DE102010013890A1

DE102010013890A1 - Verfahren und Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät zur Ermittlung einer Shim-Massen-Anordnung

Info

Publication number: DE102010013890A1
Application number: DE102010013890A
Authority: DE
Inventors: Dr. Heid Oliver
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-04-07
Filing date: 2010-04-07
Publication date: 2011-10-13
Also published as: WO2011124558A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Ermittlung einer Shim-Massen-Anordnung (SMA) zum Shimmen eines statischen Magnetfelds beschrieben. Die Shim-Massen-Anordnung (SMA) gibt Positionen vor, an denen definierte ferromagnetische Shim-Massen (7) zu positionieren sind, sodass die Shim-Massen (7) das zu shimmende Magnetfeld derart beeinflussen, dass sich in einem bestimmten Justagevolumen (SV) eine vorgegebene Magnetfeldverteilung ausbildet. Dabei wird die Shim-Massen-Anordnung (SMA) so ermittelt, dass das durch die Magnetfelder der Shim-Massen (7) erzeugte Summenmagnetfeld zumindest an einem vorgegebenen Ort eines vorgegebenen Minimalwerts liegt. Darüber hinaus werden ein Verfahren zum Shimmen eines statischen Magnetfelds, ein Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät (10) zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie ein Gerät, insbesondere Magnetresonanzgerät (1), mit einem Magnetfeldsystem (3) und mit einem solchen Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät (10) beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät zur Ermittlung einer optimalen Shim-Massen-Anordnung zum Shimmen eines statischen Magnetfelds eines Geräts, z. B. eines Magnetresonanzgeräts oder eines Teilchenbeschleunigers. Dabei gibt die Shim-Massen-Anordnung Positionen vor, an denen definierte ferromagnetische Shim-Massen zu positionieren sind, so dass die Shim-Massen das zu shimmende Magnetfeld so beeinflussen, dass sich in einem bestimmten Justagevolumen eine vorgegebene Magnetverteilung ausbildet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Shimmen eines statischen Magnetfelds.
In einem Magnetresonanzgerät wird üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundfeldmagnetsystems einem relativ hohen Grundfeldmagnetfeld, beispielsweise von 1,5 oder 3 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich wird mit Hilfe eines Gradientensystems ein Magnetfeldgradient angelegt. Über ein Hochfrequenz-Sendesystem werden dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen hochfrequente Anregungssignale (HF-Signale) ausgesendet, was dazu führen soll, dass die Kernspins bestimmter, durch dieses Hochfrequenzfeld resonant angeregter Atome um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenzsignale, so genannte Magnetresonanzsignale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden. Da die Magnetresonanzsignale auch vom Grundmagnetfeld bestimmt werden, hängt die Qualität der erzeugten Magnetresonanzbilder empfindlich von der Homogenität der Grundmagnetfeldverteilung innerhalb des Messvolumens ab. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, dass es gelingt, ein Grundmagnetfeld einzustellen, welches einer genau definierten Verteilung unterliegt, in der Regel möglichst im gesamten Messraum homogen ist.
Ähnliche Problematiken gibt es an Teilchenbeschleunigern, bei denen die Verteilung eines statischen Magnetfelds für die Qualität der Strahlerzeugung mit verantwortlich ist.
Aufgrund der Fertigungstoleranzen bei der Herstellung von Magnetfeldspulen ist es schwierig, größere Magnetfeldsysteme aufzubauen, die in einem ausreichend großen Volumen eine genau definierte Feldverteilung mit sehr geringen Toleranzen erzielen. Daher ist es üblich, das statische Magnetfeld zu „shimmen”. Hierbei wird das Magnetfeldsystem so mit ferromagnetischem Material, üblicherweise Eisenplättchen, beladen, dass die durch das ferromagnetische Material erreichte Verzerrung des Magnetfelds dazu führt, dass sich in einem bestimmten Justagevolumen (auch „Shim Design Volumen” genannt) die gewünschte Magnetfeldverteilung ausbildet. Unter einer vorgegebenen Magnetfeldverteilung ist hierbei eine Soll-Magnetfeldverteilung mit einer vorgegebenen maximalen Toleranz zu verstehen. Dabei kann es sich auch um eine relative Verteilung handeln, d. h. dass der Absolutwert für die Verteilung unerheblich ist. In der Regel geht es darum, in dem Justagevolumen ein möglichst homogenes Magnetfeld zu erreichen. Dies schließt aber nicht aus, dass die Erfindung auch verwendet werden kann, um andere Verteilungen zu erreichen, beispielsweise ein statisches Magnetfeld mit einem bestimmten Gradienten.
Zur Positionierung der Shim-Massen befinden sich im Gerät üblicherweise verschiedene Kammern, in denen die Eisenplättchen eingelegt werden. So weist beispielsweise ein Magnetresonanzgerät auf einem Kreisumfang um den Patiententunnel herum eine Anzahl von in Längsrichtung des Patiententunnels verlaufenden Schubladen (üblicherweise „Trays” genannt) auf, in denen sich einzelne Taschen (üblicherweise „Pockets” genannt) befinden, in die eines oder mehrere der Shim-Plättchen eingelegt werden können.
