DE102011084072A1

DE102011084072A1 - Zweikanal-Magnetresonanztomographie-System

Info

Publication number: DE102011084072A1
Application number: DE102011084072A
Authority: DE
Inventors: Chih-Chung Chen; Klaus Huber; Johannes Reinschke; Claus Seisenberger; Markus Vester; Christian Wünsch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-10-06
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2031-10-07
Also published as: DE102011084072B4; US9784811B2; WO2013050223A1; CN103959083B; KR20140082786A; JP2014528296A; KR101921997B1; CN103959083A; JP6104253B2; US20150028870A1

Abstract

Es wird vorgeschlagen, ein Zweikanal-Magnetresonanztomographie-System mit einem Regelkreis für ein Verstärkungssystem zu versehen, um somit unterschiedliche Last-Fälle des MRT-Systems flexibel und effizient berücksichtigen zu können. So ist es möglich, dass die MRT-Messungen deutlich verbessert werden, wenn zuvor mittels einer Leerlauf-Messung das MRT-System auf den jeweiligen Last-Fall eingestellt wird. Die Adaption kann optional auch noch während der MRT-Messung durchgeführt werden. Durch den Regelkreis kann also eine Vielzahl völlig unterschiedlicher Last-Fälle jeweils optimiert berücksichtigt werden. Die Erfindung wird vorzugsweise im Rahmen der Ansteuerung von MRT-Systemen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung eines Verstärkungssystems für ein Zweikanal-Magnetresonanztomographie-System sowie eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Zweikanal-Magnetresonanztomographie-Systems.
Die Magnetresonanztomographie (MRT, kurz auch MR; Englisch: MRI für Magnetic Resonance Imaging) ist ein bildgebendes Verfahren, das vor allem in der medizinischen Diagnostik zur Darstellung von Struktur und Funktion der Gewebe und Organe im Körper eingesetzt wird. Es basiert physikalisch auf den Prinzipien der Kernspinresonanz und wird daher auch als Kernspintomographie bezeichnet. Allgemeine Details finden sich z. B. unter http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie.
Mit der MRT kann man Schnittbilder des menschlichen (oder tierischen) Körpers erzeugen, die eine Beurteilung der Organe und vieler krankhafter Organveränderungen erlauben. Die Magnetresonanztomographie basiert auf starken Magnetfeldern sowie elektromagnetischen Wechselfeldern im Radiofrequenzbereich, mit denen bestimmte Atomkerne (meistens die Wasserstoffkerne/Protonen) im Körper resonant angeregt werden, die dann im Empfängerstromkreis elektrische Signale induzieren. Im Gerät wird keine belastende Röntgenstrahlung oder andere ionisierende Strahlung erzeugt oder genutzt. Eine wesentliche Grundlage für den Bildkontrast sind unterschiedliche Relaxationszeiten verschiedener Gewebearten. Daneben trägt auch der unterschiedliche Gehalt an Wasserstoff-Atomen in verschiedenen Geweben (z. B. Muskel, Knochen) zum Bildkontrast bei.
Der hier vorgeschlagene Ansatz betrifft insbesondere eine Spannungsregelung bzw. eine Einrichtung zur Spannungsregelung für ein Funkfrequenz-Leistungsverstärker-System (auch bezeichnet als RFPA-System, wobei RFPA für Radio Frequency Power Amplifier steht), wie es in der MRT eingesetzt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die MRT-Technologie zu verbessern und insbesondere auf unterschiedliche Last-Fälle (Patienten, Organe, Positionen) hin flexibel optimieren zu können.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zur Einstellung eines Verstärkungssystems für ein Zweikanal-Magnetresonanztomographie-System angegeben,

– bei dem abhängig von einem Last-Fall das Verstärkungssystem mittels eines Regelkreises adaptiert wird.

