DE68924611T2

DE68924611T2 - Kompensation eines Polarisations- und Gradientenfeldes.

Info

Publication number: DE68924611T2
Application number: DE68924611T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Marel Bradshaw; Gary Harold Glover; Norbert Joseph Pelc
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1988-03-07
Filing date: 1989-03-06
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2009-03-07
Also published as: EP0332383A3; JPH0418855B2; EP0332383A2; JPH027940A; IL89279A0; IL89279A; EP0332383B1; US4950994A; DE68924611D1; CA1304126C

Description

Die Erfindung betrifft Magnetresonanz (MR)-Techniken. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit der Kompensation von Magnetfeldern, um Verzerrungen zu beseitigen&sub1; die durch Anlegen gepulster Magnetfeld-Gradienten hervorgerufen werden. Die Erfindung ist insbesondere auf die Magnetresonanz-Bildgebung anwendbar&sub1; aber nicht darauf beschränkt.
Strukturchemiker benutzten in der Vergangenheit das Magnetresonanz (MR) -Phänomen bei Magnetresonanz-Spektroskopieinstrumenten hoher Auflösung dazu, die Struktur chemischer Verbindungen zu analysieren. In jüngster Zeit hat sich die MR als ein medizinisches Diagnosemittel der anatomischen Abbildung als auch bei der Durchführung nicht-invasiver spektroskopischer Analysen am lebenden Körper (in vivo) entwickelt. Wie nunmehr allgemein bekannt ist, kann das MR-Phänomen in einer Probe, wie z.B. einem menschlichen Patienten, der sich in einem homogenen polarisierenden Magnetfeld B&sub0; befindet, durch Bestrahlung der Probe mit einer Hochf requenz(HF)-Energie bei der Larmor- Frequenz angeregt werden. Bei medizinischen, diagnostischen Anwendungen wird dies typischerweise dadurch erreicht, daß der zu untersuchende Patient in dem Feld einer HF-Spule mit zylindrischer Geometrie positioniert und die HF-Spule von einem HF-Leistungsverstärker gespeist wird. Nach Beendigung der HF-Anregung wird dieselbe oder eine andere HF-Spule dazu benutzt, die MR-Signale, die häufig in Form von Spin-Echos vorliegen und vom Patienten ausgestrahlt werden, der in dem Feld der HF-Spule liegt, zu detektieren. Im Laufe einer vollständigen MR-Abtastung werden typischerweise mehrere MR-Signale beobachtet. Die Signale werden benutzt, um eine MR-Abbildungs- oder spektroskopische Information über das zu untersuchende Objekt zu gewinnen.
Die Anwendung der Magnetresonanz bei der Bildgebung und auf viele Techniken der lokalisierten Spektroskopie hängt vom Einsatz von Magnetfeld-Gradienten ab, um bestimmte Bereiche selektiv anzuregen und die Rauminformation in dem MR-Signal zu codieren. Während der MR-Experimente werden Magnetfeld-Gradienten-Wellenformen mit besonders ausgewählten zeitlichen Änderungen benutzt. Jede Abweichung von idealen Magnetfeld-Gradienten-Wellenformen kann daher erwartungsgemäß zu Bildverzerrungen führen. Beispielsweise tritt eine nicht vollständige Reverzerrungen führen. Beispielsweise tritt eine nicht vollständige Rephasierung der Kernspins und ein damit verbundener Signalverlust auf, wenn die Magnetfeld-Gradienten während selektiver Zeit-Umkehrpulse (d.h. es werden 180º-Zeit-Umkehr-HF-Pulse verwendet) konstant sind. Dieser Effekt verbindet sich mit späteren Spin-Echos von Multi-Echo- (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) Folgen (-Sequnezen). Außerdem kann die unbeabsichtigte Phasenverteilung, wenn das Gradientenfeld nicht, wie es (aufgrund eines verbleibenden Abfalls nach dem Ende eines Gradientenpulses) sein sollte, Null ist, zu verzerrten Spektren in Abbildungs- Sequenzen chemischer Verschiebung (CSI von Chemical Shift Imaging) und auch zu einer ungenauen Bestimmung der Spin-Spin-Relaxationszeit (T&sub2;) in den Multi-Echofolgen führen. Der auf diesem Gebiet tätige Durchschnittsfachmann beschäftigt sich daher insbesondere mit der Genauigkeit, mit der zeitlich veränderliche Magnetfeld-Gradienten erzeugt werden.
Verzerrungen bei der Erzeugung von Magnetfeld-Gradienten können auftreten, wenn die Gradientenfelder mit Verlust-behafteten Strukturen in dem polarisierenden Magneten, wie z.B. einem Kryostaten (wenn der Magnet ein supraleitfähiges Bauelement ist) oder mit dem Anpaßspulensystem - auch Shim-Spulensystem genannt- oder mit der HF- Abschirmung gekoppelt sind, die zum Entkoppeln der Gradientenspulen von der HF-Spule benutzt wird. Die Gradientenverzerrungen rühren her von Strominduktionen in diesen Umgebungsstrukturen, vom Energieverlust in den Anpaßspulen - auch Shim-Spulen genannt- oder von einem aktiven Ansprechen der Anpaß-Energie-Versorgungseinrichtungen auf das abgetastete Gradientenfeld. Man beobachtet typischerweise einen näherungsweise exponentiellen Anstieg und einen Abfall oder Zerfall des Magnetfeld-Gradienten während bzw. nach dem Anlegen eines rechteckigen Strompulses an die Gradientenspule.
In der europäischen Patentanmeldung EP-A2-228056 mit dem Titel "A Method for Magnetic Field Gradient Eddy Current Compensation" ist ein Magnetresonanz-System offenbart, das einen Hauptmagneten zum Erzeugen eines polarisierenden Feldes, eine Anpaßspule und eine mit dieser verbundene Einrichtung zum Speisen der Anpaßspule sowie eine Einrichtung zum Erzeugen von Magnetfeld-Gradientenpulsen aufweist, wobei die Anpaßspule das im wesentlichen räumlich homogene Magnetfeld an das polarisierende Feld anlegt. Die EP-A-228056 lehrt den Einsatz eines analogen Vorverzerrungsfilters -auch Preemphasis-Filter genanntin der Gradienten-Energie-Versorgungseinrichtung, um den an die Gradientenspule angelegten Strom derart zu formen, daß die Gradienten- Feldverzerrungen verringert werden. Das Filter enthält eine Anzahl von Komponenten mit einer exponentiellen Abfallkurve und einstellbare Potentiometer, die während der Eichung des Systems eingestellt werden müssen. Eine Meßtechnik wird vor der Systemeichung benutzt, bei der die Impulsantwort des nicht korrekten Magnetfeld-Gradienten gemessen wird und anschließend die Potentiometereinstellungen für das Preemphasis-Filter berechnet werden.
