DE102006059499B4

DE102006059499B4 - Verfahren zur Reduzierung von Wirbelströmen bei einem Magnetresonanzgerät

Info

Publication number: DE102006059499B4
Application number: DE200610059499
Authority: DE
Inventors: Daniel Fischer; Thorsten Dr. Speckner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2026-12-16
Also published as: DE102006059499A1

Abstract

Verfahren zur Reduzierung von Wirbelströmen bei einem Magnetresonanzgerät,
– bei dem dynamische Feldstörungen des Gradientenfeldes an verschiedenen Ortspositionen durch Messung bestimmt werden,
– bei dem für die ortsabhängigen Feldstörungen zugeordnete dominante Störfrequenzen ermittelt werden, die im weiteren für eine angepasste Beschreibung der Magnetflussdichte verwendet werden,
– bei dem für einen homogenen Anteil der Magnetflussdichte eine Zerlegung der Ortsabhängigkeit der dynamischen Feldstörungen nach Multipolen durchgeführt wird,
– bei dem für einen linearen Anteil der Magnetflussdichte eine Zerlegung der Ortsabhängigkeit der dynamischen Feldstörungen nach Multipolen durchgeführt wird, und
– bei dem die ortsabhängigen dominanten Störfrequenzen durch Vorverzerrung der Gradientenimpulse gleichzeitig kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von Wirbelströmen für ein Magnetresonanzgerät.
Bei einem Magnetresonanzgerät wird ein Gradientenfeld durch geschaltete Ströme in einem Gradientenspulensystem gebildet, wobei das Gradientenspulensystem ein zu untersuchendes Objekt in einem Messvolumen umgibt.
Im Messvolumen werden in drei kartesischen Raumkoordinaten Gradienten der magnetischen Flussdichte benötigt, die einer zeitlich vorgegebenen Kurvenform exakt folgen sollen. Dies wird dadurch erreicht, dass ein jeweils einer Raumkoordinate zugeordnetes Spulensystem von einem Leistungsverstärker entsprechend erregt wird.
Bedingt durch leitfähige Komponenten entstehen bei Änderungen des Magnetfeldes Wirbelströme, die in ihrer Feldwirksamkeit die Untersuchung des Objekts im Messvolumen unerwünscht beeinflussen. Zu den leitfähigen Komponenten gehören beispielsweise eine zur Hochfrequenzabschirmung verwendete Kupferfolie oder verwendete Magnetstrukturen (z. B. Gehäuse oder Kälteschilde).
Die induzierten Wirbelströme, die zu so genannten dynamischen Feldfehlern führen, sind typischerweise exponentiell gedämpft, können aber auch oszillierende Komponenten aufweisen.
Von rein exponentiell gedämpften Wirbelströmen hervorgerufene Feldfehler weisen keine Ortsabhängigkeit auf (also Ortsabhängigkeit der Ordnung Null). Diese Feldfehler werden durch ein Nachführen der Mittenfrequenz des Magnetresonanzgeräts kompensiert. Deren Ortsabhängigkeit wird auch als homogener Anteil bezeichnet.
Feldfehler mit einer linearen Ortsabhängigkeit, die so genannten Feldfehler erster Ordnung, werden durch Vorverzerrung des Gradientenstromes kompensiert.
Aus der Druckschrift "Correction for Oscillatory B0 Eddy Currents by Transmit and Receive Frequency Shifting" von King, Zhang, und Ganin, Poster 744, ISMRM 1999, ist bekannt, dass im niederfrequenten Anregungsbereich (typischerweise bei Frequenzen kleiner 100 Hertz) eine Kompensation von oszillierenden homogenen Wirbelströmen zu einer Reduktion so genannter Geistamplituden führt.
Dieser Ansatz ist lediglich auf Wirbelströme mit einer einzigen Oszillationsfrequenz anwendbar. Auch sind mit diesem Ansatz lediglich Einflüsse von homogenen Feldstörungen kompensierbar.
Aus der US 6 271 666 A ist bekannt, für einen Ort eine ortsabhängige dynamische Feldstörung des Gradientenfeldes zu bestimmen und eine zugeordnete dominante Störfrequenz zu ermitteln, um durch Vorverzerrung von Signalen an diesem Ort eine Kompensation durchzuführen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Magnetresonanzgerät anzugeben, das eine verbesserte Reduzierung von Wirbelströmen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass durch die Wechselwirkung des Gradientenstromes bzw. der induzierten Wirbelströme mit dem Hauptmagnetfeld Kräfte entstehen, die mit zunehmender Feldstärke des Hauptmagnetfeldes ansteigen.
Auf Grund dieser Kräfte werden stromdurchflossene Strukturen zu mechanischen Schwingungen angeregt, so dass neben den rein exponentiell abklingenden Wirbelstromkomponenten auch hinsichtlich ihrer Feldwirksamkeit oszillierende Wirbelstromkomponenten entstehen. Diese können auch Ortskomponenten höherer Ordnung enthalten.
Bei der vorliegenden Erfindung wurde weiter erkannt, dass durch diese oszillierenden Wirbelstromanteile ein beträchtli cher Einfluss auf ein zu gewinnendes Untersuchungsergebnis ausgeübt wird und dass daher dieser Einfluss mit berücksichtigt werden muss.
Daher werden beim erfindungsgemäßen Verfahren dynamische Feldstörungen an verschiedenen Ortspositionen, die durch Vektoren r →₁, r →₂, r →₃, ..., r →_m bestimmt sind, durch Messung bestimmt.
Nachfolgend wird eine Zerlegung der Ortsabhängigkeit der dynamischen Feldfehler nach Multipolen durchgeführt.
Im Folgenden wird beispielhaft der Fall für zwei dominante Störfrequenzen f₁, f₂ betrachtet.
Für Ortskomponenten erster Ordnung und für eine frei wählbare Raumachse, beispielsweise hier als x-Raumachse bezeichnet, erfolgt die Zerlegung nach Multipolen gemäß dem folgenden beispielhaften Formelansatz für einen homogenen Anteil der Magnetflussdichte: B0(t, A0 1, A0 2, τ0 1, τ0 2, ω0 1, ω0 2, φ0 1, φ0 2) = 1/2(B(t, – x0, 0,0) + B(t, + x0‚ 0,0))mit:

B: als gemessene magnetische Flussdichte zur Zeit t an der Position (–x₀, 0,0) bzw. an der Position (+x₀, 0,0),
B⁰: als optimierte Magnetflussdichte des homogenen Magnetfelds,
A⁰ ₁, A⁰ ₂: als Amplitudenwerte der dominanten ersten Störfrequenz f₁ bzw. zweiten Störfrequenz f₂,
ω⁰ ₁ = 2·π·f₁, ω⁰ ₂= 2·π·f₂: als jeweilige Kreisfrequenzen,
τ⁰ ₁, τ⁰ ₂: als zur Kompensation verwendete Zeitkonstanten, und mit
φ⁰ ₁, φ⁰ ₂: als zur Kompensation verwendete Phasenwerte.

Die Zerlegung nach Multipolen erfolgt gemäß dem folgenden beispielhaften Formelansatz für einen linearen Anteil der Magnetflussdichte: B1(t, A1 1, A1 2, τ1 1, τ1 2, ω1 1, ω1 2, φ1 1, φ1 2) = 1/2(B(t, – x0, 0,0) + B(t, + x0‚ 0,0))mit:

B: als gemessene magnetische Flussdichte zur Zeit t an der Position (–x₀, 0,0) bzw. an der Position (+x₀, 0,0),
B¹: als optimierte Magnetflussdichte mit linearem Magnetfeldanteil,
A¹ ₁, A¹ ₂: als Amplitudenwerte der dominanten ersten Störfrequenz f₁ bzw. zweiten Störfrequenz f₂,
ω¹ ₁ = 2·π·f₁, ω¹ ₂ = 2·π·f₂: als jeweilige Kreisfrequenzen,
τ¹ ₁, τ¹ ₂: als zur Kompensation verwendete Zeitkonstanten, und mit
φ¹ ₁, φ¹ ₂: als zur Kompensation verwendete Phasenwerte.

Dieses Modell kann auf beliebig viele Frequenzanteile und Multipolanteile erweitert werden.
Abschließend erfolgt eine Kompensation der störenden Frequenzen durch geeignete Wahl der Parameter τ¹ ₁, τ¹ ₂, φ¹ ₁ und φ¹ ₂, die zur Vorverzerrung der Gradientenimpulse verwendet werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung werden störende oszillierende Wirbelströme, die durch zumindest zwei dominante Störfrequenzen verursacht werden, gleichzeitig kompensiert.
Aus der ortsabhängig gemessenen, dynamischen Feldstörung der Magnetflussdichte werden, beispielsweise mit Hilfe einer Fourier-Transformation, jeweilige dominante (Stör-)Frequenzen ermittelt.
Mit Hilfe der ermittelten dominanten Frequenzen erfolgt eine angepasste Beschreibung der Magnetflussdichte.
Beispielhaft wird für zwei dominante Frequenzen f₁ und f₂ folgender Formelansatz verwendet:
mit:

B^0,1: als homogenen bzw. linearen Anteil der magnetischen Flussdichte,
t: als Zeitwert,
A₁: als Amplitudenwert der dominanten ersten Frequenz f1,
A₂: als Amplitudenwert der dominanten zweiten Frequenz f2,
ω₁ = 2·π·f₁, ω₂ = 2·π·f₂: als jeweilige Kreisfrequenzen,
τ₁, τ₂: als zur Kompensation verwendete Zeitkonstante,
φ₁, φ₂: als zur Kompensation verwendete Phasenwerte.

