DE102008063630A1

DE102008063630A1 - Verfahren zur Kontrolle einer Hochfrequenzsendeeinrichtung, Hochfrequenzsendeeinrichtung, Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung und Magnetresonanztomographiesystem

Info

Publication number: DE102008063630A1
Application number: DE102008063630A
Authority: DE
Inventors: Jürgen NISTLER; Markus Dr. Vester
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-08-05
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: DE102008063630B4; US8442616B2; US20100167668A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Kontrolle einer Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) eines Magnetresonanztomographiesystems (1) mit einem Sendeantennensystem (15) mit einer Mehrzahl von Sendekanälen (K, K, K, K, K, K, K, K) bei einer Magnetresonanzmessung eines Untersuchungsobjekts (O) beschrieben, bei dem eine Referenz-Streuparametermatrix (S) des Sendeantennensystems (15) im unbelasteten Zustand und eine objektspezifische Streuparametermatrix (S) des Sendeantennensystems (15) in einem mit dem Untersuchungsobjekt (O) belasteten Zustand ermittelt wird. Außerdem werden zeitabhängig Sendeamplitudenvektoren (U, U, U, U, U) ermittelt, welche die Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen (K, K, K, K, K, K, K, K) repräsentieren. Auf Basis der objektspezifischen Streuparametermatrix (S), der Referenz-Steuparametermatrix (S) und der Sendeamplitudenvektoren (U, U, U, U, U) werden zu bestimmten Sendezeitpunkten (t) im Untersuchungsobjekt (O) absorbierte Hochfrequenzleistungswerte (P, P, P, P, P) ermittelt und basierend auf einer Vielzahl der ermittelten Hochfrequenzleistungswerte (P, P, P, P, P) werden eine Anzahl von Kontrollwerten (KW, KW, KW) gebildet. Die Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) wird in ihrer Funktion eingeschränkt, wenn ein Kontrollwert (KW, KW, KW) einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert (GK) ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle einer Hochfrequenzsendeeinrichtung eines Magnetresonanztomographiesystems mit einem Sendeantennensystem mit einer Mehrzahl von Sendekanälen bei einer Magnetresonanzmessung eines Untersuchungsobjekts. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Hochfrequenzsendeeinrichtung für ein solches Magnetresonanztomographiesystem, eine Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung für eine solche Hochfrequenzsendeeinrichtung sowie ein Magnetresonanztomographiesystem mit einer solchen Hochfrequenzsendeeinrichtung.
Eine Bildgebung mit einem Magnetresonanztomographiesystem 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 Magnetresonanztomographiesystem umfasst daher eine Vielzahl zusammenwirkender Bestandteile, von denen ein jedes den Einsatz moderner und aufwändiger Technologien erfordert. Ein zentrales Element eines Magnetresonanztomographiesystems, das auch von der Erfindung betroffen ist, ist die Hochfrequenzsendeeinrichtung, die insbesondere für die Erzeugung der in eine Körperregion einzustrahlenden Hochfrequenzpulse zuständig ist. Die von einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker der Hochfrequenzsendeeinrichtung ausgegebenen Hochfrequenzpulse werden dabei zu einem Sendeantennensystem geleitet, von dem die Hochfrequenzpulse in eine Körperregion einstrahlt werden.
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). Beispielsweise wird für die sogenannte Ganzkörper-SAR verlangt, dass die vom Patienten absorbierte Leistung in einem über 6 Minuten Bemittelten Zeitfenster einen Wert von 4 W/kg nicht überschreiten darf. Dabei sind in den Magnetresonanzsystemen Messeinrichtungen vorgesehen, mit denen die Hochfrequenzleistung gemessen werden kann. Üblicherweise werden hierzu Richtkoppler in den Zuleitungen zum Antennensystem verwendet. Da diese Richtkoppler nur die Summenleistung messen können, wird dabei auch immer die Leistung erfasst, die in der Anlage selbst, beispielsweise in den Kabeln oder in Sendeantennensystemen, in Verlustwärme umgesetzt wird. Um die zulässigen Grenzwerte maximal ausnutzen zu können und dadurch die Bildgebung insgesamt zu verbessern und/oder die Messzeit verkürzen zu können, wäre es wünschenswert, den im Sendeantennensystem verbleibenden Anteil der Sendeleistung ermitteln bzw. aus dem Messergebnis eliminieren zu können. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Sendeantennensystem durch den Patienten selbst nur wenig belastet wird, was z. B. bei reinen Kopfuntersuchungen der Fall ist.
Für Magnetresonanzsysteme mit einfachen, linear oder zirkular polarisierten Antennen sind geeignete Verfahren zur Bestimmung der Antennenverluste bekannt. Diese Verfahren können aber leider nicht direkt auf Sendeantennensysteme mit mehreren unabhängigen Sendekanälen übertragen werden, beispielsweise auf Sendeantennensysteme mit einer Birdcage-Antenne, bei der zur Erzeugung beliebiger Feldverteilungen die einzelnen Antennenstäbe separat ansteuerbar sind. In solchen Sende antennensystemen verändert sich die Stromverteilung im Gegensatz zu reinen linear oder zirkular polarisierten Antennen je nach der gewählten Ansteuerung, so dass folglich auch die in dem Sendeantennensystem verbleibenden Verluste stark variieren können.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine technische Lehre zur Kontrolle einer Hochfrequenzsendeeinrichtung anzugeben, welche auch bei einem Sendeantennensystem mit einer Mehrzahl von separat ansteuerbaren Sendekanälen ein Überschreiten der vom Untersuchungsobjekt absorbierten Hochfrequenzleistung über einen vorgegebenen Schwellwert sicher verhindert und andererseits die Ausnutzung der gegebenen Grenzwerte soweit wie möglich erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Hochfrequenzsendeeinrichtung gemäß Patentanspruch 13, eine Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung gemäß Patentanspruch 15 sowie ein Magnetresonanztomographiesystem gemäß Patentanspruch 16 gelöst.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es erforderlich, eine Referenz-Streuparametermatrix des Sendeantennensystems im unbelasteten Zustand zu ermitteln. Außerdem wird eine objektspezifische Streuparametermatrix des Sendeantennensystems in einem durch das Untersuchungsobjekt, beispielsweise den Körper bzw. den betreffenden Körperteil des Patienten, belasteten Zustand ermittelt. Es werden dann zeitabhängig Sendeamplitudenvektoren ermittelt, welche die Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen zum jeweiligen Messzeitpunkt repräsentieren. Auf Basis der objektspezifischen Streuparametermatrix, der Referenz-Streuparametermatrix und den jeweiligen Sendeamplitudenvektoren können dann zu bestimmten Sendezeitpunkten, nämlich zu den Zeitpunkten der Messung der Hochfrequenz-Spannungsamplituden, im Untersuchungsobjekt absorbierte Hochfrequenzleistungswerte ermittelt werden. Es kann damit die tatsäch lich im Untersuchungsobjekt absorbierte Hochfrequenzleistung zu den durch die jeweiligen Sendeamplitudenvektoren gegebenen Sendezeitpunkten – ohne die jeweils im Sendeantennensystem verbleibende Verlustleistung – ermittelt werden. Basierend auf einer Vielzahl der ermittelten Hochfrequenzleistungswerte wird dann eine Anzahl von Kontrollwerten gebildet, und die Hochfrequenzsendeeinrichtung wird in ihrer Funktion eingeschränkt, wenn ein Kontrollwert einen vorgegebenen Grenzkontrollwert erreicht oder überschreitet. Beispielsweise kann die Hochfrequenz-Sendeeinrichtung dann komplett deaktiviert oder die Sendeleistung reduziert werden.
