DE102011087915B4

DE102011087915B4 - Verfahren zur Überwachung der Patientenbelastung in einer Magnetresonanzeinrichtung

Info

Publication number: DE102011087915B4
Application number: DE102011087915.3A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bielmeier; Matthias Gebhardt; Jürgen Nistler; Dieter Ritter; Dr. Schnetter Volker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2031-12-08
Also published as: DE102011087915A1; US20130147479A1; US9547053B2

Abstract

Verfahren zur Überwachung der Belastung eines Patienten bei einer Untersuchung mit einer Magnetresonanzeinrichtung (20), welche eine Sendeeinrichtung (1) mit einer über mehrere Sendekanäle (4) ansteuerbaren Hochfrequenzspule (2) aufweist, wobei wenigstens zwei Leistungsverstärker (5) zur Speisung der Sendekanäle (4) vorgesehen sind, wobei für jeden Sendekanal (4) eine zur Messung einer Amplitude und einer Phase der Spannung in einem definierten Frequenzbereich um die Magnetresonanzfrequenz ausgebildete schmalbandige erste Messeinrichtung (9a, 9b) und eine einen breiteren Frequenzbereich als die ersten Messeinrichtungen (9a, 9b) abdeckende, zur Ermittlung einer Gesamtleistung geeignete Spannungsmesswerte aufnehmende breitbandige zweite Messeinrichtung (10a, 10b) verwendet werden, umfassend folgende Schritte: – Ermittlung einer Spulenverlustleistung aus den gemessenen Amplituden und Phasen der ersten Messeinrichtungen (9a, 9b), – Ermittlung einer ausgesendeten Gesamtleistung aus den Spannungsmesswerten der zweiten Messeinrichtungen (10a, 10b), – Ermittlung eines die in den Patienten eingetragene Leistung beschreibenden SAR-Werts aus der Spulenverlustleistung und der Gesamtleistung und Vergleich des SAR-Werts mit wenigstens einem Grenzwert, – bei Überschreitung des Grenzwerts Beendigung des Sendebetriebs der Sendeeinrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Belastung eines Patienten bei einer Untersuchung mit einer Magnetresonanzeinrichtung, welche eine Sendeeinrichtung mit einer über mehrere Sendekanäle ansteuerbaren Hochfrequenzspule aufweist, wobei wenigstens zwei Leistungsverstärker zur Speisung der Sendekanäle vorgesehen sind. Daneben betrifft die Erfindung eine Sendeeinrichtung für eine Magnetresonanzeinrichtung und eine Magnetresonanzeinrichtung.
Die Magnetresonanzbildgebung ist im Stand der Technik bereits weitgehend bekannt. Dabei wird üblicherweise über eine Hochfrequenzspule ein Anregungssignal ausgegeben, das in einem Grundmagnetfeld ausgerichtete Kernspins anregt, wobei beim Zerfall dieser Anregung ein Magnetresonanzsignal beobachtet werden kann, woraus ein Magnetresonanzbild erzeugt wird. Zur Anregung wird Hochfrequenzstrahlung verwendet, welche über eine entsprechende Sendeeinrichtung der Magnetresonanzeinrichtung erzeugt wird.
Die Hochfrequenzstrahlung, häufig auch als B₁-Feld bezeichnet, wird im Körper des zu untersuchenden Patienten absorbiert und in Wärme umgewandelt. Bezogen auf die Masse des Patienten wird diese Absorption üblicherweise durch die spezifische Absorptionsrate (SAR) beschrieben. Verschiedene Normungsgremien schreiben für entsprechend leistungsfähige Magnetresonanzeinrichtungen eine Überwachung der SAR vor, um Schädigungen des Patienten durch eine zu hohe eingetragene Leistung entgegenzuwirken.
Die meisten heutzutage bekannten Magnetresonanzeinrichtungen verwenden in ihrer Sendeeinrichtung einen einkanaligen Hochfrequenz-Leistungsverstärker, wobei beispielsweise zirkular polarisierte Hochfrequenzspulen mit zwei Einspeisungsanschlüssen verwendet werden, wobei die Amplituden- und Phasenverhältnisse an beiden Einspeisungsanschlüssen konstant sind, bei der Zirkularpolarisierung beispielsweise gleiche Amplituden und 90° Phasendifferenz. Inzwischen wurden jedoch auch Magnetresonanzeinrichtungen vorgeschlagen, bei denen die Hochfrequenzspule über mehrere Sendekanäle, denen beispielsweise jeweils ein Leistungsverstärker zugeordnet ist, ansteuerbar ist, wobei die Amplituden und Phasen für die verschiedenen Sendekanäle bzw. Einspeisungsanschlüsse letztlich frei wählbar sind. Es sind auch Ausgestaltungen denkbar, in denen die Zahl der Leistungsverstärker dabei nicht der Zahl der Sendekanäle entspricht, beispielsweise, indem ein Leistungsverstärker über eine entsprechende Verschaltung wenigstens zwei Sendekanäle speist oder gar einer kombinierte Speisung mit mehreren der wenigstens zwei Leistungsverstärker vorgesehen ist.
