-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines Magnetresonanzsystems, bei dem eine Sequenz von synchronisierten, d. h. zeitlich aufeinander abgestimmten, Steuerbefehlen an verschiedene Systemkomponenten des Magnetresonanzsystems gesendet wird. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens und ein Magnetresonanzsystem mit einer solchen Steuereinrichtung.
-
In einem Magnetresonanzsystem, auch Magnetresonanztomographiesystem oder Magnetresonanzanlage genannt, wird für die Erstellung von Magnetresonanzaufnahmen üblicherweise der zu untersuchende Körper mit Hilfe eines Grundfeldmagnetsystems einem relativ hohen Grundmagnetfeld, beispielsweise von 1,5 Tesla, 3 Tesla oder 7 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 von einem Hochfrequenz-Empfangssystem mittels geeigneter Empfangsantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden.
-
Für eine bestimmte Messung ist folglich eine bestimmte Pulssequenz auszusenden, welche aus einer Folge von Hochfrequenzpulsen, insbesondere Anregungspulsen und Refokussierungspulsen sowie passend dazu koordiniert auszusendenden Gradientenpulsen in verschiedenen Raumrichtungen besteht. Zeitlich passend hierzu müssen Auslesefenster für das Hochfrequenz-Empfangssystem gesetzt werden, während dessen die induzierten Magnetresonanzsignale erfasst werden. Für die Bildgebung maßgeblich ist dabei insbesondere das Timing innerhalb der Sequenz, d. h. in welchen zeitlichen Abständen welche Pulse aufeinander folgen.
-
Dabei ist eine besonders exakte zeitliche Abstimmung bzw. Synchronisation der Applikation von Gradientenfeldern, Hochfrequenz-Sendefeldern und Empfangsereignissen, d. h. das Freischalten der jeweiligen Empfangseinrichtungen des Hochfrequenz-Empfangssystems, erforderlich. Die Anforderungen bei der Abstimmungsgenauigkeit liegen dabei im Bereich von 1 ns bis 100 µs.
-
Entsprechend exakt müssen hierzu die einzelnen Systemkomponenten des Magnetresonanzsystems, wie Gradientensystem, Hochfrequenz-Sendesystem und Hochfrequenz-Empfangssystem, angesprochen werden. Jede dieser Systemkomponenten (welche auch als Teilsysteme des Magnetresonanzsystems betrachtet werden können) weist natürlich weitere Teil- bzw. Unterkomponenten auf, wie z. B. die Gradientenverstärker (üblicherweise GPA = Gradient Power Amplifier genannt) des Gradientensystems und die Hochfrequenz-Sendeverstärker (üblicherweise RFPA = Radio Frequency Power Amplifier genannt) des Hochfrequenz-Sendesystems oder allgemein verschiedene DACs (Digital Analog Converter) und/oder ADCs (Analog Digital Converter) auf. Zur Ansteuerung der Verstärker werden beispielsweise die von der Steuereinrichtung des Magnetresonanzsystems erzeugten digitalen Signale mittels DACs in analoge Signale umgewandelt und weiterverarbeitet. Umgekehrt ist es beim Empfang der Magnetresonanzsignale, die von den angeregten Spins zurück zu den Empfangsantennen gelangen, erforderlich, die analogen Signale mittels ADCs in digitale Signale umzuwandeln. Die einzelnen Verstärker, DACs und ADCs bzw. weiteren Teilkomponenten der verschiedenen Komponenten bzw. Teilsysteme des Magnetresonanzsystems sitzen aber häufig an räumlich getrennten Stellen, beispielsweise auf verschiedenen Boards oder sogar in verschiedenen Schaltschränken oder -räumen in der Praxis bzw. Klinik. Insbesondere bei einer hohen Empfangssignalzahl ist es dabei auch möglich, dass von jedem Komponenten- oder Gerätetyp (wie beispielsweise Gradienten-DACs, Hochfrequenz-Sende-DACs, Hochfrequenz-Empfangs-ADCs) mehrere Bauteile existieren, die ebenfalls wiederum räumlich verteilt sein können.