Um das gewünschte Magnetfeld innerhalb des Justagevolumens zu erreichen, müssen die Shim-Massen an genau definierten Positionen angeordnet werden. Zur Ermittlung einer optimalen Shim-Massen-Anordnung, die angibt, welche Massen an welchen Positionen angeordnet werden müssen, um die vorgegebene Magnetfeldverteilung möglichst gut zu erreichen, wird üblicherweise zunächst mit einem Feldmessgerät das statische Magnetfeld ausgemessen. Anschließend wird auf Basis der Messwerte in einem Optimierungsverfahren berechnet, an welchen Positionen genau welche Shim-Massen angeordnet werden müssen, d. h. an welchen Positionen welche Masse an Shim-Plättchen, und – wenn z. B. Shim-Plättchen mit unterschiedlicher Magnetisierung zur Verfügung stehen – ggf. auch, welche Art von Shim-Plättchen zu positionieren sind. Das Verfahren kann auch iterativ durchgeführt werden, d. h. dass das Magnetfeld nach der Beladung mit den Shim-Massen erneut gemessen und geprüft wird, ob weitere Shim-Massen positioniert werden müssen. In der Regel ist es möglich, beispielsweise in zwei bis drei Iterationen das Magnetfeld um einen Faktor 100 homogener als vor dem Shim-Vorgang zu machen.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der US 4,879,538 sowie den darin zitierten weiteren Schriften und Veröffentlichungen beschrieben.
Problematisch bei diesem Verfahren ist, dass das Magnetfeld relativ stark temperaturabhängig ist. So ändert sich beispielsweise die relative Permeabilität von Eisen stark mit der Temperatur. Z. B. ist Eisen oberhalb der Curie-Temperatur überhaupt nicht mehr magnetisch. Bei Temperaturänderungen innerhalb des Magnetfeldsystems kann es somit passieren, dass sich auch die Magnetfeldverteilung innerhalb des Justagevolumens wieder ändert.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät zur Ermittlung – einer Shim-Massen-Anordnung zu schaffen, welche zu einer temperaturunabhängigeren Magnetfeldverteilung im Justagevolumen führt.
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch ein Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
Erfindungsgemäß erfolgt bei diesem Verfahren die Ermittlung der Shim-Massen-Anordnung so, dass das durch die Magnetfelder der Shim-Massen erzeugte Summenmagnetfeld zumindest an einem vorgegebenen Ort innerhalb des Justagevolumens unterhalb eines vorgegebenen Minimalwerts liegt. Vorzugsweise sollte das Summenmagnetfeld an diesem vorgegebenen Ort gleich Null sein.
Die Erfindung kompensiert also die Temperaturabhängigkeit des zur Shimmung verwendeten Materials durch Einführung einer zusätzlichen Randbedingung bei der Justage, dass das eingeführte Shim-Material möglichst keine mittlere Feldänderung zumindest an einem bestimmten vorgegebenen Ort innerhalb des Justagevolumens verursacht. Das heißt, das Magnetfeld sollte an diesem Ort mit und ohne Shim-Belegung bezüglich der Amplitude gleich sein. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass die Shim-Korrektur üblicherweise nur kleine, lokale Änderungen bewirken soll. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine ferromagnetische Shim-Masse einen dipolartigen Feldeinfluss auf die Umgebung hat. Das Magnetfeld des Eisens wird durch das eigentliche zu justierende Magnetfeld (Hintergrundmagnetfeld) induziert. Daher ist die Nettosumme des Magnetfelds Null. In Feldrichtung vor und hinter dem Eisen ist das Feld verstärkt, neben den Eisenplättchen dagegen verringert. Mit anderen Worten, das Eisen zieht die Feldlinien an, so dass neben dem Eisen die Feldliniendichte verringert ist. Somit erlaubt der Dipolfeldcharakter eines einzelnen Korrekturelements (d. h. einer Shim-Masse) sowohl additive als auch subtraktive Beiträge im zu homogenisierenden Magnetfeldvolumen. Daraus ergibt sich, dass die Hauptstörung bei Temperaturdrift der magnetischen Eigenschaften des Shim-Materials durch den konstanten Term in einer räumlichen Reihenentwicklung erzeugt wird.
Dieser konstante Anteil des Magnetfelds der Shim-Massen wird aber zum Erreichen einer lokalen Feldänderung gar nicht benötigt. Zudem lässt sich durch geeignete Anordnung der Elementardipole, d. h. der einzelnen Shim-Massen, dieser konstante Anteil im Mittel zum Verschwinden bringen. Insgesamt lässt sich also durch die geeignete Positionierung der Shim-Massen-Anordnung erreichen, dass eine räumlich gleichmäßige Feldänderung, d. h. ein konstanter Hub des Magnetfelds, vermieden wird. Ist aber die konstante Anhebung des Magnetfelds reduziert, so wird auch der Einfluss der unvermeidbaren thermischen Änderung der magnetischen Eigenschaften des Shim-Materials und somit von Temperaturschwankungen minimiert.