Somit kann ein RF-Anregungssignal stabilisiert und eine flexible Optimierung auf unterschiedliche Last-Fälle erreicht werden.
Vorzugsweise umfasst das Verstärkungssystem einen eigenen Verstärker für jeden Kanal des Magnetresonanztomographie-Systems.
Der hier vorgeschlagene Ansatz ermöglicht es, das Zweikanal-Magnetresonanztomographie-System spezifisch auf den jeweiligen Last-Fall zu kalibrieren und somit eine für den Last-Fall günstige Einstellung zu nutzen. Dies führt zu einer deutlichen Verbesserung der Messergebnisse und erhöht die Flexibilität des Zweikanal-Magnetresonanztomographie-Systems auch im Hinblick auf mögliche einsetzbare Körperspulen.
Damit ist es auch möglich, bestimmte Vorgaben zu erfüllen (schnelle Einschwingzeit bei Einhaltung einer vorgegebenen maximalen, exakten bzw. geeigneten Verstärkung) auch im Hinblick auf völlig unterschiedliche Last-Fälle.
Eine Weiterbildung ist es, dass der Regelkreis eine Rückkopplung des Ausgangssignals des Verstärkungssystems insbesondere auf den Eingang des Verstärkungssystems aufweist.
Die Rückkopplung kann zur Einstellung von Controllern (Steuergliedern) in einem Vorwärtszweig des Regelkreises eingesetzt werden.
Eine andere Weiterbildung ist es, dass bei der Rückkopplung eine Verzögerung des Ausgangssignals durchgeführt wird.
Insbesondere kann hierfür ein Verzögerungselement vorgesehen sein.
Insbesondere ist es eine Weiterbildung, dass anhand des Verstärkungssystems der Last-Fall bestimmt wird und abhängig von dem Last-Fall mindestens ein Controller des Zweikanal-Magnetresonanztomographie-Systems eingestellt wird.
Insbesondere kann anhand einer Messung, z. B. einer Leerlauf-Messung (ungeregelte Messung) die Art des Last-Falls bzw. mindestens ein Parameter des Last-Falls bestimmt (z. B. geschätzt) werden.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Controller einen lastabhängigen Vorwärts-Controller zur Einstellung einer geeigneten (insbesondere maximalen oder exakten) Verstärkung des Verstärkungssystems umfasst.
Mittels des lastabhängigen Vorwärts-Controllers kann die Verstärkung des Verstärkungssystems eingestellt bzw. geregelt werden. Somit kann insbesondere sichergestellt werden, dass eine vorgegebene maximale Verstärkung nicht überschritten wird.
Ferner ist es eine Weiterbildung, dass der mindestens eine Controller einen weiteren lastabhängigen Controller umfasst, der vier SISO-PI-Regler aufweist.
Insbesondere sind die beiden lastabhängigen Controller zueinander parallel geschaltet. Anhand der vier SISO-PI-Regler (je zwei Regler für einen Kanal des Zweikanal-Magnetresonanztomographie-Systems) kann erreicht werden, dass die Einschwingzeit beschleunigt und somit der Nachlauf einer MRT-Aufnahme verbessert wird.
Im Rahmen einer zusätzlichen Weiterbildung werden die Signale vor dem Verstärkungssystem entkoppelt.
Insbesondere kann dem Verstärkungssystem eine Entkoppel-Komponente vorgeschaltet sein. Beispielsweise wird anhand der Entkoppel-Komponente sichergestellt, dass ein statischer Anteil in dem Signal reduziert bzw. unterdrückt wird und/oder dass eine Skalierung der Werte auf ein vorgegebenes Maß erfolgt.
Eine nächste Weiterbildung besteht darin, dass der Last-Fall bestimmt wird basierend auf mindestens einem der folgenden Parameter:

– der Größe des Patienten;
– dem Gewicht des Patienten;
– einem zu untersuchenden Bereich oder Organ;
– einer Position des Untersuchungstisches;
– einer Position der Körperspule zur Durchführung der MRT-Messung;
– einer Position des Patienten in Relation zu dem Untersuchungstisch.

