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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle einer Hochfrequenzeinrichtung
sowie eine entsprechende Hochfrequenzeinrichtung und eine entsprechende
Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Außerdem betrifft
die Erfindung ein Magnetresonanztomographiesystem mit einer derartigen
Hochfrequenzeinrichtung.
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Als
bildgebendes Verfahren hat sich in den letzten Jahren im medizinischen
Bereich ein Verfahren etabliert, das auf einer Untersuchung der
Kernspins von Protonen einer Körperregion
basiert. Das Verfahren läuft
im Wesentlichen in drei Schritten ab: Zunächst wird um die Körperregion
ein starkes, stabiles, homogenes Magnetfeld und damit eine stabile Ausrichtung
der Protonen in der betreffenden Körperregion erzeugt. Dann wird
diese stabile Ausrichtung verändert,
indem man elektromagnetisch Hochfrequenzenergie zuführt. Drittens
wird diese energetische Stimulation wieder beendet und die im Körper entstehenden
Kernresonanzsignale mit Hilfe geeigneter Empfangsspulen gemessen,
um so Rückschlüsse auf
das Gewebe in dieser Körperregion
zu ziehen. Ein System zur Durchführung
eines derartigen bildgebenden Verfahrens wird auch Magnetresonanztomographiesystem
oder Kernspintomographiesystem genannt.
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Ein
Magnetresonanztomographiesystem umfasst eine Vielzahl zusammenwirkender
Bestandteile, von denen ein jeder den Einsatz moderner und aufwändiger Technologien
erfordert. Ein zentrales Element eines Magnetresonanztomographiesystems,
das auch von der Erfindung betroffen ist, ist die Hochfrequenzeinrichtung.
Diese ist insbesondere für die
Erzeugung der in eine Körperregion
einzustrahlenden Hochfrequenzpulse zuständig.
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Die
von einer Hochfrequenz-Leistungsverstärkereinrichtung der Hochfrequenzeinrichtung
eines Magnetresonanztomographiesystems ausgegebenen Hochfrequenzpulse
werden über
ein Messgerät
zu einer Sendespule geleitet, welche die Hochfrequenzpulse in eine
Körperregion
einstrahlt. Unter dem Begriff „Sendespule" ist dabei eine beliebige
Antenneneinrichtung zu verstehen, mit der die Hochfrequenzpulse
abgestrahlt werden können.
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Mit
der Entwicklung und Etablierung von Magnetresonanztomographiesystemen
sind zur Gewährleistung
der Patientensicherheit Grenzwerte normiert worden, welche die maximale
Hochfrequenz-Einstrahlung in einen menschlichen Körper reglementieren.
Ein typischer Grenzwert hierfür
ist der maximal zulässige
SAR-Wert (SAR = specific absorption rate).
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Zur
Einhaltung dieser Grenzwerte werden durch das oben genannte Messgerät Messwerte
erfasst, welche die von der Sendespule abgestrahlte Leistung der
Hochfrequenzpulse repräsentieren.
Auf der Basis mehrerer Leistungs-Messwerte werden Leistungs-Kontrollwerte
gebildet. Diese Leistungs-Kontrollwerte werden dann bisher mit einem durch
eine Norm vorgegebenen starren Leistungsgrenzwert verglichen, welcher
so gewählt
ist, dass der vorgegebene SAR-Grenzwert nicht überschritten wird. Die Hochfrequenzeinrichtung
wird dann automatisch in ihrer Funktion eingeschränkt, wenn
ein Kontrollwert den vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Das
heißt,
bisher wurde die maximal zulässige
SAR in eine maximal zulässige
Leistung umgerechnet und dieser Leistungsgrenzwert überwacht. Die
physiologische Wirkung von Hochfrequenzenergie auf einen menschlichen
oder tierischen Körper hängt jedoch
u. a. von der Frequenz und von der Spulenart ab, d. h. davon, ob
die Spule z. B. zirkular oder linear polarisiert aussendet oder
ob es sich beispielsweise um eine Volumen- oder Oberflächenspule
handelt. Darüber
hinaus hängt
die Wirkung auch von der Lage der Spule am Körper des Patienten ab. Daher
muss bei dem bisherigen Überwachungsverfahren
zum Teil mit immensen Sicherheitsabständen zum tatsächlich kritischen
Wert gearbeitet werden, um für
den Patienten 100%ige Sicherheit zu gewährleisten. D. h. der zulässige Leistungsgrenzwert
liegt im Allgemeinen erheblich niedriger als dies zur Einhaltung
der maximalen Belastung eigentlich notwendig ist.
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Da
in der Regel mit niedrigerer Hochfrequenzleistung auch eine niedrigere
Bildqualität
einhergeht, wäre
es an sich wünschenswert,
diesen zu großen
Sicherheitsabstand zu verringern. Hierbei ist insbesondere auch
zu berücksichtigen,
dass eine geringere Bildqualität
letztlich dazu führt,
dass ggf. Aufnahmen nicht die gewünschten Diagnosemöglichkeiten
bieten oder sogar Aufnahmen neu angefertigt werden müssen, was
wiederum zu einer höheren
Belastung des Patienten führt.
