DE10109543B4

DE10109543B4 - Verfahren zum Betrieb eines Gradientenspulensystems eines Magnetresonanzgeräts

Info

Publication number: DE10109543B4
Application number: DE10109543A
Authority: DE
Inventors: Ralph Kimmlingen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: DE10109543A1; US6696836B2; US20020161297A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Gradientenspulensystems (100, 400) mit mindestens einer Gradientenspule (101, 102, 103, 403) zum Erzeugen eines Gradientenfeldes wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens (333) und mit mindestens einer von der Gradientenspule (101, 102, 103, 403) unabhängig betreibbaren Schirmspule (111, 112, 113, 413) zum Erzeugen eines Schirmfeldes,
wobei in einem ersten Betriebszustand
– die Gradientenspule (101, 102, 103, 403) bezüglich wenigstens einer Komponente des Wirbelstromfeldes frei von einem Vorverzerren und
– die Schirmspule (111, 112, 113, 413) mit einer Vorverzerrung betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Gradientenspulensystems für ein Magnetresonanzgerät mit wenigstens einer Gradientenspule zum Erzeugen eines Gradientenfeldes wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens und wenigstens einer von der Gradientenspule unabhängig betreibbaren Schirmspule zum Erzeugen eines Schirmfeldes.
Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zum Gewinnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsobjekts. Dabei werden in einem Magnetresonanzgerät einem statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagnetsystem erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert, die von einem Gradientensystem erzeugt werden. Ferner umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfrequenzsystem, das zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die erzeugten Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder erstellt werden.
Das Gradientensystem beinhaltet ein Gradientenspulensystem und eine Gradientenverstärker- und -steuereinheit. Dabei umfasst das Gradientenspulensystem in der Regel drei Gradientenspulen. Eine der Gradientenspulen erzeugt dabei für eine bestimmte Raumrichtung ein Gradientenfeld, das im wünschenswerten Idealfall wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens ausschließlich eine Hauptfeldkomponente, die kollinear zum Grundmagnetfeld ist, aufweist. Die Hauptfeldkomponente weist dabei einen vorgebbaren Gradienten auf, der zu jedem beliebigen Zeitpunkt zumindest innerhalb des Abbildungsvolu mens im wünschenswerten Idealfall ortsunabhängig gleich groß ist. Da es sich bei dem Gradientenfeld um ein zeitlich variables Magnetfeld handelt, gilt Vorgenanntes zwar für jeden Zeitpunkt, aber von einem Zeitpunkt zu einem anderen Zeitpunkt ist eine Stärke des Gradienten variabel. Die Richtung des Gradienten ist in der Regel durch das Design der Gradientenspule fest vorgegeben. Aufgrund der Maxwellschen Grundgleichungen sind aber entgegen dem wünschenswerten Idealfall keine Gradientenspulen ausbildbar, die über das Abbildungsvolumen ausschließlich vorgenannte Hauptfeldkomponente aufweisen. Dabei geht mit der Hauptfeldkomponente unter anderem wenigstens eine Begleitfeldkomponente einher, die senkrecht zur Hauptfeldkomponente gerichtet ist.
Zum Erzeugen des Gradientenfeldes sind in der Gradientenspule entsprechende Ströme einzustellen. Dabei betragen die Amplituden der erforderlichen Ströme bis zu mehreren 100 A. Die Stromanstiegs- und -abfallraten betragen bis zu mehreren 100 kA/s. Zur Stromversorgung sind die Gradientenspulen an die Gradientenverstärker- und -steuereinheit angeschlossen.
Das Gradientenspulensystem ist in der Regel von leitfähigen Strukturen umgeben, in denen durch die geschalteten Gradientenfelder Wirbelströme induziert werden. Beispiele für derartige leitfähige Strukturen sind ein Vakuumbehälter und/oder ein Kälteschild eines supraleitenden Grundfeldmagnetsystems, eine Kupferfolie einer Hochfrequenzabschirmung und das Gradientenspulensystem selbst. Die von den Wirbelströmen erzeugten Felder sind unerwünscht, weil sie das Gradientenfeld ohne gegensteuernde Maßnahmen schwächen und in seinem zeitlichen Verlauf verzerren. Dies führt zu Beeinträchtigungen der Qualität von Magnetresonanzbildern. Ferner bewirken die im supraleitenden Grundfeldmagnetsystem induzierten Wirbelströme eine Erwärmung des Grundfeldmagnetsystems, so dass zum Aufrechterhalten der Supraleitung eine deutlich erhöhte Kühlleistung aufzubringen ist. Bei einem Grundfeldmagnetsystem mit einem Permanentmagneten führt die Erwärmung infolge der Wirbelströme zu einer unerwünschten Veränderung von Eigenschaften des Grundmagnetfeldes und weiterhin können die Wirbelströme sogar eine Ummagnetisierung des Permanentmagneten hervorrufen.