Eine Ausgestaltung ist es, dass die Einstellung des Verstärkungssystems während einer Leerlauf-Messung durchgeführt wird.
Eine Leerlauf-Messung (auch bezeichnet als Open-Loop-Betrieb oder Open-Loop-Messung) betrifft vorzugsweise eine Messung, die zur Einstellung des Verstärkungssystems bzw. des Regelkreises. Dies kann abhängig von dem Last-Fall erfolgen derart, dass z. B. ein Patient eine vorgegebene Position in dem MRT-System einnimmt und vor der eigentlichen MRT-Untersuchungen Messungen durchgeführt werden, um das MRT-System für die anstehende Messung optimiert einzustellen.
Eine alternative Ausführungsform besteht darin, dass nach der Leerlauf-Messung eine MRT-Messung mit dem Patienten durchgeführt wird.
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass bei der MRT-Messung der Regelkreis adaptiert wird.
Auch während der MRT-Messungen kann der Regelkreis adaptiert und somit die Qualität der erhaltenen Messungen verbessert werden.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass der Last-Fall mittels der Leerlauf-Messung bestimmt wird.
Der Last-Fall kann auch abhängig von Parametern, die während der Leerlauf-Messung ermittelt werden, (mit)bestimmt werden. Mit anderen Worten können auch Parameter, die während der Leerlauf-Messung bestimmt werden, genutzt werden, um den Last-Fall zu bestimmen und damit abhängig von dem Last-Fall den Regelkreis bzw. das Verstärkungssystem über den Regelkreis zu adaptieren.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Zweikanal-Magnetresonanztomographie-Systems

– mit einem Verstärkungssystem,
– wobei das Verstärkungssystem abhängig von einem Last-Fall mittels eines Regelkreises adaptierbar ist.