Die Messung der Referenz-Streuparametermatrix erfolgt im unbelasteten Zustand, d. h. ohne die Belastung durch den Körper bzw. einen zu untersuchenden Körperteil des Patienten, aber sonst unter gleichen Bedingungen wie die Messung der objektspezifischen Streuparametermatrix. Da sich die Bedingungen bis auf die Belastung durch das Untersuchungsobjekt in der Regel nicht ändern, reicht es üblicherweise aus, einmalig eine solche Referenz-Messung durchzuführen, die für mehrere spätere Magnetresonanzmessungen verwendet werden kann.
Die Kontrollwerte können aus den Hochfrequenzleistungswerten, wie dies meist üblich ist, durch Mittelung über bestimmte vorgegebene Zeitfenster gebildet werden. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Leistungen zunächst in Belastungskontrollwerte (beispielsweise in SAR-Werte) umzurechnen, die die biologische Belastung des Patienten repräsentieren, und dann diese Kontrollwerte auf Einhaltung bestimmter Grenzwerte zu überprüfen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die im Untersuchungsobjekt deponierte Leistung relativ exakt zu bestimmen und somit die gegebenen Grenzwerte auch in einem Mehrkanal-Sendeantennensystem optimal auszunutzen. Dabei kann dieses Verfahren online während der Messung durchgeführt werden, d. h. es können die jeweils ausgesendeten Hochfrequenz pulse mit Hilfe dieses Verfahrens während der Messung exakt vermessen werden. Grundsätzlich kann dieses Verfahren aber auch vorab im Rahmen einer Simulation verwendet werden, um somit bereits vor der Messung festzustellen, ob mit den geplanten Sendeparametern eine Messung durchführbar ist, ohne dass eine Überschreitung von Grenzwerten zu erwarten ist. Bei einer solchen „Look-Ahead”-Kontrolle ist eine Einschränkung der Hochfrequenz-Sendeeinrichtung in ihrer Funktion so zu verstehen, dass beispielsweise eine Magnetresonanzmessung, die mit Sendeparametern durchgeführt werden soll, bei denen ein Grenzkontrollwert überschritten würde, verhindert oder modifiziert wird und z. B. der Bediener durch einen geeigneten Warnhinweis hierüber informiert wird. Das heißt, die Kontrolle der Hochfrequenzsendeeinrichtung kann nicht nur durch ein direktes Kontrollsignal erfolgen, sondern auch indirekt durch Einwirkung auf ein Sendeprotokoll zur Steuerung der MR-Anlage oder dergleichen. Insbesondere ist es auch möglich, sowohl eine solche Vorab-Kontrolle vor dem Start einer Messung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen als auch zusätzlich mit diesem Verfahren das Einhalten der Grenzwerte online während der Messungen zu überwachen.
Eine geeignete Hochfrequenzsendeeinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigt neben dem Sendeantennensystem mit einer Mehrzahl von Sendekanälen eine Hochfrequenz-Leistungsverstärkeranordnung mit beispielsweise mehreren einzeln ansteuerbaren Leistungsverstärkern zum Aussenden der Hochfrequenzpulse über die Sendekanäle. Erfindungsgemäß erfordert die Hochfrequenzsendeeinrichtung außerdem eine Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung, die mit der Hochfrequenz-Leistungsverstärkeranordnung gekoppelt ist, eine Messeinrichtung zum Messen von Hochfrequenzspannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen und eine Referenz-Streuparametermatrix-Ermittlungseinrichtung zur Ermittlung einer Referenz-Streuparametermatrix des Sendeantennensystems. Bei dieser Referenz-Streuparametermatrix-Ermittlungseinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Schnittstelle handeln, welche ei ne zuvor ermittelte Referenz-Streuparametermatrix aus einem Speicher entnimmt, in dem diese vorher hinterlegt worden ist. Die Messung hierzu kann beispielsweise zuvor mit der genannten Messeinrichtung der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung erfolgen. Beispielsweise können die dabei gemessenen Werte zu der gewünschten Streuparametermatrix verarbeitet und dann im Speicher hinterlegt werden. Diese Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass sie im bestimmungsgemäßen Einsatz eine objektspezifische Streuparametermatrix des Sendeantennensystems in einem mit dem Untersuchungsobjekt belasteten Zustand ermittelt, dass sie zeitabhängige Sendeamplitudenvektoren ermittelt, welche die Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen in Abhängigkeit vom Sendezeitpunkt repräsentieren, dass sie auf Basis der objektspezifischen Streuparametermatrix, der Referenzstreuparametermatrix und des Sendeamplitudenvektors zu bestimmten Sendezeitpunkten im Untersuchungsobjekt absorbierte Hochfrequenzleistungswerte ermittelt, dass sie, basierend auf einer Vielzahl der ermittelten Hochfrequenzleistungswerte, eine Anzahl von Kontrollwerten bildet und dass sie die Hochfrequenzsendeeinrichtung in ihrer Funktion einschränkt, wenn ein Kontrollwert einen vorgegebenen Grenzkontrollwert erreicht oder überschreitet.
Die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung kann dabei in Form von einzelnen Komponenten in die Hochfrequenzsendeeinrichtung integriert sein. Es ist aber auch möglich, dass die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung als eigenständige Einrichtung ausgebildet ist, welche die Messeinrichtung zum Messen der Hochfrequenzspannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen, die Referenz-Streuparameter-Ermittlungseinrichtung und einen Kontrollsignalausgang für Kontrollsignale für die Hochfrequenz-Leistungsverstärkeranordnung bzw. für diese ansteuernde weitere Komponenten aufweist, um so die Funktion der Hochfrequenzsendeeinrichtung einschränken zu können. Mit einer solchen eigenständigen Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung können bereits bestehende Magnetresonanztomographiesysteme nachgerüstet werden.
Eine Vielzahl der Komponenten der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung können in Form von Software-Komponenten realisiert werden, insbesondere die Komponenten, die zur Ermittlung der Referenz-Streuparametermatrix oder der objektspezifischen Streuparametermatrix aus den Hochfrequenz-Spannungsamplituden erforderlich sind. Ebenso kann die Komponente, welche auf Basis der objektspezifischen Streuparametermatrix der Referenz-Streuparametermatrix und der aktuell gemessenen bzw. durch Simulation ermittelten Sendeamplitudenvektoren berechneten Hochfrequenzleistungswerte in Form eines Software-Moduls ausgebildet sein. Das Gleiche gilt auch für die Komponenten, die aus den Hochfrequenzleistungswerten dann die Kontrollwerte bilden und diese mit vorgegebenen Grenzkontrollwerten vergleichen. Insofern kann auch eine programmierbare Hochfrequenzkontrolleinrichtung, welche neben einer Recheneinheit bereits über eine geeignete Messeinrichtung verfügt (beispielsweise mehrere Richtkoppler in den einzelnen Sendekanälen aufweist), durch ein Update mit den genannten Software-Komponenten nachgerüstet werden, um in der erfindungsgemäßen Weise arbeiten zu können.