Vorgenannte Wirbelstromfelder können bis zu einem gewissen Grad durch eine entsprechende Vorverzerrung einer Stromsollgröße der Gradientenspule kompensiert werden. Durch die Vorverzerrung können jedoch nur Wirbelstromfelder kompensiert werden, die das Gradientenfeld im mathematischen Sinne ähnlich abbilden, also in ihrem räumlichen Verlauf dem Gradientenfeld gleichen. Die prinzipielle Wirkungsweise der an sich bekannten Vorverzerrung ist beispielsweise in der US 4,585,995 beschrieben. Dabei basiert die Berechnung der Vorverzerrung im Wesentlichen auf der Erkenntnis, dass angeregte und abklingende Wirbelströme durch eine bestimmte Anzahl von Exponentialfunktionen unterschiedlicher Zeitkonstanten beschreibbar sind. Übertragen auf ein elektrisches Netzwerk zum Kompensieren von Wirbelstromfeldern bedeutet dies, dass die Vorverzerrung mittels Filter unterschiedlicher Grenzfrequenzen durchführbar ist. Dabei erfolgt die Einstellung der Zeitkonstanten bzw. Grenzfrequenzen beispielsweise durch eine in Betrieb setzende Person, die am installierten Magnetresonanzgerät durch schrittweises Verändern von Einstellungen der Vorverzerrung und wiederholtes Überprüfen die optimalen Werte ermittelt. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Einstellung der Zeitkonstanten bzw. Grenzfrequenzen automatisch. Letztgenanntes ist beispielsweise in der US 4,928,063 beschrieben.

Die Vorverzerrung der Stromsollgröße wird beim Ausführen einer Sequenz kontinuierlich während des gesamten Zeitablaufs der Sequenz durchgeführt. Dabei sind aufgrund der Vorverzerrung von der Gradientenverstärker- und -steuereinheit Leistungsreserven vorzuhalten, die eine leistungsstärkere und damit kostenintensivere Dimensionierung der Gradientenverstärker- und -steuereinheit bedingen.

Weil aber das Gradientenfeld auch Wirbelstromfelder hervorruft, deren räumliche Verläufe dem Gradientenfeld nicht gleichen, entstehen zusätzliche räumliche Feldverzerrungen höherer Ordnung. Um diese Feldverzerrungen weitgehend zu kompensieren, setzt man unter anderem aktiv geschirmte Gradientenspulen ein. Eine zur Gradientenspule zugehörige Schirmspule ist dabei derart gestaltet, dass das Gradientenfeld auf einem vorgebbaren Bereich, in der Regel auf einem das Gradientenspulensystem umgebenden Vakuumbehälter oder Kälteschild eines supraleitenden Grundfeldmagnetsystems, neutralisierbar ist. Dazu weist die Schirmspule in der Regel eine geringere Windungsanzahl als die Gradientenspule auf und ist mit der Gradientenspule derart verschaltet, dass die Abschirmspule vom gleichen Strom wie die Gradientenspule allerdings in entgegengesetzter Richtung durchflossen wird. Des weiteren wirkt die Abschirmspule dabei auf das Gradientenfeld im Abbildungsvolumen schwächend, wobei eine Schwächung des eigentlich nutzbaren Gradientenfeldes im Abbildungsvolumen bis auf die Hälfte in Kauf genommen wird. Eine Gradientenspule mit zugehöriger Schirmspule zum Neutralisieren eines Gradientenfeldes auf einer definierten Fläche ist beispielsweise in der GB 2 180 943 A beschrieben.

Des weiteren ist in der DE 34 11 222 A1 ein Magnetresonanzgerät beschrieben, das drei Gradientenspulen zum Erzeugen von Gradientenfeldern und wenigstens eine weitere von den Gradientenspulen unabhängig betreibbare Spulenanordnung zum Erzeugen eines in Richtung eines Grundmagnetfeldes verlaufenden Magnetfeldes umfasst. Dabei ist die weitere Spulenanordnung derart gestaltet, dass sich das Magnetfeld räumlich nichtlinear ändert und dass ein Überlagern des Magnetfeldes mit Gradientenfeldern eine definierte, zeitlich räumliche Änderung einer Magnetflussdichte ergibt. Die weitere Spulenanordnung ist in einer Ausführungsform derart gestaltet, dass das Magnetfeld einen räumlichen Verlauf aufweist, der einer Kugelfunktion zweiter oder dritter Ordnung entspricht. Mit der weiteren Spulenanordnung sind insbesondere durch die Gradientenfelder hervorgerufene, unerwünschte Wirbelstromeffekte beseitigbar.