Der Regelkreis kann hierzu eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispielsweise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Dabei kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc.) eingesetzt werden.
Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend. Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass der Regelkreis eine Rückkopplung des Ausgangssignals des Verstärkungssystems insbesondere auf den Eingang des Verstärkungssystems aufweist.
Auch ist es eine Weiterbildung, dass in einem Vorwärtszweig des Regelkreises mindestens ein Controller vorgesehen ist anhand dessen eine Verstärkung des Verstärkungssystems einstellbar ist und anhand dessen eine Einschwingzeit des Verstärkungssystems einstellbar ist.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst mittels eines Zweikanal-Magnetresonanztomographie-Systems, das eine der hier beschriebenen Vorrichtungen umfasst.
Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z. B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen (z. B. in Form von Programmcode), die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:
1 ein schematisches Blockdiagramm für ein geregelten RFPA-Systems zum Einsatz in einem 2-Kanal MRT-System;
2 ein alternatives schematisches Blockdiagramm eines 2-Kanal-MRT-Systems.
Ein MIMO-System (englisch: Multiple Input Multiple Output) bezeichnet ein System mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen bzw. mit mehreren Eingangs- und mehreren Ausgangsgrößen bzw. Variablen. Im deutschen Sprachgebrauch wird manchmal auch der Begriff Mehrgrößensystem verwendet. Systeme, die über genau eine Eingangs- und eine Ausgangsgröße bzw. -variable verfügen, werden als SISO-System (englisch: Single Input Single Output) bezeichnet.
Ein RFPA-System umfasst einen Leistungsverstärker in einem Radiofrequenzbereich, z. B. in einem Hochfrequenzbereich. Pro Kanal wird ein Radiofrequenz-Signal (auch bezeichnet als RF-Signal) verstärkt, wobei das RF-Signal eine bestimmte Amplitude und Phase aufweist.
Im Folgenden wird ein 2-Kanal RFPA-System vorgeschlagen. Aus Sicht einer Steuerung bzw. Regelung entspricht ein 2-Kanal RFPA-System einem 4×4 MIMO-System, umfassend je zwei Kanäle für Amplitude sowie Phase des einstellbaren RF-Signals.
1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines geregelten RFPA-Systems zum Einsatz in einem 2-Kanal MRT-System.
Soll- oder Referenzwerte s_i mit i = 1 ... 4 werden an einen lastabhängigen Vorwärts-Controller 102 (auch bezeichnet als Feedforward-Controller) angelegt. Weiterhin werden verzögerte Ausgangswerte d_i (i = 1 ... 4) von den Sollwerten subtrahiert, das Ergebnis wird in Form von Werten g_i = s_i – d_i mit i = 1 ... 4 einem lastabhängigen Controller 101, der vier SISO-PI-Regler, einen für jeden Kanal i, aufweist, zugeführt.
Ein PI-Regler, auch bezeichnet als ein proportional-integral Regler besteht aus den Anteilen eines Proportional-Gliedes und eines Integrier-Gliedes.
Ausgangswerte f_i des Controllers 102 werden mit Ausgangswerten w_i des Controllers 101 zu Werten k_i kombiniert, d. h. k_i = w_i + f_i mit i = 1 ... 4, und einer Entkoppel-Komponente 103 zugeführt. Beispielsweise wird anhand der Entkoppel-Komponente 103 sichergestellt, dass ein statischer Anteil in dem Signal k_i reduziert bzw. unterdrückt wird und/oder dass eine Skalierung der Werte k_i auf ein vorgegebenes Maß erfolgt.
Die Entkoppel-Komponente 103 entkoppelt einem RFPA-System 104. Mit anderen Worten: durch den dem RFPA-System vorgelagerten Einsatz der Entkoppel-Komponente entspricht dies funktional vier voneinander entkoppelten SISO-Systemen.
Am Ausgang des Entkoppel-Systems werden entsprechend Werte p_i dem RFPA-System 104 bereitgestellt.
Die Entkoppel-Komponente 103 entkoppelt die Ein- und Ausgänge des RFPA-Systems, d. h. jedes der vier Eingangssignale entspricht einem der vier Ausgangssignale des RFPA-Systems und die ursprünglich vorhandenen Kopplungen zwischen den Ein- und Ausgangssignalen sind somit reduziert bzw. (weitgehend) eliminiert. Das 4×4 RFPA-System zerfällt damit in vier 1×1 Teilsysteme. Die Skalierung erfolgt beispielsweise derart, dass jedes der vier 1×1 Teilsysteme dieselbe Gleichspannungsverstärkung aufweist.
Die Entkoppel-Komponente 103 wird abhängig von dem Last-Fall bestimmt. Dies erfolgt, indem man bei temporärer Abschaltung der Regelung auf die Soll-Spannungssignale s₁, s₂, s₃ und s₄ nacheinander einen Sprung gibt und die Ausgangsspannungen u₁, u₂, u₃ und u₄ bestimmt. Aus diesen Sprungantworten kann man die Gleichspannungsverstärkung (eine 4×4-Matrix) des RFPA-Systems bestimmen. Die Entkoppel-Komponente 103 ist im einfachsten Fall die Inverse der Gleichspannungsverstärkungsmatrix. Alternativ kann die Inverse der Gleichspannungsverstärkungsmatrix noch mit vier Eingangsskalierungsfaktoren multipliziert werden.
Anhand des Last-Falls bzw. der experimentell bestimmten Gleichspannungsverstärkungsmatrix des RFPA-Systems 104 wird eine entsprechende Information 106 an eine Wertetabelle 105 (englisch: Lookup-Table) übermittelt anhand derer die Information 106 umgesetzt wird in eine zugehörige Einstellung für die Controller 101 und 102. Dies geschieht vorzugsweise im Rahmen einer Leerlauf-Messung und/oder während der Durchführung einer Untersuchung.
Das RFPA-System 104 stellt Ausgangswerte u_i (z. B. in Form von Ausgangsspannungen) bereit, die auch über ein Verzögerungselement 107 in die verzögerten Ausgangswerte d_i überführt werden.
Somit wird das RFPA-System 104 effizient angesteuert und mittels der (Feedback-)Information 106 sichergestellt, dass das RFPA-System optimiert für den jeweiligen Last-Fall betrieben wird.
Der Controller 101 wird hierbei eingesetzt, um Steuerfehler im eingeschwungenen Zustand zu reduzierten bzw. zu eliminieren.
Der Controller 102 wird eingesetzt, um die Einschwingzeit zu beschleunigen und somit einen Nachlauf bei der MRT-Aufnahme zu verbessern.
Die Entkoppel-Komponente 103 umfasst beispielsweise eine statische Entkoppel- und Skaliermatrix, die dazu dient, Übersprechen zwischen den vier Kanälen zu reduzieren bzw. (zumindest anteilig) zu vermeiden.
Um effiziente MRT-Messungen für unterschiedliche Last-Fälle zu ermöglichen und somit die Leistungsfähigkeit und Effizienz des MRT-Systems zu verbessern, können unterschiedliche Vorwärtssteuer-Verstärkungsmatrizen in dem Controller 102 und ggf. entsprechend passende Einstellungen für den Controller 101 (Parametrisierungen der PI-Regler) vorgesehen sein, die abhängig von der Information 106, die wiederum abhängig von den jeweiligen Last-Fällen bestimmt wird, ausgewählt werden. So kann die Information 106 dazu dienen, einen Eintrag in der Wertetabelle 105 zu adressieren, der eine entsprechende Einstellung der Controller 101 und 102 umfasst. Diese Einstellung wird daraufhin für die Controller 101, 102 übernommen.
Abhängig von der Last des RFPA-Systems 104 kann somit eine geeignete Verstärkung mittels der Wertetabelle 105 gewählt werden. Damit kann die erforderliche schnelle Einschwingzeit abhängig von dem jeweils konkreten Last-Fall erreicht werden und gleichzeitig eine gute Qualität der Aufnahmen sichergestellt sein.
Insbesondere kann das RFPA-System so eingestellt werden, dass z. B. die folgenden Vorgaben erfüllt werden:

(1) Für eine Sprungantwort beträgt eine Einschwingzeit (zum Erreichen eines Toleranzbands in Höhe von z. B. 5% um einen Zielwert) weniger als 10 Mikrosekunden (ohne stationären Fehleranteil).
(2) Eine vorgegebene maximale Spannung an dem Ausgang des Verstärkers wird nicht überschritten.
(3) Die Vorgaben (1) und (2) werden für unterschiedliche Last-Fälle eingehalten. Die Last-Fälle entsprechen dabei z. B. unterschiedlichen Patienten, ihren zu untersuchenden Organen sowie der verschiedenen Positionen bei der MRT-Untersuchung.

Der Last-Fall kann von unterschiedlichen Faktoren abhängen. Beispielsweise kann die Größe des Patienten geschätzt werden in Bezug auf einen zu untersuchenden Bereich. Eine solche Schätzung kann mindestens einen der folgenden Parameter berücksichtigen:

– das Gewicht des Patienten,
– der zu untersuchende Bereich, z. B. in Abhängigkeit von einer Position eines Untersuchungstisches und/oder von einer Position des Patienten auf dem Untersuchungstisch (z. B. auf dem Rücken/Bauch liegend, auf der rechten/linken Seite liegend),
– eine Leerlauf-Messung (auch bezeichnet als Open-Loop-Messung).