Es wurde gefunden, daß mit einer derartigen Kompensation der Magnetfeld-Gradienten die Leistungsfähigkeit der MR-Systeme zwar verbessert wird, aber trotzdem Verzerrungen infolge des Anlegens von gepulsten Magnetfeld-Gradienten noch zunehmen. Insbesondere zeigen Messungen, daß Wirbelströme, die durch die Magnetfeld-Gradientenpulse induziert werden, nicht nur ein unerwünschtes Magnetfeld-Gradientenfeld, sondern auch zeitliche Schwankungen in dem räumlich homogenen polarisierenden Magnetfeld B&sub0; hervorrufen. Das heißt, die Magnetfeld- Gradientenpulse rufen unerwünschte Anderungen in der Amplitude des polarisierenden Magnetfelds B&sub0; hervor. Das Ausmaß, in dem diese Verzerrungen auftreten, hängt in einem bestimmten Maß von der Konstruktion des Magneten und der Spule ab. Beispielsweise verringert eine genaue Ausrichtung der Gradientenspulen in Bezug auf die Magnetstruktur die Verzerrung. Außerdem hängt das Ausmaß, in dem diese Verzerrungen die Ergebnisse beeinträchtigen, von der Natur der in bestimmter Weise ausgeführten MR-Messung ab. Beispielsweise werden MR-Abtastungen, bei denen die bildgebenden Magnetfeld-Gradientenpulse auf eine nicht monotone Weise geändert werden, mehr als herkömmliche Abtastungen beeinträchtigt.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren für eine MR-Scanner-Magnetfeldkompensation mit den folgenden Schritten bereitgestellt:
(a) Positionieren einer aktiven MR-Probe an einer ersten Position in Bezug auf das Isozentrum einer MR-Scannereinrichtung,
(b) Anlegen eines polarisierenden Magnetfeldes an die Probe,
(c) Anlegen eines Gradientenpulses entlang einer Achse,
(d) Bestrahlen der Probe mit einem HF-Anregungspuls innerhalb einer vorbestimmten Zeit nach dem Anlegen des Gradientenpulses, um so ein NMR-Signal zu generieren,
(e) Messen von Daten, die zu dem Phasenwinkel des NMR-Signals in Beziehung stehen und Angaben machen zu dem Feld, das durch den Gradientenpuls an der ersten Position als eine Funktion der Zeit nach dem Anlegen des Gradientenpulses generiert wird,
(f) Positionieren einer aktiven NMR-Probe an einer zweiten Position in Bezug auf das Isozentrum der MR-Scannereinrichtung,
(g) Wiederholen der Schritte (b) bis (d),
(h) Messen von Daten, die zu dem Phasenwinkel des NMR-Signals in Beziehung stehen und Angaben machen zu dem Feld, das durch den Gradientenpuls an der zweiten Position generiert wird, und
(i) Berechnen der Kompensationswerte aus den gemessenen Daten, wobei die Kompensationswerte mit der Einrichtung zum Erzeugen des polarisierenden Magnetfeldes verwendet werden, um ungewollte Effekte auszugleichen, die in dem polarisierenden Magnetfeld durch die Magnetfeld-Gradientenpulse hervorgerufen werden.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Magnetresonanz-System geschaffen, das einen Hauptmagneten zum Erzeugen eines polarisierenden Feldes, eine Anpaßspule - auch Shim-Spule genannt- und eine mit dieser verbundenen Einrichtung zum Speisen der Anpaßspule und eine Einrichtung zum Erzeugen von Magnetfeld-Gradientenpulsen aufweist, wobei die Anpaßspule ein im wesentlichen räumlich homogenes Magnetfeld an das polarisierende Feld anlegt und die mit der Anpaßspule verbundene Einrichtung eine Einrichtung aufweist zum Empfangen eines Signals, das die Erzeugung von Magnetfeld-Gradientenpulsen angibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompensationsfilter eine geformte Stromkomponente an die Anpaßspule mit einer Zeitkonstanten anlegt, um das polarisierende Feld hinsichtlich der ungewollten Effekte zu kompensieren, die in der Anpaßspule durch die Gradientenpulse hervorgerufen werden.
Ein besseres Verständnis der Gesichtspunkte der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung. In der Beschreibung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, die Bestandteil der Beschreibung sind und in denen eine beispielhafte, bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer beispielhaften MR-Anlage,
Fig. 2A in Einzelheiten den herkömmlichen Gradientenverstärker und eine Gradientenspulenkette,
Fig. 2B einen Gradientenverstärker und eine Spulenkette, in der gemäß einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ein Preemphasis- Filter dem Gradientenverstärker vorgeschaltet ist,
Fig. 2C eine Anpaßspule und eine Energie-Versorgungseinrichtung, die erfindungsgemäß kompensiert wird,
Fig. 3A zwei Proben, die in Abstand zum Isozentrum einer MR-Anlage angeordnet sind,
Fig. 3B eine beispielhafte Pulsfolge gemäß der Erfindung zum Messen der Streukomponente, die durch einen Gradientenimpuls entlang einer Achse erzeugt wird,
Fig. 4A und 4B sind der Fig. 3B ähnlich und zeigen erfindungsgemäße Pulsfolgen, die zum Messen der unerwünschten Gradientenantwort geeignet sind,
Fig. 5A und 5B eine bevorzugten Ausführungsform einer Impulsfolge zum Messen der Impulsantwort auf einen Gradientenpuls entlang einer Achse,
Fig. 5C eine bevorzugten Ausführungsform einer Pulsfolge zum Messen der Position der Proben entlang einer Achse,
Fig. 6 ein elektrisches, schematisches Blockschaltbild einer beispielhaften Ausführungsform eines Preemphasis-Filters, und
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild des Anpaßfilters, der Bestandteil der in Fig. 2C dargestellten Schaltung ist.
Wir betrachten zunächst Fig. 1. Dort sind in einem Block schaltbild die Hauptkomponenten eines beispielhaften MR-Systems gezeigt. Die gesamte Arbeitsweise der Anlage wird von einem Hauptcomputersystem, das allgemein mit 100 bezeichnet ist, gesteuert, welches einen Hauptcomputer 101 (beispielsweise einen Data General MV4000) enthält. Dem Computer ist eine Schnittstelle 100 zugeordnet, über die mehrere Computerperipherie- Geräte und andere MR-Systemkomponenten verbunden sind. Unter den Peripheriegeräten des Computers befindet sich ein Magnetband-Laufwerk 104, das unter Steuerung des Hauptcomputers zum Archivieren von Patientendaten und Bildern auf dem Band benutzt werden kann. Verarbeitete Patientendaten können auch in einem mit 110 bezeichneten Bildplattenspeichergerät abgelegt werden. Ein Array-Prozessor 106 wird zum Vorverarbeiten von Daten und zur Bildkonstruktion benutzt. Ein Bildprozessor 108 sorgt für eine interaktive Bildanzeigemanipulation, wie z.B. das Vergrößern, einen Bildvergleich sowie eine Graustufeneinstellung. Das Computersystem verfügt über eine Einrichtung zum Speichern von Ursprungsbilddaten (das sind Daten vor der Bildkonstruktion) unter Verwendung eines mit 112 bezeichneten Daten-Plattenspeichersystems. Eine Bedienungskonsole 116 ist ebenso mit dem Computer über die Schnittstelle 102 verbunden und stellt einer Bedienperson eine Einrichtung zum Eingeben von Daten, die für eine Patientenuntersuchung geeignet sind, sowie zum Eingeben von Steuerbefehlen, wie z. B. das Beginnen und Beenden von Abtastungen, bereit, die für einen richtigen MR-Systembetrieb notwendig sind. Die Bedienungskonsole kann auch zum Darstellen von Bildern, die auf Platten oder einem Magnetband gespeichert sind, benutzt werden.