Aus der DE 198 51 584 C1 ist eine Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte bekannt, bei der in einer Primärebene angeordnete Windungen und in einer zu Primärebene radial beabstandeten Sekundärebene angeordnete weitere Windungen an einer Stirnseite der Gradientenspulenanordnung eine Vielzahl offener Leiterenden aufweisen, wobei zur Bildung von Gradientenspulenanordnungen mit unterschiedlichen Feldqualitäten/Leistungsmerkmalen mit schaltbar ausgebildeten Verbinderelementen die Leiterenden untereinander verbindbar sind. Ein wählbares Leistungsmerkmal ist dabei die maximale Gradientenstärke. In einer Ausführungsform sind die Leiterenden derart verschaltbar, dass die Windungen und die weiteren Windungen zum ungeschirmten Betreiben der Gradientenspulenanordnung mit einem gleichgerichteten Stromfluss betreibbar sind. In einer anderen Ausführungsform können die Verbinderelemente aber auch derart geschaltet sein, dass die Windungen und die weiteren Windungen im Sinne einer üblichen, aktiv geschirmten Spule einen entgegengesetzten Stromfluss aufweisend betreibbar sind.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Gradientenspulensystems für ein Magnetresonanzgeräts zu schaffen, mit dem unter anderem hohe Gradientenstärken erzielt werden können.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Mit dem ersten Betriebszustand sind im Abbildungsvolumen sehr große Gradientenstärken erzielbar. Dies ist beispielsweise für einen Diffusionsgradientenpuls besonders vorteilhaft, der bei einer möglichst kurzen Zeitdauer ein sehr großes Gradien tenzeitintegral aufweisen soll. Entsprechendes gilt für einen Spoilergradientenpuls. Dabei wird beim ersten Betriebszustand in Kauf genommen, dass das Gradientenfeld auf dem vorgebbaren Bereich nicht durch das Schirmfeld neutralisiert wird. Umfasst dabei der vorgebbare Bereich beispielsweise einen Bereich eines Grundfeldmagnetsystems oder einen Bereich eines Kälteschildes eines supraleitenden Grundfeldmagnetsystems, so wird beim ersten Betriebszustand eine erhöhte Erwärmung des Grundfeldmagnetsystems zugunsten der großen Gradientenstärken in Kauf genommen. Diese Erwärmung kann beispielsweise durch Steigern eines Kühlvermögens einer Kühleinrichtung des Grundfeldmagnetsystems kompensiert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird im ersten Betriebszustand die Gradientenspule bezüglich wenigstens einer Komponente von Wirbelstromfeldern frei von einer Kompensation und gleichzeitig die Schirmspule zum Kompensieren wenigstens einer Komponente von Wirbelstromfeldern betrieben. Dabei handelt es sich um Komponenten von Wirbelstromfeldern, die durch das Gradientenfeld und/oder das Schirmfeld hervorgerufen werden und die innerhalb des Abbildungsvolumens auftreten. Dadurch dass die Gradientenspule frei von einer Kompensation, also ohne ein Vorverzerren betrieben wird, kann die Gradientenspule während einer Gesamtdauer eines beispielsweise rechteckförmigen Gradientenpulses mit ihrer maximal zulässigen Stromamplitude zum Erzeugen hoher Gradientenstärken betrieben werden. Die Schirmspule wird dabei derart betrieben, dass das Gradientenfeld im Abbildungsvolumen noch verstärkt wird und gleichzeitig vom Gradienten- und Schirmfeld hervorgerufene Wirbelstromfelder kompensiert werden. Dazu wird die Schirmspule mit einer entsprechenden Vorverzerrung betrieben. Das Vorverzerren wird dabei beispielsweise durch ein entsprechendes Filtern einer den Schirmspulenstrom steuernden Größe bewerkstelligt. Zum Unterbinden von magnetresonanzbildstörenden Wirbelstromeinflüssen ist es dabei in vielen Fällen ausreichend, dass lediglich eine Komponente von Wirbelstromfeldern kompensiert wird, deren räumlicher Verlauf einer Kugelfunktion erster Ordnung entspricht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird im ersten Betriebszustand die Gradientenspule zum Kompensieren eines Teils wenigstens einer Komponente von Wirbelströmen betrieben. Dadurch, dass mit der Gradientenspule nur ein Teil einer Kompo nente von Wirbelstromfeldern, deren räumlicher Verlauf beispielsweise einer Kugelfunktion erster Ordnung entspricht, kompensiert wird, ist die Schirmspule derart betreibbar, dass zusätzlich wenigstens eine weitere Komponente von Wirbelstromfeldern, deren räumlicher Verlauf einer Kugelfunktion einer höheren Ordnung entspricht, kompensierbar ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Gradientensystem in einem zweiten Betriebszustand betrieben, bei dem die Schirmspule zum Neutralisieren des Gradientenfeldes auf dem vorgebbaren Bereich betrieben wird. Dazu wird beispielsweise die Schirmspule bezüglich der Gradientenspule mit einem betragsgleichen Strom entgegengesetzter Richtung betrieben. Umfasst dabei der vorgebbare Bereich obengenannten Bereich des Grundfeldmagnetsystems, so ist im zweiten