-
Daneben gibt es noch eine Vielzahl von weiteren optionalen Komponenten oder Teilsystemen wie beispielsweise Shim-Systeme, Kamerasysteme, Überwachungssysteme, Tischpositioniersensoren und Tischpositioniersysteme, Patientenüberwachungseinrichtungen etc., die auch synchronisiert mit den o. g. Systemkomponenten ihre Befehle erhalten müssen und ebenso weitere Teil- bzw. Unterkomponenten aufweisen können.
-
Die Synchronisation der o. g. Systemkomponenten bzw. Teilsysteme und der dazu gehörigen Gerätetypen innerhalb des geforderten Genauigkeitsbereichs stellt hohe Anforderungen an die Steuerung und erfordert bisher die Entwicklung von proprietären, speziell für das jeweilige Magnetresonanzsystem angepassten Lösungen. Dabei gibt es verschiedene ringförmige oder sternförmige Architekturen zur Verteilung eines Taktes für die einheitliche Systemzeit (also ein innerhalb des Magnetresonanzsystems einheitlicher absoluter Zeittakt) als Synchronisationssignal. In jedem Fall werden aber immer proprietäre, speziell angepasste Protokolle und Systeme für jedes einzelne Magnetresonanzsystem entwickelt, die sowohl den Takt als auch die absoluten Zeitinformationen so an die verteilten Systemkomponenten verteilen, dass die gewünschte Synchronisation erreicht wird. Diese proprietären Lösungen für jeden neu zu entwickelnden Typ von Magnetresonanzsystem führen zu hohen Entwicklungskosten und auch zu zusätzlichen Risiken hinsichtlich möglicher Entwicklungsfehler.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfachere und kostengünstigere Alternative zu diesen Steuerverfahren und Steuereinrichtungen mit proprietären Synchronisationsverfahren zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird zum einen durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch eine Steuereinrichtung gemäß Patentanspruch 6 gelöst.
-
In dem Ansteuerverfahren wird dabei erfindungsgemäß für die verschiedenen Systemkomponenten (einschließlich deren einzelnen Teilkomponenten bzw. Geräten) in einer ersten Stufe von einer Befehls-Bereitstellungseinheit eine Anzahl von Steuerbefehlen in einer relativen Zeitabfolge in Bezug auf eine definierte Systemzeit bereitgestellt. Dabei sind die Steuerbefehle in der relativen Zeitabfolge jeweils Zeiten zugeordnet, die vorgeben, wann welcher Steuerbefehl in Bezug auf eine definierte Systemzeit auszuführen ist. Die Systemzeit ist hierbei durch einen wie oben beschriebenen, für alle Systemkomponenten gültigen Systemtakt definiert, so dass die relativen Zeiten zwischen den Ereignissen, welche durch die Steuerbefehle für die verschiedenen Systemkomponenten initiiert werden sollen, wie beispielsweise das Schalten einer Gradientenspule, das Aussenden eines Hochfrequenzpulses etc., im passenden zeitlichen Abstand zueinander stattfinden. D.h. die Systemzeit stellt sicher, dass die zeitlichen Abstände genau definiert sind.