Das Computersystem übt eine Steuerung über das MR-System mittels einer Systemsteuereinrichtung 118 und eines Gradienten-Verstärkersystems 128 aus. Der Computer ist mit der Systemsteuereinrichtung 118 über ein digitales Kommunikationsnetzwerk 103 (beispielsweise dem Ethernet-Netzwerk) auf eine Art und Weise verbunden, die dem Durchschnittsfachmann allgemein bekannt ist. Diese Systemsteuereinrichtung enthält mehrere Untersysteme, wie z.B. das Pulssteuermodul (PCM von Puls Control Modul) 120, einen Hochfrequenz-Sender-Empfänger 122 -auch Transceiver genannt-, ein Statussteuermodul (SCM von Status Control Modul) 124 sowie allgemein mit 126 bezeichnete Energie-Versorgungseinrichtungen, die zum Speisen der Komponenten notwendig sind. Der PCM benutzt die vom Computer 101 erzeugten Steuersignale, um digitale Takt- und Steuersignale zu erzeugen, wie z.B. die Stromwellenformen, die zur Anregung der Gradientenspule benutzt werden, als auch HF- Hüllkurven-Wellenformen, die zur Modulation von HF-Pulsen in dem Sender-Empfänger bzw. dem Transceiver benutzt werden. Die Gradienten-Wellenformen werden an das Gradienten-Verstärkersystem 128 angelegt, die im allgemeinen einen Gx-, Gy-und einen Gz-Verstärker 130, 132 bzw. 134 umfassen, wobei jeder Verstärker zum Anregen einer entsprechenden Gradientenspule in einer allgemein mit 136 bezeichneten Anordnung benutzt wird, die Teil einer Magnetanordnung 146 ist. Wenn die Gradientenspulen mit Energie versorgt werden, erzeugen sie im wesentlichen konstante Magnetfeld-Gradienten GX, GY und GZ des magnetischen Feldes in der gleichen Richtung wie die des polarisierenden Hauptmagnetfeldes, wobei die Gradienten in orthogonal zueinander gerichteten X-, Y- und Z-Achsenrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems liegen. Das heißt, daß, wenn das von dem Hauptmagneten (nicht dargestellt) erzeugte Magnetfeld in der Z-Richtung ausgerichtet und mit B&sub0; bezeichnet ist, das Gesamtmagnetfeld in der Z-Richtung mit Bz bezeichnet ist, Gx = δBz/δx, Gy = δBz/δy und Gz =δBz/δz ist, und das Magnetfeld in jedem Punkt (x, y, z) durch B(x, y, z) = B&sub0; + Gxx + Gyy + Gzz angegeben ist. Der Gx-Gradient hat in der Ebene x = 0 keine Wirkung. Auf ähnliche Weise haben die Gy- und Gz-Gradienten in der Ebene y = 0 bzw. z = 0 keine Wirkung. Der Punkt (0, 0, 0) wird als "Isozentrum" bezeichnet und ist der Raumpunkt, in dem kein Gradient eine Wirkung zeigt. Das Isozentrum liegt normalerweise im wesentlichen im Zentrum des aktiven Volumens des Hauptmagnetfeldes.
Die Gradienten-Magnetfelder werden in Verbindung mit Hochfrequenzpulsen verwendet, die vom Transceiver 122, dem HF-Verstärker 128 und der HF-Spule 138 erzeugt werden, um Rauminformationen in den MR-Signalen zu codieren, die aus dem Bereich des zu untersuchenden Patienten ausstrahlen. Die vom Pulssteuermodul 120 erzeugten Wellenformen und Steuersignale werden vom Transceiver-Untersystem 122 zur Modulation des HF-Trägers und zur Modensteuerung benutzt. Im Sendemodus liefert der Sender eine gemäß den Steuersignalen modulierte Hochfrequenz-Trägerwellenform an einen HF-Leistungsverstärker 123, der anschließend die HF-Spulen 138 erregt, die in der Hauptmagnetanordnung 146 untergebracht sind. Die von den angeregten Kernen in dem Patienten ausgestrahlten MR-Signale werden von derselben oder einer anderen HF- Spule, die nicht zum Senden benutzt wird, abgefühlt. Die Signale werden detektiert, verstärkt, demoduliert, gefiltert und im Empfängerteil des Transceivers 122 digitalisiert. Die verarbeiteten Signale werden zum Hauptcomputer 101 zur Verarbeitung über eine einseitig gerichtete, digitale Hochgeschwindigkeits-Standleitung 105 übertragen, die die Schnittstelle 102 und den Transceiver 122 verbindet.
Der PCM und der SCM sind unabhängige Subsysteme, die beide mit dem Hauptcomputer 101, den Peripheriesystemen, beispielsweise dem Patienten-Positionierungssystem 152, als auch über eine Zwischenleitung 103 untereinander verbunden sind. Der PCM und der SCM weisen jeweils einen 16-Bit-Mikroprozessor (beispielsweise einen Intel 8086) zur Verarbeitung von Befehlen des Hauptcomputers auf. Der SCM enthält eine Einrichtung zum Gewinnen von Informationen unter Berücksichtigung der Position der Patientenliege (nicht dargestellt) sowie der Position des beweglichen Patienten-Ausrichtungs-Lichtfächerstrahls (nicht dargestellt) . Diese Information wird vom Hauptcomputer 101 benutzt, um die Bilddarstellungs- und Bildkonstruktionsparameter zu modifizieren. Der SCM leitet Funktionen ein, wie z.B. das Betätigen der Patiententransport- und Ausrichtungssysteme.
Die Gradienten-Spulenanordung 136 und die HF-Sende- und Empfängerspulen 138 sind in einer Bohrung des Magneten angeordnet, der zum Erzeugen des polarisierenden Magnetfeldes benutzt wird. Der Magnet bildet einen Teil der Hauptmagnetanordnung, die das Patienten- Ausrichtungssystem 148, eine Energie-Versorgungseinrichtung 140 für die Shim- oder Anpaßspule und eine Energie-Versorgungseinrichtung 142 für den Hauptmagneten enthält. Die Shim-Energie-Versorgungseinrichtung 140 wird zum Erregen der Anpaßspulen, die dem Hauptmagneten zugeordnet sind und zum Korrigieren von Inhomogenitäten in dem polarisierenden Magnetfeld benutzt. Wie unten noch ausführlicher beschrieben wird, empfängt die Energie-Versorgungseinrichtung 140 der Anpaßspule auch Gradientenfeldpulse von dem Pulssteuermodul 120, wobei sie diese Pulse zum Erzeugen einer Stromwellenform benutzt, die, wenn sie an die B&sub0;- Anpaßspule angelegt ist, durch die Gradientenfelder hervorgerufene Änderungen gemäß der Lehre der Erfindung kompensiert. Im Falle eines widerstandsbehafteten Magneten wird die Energie-Versorgungseinrichtung 142 des Hauptmagneten zum kontinuierlichen Erregen des Magneten benutzt. Im Falle eines supraleitfähigen Magneten wird die Energie- Versorgungseinrichtung 142 des Hauptmagneten dazu benutzt, das von dem Magneten erzeugte polarisierende Feld auf die richtige Arbeitsfeldstärke zu bringen; anschließend wird die Energie-Versorgungseinrich tung 142 abgetrennt. Im Falle eines Permanentmagneten würde man die Energie-Versorgungseinrichtung 142 nicht benötigen. Das Patienten-Ausrichtungssystem 148 arbeitet in Kombination mit einer Patientenliege, einem Transportsystem 150 und einem Patienten-Positionierungssystem 152. Um Störungen von externen Quellen zu minimieren, sind die MR-Systemkomponenten, umfassend die Hauptmagnetanordnung, die Gradienten- Spulenanordnung sowie die HF-Sender- und Empfängerspulen als auch die Patienten-Behandlungsgeräte von einem HF-abgeschirmten Raum, der allgemein mit 144 bezeichnet ist, eingeschlossen. Die Abschirmung ist allgemein aus einem Kupfer- oder Aluminium-Abschirmnetzwerk gebildet, das den gesamten Raum umgibt. Das Abschirmnetzwerk bindet die HF-Signale an sich, die vom System erzeugt werden, während es das System gegen außerhalb des Raumes erzeugte HF-Signale abschirmt. Eine bidirektionale Dämpfung von etwa 100 dB ist in dem Arbeitsfrequenzbereich typisch.