Ein erfindungsgemäßes Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät weist dementsprechend folgende Komponenten auf:

– eine Eingangsschnittstelle zur Übernahme von Magnetfeldmesswerten eines Feldmessgeräts,
– eine Shim-Massen-Berechnungseinheit zur Berechnung einer Shim-Massen-Anordnung auf Basis der Magnetfeldmesswerte,
– eine Ausgabeeinheit zur Ausgabe von Daten betreffend die Positionen und definierten Shim-Massen gemäß der ermittelten Shim-Massen-Anordnung.

Dabei ist erfindungsgemäß die Shim-Massen-Berechnungseinheit derart ausgebildet, dass die optimale Shim-Massen-Anordnung so ermittelt wird, dass das durch die Magnetfelder der Shim-Massen erzeugte Summenmagnetfeld zumindest an einem vorgegebenen Ort innerhalb des Justagevolumens unterhalb eines vorgegebenen Minimalwerts liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung einer Shim-Massen-Anordnung wird im Rahmen eines Verfahrens zum Shimmen eines statischen Magnetfelds eingesetzt, indem zunächst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Shim-Massen-Anordnung ermittelt wird und dann entsprechend dieser vorgegebenen Shim-Massen-Anordnung an den vorgegebenen Positionen definierte ferromagnetische Shim-Massen positioniert werden. Dies wird, wie oben beschrieben, üblicherweise durch einen Bediener des Geräts getan, an den die Shim-Massen-Anordnung in geeigneter Weise ausgegeben wird. Der Bediener erhält hierzu genaue Daten, welche Shim-Massen an welchen Positionen zu hinterlegen sind, beispielsweise wie viele Shim-Plättchen mit welcher Masse und welcher Magnetisierbarkeit in welchen Taschen der Schubladen eines Magnetresonanzgeräts zu deponieren sind.
Ein erfindungsgemäßes Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät kann an beliebigen Geräten eingesetzt werden, in denen es darum geht, ein statisches Magnetfeld zu shimmen, insbesondere natürlich an einem Magnetresonanzsystem oder einem Teilchenbeschleuniger. Dabei kann das Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät – wie dies in der Regel der Fall ist – zur Ausstattung eines Technikers gehören, der bei der Erstinbetriebnahme, nach einer Reparatur oder bei einer Wartung das Magnetfeldsystem justiert. Prinzipiell kann aber z. B. auch ein erfindungsgemäßes Gerät mit einem Magnetfeldsystem, insbesondere ein Magnetresonanzgerät, ständig mit einem zugehörigen Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät ausgestattet sein.
Wesentliche Teile des Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts können in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Shim-Massen-Berechnungseinheit. Bei der Eingangsschnittstelle kann es sich beispielsweise um eine Benutzerschnittstelle handeln, über welche die Magnetfeldmesswerte eingegeben werden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei aber um einen Anschluss zu einem Feldmessgerät, so dass automatisch von diesem die Magnetfeldmesswerte übergeben werden. Besonders bevorzugt ist das Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät so ausgebildet, dass es das Feldmessgerät auch ansteuern kann. Bei der Ausgabeeinheit handelt es sich vorzugsweise um eine Benutzerschnittstelle, z. B. einen Bildschirm, auf dem die Daten betreffend die Position und definierten Shim-Massen in einer für den Techniker geeignet aufbereiteten Form ausgegeben werden, beispielsweise durch Angabe der Anzahl von Shim-Plättchen einer bestimmten Art, die in bestimmten Taschen in den Schubladen des Magnetresonanzgeräts hinterlegt werden sollen. Die Ausgabeeinheit kann auch so ausgebildet sein, dass die Shim-Massen-Anordnung in einem Speicher zur Protokollierung hinterlegt und/oder ausgedruckt wird.
Die Erfindung umfasst somit auch ein Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher eines Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts ladbar ist, mit Programmcode-Abschnitten, um alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen, wenn das Programm in dem Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät ausgeführt wird. Eine solche softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch existierende Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräte durch Implementierung des Programms kostengünstig modifiziert werden können, um in der erfindungsgemäßen Weise optimale Shim-Massen-Anordnungen zu ermitteln, die mit einer geringeren Temperaturabhängigkeit verbunden sind.
Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung, wobei insbesondere auch die Ansprüche einer Kategorie analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
Prinzipiell ist es vorteilhaft, wenn die Shim-Massen-Anordnung so ermittelt wird, dass das Summenmagnetfeld der Shim-Massen im gesamten Shim-Volumen minimal ist, d. h. wenn an jedem Ort des Justagevolumens das Summenfeld unterhalb eines vorgegebenen ε-Werts liegt. In einer bevorzugten einfachen Variante wird die optimale Shim-Massen-Anordnung so ermittelt, dass das durch die Magnetfelder der Shim-Massen erzeugte Summenmagnetfeld in einem zentralen Punkt des Justagevolumens unterhalb des vorgegebenen Minimalwerts liegt, besonders vorzugsweise gleich Null ist, d. h. ganz verschwindet.
Wie bereits oben erwähnt, wird die Shim-Massen-Anordnung bevorzugt auf Basis von Magnetfeldmesswerten berechnet, welche das aktuell zu shimmende Magnetfeld an vorgegebenen Messpunkten repräsentieren.