Dieses Problem tritt im besonderen Maße bei der sogenannten Multikernspektroskopie
auf. In der Magnetresonanzdiagnostik werden solche Multikernspektroskopiemessungen
in zunehmendem Maße
eingesetzt. Hierbei wird nicht mehr nur eine Kernsorte bei der Messung
angeregt, sondern es finden auch Entkopplungen anderer Kerne statt,
um zusätzliche
Parameterbilder zu erzeugen, die eine spätere Bewertung der Messergebnisse
erheblich verbessern können.
Hierzu müssen Hochfrequenzenergien
auf verschiedenen Frequenzen und zum Teil auch mit verschiedenen
Spulen, d.h. auf unterschiedlichen Sendepfaden, ausgestrahlt werden.
Obwohl die physiologische Wirkung und somit die eingestrahlte SAR über die
verschiedenen Sendepfade bei gleicher Einstrahlungsleistung unterschiedlich
ist, ist eine entsprechende unterschiedliche Parametrisierung bei
der Kontrolle der Hochfrequenzpulse bisher nicht möglich. Das
heißt, es
wird auch hier immer davon ausgegangen, dass alle Hochfrequenzpulse
mit gleicher Energie bzw. Leistung die gleiche Belastung im Körper verursachen.
Eine Umrechnung der vom Messprogramm geplanten Pulse bzw. Abfolge
der Pulssequenzen beispielsweise in einen SAR-Wert und eine daraus
folgende Steuerung der Hochfrequenzsendeeinrichtung ist nicht möglich, da
die Kontrolle bezüglich
des SAR-Werts auf jeden Fall autonom sein muss und sich nicht auf
Angaben aus Vorhersagen des Messprogramms, welches die Pulsfolgen
für die
Messung vorgibt, verlassen darf. Daher wird bisher für jeden
gemessenen Hochfrequenzpuls in einer „worst case"-Annahme von der
für den
Patienten schädlichsten
Wirkung ausgegangen. Eine gleichzeitige Überwachung der Sendeleistung
auf verschiedenen Pfaden in ein und derselben Messung ist bisher
nicht möglich.
Daher war den Applikationen und Experimenten – insbesondere bezüglich der
Multikernspektroskopie – eine
sehr frühe
technische Grenze gesetzt.
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Es
ist daher eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine technische
Lehre zur Kontrolle einer Hochfrequenzeinrichtung anzugeben, welche sicher
ein Überschreiten
der abgestrahlten Hochfrequenzleistung über einen für den Patienten ungefährlichen
Grenzwert verhindert und andererseits eine möglichst gute Annäherung an
diesen sicheren Grenzwert erlaubt, so dass innerhalb des Grenzwerts mit
möglichst
hoher Sendeleistung gemessen werden kann. Darüber hinaus sollen eine entsprechende Hochfrequenzeinrichtung
sowie eine Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung und ein Magnetresonanztomographiesystem
angegeben werden, mit denen ein solches Verfahren durchführbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen Ansprüche enthalten
jeweils besonders vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung. Insbesondere
können
die Vorrichtungsansprüche auch
entsprechend den abhängigen
Ansprüchen
des Verfahrensanspruchs weitergebildet sein.
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Die
Erfindung beruht dabei u. a. zunächst
auf der Erkenntnis, dass bei dem oben beschriebenen Verfahren zur
Kontrolle der Hochfrequenzeinrichtung aufgrund der technischen Messmethode
häufig
unnötigerweise
immense Sicherheitsabstände
eingehalten werden. Dies liegt – wie
oben erläutert – an der bisher üblichen
Methode, den SAR-Grenzwert in einen Leistungsgrenzwert umzurechnen
und dann die Einhaltung des gegebenen Leistungsgrenzwerts zu kontrollieren.
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Unter
Ausnutzung dieser Erkenntnis wird nun vorgeschlagen, anhand der
in den zeitlichen Abständen
gemessenen Messwerte, welche eine Leistung der Hochfrequenzpulse
repräsentieren,
zunächst
Belastungswerte zu ermitteln, welche eine physiologische Wirksamkeit
repräsentieren,
die die Hochfrequenzpulse auf ein den Hochfrequenzpulsen ausgesetztes
Objekt haben. Es werden dann jeweils basierend auf einer Vielzahl
der Belastungswerte die Belastungskontrollwerte gebildet, auf deren
Basis schließlich
die eigentliche Überwachung
stattfindet. Die Hochfrequenzeinrichtung wird in ihrer Funktion eingeschränkt, wenn
ein Belastungskontrollwert einen Belastungsgrenzwert erreicht oder überschreitet.
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Eine
Einschränkung
der Hochfrequenzeinrichtung in ihrer Funktion kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
beispielsweise durch ein Ausschalten einer Sendeeinrichtung bzw.
einer Hochfrequenz-Leistungsverstärkereinrichtung, ein zeitweises
Deaktivieren der betreffenden Einrichtung oder eine Reduzierung
der Sendeleistung erfolgen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann als Belastungsgrenzwert beispielsweise unmittelbar der SAR-Grenzwert
verwendet werden, sofern die auf Basis der die Leistung der Hochfrequenzpulse
repräsentierenden
einzelnen Messwerte ermittelten Belastungswerte in Form von momentanen
SAR-Belastungswerten errechnet werden. Mit Hilfe dieser momentanen
SAR-Belastungswerte können
dann in ähnlicher
Weise, wie dies bisher mit den Leistungskontrollwerten durchgeführt wurde,
die Belastungskontrollwerte gebildet werden, beispielsweise indem über bestimmte
gesetzlich vorgegebene Zeiträume die
Belastungswerte gemittelt und/oder aufintegriert werden, um so den
Belastungskontrollwert zu bilden. Eine bevorzugte Möglichkeit
der Bildung von Belastungskontrollwerten wird später noch detaillierter beschrieben.