Die im Patienten absorbierte Hochfrequenzleistung bestimmt sich letztlich als P_abs = P_tx – P_loss, wobei P_abs die im Patienten absorbierte Leistung beschreibt, P_tx die Sendeleistung und P_loss die Spulenverlustleistung. Die spezifische Absorptionsrate (SAR) ergibt sich dann als SAR = P_abs/m wobei m der Masse des bestrahlten Bereichs des Patienten entspricht.
Bei der Verwendung einkanaliger Sendeeinrichtungen steht die Spulenverlustleistung in einem festen Zusammenhang mit der Sendeleistung, so dass formuliert werden kann SAR = k·P_tx.
Der Faktor k beinhaltet dabei den Wirkungsgrad und die Masse.
Daher ist es bei solchen einkanaligen Sendeeinrichtungen bekannt, eine SAR-Überwachung, mithin die Überwachung der Belastung des Patienten bei einer Untersuchung, durch breitbandige Leistungsmesseinrichtungen zwischen dem Leistungsverstärker und den Einspeisungsanschlüssen, also der Hochfrequenzspule, zu ermöglichen. Unter breitbandig ist hierbei zu verstehen, dass die Messung, wobei üblicherweise die reellwertige Amplitude der Spannung gemessen wird, nicht auf ein bestimmtes Frequenzband beschränkt ist, beispielsweise ein Frequenzband um die Magnetresonanzfrequenz, sondern alle Frequenzen erfasst werden können. Mit solchen breitbandigen Messeinrichtungen kann die Sendeamplitude, konkret eine Spannungsamplitude, bestimmt werden, aus der wiederum die ausgesendete Gesamtleistung folgt, P_tx. Unter Kenntnis des Faktors k und mit einer entsprechend schnellen Abtastung ist eine Online-Überwachung während der Sendevorgänge möglich.
Bei mehrkanaligem Senden (häufig auch als paralleles Senden bezeichnet, pTX), ist der Faktor k nicht mehr konstant, sondern abhängig von den jeweiligen Amplituden- und Phasenverhältnissen. Mithin ist eine alleinige Messung von Sendeamplituden nicht mehr ausreichend.
Um dennoch eine Überwachung der Belastung von Patienten zu realisieren, wurde vorgeschlagen, weiterhin breitbandige Messeinrichtungen einzusetzen und feste Faktoren für die im Hinblick auf die spezifische Absorptionsrate gefährlichsten Amplituden- und Phasenverhältnisse vorzusehen. Dies ist dahingehend nachteilhaft, dass eine äußerst starke Performance-Einschränkung gegeben ist, wenn die tatsächliche Spulenverlustleistung deutlich größer ist als die minimal mögliche, die ohne Kenntnis der konkreten Amplituden- und Phasenverhältnisse für die Einhaltung von SAR-Grenzwerten anzuwenden ist.
In einer zweiten Variante wurde vorgeschlagen, schmalbandige Messeinrichtungen einzusetzen, die zusätzlich zu der Sendeamplitude auch eine Phaseninformation der Spannung als Messwerte liefern. Dabei wurde vorgeschlagen, die Anregungspulse, die die Hochfrequenzanregung der Kernspins bewirken sollen, insbesondere in einer aufwendigen Simulation vorauszuberechnen und letztlich einen Soll-Ist-Vergleich zur Online-Überwachung durchzuführen. Nachteilhafterweise ist bei dieser Variante keine vom Ansteuerungssignal, also den vorausberechneten Anregungspulsen, unabhängige SAR-Überwachung online mehr möglich. Stattdessen können nur feste, vorausberechnete Pulsformen mit vorausgegangener SAR-Prüfung verwendet werden. Andere als die vorausberechneten Anregungspulse können nicht angewendet werden, selbst dann nicht, wenn sie selber keine SAR-Überschreitung erzeugen würden. Zur SAR-Überwachung ist in dieser bekannten Ausführungsform eine lange, sicherheitsrelevante Kette notwendig, nämlich die SAR-Vorausberechnung für jeden Anregungspuls, die Übertragung großer Datenmengen für die Pulsverläufe an eine Überwachungseinrichtung, der Vergleich der ausgegebenen Anregungspulse mit den erwarteten Anregungspulsen, komplexe Fehlerbetrachtungen bei geringen Abweichungen zum Sollsignal und dergleichen.
DE 10 2008 063 630 A1 betrifft ein Verfahren zur Kontrolle einer Hochfrequenzsendeeinrichtung eines Magnetresonanztomographiesystems mit einem Sendeantennensystem mit einer Mehrzahl von Sendekanälen bei einer Magnetresonanzmessung eines Untersuchungsobjekts. Darin wird vorgeschlagen, eine Referenz-Streuparametermatrix des Sendeantennensystems im unbelasteten Zustand und eine objektspezifische Streuparametermatrix des Sendeantennensystems in einem mit dem Untersuchungsobjekt belasteten Zustand zu ermitteln. Zudem werden zeitabhängig Sendeamplitudenvektoren ermittelt, welche die Hochfrequenz-Spannungsamplituden auf den einzelnen Sendekanälen repräsentieren. Auf Basis der objektspezifischen Streuparametermatrix, der Referenzstreuparametermatrix und der Sendeamplitudenvektoren werden zu bestimmten Sendezeitpunkten im Untersuchungsobjekt absorbierte Hochfrequenzleistungswerte ermittelt und basierend auf einer Vielzahl der ermittelten Hochfrequenzleistungswerte werden eine Anzahl von Kontrollwerten gebildet, wobei dann, wenn ein Kontrollwert einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert überschreitet, die Hochfrequenzsendeeinrichtung deaktiviert wird.