Dabei wird zur Berechnung der Shim-Massen-Anordnung besonders bevorzugt in einem Optimierungsverfahren an den Messpunkten, an denen die Magnetfeldmesswerte ermittelt werden, die Differenz des Summenmagnetfelds der Shim-Massen zur Abweichung der aktuellen Magnetfeldmesswerte von der vorgegebenen Magnetfeldverteilung minimiert. Als geeignete Optimierungsverfahren können z. B. Verfahren nach einer Methode der linearen Programmierung (wie beispielsweise ein Simplexverfahren) oder Verfahren nach einer Methode der quadratischen Programmierung eingesetzt werden. Bei diesem Optimierungsverfahren wird erfindungsgemäß als zusätzliche Randbedingung vorgegeben, dass das Summenmagnetfeld der Shim-Massen in dem vorgegebenen Bereich bzw. an dem vorgegebenen Punkt, beispielsweise im zentralen Punkt des Justagevolumens, unterhalb des vorgegebenen Minimalwerts liegt, besonders vorzugsweise gleich Null ist.
Um mit einer begrenzten Anzahl an Messpunkten das aktuelle Magnetfeld im gesamten Justagevolumen für das Optimierungsverfahren zu bestimmen, können die Messwerte als Stützpunkte zum Anfitten einer analytischen Funktion verwendet werden, die die Magnetfeldverteilung beschreibt. Klassischerweise werden hierzu Kugelfunktionen oder andere orthonormale Lösungen der Laplace-Gleichungen verwendet.
Dabei werden vorzugsweise Messpunkte gewählt, die in einem Randbereich oder außerhalb des Justagevolumens liegen. Dies ist ausreichend, da gemäß dem Randmaximumprinzip der Potentialtheorie das Magnetfeld innerhalb des Justagevolumens immer homogener als im Randbereich ist. Wird also eine ausreichende Homogenität im Randbereich erzielt, so ist davon auszugehen, dass das Justagevolumen auch insgesamt ausreichend homogen ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit kann die (virtuelle) Oberfläche, auf der die Messpunkte liegen, auch außerhalb des eigentlichen Justagevolumens liegen, d. h. die sogenannte Messschale ist größer als das Justagevolumen. Es ist im Übrigen auch nicht zwingend nötig, dass die Form der Messschale mit der Form des Justagevolumens übereinstimmt. So können z. B. die Messpunkt auf einer kugelförmigen Oberfläche liegen und das Justagevolumen ist zylinderförmig.
Um eine möglichst gute Annäherung an die gewünschte Magnetfeldverteilung zu erreichen, wird besonders bevorzugt mit einem iterativen Verfahren gearbeitet. Hierzu werden vorzugsweise folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

a) Ermitteln von Magnetfeldmesswerten, welche das aktuelle, zu shimmende Magnetfeld repräsentieren. Dies geschieht in der Regel durch Übernahme der Daten von einem Magnetfeldmessgerät.
b) Berechnen einer vorläufigen Shim-Massen-Anordnung auf Basis der Magnetfeldmesswerte.
c) Ausgabe von Daten betreffend die Positionen und definierten Shim-Massen gemäß der berechneten optimalen Shim-Massen-Anordnung zum Positionieren der Shim-Massen.

Die obigen Schritte können automatisch innerhalb des Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts durchgeführt werden. Im Schritt c) erfolgt dann im Rahmen eines entsprechenden Shim-Verfahrens das Positionieren der Shim-Massen üblicherweise durch einen Techniker, dem die Daten betreffend die Positionen und definierten Shim-Massen ausgegeben wurden.
Die Verfahrensschritte a) bis c) werden so lange wiederholt, bis die vorgegebene Magnetfeldverteilung im Justagevolumen erreicht ist, d. h. die Annäherung an die ideale Soll-Magnetfeldverteilung ausreichend gut ist bzw. ein Optimum erzielt wurde.
Das Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät kann zusätzlich noch eine Eingangsschnittstelle zur Übernahme von Informationen über eine aktuelle Shim-Massen-Verteilung aufweisen. Beispielsweise kann ein Bediener darüber bestätigen, dass er die einzelnen Shim-Massen an den angegebenen Stellen im Gerät positioniert hat, um so die Shim-Massen-Verteilung zu protokollieren.
Das Feldmessgerät zum Vermessen eines Magnetfelds kann grundsätzlich ein unabhängiges Gerät sein. Es kann aber auch Teil des Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts sein, zumindest in dem Sinne, dass dieses Feldmessgerät durch eine entsprechende Steuereinheit des Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts angesteuert wird und gemäß den Vorgaben des Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts die einzelnen Messpunkte anfährt, die Messwerte erfasst und an das Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät zurückliefert. Üblicherweise ist das Feldmessgerät auch in einem solchen Fall über ein Kabel mit den restlichen Komponenten des Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts verbunden, da das Feldmessgerät im Bereich des Justagevolumens, beispielsweise in einem Patiententunnel eines Magnetresonanzgeräts, positioniert werden muss.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Gehäuses eines Magnetresonanzgeräts mit einem Patiententunnel, einem darum angeordneten Grundmagnetfeldsystem und mit Schubladen zur Aufnahme von Shim-Eisenplättchen,
2 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Viertelsegments des Magnetresonanzgeräts gemäß 1,
3 ein Ablaufschema für einen möglichen Ablauf gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts mit einem daran angeschlossenen Feldmessgerät, welches in einem Patiententunnel eines Magnetresonanzgeräts positioniert ist.