Die nachfolgende Beschreibung und die abhängigen Ansprüche enthalten besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung, wobei insbesondere die Ansprüche einer Kategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Kategorie weitergebildet sein können.
Besonders bevorzugt wird zunächst aus der objektspezifischen Streuparametermatrix eine objektspezifische Leitwertmatrix ermittelt. Außerdem wird in entsprechender Weise aus der Referenz-Streuparametermatrix eine Referenz-Leitwertmatrix des Sendeantennensystems erzeugt. Die Ermittlung der zu bestimmten Sendezeitpunkte im Untersuchungsobjekt absorbierten Hochfrequenzleistungswerten erfolgt dann auf Basis der objektspe zifischen Leitwertmatrix und der Referenzleitwertmatrix des Sendeantennensystems.
Dabei kann die Ermittlung des Hochfrequenzleistungswerts P_o zu einem Messzeitpunkt t vorzugsweise gemäß folgender Gleichung ermittelt werden:
U_F ist dabei ein aus den in den Sendekanälen gemessenen Hochfrequenz-Spannungswerten gebildeter Sendeamplitudenvektor der hinlaufenden Welle zum Zeitpunkt t an einer bestimmten Messstelle im Sendekanal. Y_tot ist die bereits oben genannten objektspezifische Leitwertmatrix, Y_c die Referenz-Leitwertmatrix und U_c ein aus dem Sendeamplitudenvektor U_F gebildeter effektiver Spannungsamplitudenvektor.
Wie sich der effektive Spannungsamplitudenvektor U_c aus dem Sendeamplitudenvektor U_F berechnet, hängt von dem Aufbau der Hochfrequenzsendeeinrichtung ab, insbesondere davon, ob es sich um eine Hochfrequenzsendeeinrichtung mit einer Anpassschaltung handelt. Ob eine solche Anpassschaltung zur Anpassung des Sendeantennensystems an eine Referenzimpedanz notwendig ist oder nicht, hängt wiederum vom jeweiligen Antennendesign ab.
Für eine Hochfrequenzsendeeinrichtung ohne Anpassschaltung kann vorzugsweise der effektive Spannungsamplitudenvektor U_c aus dem Sendeamplitudenvektor U_F wie folgt ermittelt werden: Uc(UF(t)) = (E + Stot)·UF(t) (2)wobei S_tot eine objektspezifische Streuparametermatrix und E die Einheitsmatrix ist. Bei dieser objektspezifischen Streuparametermatrix S_tot handelt es sich im Übrigen um die totale Streuparametermatrix des Gesamtsystems, d. h. des Sendeantennensystems mit dem darin befindlichen Untersuchungsobjekt.
Bei Hochfrequenzsendeeinrichtungen, die eine Anpassschaltung aufweisen, berechnet sich der effektive Spannungsamplitudenvektor U_c aus dem Sendeamplitudenvektor U_F vorzugsweise wie folgt:
Dabei ist S_tot die objektspezifische Streuparametermatrix, E die Einheitsmatrix, j die imaginäre Einheit, ω die Sendefrequenz, C_S eine Anpasskapazität und Z₀ die Referenzimpedanz bzw. Anpassimpedanz. Die Referenzimpedanz Z₀ beträgt üblicherweise 50 Ω.
Bevorzugt wird zur Ermittlung der objektspezifischen Streuparametermatrix und/oder zur Ermittlung der Referenz-Streuparametermatrix des Sendeantennensystems zeitlich nacheinander über jeden der separaten Sendekanäle ein definiertes Hochfrequenzsignal mit genau bestimmter Form und Stärke ausgesendet. Dabei wird an jedem der Sendekanäle, d. h. sowohl dem Sendekanal, über den gerade das Hochfrequenzsignal ausgesendet wird, als auch an den anderen Sendekanälen zumindest ein Spannungswert für die rücklaufende Welle ermittelt. Bevorzugt wird zusätzlich an jedem der Sendekanäle noch ein zweiter Spannungswert für eine hinlaufende Welle ermittelt. Diese Messung erfolgt jedoch nur zur Kontrolle, da auf allen Sendekanälen bis auf den Sendekanal, über den das Hochfrequenzsignal ausgesendet wird, der Spannungswert für die hinlaufende Welle jeweils Null oder zumindest nahezu Null sein sollte.
Die Hochfrequenzsendeeinrichtung weist hierzu vorzugsweise jeweils in die einzelnen Sendekanäle geschaltete Richtkoppler auf, z. B. in den zu den einzelnen Sendekanälen zugeordneten Komponenten des Sendeantennensystems laufenden Hochfrequenzleitungen. Mit diesen Richtkopplern können zudem auch in zeitlichen Abständen, vorzugsweise regelmäßig, die Spannungs werte der hinlaufenden Wellen auf den einzelnen Sendekanälen gemessen werden, um für eine Online-Kontrolle die Sendeamplitudenvektoren zu ermitteln.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung können zudem auf Basis der mit den Richtkopplern ermittelten Spannungswerte jeweils die Hochfrequenz-Leistungsverstärker geregelt werden, die die Hochfrequenzimpulse über die jeweiligen Sendekanäle aussenden. D. h. die Spannungsmesswerte der Richtkoppler können als Ist-Werte verwendet werden, die mit den Soll-Werten, welche den angeforderten Signalen entsprechen, in Übereinstimmung gebracht werden. Auf diese Weise ist auch eine sehr einfache, genauere Regelung der Hochfrequenz-Leistungsverstärker möglich.
Wie bereits oben erläutert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, aus den Hochfrequenzleistungswerten geeignete Kontrollwerte zu bilden. Grundsätzlich kann jeder Hochfrequenz-Leistungswert für sich als Kontrollwert genommen werden. Bei einer bevorzugten Variante basiert ein Kontrollwert auf dem Mittelwert einer Vielzahl von Hochfrequenzleistungswerten. Dabei kann bevorzugt die Vielzahl von Hochfrequenzleistungswerten ausgewählt werden, indem ein Zeitfenster im Zeitbereich über die Hochfrequenzleistungswerte gleitet und alle Hochfrequenzleistungswerte im Zeitfenster zur Bildung des aktuellen Kontrollwerts herangezogen werden. Dabei wird besonders bevorzugt ein gleitender Mittelwert gebildet. Ein solcher Mittelwert ist ein recht gutes Maß für die Strahlenbelastung, welcher ein Patient ausgesetzt wird.