Das dortige Vorgehen ist insbesondere dahingehend nachteilhaft, dass zum einen eine aufwendige Vorab-Messung bei belasteter Hochfrequenzspule notwendig ist, also während sich der Patient bereits zur Untersuchung innerhalb des Magnetresonanztomographiesystems befindet. Zudem lassen sich die benötigten Sendeamplitudenvektoren nur mit schmalbandigen Messeinrichtungen bestimmen, was aber bedeutet, dass Leistungen außerhalb des betrachteten Frequenzbereichs, mithin Fehlerfälle, nicht betrachtet werden können.
US 2010/0 244 840 A1 betrifft die Nutzung von Streuparametermessungen, um ein SAR-Management zu realisieren. Wird in einer Hochfrequenzspule mit einer Mehrzahl von Spulenelementen eine Mehrzahl von Vorwärtsleistungen angelegt, wird Leistung in ein Objekt mit einer vordefinierten spezifischen Absorptionsrate eingebracht, so dass dort ein Steuerungsmechanismus vorgeschlagen wird, um die von einem Verstärker an die Spulenelemente abgegebenen Vorwärtsleistungen zu überwachen. Die abgegebenen Vorwärtsleistungen werden in Abhängigkeit einer unbelasteten Messung von Streuparametern und einer belasteten Messung von Streuparametern, also mit Patienten, vorgenommen. Die Eingangsspannung zu jedem Spulenelement kann anhand von Sensoren vermessen werden, die die Vorwärtsspannung und die reflektierte Spannung messen.
Ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb von Mehrkanal-Sende-Empfangs-Antennen wird durch US 2008/0 182 524 A1 offenbart. Es soll vermieden werden, dass die SAR eines Patienten überschritten wird. Hierzu werden maximale Leistungsstufen festgelegt, wobei ein Alarmzustand hergestellt wird, wenn die Vorwärtsleistung oder die reflektierte Leistung für einen Kanal die maximale Leistungsstufe überschreiten. Mehrere Detektionseinheiten sind vorgesehen, um eine Vorwärtsleistung und eine reflektierte Leistung zu bestimmen.
JP 7 246 194 A betrifft die unmittelbare Überwachung der SAR eines Patienten. Dabei wird eine absorbierte Dosis elektromagnetischer Wellen auf der Basis einer progressiven Wellenspannung, einer reflektierten Wellenspannung und einer Spulenspannung untersucht, die durch einen Richtungskoppler mit verschiedenen Analogrechenkreisen ermittelt werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Überwachung der Belastung eines Patienten bei einer Magnetresonanzuntersuchung anzugeben, welches insbesondere unabhängig von komplizierten Vorabberechnungen, Kalibrationsmessungen und dergleichen in einem robusten, einfachen Verfahren eine Bestimmung eines SAR-Wertes erlaubt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass für jeden Kanal eine zur Messung einer Amplitude und einer Phase der Spannung in einem definierten Frequenzbereich um die Magnetresonanzfrequenz ausgebildete schmalbandige erste Messeinrichtung und eine einen breiteren Frequenzbereich als die erste Messeinrichtung, insbesondere den gesamten möglichen Frequenzbereich, abdeckende, zur Ermittlung einer Gesamtleistung geeignete Spannungsmesswerte aufnehmende breitbandige zweite Messeinrichtung verwendet werden, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

– Ermittlung einer Spulenverlustleistung aus den gemessenen Amplituden und Phasen der ersten Messeinrichtungen,
– Ermittlung einer ausgesendeten Gesamtleistung aus den Spannungsmesswerten der zweiten Messeinrichtungen,
– Ermittlung eines die in den Patienten eingetragene Leistung beschreibenden SAR-Werts aus der Spulenverlustleistung und der Gesamtleistung und Vergleich des SAR-Werts mit wenigstens einem Grenzwert,
– bei Überschreitung des Grenzwerts Beendigung des Sendebetriebs der Sendeeinrichtung.

Die vorliegende Erfindung schlägt mithin vor, für jeden Sendekanal zwischen dem Leistungsverstärker und der Hochfrequenzspule, insbesondere den Einspeisungsanschlüssen, zwei Messungen vorzunehmen, nämlich zum einen eine schmalbandige Messung mittels der ersten Messeinrichtung, die eine Amplitude und eine Phase der Spannung liefert, und eine breitbandige Messung, die allein eine Amplitude liefert, mittels einer zweiten Messeinrichtung vorzunehmen, so dass es ermöglicht wird, sowohl die Gesamtleistung als auch die Spulenverlustleistung aus diesem jeweiligen Messwerten zu bestimmen, aus denen die im Patienten absorbierte Leistung und mithin die SAR bestimmt werden können. Wird wenigstens ein Grenzwert durch den wenigstens einen SAR-Wert überschritten, so wird der Sendebetrieb beendet, beispielsweise, indem über eine Überwachungseinrichtung ein Steuersignal an eine Steuereinrichtung ausgegeben wird, um die Leistungsverstärker zu deaktivieren.