Die 1 und 2 zeigen jeweils grob schematisch das Gehäuse eines Magnetresonanzgeräts 1, in welchem zentral ein Patiententunnel 2 angeordnet ist. Um diesen Patiententunnel 2 herum befindet sich außen im Gehäuse Spulen eines Grundmagnetfeldsystems 3. Üblicherweise handelt es sich bei den Spulen um Supraleiter, um das erforderliche hohe Magnetfeld von beispielsweise 3 Tesla innerhalb des Patiententunnels 2 zu erzeugen. Zwischen Grundmagnetfeldsystem 3 und dem Patiententunnel 2 befindet sich u. a. ein Gradientenspulensystem 4, dessen Primärwicklung 4a und Sekundärwicklung 4b hier lediglich an einer Stelle angedeutet sind. Außerdem befinden sich in diesem Bereich auch Fächer 8 zur Aufnahme von Trays 5, d. h. von Schubladen, welche einzelne Pockets 6 aufweisen, in denen die Shim-Massen 7, hier Shim-Plättchen 7 aus Eisen, eingelegt werden können.
Neben den in den 1 und 2 gezeigten Komponenten weist ein Magnetresonanzgerät natürlich noch eine Vielzahl weiterer Komponenten auf, wie z. B. eine Hochfrequenzsendeantenne etc. Diese Komponenten sind dem Fachmann aber – ebenso wie die Funktionsweise eines Magnetresonanzgeräts – bekannt, so dass sie hier der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt sind und auch nicht weiter erklärt werden.
Mit Hilfe der Shim-Eisenplättchen 7 soll dafür gesorgt wer den, dass sich in einem bestimmten zu homogenisierenden Justagevolumen SV, das üblicherweise in einem Bereich um ein Isozentrum des Patiententunnels 2 herum angeordnet ist, ein möglichst homogenes Grundmagnetfeld ausbildet. Hierzu werden mit einem Feldmessgerät 20, wie es beispielsweise in 4 dargestellt ist, auf einem Randbereich des Justagevolumens SV verschiedene Messpunkte MP mit den Positionen x_k angefahren und dort das Magnetfeld gemessen (siehe 2). Die Pockets 6 in den Trays 5 sollen dann so mit Shim-Eisenplättchen 7 beladen werden, dass das Magnetfeld an den Positionen x_k der Messpunkte MP möglichst homogen ist. Wie oben erläutert, können durch ein Anfitten einer analytischen Funktion an die an den Messpunkten gemessenen Messwerte auch noch weitere Messwerte für „virtuelle” Messpunkte im oder am Justagevolumen bestimmt werden, die im folgenden bei der Optimierung wie echte Messwerte an den jeweiligen virtuellen Messpunkten x_k verwendet werden können.
Die Feldbeeinflussung ΔB an einem Punkt x_k lässt sich wie folgt beschreiben:
mit k > j. m_j sind jeweils die Shim-Eisenmassen an einem Punkt u_j in einem der Pockets 6 der Trays 5. b_jK ist der geometrische Einflussfaktor einer Einheits-Shim-Eisenmasse am Punkt u_j auf den Punkt x_k (u_j auf x_k sind hierbei Ortsvektoren). Die Einflussfaktoren b_ij können beiderlei Vorzeichen haben und sind temperaturabhängig.
Durch das Shimmen soll erreicht werden, dass das durch Gleichung (1) definierte Magnetfeld am Punkt x_k gerade die Inhomogenität des Magnetfelds des Grundmagnetfeldsystems 3, d. h. die Abweichung des tatsächlichen Magnetfelds vom Soll-Magnetfeld, ausgleicht. Dies lässt sich mathematisch so beschreiben, dass für alle k gilt: |δB(x_k) – ΔB(x_k)|_k = 0 (2)
Dabei ist δB(x_k) die Inhomogenität am Ort x_k. Die Norm |...|_k in Gleichung (2) kann eine beliebige Norm sein.
Zum Beispiel kann es sich um die quadratische Norm
oder um die Maximalnorm L_∞ = max(|x₁|, |x₂| ...) (4) handeln.
Es ist klar, dass sich Gleichung (2) in der Realität normalerweise nicht vollständig erfüllen lässt, d. h. dass der Wert Null in der Regel nicht für alle Orte x_k erreicht wird. Daher wird versucht, den Term auf der linken Seite zu minimieren oder zumindest unter einen minimalen ε-Wert zu bringen.