Besonders bevorzugt werden verschiedene Kontrollwerte über verschiedene gleitende Zeitfenster berücksichtigt, beispielsweise ein Kurzzeit-Kontrollwert über ein 10 s langes Fenster und ein Langzeit-Kontrollwert über ein 360 s langes Fenster. So kann sichergestellt werden, dass zum einen eine Spitzenbelastung des Patienten vermieden wird, zum anderen jedoch kei ne insgesamt zu hohe Strahlenbelastung auftritt, die aber immer knapp unter den Spitzengrenzwerten bleibt.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Übersicht über ein Magnetresonanzsystem mit einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzsendeeinrichtung,
2 eine etwas detaillierte Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzsendeeinrichtung,
3 ein sehr vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Sendeantennensystems ohne Anpassschaltung,
4 ein sehr vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Sendeantennensystems mit Anpassschaltung,
5 eine schematische Darstellung eines Sendeantennensystems mit N Sendekanälen als N-Tor-Netzwerk zur Erläuterung der Bestimmung einer Streuparametermatrix,
6 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kontrolle einer Hochfrequenzsendeeinrichtung.
Ein wesentlicher Teil des in 1 grob schematisch dargestellten Computertomographiesystems 1 ist der so genannte Scanner oder Tomograph 2, mit dem die eigentlichen Messungen durchgeführt werden. In diesem Tomographen 2 befindet sich ein Messraum 3, meist Patiententunnel genannt, auf dem auf einer Patientenliege 4 ein Patient bzw. Untersuchungsobjekt O positioniert werden kann. Als ein Sendeantennensystem 15 weist der Tomograph 2 hier eine Ganzkörperspule 15 mit mehre ren separat ansteuerbaren Sendekanälen auf, um beliebige Feldverteilungen im Messraum 3 ausbilden zu können. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine so genannte Birdcage-Spule handeln, welche N unabhängig ansteuerbare Leiterstäbe aufweist, die parallel zueinander auf einer Zylinderoberfläche um den Messraum 3 herum angeordnet und untereinander gekoppelt sind. Die Erfindung ist aber nicht auf derartige Sendeantennensysteme beschränkt. Insbesondere ist es auch nicht nötig, dass das Sendeantennensystem eine Ganzkörperspule bildet, sondern es kann auch aus einer Vielzahl von so genannten Lokalspulen bestehen, oder es kann sich um eine Kopfspule oder dgl. mit verschiedenen Sendekanälen handeln.
Im Tomographen 2 befindet sich darüber hinaus wie üblich ein Magnetsystem, welches einen Grundfeldmagneten aufweist, um ein starkes Grund-Magnetfeld im Messraum 3 anzulegen, sowie mehrere Gradientenspulen, um jeweils in den drei Raumrichtungen die gewünschten Magnetfeldgradienten anzulegen. Diese Komponenten sind aber der besseren Übersichtlichkeit hier in 1 nicht dargestellt.
Angesteuert wird der Tomograph 2 von einer Systemsteuerung 5, welche wiederum an ein Terminal 19 angeschlossen ist, über das das ganze Magnetresonanztomographiesystem 1 bedienbar ist. Die Kopplung des Tomographen 2 mit der Systemsteuerung 5 erfolgt über mehrere Schnittstellen.
Eine der Schnittstellen bildet die Hochfrequenzsendeeinrichtung 10, eine weitere eine Empfangsschnittstelle 6. Über die Hochfrequenzsendeeinrichtung 10 werden für eine Messung die passenden Hochfrequenzpulssequenzen ausgesendet, und über die Empfangsschnittstelle 6 werden die empfangenen Magnetresonanz-Rohdaten übernommen. Diese Komponenten werden später noch anhand von 2 etwas genauer erläutert.
Ein Schnittstellenblock 7 repräsentiert weitere Schnittstellen, die zur Ansteuerung weiterer Komponenten des Tomographen 2 notwendig sind, beispielsweise die Schnittstellen zur Ansteuerung der Gradientenspulen, des Vorschubs der Patientenliege etc.
Als weitere Komponenten sind in der Systemsteuerung 5 ein Messsteuermodul 9, welches vom Bediener über das Terminal 19 angesteuert werden kann, sowie ein Datenspeicher 18 dargestellt. Von dem Messsteuermodul 9 können auf Basis von Messprotokollen, welche beispielsweise im Datenspeicher 18 hinterlegt und vom Bediener modifizierbar sind, die Parameter vorgeben werden, so dass über die Schnittstellen geeignete Signale an den Tomographen 2 gegeben werden, um eine Messung mit einer ganz bestimmten Pulssequenz, d. h. einer Hochfrequenzpulssequenz und einer passenden Gradientenpulssequenz, durchzuführen.
Außerdem umfasst die Systemsteuerung 5 hier auch eine Rekonstruktionseinrichtung 8, welche aus den von der Empfangsschnittstelle 6 empfangenen Rohdaten die Magnetresonanzbilder rekonstruiert, die dann im Speicher 18 hinterlegt werden können und/oder auf dem Display des Terminals 19 ausgegeben werden können.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass ein solches Magnetresonanztomographiesystem 1, insbesondere die Systemsteuerung 5 noch eine Vielzahl weiterer üblicher Komponenten aufweisen kann, beispielsweise Schnittstellen zum Anschluss an ein Netzwerk, um die erzeugten Bilder auch an andere Stationen zu übergeben etc. Da der grundsätzliche Aufbau von Magnetresonanzsystemen dem Fachmann aber bekannt ist, wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit darauf verzichtet, all diese Komponenten in 1 darzustellen und hier näher zu erläutern.
2 zeigt detaillierter die Hochfrequenzsendeeinrichtung 10 gemäß 1, hier konkret für ein 8-Kanal-Antennenarray, d. h. für ein Sendeantennensystem mit acht unabhängigen Sen dekanälen K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈. Das eigentliche Pulserzeugungssystem 11 umfasst hierzu acht Sendemodule 12, in denen jeweils die Hochfrequenzsignale in Form von Klein-Signalen erzeugt werden, die zur Verstärkung einer Hochfrequenzverstärkeranordnung 13 zugeführt werden. Hierbei weist die Hochfrequenzverstärkeranordnung 13 für jeden der Sendekanäle K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈ einen eigenen Hochfrequenzverstärker 16 auf, welche jeweils die auszusendenden Hochfrequenzpulse H der gewünschten Stärke erzeugen.
In den weiteren Zuleitungen der einzelnen Sendekanäle K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈ zum Sendeantennensystem 15, welches hier nur schematisch als ein Block dargestellt ist, sind in jedem Kanal K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈ zum einen Sende-/Empfangsumschalter 14 und zum anderen zu einer Hochfrequenzkontrolleinrichtung 20 gehörende Richtkoppler 22 angeordnet. Über die Sende-/Empfangsumschalter 14 ist es möglich, das Sendeantennensystem 15 vom Pulserzeugungssystem 11 abzukoppeln und stattdessen an die Empfangsschnittstelle 6 über Leitungen 17 anzukoppeln (in 2 ist der Einfachheit halber symbolisch nur eine Leitung 17 anstelle von acht Leitungen dargestellt). Dadurch kann das Sendeantennensystem 15 auch wahlweise als Empfangsantenne eingesetzt werden. Beispielsweise kann zunächst über das Sendeantennensystem 15 eine Aussendung von Hochfrequenzpulsen H erfolgen, und anschließend wird umgeschaltet, so dass mit dem gleichen Antennensystem das Magnetresonanz-Antwortsignal empfangen werden kann.