Wir betrachten nunmehr Fig. 2A. Dort ist ein Gradientenverstärker 130 (der auch in Fig. 1 dargestellt ist) gezeigt, der eine Gradientenspule zur Erzeugung des Gx-Gradienten erregt. Wenn ein rechteckiger Stromimpuls 14 an den Verstärker 130 angelegt wird, wie dies in Punkt 16 gezeigt ist, wird unter idealen Funktionsbedingungen ein im wesentlichen rechteckiger Magnetfeld-Gradientenpuls 18 erzeugt. Allerdings weist der resultierende Magnetfeldgradient infolge der Kopplung mit verlustbehafteten Strukturen und der resultierenden Erzeugung von Streumagnetfeldkomponenten eine endliche Anstiegszeit, wie dies bei 20 gezeigt ist, und eine endliche Abfallzeit auf, wie dies bei 22 gezeigt ist. Wie oben ausgeführt ist, können derartige Gradientenfeldverzerrungen zu einem Signalverlust und einer unerwünschten Phasenverteilung führen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung können die Gradientenfeldverzerrungen durch Anlegen eines Strompulses 14, wie er in Fig. 2B dargestellt ist, an ein Preemphasis-Filter 24 verringert werden, um den in 26 gezeigten Strompuls vorzuverzerren. Demzufolge erzeugt der verstärkte, an die Gradientenspule 12 angelegte Strompuls 28 den gewünschten rechteckigen Magnetfeld-Gradientenpuls 18. Da in typischen MR-Anwendungen Gradientenpulse in wenigstens jeder Achse des kartesischen Koordinatensystems angelegt werden, würde ein MR-System zum Verwirklichen der Erfindung Einrichtungen aufweisen, die funktionell den in Fig. 2B dargestellten Einrichtungen ähnlich sind, um eine Korrektur entlang aller Achsen zu erreichen. Der Einfachheit halber betrifft jedoch die folgende Beschreibung die Korrektur entlang lediglich einer der Achsen.
Wir betrachten Fig. 2C. Die Energie-Versorgungseinrichtung der B&sub0;-Anpaßspule ist innerhalb der Shim-Energie-Versorgungseinrich- tung 140 angeordnet, die mit einer Anpaßspule 50 verbunden ist. Die Energie-Versorgungseinrichtung 140 erhält ein Eingangssignal von einem Anpaßfilter 19, das wiederum an seinem Eingang die Gradientenpulse 14 empfängt. Das Anpaßfilter 19 ist, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird, derart ausgebildet, daß es Impulsantwort-Korrektursignale für die Shim-Energie-Versorgungseinrichtung erzeugt. Diese Korrektursignale verringern oder erhöhen für einen Augenblick den von der Energie-Versorgungseinrichtung der B&sub0;-Anpaßspule erzeugten Strom, um dadurch das gleichförmige polarisierende Magnetfeld, das teilweise von der Anpaßspule 50 erzeugt wird, zu verringern oder zu erhöhen. Diese Korrekturen gleichen die abnehmenden und zunehmenden Augenblicksschwankungen des homogenen Magnetfeldes, die durch die Magnetfeld-Gradientenpulse hervorgerufen werden, aus.
Um feststellen zu können, wie der Strompuls 14 nach Fig. 2B und der Strompuls nach Fig. 2C geformt und wie daher das Preemphasis- Filter 24 und das Anpaßfilter 19 aufgebaut werden sollten, um die gewünschte Form zu erreichen, muß zunächst die Natur der zu beseitigenden Verzerrung gemessen und analysiert werden. Die Weise, auf der dies unter Benutzung eines MR-Systems geschieht, wird nachfolgend beschrieben.
Fig. 3A zeigt Proben 30 und 30', die jeweils aus einer MR- aktiven Substanz, beispielsweise einem Acrylrohr mit einem Durchmesser von 0,25 Zoll, das etwa 0,4 cc eines mit 0,5 M CuSo&sub4; dotiertem Wassers enthält, bestehen, wobei die Proben in einem Abstand "x&sub1;" bzw. "x&sub2;" von dem mit "0" bezeichneten Gradientenursprung (das ist das Isozentrum des Systems) angeordnet sind. Die Proben 30 und 30' fungieren als Quelle für die MR-Signale, die zum Messen der durch die Magnetfeld- Gradientenpulse Gx hervorgerufenen Verzerrungen benutzt werden. Fig. 3Bzeigt die Pulsfolge, die zum Erzeugen der MR-Signale (FID) für eine Probe 30 oder 30' und für eine Achse verwendet wird. Wie vorher beschrieben worden ist, wird die Folge für andere Achsen wiederholt, entlang derer Gradienten, die eine Kompensation benötigen, angelegt werden. Wie in Fig. 3A dargestellt ist, ist jede Probe 30 und 30' auch von einer separaten lokalen Spule 31 und 32 umgeben, die lediglich auf das durch die ihnen zugeordneten Proben erzeugte MR-Signal empfindlich ansprechen. Die Spulen 31 und 32 sind mit einem Multiplexer 33 verbunden, der während der Abtastung zwischen den Spulen 31 und 32 hin- und herschaltet, damit die MR-Daten während einer einzelnen Folge aus jeder Probe getrennt gewonnen werden können. Der Ausgang des Multiplexers 33 ist mit dem Transceiver 122 verbunden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist.
Wie in Fig. 3B dargestellt ist, umfaßt die Meßfolge einen Gradientenpuls gefolgt von einem angelegten 90º-HF-Puls, der ein freies Induktionsabfall- (FID von Free Induction Decay) Signal erzeugt. Wenn keine Streumagnetfeldkomponenten vorhanden sind, die nach dem Abfallen des Gradientenpulses erzeugt werden, wird die Probe in ein homogenes, konstantes Magnetfeld für die gesamte Dauer des FID-Signals eingetaucht. Demzufolge ist die Augenblicksfrequenz des FID-Signals eine konstante Funktion der Zeit. Wenn jedoch auf den Gradientenpuls Streumagnetfeldkomponenten folgen, wie dies durch die gestrichelte Kurve in Fig. 3B dargestellt ist, dann schwankt das Magnetfeld in der Probe während des FID-Signals und somit die augenblickliche Phase und Frequenz des FID-Signals. Das resultierende freie Induktionsabfallsignal enthält eine Phaseninformation, deren Augenblickswert zum Zeitpunkt "t" von dem Zeitintegral der ungewollten Streumagnetfeld-Gradientenkomponenten abhängt, die nach dem Anlegen des 90º-HF- Pulses erzeugt werden.
Das FID-Signal S(t), welches aus einer Probe mit einer eindimensionalen Dichteverteilung P(x) (d.h. integriert über die y- und z-Richtung) und aus der Spin-Spin-Relaxationszeit T&sub2;(x) gewonnen wird, ist gegeben durch:
(1.) S(t) = P(x)e-t/T2 e[iγx {o t B(t')dt'} + iΔωt]dx