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Dieses
Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass bei einer Hochfrequenzeinrichtung,
welche über
mehrere Sendepfade Hochfrequenzpulse aussendet, für jeden
der Sendepfade getrennt Messwerte gemessen werden können, die
jeweils die Leistung der über
den betreffenden Sendepfad ausgesendeten Hochfrequenzpulse repräsentieren.
Es können dann
anhand der Messwerte für
jeden der Messpfade getrennt Belastungswerte ermittelt werden, welche die
physiologische Wirksamkeit repräsentieren,
die die über
den betreffenden Sendepfad ausgesandten Hochfrequenzpulse wirklich
auf das den Hochfrequenzpulsen ausgesetzte Objekt haben. Die Bildung der
Belastungskontrollwerte muss dann eine entsprechende Verknüpfung, beispielsweise
eine einfache Addition oder gewichtete Addition der für die einzelnen
Sendepfade ermittelten Belastungswerte umfassen. Daher ist es bei
diesem Verfahren möglich, beispielsweise
bei Multikernspektroskopie-Experimenten für jeden der Sendepfade – auf denen
ja mit unterschiedlicher Frequenz ausgesendet wird und bei denen
die Pulse über
Spulen unterschiedlicher Art, Lage und Geometrie ausgesendet werden – die Sendeleistungen
unterschiedlich, nämlich
entsprechend der tatsächlich
durch die Sendeleistung verursachten SAR-Belastung, zu bewerten.
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Bei
der Anwendung der Erfindung soll die Hochfrequenzbelastung für ein der
Hochfrequenzleistung ausgesetztes Objekt überwacht werden. Z. B. soll
im Rahmen eines Magnetresonanztomographiesystems die Hochfrequenzbelastung
für den
Patienten überwacht
werden. Daher müssen
Messwerte verwenden werden, welche möglichst gut die in der Sendespule
verbleibende Leistung bzw. die von der Sendespule abgestrahlte Leistung
repräsentieren. Vorzugsweise
basieren daher die Messwerte jeweils auf der Differenz zwischen
der von einer Sendeeinrichtung der Hochfrequenzeinrichtung an die
Sendespule abgegebenen Vorwärtsleistung
und der von der Sendespule zurückkommenden
Rückwärtsleistung.
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Da
aber Messwerte, welche die Leistung der von der Sendeeinrichtung
abgegebenen Hochfrequenzpulse direkt repräsentieren, mittelbar auch die resultierende,
in der Sendespule verbleibende Leistung repräsentieren, könnte beispielsweise
grundsätzlich
in einem einfacheren Ausführungsbeispiel auch
nur die von der Sendeeinrichtung abgegebene Leistung oder ein entsprechender
Messwert verwendet werden.
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Die
gemessenen Messwerte werden vorzugsweise in einer vorverarbeiteten
Form, d. h. beispielsweise nach einer Analog/Digital-Wandlung und/oder
einer Umwandlung von Effektivspannungen in die Differenz aus Vorwärtsleistung
und Rückwärtsleistung,
für die
weitere Ermittlung der Belastungswerte verwendet. Die zeitlichen
Abstände
zwischen den Hochfrequenzpulsen und zwischen den Messungen können im Übrigen gleich
oder verschieden sein.
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Eine
Ermittlung der Belastungswerte auf Basis der Messwerte ist relativ
einfach durch eine Multiplikation der betreffenden Messwerte mit
einem Wirkungsfaktor möglich,
wobei insbesondere bei einer Aussendung von Hochfrequenzpulsen über mehrere Sendepfade
für jeden
der Sendepfade separat ermittelte Wirkungsfaktoren zur Multiplikation
mit den auf dem betreffenden Sendepfad gemessenen Messwerten verwendet
werden können.
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In
die Berechnung der Wirkungsfaktoren sollte insbesondere die Frequenz
der ausgesendeten Hochfrequenzpulse eingehen. Die Abhängigkeit
von der Frequenz ist dabei quadratisch, d. h. die Frequenz ist ein
sehr gewichtiger Faktor. Weiterhin sollten bei der Berechnung des
Wirkungsfaktors bevorzugt auch die Lage und/oder die Geometrie der
Sendespule berücksichtigt
werden, über
die die betreffenden Hochfrequenzpulse ausgesendet werden.
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Durch
die Berücksichtigung
dieser Parameter ist in der Regel eine exakte Bestimmung des Belastungswerts,
beispielsweise des momentanen SAR-Werts, aus der aktuellen Sendeleistung
möglich.