Die Richtkoppler 22 sind wiederum mit einer Richtkoppler-Schnittstelle 23 eines Kontrollrechners 21 einer Hochfrequenzkontrolleinrichtung 20 gekoppelt, welche in der erfindungsgemäßen Weise dazu dient, die Hochfrequenzsendeeinrichtung 10 zu kontrollieren und dafür zu sorgen, dass die Hochfrequenzbelastung für einen untersuchten Patienten unterhalb vorgegebener Grenzwerte bleibt. Bei dieser Richtkoppler-Schnittstelle 23 kann es sich beispielsweise um einen mehrkanaligen Analog-/Digitalwandler handeln, welcher die von den Richtkopplern 22 erfassten analogen Spannungsamplituden in digitale Werte umsetzt.
Für eine exakte Hochfrequenz-Belastungskontrolle werden zunächst die Streuparametermatrizen des Sendeantennensystems 15 im unbelasteten Zustand und in einem mit dem Patienten belasteten Zustand ermittelt. Zur allgemeinen Erläuterung einer Streuparametermatrix wird auf 5 verwiesen. Dort ist das Sendeantennensystem 15 grob schematisch als N-Tor-Netzwerk mit N verschiedenen Eingängen dargestellt.
Zur Beschreibung eines solchen Netzwerkes dienen die Streuparameter (bzw. bei einem N-Tor-Netzwerk eine N×N Streuparametermatrix). Die Streuparameter verknüpfen die zu den einzelnen Toren hinlaufenden Wellengrößen a₁, ..., a_i, ..., a_k, ..., a_N mit den von diesen Toren weglaufenden Wellengrößen b₁, ..., b_i, ..., b_k, ..., b_N. Dabei ergeben sich beispielsweise Streuparametern s_ii und s_ik in folgender Weise:
Das Verhalten des kompletten N-Tor-Netzwerks lässt sich in Form von Vektoren bzw. einer Streuparametermatrix wie folgt darstellen:
Dies lässt sich in Kurzschreibweise als B = S·A (6) schreiben. Dabei ist B der Wellengrößenvektor der rücklaufenden Wellen, S die Streuparametermatrix und A der Wellengrößenvektor der hinlaufenden Wellen.
Der Zusammenhang der Wellengrößenvektoren A und B mit den Vektoren der auf den jeweiligen Sendekanälen des Sendeantennensystems messbaren Spannungen der hinlaufenden und der rücklaufenden Welle ist wie folgt:
Dabei ist U_F der Spannungsvektor der hinlaufenden Welle, d. h. der Sendeamplitudenvektor, und U_B der Spannungsvektor der rücklaufenden Welle. Diese Spannungen können jeweils mit Hilfe der Richtkoppler 22 gemessen werden.
Um also eine Referenz-Streuparametermatrix S_C zu messen, ist es lediglich erforderlich, dass bei unbelasteter Antenne nacheinander auf den einzelnen Kanälen jeweils ein Hochfrequenzsignal gesendet wird und dabei an jedem der Kanäle die hinlaufende und die rücklaufende Spannung separat gemessen wird. Auf diese Weise können die Wellengrößenvektoren A und B und daraus gemäß Gleichung (4) und (5) die Streuparametermatrix S_C für den unbelasteten Fall der Antenne bestimmt werden.
Ebenso kann dann unter einer Belastung mit dem Patienten, mit dem später die Magnetresonanzmessung durchgeführt werden soll, noch einmal die gleiche Messprozedur wie bei der Messung der Referenz-Streuparametermatrix S_c durchgeführt werden, um so eine objektspezifische Streuparametermatrix S_tot des gesamten Systems einschließlich des Untersuchungsobjekts zu gewinnen.
Wie in 2 dargestellt, weist der Kontrollrechner 21 hierzu eine Streuparametermatrix-Ermittlungseinheit 24 auf, wobei in 2 diese Einheit als zweiteilige Einheit 24a, 24b dargestellt ist, da sie einmal als Referenz-Streuparametermatrix-Ermittlungseinheit 24a und einmal als Einheit 24b zur Ermittlung der objektspezifischen Streuparametermatrix dient. Wie bereits eingangs erläutert, muss jedoch nicht vor jeder Untersuchung eine Referenz-Streuparametermatrix ermittelt werden, sondern es reicht aus, wenn diese einmal gemessen und in einem Speicher hinterlegt wird, so dass sie für mehrere nachfolgende Messungen abrufbar ist. Die Streuparameterermittlungseinheit 24 ist hier mit einer Schnittstelle 25 gekoppelt, über die Befehle an das Pulserzeugungssystem 11 ausgegeben werden können, damit über die jeweiligen Kanäle nach und nach die gewünschten Hochfrequenzsignale zur Ausmessung der Streuparametermatrix ausgegeben werden.
Aus einer Streuparametermatrix S lässt sich nach folgender Beziehung die zugehörige Leitwertmatrix y ermitteln: Y = (E – S)(E + S)–1 (8)
Hierbei ist E die Einheitsmatrix. Mit Gleichung (8) lassen sich sowohl die Referenz-Streuparametermatrix S_C in eine Referenzleitwertmatrix Y_C als auch die objektspezifische Streuparametermatrix S_tot in eine objektspezifische Leitwertmatrix Y_tot umrechen.
Mit Hilfe der Leitwertmatrix Y kann im Prinzip die von der Hochfrequenzsendeeinrichtung ausgesendete Leistung P wie folgt berechnet werden: P = ŪT·Y·U (9) wobei U ein aus den Spannungen aus den einzelnen Sendekanälen gebildeter effektiver Spannungsvektor ist. Er ergibt sich aus den Spannungsvektoren der hinlaufenden Welle und der rücklaufenden Welle gemäß:
Unter Verwendung von Gleichung (7) (oberer Teil) lässt sich diese Gleichung wie folgt schreiben: U = (E + S)·UF (11)
Allerdings wird die ausgesendete Leistung, wie eingangs erläutert, nur zum Teil tatsächlich vom Patienten absorbiert. Ein weiterer Teil der Leistung geht als Verlustleistung im Sendeantennensystem verloren.
Zur Erläuterung wird auf das Modellschaltbild in 3 verwiesen. Hierin ist die Antenne grob vereinfacht als Parallelschwingkreis dargestellt, mit einer Kapazität C, einer Induktivität L und einem ohmschen Widerstand R_c, dessen Kehrwert der Leitwert G_C ist. Weitere Verluste fallen im Körper des Patienten an, der hier durch einen Widerstand R_O symbolisiert wird, da der Einfachheit halber angenommen wird, dass der Patientenkörper nur eine rein resistive Wirkung innerhalb des Antennensystems hat. Der Leitwert G_O des Patienten ist daher hier nur durch diesen Widerstand R_O gegeben. In 3 ist vereinfacht nur ein Kanal des Antennensystems dargestellt. Für eine vollständige Beschreibung eines N-Kanal-Sendeantennensystems müssten N solcher Schaltbilder parallel verwendet werden.