Eine Kombination von breitbandiger und schmalbandiger Bestimmung der Leistungen erlaubt eine genaue und von den Anregungspulsen unabhängige Überwachung der globalen spezifischen Absorptionsrate bei völlig wahlfreier Ansteuerung mehrerer unabhängiger Sendekanäle. Hierbei besteht keine Beschränkung der Performance oder der Anzahl der Anregungspulse wie bei den beschriebenen bisherigen Lösungen und es sind auch keine komplexen Berechnungen und Kalibrierungsmessungen am Patienten notwendig. Mit besonderem Vorteil bleibt durch die breitbandige Messung mittels der zweiten Messeinrichtung auch weiterhin die Erkennung und Überwachung von unerwünschten bzw. fehlerhaft abgegebenen Frequenzen erhalten. Diese Fehlerfälle werden also letztlich „automatisch” mit abgedeckt, insbesondere, da im Fehlerfall von Nebenfrequenzen die Nichtberücksichtigung der daraus entstehenden Spulenverlustleistung, welche aufgrund der schmalbandigen Auslegung der ersten Messeinrichtung nicht erfasst werden kann, sogar von Nutzen ist, denn die Spulenverlustleistung würde letztlich von der Gesamtleistung abgezogen, um die im Patienten absorbierte Leistung zu bestimmen, so dass die SAR in solchen Fehlerfällen vorteilhaft höher bestimmt wird und somit eine frühzeitige Fehlererkennung in diesem Fall liefert.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es weiterhin, neben der hier beschriebenen, einfachen, robusten und unabhängig von Vorabberechnungen durchzuführenden Online-Überwachung der SAR, dennoch einen Vergleich gemessener Werte oder aus den Messwerten abgeleiteter Werte mit Sollwerten, die aus einer Vorausberechnung stammen, durchzuführen. Die vorhergesagte SAR kann also auch weiterhin mit der gemessenen SAR verglichen werden, was besondere Vorteile bei der Erkennung von Systemfehlverhalten ermöglicht. Während also grundsätzlich eine sichere, robuste und möglichst unabhängige Möglichkeit zur Online-Überwachung besteht, die im Fehlerfall von außerhalb des Frequenzbereichs der ersten Messeinrichtung liegenden Frequenzen sogar noch früher anschlägt, ist es parallel durchaus auch möglich, Soll-Ist-Vergleiche mit Ergebnissen aus Vorausberechnungen vorzunehmen und dergleichen.
Konkret kann vorgesehen sein, dass ein definierter Frequenzbereich von kleiner als 500 KHz um die Magnetresonanzfrequenz verwendet wird, insbesondere von 250 KHz. Beispielsweise kann also vorgesehen sein, dass die schmalbandige erste Messeinrichtung in einem Frequenzband von der Magnetresonanzfrequenz +/–125 KHz die Amplitude und die Phase der Sendespannung messen kann.
Die Messeinrichtungen können, wie grundsätzlich bekannt, über einen Richtkoppler angekoppelt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass mittels der zweiten Messeinrichtung die Vorwärtsleistung und die reflektierte Leistung bestimmt werden, wobei sich die Gesamtleistung als die Differenz der Vorwärtsleistung und der reflektierten Leistung ergibt. Es wird also nicht nur die hinlaufende Welle betrachtet, sondern auch die rücklaufende Welle, so dass auch durch Reflexion verloren gegangene Leistung berücksichtigt werden kann, wenn die Gesamtleistung ermittelt wird. Die insgesamte Sendeleistung, also die Gesamtleistung, kann dann als die Vorwärtsleistung minus der reflektierten Leistung berechnet werden.
Zur konkreten Berechnung der Spulenverlustleistung aus den Messwerten der ersten Messeinrichtung kann vorgesehen sein, dass bei der Ermittlung der Spulenverlustleistung aus der Amplitude und der Phase eine vorab bestimmte Streuparametermatrix für die Spule berücksichtigt wird. Dabei entspricht die diskutierte Streuparametermatrix, die vorteilhaft im Rahmen einer Kalibrierungsmessung ohne Patienten ermittelt wird, letztlich der auch in der bereits genannten DE 10 2008 063 630 A1 genannten Referenz-Streuparametermatrix, mithin einer Streuparametermatrix im unbelasteten Zustand, d. h. ohne die Belastung durch den Körper bzw. einen zu untersuchenden Körperteil des Patienten. Die Streuparametermatrix kann mithin aus den Messwerten der ersten Messeinrichtung ermittelt werden, beispielsweise, indem zeitlich nacheinander über jeden der separaten Sendekanäle ein definiertes Hochfrequenzsignal mit genau bestimmter Form und Stärke ausgesendet wird. An jedem der Sendekanäle, d. h. sowohl dem Sendekanal, über den gerade das Hochfrequenzsignal ausgesendet wird, als auch an den anderen Sendekanälen wird zumindest ein Spannungswert für die rücklaufende Welle ermittelt. Bevorzugt kann zusätzlich an jedem der Sendekanäle auch noch ein zweiter Spannungswert für eine hinlaufende Welle ermittelt werden. 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 0 oder zumindest nahe 0 sein sollte.