Diese Formel ist für weitere dominante Frequenzen entsprechend erweiterbar.
Die Kompensation der störenden dominanten Frequenzen erfolgt durch Vorverzerrung der Gradientenimpulsform durch geeignete Wahl der Zeitkonstanten τ bzw. der Phasenwerte φ.
Dieser Formelansatz erlaubt eine simultane und unabhängige Kompensation mehrerer dominanter Störfrequenzen unter Verwendung unterschiedlicher Zeitkonstanten sowie Phasen.
Wirbelströme mit linearen Komponenten werden durch Vorverzerrung der Gradientenimpulsform kompensiert.
Mit Hilfe des oben genannten Ansatzes werden oszillatorisch exponentiell abklingende Wirbelströme mit Ortskomponenten höherer Ordnung (d. h. mit einer höheren Ordnung als die lineare Ordnung) kompensiert, wobei die Kompensation beispielsweise durch eine Verwendung von schnell schaltbaren Korrekturspulen durchführbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere vorteilhaft zur Kompensation von dynamischen Feldfehlern in einem Frequenzbereich von 200 Hz bis ca. 2000 Hz anwendbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine gemessene Feldstörung erster Ordnung,
2 eine auf 1 bezogene Fourier-Transformation,
3 eine vergleichende Darstellung der gemessenen Feldstörung erster Ordnung aus 1 und einen durch das erfindungsgemäße Verfahren modellierten Zeitverlauf der Feldstörung, und
4 eine vergleichende Darstellung von Geistamplituden eines Messobjekts.
1 zeigt eine gemessene Feldstörung erster Ordnung, die aufgrund einer dynamischen Feldstörung verursacht wurde.
Dabei ist längs der horizontalen Achse der zeitliche Verlauf aufgetragen, während längs der vertikalen Achse eine Frequenz gemessen an einer Position r → ≠ 0 bzw. dazu korrespondierende Feldgradienten aufgetragen sind.
Die dynamische Feldstörung ergibt sich aus einem dynamischen Feldfehler an einer Ortsposition r → = (x, 0,0) eines Messvolumens nach einem vorangehenden sinusförmigen Gradientenpuls mit einer diskreten Frequenz von beispielsweise 689 Hz.
Die Lokalisierung bzw. die Ortsbestimmung wird mit Hilfe einer Magnetresonanz-Probe durchgeführt.
2 zeigt eine auf 1 bezogene Fourier-Transformation der gemessenen Feldstörung.
Dabei sind auf der vertikalen Achse Amplitudenwerte aufgetragen, während auf der vertikalen Achse jeweilige Frequenzen aufgetragen sind.
Deutlich zu erkennen sind jeweilige dominante Amplituden bei einer ersten Störfrequenz f1 = 689 Hz und bei einer zweiten Störfrequenz f2 = 775 Hz.
Die erste Störfrequenz f1 repräsentiert dabei eine mechanische Anregungsfrequenz, während die zweite Störfrequenz f2 eine mechanische Eigenfrequenz (erste Modenschwingung) der Gradientenspule repräsentiert.
Wie vorstehend beschrieben erfolgt nun eine angepasste Beschreibung der Magnetflussdichte durch den folgenden Ansatz:
Dieser Ansatz erlaubt eine gleichzeitige Kompensation der beiden Störfrequenzen f1 bzw. f2.
3 zeigt eine vergleichende Darstellung der gemessenen Feldstörung erster Ordnung aus 1 und die durch das erfindungsgemäße Verfahren modellierte Feldstörung erster Ordnung, die wiederum als Eingabe für die Kompensation verwendbar ist.
Dabei ist längs der horizontalen Achse wieder der zeitliche Verlauf aufgetragen, während längs der vertikalen Achse eine Frequenz bzw. dazu korrespondierende Feldgradienten aufgetragen sind.
Eine punktierte Linie LINZ zeigt die in 1 gezeigte Feldstörung, während eine durchgezogene Linie LIN2 eine durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens modellierten, verbesserten Verlauf der Feldstörung zeigt.
4A zeigt Geistamplituden eines Messobjekts, die ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurden.
4B zeigt Geistamplituden eines Messobjekts, die mit Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt wurden.
Insbesondere in den gezeigten kleineren Kreisen ist eine Verbesserung der Struktur des Messobjekts erkennbar.