Der (bei N-Kanälen der Referenz-Leitwertmatrix Y_C entsprechende) Gesamtleitwert des in 3 dargestellten unbelas teten Antennensystems, d. h. ohne Patienten, ergibt sich daher wie folgt:
Mit dem Patienten ist der (bei N-Kanälen der objektspezifischen Leitwertmatrix Y_C entsprechende) Leitwert dagegen:
Unter Nutzung der Gleichungen (9), (12) und (13) lassen sich somit über die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Hochfrequenzkontrolleinrichtung ermittelbaren Leitwertmatrizen Y_tot und Y_C auch die Verluste bzw. die im Antennensystem verbleibenden Leistungsanteile und die im Patienten verbleibenden Hochfrequenzleistungsanteile berechnen.
Hierbei ist zu beachten, dass die gemäß Gleichung (9) bestimmte Leistung P im Allgemeinen komplex ist, dass es jedoch für die gesuchte, im Patienten deponierte Leistung ausreicht, den Realteil aus P zu berücksichtigen: P = Re(ŪT·Y·U) (14)
Dabei kann der Anteil der im Antennensystem verbleibenden Leistung P_C als Pc = Re(ŪT·Yc·U) (15)geschrieben werden, und der gesuchte Anteil P_O der im Patienten deponierten Leistung als PO = Re(ŪT·(Ytot – Yc)·U) (16)
Durch Einsetzen von Gleichung (11) in Gleichung (16) ergibt sich daraus (unter Berücksichtigung, dass die Streuparametermatrix S in Gleichung (11) in diesem Fall die Streuparametermatrix S_tot des Gesamtsystems mit der Patientenbelastung ist) für die Leistung P_O zum Sendezeitpunkt bzw. Messzeitpunkt t:
Mit Hilfe von Gleichung (17) lässt sich also die im Patienten zu einem Sendezeitpunkt t deponierte Leistung P_O berechnen, sofern die Referenz-Leitwertmatrix Y_c, die objektspezifische Leitwertmatrix Y_tot, die objektspezifische Streuparametermatrix S_tot und zudem jeweils der Sendeamplitudenvektor U_F zum betreffenden Zeitpunkt t bekannt sind. D. h. es müssen dann nur in z. B. regelmäßigen zeitlichen Abständen die Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen für die hinlaufende Welle ermittelt werden. Die derart ermittelten Leistungswerte können dann über bestimmte Zeiträume integriert werden, um so die in einem bestimmten Zeitraum insgesamt eingebrachte Leistung zu ermitteln.
Zur Messung des Sendeamplitudenvektors U_F dient eine in 2 dargestellte Sendeamplitudenvektor-Ermittlungseinheit 26 im Kontrollrechner 21, die ebenfalls mit der Schnittstelle 23 zu den Richtkopplern 22 verbunden ist. Eine Berechnungseinheit 27 im Kontrollrechner 21 dient dazu, um auf Basis des Sendeamplitudenvektors und der Streuparametermatrizen bzw. Leitwertmatrizen die oben erläuterten Berechnungen zur Ermittlung der im Patienten deponierten Hochfrequenzleistung P_O durchzuführen.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Gleichung (17) der Gleichung (1) entspricht, wenn der effektive Spannungsamplitudenvektor U_C mit Hilfe von Gleichung (2) ermittelt wurde. D. h. Gleichung (17) gilt für den Fall, dass keine Anpassschaltung innerhalb des Sendeantennensystems genutzt wird. Weist das Sendeantennensystem dagegen eine Anpassschal tung auf, um eine Anpassung an eine Referenzimpedanz, beispielsweise die übliche Referenzimpedanz Z₀ von 50 Ω, durchzuführen, so muss eine etwas modifizierte Berechnung durchgeführt werden.
Hierzu wird auf 4 verwiesen, welche ein ähnliches Ersatzschaltbild zeigt wie 3.
4 unterscheidet sich von 3 lediglich dadurch, dass hier zur Symbolisierung der Anpassschaltung eine Anpasskapazität C_A eingezeichnet ist. Diese Anpasskapazität C_A bewirkt aber, dass nicht die am Richtkoppler jeweils ermittelte Spannung U, sondern eine durch die Anpassschaltung geänderte Spannung U_A an der Antenne abfällt. Somit kann in den oben genannten Gleichungen (11) und (16) nicht einfach der am Richtkoppler gemessenen Sendeamplitudenvektor U_F genutzt werden, sondern es muss ein effektiver Spannungsamplitudenvektor U_C herangezogen werden, welcher aus dem gemessenen Sendeamplitudenvektor U_F der hinlaufenden Welle und dem Spannungsamplitudenvektor U_B der rücklaufenden Welle sowie der Kapazität C_A wie folgt berechnet werden kann:
Der Spannungsamplitudenvektor U_B der rücklaufenden Welle lässt sich jedoch aus dem Sendeamplitudenvektor U_F der hinlaufenden Welle unter Berücksichtigung der Gleichungen (6) und (7) wie folgt berechnen: UB = S·UF (19)
Dies führt dazu, dass die Berechnung für Sendeantennensysteme mit einer Anpassschaltung anstatt mit Gleichung (16) mit Gleichung (1) erfolgen muss, wobei der effektive Spannungsamplitudenvektor U_C aus dem tatsächlich gemessenen Sendeamp litudenvektor U_F der hinlaufenden Welle gemäß Gleichung (3) berechnet werden kann.
In 6 ist noch einmal schematisch ein Überblick über das Verfahren dargestellt. Wie hier gezeigt ist, erfolgt zunächst in einem ersten Verfahrensschritt I eine Ermittlung der Referenzstreuparametermatrix S_C und deren Umrechnung in eine Referenz-Leitwertmatrix Y_C. In einem weiteren Verfahrensschritt II, welcher durchgeführt wird, wenn der Patient sich bereits an der gewünschten Stelle im Messraum befindet, wird dann eine objektspezifische Streuparametermatrix S_tot ermittelt und daraus die objektspezifische Leitwertmatrix Y_tot bestimmt. Sowohl die Referenzleitwertmatrix Y_C als auch die objektspezifische Leitwertmatrix Y_tot werden dann in dem weiteren Verfahren verwendet.
Während der Messzeit werden in zeitlichen Abständen jeweils Hochfrequenzpulse ausgesendet (nicht dargestellt). Außerdem werden in regelmäßigen zeitlichen Abständen während der Aussendung der Hochfrequenzpulse mit Hilfe der Richtkoppler 22 die Spannungsamplituden der umlaufenden Wellen auf den einzelnen Sendekanälen K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈ ermittelt und daraus jeweils ein Sendeamplitudenvektor U_F1, U_F2, U_F3, ... zu den verschiedenen Zeitpunkten t bestimmt. Diese Sendeamplitudenvektoren U_F1, U_F2, U_F3 ... werden dann gemäß den obigen Gleichungen (16) oder (1) und (3) in Hochfrequenzleistungswerte P₁, P₂, P₃, ... umgerechnet, welche die im Patienten verbleibende Hochfrequenzleistung angeben.
Aus diesen Hochfrequenzleistungswerten werden zeitabhängig Kontrollwerte KW₁, KW₂, ... gebildet, indem jeweils über ein vorgegebenes Zeitfenster Δt alle jeweils im Zeitfenster Δt liegenden Hochfrequenzleistungswerte P₁, P₂, P₃, ... Bemittelt werden. Dabei gleitet das Zeitfenster Δt mit der Zeit über die ermittelten Hochfrequenzleistungswerte P₁, P₂, P₃, ..., d. h. die Kontrollwerte KW₁, KW₂, ... entsprechen einem gleitendem Mittelwert über eine bestimmte Messzeitspanne Δt.