Die Idee der Berechnung einer Streuparametermatrix beruht letztlich darauf, dass die Hochfrequenzspule mit ihren Sendekanälen letztlich als ein N-Tor-Netzwerk verstanden werden kann, wobei N der Zahl der Sendekanäle entspricht. Zur Beschreibung eines solchen Netzwerkes dienen die Streuparameter, mithin eine N·N-Streuparametermatrix, die die zu den einzelnen Toren hinlaufenden Wellengrößen mit den von diesen Toren weglaufenden Wellengrößen verknüpfen, in Kurzschreibweise B = S·A. Dabei ist B der Wellengrößenvektor der rücklaufenden Wellen, S die Streuparametermatrix und A der Wellengrößenvektor der hinlaufenden Wellen. Die Wellengrößenvektoren A und B hängen mit den Spannungen über die Impedanz zusammen.
Ist die Streuparametermatrix erst bekannt, so kann im weiteren Verlauf aus den Messwerten der ersten Messeinrichtung die Spulenverlustleistung bestimmt werden. Dabei ist es im Übrigen grundsätzlich ausreichend, wenn die Streuparametermatrix, die nur den unbelasteten Zustand der Hochfrequenzspule betrifft, einmal vorab oder in regelmäßigen Abständen bestimmt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, wenn aktuelle Einflüsse und/oder Veränderungen betrachtet werden sollen, eine Kalibrierungsmessung vor jeder Untersuchung oder in häufigeren Zeitabständen vorzunehmen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der SAR-Wert unter Verwendung eines Konvertierungsfaktors aus der Differenz der Gesamtleistung und der Spulenverlustleistung ermittelt wird. Derartige Konvertierungsfaktoren sind grundsätzlich von einkanaligen Messverfahren bereits bekannt und können auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, wobei insbesondere ein von dem exponierten Bereich des Patienten und/oder der Messgenauigkeit der Messeinrichtung abhängiger Konvertierungsfaktor verwendet wird. Es existieren also beispielsweise unabhängige Konvertierungsfaktoren für Bestrahlungen beispielsweise am Kopf oder an sonstigen exponierten Teilkörpern. Auch die Messgenauigkeit der Messeinrichtungen kann über den Konvertierungsfaktor so abgebildet werden, dass in jedem Fall eine sichere Detektion von SAR-Überschreitungen möglich ist.
Vorzugsweise kann der SAR-Wert als ein gleitender Mittelwert über ein vorbestimmtes Zeitfenster ermittelt werden, insbesondere ein Zeitfenster von zehn Sekunden und/oder ein Zeitfenster von 360 Sekunden und/oder durch Mittelung der Spulenverlustleistung und der Gesamtleistung. Insbesondere können also sowohl die Breitbandmesswerte wie auch die Schmalbandmesswerte letztlich über bestimmte Zeitfenster gemittelt werden, bevor aus der Differenz und dem Konvertierungsfaktor, der die Masse und den Messfehler beinhaltet, der SAR-Wert bestimmt wird. Letztlich gleitet also ein Zeitfenster über die Leistungswerte, wobei alle Leistungswerte im Zeitfenster zur Bildung des Mittelwerts herangezogen werden. Ein solcher gleitender Mittelwert ist ein recht gutes Maß für die Strahlenbelastung, welcher ein Patient ausgesetzt wird. Besonders bevorzugt werden dabei verschiedene gleitende Zeitfenster betrachtet, beispielsweise ein Kurzzeit-Kontrollwert über ein zehn Sekunden langes Fenster und ein Langzeit-Kontrollwert über ein 360 Sekunden langes Fenster. So kann sichergestellt werden, dass zum einen eine Spitzenbelastung des Patienten vermieden wird, zum anderen jedoch keine insgesamt zu hohe Strahlenbelastung auftritt, die aber immer knapp unter den Spitzengrenzwerten bleibt. In einem Ausführungsbeispiel kann, auch wenn eine häufigere Abtastung der Messwerte erfolgt, in bestimmten Zeitabständen, beispielsweise immer in Zeitabständen von einer Sekunde, gegen den Grenzwert geprüft werden und bei Überschreitung die weitere Hochfrequenz-Emission unterbunden werden.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Abtastung und Verarbeitung der Messwerte in einem digitalen Signalprozessor erfolgt. Damit ist eine besonders schnelle Abtastung und Verarbeitung möglich, wobei es selbstverständlich auch denkbar ist, äquivalente Schaltungen in Analog-Technik zu verwenden und dergleichen.
Es sei im Übrigen darauf hingewiesen, dass die oben erwähnte Mittelung von Breitband- und Schmalbandmesswerten bzw. der Gesamtleistung und der Spulenverlustleistung nicht notwendigerweise zu exakt gleichen Zeitpunkten bzw. Zeitintervallen erfolgen muss. Es kann sich aufgrund technischer Realisierungen, beispielsweise Signallaufzeiten oder Verarbeitungszeiten, eine Asynchronität ergeben, welche aber ermittelt werden kann und wobei die resultierende Abweichung als Fehler beim jeweiligen Rechenergebnis, beispielsweise dem SAR-Wert, berücksichtigt werden kann.
