen Verfahren werden Schichtselektionsgra
dienten verwendet, an deren Qualität gewisse Mindestanfor
derungen gestellt werden. Deshalb dürfen die durch die
Schichtselektionsgradienten verursachten Wirbel ströme schon
bei Beginn der Messung nicht zu hoch sein. Eventuell ist ein
Vorabgleich aufgrund von anderen Verfahren erforderlich. Bei
spielsweise bei aktiv geschirmten Gradientenspulen sind die
unkompensierten Wirbelströme hinreichend gering, um unmittel
bar das beschriebene Verfahren anwenden zu können.
Der besondere Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß eine
Wirbelstromkompensation ohne spezielle Einrichtungen, wie
Meßsonden und Halterungen durchgeführt und überprüft werden
kann. Das benötigte Phantom ist für andere Einstell- und
Prüfzwecke ohnehin bei jeder MR-Anlage vorhanden. Die Handha
bung des Verfahrens ist einfach, da das Phantom für die Mes
sung nicht bewegt werden muß.
Es kann ferner auf einfache Weise festgestellt werden, ob
zusätzliche Einbauten, wie z. B. eine Oberflächenspule, zu
zusätzlichen Wirbel strömen führen.
Claims (11)
1. Verfahren zur Kompensation von durch geschaltete Ma
gnetfeldgradienten verursachten Wirbelströmen bei Kern
spinresonanzgeräten mit folgenden aufeinanderfolgenden
Schritten:
- a) Ein räumlich ausgedehntes Phantom (P) wird in den Unter suchungsbereich des Kernspinresonanzbereich des Kern spinresonanzgerätes gebracht.
- b) Ein erster Gradientenpuls (G1) wird eingeschaltet.
- c) Unter der Einwirkung eines Schichtselektions-Gradienten pulses (G1, G2) wird ein erster frequenzselektiver Hoch frequenzpuls (RF1) eingestrahlt und damit eine Schicht des Phantoms (P) angeregt.
- d) Das damit erzeugte Kernresonanzsignal (SE) wird nach Ende des ersten Gradientenpulses (G1) und während der Abklingzeit der durch diesen verursachten Wirbelströme erfaßt.
- e) Der Frequenz- bzw. Phasenverlauf des Kernresonanzsignals (SE) wird bestimmt.
- f) Die Schritte b) bis e) werden mit einer anderen Lage der selektierten Schicht wiederholt.
- g) Aus den so gewonnenen Frequenz- bzw. Phasenverläufen wird das von den Wirbelströmen erzeugte Wirbelstromma gnetfeld berechnet.
- h) Aufgrund des so ermittelten Wirbelstrom-Magnetfeldes wird ein Filter für das den ersten Gradientenpuls (G1) erzeugende Gradientensystem berechnet, das einen zuge führten Gradientstrom soweit vorverzerrt, daß das resul tierende Gradienten-Magentfeld unter Berücksichtigung von Wirbelströmen die gewünschte Pulsform aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der erste Gradientenpuls
(G1) gleichzeitig als Schichtselektionsgradient benutzt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schichtselektions
gradient (G2) mit dem ersten frequenzselektiven Hochfre
quenzpuls (RF1) nach dem ersten Gradientenpuls (G1) einge
schaltet wird und daß der Schichtselektionsgradient (G2)
wesentlich kürzer als der erste Gradientenpuls (G1) ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Schichtselektionsgra
dient (G2) mit dem frequenzselektiven Hochfrequenzpuls
(RF1) mehrfach in unterschiedlichem Abstand zum ersten
Gradientenpuls (G1) angewendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß nach dem
ersten Hochfrequenzpuls (RF1) noch während der Einwirkung
des Schichtselektionsgradienten (G2) ein zweiter Hochfre
quenzpuls (RF2) mit einem Flip-Winkel von 180° eingeschal
tet wird und daß das ausgewertete Kernresonanzsignal ein
Spinecho-Signal ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß der erste
Hochfrequenzpuls (RF1) ein 90°-Puls ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß die
Schritte b) bis e) nach Anspruch 1 für jede Schicht zweimal
mit unterschiedlichen Vorzeichen des ersten Gradientenpul
ses (G1) durchgeführt werden und die Differenz der dabei
erhaltenen Frequenzen/Phasen des Kernresonanzsignals zur
Auswertung herangezogen werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß zur Elimi
nierung der Effekte von Inhomogenitäten im Grundmagnetfeld
für jede selektierte Schicht unter der Einwirkung eines
Schichtselektionsgradienten ein schichtselektiver HF-Puls
(RF3) eingestrahlt wird, daß die Frequenz des entstehenden
Kernresonanzsignals (SE) nach Abklingen der durch den
Schichtselektionsgradienten (G3, G4) verursachten Wirbel
ströme gemessen wird und daß aus dieser Frequenz das Grund
magnetfeld in der jeweiligen Schicht ermittelt und bei der
Bestimmung des Wirbelstrom-Magnetfeldes berücksichtigt
wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß unter der Einwirkung von
jeweils möglichst kurzen Schichtselektions-Gradientenpulsen
(G3, G4) nacheinander ein 90° und ein 180°-Hochfrequenzpuls
eingestrahlt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, daß zu jedem Schichtselek
tionsgradienten (G3, G4) ein dazu inverser Gradient einge
schaltet wird derart, daß die durch den Schichtselektions
gradienten (G3, G4) verursachten Wirbelströme weitgehend
kompensiert werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß zur
Ermittlung der durch den Schichtselektionsgradienten (G2)
verursachten Wirbelströme eine Referenzmessung durchgeführt
wird, bei der ausschließlich der Schichtselektionsgradient
(G2) mit frequenzselektiven Hochfrequenzpulsen angewandt
wird, daß aufgrund des so gewonnenen Kernresonanzsignals
(SE) das vom Schichtselektionsgradienten herrührende Wir
belstrommagnetfeld bestimmt wird, und daß dieses Wirbel
strom-Magnetfeld bei der Messung des vom ersten Gradienten
puls (G1) herrührenden Wirbelstrom-Magnetfeldes berücksich
tigt wird.
Priority Applications (2)
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DE4313392A1 true DE4313392A1 (de) | 1994-11-03 |
DE4313392C2 DE4313392C2 (de) | 1995-06-22 |
Family
ID=6486244
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE4313392A Expired - Lifetime DE4313392C2 (de) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | Verfahren zur Kompensation von durch Gradienten verursachten Wirbelströmen bei Kernspinresonanzgeräten |
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