-
Bei der Anzahl von Steuerbefehlen einer (einzelnen) bestimmten Systemkomponente kann es sich um mehrere solcher Steuerbefehle, die in einer bestimmten Abfolge zu bearbeiten sind, im Extremfall aber auch nur um einen einzelnen Steuerbefehl handeln (z.B. nur um einen einmaligen Steuerbefehl zum Schalten eines DACs zum Auslesen der empfangenen Magnetresonanzsignale, wobei dieser eine Steuerbefehl aber zeitlich passend zu den Steuerbefehlen der anderen Systemkomponenten liegen muss). Ein Steuerbefehl kann dabei wiederum mehrere Teilsteuerbefehle für verschiedene Teilkomponenten der jeweiligen Systemkomponente umfassen. Beispielsweise können die Steuerbefehle in Form von Eventblöcken erstellt werden, wobei festgelegt wird, welche Systemkomponenten (bzw. Teilkomponenten der einzelnen Systemkomponenten) wann was tun sollen, um ein bestimmtes Ereignis zu erreichen. Beispielsweise könnte ein Befehl die Aussendung eines in bestimmter Weise geformten Hochfrequenzpulses durch das Hochfrequenz-Sendesystem und weiterer genau definierter Gradientenpulse durch die verschiedenen Gradientenspulen in x-, y- und z-Richtungen (in verschiedenen Raumrichtungen) des Gradientensystems veranlassen.
-
Erfindungsgemäß wird diese Sequenz von Steuerbefehlen für die verschiedenen Systemkomponenten in der korrekten relativen Zeitabfolge zunächst an eine von der Befehls-Bereitstellungseinheit logisch separate Datenkonvertierungs-Schnittstelle übergeben, welche in einer von der ersten Stufe logisch getrennten zweiten Stufe die Steuerbefehle in einem latenzkompensierenden Datenübertragungsprotokoll über ein Bussystem, das eine deterministische Latenz aufweist, an die einzelnen Systemkomponenten so weiterleitet, dass die durch die Steuerbefehle initiierten Ereignisse jeweils zum geforderten Zeitpunkt (bezogen auf alle anderen Ereignisse) stattfinden. Die auszuführenden Aktivitäten werden also in exakter Chronologie bzgl. der absoluten Systemzeit an das latenzkompensierende Bussystem bzw. Kommunikationsnetzwerk übergeben und bei den Systemkomponenten dann „unmittelbar“ ausgeführt. Die Ereignisse werden dabei zwar mit einem gewissen zeitlichen Offset ausgeführt, der aber konstant und für alle Systemkomponenten gleich ist. Somit bleiben die zeitlichen Relationen exakt erhalten.
-
Eine entsprechende Steuereinrichtung weist hierzu zum einen eine Befehls-Bereitstellungseinheit auf, die ausgebildet ist, um für verschiedene Systemkomponenten des Magnetresonanzsystems eine Anzahl von Steuerbefehlen in einer relativen Zeitabfolge in Bezug auf eine definierte Systemzeit bereitzustellen, wobei die Steuerbefehle in der relativen Zeitabfolge jeweils Zeiten zugeordnet sind, die vorgeben, wann welcher Steuerbefehl in Bezug auf eine definierte Systemzeit auszuführen ist. Zusätzlich weist die Steuereinrichtung aber auch eine von der Befehls-Bereitstellungseinheit logisch separate Datenkonvertierungs-Schnittstelle auf, welche ausgebildet ist, um die Steuerbefehle in der relativen Zeitabfolge zu übernehmen und in einem latenzkompensierenden Datenübertragungsprotokoll über ein Bussystem, welches eine deterministische Latenz aufweist, an die einzelnen Systemkomponenten weiterzuleiten.
-
Anders als bisher erfolgt also die Bearbeitung der zeitkritischen Übertragung der Befehle bzw. das Latenzmanagement bei der Übertragung der Daten nicht gleichzeitig mit der Erstellung der Steuersequenzen, sondern die Befehls-Bereitstellung in der richtigen relativen Zeitabfolge und die Übergabe an ein latenzkompensierendes Kommunikations-Netzwerk (ohne extra Zeitstempel, welcher dann noch von der Datenkonvertierungs-Schnittstelle bzw. dem Kommunikations-Netzwerk verarbeitet werden müsste) erfolgt logisch voneinander getrennt in zwei verschiedenen Stufen. Der Kern der Idee besteht also in der Bereitstellung und Ausführung von zeitlich auf der Systemzeit bereits synchronisierten Instruktionen, d. h. insbesondere der Sende- und/oder Empfangsbefehle und/oder Befehle zum Schalten der Gradientenspule, über eine definierte Schnittstelle an eine eigenständige Instanz, die die gesamte Latenzproblematik bei der Übermittlung der Befehle an die einzelnen Systemkomponenten als abgeschlossene Lösung bereits behandelt. Innerhalb der Datenkonvertierungs-Schnittstelle bzw. des Bussystems können dabei vorzugsweise auch bereits ein eventueller Jitter oder andere zeitbeeinflussende Charakteristika berücksichtigt werden.