Claims

Verfahren zur Reduzierung von Wirbelströmen bei einem Magnetresonanzgerät, – bei dem dynamische Feldstörungen des Gradientenfeldes an verschiedenen Ortspositionen durch Messung bestimmt werden, – bei dem für die ortsabhängigen Feldstörungen zugeordnete dominante Störfrequenzen ermittelt werden, die im weiteren für eine angepasste Beschreibung der Magnetflussdichte verwendet werden, – bei dem für einen homogenen Anteil der Magnetflussdichte eine Zerlegung der Ortsabhängigkeit der dynamischen Feldstörungen nach Multipolen durchgeführt wird, – bei dem für einen linearen Anteil der Magnetflussdichte eine Zerlegung der Ortsabhängigkeit der dynamischen Feldstörungen nach Multipolen durchgeführt wird, und – bei dem die ortsabhängigen dominanten Störfrequenzen durch Vorverzerrung der Gradientenimpulse gleichzeitig kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, – bei dem für Ortskomponenten erster Ordnung und für eine frei wählbare Raumachse eine Zerlegung nach Multipolen gemäß dem folgenden Formelansatz für den homogenen Anteil der Magnetflussdichte durchgeführt wird: B0(t, A0 1, A0 2, τ0 1, τ0 2, ω0 1, ω0 2, φ0 1, φ0 2) = 1/2(B(t, – x0, 0,0) + B(t, + x0‚ 0,0))mit: B als gemessene magnetische Flussdichte zur Zeit t an einer Position (–x₀, 0,0) bzw. an einer Position (+x₀, 0,0), B⁰ als optimierte Magnetflussdichte des homogenen Magnetfelds, A⁰ ₁, A⁰ ₂ als Amplitudenwerte einer dominanten ersten Störfrequenz f₁ bzw. zweiten Störfrequenz f₂, ω⁰ ₁ = 2·π·f₁, ω⁰ ₂ = 2·π·f₂ als jeweilige Kreisfrequenzen, τ⁰ ₁, τ⁰ ₂ als zur Kompensation verwendete Zeitkonstanten, φ⁰ ₁, φ⁰ ₂ als zur Kompensation verwendete Phasenwerte, und mit x als Raumachse, – wobei durch die Wahl der Zeitkonstanten und/oder der Phasenwerte die Kompensation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, – bei dem für Ortskomponenten erster Ordnung und für eine frei wählbare Raumachse eine Zerlegung nach Multipolen gemäß dem folgenden Formelansatz für einen linearen Anteil der Magnetflussdichte durchgeführt wird: B1(t, A1 1, A1 2, τ1 1, τ1 2, ω1 1, ω1 2, φ1 1, φ1 2) = 1/2(B(t, – x0, 0,0) + B(t, + x0‚ 0,0))mit: B als gemessene magnetische Flussdichte zur Zeit t an der Position (–x₀, 0,0) bzw. an der Position (+x₀, 0,0), B¹ als optimierte Magnetflussdichte mit linearem Magnetfeldanteil, A¹ ₁, A¹ ₂ als Amplitudenwerte einer dominanten ersten Störfrequenz f₁ bzw. zweiten Störfrequenz f₂, ω¹ ₁ = 2·π·f₁, ω¹ ₂ = 2·π·f₂ als jeweilige Kreisfrequenzen, τ¹ ₁, τ¹ ₂ als zur Kompensation verwendete Zeitkonstanten, φ¹ ₁, φ¹ ₂ als zur Kompensation verwendete Phasenwerte, und mit x als Raumachse, – wobei durch die Wahl der Zeitkonstanten und/oder der Phasenwerte die Kompensation erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, – bei dem aus einer ortsabhängig gemessenen, dynamischen Feldstörung der Magnetflussdichte zumindest zwei dominante Frequenzen f₁ und f₂ ermittelt werden, – bei dem eine angepasste Beschreibung der Magnetflussdichte gemäß dem folgenden Formelansatz erstellt wird:
mit: B als magnetischer Flussdichte, t als Zeitwert, A₁ als Amplitudenwert der dominanten ersten Frequenz f1, A₂ als Amplitudenwert der dominanten zweiten Frequenz f2, ω₁ = 2·π·f₁, ω₂ = 2·π·f₂ als jeweilige Kreisfrequenzen, τ₁, τ₂ als zur Kompensation verwendete Zeitkonstante, φ₁, φ₂ als zur Kompensation verwendete Phasenwerte, und – bei dem eine Kompensation der störenden dominanten Frequenzen durch Vorverzerrung der Gradientenimpulsform erfolgt, indem eine Wahl der Zeitkonstanten τ bzw. der Phasenwerte φ durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die ortsabhängigen, dynamischen Feldstörungen des Gradientenfeldes für oszillierende Wirbelströme höherer Ordnung bestimmt werden.