Weiterhin sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich und denkbar ist, eine Streuparametermatrix im belasteten Zustand zu ermitteln, insbesondere, um Vorabberechnungen durchzuführen, mit denen dann zusätzlich verglichen werden kann. Nichtsdestotrotz ist es der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass eine einfache, robuste und von Vorabberechnungen unabhängige Vorgehensweise zur SAR-Überwachung beschrieben wird.
Dabei sei nochmals darauf hingewiesen, dass es in vielen Fällen so sein wird, dass jedem Sendekanal ein Leistungsverstärker zugeordnet ist, insbesondere also die Anzahl der Leistungsverstärker der Anzahl der Sendekanäle entspricht. Jedoch ist es auch denkbar, dass andere Verschaltungsarten und Zuordnungen von Leistungsverstärkern zu Sendekanälen gegeben ist.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Sendeeinrichtung für eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend eine über mehrere Sendekanäle ansteuerbare Hochfrequenzspule, wobei wenigstens zwei Leistungsverstärker zur Speisung der Sendekanäle vorgesehen sind, und eine Überwachungseinrichtung mit, für jeden Sendekanal dem Leistungsverstärker nachgeschaltet, einer zur Messung einer Amplitude und einer Phase der Spannung in einem definierten Frequenzbereich um die Magnetresonanzfrequenz ausgebildeten schmalbandigen ersten Messeinrichtung und einer einen breiteren Frequenzbereich als die erste Messeinrichtung, insbesondere den gesamten möglichen Frequenzbereich, abdeckenden, zur Ermittlung einer Gesamtleistung geeignete Spannungsmesswerte aufnehmenden breitbandigen zweiten Messeinrichtung sowie einer Recheneinrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Sendeeinrichtung übertragen, mit welcher mithin dieselben Vorteile erreicht werden können. Insbesondere kann die Anzahl der Leistungsverstärker der Anzahl der Sendekanäle entsprechen.
Die Recheneinrichtung kann dabei mit besonderem Vorteil als ein digitaler Signalprozessor (DSP) ausgebildet sein, wie bereits beschrieben wurde. Die Messeinrichtungen können über Richtkoppler an Leitungen von den Leistungsverstärkern zu den Einspeisungsanschlüssen der Hochfrequenzspule angekoppelt werden. Grundsätzlich können als Messeinrichtungen sämtliche im Stand der Technik bekannten, die gewünschten Eigenschaften aufweisenden Messeinrichtungen verwendet werden.
Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Magnetresonanzeinrichtung, umfassend eine Sendeeinrichtung der erfindungsgemäßen Art. Auch hier lassen sich sämtliche Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren und zur Sendeeinrichtung übertragen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Sendeeinrichtung,
2 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
3 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung.
1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Sendeeinrichtung 1 für eine Magnetresonanzeinrichtung. Dabei ist eine Hochfrequenzspule 2 vorgesehen, die hier als eine Birdcage-Spule gebildet ist und zwei Einspeisungsanschlüsse 3 aufweist, die jeweils einem Sendekanal 4 zugeordnet sind.
Auch wenn in 1 eine besonders einfache Ausführungsform mit lediglich zwei Sendekanälen 4 dargestellt wird, können erfindungsgemäß selbstverständlich auch eine größere Zahl von Sendekanälen vorgesehen werden, beispielsweise acht oder mehr Sendekanäle.
Jedem Sendekanal 4 ist ein eigener Leistungsverstärker 5 zugeordnet. Die Leistungsverstärker 5 werden über eine Steuereinrichtung 6 zum Aussenden von Anregungspulsen über die Hochfrequenzspule 2 betrieben, wobei die Anregungspulse unabhängig und frei wählbare Phasen und Amplituden aufweisen können.
Zur SAR-Überwachung eines Patienten, der mit der Magnetresonanzeinrichtung untersucht wird, ist nun eine allgemein mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnete Überwachungseinrichtung vorgesehen, welche für die notwendigen Berechnungen eine Recheneinrichtung 8 aufweist, die hier als digitaler Signalprozessor (DSP) ausgebildet ist.
Die Recheneinrichtung 8 tastet die Messwerte von Messeinrichtungen 9a, 9b und 10a, 10b ab. Jedem Sendekanal 4 ist jeweils ein Paar aus einer ersten Messeinrichtung 9a, 9b und einer zweiten Messeinrichtung 10a, 10b zugeordnet. Die ersten Messeinrichtungen messen schmalbandig in einem Frequenzbereich um die Magnetresonanzfrequenz und liefern als Messwerte die Amplitude und die Phase der Spannung. Dabei ist der Frequenzbereich vorliegend so gewählt, dass in einem Frequenzband von +/–125 KHz um die Magnetresonanzfrequenz gemessen werden kann.
Die zweiten Messeinrichtungen 10a, 10b sind hingegen breitbandig, das bedeutet, sie messen über einen größeren Frequenzbereich als die ersten Messeinrichtungen 9a, 9b, insbesondere alle möglichen, auch im Fehlerfall erzeugbaren Frequenzen. Im Gegensatz zu den ersten Messeinrichtungen 9a, 9b, die neben der Amplitude der Spannung auch die Phase der Spannung liefern können, liefern die Messeinrichtungen 10a, 10b nur die (reellwertige) Amplitude der Spannung als Spannungsmesswert.