-
Entsprechend sind die Befehls-Bereitstellungseinheit und die Datenkonvertierungs-Schnittstelle zumindest logisch separate Einheiten, die in getrennten, aber ggf. auch in gemeinsamen Baugruppen realisiert sein können, beispielsweise auf einer gemeinsamen PCB (Platine) oder in einem gemeinsamen FPGA. Entscheidend ist jedoch, dass sie logisch insoweit getrennt sind, dass bei einer Entwicklung von anderen Magnetresonanzsystemtypen wieder dieselbe Datenkonvertierungs-Schnittstelle mit demselben Datenübertragungsprotokoll genutzt werden kann und nicht jeweils eine Neuentwicklung erforderlich ist. Dies reduziert zum einen die Kosten bei der Systementwicklung und zum anderen die Fehleranfälligkeit.
-
Ein entsprechendes Magnetresonanzsystem weist neben einem üblichen Grundmagnetfeldsystem zum Anlegen des Grundmagnetfelds, einem Gradientensystem, üblicherweise mit drei Gradientenspulen für die drei Raumrichtungen, sowie einem üblichen Hochfrequenz-Sendesystem und einem Hochfrequenz-Empfangssystem eine Steuereinrichtung auf, wie sie zuvor erläutert wurde.
-
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 und Merkmale von verschiedenen Ausführungsbeispielen zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden können.
-
Sinnvollerweise erfolgt die Übergabe der Anzahl von Steuerbefehlen für die verschiedenen Systemkomponenten an die Datenkonvertierungs-Schnittstelle mit einer Vorlaufzeit (d. h. einer definierten Zeit, bevor die jeweiligen Steuerbefehle weitergeleitet werden müssten), welche größer ist als eine maximale Latenz der Datenübertragung zu den Systemkomponenten (einschließlich ggf. der internen Latenz der Systemkomponenten, d.h. der Zeit bis zum Start der Befehlsausführung der Systemkomponenten). Mit anderen Worten, es werden innerhalb des Bussystems, welches ja erfindungsgemäß eine deterministische Latenz aufweist, vorab die Latenzzeiten zu den verschiedenen Systemkomponenten bzw. deren Teilkomponenten berechnet oder in sonstiger Weise ermittelt, und die maximale ermittelte Latenzzeit gibt vor, mit welcher Vorlaufzeit mindestens die Steuerbefehle an die Datenkonvertierungs-Schnittstelle übergeben werden müssen, so dass das Latenzmanagement (durch die Datenkonvertierungs-Schnittstelle bzw. das Bussystem) entsprechend so erfolgen kann, dass sämtliche Steuerbefehle innerhalb der Sequenz zur richtigen Zeit relativ zu den anderen Steuerbefehlen im Rahmen der vorgegebenen Genauigkeit durchgeführt werden.
-
Als Bussystem wird dabei bevorzugt ein High-Speed-Bussystem eingesetzt, besonders bevorzugt ein serielles Multi-Gigabit-Bussystem.
-
Ganz besonders ist es von Vorteil, wenn als latenzkompensierendes Datenübertragungsprotokoll ein Standardprotokoll genutzt wird. Dabei ist unter einem Standardprotokoll ein Protokoll zu verstehen, für das handelsübliche Komponenten verfügbar sind (sog. „Commercial of the Shelf-Komponenten“ = „COTS-Komponenten“). Werden derartige kommerziell frei erhältliche latenzkompensierende Datenübertragungsprotokolle und hierzu benötigte Geräte verwendet, zeigt die erfindungsgemäße Lösung ihre besondere Stärke, da dann die gesamte Entwicklung besonders günstig und mit geringer Fehlerquote erreicht werden kann.