Betriebszustand aufgrund des Neutralisierens ein Erwärmen des Grundfeldmagnetsystems minimiert. Ebenso wird eine gute Kompensation von Wirbelstromfeldern erzielt. Dafür wird aber das Gradientenfeld im Abbildungsvolumen durch das Schirmfeld geschwächt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in einer zeitlichen Abfolge, beispielsweise im Rahmen einer Sequenz, zwischen den Betriebszuständen gewechselt. Dabei wird der erste Betriebszustand vornehmlich während eines zeitlichen Abschnitts der Sequenz eingestellt, bei dem große Gradientenstärken, beispielsweise für Diffusionsgradienten, erforderlich sind, und ansonsten der zweite Betriebszustand genutzt. Des weiteren kann das Gradientensystem in wenigstens einem weiteren Betriebszustand zwischen dem ersten und den zweiten Betriebszustand betrieben werden. Ein derartiger Zwischenzustand kann alleine dadurch auftreten, dass für eine logische Gradientenachse der erste Betriebszustand und gleichzeitig für eine weitere logische Gradientenachse der zweite Betriebszustand eingestellt werden. Sind dabei die logischen Gradientenachsen ungleich den durch das Gradientensystem fest vorgegebenen physikalischen Gradientenachsen, so führt ein Umsetzen von logischen auf physikalische Gradientenachsen automatisch zum Betrieb des Gradientensystems mit vorgenanntem Zwischenzustand.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 ein Magnetresonanzgerät mit einem Gradientensystem,
2 eine detaillierte Darstellung des Gradientensystems aus 1,
3 ein Flussdiagramm zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts in einem ersten Betriebszustand,
4 ein Flussdiagramm zum Betrieb des Magnetresonanzgeräts in einem zweiten Betriebszustand und
5 ein Gradientensystem mit einer Gradientenspule, die zwei Teilspulen umfasst.
1 zeigt ein Magnetresonanzgerät, das zum Erzeugen eines wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens 333 möglichst homogenen statischen Grundmagnetfeldes ein Grundfeldmagnetsystem 310 und zum Erzeugen von Gradientenfeldern ein Gradientensystem umfasst, das ein Gradientenspulensystem 100 und eine Gradientenverstärker- und -steuereinheit 200 beinhaltet. Zum Steuern von Strömen im Gradientensystem aufgrund einer ausgewählten Sequenz ist die Gradientenverstärker- und -steuereinheit 200 mit einem zentralen Steuersystem 350 verbunden, das mit einer Anzeige- und Bedienvorrichtung 360 verbunden ist, über die Eingaben eines Bedieners, beispielsweise ein gewünschter Sequenztyp und Sequenzparameter, dem zentralen Steuersystem 350 zugeführt werden können. Eine verfahrbare Lagerungsvorrichtung 320 des Geräts dient unter anderem dazu, einen abzubildenden Bereich eines auf der Lagerungsvorrichtung 320 gelagerten Untersuchungsobjekts im Abbildungsvolumen 333 zu positionieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind weitere Komponenten des Geräts, beispielsweise ein Hochfrequenzsystem zum Einstrahlen von Hochfrequenzsignalen sowie zum Aufnehmen von dadurch erzeugten Magnetresonanzsignalen, nicht dargestellt.
2 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine detaillierte Darstellung des Gradientensystems aus 1, wobei das im wesentlichen hohlkreiszylinderförmig ausgebildete Gradientenspulensystem 100 quergeschnitten dargestellt ist. Dabei umfasst das Gradientenspulensystem 100 von innen nach außen folgende Elemente, die in konzentrisch zueinander angeordneten hohlkreiszylinderförmigen Bereichen ausgebildet sind: Eine erste transversale Gradientenspule 102 zum Erzeugen eines ersten Gradientenfeldes mit einem Gradienten in einer y-Richtung, eine zweite transversale Gradientenspule 101 zum Erzeugen eines zweiten Gradientenfeldes mit einem Gradienten in einer x-Richtung, eine erste Kühleinrichtung 191, eine longitudinale Gradientenspule 103 zum Erzeugen eines dritten Gradientenfeldes mit einem Gradienten in einer z-Richtung, eine Shim-Baugruppe 181, eine zweite Kühleinrichtung 192, eine zur longitudinalen Gradientenspule 103 zugehörige longitudinale Abschirmspule 113 zum Erzeugen eines Schirmfeldes, eine zur ersten transversalen Gradientenspule 102 zugehörige erste transversale Abschirmspule 112 zum Erzeugen eines weiteren Schirmfeldes und eine zur zweiten transversalen Gradientenspule 101 zugehörige zweite transversale Abschirmspule 111 zum Erzeugen eines weiteren Schirmfeldes. Dabei sind die Schirmspulen 111 bis 113 derart gestaltet, dass mit einer der Schirmspulen 111, 112 oder 113 ein von der zugehörigen Gradientenspule 101, 102 oder 103 erzeugbares Gradientenfeld auf einem vorgebbaren Bereich des Grundfeldmagnetsystems 310 neutralisierbar ist. Umfasst dabei das Grundfeldmagnetsystem 310 eine supraleitende Spulenanordnung zum Erzeugen des Grundmagnetfeldes, so umfasst der vorgebbare Bereich einen Bereich eines Kälteschildes 311 des Grundfeldmagnetsystems 310.