Die ersten Messeinrichtungen 9a, 9b und die zweiten Messeinrichtungen 10a, 10b sind jeweils über Richtkoppler angekoppelt, die hier nicht näher dargestellt sind.
Die Messeinrichtungen 9a, 9b, 10a, 10b liefern ihre Messwerte an die Recheneinrichtung 8, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, mithin zur Überwachung der Belastung des Patienten. Hierzu wird aus den Messwerten wenigstens ein SAR-Wert ermittelt, der mit wenigstens einem Grenzwert verglichen wird. Ist der Grenzwert überschritten, wird ein entsprechendes Signal zum sofortigen Beenden des Sendebetriebs der Sendeeinrichtung 1 an die Steuereinrichtung 6 gesendet.
2 zeigt einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei wird in einem Schritt 11 zunächst durch eine Kalibrierungsmessung bei unbelasteter Hochfrequenzspule 2, also ohne Patienten, eine Streuparametermatrix für die Hochfrequenzspule 2 bestimmt. Während im einkanaligen Fall der eine verbleibende Streuparameter auch als „Verlustskalierungsfaktor” bezeichnet werden kann, beschreibt die Streumatrix die Spulenverluste letztlich für den mehrkanaligen Fall, so dass, wenn Amplitude und Phase der Spannung bekannt sind, die Spulenverlustleistung ermittelt werden kann.
Parallel werden in Schritt 12 und 13 die Messwerte der Messeinrichtungen 9a, 9b, 10a, 10b ausgewertet, wobei in einem Schritt 12 die Gesamtleistung aus den Messwerten der zweiten Messeinrichtungen 10a, 10b bestimmt wird. Dabei wird jeweils ein gleitender Mittelwert für jeweils eines von zwei Zeitfenstern bestimmt, vorliegend Zeitfenster von zehn Sekunden und 360 Sekunden. Ergebnis des Schrittes 12 ist also eine Gesamtleistung, gleitend gemittelt über die letzten zehn Sekunden bzw. 360 Sekunden.
In Schritt 13 wird die in Schritt 11 ermittelte Streuparametermatrix genutzt, um aus den Messwerten der ersten Messeinrichtungen, also der Amplitude und der Phase der Spannung, die Spulenverlustleistung zu bestimmen, wobei wiederum zwei gleitende Mittelwerte bestimmt werden, einer für das Zeitfenster von zehn Sekunden und einer für das Zeitfenster von 360 Sekunden.
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass aufgrund der Verwendung eines DSP als Recheneinrichtung 8 die Abtastung äußerst schnell erfolgen kann, beispielsweise neue Messwerte alle 10 Mikrosekunden aufgenommen werden können.
In einem Schritt 14 werden dann für die beiden Zeitfenster SAR-Werte bestimmt, indem zunächst die Spulenverlustleistung von der Gesamtleistung abgezogen wird, wobei selbstverständlich immer die entsprechenden Zeitfenstern zugeordneten gleitenden Mittelwerte betrachtet werden. Aus dem Produkt dieser vom Patienten absorbierten Leistung und einem vorab bestimmten Konvertierungsfaktor 15 ergeben sich dann die beiden SAR-Werte.
Der Konvertierungsfaktor beschreibt letztlich den der Hochfrequenz-Emission ausgesetzten Bereich des Körpers des Patienten und die vorliegende Messgenauigkeit. Er ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und muss hier nicht näher dargelegt werden.
In einem Schritt 16 wird sodann in regelmäßigen Zeitabständen, beispielsweise jede Sekunde, wobei aber auch eine häufigere Überprüfung denkbar ist, überprüft, ob die SAR-Werte ihnen jeweils zugeordnete Grenzwerte überschreiten. Ist dies der Fall, Pfeil 17, wird in einem Schritt 18 der Sendebetrieb der Sendeeinrichtung 1 beendet, um den Patienten zu schützen. Ansonsten wird wie angedeutet durch den Kasten 19 die SAR-Überwachung fortgesetzt, das bedeutet, es werden weiter Messwerte aufgenommen, gleitende Mittelwerte gebildet und SAR-Werte berechnet.
Dabei sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass das Verfahren auch in einem Fehlerfall, wenn Hochleistung einer falschen Frequenz, insbesondere außerhalb des Frequenzbereichs der ersten Messeinrichtung 9a, 9b, erzeugt wird, ohne, dass weitere Berechnungen notwendig wären, sicher abschaltet, denn die ersten Messeinrichtungen 9a, 9b nehmen für diesen Fall keine Messwerte auf, so dass auch keine oder geringere Spulenverlustleistung abgezogen wird und mithin die Grenzwerte schneller erreicht werden. Im Fehlerfall bzw. Schlechtfall wird die SAR-Überwachung vorteilhafterweise sogar noch empfindlicher.
Schließlich zeigt 3 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzeinrichtung 20. Diese umfasst wie grundsätzlich bekannt eine Hauptfeldmagneteinheit 21 mit einer Patientenaufnahme 22, in die eine Patientenliege 23 einfahrbar ist.