-
Als besonders bevorzugtes standardisiertes latenzkompensierendes Datenübertragungsprotokoll wird ein JESD204B-Protokoll benutzt. Dementsprechend wird als Datenkonvertierungs-Schnittstelle auch ein JESD204B-Datenkonvertierer eingesetzt. Solche Datenkonvertierer sind bereits für andere Zwecke, beispielsweise zur Steuerung von Fabrikationsanlagen, im Einsatz. Verschiedene weitere mögliche Einsatzzwecke, unter anderem auch für bildgebende Systeme für die Medizin wie MRIs, werden in „Überlegungen zur breitbandigen Wandler-Applikationen JESD204B - oder serielle LVDS-Schnittstelle", 2013, von G. Diniz auf der Seite www.all-electronics.de erwähnt.
-
Neben einem JESD204B-Protokoll kämen aber auch andere High Speed-Protokolle in Frage, die latenzkompensierend arbeiten, wie beispielsweise das „White-Rabbit“-Verfahren, wie es am CERN genutzt wird.
-
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild von zentralen Systemkomponenten eines Magnetresonanzsystems nach dem Stand der Technik,
- 2 ein Blockschaltbild von zentralen Systemkomponenten eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems,
- 3 eine beispielhafte Pulssequenz, auf die das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden kann, unterteilt in Eventblöcke.
-
In 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild der wichtigsten Systemkomponenten bzw. Teilsysteme eines Magnetresonanzsystems 1' dargestellt, welche im Rahmen einer Magnetresonanzaufnahme dynamisch zeitkritisch angesteuert werden müssen.
-
Hierzu zählt zum einen ein Gradientensystem 2 mit drei Magnetfeldgradientenspulen GCx, GCy, GCz zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten in x-, y- und z-Richtung. Diese Magnetfeldgradientenspulen GCx, GCy, GCz für die verschiedenen Raumrichtungen sind unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass durch eine vorgegebene Kombination Gradienten in beliebigen logischen Raumrichtungen, beispielsweise in Schichtselektionsrichtung, in Phasenkodierrichtung oder in Ausleserichtung, angelegt werden können. Dabei sind diese Richtungen in der Regel von der gewählten Schichtorientierung abhängig. Ebenso können die logischen Raumrichtungen aber auch mit den x-, y- und z-Richtungen übereinstimmen, beispielsweise Schichtselektionsrichtung in z-Richtung, Phasenkodierrichtung in y-Richtung und Ausleserichtung in x-Richtung.
-
Weiterhin gehören zu diesen zeitkritisch bzw. koordiniert mit entsprechenden Pulssequenzen anzusteuernden Systemkomponenten des Magnetresonanzsystems 1` ein Hochfrequenz-Sendesystem 4 und ein Hochfrequenz-Empfangssystem 3. Das Hochfrequenz-Sendesystem 4 umfasst in der Regel wiederum mehrere Teilsysteme bzw. Teilkomponenten, beispielsweise mehrere Sendespulen (bzw. Sendeantennen), hier zwei Sendespulen, TX1, TX2 mit zugehörigen Sendeverstärkern etc. Entsprechend kann das Hochfrequenz-Empfangssystem 3 auch eine nahezu beliebige Anzahl von Teilempfangssystemen mit jeweils einzelnen Empfangsspulen (bzw. Empfangsantennen), Vorverstärkern, Analog-Digital-Wandlern etc. aufweisen. Hier sind vereinfacht zwei Empfangsspulen RX1, RX2 als Teilsysteme bzw. Teilkomponenten dargestellt.