wobei γ das gyromagnetische Verhältnis, B(t) die Summe der Gradientenfeldantwort (G(t)) und der räumlich homogenen Feldantwort (B&sub0;(t)) und Δω ein konstanter Resonanzfrequenzversatz ist, der unten ausführlicher beschrieben wird. Wenn die Probe klein ist, ist die Phase des Signals S(t) gegeben durch:
(2) φ (t) = γx o t B(t')dt' + iΔωt.
Man erkennt, daß die Phase des FID-Signals Informationen über die Antwort B(t) enthält und daß B(t) deshalb unmittelbar durch Bilden der Ableitung des Phasensignals berechnet werden kann. Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird diese Information dazu benutzt, das unerwünschte Ansprechen des Systems auf Feldgradientenpulse zu kennzeichnen. Nach einem weiteren Gesichtspunkt wird die gemessene Information zum Vorkompensieren der Stromwellenformen des Gradientenverstärkers benutzt, um so die gewünschten Gradientenfelder zu erzeugen und das Anpaßfilter derart zu dimensionieren, daß die Wirkungen von B&sub0;(t) auf das polarisierende Feld kompensiert werden können. Grundsätzlich muß man daher lediglich die Phase aus dem FID-Signal als Funktion der Zeit gewinnen, um das Streufeld B(t) zu bestimmen. In der Praxis kann jedoch die Phasenverzerrung infolge einer konstanten B&sub0;-Inhomogenität als auch einer von dem Gradienten induzierten Inhomogenität zu einer T&sub2;*-Abfallzeit führen, die viel kürzer ist als die charakteristischen Abfallzeiten des Streufeldes. Demzufolge fällt das FID-Signal ab, bevor die ganze Streukomponente der B(t)-Kurve gemessen werden kann. Als Ergebnis der T&sub2;*-Abfallzeit kann mit einem einzigen Experiment, wie es z.B. in Fig. 3 B dargestellt ist, lediglich das Gradientenfeld für eine mit T&sub2;* vergleichbare Zeit bestimmt werden.
Dieses Problem wird dadurch beseitigt, daß man die aus einer Serie von Messungen gewonnenen Daten verknüpft. Während der Anfangsmessung folgt der 90º-HF-Puls dem Gradientenpuls im wesentlichen ohne Verzögerung, und das FID-Signal wird für eine Zeit TAD msec (TAD ≤ T&sub2;*) unmittelbar nach dem RF-Puls gemessen. Diese Messung liefert Daten, die das Gradientenfeld für die ersten TAD msec bestimmen, nach-20 dem der Strompuls abgeschaltet worden ist. Nunmehr wird während nachfolgender Messungen das Anlegen des 90º-HF-Pulses um T&sub3; msec verzögert, nachdem der Gradientenstrompuls abgeschaltet worden ist. Das FID-Signal wird für weitere TAD msec nach dem HF-Puls gewonnen. Wenn T&sub3; < TAD ist, ist es möglich, die Daten dieses und des vorherigen (T&sub3; = 0) Experimentes zu verknüpfen, damit das Gradientenfeld für eine längere Zeitperiode bestimmt werden kann. Dieses Verfahren kann wie derholt werden, so daß Daten über ein langes Zeitintervall gewonnen werden und das vollkommen unerwünschte Ansprechen gemessen werden kann.
Die in Fig. 3B dargestellte Folge ist daher, wie in Fig. 4A gezeigt, modifiziert worden, so daß eine variable Zeitverzögerung T&sub3; zwischen den Gradienten und den 90º-HF-Puls eingefügt wird. Mehrere kurze Erfassungslängen -auch Aquisitionslängen genannt- TAD ≤ T&sub2;* werden anschließend erhalten, wobei T&sub3; zwischen den Erfassungen um ΔT&sub3; erhöht wird. Auf diese Weise kann das gesamte ungewollte Gradientenabfallen über das A/D-Erfassungsfenster in kleinen überlappenden Segmenten streichen. Bei einer Ausführungsform wurde TAD mit 10 msec gewählt, während die Verzögerungsänderung zwischen den Segmenten 8 msec betrug, wie dies in Fig. 4B dargestellt ist, in der A/D&sub1;, A/D&sub2; usw. benachbarte, überlappende Segmente beim Abtasten der unerwünschten Gradienten-Ansprechkurve angeben. Der durch die Kurve 22 dargestellt vollständige Datensatz wird anschließend dadurch erhalten, daß die in Fig. 4B dargestellten getrennten Aquisitionen 34, 35 und 36 kombiniert und verknüpft werden. Da das Sreufeld proportional zur Ableitung des gesamten Datensatzes ist, bleiben Kompensationen zwischen den Aquisitionen oder Erfassungen ohne Folge.
Bei der Analyse der Phasendaten von jeder Aquisition und 1 0 beim Kombinieren der Daten aus den verschiedenen Aquisitionen wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß φ (t) (Gleichung (2)) stetig ist. Selbst wenn die Phase zu jedem einzelnen Zeitpunkt daher lediglich mit modub 2π berechnet werden kann, können die Werte φ (t), die viel größer sind als 2π, durch "Abwickeln" der gemessenen Phase gemessen werden. Auf ähnliche Weise werden die verschiedenen Segmente dadurch kombiniert, daß die Ableitung φ (t) in den Segmentgrenzen stetig gemacht wird. Um die Segmente in den Grenzen besser anzupassen, ist es vorteilhaft, daß die Segmente sich etwas überlappen.
Wenn der Zeitverlauf des Sreufeldes verglichen mit den Relaxationszeiten (T&sub1; und T&sub2;) der Probe lang ist, kann ein weiterer Wirkungsgradgewinn erreicht werden. Beispielsweise sei angenommen, daß das Streufeld für zwei Sekunden nach dem Gradientenpuls gemessen werden muß; daher können die Gradientenpulse nicht weniger als zwei Sekunden auseinander liegen. Wenn das 10-msec-Aquisitionsfenster über die gesamte Zeitspanne von 2 Sekunden streicht, würde der Prozeß zu lange dauern. Wenn jedoch die Relaxationszeit der Probe kurz ist, sagen wir mal 30 ms, dann können die zahlreichen MR-Experimente nach jedem Gradientenpuls ausgeführt werden. Beispielsweise können 16 MR-Experimente in Intervallen von 122 ms nach einem einzigen Gradientenpuls ausgeführt werden, wobei jedes Experiment ein 10-ms-Fenster für Streugradienten-Abfalldaten erzeugt. Die gesamte Kette von 16 MR-Experimenten wird anschließend mit einer programmierten Verzögerung hinsichtlich des Gradientenpulses wiederholt. Dieser Prozeß wird unten ausführlicher beschrieben.
Um die Erfindung auszuführen, ist es notwendig, die oben beschriebene Meßfolge an zwei Orten entlang der Richtung des zu kompensierenden Gradienten durchzuführen. Wie in Fig. 3A dargestellt ist, wird dies dadurch verwirklicht, daß zwei Proben 30 und 30' an zwei Stellen angeordnet und die lokalen Spulen 31 bzw. 32 um sie herum angeordnet werden. Obwohl es möglich ist, die oben beschriebene Meßfolge zunächst für eine und anschließend für die andere Probe durchzuführen, werden diese beiden Folgen bei der bevorzugten Ausführungsform verschachtelt. Das wird dadurch verwirklicht, daß der Multiplexer 33 die Spule 31 schaltet und eine Folge durchgeführt wird, und anschließend der Multiplexer 33 mit der anderen Spule 32 verbunden wird. Das Umschalten wird von dem Pulssteuermodul 120 über eine Steuerleitung 38 gesteuert.