Bei Verwendung der Maximalnorm heißt dies, dass versucht wird, folgendes Minimierungsproblem zu lösen:
für alle k. Die erreichte Homogenität ist umso besser, je geringer der vorgegebene ε-Wert ist. Die Variablen, welche innerhalb des Minimierungsproblems verändert werden können, sind die Shim-Eisenmassen m_j an den Orten u_j. Zusätzlich werden bei der Minimierung weitere Ungleichungsbedingungen als Randbedingungen vorgegeben, nämlich zum einen die Bedingung, dass m_j > 0 ist, da ja nur positive Eisenmassen an den Punkten u_j hinterlegt werden können, und dass m_j < m_max ist, da ein einzelnes Pocket 6 nur begrenzt aufnahmefähig ist und somit am Ort u_j auch nur eine begrenzte Eisenmasse positioniert werden kann. Erfindungsgemäß wird nun zusätzlich eine weitere Randbedingung gesetzt: Σb_jnm_j = 0 (6)
Diese zusätzliche feste Randbedingung im Ausgleichsproblem besagt, dass der mittlere Einfluss an einem Ort x_n, vorzugsweise in der Mitte, d. h. dem zentralen Punkt ZP, im Justagevolumen SV des Magnetfelds durch die Shim-Massen, gleich Null ist. Auf diese Weise wird eine größtmögliche Temperaturunempfindlichkeit der mittleren Magnetfeldstärke erreicht.
Abgesehen von dieser zusätzlichen Randbedingung gemäß Gleichung (6) können also zur Lösung des Ausgleichsproblems gemäß Gleichung (5) prinzipiell die gleichen Optimierungsverfahren verwendet werden wie bisher. Beispielsweise bieten sich hierzu Verfahren des linearen Programmierens an, wie ein Simplexverfahren etc.
Wird anstatt einer Maximalnorm eine quadratische Norm gemäß Gleichung (3) verwendet, ist analog zu Gleichung (5) das zu lösende Ausgleichsproblem als |δB – B·m| = 0 (7) darstellbar. Hierbei sind
δB ist die Inhomogenität an den Orten x_k in Vektorform. Gleichung (9) lässt sich auch schreiben als B^TBm – B^TδB = 0 (10)
Hierbei lassen sich wieder zusätzliche Randbedingungen vorgeben, wie sie obenstehend definiert sind, d. h. m_j > 0 und m_j < m_max. Ebenso wird bei diesem Verfahren erfindungsgemäß die Randbedingung gemäß Gleichung (6) vorgegeben. Bei Verwendung der quadratischen Norm wird vorzugsweise das Problem mit Hilfe des Verfahrens einer quadratischen Programmierung gelöst.
Die verschiedenen mathematischen Verfahren zur Lösung solcher linearen Ausgleichsprobleme sind dem Fachmann aber vom Prinzip her bekannt und brauchen daher nicht weiter im Detail erläutert zu werden. Verfahren hierzu werden beispielsweise in den oben zitierten Veröffentlichungen genannt.
3 zeigt beispielhaft einen möglichen Verfahrensablauf zum Shimmen eines statischen Magnetfelds.
Im Schritt I wird zunächst das Magnetfeld gemessen.
Im Schritt II wird dann geprüft, ob die Magnetfeldverteilung bereits der gewünschten Verteilung entspricht. Ist dies der Fall (Abzweig „j”), so ist das Verfahren im Schritt VI bereits beendet.
Andernfalls (Abzweig „n”) wird im Schritt III die optimale Shim-Anordnung berechnet, wie dies oben bereits erläutert wurde, d. h. es wird ein Optimierungsverfahren durchgeführt, um das lineare Ausgleichsproblem gemäß Gleichung (5) oder Gleichung (7) zu lösen, je nachdem, welche Norm verwendet wird.
Anschließend wird im Schritt IV die Shim-Anordnung ausgegeben, d. h. es werden einem Bediener über eine Ausgabeeinheit, beispielsweise einen Bildschirm oder Drucker, exakte Daten ausgegeben, welche bzw. wie viele Shim-Plättchen 7 an welcher Position, d. h. in welchem Pocket 6, zu deponieren sind.
Im Schritt V erfolgt dann durch den Bediener die Positionierung der Shim-Plättchen 7.
Anschließend wird die Schleife erneut durchlaufen, wobei wieder im Schritt I zunächst das Magnetfeld gemessen wird und dann im Schritt II geprüft wird, ob die Verteilung bereits gut genug an die Soll-Magnetfeldverteilung angepasst, beispielsweise homogen genug ist. Die Schleife wird dann iterativ so oft durchlaufen, bis die gemessene Magnetfeldverteilung ausreichend mit der vorgegebenen Magnetfeldverteilung übereinstimmt. Üblicherweise ist dies bereits nach zwei bis drei Zyklen der Fall.
4 zeigt schematisch den möglichen Aufbau eines Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts 10. Dieses Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts 10 umfasst eine Shim-Massen-Berechnungseinheit 15, welche beispielsweise durch einen geeigneten Prozessor mit ausreichender Speicherkapazität realisiert sein kann, auf dem ein Rechenprogramm implementiert ist. Die Shim-Massen-Berechnungseinheit 15 berechnet auf Basis von vorgegebenen Magnetfeldmesswerten MW nach dem oben erläuterten Verfahren die Positionen der Shim-Massen, d. h. eine optimale Shim-Massen-Anordnung SMA, um der gewünschten Magnetfeldverteilung möglichst nahe zu kommen. Die Shim-Massen-Berechnungseinheit 15 ist dabei so ausgebildet, dass bei den Berechnungen die oben in Gleichung (6) genannte Randbedingung erfüllt wird.