-
Bei den Sendespulen TX1, TX2, um die Hochfrequenzsignale auszusenden, kann es sich beispielsweise um eine übliche Ganzkörperspule handeln sowie ggf. zusätzliche Lokalspulen. Als Empfangsspulen können ebenfalls diese Sendespulen verwendet werden, soweit sie zwischen Empfangs- und Sendemodus umschaltbar sind. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, separate Empfangsspulen einzusetzen.
-
Die Teilsysteme bzw. Teilkomponenten GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 der übergeordneten Systemkomponenten 2, 3, 4, 10, können im Übrigen im Sinne der Versorgung mit zeitlich richtig koordinierten Steuerbefehlen jeweils auch selber wieder als Systemkomponenten GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 betrachtet werden.
-
Neben den in 1 dargestellten Systemkomponenten 2, 3, 4, GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 weist ein solches Magnetresonanzsystem 1' natürlich noch eine Vielzahl weiterer Systemkomponenten oder Teilsysteme auf, insbesondere ein Grundfeldmagnetsystem, um das Untersuchungsobjekt bzw. den Patienten (nicht dargestellt) zunächst mit einem Grundmagnetfeld zu beaufschlagen. Ein wesentlicher Teil der Systemkomponenten sind in einem (ebenfalls nicht dargestellten) Scanner angeordnet, in dem mittig ein Patiententunnel (Bore) angeordnet ist, in welchen das Untersuchungsobjekt auf einem beweglichen Tisch hinein- und herausfahrbar bzw. an beliebiger Stelle im Bore positionierbar ist. Das Grundmagnetfeldsystem ist so aufgebaut, dass in einem definierten zentralen Bereich innerhalb dieses Bores ein möglichst homogenes Grundmagnetfeld anliegt. Die Gradientenspulen sind entsprechend so gewickelt, dass wie zuvor beschrieben in verschiedenen Richtungen dem Grundmagnetfeld innerhalb des Bores ein Magnetfeldgradient überlagert werden kann, und die Sende- und Empfangsspulen sind entsprechend so angeordnet, dass sie innerhalb dieses Bores die Hochfrequenzsignale in bestimmte Bereiche aussenden bzw. aus diesen empfangen. All diese Systemkomponenten sind dem Fachmann aber bekannt und brauchen daher hier nicht im Einzelnen weiter erläutert zu werden. Es wird an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass nicht nur ein zuvor genanntes Magnetresonanzsystem mit einem Bore auf die erfindungsgemäße Weise angesteuert werden kann, sondern beispielsweise auch seitlich offene, U-förmige Magnetresonanzsysteme oder Magnetresonanzsysteme kleinerer Art für einzelne Gliedmaßen etc.
-
Wie hier dargestellt, werden die einzelnen Komponenten des Magnetresonanzsystems von einer Steuereinrichtung 5' angesteuert. Diese enthält zur Aussendung einer Steuersequenz, d. h. einer Abfolge von Steuerbefehlen, an die einzelnen Systemkomponenten 2, 3, 4 einschließlich deren Teilkomponenten GCx, GCy, GCz, RX1, RX2, TX1, TX2 jeweils eine Messsteuereinheit 6', die die erforderlichen Steuerbefehle, wie sie nachfolgend noch anhand von 3 erläutert werden, generiert und zur passenden Zeit an die einzelnen Systemkomponenten übersendet, so dass diese zum passenden Zeitpunkt relativ zueinander die Befehle ausführen und somit die gewünschten physikalischen Ereignisse eintreten. Die Steuereinrichtung 5' kann darüber hinaus noch eine Vielzahl weiterer Komponenten aufweisen, beispielsweise Komponenten zur Weiterverarbeitung der von dem Hochfrequenz-Empfangssystem empfangenen Signale bzw. Rohdaten sowie ggf. Rekonstruktionseinheiten, um die Bilddaten aus den Rohdaten zu rekonstruieren etc.