Die Weise, auf der die Daten aus den beiden Proben 30 und 30' gewonnen werden, ist in den Fig. 5A und 5B dargestellt. Wir betrachten insbesondere die Fig. 3A und 5A. Ein 90º-HF-Anregungspuls 200 wird in einem Zustand an die Multiplexer-Steuerleitung 38 angelegt, um so die örtliche Spule 31 anzuregen. Die Daten werden anschließend von derselben örtlichen Spule 31 über eine Zeitperiode von 10 ms gewonnen. Die Multiplexer-Steuerleitung 38 wird anschließend von dem Pulssteuermodul 120 geschaltet und 16 ms später wird ein zweiter 90º-HF-Puls 201 an die lokale Spule 32 angelegt. Das resultierende FID-Signal der Probe 30' wird für 10 ms erfaßt und anschließend kann das System sie zurückgewinnen. Die Folge wird insgesamt 16 mal in Intervallen von 122 ms wiederholt.
Wir betrachten insbesondere Fig. 5B. Der in Fig. 5A dargestellte Satz von 16 Pulsfolgen wird nach programmierten Verzögerungen wiederholt, die dem Ende des Gradientenpulses folgen. Der Satz von Pulsfolgen wird anfänglich in einem Zeitintervall (T&sub3;) von 2 ms nach dem Ende eines 250-ms-Gradientenpulses 202 durchgeführt. Ein negativer Gradientenpuls 203 der gleichen Größe und Dauer wird 2200 ms nach dem ersten Puls 202 angelegt und ein identischer Satz von Datenerfassungs- Pulsfolgen wird wiederholt. Wie in der früheren Anmeldung EP-A2-228056 offenbart ist, werden die so aus diesen beiden Sätzen von Pulsfolgen erhaltenen Daten unterteilt, um den Resonanzfrequenzversatz zu korrigieren. Dieser Prozeß wird insgesamt 15 mal mit einer Verzögerung (T&sub3;) wiederholt, die um eine Zeit (ΔT&sub3;) von 8,192 ms erhöht wird. Die Datenerfassungsfenster überlappen sich und sind verschachtelt, um MR- Daten für ein Fenster von 2 ms bis 1.950 ms nach dem Ende des Gradientenpulses zu liefern, und zwar für beide Proben 30 und 30'.
Die gewonnen MR-Daten werden sortiert und die Segmente werden zusammengesetzt, um Datensätze φ&sub1; (t) und φ&sub2; (t) zu bilden, die die Phase der MR-Signale von den Proben 30 und 30' als Funktion der Zeit nach dem Ende des Gradientenfeldpulses angeben. Die Ableitung der Signale, die durch diese Datensätze dargestellt werden, wird danach gebildet, die Segmente werden zusammengesetzt und die Ergebnisse werden durch die Anregungsgradientenamplitude normiert. Die beiden resultierenden Datensätze werden benutzt, um die Gradientenstreufeldantwort G(t) und die räumlich unveränderliche Streufeldantwort B&sub0;(t) gemäß den folgenden Gleichungen zu berechnen:
dφ&sub1;(t)/dt = Bx1(t) = B&sub0;(t) + G(t)x&sub1; (3)
dφ&sub2;(t)/dt = Bx2(t) = B&sub0;(t) + G(t)x&sub2; (4)
Dies führt zu:
G(t) = (Bx1(t) - Bx&sub2;(t))/(x&sub1;-x&sub2;) (5)
B&sub0;(t) = (x1Bx&sub2;(t) - x&sub2;Bx1(t))/(x&sub1;-x&sub2;) (6)
wobei Bx1 und 8x2 die gemessenen Streufelder an dem Ort x&sub1; bzw. x&sub2; sind.
Um die Gleichungen G(t) und B&sub0;(t) zu lösen, ist es notwendig, die Abstände x&sub1; und x&sub2; vom Isozentrum präzise zu messen. Der Ort der Proben wird aus dem Spektrum eines refokussierten Gradienten-Spin- Echos ermittelt, wie dies durch die Folge in Fig. 5C dargestellt ist. Die Pulsfolge nach Fig. SC umfaßt anfänglich einen 90º-HF-Anregungspuls, gefolgt von Gradientenpulsen 40 und 42 mit entgegengesetzter Polarität, die ein Spin-Echosignal erzeugen. Bei dem Gradientenpuls 42 handelt es sich um den Auslese-Gradientenpuls (wobei beispielsweise Gp = 120 mg/cm ist). Gp sei die Amplitude des Auslesegradienten. Dann ist die Frequenz für die Probe an dem Ort "x" gegeben durch
ω0 = γGpx + Δω(7)
x = (ω&sub0; - Δω)/γGp (8)
wobei Δω ein konstanter Versatz (Offset) ist. Der Frequenzversatz wird dadurch beseitigt, daß die Hälfte der durch Gradienten zurückgerufenen Echoansichten, mit negiertem Gp gewonnen wird, und die Frequenzen der beiden Sätze subtrahiert werden. Die Frequenzen erhält man durch eine gewöhnliche Schwellenwert-Momentanalyse der Spektren.
Der Grund, anstelle einer geometrischen Einrichtung ein Spin-Echo zum Messen des Ortes "x" zu benutzen, ist der, daß (1) der Ursprung (oder Nullpunkt) des Gradienten schwierig zu finden ist, und (2) der Gradient nicht vollständig linear sein kann, und zwar insbe sondere an den Rändern des Betrachtungsfeldes. Außerdem korrigiert dieses Verfahren selbst Fehler, die durch eine nichtkalibrierte Verstärkung des Feldgradientensystems hervorgerufen werden. Daher werden unter Verwendung magnetischer Resonanzsignale zum Berechnen von "x" alle Fehler in G&sub0; durch dieselben Fehler in Gp kompensiert.
Nachdem x&sub1; und x&sub2; gemessen worden sind, können die Gradientenfeldantwort G(t) und die polarisierende Feldantwort B&sub0;(t) gemäß den obigen Gleichungen (5) und (6) berechnet werden. Regressionstechniken werden anschließend angewandt, um eine Folge von Exponentialfunktionen an die Funktionen G(t) und B&sub0;(t) anzupassen. Die Ampli tuden und Zeitkonstanten (αi und τi) dieser Exponentialfunktionen werden zum Ermitteln der genauen Konstruktion des Vorverzerrungsfilters 24 für die x-Achsen-Gradientenspule 12 und das Anpaßfilter 19 benutzt. Bei einem Bildgebungssystem hat man herausgefunden, daß die Summe von zwei oder drei Exponentialfunktionen mit einstellbaren Amplituden und Zeitkonstanten die Daten recht gut anpassen. Bei anderen Anwendungen können mehr oder weniger Exponentialkomponenten benutzt werden. Diese Techniken, die benutzt werden, um zu entscheiden, wie viele Terme benötigt werden, sind im Stand der Technik allgemein bekannt, wie beispielsweise P.R. Bevington in seinem Aufsatz "Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences", veröffentlicht 1969 in McGraw- Hill Book Co., N.Y., Seiten 232-235 offenbart. Die genaue Art und Weise, auf der die Amplituden (αi) und die Zeitkonstante (τi) für jeden Exponentialterm berechnet werden, ist in der oben genannten, anhängigen Parallelanmeldung mit der Anmeldenr. 816,074 be schrieben, deren Offenbarung mit dieser Bezugnahme hier aufgenommen wird. Ein Satz von Werten (αi; τi) sowohl für die Gradientenfeldkompensation als auch für die polarisierende Feldkompensation wird für jede Gradientenfeldachse (x, y und z des kartesischen Koordinatensystems) gebildet und in den entsprechenden Filterschaltungen benutzt.