Die Gradientenverstärker- und -steuereinheit 200 beinhaltet sechs Kanaleinheiten 201 bis 213, an deren Ausgängen voneinander unabhängig Ausgangsspannungen steuerbar sind. Dabei ist je eine der Kanaleinheiten 201 bis 213 mit je einer der Spulen 101 bis 113 verbunden, so dass die einzelnen Spulen 101 bis 113 mit untereinander unabhängig steuerbaren Strömen betrieben werden können.
Ein räumlicher Verlauf eines der Gradientenfelder oder eines der Schirmfelder ist durch eine magnetische Flussdichte B(r,θ,φ) entsprechend einer Kugelfunktionsentwicklung gemäß nachfolgenden Gleichungen beschreibbar:
Dabei sind A_(l,m) die sogenannten sphärischen Koeffizienten in einer geeigneten Normierung. Der Radius r sowie die Winkel θ und φ beschreiben als Kugelkoordinaten, ausgehend von einem Ursprung, einen Punkt des dreidimensionalen Raumes. Dabei wird der Ursprung im allgemeinen im Zentrum des Gradientenspulensystems festgelegt. P_(l,m)(cosθ) und P_(l,|m|)(cosθ) sind Legendresche Polynome bzw. Funktionen in Abhängigkeit von cosθ.
Bei der longitudinalen Gradientenspule 103 treten aufgrund ihrer Symmetrieeigenschaften für die magnetische Flussdichte im Spuleninneren lediglich Koeffizienten A_(l,m) mit ungeradzahligem l und insbesondere mit m=0 auf. Bei einer der transversalen Gradientenspulen 101 und 102 sind aufgrund ihrer Symmetrieeigenschaften lediglich die Koeffizienten A_(l,m) mit ungeradzahligem l und ungeradzahligem m von Bedeutung. Dies verdeutlicht nachfolgende Tabelle, in der für die longitudinalen und die transversalen Gradientenspulen 103, 101 und 102 die in der Praxis wichtigen Koeffizienten A_(l,m) sowie deren Bedeutung eingetragen sind.
Für eine ideale longitudinale Gradientenspule sind außer dem Koeffizienten A_(1,0) alle übrigen Koeffizienten A_(l,m) gleich Null. Für eine ideale transversale Gradientenspule sind außer dem Koeffizienten A_(1,1) alle übrigen Koeffizienten A_(l,m) gleich Null.
Durch die geschalteten Gradienten- und Schirmfelder werden in elektrisch leitfähigen Teilen des Grundfeldmagnetsystems 310 Wirbelströme hervorgerufen, die zu Wirbelstromfeldern führen. Dabei ist entsprechend Gradienten- und Schirmfeldern ein räumlicher Verlauf eines Wirbelstromfeldes durch eine magnetische Flussdichte entsprechend einer Kugelfunktionsentwicklung beschreibbar. Das Wirbelstromfeld ist dabei von den Gradienten- und Schirmfeldern abhängig. Das Wirbelstromfeld wird durch eine zeitliche Veränderung der magnetischen Flussdichte des Gradienten- und/oder Schirmfeldes hervorgerufen. Dabei ist ein Zeitverhalten des Wirbelstromfeldes sowohl während eines Zeitabschnitts vorgenannter zeitlicher Veränderung als auch während eines sich daran unmittelbar anschließenden Zeitabschnitts, während dem keine zeitliche Änderung des Gradienten- und/oder Schirmfeldes stattfindet und die zuvor angeregten Wirbelstromfelder lediglich abklingen, durch Exponentialfunktionen in Verbindung mit die Exponentialfunktionen charakterisierenden Zeitkonstanten beschreibbar. Dabei können die Zeitkonstanten für unterschiedliche Koeffizienten des Wirbelstromfeldes verschieden sein.
Beim Vorverzerren wird Vorgenanntes in entsprechender Weise berücksichtigt, indem beispielsweise mittels Exponentialfiltern ein Stromzeitverlauf für die Gradienten- und/oder Schirmspulen 101 bis 113 derart vorverzerrt wird, dass die Rückwirkungen der Wirbelstromfelder auf die Gradienten- und/oder Schirmfelder kompensiert sind. Bei einer Ausführungsform werden beispielsweise fünf Zeitkonstanten je Gradientenspule 101 bis 103 berücksichtigt, die typischer Weise in einem Bereich zwischen 1 ms und 1 s liegen.