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Die
Wirkungsfaktoren können
bereits vor einer Messung bestimmt werden. So kann beispielsweise
in einer Speichereinheit hinterlegt sein, bei welcher Frequenz,
bei welcher Spulengeometrie und Spulenlage und bei welchem Patiententyp
welcher Belastungsfaktor zu verwenden ist. Der Patiententyp repräsentiert
dabei bestimmte Parameter des Patienten wie Körperbau, Größe, Gewicht etc. Zum Beispiel kann
ein geeigneter SAR-Faktor einfach ermittelt werden, indem die bei
einer bestimmten Leistung bei einem bestimmten Patienten bzw. Patiententyp,
einer bestimmten Lage und geometrischen Aufbau der Spule und einer
bestimmten Frequenz erzeugte SAR-Belastung im Patienten berechnet
und durch die Leistung geteilt wird.
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Aus
einer Datenbank (Bibliothek) mit solchen SAR-Faktoren kann dann – da ja
in der Regel nicht nur die Leistung gemessen wird, sondern auch
die Frequenz der ausgesendeten Hochfrequenzpulse sowie die Lage
und Geometrie der Spule und der Patiententyp feststehen – sehr schnell
der richtige SAR-Faktor ausgewählt
werden und damit die gemessene Leistung direkt in einen momentanen SAR-Belastungswert
umgerechnet werden, dem der Patient ausgesetzt ist.
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Grundsätzlich kann
der Wirkungsfaktor auch noch in Abhängigkeit von anderen Parametern
ermittelt werden. So ist beispielsweise die maximale Hochfrequenzleistung,
die ein Patient – ohne
Gesundheitsbeeinträchtigung
befürchten
zu müssen – verträgt, u. a.
von verschiedenen Umgebungsparametern abhängig. Oftmals besteht ein direkter
Zusammenhang zwischen der maximalen Hochfrequenzleistung und den
Klimawerten, beispielsweise der Temperatur und/oder der Luftfeuchtigkeit
der direkten Umgebung des Patienten, weil hierdurch bei gleicher
Hochfrequenzleistung andere momentane SAR-Belastungswerte erreicht
werden. Solche Umgebungsparameter können zusätzlich oder alternativ aber
auch bei der Festlegung der Belastungsgrenzwerte berücksichtigt
werden.
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Bei
Verwendung von mehreren Sendepfaden können dann die Belastungswerte
der einzelnen Sendepfade einfach addiert werden. Ebenso ist aber auch
eine andere Verknüpfung
der Teil-Belastungswerte
wie z. B. eine gewichtete Addition möglich, um die Gesamt-Belastungswerte
zu erhalten.
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Bei
der Ermittlung der Belastungskontrollwerte aus den Belastungswerten
wird vorzugsweise jeweils ein Zeitfenster betrachtet, das im Zeitbereich über die
Messwerte bzw. daraus ermittelten Belastungswerte gleitet. Die für den Vergleich
mit einem Belastungsgrenzwert herangezogenen Belastungskontrollwerte,
welche ja jeweils auf einer Vielzahl von Messwerten bzw. Belastungswerten
in dem jeweils betrachteten Zeitfenster basieren, spiegeln dadurch beispielsweise
in einem Magnetresonanztomographiesystem die tatsächliche
in dem zurückliegenden Zeitraum
aufgetretene Strahlenbelastung für
einen Patienten sehr zeitnah wider.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
erfolgt eine Überwachung
der Belastungswerte (und somit der Hochfrequenzleistung) über verschiedene,
ineinander verschachtelte Zeitfenster, d. h. es werden beispielsweise
eine Kurzzeitüberwachung
und eine Langzeitüberwachung durchgeführt. Dabei
werden gleichzeitig für
mehrere unterschiedlich lange Zeitfenster, vorzugsweise für zwei Zeitfenster
von 10 s und 360 s, jeweils Belastungskontrollwerte ermittelt und
mit für
die jeweiligen Zeiträume
geltenden Belastungsgrenzwerten verglichen. Die Hochfrequenzeinrichtung
wird dann in ihrer Funktion eingeschränkt, wenn nur einer der Belastungskontrollwerte
den zugehörigen
Belastungsgrenzwert erreicht oder überschreitet. Dieses Verfahren
dient dazu, um über
ein längeres
Zeitfenster die Einstrahlung einer bestimmten höheren Dosis zu überwachen
und gleichzeitig dafür
zu sorgen, dass nicht innerhalb eines kurzen Zeitfensters die gesamte
innerhalb des zu überwachenden
langen Zeitfensters zulässige
Leistung auf den Patienten eingestrahlt wird und somit durch die
kurzzeitige Belastungsüberhöhung eine
Gefahr für
den Patienten besteht.
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Um
unabhängig
von jedem Zeitraster arbeiten zu können, kann der Belastungs-Kontrollwert
auf der Summe einer Vielzahl von Belastungswerten erzeugt werden,
welche jeweils mit einer Intervall-Länge zwischen der Messung zweier
aufeinander folgender Messwerte gewichtet werden. D. h. es wird
beispielsweise ein Belastungswert mit der Intervall-Länge zwischen
der vorherigen Messung und der betreffenden Messung multipliziert.
Auf diese Weise werden die Belastungswerte in dem zu beobachtenden Zeitfenster
flächenmäßig aufintegriert
und daraus beispielsweise ein Belastungs-Mittelwert berechnet.