Die Messwerte MW erhält die Shim-Massen-Berechnungseinheit 15 über eine Schnittstelle 11, an welche ein Feldmessgerät 20 angeschlossen ist, das in einem Patiententunnel 2 des Magnetresonanzgeräts 1 positioniert ist. Dieses Feldmessgerät 20 ist über Stege 23 mit einem Haltekranz 22 verbunden. Das Feldmessgerät 20 weist eine Halbkreisscheibe 21 auf, welche auf einer an den Stegen 23 befestigte Achse 24 rotierbar ist. Diese Rotationsachse 24 liegt koaxial zur Längsachse des Magnetresonanzgeräts 1 bzw. des Patiententunnels 2. Diese Halbkreisscheibe 21 enthält in einem äußeren Rand auf dem Umfang verteilt 32 Messsonden. Die Halbkreisscheibe 21 fährt dann nach und nach 24 Winkelpositionen ab, so dass insgesamt auf einer Kugeloberfläche 24 × 32 Messpunkte vermessen werden. Alternativ kann die Winkelverstellung auch manuell durchgeführt werden.
Angesteuert wird das Feldmessgerät 20 von einer Steuereinheit 12 des Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts 10, welches entsprechende Steuerbefehle CS über die Schnittstelle 11 an das Feldmessgerät 20 ausgibt.
Weitere Komponenten des Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts 10 sind ein Display 13, auf dem beispielsweise die Daten der optimalen Shim-Massen-Anordnung ausgegeben werden, beispielsweise in Form der Anzahl der Shim-Plättchen 7, die in jedem Pocket 6 zu hinterlegen sind. Außerdem ist das Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät 10 mit einer Tastatur 14 versehen, über die ein Bediener Eingaben tätigen kann, beispielsweise um die Steuereinrichtung 12 anzutriggern und eine Messung zu starten (z. B. auch um bei einem halbmanuellen Betrieb jedes Mal eine neue Messung zustarten, wenn das Messgerät um einen Winkelschritt verdreht wurde) oder um beispielsweise an die Shim-Massen-Berechnungseinheit 15 eine Bestätigung zu übergeben, wenn die Shim-Massen 7 an den vorgegebenen Positionen eingelegt sind.
Das Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät 10 ist hier als ein separates Gerät dargestellt. Grundsätzlich kann es sich aber auch um einen Steuerrechner, beispielsweise einen Steuerrechner des Magnetresonanzgeräts, handeln, welcher eine entsprechende Schnittstelle zur Übernahme der Magnetfeldmessdaten MW aufweist. Durch Implementierung eines geeigneten Programms auf einem Prozessor dieses Steuerrechners lässt sich dieser als erfindungsgemäßes Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät mit einsetzen. Üblicherweise weisen derartige Steuerrechner ohnehin eine geeignete Ausgabeeinrichtung, beispielsweise ein Terminal mit einem Bildschirm und einer Tastatur, auf.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät lässt sich also auf sehr einfache Weise erreichen, dass eine erheblich höhere Temperaturstabilität des statischen Magnetfelds als mit bisherigen Verfahren erreicht wird. Dabei kann auf herkömmliche Verfahren zum Shimmen des Magnetfelds zurückgegriffen werden. Es muss lediglich bei den Berechnungen eine weitere Randbedingung vorgegeben werden. Die Erfindung erlaubt somit vorteilhafterweise eine sehr einfache und kostengünstige Implementierung in bereits bestehende Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräte.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den zuvor beschriebenen detaillierten Verfahren und Aufbauten um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. 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.