3 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts gemäß einem ersten Betriebszustand. Dabei wird beispielhaft auf das in den 1 und 2 dargestellte Magnetresonanzgerät Bezug genommen. Beim ersten Betriebszustand wird wenigstens eines der Gradientenfelder im Abbildungsvolumen 333 durch wenigstens eines der Schirmfelder verstärkt. Dabei wird im einfachen Fall wenigstens eine der Gradientenspulen 101 bis 103 bezüglich Wirbelstromfeldern frei von einer Kompensation und wenigstens eine der Schirmspulen 111, 112 oder 113 zum Kompensieren einer Komponente von Wirbelstromfeldern, deren räumlicher Verlauf einer Kugelfunktion erster Ordnung entspricht, betrieben. Im komplexen Fall wird dahingegen die Gradientenspule 101, 102 oder 103 zum teilweisen Kompensieren wenigstens einer Komponente von Wirbelstromfeldern und die Schirmspule 111, 112 oder 113 zum Kompensieren von mehreren Komponenten von Wirbelstromfeldern, deren räumliche Verläufe Kugelfunktionen wenigstens zweier Ordnungen entsprechen, betrieben. Zum Unterbinden von magnetresonanzbildstörenden Wirbelstromeinflüsse ist dabei in vielen Fällen der einfache Fall ausreichend. Bei der weiteren Beschreibung der 3 wird aus Gründen der einfachen Erläuterung zunächst der einfache Fall betrachtet.
Im Schritt 31 ist beispielsweise im Rahmen einer Sequenz für eine logische Gradientenachse ein trapezförmiger Gradientenpuls 231 vorgegeben, der beispielsweise zum Realisieren eines Diffusionsgradientenpulses mit einer maximalen Gradientenstärke ausgeführt werden soll. Unter Berücksichtung des ersten Betriebszustandes erfolgt in den Schritten 32 und 33 eine Umsetzung des Gradientenpulses 231 für die Gradientenspulen 101 bis 103 auf der einen Seite und für die Abschirmspulen 111 bis 113 auf der anderen Seite. Dabei bleibt ein Gradientenpuls 232 für die Gradientenspulen 101 bis 103 gegenüber dem Gradientenpuls 231 entsprechend dem einfache Fall ohne ein Vorverzerren im Wesentlichen unverändert, weil mit den Gradientenfeldern kein Kompensieren von Wirbelstromfeldern erfolgen soll. Zum Erzielen einer möglichst großen Gradientenstärke ist der Gradientenpuls 232 dabei derart gestaltet, dass er eine Leistungsfähigkeit der Gradientenspulen 101 bis 103 sowie der mit den Gradientenspulen 101 bis 103 verbundenen Kanaleinheiten 201 bis 203 weitgehend ausnutzt. Ein Gradientenpuls 233 für die Schirmspulen 111 bis 113 ist dabei derart gestaltet, dass er hinsichtlich der Gradientenfelder innerhalb des Abbildungsvolumens verstärkend wirkt. Ferner ist er derart gestaltet, dass gleichzeitig die durch ihn und den Gradientenpuls 232 hervorgerufenen Wirbelstromfelder kompensiert werden, wobei gemäß dem einfachen Fall lediglich eine Komponente der Wirbelstromfelder, deren räumlicher Verlauf einer Kugelfunktion erster Ordnung entspricht, kompensiert wird. Dazu ist der Gradientenpuls 233 entsprechend der Zeitkonstanten, die der Wirbelstromfeldkomponente erster Ordnung zugeordnet sind, vorverzerrt. Vor einer Weitergabe der Gradientenpulse 232 und 233 an die Kanaleinheiten 201 bis 213 und damit an das Gradientenspulensystem 100 erfolgt schließlich in einem Schritt 34 ein Umsetzen der Gradientenpulse 232 und 233 von der logischen Gradientenachse auf die physikalischen Gradientenachsen der Gradienten- und Schirmspulen 101 bis 113. Die vorgenannten Schritte 32 bis 34 können dabei im zentralen Steuersystem 350, bevorzugt aber in der Gradientenverstärker- und -steuereinheit 200 durchgeführt werden.
Beim komplexen Fall wird im Wesentlichen analog verfahren. Lediglich beim Kompensieren von Komponenten von Wirbelstrom feldern, deren räumliche Verläufe Kugelfunktionen unterschiedlicher Ordnung entsprechen, sind beim Vorverzerren bezüglich der jeweiligen Ordnung die jeweils zugeordneten Zeitkonstanten zu berücksichtigen. Dabei werden die Gradientenpulse 232 und 233 zum Erzielen einer bestmöglichen Kompensation für alle Komponenten von Wirbelstromfeldern, basierend auf obengenannten Kugelfunktionsentwicklungen für die Gradienten-, Schirm- und Wirbelstromfelder unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Zeitkonstanten mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens bestimmt. Dabei kann entsprechend dem in der DE 199 55 117 A1 beschriebenen Optimierungsverfahren verfahren werden, auf das hier vollinhaltlich Bezug genommen wird.