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Die
Erfindung umfasst auch eine Hochfrequenzeinrichtung mit einer Sendeeinrichtung
zum Aussenden von Hochfrequenzpulsen, mit einer Messeinrichtung
zum Messen von Messwerten, welche eine Leistung der ausgesendeten
Hochfrequenzpulse repräsentieren
und mit einer Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung, die mit der Messeinrichtung
gekoppelt ist. Die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung, die als Prozessoreinrichtung
ausgeführt
sein kann, ist – vorzugsweise
programmtechnisch – derart
eingerichtet, dass in zeitlichen Abständen Messwerte gemessen und
anhand der Messwerte Belastungswerte ermittelt werden, welche eine
physiologische Wirksamkeit repräsentieren,
die die Hochfrequenzpulse auf ein den Hochfrequenzpulsen ausgesetztes
Objekt haben. Weiterhin ist die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung
so ausgeführt,
dass basierend auf einer Vielzahl von Belastungswerten Belastungskontrollwerte
gebildet werden und dann die Hochfrequenzeinrichtung in ihrer Funktion
eingeschränkt
wird, wenn der Belastungskontrollwert einen Belastungsgrenzwert
erreicht oder überschreitet.
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Ebenso
liegt eine Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung im Rahmen der Erfindung,
welche einen Messwerteingang für
Messwerte und einen Kontrollsignalausgang für Kontrollsignale aufweist.
Die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung ist derart ausgestaltet, dass
in zeitlichen Abständen
Messwerte gemessen und anhand der Messwerte entsprechende Belastungswerte
ermittelt werden, welche eine physiologische Wirksamkeit repräsentieren,
die die Hochfrequenzpulse auf ein den Hochfrequenzpulsen ausgesetztes
Objekt haben. Weiterhin sorgt die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung
dafür,
dass basierend auf der Summe einer Vielzahl von Belastungswerten
Belastungskontrollwerte gebildet werden und dass ein Kontrollsignal,
welches die Einschränkung
der Funktion der Hochfrequenzeinrichtung bewirkt, am Kontrollsignalausgang
ausgegeben wird, wenn ein Belastungskontrollwert einen Belastungsgrenzwert
erreicht oder überschreitet.
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Zudem
umfasst die Erfindung ein Magnetresonanztomographiesystem, das eine
oben beschriebene Hochfrequenzeinrichtung enthält. Daneben umfasst das Magnetresonanztomographiesystem
noch alle weiteren üblichen
Komponenten wie z. B. ein Magnetsystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes,
ein Gradientensystem mit mehreren Gradientenspulen zum Anlegen von
Magnetfeldgradienten, ein Hochfrequenz-Empfangssystem – z. B.
als Teil der Hochfrequenzeinrichtung – mit Empfangsspulen, geeignete
Empfangsverstärker
und einen Bildrechner. Als Empfangsspulen können dabei beispielsweise auch die
Sendespulen dienen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren
anhand von Ausführungsbeispielen
noch einmal näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Prinzipschaltbild einer Hochfrequenzeinrichtung eines Magnetresonanztomographiesystems,
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2 eine
Darstellung eines Zylindermodells zur Verwendung bei einer Berechnung
der Aspektfaktoren für
die Ermittlung der SAR-Belastung in Abhängigkeit von der eingestrahlten
Sendeleistung,
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3 ein
Diagramm, welches exemplarisch den möglichen Verlauf der momentanen
Gesamtbelastung und den Belastungsgrenzwert zeigt,
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4 ein
vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Kontrolle einer
Hochfrequenzeinrichtung.
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Die 1 zeigt
als wichtigen Bestandteil eines Magnetresonanztomographiesystems
eine Hochfrequenzeinrichtung 1, wobei sich die hier gewählte Darstellung
auf den Sendezweig der Hochfrequenzeinrichtung 1 konzentriert.
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Neben
dem Sendezweig der Hochfrequenzeinrichtung 1 umfasst das
Magnetresonanztomographiesystem ein zeichnerisch nicht dargestelltes
Magnetsystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das einen Patienten
P während
einer Untersuchung zumindest teilweise umgibt, sowie ebenfalls nicht
dargestellte Gradientenspulen zum Anlegen von Magnetfeldgradienten.
Außerdem
ist ein nicht dargestelltes Hochfrequenz-Empfangssystem mit zumindest einer
Empfangsspule und einem geeigneten Empfangsverstärker vorgesehen, wobei die
Sendespulen 2, 3 auch die Empfangsspulen bilden
können.
Ein nicht dargestellter Bildrechner sorgt für die Rekonstruktion der Bilder
aus den empfangenen Signalen, um diese z. B. auf einem Bildschirm
darstellen und/oder in einem Speicher hinterlegen zu können. Zur
Koordination des Zusammenwirkens der einzelnen Komponenten dient
eine Messsteuerung 4.
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Die
Hochfrequenzeinrichtung 1 enthält eine Sendeeinrichtung 5 mit
einer Hochfrequenzleistungsverstärker-Einrichtung
(nicht dargestellt), welche Hochfrequenzpulse HL,
HB in einem Leistungsbereich zwischen 10
Watt und 20 kW aussendet. Angesteuert wird diese Sendeeinrichtung 5 von
der Messsteuerung 4. Diese ist beispielsweise vom Bediener über eine
Benutzerschnittstelle 16 mit Monitor, Tastatur, Maus etc.
in üblicher
Weise kontrollierbar. In der Messsteuerung 4 wird u. a.
auf Basis vorgegebener Messprotokolle der Ablauf der einzelnen Messungen kontrolliert
und neben der Aussendung der Hochfrequenzpulse HL,
HB durch die Sendeeinrichtung 5 auch
die Schaltung der (nicht dargestellten) Magnetfeldgradienten am
Tomographen passend gesteuert, so dass die gewünschten Messungen durchgeführt werden.