Die Magnetresonanzeinrichtung 20 umfasst ferner die erfindungsgemäße Sendeeinrichtung 1, wobei die Hochfrequenzspule 2 beispielsweise unmittelbar hinter einer Verkleidung der Patientenaufnahme 22 angeordnet sein kann.
Weitere Komponenten von Magnetresonanzeinrichtungen sind im Stand der Technik weitgehend bekannt und müssen hier nicht näher dargelegt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Sendeeinrichtung
2: Hochfrequenzspule
3: Einspeisungsanschluss
4: Sendekanal
5: Leistungsverstärker
6: Steuereinrichtung
7: Bezugszeichen
8: Recheneinrichtung
9: Messeinrichtung
9a: Messeinrichtung
9b: Messeinrichtung
10: Messeinrichtung
10a: Messeinrichtung
10b: Messeinrichtung
11: Schritt
12: Schritt
13: Schritt
14: Schritt
15: Konvertierungsfaktor
16: Schritt
17: Pfeil
18: Schritt
19: Kasten
20: Magnetresonanzeinrichtung
21: Hauptfeldmagneteinheit
22: Patientenaufnahme
23: Patientliege

Claims

Verfahren zur Überwachung der Belastung eines Patienten bei einer Untersuchung mit einer Magnetresonanzeinrichtung (20), welche eine Sendeeinrichtung (1) mit einer über mehrere Sendekanäle (4) ansteuerbaren Hochfrequenzspule (2) aufweist, wobei wenigstens zwei Leistungsverstärker (5) zur Speisung der Sendekanäle (4) vorgesehen sind, wobei für jeden Sendekanal (4) eine zur Messung einer Amplitude und einer Phase der Spannung in einem definierten Frequenzbereich um die Magnetresonanzfrequenz ausgebildete schmalbandige erste Messeinrichtung (9a, 9b) und eine einen breiteren Frequenzbereich als die ersten Messeinrichtungen (9a, 9b) abdeckende, zur Ermittlung einer Gesamtleistung geeignete Spannungsmesswerte aufnehmende breitbandige zweite Messeinrichtung (10a, 10b) verwendet werden, umfassend folgende Schritte: – Ermittlung einer Spulenverlustleistung aus den gemessenen Amplituden und Phasen der ersten Messeinrichtungen (9a, 9b), – Ermittlung einer ausgesendeten Gesamtleistung aus den Spannungsmesswerten der zweiten Messeinrichtungen (10a, 10b), – Ermittlung eines die in den Patienten eingetragene Leistung beschreibenden SAR-Werts aus der Spulenverlustleistung und der Gesamtleistung und Vergleich des SAR-Werts mit wenigstens einem Grenzwert, – bei Überschreitung des Grenzwerts Beendigung des Sendebetriebs der Sendeeinrichtung (1).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein definierter Frequenzbereich von kleiner als 500 kHz um die Magnetresonanzfrequenz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtungen (9a, 9b, 10a, 10b) über einen Richtkoppler angekoppelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der zweiten Messeinrichtung (10a, 10b) die Vorwärtsleistung und die reflektierte Leistung bestimmt werden, wobei sich die Gesamtleistung als die Differenz der Vorwärtsleistung und der reflektierten Leistung ergibt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Spulenverlustleistung aus der Amplitude und der Phase eine vorab bestimmte Streuparametermatrix für die Hochfrequenzspule (2) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuparametermatrix im Rahmen einer Kalibrierungsmessung ohne Patienten ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SAR-Wert unter Verwendung eines Konvertierungsfaktors (15) aus der Differenz der Gesamtleistung und der Spulenverlustleistung ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem exponierten Bereich des Patienten und/oder der Messgenauigkeit der Messeinrichtungen (9a, 9b, 10a, 10b) abhängiger Konvertierungsfaktor (15) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SAR-Wert als ein gleitender Mittelwert über ein vorbestimmtes Zeitfenster ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abtastung und Verarbeitung der Messwerte in einem digitalen Signalprozessor erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Anzahl der Sendekanäle (4) entsprechende Anzahl von Leistungsverstärkern (5) verwendet werden.
Sendeeinrichtung (1) für eine Magnetresonanzeinrichtung (20), umfassend eine über mehrere Sendekanäle (4) ansteuerbare Hochfrequenzspule (2), wobei wenigstens zwei Leistungsverstärker (5) zur Speisung der Sendekanäle (4) vorgesehen sind, und eine Überwachungseinrichtung (7), die für jeden Sendekanal (4) dem Leistungsverstärker (5) nachgeschaltet eine zur Messung einer Amplitude und einer Phase der Spannung in einem definierten Frequenzbereich um die Magnetresonanzfrequenz ausgebildete schmalbandige erste Messeinrichtung (9a, 9b) und eine einen breiteren Frequenzbereich als die erste Messeinrichtung (9a, 9b) abdeckende, zur Ermittlung einer Gesamtleistung geeignete Spannungsmesswerte aufnehmende breitbandige zweite Messeinrichtung (10a, 10b) sowie eine Recheneinrichtung (8), die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildet ist, aufweist.
Sendeeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Anzahl der Sendekanäle (4) entsprechende Anzahl von Leistungsverstärkern (5) vorgesehen sind.
Magnetresonanzeinrichtung (20), umfassend eine Sendeeinrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13.