Während der Leerlauf-Messung kann ein tatsächliches lastabhängiges Systemverhalten gemessen werden und die Parameter der Regelschleife können derart justiert werden, dass eine optimierte dynamische Systemantwort erreicht wird.
Die eigentliche Untersuchung (MRT-Messung) des Patienten erfolgt im Anschluss an diese Leerlauf-Messung.
2 zeigt ein schematisches Diagram eines 2-Kanal-MRT-Systems.
Ein Sollwert sw₁ wird an eine Laufzeit-Komponente 201 und an ein Addierglied 203 gelegt, das Ergebnis der Laufzeit-Komponente 201 wird an ein Addierglied 207 geführt, Das Ergebnis des Addierglieds 207 wird über einen Schalter 218 an ein Loopfilter 205 an das Addierglied 203 geführt. Der Ausgang des Addierglieds 203, also die Addition des Sollwerts sw₁ mit dem Ausgangswert des Loopfilters 205 wird einer Entkoppel-Komponente 209 zugeführt.
Ein Sollwert sw₂ wird an eine Laufzeit-Komponente 202 und an ein Addierglied 204 gelegt, das Ergebnis der Laufzeit-Komponente 202 wird an ein Addierglied 208 geführt, Das Ergebnis des Addierglieds 208 wird über einen Schalter 219 an ein Loopfilter 205 an das Addierglied 204 geführt. Der Ausgang des Addierglieds 204, also die Addition des Sollwerts sw₂ mit dem Ausgangswert des Loopfilters 206 wird ebenfalls der Entkoppel-Komponente 209 zugeführt.
Somit ergibt sich aus dem Sollwert sw₁ über die Entkoppel-Komponente 209 ein modifizierter (Soll-)Wert sw₁' und entsprechend aus dem Sollwert sw₂ ein modifizierter (Soll-) Wert sw₂'.
Der Wert sw₁' wird über einen Digital-Analog-Wandler 210 und einen Verstärker 212 einer Verarbeitungseinheit 214 zugeführt. Entsprechend wird der Wert sw₂' über einen Digital-Analog-Wandler 211 und einen Verstärker 213 der Verarbeitungseinheit 214 zugeführt.
Von der Verarbeitungseinheit 214 werden zulaufende Wellen a₁ und a₂ über ein Kabel der Länge l_BC an eine Körperspule 217 übermittelt. Die Körperspule 217 liefert auf die Verarbeitungseinheit 214 zulaufende Wellen b₁ und b₂ bzw. Spannungswerte U_BC1 und U_BC2.
Die Spannung U_BC1 wird von der Verarbeitungseinheit 214 über einen Analog-Digital-Wandler 215 als ein digitaler gemessener Istwert dem Addierglied 207 zugeführt und von dem Ausgangswert der Laufzeit-Komponente 201 subtrahiert. Entsprechend wird die Spannung U_BC2 von der Verarbeitungseinheit 214 über einen Analog-Digital-Wandler 216 als ein digitaler gemessener Istwert dem Addierglied 208 zugeführt und von dem Ausgangswert der Laufzeit-Komponente 202 subtrahiert.
Die Sollwerte in 2 sind komplexe Signale umfassend einen Real- und einen Imaginärteil.
Die modifizierten Sollwerte sw₁' und sw₂' ergeben sich wie folgt aus den in 1 gezeigten Werten: sw₁' = p₁ + i·p₂, sw₂' = p₃ + i·p₄
Die ermittelten Ausgangsspannungen U_BC1 und U_BC2 (Spannungen an der Körperspule 217) ergeben sich wie folgt aus den in 1 dargestellten Werten: U_BC1 = u₁ + i·u₂, U_BC2 = u₃ + i·u₄.
Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen (Variablen) kann mittels einer komplexen 2×2 Matrix K (Koppelmatrix) beschrieben werden:
Die Matrix K hängt von der Last-Situation (auch bezeichnet als Last-Fall) der Körperspule 217 sowie von Ausgangsreflexionskoeffizienten r_Q1 und r_Q2 des Leistungsverstärkers ab und kann im Rahmen der Leerlauf-Messung (Anpassung) vor der eigentlichen Untersuchung (Aufnahme) bestimmt werden.
Die Leerlauf-Messung kann erfolgen

– indem eine Streumatrix der eingesetzten Körperspule bestimmt wird und die Matrix K anhand von geschätzten Ausgangsreflexionskoeffizienten des Leistungsverstärkers bestimmt wird. Dieser Ansatz ist insbesondere deshalb geeignet, weil die Streumatrix auch zur SAR-Überwachung (SAR: spezifische Absorptionsrate) benötigt und daher vorab bestimmt wird; damit ist lediglich ein geringer Zusatzaufwand im Hinblick auf Berechnung und Kommunikation erforderlich.
– indem die Matrix K direkt bestimmt wird. Hierbei werden vorzugsweise die tatsächlichen Eigenschaften des Leistungsverstärkers berücksichtigt. Eine Inverse der Matrix K für die statische Entkopplung und Skalierung kann genutzt werden (vergleiche auch die Entkoppel-Komponente 103 in 1), um optimierte dynamische Messungen des MRT-Systems zu ermöglichen.