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Von
der Sendeeinrichtung 5 werden die Hochfrequenzpulse HL, HB über Sendekabel
zu einem Messgerät 6 geleitet.
Vom Messgerät 6 werden dann
die Hochfrequenzpulse HB, HL an
die jeweiligen Sendespulen 2, 3 weitergeleitet.
Im vorliegenden Fall werden die unterschiedlichen Hochfrequenzpulse
HL, HB auf unterschiedlichen
Sendeleitungen und über zwei
verschiedene Spulen 2, 3 ausgesendet, zum einen über eine
Ganzkörperspule 2 (Bodycoil)
und zum anderen über
eine Lokalspule 3, welche direkt auf dem Patienten aufliegt.
Von den Sendespulen 2, 3 werden die Hochfrequenzpulse
HL, HB dann in eine Körperregion
oder verschiedene Körperregionen
eines Patienten P eingestrahlt, welcher innerhalb der Bodycoil 2 positioniert
ist.
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Das
Messgerät 6 ist
hier als Sensor, insbesondere als sogenannter Transmit-Antenna-Level-Sensor
(TALES), ausgeführt
und weist Richtkoppler zum Auskoppeln eines geringen Teils der von der
Sendeeinrichtung 5 an die Sendespulen 2, 3 abgegebenen
Vorwärtsleistungen
und der von den jeweiligen Sendespulen 2, 3 zurückkommenden
Rückwärtsleistungen
auf, welche dann jeweils in eine Effektivspannung umgesetzt werden.
Die so gemessenen Hochfrequenzspannungen können insbesondere zwischen
0 und 1000 Volt liegen. Die gemessenen Werte werden vom Messgerät 6 ggf.
nach einer Analog-/Digitalwandlung und sonstiger Vorverarbeitung über Messwerteingänge 12 einer
Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 7 zugeführt. Die
Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 7 weist eine Prozessoreinrichtung samt
digitalem Signalprozessor auf. Der schematische Aufbau dieser Einrichtung 7 ist
aus 1 erkennbar.
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In
bestimmten Zeitabständen,
beispielsweise im Abstand von 20 μs
werden die gemessenen Spannungswerte in die in den Sendespulen 2, 3 des Magnetresonanztomographen
verbleibende resultierende Leistung umgerechnet, indem von der eingehenden
Leistung, d. h. der Vorwärtsleistung,
die rücklaufende
Leistung wieder abgezogen wird. Das heißt, es werden in festen Zeitabständen von
20 μs Messwerte
MB, ML für die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 7 erfasst.
Diese Vorverarbeitung der Spannungswerte in die eigentlich erwünschten
Messwerte MB, ML findet
hier im Messgerät 6 statt.
Alternativ kann sie aber auch durch eine Schnittstelle am Messwerteingang 12 bzw.
erst in der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 7 erfolgen.
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Die
Messwerte MB, ML,
welche jeweils die Leistung der HF-Pulse HL, HB für
die Lokalspule 3 und für
die Bodycoil 2 repräsentieren,
werden innerhalb der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 7 zunächst an eine
(SAR-) Belastungs-Berechnungseinheit 8 übergeben.
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Über weitere
Signaleingänge 14 der
Hochfrequenzkontrolleinrichtung 7 werden der Belastungs-Berechnungseinheit 8 von
der Sendeeinrichtung 5 die Frequenzwerte FB,
FL zugeführt,
welche die Frequenzen der jeweils auf den beiden Sendepfaden ausgesendeten
HF-Pulse HL, HB repräsentieren.
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Außerdem erhält die Belastungs-Berechnungseinheit 8 über einen
weiteren Signaleingang 15 der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 7 Patienten- und
Spulendaten PSD. Hierbei handelt es sich um Daten PSD über die
Lage und den Typ der Spulen 2, 3 bzw. auch über das
Untersuchungsobjekt bzw. den Patienten P. Diese Daten PSD können beispielsweise über die
Benutzerschnittstelle 16 eingegeben werden oder werden
beispielsweise aus dem Messprotokoll in der Messsteuerung 4 an
die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 7 übergeben.
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Die
Patienten- und Spulendaten PSD sowie die Frequenzwerte FB, FL werden zunächst einer
Wirkungsfaktor-Ermittlungseinheit 10 der Belastungs-Berechnungseinheit 8 zugeführt. In
dieser Wirkungsfaktor-Ermittlungseinheit 7 werden die Wirkungsfaktoren
WFL, WFB berechnet,
welche momentan für
die beiden Sendepfade zur Lokalspule 3 bzw. zur Bodycoil 2 gelten.
Mit Hilfe solcher Wirkungsfaktoren WFL,
WFB können
die Messwerte ML, MB in
die momentanen (Teil-)Belastungswerte BL,
BB umgerechnet werden.
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Das
in 1 dargestellte System arbeitet lediglich mit zwei
Sendepfaden, einem für
die Lokalspule 3 und einem weiteren für die Bodycoil 2.