Die so ermittelten Kontrollwerte KW₁, KW₂, ..., KW_i, ... werden jeweils mit einem Grenzkontrollwert GK verglichen. Wird festgestellt, dass ein Kontrollwert KW_i den Grenzkontrollwert erreicht oder überschreitet, wird ein Kontrollsignal KS ausgegeben, mit dem dafür gesorgt wird, dass die Hochfrequenz-Leistungsverstärker in der Leistung reduziert werden. Hinzu kann der Kontrollrechner 21, wie in 2 dargestellt, eine Kontrollsignalschnittstelle 28 aufweisen, über die, initiiert durch die Berechnungseinheit 27, welche beispielsweise auch den Vergleich der ermittelten Kontrollwerte mit den Grenzkontrollwerten durchführt, entsprechende Kontrollsignale KS an die einzelnen Hochfrequenzverstärker 16 ausgegeben werden. In 2 sind der besseren Übersichtlichkeit wegen nur zwei Leitungen dargestellt, über die die Kontrollsignale KS an die Hochfrequenzverstärker 16 übermittelt werden. In der Realität ist jeder Hochfrequenzverstärker 16 vorzugsweise separat ansteuerbar.
Das Verfahren wurde anhand der Figuren für eine Online-Kontrolle während einer Messung beschrieben. Wie erwähnt, ist aber auch eine Verwendung des Verfahrens für eine Kontrolle im Rahmen einer Simulation vorab möglich. Hierzu kann im Prinzip auch der Kontrollrechner 21 eingesetzt werden. Es ist lediglich erforderlich, dass neben der Referenz-Streuparametermatrix, die ja bereits ausgemessen sein kann, auch eine objektspezifische Streuparametermatrix vorgegeben wird, beispielsweise aufgrund von Abschätzungen oder Messungen am Patienten bzw. an Patienten mit ähnlichem Körpervolumen. Zudem müssen auf Basis der geplanten Hochfrequenzsignale entsprechende Spannungswerte für die hinlaufenden Spannungen an den Kontrollrechner 21 übergeben werden. Ist dies der Fall, kann wie bei einer Online-Ermittlung auch die zu erwartende im Patienten deponierte Hochfrequenzleistung abgeschätzt und so vorab festgestellt werden, ob eine Überschreitung von Grenzwerten zu erwarten ist. Ist dies der Fall kann über die Kontrollsignalschnittstelle als Kontrollsignal eine entsprechen de Warnung an den Bediener ausgegeben werden bzw. es kann über ein Kontrollsignal auch verhindert werden, dass eine solche Messung mit den eingestellten Parametern überhaupt durchgeführt wird.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehenden, detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei der dargestellten Hochfrequenzsendeeinrichtung bzw. der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Auch wenn die Erfindung vorstehend anhand eines Magnetresonanztomographiesystems im medizinischen Bereich beschrieben wurde, ist die Erfindung auch in wissenschaftlichen und/oder industriell genutzten Magnetresonanztomographiesystemen einsetzbar. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

1: Computertomographiesystems
2: Tomograph
3: Messraum
4: Patientenliege
5: Systemsteuerung
6: Empfangsschnittstelle
7: Schnittstellenblock
8: Rekonstruktionseinrichtung
9: Messsteuermodul
10: Hochfrequenzsendeeinrichtung
11: Pulserzeugungssystem
12: Sendemodul
13: Hochfrequenzverstärkeranordnung
14: Sende-/Empfangsumschalter
15: Sendeantennensystem/Ganzkörperspule
16: Hochfrequenzverstärker
17: Leitung
18: Datenspeicher
19: Terminal
20: Hochfrequenzkontrolleinrichtung
21: Kontrollrechner
22: Messeinrichtung/Richtkoppler
23: Richtkoppler-Schnittstelle
24: Streuparametermatrix-Ermittlungseinheit
24a: Referenz-Streuparametermatrix-Ermittlungseinheit
24b: Ermittlungseinheit für objektspez. Streuparametermatrix
25: Schnittstelle
26: Sendeamplitudenvektor-Ermittlungseinheit
27: Berechnungseinheit
28: Kontrollsignalschnittstelle
H: Hochfrequenzpuls
O: Untersuchungsobjekt
t: Zeitpunkt
S_c: Referenz-Streuparametermatrix
Y_C: Referenz-Leitwertmatrix
S_tot: Streuparametermatrix
Y_tot: objektspezifische Leitwertmatrix
K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈: Sendekanal
a₁, ..., a_i, ..., a_k,..., a_N: hinlaufende Wellengrößen
b₁, ..., b_i _'..., bk, ..., b_N: weglaufenden Wellengrößen
U_F, U_F,1, U_F,2, U_F,3, U_F,4, U_F,5: Sendeamplitudenvektor
P₁, P₂, P₃, P₄, P₅: Hochfrequenzleistungswert
Δt: Zeitfenster
KW₁, KW₂, KW₃: Kontrollwert
GK: Grenz-Kontrollwert
KS: Kontrollsignal
C: Kapazität
L: Induktivität
R_c: Widerstand
G_C: Leitwert
R_O: Widerstand
G_O: Leitwert
C_A: Anpasskapazität
U: Spannung
U_A: Spannung hinter Anpasschaltung

Claims

Verfahren zur Kontrolle einer Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) eines Magnetresonanztomographiesystems (1) mit einem Sendeantennensystem (15) mit einer Mehrzahl von Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) bei einer Magnetresonanzmessung eines Untersuchungsobjekt (O), – bei dem eine Referenz-Streuparametermatrix (S_C) des Sendeantennensystems (15) im unbelasteten Zustand ermittelt wird, – bei dem eine objektspezifische Streuparametermatrix (S_tot) des Sendeantennensystems (15) in einem mit dem Untersuchungsobjekt (O) belasteten Zustand ermittelt wird, – bei dem zeitabhängig Sendeamplitudenvektoren (U_F,1, U_F,2, U_F,3, U_F,4, U_F,5) ermittelt werden, welche die Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) repräsentieren, – bei dem auf Basis der objektspezifischen Streuparametermatrix (S_tot), der Referenz-Streuparametermatrix (S_C) und den Sendeamplitudenvektoren (U_F,1, U_F,2, U_F,3, U_F,4, U_F,5) zu bestimmten Sendezeitpunkten (t) im Untersuchungsobjekt (O) absorbierte Hochfrequenzleistungswerte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) ermittelt werden, – bei dem basierend auf einer Vielzahl der ermittelten Hochfrequenzleistungswerte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) eine Anzahl von Kontrollwerten (KW₁, KW₂, KW₃) gebildet werden, und – bei dem die Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) in ihrer Funktion eingeschränkt wird, wenn ein Kontrollwert (KW₁, KW₂, KW₃) einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert (GK) erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus der objektspezifischen Streuparametermatrix (S_tot) eine objektspezifische Leitwertmatrix (Y_tot) und aus der Referenz-Streuparametermatrix (S_C) eine Referenz-Leitwertmatrix (Y_C) des Sendeantennensystems (15) ermittelt wird und die Ermittlung von zu bestimmten Sendezeitpunkten (t) im Untersuchungsobjekt (O) absorbierten Hochfrequenzleistungswerten (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) auf Basis der objektspezifische Leitwertmatrix (Y_tot) und der Referenz-Leitwertmatrix (Y_C) des Sendeantennensystems (15) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ermittlung eines Hochfrequenzleistungswertes zum Zeitpunkt (t) gemäß