Die nachfolgenden Erläuterungen gelten insbesondere auch für eine Regelung basierend auf Spannungen u_BC an der Körperspule. Dies entspricht einer beispielhaften Regelgröße. Als Regelgröße könnten alternativ oder zusätzlich z. B. auch die zulaufenden Wellen eingesetzt werden.
Sofern in der Verarbeitungseinheit 214 selbst keine weitere Verkopplung stattfindet und diese selbst (nahezu) eigenreflexionsfrei ist, ergeben sich die zulaufenden Wellen zu
mit term = 1 – r_Q1s₁₁ – r_Q2s₂₂ + r_Q1r_Q2·det(S _BC), wobei τ_i(i = 1, 2) die jeweilige Pfad-Transmission zwischen den Sollgrößen sw_i' und einer Kalibrierebene
der Streumatrix der Körperspule 217 bezogen auf die Kalibrierebene und die (nichtlinearen) Reflexionsfaktoren r_Qi der Leistungsverstärker (transformiert ebenfalls in die Kalibrierebene) beschreiben.
Somit ergeben sich die ablaufenden Wellen aus den zulaufenden Wellen über die Streumatrix der Körperspule 217:
Mit einer Transmissionsphase
ergibt sich
und damit
Vorzugsweise soll nun durch eine Entkopplungsmatrix D gewährleistet sein, dass bei der Leerlauf-Messung (d. h. im Open-Loop-Betrieb) die folgende Beziehung gilt:
Dies liefert als Bedingung D = K ^–1.
Werden die Regelschleifen der so entkoppelten Strecken geschlossen, so arbeiten beide voneinander unabhängig. Dies gilt insbesondere so lange, bis die Amplituden so groß werden, dass sich die nichtlinearen Ausgangsreflexionsfaktoren vom Kleinsignalwert, der der Entkopplung zugrunde liegt, unterscheiden.
Unter bestimmten Randbedingungen kann es passieren, dass die Matrix K nicht invertierbar, oder die Inversion zumindest numerisch instabil wird. Dies äußert sich in einer Determinante der Matrix K, deren Wert Null oder zumindest sehr nahe bei dem Wert Null ist.
Physikalisch gesehen unterscheidet sich die Spannung u_BC2 in diesem Fall unabhängig von der Kombination der beiden anregenden Signale nur durch einen einzigen komplexen Faktor von der Spannung u_BC1. Vorzugsweise wird ein solcher Fall in der Praxis verhindert, da ansonsten bei der geringsten Änderung der Streumatrix im Betrieb oder bei Änderung des Ausgangsreflexionsfaktors durch starke Aussteuerung das System instabil würde.
Anhand der geschlossenen Darstellung der Entkopplungsmatrix
ist erkennbar, dass der gemeinsame Nenner-Term nicht Null werden darf und dass diese Bedingung unabhängig von den Ausgangsreflexionsfaktoren ist und nur von der Streumatrix der Körperspule sowie der elektrischen Länge l_BC zur Spannungsebene der Körperspule abhängt.
Für die Ermittlung der Entkopplungsmatrix D sind demnach vorzugsweise die folgenden Parameter bekannt:

– Die Streumatrix der Körperspule bezogen auf die Kalibrierebene (diese kann für jeden Last-Fall gemessen werden).
– Der Kleinsignal-Ausgangsreflexionsfaktor der Leistungsverstärker transformiert in die Kalibrierebene (dieser kann z. B. einmal gemessen werden).
– Die Länge l_BC zwischen der Kalibrierebene und der Bezugsebene der Spannungen der Körperspule (hierbei handelt es sich beispielsweise um eine konstruktive Vorgabe, die entsprechend übernommen werden kann).

Die Effizienz der Leerlauf-Messung kann zusätzlich gesteigert werden, indem die Parameter adaptiert oder geschätzt werden unter Berücksichtigung

– der Frequenz,
– der Wellenform und/oder
– der Größe mindestens eines nachfolgenden Pulses (bzw. Signals).