Darüber
hinaus ist das System in der Lage, auf den beiden Sendepfaden mit
jeweils zwei Frequenzen zu arbeiten. Das heißt, es müssen von der Wirkungsfaktor-Ermittlungseinheit 10 nur
für vier
Situationen in Abhängigkeit
von den gegebenen Patienten- und Spulendaten PSD die zugehörigen Wirkungsfaktoren WFL, WFB ermittelt
werden. In der Praxis werden jeweils diese vier Wirkungsfaktoren
für verschiedene Patiententypen
und verschiedenen Positionen der Lokalspule im vorhinein berechnet,
so dass die WirkungsfaktorErmittlungseinheit 10 lediglich
auf Basis der erhaltenen Frequenzwerte FL,
FB und der erhaltenen Patienten- und Spulendaten
PSD den passenden Wirkungsfaktor WFL, WFB aus einer Datenbasis auswählen muss.
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Für eine Vorab-Berechnung
eines einzelnen Wirkungsfaktors WFL, WFB kann zunächst eine eingestrahlte Leistung
vorausgesetzt und dann ein durch diese eingestrahlte Hochfrequenzleistung
mit einer bestimmten Frequenz sich ergebender SAR-Wert berechnet werden.
Dies kann unter Verwendung der sogenannten „Aspektfaktoren" erfolgen, welche
angeben, wie viel SAR-Belastung für einen Aspekt aus der eingestrahlten
Sendeleistung entstehen bzw. welches E-Feld in den Körper des
Patienten durch eine auf bestimmte Weise eingestrahlte Sendeleistung
induziert wird. Die derzeitigen Normen sehen dabei verschiedene
Aspekte vor, wie z. B. einen Ganzkörperaspekt, einen Kopfaspekt
und einen exponierten Teilkörperaspekt.
Zur Berechnung der absorbierten Leistung wird dabei im Wesentlichen
ein Zylindermodell verwendet, wobei der Patient durch vier homogene
Zylinder, einen Kopfzylinder I, einen Torsozylinder II und zwei
Beinzylinder III modelliert wird, wie dies in 2 schematisch
dargestellt ist. Mit Hilfe des Faradayschen Gesetzes können dann die
Einzelabsorptionen der Zylinder in dem äußeren homogenen Hochfrequenzfeld
HF errechnet werden. Zu berücksichtigen
ist dabei noch die Irradiation des Patienten, d. h. wie viel des
jeweiligen Zylindermodells der Bestrahlung ausgesetzt ist. Dieses
einfache Modell kann mit Hilfe von Simulationsrechnung verfeinert
werden. Die Gesamtabsorption ergibt sich dann aus der Summe der
Einzelabsorptionen. Die jeweilige SAR-Belastung kann schließlich aus
der Absorption, dividiert durch die entsprechende Teilkörpermasse,
berechnet werden. Insofern kann auch die prozentuale Verteilung
der absorbierten Leistung auf die unterschiedlichen Aspekte ermittelt
werden. Grundsätzlich
sind derartige Berechnungsverfahren aber dem Fachmann bekannt. Berechnungsmethoden
zur Leistungsabsorption werden beispielsweise von Paul. A. Bottomley
et. al. in „Estimating
Radiofrequency Power Deposition in Body NMR-Imaging", Magnetic Resonance
in Medicine 2, 1985, S. 336-349, beschrieben. Darüber hinaus
gibt es bereits fertige Simulationsprogramme, mit denen auch einfache
Modelle überprüft werden
können.
Da die SAR-Belastung auch von der Körpermasse abhängt, muss
diese Berechnung – wenn
sie sehr genau werden soll – für jeden
einzelnen Patienten durchgeführt werden.
Grundsätzlich
reicht es aber aus, wenn bestimmte Patiententypen festgelegt werden,
die durch ihre Körpergröße und Masse
spezifiziert sind und dann ein entsprechender vorgefertigter Wert
für einen
Patienten des entsprechenden Typs ausgewählt wird. Auf diese Weise kann
während
der Messung erheblicher Rechenaufwand eingespart werden.
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Bei
dieser Form der Berechnung werden als Wirkungsfaktoren WFL, WFB SAR-Faktoren
ermittelt, mit denen unmittelbar eine Umrechnung der die ausgestrahlte
Sendeleistung repräsentierenden
Messwerte ML, MB in
SAR-Belastungswerte BL, BB möglich ist,
indem die Messwerte ML, MB einfach
mit den zugehörigen
SAR-Wirkungsfaktoren WFL, WFB multipliziert
werden, wie dies in 1 schematisch dargestellt ist.
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In
einer Gesamtbelastungs-Berechnungseinheit 9, welche Teil
der Belastungs-Berechnungseinheit 8 sein kann, werden dann
die einzelnen Teil-Belastungswerte BB, BL beispielsweise durch einfache Aufsummation
verknüpft
und so ein momentaner Gesamtbelastungswert B, welcher der momentanen
Gesamt-SAR entspricht, ermittelt.
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In 3 ist
lediglich als ein Beispiel schematisch ein möglicher Verlauf der momentanen
Gesamt-SAR-Belastung B über
einer Zeitachse t dargestellt. Für
den Vergleich ist auch der Belastungsgrenzwert BG (hier das SAR-Limit)
eingezeichnet, welcher sich ebenfalls – jedoch in der Regel langsam – mit der
Zeit ändern
kann, weil sich z. B, die (klimatischen) Umgebungsparameter am Tomographen ändern.