Bezugszeichenliste

1: Magnetresonanzgerät
2: Patiententunnel
3: Grundmagnetfeldsystems
4: Gradientenspulensystem
4a: Primärwicklung des Gradientenspulensystems
4b: Sekundärwicklung des Gradientenspulensystems
5: Tray
6: Pocket
7: Shim-Massen/Shim-Plättchen
8: Fächer
10: Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät
11: Schnittstelle
12: Steuereinheit
13: Display
14: Tastatur
15: Shim-Massen-Berechnungseinheit
20: Feldmessgerät
21: Halbkreisscheibe
22: Haltekranz
23: Steg
24: Achse
MW: Messwert
SV: Justagevolumen
ZP: zentraler Punkt
MP: Messpunkt
MW: Magnetfeldmessdaten
SMA: Shim-Massen-Anordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4879538 [0007]

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Shim-Massen-Anordnung (SMA) zum Shimmen eines statischen Magnetfelds, wobei die Shim-Massen-Anordnung (SMA) Positionen vorgibt, an denen definierte ferromagnetische Shim-Massen (7) zu positionieren sind, sodass die Shim-Massen (7) das zu shimmende Magnetfeld derart beeinflussen, dass sich in einem bestimmten Justagevolumen (SV) eine vorgegebene Magnetfeldverteilung ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Shim-Massen-Anordnung (SMA) so ermittelt wird, dass das durch die Magnetfelder der Shim-Massen (7) erzeugte Summenmagnetfeld zumindest an einem vorgegebenen Ort (ZP) innerhalb des Justagevolumens (SV) unterhalb eines vorgegebenen Minimalwerts liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Shim-Massen-Anordnung (SMA) so ermittelt wird, dass das durch die Magnetfelder der Shim-Massen (7) erzeugte Summenmagnetfeld in einem zentralen Punkt (ZP) des Justagevolumens (SV) unterhalb des vorgegebenen Minimalwerts liegt, vorzugsweise gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Shim-Massen-Anordnung (SMA) auf Basis von Magnetfeld-Messwerten (MW) berechnet wird, welche das zu shimmende aktuelle Magnetfeld an vorgegebenen Messpunkten (MP) repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Shim-Massen-Anordnung (SMA) in einem Optimierungsverfahren an den Messpunkten (MP) die Differenz des Summenmagnetfelds der Shim-Massen (7) zur Abweichung der aktuellen Magnetfeld-Messwerte (MW) von der vorgegebenen Magnetfeldverteilung minimiert wird, wobei als zusätzliche Randbedingung vorgegeben wird, dass das Summenmagnetfeld der Shim-Massen (7) an dem vorgegeben Punkt unterhalb des vorgegebenen Minimalwerts liegt, vorzugsweise gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte (MP) in einem Randbereich oder außerhalb des Justagevolumens (SV) liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Ermitteln von Magnetfeld-Messwerten (MW), welche das zu shimmende aktuelle Magnetfeld repräsentieren, b) Berechnen einer vorläufigen Shim-Massen-Anordnung (SMA) auf Basis der Magnetfeld-Messwerte, c) Ausgabe von Daten betreffend die Positionen und definierten Shim-Massen (7) gemäß der berechneten Shim-Massen-Anordnung (SMA) zum Positionieren der Shim-Massen (7), d) iterative Wiederholung der Schritte a) bis c) so lange, bis die vorgegebene Magnetfeldverteilung im Justagevolumen (SV) erreicht ist.
Verfahren zum Shimmen eines statischen Magnetfelds, bei dem eine Shim-Massen-Anordnung (SMA) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bestimmt wird und gemäß dieser Shim-Massen-Anordnung (SMA) an den vorgegebenen Positionen definierte ferromagnetische Shim-Massen (7) positioniert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Messen des zu shimmenden, aktuellen Magnetfelds, b) Berechnen einer vorläufigen Shim-Massen-Anordnung (SMA) auf Basis von bei der Messung erhaltenen Magnetfeld-Messwerten (MW), c) Positionieren von definierten Shim-Massen (7) gemäß der berechnen Shim-Massen-Anordnung (SMA), d) iterative Wiederholung der Schritte a) bis c) so lange, bis eine vorgegebene Magnetfeldverteilung im Justagevolumen (SV) erreicht ist.
Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät (10) zur Ermittlung einer Shim-Massen-Anordnung (SMA) zum Shimmen eines statischen Magnetfelds, wobei die Shim-Massen-Anordnung (SMA) Positionen vorgibt, an denen definierte ferromagnetische Shim-Massen (7) zu positionieren sind, sodass die Shim-Massen (7) das zu shimmende Magnetfeld derart beeinflussen, dass sich in einem bestimmten Justagevolumen (SV) eine vorgegebene Magnetfeldverteilung ausbildet, wobei das Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät (10) folgende Komponenten aufweist: – eine Eingangsschnittstelle (11) zur Übernahme von Magnetfeld-Messwerten (MW) eines Feldmessgeräts (20), – eine Shim-Massen-Berechnungseinheit (15) zur Berechnung einer Shim-Massen-Anordnung (SMA) auf Basis der Magnetfeldmesswerte (MW), – eine Ausgabeeinheit (13) zur Ausgabe von Daten betreffend die Positionen und definierten Shim-Massen (7) gemäß der ermittelten Shim-Massen-Anordnung (SMA), dadurch gekennzeichnet, dass die Shim-Massen-Berechnungseinheit (15) derart ausgebildet ist, dass die Shim-Massen-Anordnung (SMA) so ermittelt wird, dass das durch die Magnetfelder der Shim-Massen (7) erzeugte Summenmagnetfeld zumindest an einem vorgegebenen Ort (ZP) innerhalb des Justagevolumens (SV) unterhalb eines vorgegeben Minimalwerts liegt.
Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Eingangsschnittstelle (14) zur Übernahme von Informationen über eine aktuelle Shim-Massen-Verteilung.
Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein Feldmessgerät (20) zum Vermessen eines Magnetfelds in einem Justagevolumen (SV).
Gerät, insbesondere Magnetresonanzgerät (1), mit einem Magnetfeldsystem (3) und mit einem Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11.
Computerprogramm, welches direkt in einen Speicher eines Shim-Massen-Positionsbestimmungsgeräts (10) ladbar ist, mit Programmcodeabschnitten, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, wenn das Programm im Shim-Massen-Positionsbestimmungsgerät (10) ausgeführt wird.