erfolgt, wobei P_O ein Hochfrequenzleistungswert, U_F ein aus über den Sendekanälen abfallenden Spannungswerten gebildeter Sendeamplitudenvektor der hinlaufenden Welle zum Zeitpunkt (t), U_c ein von U_F abhängiger, effektiver Spannungsamplitudenvektor, Y_tot eine objektspezifische Leitwertmatrix und Y_C eine Referenz-Leitwertmatrix ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem sich der effektive Spannungsamplitudenvektor U_c aus dem Sendeamplitudenvektor U_F wie folgt berechnet: Uc(UF(t)) = (E + Stot)·UF(t)wobei S_tot eine objektspezifischen Streuparametermatrix und E die Einheitsmatrix ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) eine Anpassschaltung aufweist und sich der effektive Spannungsamplitudenvektor U_c aus dem Sendeamplitudenvektor U_F wie folgt berechnet:
wobei S_tot eine objektspezifische Streuparametermatrix, E die Einheitsmatrix, j die imaginäre Einheit, ω die Sendefrequenz, C_S eine Anpasskapazität und Z₀ eine Referenzimpedanz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zur Ermittlung der Streuparametermatrix (Y_tot, Y_C) des Sendeantennensystems (15) zeitlich nacheinander über jeden der Sendekanäle (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) ein Hochfrequenzsignal ausgesendet wird und dabei an jedem der Sendekanäle (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) zumindest ein Spannungswert für die rücklaufende Welle ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem zusätzlich an jedem der Sendekanäle (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) ein zweiter Spannungswert für eine hinlaufende Welle ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem zur Ermittlung der Sendeamplitudenvektoren (U_F,1, U_F,2, U_F,3, U_F,4, U_F,5) in zeitlichen Abständen Spannungswerte auf den einzelnen Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) gemessen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Spannungswerte mit Hilfe eines in den jeweiligen Sendekanal (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) geschalteten Richtkopplers (22) gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem auf Basis der Spannungswerte die Sendespannung eines Hochfrequenzverstärkers geregelt wird, der über den jeweiligen Sendekanal Hochfrequenzpulse aussendet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein Kontrollwert (KW₁, KW₂, KW₃) auf dem Mittelwert einer Vielzahl von Hochfrequenzleistungswerten (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) basiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Vielzahl von Hochfrequenzleistungswerten (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) durch ein Zeitfenster (Δt), das im Zeitbereich über die Hochfrequenzleistungswerte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) gleitet, aus den Hochfrequenzleistungswerten (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) ausgewählt wird.
Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) für ein Magnetresonanztomographiesystem (1), mit einem Sendeantennensystem (16) mit einer Mehrzahl von Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈), mit einer Hochfrequenz-Leistungsverstärkeranordnung (13) zum Aussenden von Hochfrequenzpulsen (H) über die Sendekanäle (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈), mit einer Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung (20), die mit der Hochfrequenz-Leistungsverstärkeranordnung (13) gekoppelt ist, die eine Messeinrichtung (22) zum Messen von Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen (KW₁, KW₂, KW₃) und eine Referenz-Streuparametermatrix-Ermittlungseinrichtung (24a) zur Ermittlung einer Referenz-Streuparametermatrix (S_C) des Sendeantennensystems (15) aufweist und die derart ausgestaltet ist, – dass eine objektspezifische Streuparametermatrix (S_tot) des Sendeantennensystems (15) in einem mit dem Untersuchungsobjekt (O) belasteten Zustand ermittelt wird, – dass zeitabhängige Sendeamplitudenvektoren (U_F,1, U_F,2, U_F,3, U_F,4, U_F,5) ermittelt werden, welche die Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) repräsentieren, – dass dem auf Basis der objektspezifischen Streuparametermatrix (S_tot), der Referenz-Streuparametermatrix (S_C) und des Sendeamplitudenvektors (U_E,1, U_E,2, U_E,3, U_E,4, U_E,5) zu bestimmten Sendezeitpunkten im Untersuchungsobjekt (O) absorbierte Hochfrequenzleistungswerte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) ermittelt werden, – dass basierend auf einer Vielzahl der ermittelten Hochfrequenzleistungswerte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) eine Anzahl von Kontrollwerten (KW₁, KW₂, KW₃) gebildet werden, und – dass die Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) in ihrer Funktion eingeschränkt wird, wenn ein Kontrollwert (KW₁, KW₂, KW₃) einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert (GK) erreicht oder überschreitet.
Hochfrequenzsendeeinrichtung nach Anspruch 13, bei dem die Messeinrichtung (22) jeweils in die einzelnen Sendekanäle (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) geschaltete Richtkoppler (22) aufweist, um die Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) zu messen.
Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung (20) für eine Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) eines Magnetresonanztomographiesystems (1) mit einem Sendeantennensystem (15) mit einer Mehrzahl von Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈), wobei die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung (20) eine Messeinrichtung (22) zum Messen von Hochfrequenz-Spannungsamplituden (M) auf den einzelnen Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈), eine Referenz-Streuparametermatrix-Ermittlungseinrichtung (24a) zur Ermittlung einer Referenz-Streuparametermatrix (S_C) des Sendeantennensystems (15) im unbelasteten Zustand, und eine Kontrollsignalsignalschnittstelle (28) für Kontrollsignale (KS) aufweist, und derart ausgestaltet ist, – dass eine objektspezifische Streuparametermatrix (S_tot) des Sendeantennensystems (15) in einem mit dem Untersuchungsobjekt (O) belasteten Zustand ermittelt wird, – dass zeitabhängige Sendeamplitudenvektoren (U_F,1, U_F,2, U_F,3, U_F,4, U_F,5) ermittelt werden, welche die Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen (K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆, K₇, K₈) repräsentieren, – dass auf Basis der objektspezifischen Streuparametermatrix (S_tot), der Referenz-Streuparametermatrix (S_C) und des Sendeamplitudenvektors (U_F,1, U_F,2, U_F,3, U_F,4, U_F,5) zu bestimmten Sendezeitpunkten im Untersuchungsobjekt (O) absorbierte Hochfrequenzleistungswerte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅) ermittelt werden, – dass, basierend auf einer Vielzahl der ermittelten Hochfrequenzleistungswerte (P₁, P₂, P₃, P₄, P₅), eine Anzahl von Kontrollwerten (KW₁, KW₂, KW₃) gebildet wird, und – dass die Hochfrequenzeinrichtung (10) in ihrer Funktion eingeschränkt wird, wenn ein Kontrollwert (KW₁, KW₂, KW₃) einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert (GK) erreicht oder überschreitet.
Magnetresonanztomographiesystem (1) mit einer Hochfrequenzsendeeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14.