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Der
momentane Belastungswert B darf, wie in 3 dargestellt,
den Belastungsgrenzwert BG kurzfristig etwas überschreiten. Es muss jedoch
sichergestellt werden, dass dieser Belastungswert B im Mittel, bezogen
auf vorgegebene Zeitintervalle von beispielsweise 10 s und/oder
360 s, den Belastungsgrenzwert BG – hier das vom Gesetzgeber
vorgeschriebene SAR-Limit BG – nicht überschreitet.
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Hierzu
wird, wie in 1 dargestellt, der momentane
Gesamt-Belastungswert
B an eine Belastungskontrolleinheit 11 übergeben, welche für die Einhaltung
der Grenzwerte unter den vorgegebenen Bedingungen sorgt.
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Hierzu
zeigt 4 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Dabei sind zunächst entlang
einer Zeitachse t mehrere Hochfrequenzpulse HL,i,
HB,i, i = 1, 2, 3, 4,... dargestellt, die
von der Sendeeinrichtung 5 ausgesendet werden. Darunter sind
ebenfalls entlang der Zeitachse t Messwerte ML,i, MB,i, i = 1, 2, 3, 4, 5,... dargestellt, welche
die Leistung der Hochfrequenzpulse HL, HB repräsentieren.
Dabei werden in der Regel für
jeden Hochfrequenzpuls HL, HB mehrere
Messwerte ML, MB genommen.
Mit Hilfe der von der Wirkungsfaktor-Ermittlungseinheit 10 zur Verfügung gestellten
Wirkungsfaktoren WFB, WFL werden
dann die Messwerte ML,i, MB,i,
i = 1, 2, 3, 4, 5,.., in Belastungswerte BL ,i, BB,i, i = 1,
2, 3, 4, 5,... umgerechnet. Die Belastungswerte BL,
BB werden dann zu Gesamt-Belastungswerten
Bi, i = 1,2,3,4,5,... aufsummiert.
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Durch
ein im Zeitbereich über
die Gesamt-Belastungswerte B gleitendes Fenster Δt wird jeweils eine Vielzahl
der Belastungswerte B ausgewählt
und zu einem Kontrollwert BK weiterverarbeitet. So werden hier die
Werte B1, B2, B3 zu einem ersten Belastungs-Kontrollwert
BK1 verarbeitet. Ebenso werden kurze Zeit
später
die Messwerte B2, B3,
B4 durch das gleitende Fenster Δt ausgewählt und
zu dem Belastungs-Kontrollwert BK2 weiterverarbeitet. Die
Länge des
Fensters Δt
beträgt
vorzugsweise 10 Sekunden oder 360 Sekunden. Besonders bevorzugt erfolgen
eine Kurzzeitüberwachung
z. B. mit einem 10-Sekunden-Fenster
und eine Langzeitüberwachung
z. B. mit einem 360-Sekunden-Fenster.
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In
diesem Beispiel wird der Kontrollwert BK jeweils dadurch aus der
ausgewählten
Vielzahl von Belastungswerten B bestimmt, indem der Mittelwert der
ausgewählten
Belastungswerte B gebildet wird. Nur der einfachen Darstellbarkeit
wegen umfasst die ausgewählte
Vielzahl von Belastungswerten B hier jeweils nur drei Werte. Je
nach Ausgestaltung der Erfindung kann diese Vielzahl beliebig viele
Werte umfassen.
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In
einer weiteren Verarbeitungsstufe werden dann die Belastungskontrollwerte
BK mit einem durch eine Norm vorgegebenen Belastungsgrenzwert BG
verglichen. Die Belastungsgrenzwerte können dabei insbesondere durch
eine Norm in Abhängigkeit
vom Körpergewicht
des betroffenen Patienten bestimmt werden. Stellt sich dabei heraus,
dass ein Belastungskontrollwert BK größer oder gleich einem Belastungsgrenzwert
BG ist, so wird ein Kontrollsignal KS ausgegeben. Dieses Kontrollsignal
KS der Belastungskontrolleinheit 11 wird über einen
Steuerausgang 13 dann an die Sendeeinrichtung 5 weitergeleitet,
so dass die Sendeeinrichtung 5 bzw. die darin enthaltene
Hochfrequenz-Leistungsverstärkereinrichtung
zumindest vorläufig
deaktiviert wird.
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Es
wird abschließend
noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehenden, detailliert
beschriebenen Verfahren sowie bei dem dargestellten Hochfrequenzsystem
bzw. der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung um Ausführungsbeispiele handelt,
welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden
können,
ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann auch die
Erfassung der Leistungsmesswerte auf andere Weise als in der dargestellten
Form erfolgen. Auch wenn die Erfindung vorstehend exemplarisch anhand eines
Magnetresonanztomographiesystems im medizinischen Bereich beschrieben
wurde, ist die Erfindung auch in anderen Anwendungsgebieten einsetzbar,
wie insbesondere in wissenschaftlichen und/oder industriell genutzten
Magnetresonanztomographiesystemen oder beispielsweise auch in der Mobilfunkkommunikation
oder in anderen Arten der funkbasierten Kommunikation.