Wie bereits ausgeführt, erfolgt die eigentliche Untersuchung (MRT-Messung) des Patienten vorzugsweise im Anschluss an die Leerlauf-Messung. Die MRT-Messung kann dabei auch zeitlichen Schwankungen unterliegen, die womöglich nicht während der vorhergegangen Kalibrierung (Leerlauf-Messung) berücksichtigt oder kompensiert wurden. Allerdings ist es möglich, dass auch während der MRT-Messung Veränderungen der Systemparameter detektiert werden, indem diese mit den Eingangs- und Ausgangsgrößen des RFPA-Systems in der Leerlauf-Messung verglichen werden. Basierend auf einer solchen zusätzlichen Information während der MRT-Messung selbst ist es möglich, die Parameter adaptiv nachzuführen (einzustellen). Beispielsweise kann eine Phasenverschiebung die auf einem Verstärker-Kanal über die angeschlossene Antenne auftritt, kompensiert werden mittels der Feedback-Schleife und des Vorwärts-Controllers. Durch eine solche (z. B. kontinuierliche) Adaption kann das dynamische Verhalten der Regelschleife – auch während der MRT-Messung – beständig verbessert werden.
Somit ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz die flexible und dynamische Einstellung und Nachführung (z. B. einer Verstärkung) des RFPA-Systems und zwar abhängig von dem tatsächlichen Last-Fall. Der Last-Fall kann dabei insbesondere abhängig sein von dem Gewicht eines Patienten, der Position des Untersuchungstisches, der Position des Patienten auf dem Untersuchungstisch, dem zu untersuchenden Organ, vorhergegangener Messdaten und anderer Parameter, die im Laufe der MRT-Messungen) angefallen sind.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

101: lastabhängiger Controller (umfassend vier SISO-PI-Regler)
102: lastabhängiger Vorwärts-Controller
103: Entkoppel-Komponente
104: RFPA-System
105: Wertetabelle (Lookup-Tabelle)
106: (Last-Fall-abhängige) Information
107: Verzögerungselement
201: Laufzeit-Komponente
202: Laufzeit-Komponente
203: Addierglied
204: Addierglied
205: Loopfilter
206: Loopfilter
207: Addierglied
208: Addierglied
209: Entkoppel-Komponente
210: Digital-Analog-Wandler
211: Digital-Analog-Wandler
212: Verstärker
213: Verstärker
214: Verarbeitungseinheit
215: Analog-Digital-Wandler
216: Analog-Digital-Wandler
217: Körperspule
218: Schalter
219: Schalter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/wiki/Magnetresonanztomographie [0002]

Claims

Verfahren zur Einstellung eines Verstärkungssystems für ein Zweikanal-Magnetresonanztomographie-System, – bei dem abhängig von einem Last-Fall das Verstärkungssystem mittels eines Regelkreises adaptiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Regelkreis eine Rückkopplung des Ausgangssignals des Verstärkungssystems insbesondere auf den Eingang des Verstärkungssystems aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem bei der Rückkopplung eine Verzögerung des Ausgangssignals durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand des Verstärkungssystems der Last-Fall bestimmt wird und abhängig von dem Last-Fall mindestens ein Controller des Zweikanal-Magnetresonanztomographie-Systems eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der mindestens eine Controller einen lastabhängigen Vorwärts-Controller zur Einstellung einer geeigneten Verstärkung des Verstärkungssystems umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem der mindestens eine Controller einen weiteren lastabhängigen Controller umfasst, der vier SISO-PI-Regler aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Signale vor dem Verstärkungssystem entkoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Last-Fall bestimmt wird basierend auf mindestens einem der folgenden Parameter: – der Größe des Patienten; – dem Gewicht des Patienten; – einem zu untersuchenden Bereich oder Organ; – einer Position des Untersuchungstisches; – einer Position der Körperspule zur Durchführung der MRT-Messung; – einer Position des Patienten in Relation zu dem Untersuchungstisch.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einstellung des Verstärkungssystems während einer Leerlauf-Messung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem nach der Leerlauf-Messung eine MRT-Messung mit dem Patienten durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem bei der MRT-Messung der Regelkreis adaptiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem der Last-Fall mittels der Leerlauf-Messung bestimmt wird.
Vorrichtung zur Ansteuerung eines Zweikanal-Magnetresonanztomographie-Systems – mit einem Verstärkungssystem, – wobei das Verstärkungssystem abhängig von einem Last-Fall mittels eines Regelkreises adaptierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, bei der der Regelkreis eine Rückkopplung des Ausgangssignals des Verstärkungssystems insbesondere auf den Eingang des Verstärkungssystems aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, bei der in einem Vorwärtszweig des Regelkreises mindestens ein Controller vorgesehen ist anhand dessen eine Verstärkung des Verstärkungssystems einstellbar ist und anhand dessen eine Einschwingzeit des Verstärkungssystems einstellbar ist.
Zweikanal-Magnetresonanztomographie-System mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15.