4 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts gemäß einem zweiten Betriebszustand. Dabei wird wiederum beispielhaft auf das in den 1 und 2 dargestellte Magnetresonanzgerät Bezug genommen. Beim zweiten Betriebszustand werden die Schirmspulen 111 bis 113 in herkömmlicher Weise zum Neutralisieren von Gradientenfeldern auf dem vorgebbaren Bereich betrieben. Damit werden aber gleichzeitig die Gradientenfelder im Abbildungsvolumen 333 geschwächt. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Schirmspulen 111 bis 113 werden dabei die Schirmspulen 111 bis 113 bezüglich ihrer zugehörigen Gradientenspule 101 bis 103 mit einem betragsgleichen Strom entgegengesetzter Richtung betrieben.
Im Flussdiagramm der 4 wird für eine logische Gradientenachse in einem ersten Schritt 41 ein trapezförmiger Gradientenpuls 241 vorgegeben. Unter Berücksichtung des zweiten Betriebszustandes erfolgt in den Schritten 42 und 43 eine Umsetzung des Gradientenpulses 241 für die Gradientenspulen 101 bis 103 auf der einen Seite und für die Abschirmspulen 111 bis 113 auf der anderen Seite. Dabei werden sowohl ein Gradientenpuls 242 für die Gradientenspulen 101 bis 103 als auch ein Gradientenpuls 243 für die Schirmspulen 111 bis 113 gleichartig vorverzerrt, so dass sich sowohl für die Gradientenfelder als auch für die Schirmfelder eine möglichst optimale Kompensation hinsichtlich Wirbelstromfeldern ergibt. Vor einer Weitergabe der Gradientenpulse 242 und 243 an die Kanaleinheiten 201 bis 213 und damit an das Gradientenspulensystem 100 erfolgt schließlich in einem Schritt 44 ein Umsetzen der Gradientenpulse 242 und 243 von der logischen Gradientenachse auf die physikalischen Gradientenachsen der Gradienten- und Schirmspulen 101 bis 113. Die vorgenannten Schritte 42 bis 44 können dabei im zentralen Steuersystem 350, bevorzugt aber in der Gradientenverstärker- und -steuereinheit 200 durchgeführt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Vorverzerren beim ersten Betriebszustand gegenüber dem zweiten Betriebszustand in der Regel eine stärkere Ausprägung aufweist, weil beim ersten Betriebszustand mit den Schirmspulen 111 bis 113 sowohl durch die Gradientenfelder als auch durch die Schirmfelder hervorgerufen Wirbelstromfelder kompensiert werden und weil im vorgebbaren Bereich keine Feldneutralisierung stattfindet, wodurch verstärkt und in größeren Bereichen des Grundfeldmagnetsystems 310 Wirbelströme angeregt werden.
Zusätzlich zu dem vorausgehend Beschriebenen können bei Verwendung einer Gradientenspule mit wenigstens zwei voneinander unabhängig betreibbaren Teilspulen weitere Feldeigenschaften eines zugehörigen Gradientenfeldes, beispielsweise unter Berücksichtigung einer Stimulationsschwelle eines lebenden Untersuchungsobjekts, variiert werden. Dabei ist für ein voneinander unabhängiges Betreiben der Teilspulen eine entsprechend gestaltete Gradientenverstärker- und -steuereinheit einzusetzen. Näheres dazu ist in der DE 199 55 117 A1 beschrieben, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird. Um dabei bei der Gradientenverstärker- und -steuereinheit 200 der 2 nicht wenigstens drei weitere Kanaleinheiten vorsehen zu müssen, ist bei einer Ausführungsform gemäß 5 eine von zwei Teilspulen 408 und 409 einer Gradientenspule 403 mit einer Schirmspule 413 fest in Reihe geschaltet.
Die 5 zeigt dabei einen Längsschnitt eines Gradientenspulensystems 400, das eine longitudinale Gradientenspule 403, bestehend aus einer ersten Teilspule 408 und einer zweiten Teilspule 409, und eine zur Gradientenspule 403 zugehörige Schirmspule 413 umfasst. Dabei sind die Teilspule 409 und die Schirmspule 413, die fest in Reihe verschaltet sind, mit einer Kanaleinheit 513 einer Gradientenverstärker- und -steuereinheit 500 verbunden. Die Teilspule 409 ist dabei derart mit der Schirmspule 413 verschaltet, dass die Spulen 409 und 413 einander entgegengesetzt wirkend Magnetfelder innerhalb eines Abbildungsvolumens eines Magnetresonanzgeräts erzeugen. Die Teilspule 408 ist mit einer weiteren Kanaleinheit 503 verbunden, die von der Kanaleinheit 513 unabhängig ansteuerbar ist.