Wir betrachten Fig. 6. Eine bevorzugte Ausführungsform des Kompensationsfilters enthält einen Eingangsanschluß 300, der mit einem Operationsverstärker 301 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 301 ist mit einem Bus 302 verbunden, der als Eingang für mehrere Exponentialfunktions-Schaltungen dient, die durch die gestrichelten Linien 303-305 dargestellt sind. Die Ausgänge der Exponentialfunktions-Schaltungen 303-305 sind mit einem gemeinsamen Filterausgangsanschluß 306 verbunden, wobei ein Rückkopplungswiderstand 307 den Filterausgang 306 wieder mit dem Eingangsanschluß 300 verbindet. Obwohl drei Exponentialfunktions-Schaltungen 300-305 dargestellt sind, versteht sich, daß die Anzahl von den Ergebnissen der MR-Messungen und dem Genauigkeitsgrad abhängt, die zum Liefern geeigneter Ergebnisse notwendig sind.
Wir betrachten noch einmal Fig. 6. Jede Exponentialfunktions-Schaltung 303-305 enthält einen Koppelkondensator C an ihrem Eingang, der über einen einpoligen Umschalter 308 mit einem Operationsverstärker 309 verbunden ist. Ein Potentiometer Rx ist ebenfalls mit dem Eingang des Operationsverstärkers 309 verbunden und bildet mit dem Kondensator C eine RC-Schaltung. Ein zweites Potentiometer Ra ist mit dem Ausgang des Verstärkers 309 verbunden, wobei sein Schleifkontakt über einen Widerstand R&sub0; mit dem Filterausgangsanschluß 306 verbunden ist. Die Potentiometer RX und Rα sind derart eingestellt, daß die richtige Zeitkonstante τi und ein Überschwingfaktor αi zur Verfügung gestellt wird. Diese Einstellung erfolgt mittels eines Kalibrierungsschrittes, in dem der Schalter 308 betätigt wird, um eine 10 Volt-Bezugsspannung 310 über einen Widerstand RC an den Operationsverstärker 309 anzulegen. Das Potentiometer RX wird anschließend derart eingestellt, daß eine vorbestimmte Spannung V&sub1; an dem Ausgang des Operationsverstärkers 309 anliegt, wohingegen das Potentiometer Rα anschließend derart eingestellt wird, daß eine vorbestimmte Spannung V&sub2; an seinem Schleifkontakt anliegt. Die vorbestimmten Spannungen V&sub1; und V&sub2; werden unter Benutzung der Werte von τi und αi und auch unter Benutzung der Werte der Schaltungskomponenten wie folgt berechnet:
V&sub1; = 10τ&sub1;/C/(τ&sub1;/C + RC)
V&sub2; = 2V&sub1;α&sub1;R&sub0;/Rr
Jede Exponentialfunktions-Schaltung 303-305 wird getrennt auf diese Weise dimensioniert, und der Schalter 308 in seine Betriebsstellung zurückgeschaltet. Das Kompensationsfilter enthält daher eine oder mehrere Exponentialfunktions- Schaltungen, die für die Kompensation des an den Eingang 300 angelegten Signals sorgen.
Wie oben mit Bezug auf Fig. 2B beschrieben worden ist, werden die Kompensations-Filterschaltungen, z.B. die in Fig. 6 gezeigten, auch als Vorverzerrungsfilter 24 für jeden Gradientenverstärker 130, 132 und 134 verwendet. Außerdem, und wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, werden die Kompensationsfilterschaltungen, wie sie beispielsweise in Fig. 6 dargestellt sind, auch in dem Anpaßfilter 119 verwendet. Insbesondere wird das Kompensationsfilter als Gx-Filter 315, als Gy- Filter 316 und als Gz-Filter 317 verwendet. Die Impulsantwort B&sub0;(t) wird, wie oben beschrieben, für jeden Kalibrierungsgradientenpuls Gx, Gy und Gz berechnet; und die resultierenden Werte τi und αi der Exponentialfunktions-Schaltung werden für jede Achse in den entsprechenden Filter 315-317 eingestellt. Sind die Filter 315-317 erst einmal kalibriert und eingestellt&sub1; werden ihre Eingänge durch die Gradientenpulssignale Gx, Gy bzw. Gz von dem Pulssteuermodul 120 angesteuert und ihre Ausgänge in einem Operationsverstärker 318 summiert. Die Schalter 319-321 erlauben das Umschalten der Polarität der Achsenkompensationssignale zueinander, da die Wirkung der Gradientenpulse auf das räumlich homogene Feld beide Polaritäten aufweisen kann.
Das Ausgangssignal des Verstärkers 318 ist ein Kompensationssignal, das unerwünschte Änderungen des durch die Gradientenpulse hervorgerufenen Feldes B&sub0; ausgleicht. Dabei ist die z&sub0;-Anpaßspule, an die dieses Kompensationssignal angelegt ist, leider selbst mit umgebenden Strukturen gekopplet und spricht nicht in idealer Weise auf das angelegte Kompensationssignal an. Folglich muß die Anpaßspule 50 ebenfalls kompensiert werden, so daß sie auf das Ausgangssignal des Verstärkers 318 richtig anspricht. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Puls z&sub0; an den Ausgang der Shim-Energie-Versorgungseinrichtung 180 angelegt und die MR-Daten wie oben beschrieben gewonnen werden, um die Impulsantwort zu messen. Aus diesen MR-Daten werden die Exponentialfunktions-Schaltungsparameter τi und αi ermittelt und in einem Kompensationsfilter 322 voreingestellt, das zwischen den Empfänger 318 und die Shim-Energie-Versorgungseinrichtung 140 geschaltet ist. Daher kompensieren die Filter 315-317 die durch die Gradientenpulse hervorgerufenen Effekte und das Kompensationsfilter 322 kompensiert die unvollständige Impulsantwort der z&sub0;-Anpaßspule selbst. Das Nettoergebnis besteht darin, daß das polarisierende Feld B&sub0; jegliche Kreuzkopplung kompensiert, die zwischen den Magnetfeld-Gradienten und dem polarisie renden Magnetfeld auftritt.
Obwohl eine Ausführungsform der Erfindung oben beschrieben worden ist, die ein Exponentialfunktions-Preemphasis- Filter benutzt, läßt sich erkennen, daß andere Filterrealisierungen (beispielsweise aktive Filterentwürfe) im Griffbereich eines Durchschnittsfachmanns liegen. Außerdem sind Ausführungsformen vorstellbar, bei denen die folgende Messung der abfallenden Streukomponente und der Preemphasis (oder Vorverzerrung) des die Gradientenspule und die z&sub0;-Anpaßspule erregenden Signals unter Anwendung von Software- oder digitalen Techniken ohne die Hilfe analoger Preemphasis-Filter erreicht werden kann.
Gemäß solcher Softwaretechniken kann beispielsweise G(t), wenn sie unter Benutzung der Gleichung (5) gefunden worden ist, mittels numerischer Faltungstechniken auf die Daten angewandt werden, die zum Erzeugen der Gradientenpulswellenform vor dem Anlegen der Gradientenpulswellenform an die Gradientenverstärker benutzt werden.
Daher soll w(tk) die gewünschte Gradientenwellenform für einen entlang einer besonderen Achse anzulegenden Gradienten sein. Dann ist die korrigierte Wellenform, die an den Gradientenverstärker für die zu korrigierende tatsächliche Antwort angelegt werden muß, gegeben durch:
wobei N die Anzahl von Punkten in der abgetasteten Filter-Übertragungsfunktion k ist. Diese Funktion kann entweder von einem Computer (beispielsweise der Computer 101 nach Fig. 1) ausgeführt werden, bevor die Wellenform in einem Auslesespeicher abgelegt worden ist, oder nahezu in Echtzeit durch Berechnung aus einer gespeicherten Welle W(tk) durchgeführt werden.

Claims

1. Verfahren für eine MR-Scanner-Magnetfeldkompensation, enthaltend die Schritte:

(a) Positionieren einer aktiven NMR-Probe an einer ersten Position in Bezug auf das Isozentrum von einer MR- Scannereinrichtung,

(b) Anlegen eines polarisierenden Magnetfeldes an die Probe,

(c) Anlegen eines Gradientenpulses entlang einer Achse,

(d) Bestrahlen der Probe mit einem HF-Anregungspuls innerhalb einer vorbestimmten Zeit nach dem Anlegen des Gradientenpulses, um so ein NMR-Signal zu generieren,

(e) Messen von Daten, die zu dem Phasenwinkel des NMR Signals in Beziehung stehen und Angaben machen zu dem Feld, das durch den Gradientenpuls an der ersten Position als eine Funktion der Zeit nach dem Anlegen des Gradientenpulses generiert wird,

(f) Positioieren einer aktiven NMR-Probe an einer zweiten Position in Bezug auf das Isozentrum der MR-Scannereinrichtung,

(g) Wiederholden der Schritte (b) bis (d),

(h) Messen von Daten, die zu dem Phasenwinkel des NMR- Signals in Beziehung stehen und Angaben machen zu dem Feld, das durch den Gradientenpuls an der zweiten Position generiert wird, und

(i) Berechnen der Kompensationswerte aus den gemessenen Daten, wobei die Kompensationswerte mit der Einrichtung zum Erzeugen des polarisierenden Magntfeldes verwendet werden, um ungewollte Effekte auszugleichen, die in dem polarisierenden Magnetfeld durch die Magnetfeld-Gradientenpulse hervorgerufen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte (a) bis (i) wiederholt werden, aber der Gradientenpuls im Schritt (b) entlang einer anderen Achse angelegt wird und die im Schritt (i) berechneten Kompensationswerte ungewollte Effekte kompensieren, die durch den Gradientenpuls entlang der anderen Achse hervorgerufen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Schritt (i) berechneten Kompensationswerte exponentiale Schaltungsparameter für ein Kompensationsfilter sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die weiteren Schritte vorgesehen sind:

(j) Anlegen eines Magnetfeldpulses an die Probe, der mit dem polarisierenden Magnetfeld ausgerichtet ist,

(k) Wiederholen des Schrittes (d),

(l) Messen von Daten, die zu dem Phasenwinkel der NMR- Signale in Beiehung stehen und Angaben machen zu dem Feld, das durch den Magnetfeldpuls an der Position der Probe als eine Funktion der Zeit nach dem Anlegen des Magnetfeldpulses erzeugt ist, und

(l) Berechnen von Kompensationswerten aus den im Schritt (m) gemessenen Daten, wobei die Kompensationswerte mit der Einrichtung zum Erzeugen des polarisierenden Magnetfeldes verwendet werden, um ungewollte Effekte auszugleichen, die in dem polarisierenden Magnetfeld durch den Magnetfeldpuls hervorgerufen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Meßschritte (e) und (h) jeweils den Schritt enthalten, daß die Ableitung des gemessenen Phasenwinkels des NMR-Signals in Bezug auf die Zeit berechnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die im Schritt (i) genannte Berechnung ein arithmetisches Verknüpfen der Datensätze, die in den Schritten (e) und (h) gewonnen sind, und ein Verwenden einer Regressionstechnik enthält, um mehrere Exponentiale an die entstehenden verknüpften Daten anzupassen.

7. Magnetresonanzeinrichtung mit einem Hauptmagneten (142, 146) zum Entwickeln eines polarisierenden Feldes, einer Anpaßspule (50) und einer mit der Anpaßspule verbundenen Einrichtung (140) zum Versorgen der Anpaßspule und einer Einrichtung (128, 130, 132, 134, 136) zum Erzeugen von Magnetfeld-Gradientenpulsen (18), wobei die Anpaßspule ein im wesentlichen räumlich homogenes Magnetfeld an das polarisierende Feld anlegt und die mit der Anpaßspule verbundene Einrichtung eine Einrichtung (315, 318, 319) aufweist zum Empfangen eines Signals, das die Erzeugung von Magnetfeld-Gradientenpul sen angibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kompensationsfiltereinrichtung (19, 24, 322) eine geformte Stromkomponente an die Anpaßspule mit einer Zeitkonstanten anlegt, um das polarisierende Feld hinsichtlich der ungewollten Effekte zu kompensieren, die durch die Gradientenpulse darin hervorgerufen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Zeitkonstante des Kompensationsfeldfilters im wesentlichen die gleiche ist wie eine Zeitkonstante, die den hervorgerufenen ungewollten Effekten zugeordnet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Magnetfeld-Gradientenpulse entlang jeder von mehreren Achsen ausgerichtet sind, die Anpaßspuleneinrichtung getrennte Signal empfängt, die die Erzeugung von Magnetfeld-Gradientenpulsen für jede der Achsen angibt und ein Kompensationsfilter vorgesehen ist, das jeder Achse zugeordnet ist, wobei die Zeitkonstante jeder Achse zugeordnet ist.

10. Einrichtung nach den Ansprüchen 7 oder 8 oder 9, wobei die mit der Anpaßspule verbundene Einrichtung auch Mittel enthält zum Empfangen der kompensierten Stromkomponente und zum Ändern der Stromkomponente, um das polarisierende Hauptmagnetfeld weiter zu kompensieren hinsichtlich ungwollter Effekte, die darin durch Änderungen in dem Wert des polarisierenden Hauptmagnetfeldes hervorgerufen sind.