Beim zweiten Betriebszustand werden die beiden Kanaleinheiten 503 und 513 mit einem gleichen Stromzeitsignal angesteuert, was einer herkömmlichen Betriebsweise einer aktiv geschirmten Gradientenspule entspricht.
Im ersten Betriebszustand wird die Schirmspule 413 zum Verstärken eines mit der Teilspule 408 erzeugbaren Gradientenfeldes betrieben, wobei mit der Schirmspule 413 gleichzeitig ein Kompensieren von wenigstens einer Komponente von Wirbelstromfeldern durchgeführt wird. Dass dabei die Teilspule 409 in einer an sich unerwünschten Weise mitbetrieben wird, ist nicht störend, weil in diesem Betriebszustand lediglich ein Linearitätsvolumen des von der Teilspule 408 erzeugten Gradientenfeldes genutzt wird und die Teilspule 409 im Wesentlichen außerhalb dieses Volumens ihre Wirkung entfaltet. Die Anordnung der 5 ist beispielsweise dazu nutzbar, um das Linearitätsvolumen und damit weitere Eigenschaften eines Gradientenfeldes kontinuierlich zu variieren.
Ferner kann das vorausgehend beschriebene Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts gemäß dem ersten Betriebszustand bei einer Ausführungsform, bei der eine Schirmspule zum Erzeugen eines Magnetfeldes mit einem räumlichen Verlauf entsprechend wenigstens einer Kugelfunktion gestaltet ist, entsprechend angewendet werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Gradientenspulensystems (100, 400) mit mindestens einer Gradientenspule (101, 102, 103, 403) zum Erzeugen eines Gradientenfeldes wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens (333) und mit mindestens einer von der Gradientenspule (101, 102, 103, 403) unabhängig betreibbaren Schirmspule (111, 112, 113, 413) zum Erzeugen eines Schirmfeldes, wobei in einem ersten Betriebszustand – die Gradientenspule (101, 102, 103, 403) bezüglich wenigstens einer Komponente des Wirbelstromfeldes frei von einem Vorverzerren und – die Schirmspule (111, 112, 113, 413) mit einer Vorverzerrung betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein räumlicher Verlauf der Komponente wenigstens einer Kugelfunktion entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wo bei ein räumlicher Verlauf der Komponente einer Kugelfunktion erster Ordnung entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gradientenfeld im Abbildungsvolumen (333) verstärkt und wenigstens eine Komponente eines im Abbildungsvolumen (333) vom Gradientenfeld hervorgerufenen Wirbelstromfeldes durch das Schirmfeld kompensiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Betriebszustand zum Erzeugen wenigstens eines Diffusionsgradienten genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wo- bei die Gradientenspule (101, 102, 103, 403) zum Kompensieren eines Teils wenigstens einer Komponente des Wirbelstromfeldes vorverzerrt betrieben wird.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gradientenspulensystem (100, 400) in einem weiteren Betriebszustand betrieben wird, der zwischen dem ersten und einem zweiten Betriebszustand liegt, wobei im zweiten Betriebszustand das Gradientenfeld in einem vorgebbaren Bereich außerhalb des Abbildungsvolumens (333) durch das Schirmfeld neutralisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in einer zeitlichen Abfolge zwischen den Betriebszuständen gewechselt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gradientenspulensystem (100, 400) mit einer Gradientenverstärker- und -steuereinheit (200, 500) verbunden ist, mit der ein Strom in der Gradientenspule (101, 102, 103, 403) und ein Strom in der Schirmspule (111, 112, 113, 413) zum Betreiben des Gradientenspulensystems (100, 400) in einem der Betriebszustände voneinander unabhängig eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Gradientenspule (413) wenigstens eine erste und eine zweite Teilspule (408, 409) umfasst und die Gradientenverstärker- und -steuereinheit (500) so betrieben werden, dass Ströme in den Teilspulen (408, 409) unabhängig voneinander einstellbar sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine der Teilspulen (408, 409) mit der Schirmspule (413) in Reihe geschaltet betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die erste Teilspule (408) für ein bestimmtes Linearitätsvolumen des Gradientenfeldes und/oder eine bestimmte Linearität des Gradientenfeldes ausgebildet ist, und die zweite Teilspule (409) als eine Korrekturspule betrieben wird, so dass das bestimmte Linearitätsvolumen und/oder die bestimmte Linearität veränderbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die erste Teilspule (408) für eine bestimmte Gradientenstärke des Gradientenfeldes betrieben wird, die für die erste Teilspule (408) vorzugsweise die betragsmäßig maximale Gradientenstärke ist, und die zweite Teilspule (409) als eine Verstärkerspule betrieben wird, so dass die bestimmte Gradientenstärke verändert, vorzugsweise vergrößert wird.