-
Diese Messsteuereinheit 6' kann beispielsweise auf einem FPGA der Steuereinrichtung 5' realisiert sein, wobei dieser FPGA in der Regel auch einen Taktgeber 7 (eine „Absolut-Uhr“) enthält, welcher die Systemzeit vorgibt, d. h. einen für das gesamte Magnetresonanzsystem einheitlichen Takt, nach dem sich dann alle einzelnen Systemkomponenten 2, 3, 4 nebst Teilkomponenten GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 richten müssen, um die gewünschte Synchronisation zu erreichen.
-
Wie bereits eingangs beschrieben, ist die Synchronisation aufgrund der erforderlichen Genauigkeit von 1 ns bis 100 µs außerordentlich schwierig. Es gibt verschiedene Architekturen zur Verteilung der Systemzeiten als Synchronisationssignal gemeinsam mit den Steuerbefehlen. In 1 ist durch die durchgezogenen Pfeile eine sternförmige Architektur dargestellt, bei der von der Steuereinrichtung 5' jeweils einzeln die Steuerbefehle gemäß den Systemzeiten zum passenden Zeitpunkt übersendet werden. Durch die gestrichelten Pfeile ist eine alternative Ringstruktur in 1 dargestellt, bei der die Befehle und das Taktsignal ringförmig weiter übermittelt werden, so dass alle Systemkomponenten zur richtigen Zeit ihre Befehle erhalten und ausführen können.
-
Das gesamte Latenzmanagement ist dabei in einem proprietären Übertragungsprotokoll im FPGA, d. h. in der Messsteuereinheit 6', implementiert, was bedeutet, dass bisher für jede Neuentwicklung eines Magnetresonanzsystems auch das Protokoll speziell hierfür entwickelt werden muss und die gesamte Entwicklung teurer und fehleranfälliger macht.
-
Um hier Abhilfe zu schaffen, ist nun erfindungsgemäß die Steuereinrichtung 5 des Magnetresonanzsystems 1 architektonisch anders aufgebaut, mit einer speziellen Befehls-Bereitstellungseinheit 8 und einer logisch davon getrennten Datenkonvertierungs-Schnittstelle 9, die sich um das gesamte Latenzmanagement bei der Übertragung der Steuerbefehle eigenständig kümmert. Dies ist an einem Beispiel in 2 dargestellt.
-
Im Prinzip kann die Steuereinrichtung 5 dabei weitgehend wie die Steuereinrichtung 5' gemäß 1 aufgebaut sein, insbesondere auch mit allen weiteren üblichen Komponenten. Im Unterschied zu der Steuereinrichtung 5' nach dem Stand der Technik weist hier jedoch beispielsweise der FPGA, welcher die Messsteuereinheit 6 bildet, zumindest zwei getrennte logische Einheiten auf. Eine der logischen Einheiten ist die Befehls-Bereitstellungseinheit 8 (welche auch als „Synchronized Instruction Supply“ bezeichnet werden könnte), diese greift ebenfalls auf die Systemzeit bzw. einen Taktgeber 7 (Absolut-Uhr) zurück und stellt für die einzelnen Systemkomponenten 2, 3, 4, 10, GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 (welche in gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ausgebildet sein können) eine Anzahl von Steuerbefehlen in einer relativen Zeitabfolge in Bezug auf eine definierte Systemzeit t bereit, wobei die Steuerbefehle in der relativen Zeitabfolge jeweils Zeiten zugeordnet sind, die vorgeben, wann welcher Steuerbefehl in Bezug auf die definierte Systemzeit auszuführen ist.
-
Hierzu zeigt 3 ein Beispiel. Dargestellt ist dort ein übliches Pulsdiagramm am Beispiel einer Spin-Echo-Sequenz S. In diesem Pulsdiagramm sind auf verschiedenen Zeitachsen übereinander die verschiedenen Pulse dargestellt, die von den unterschiedlichen Systemkomponenten 2, 3, 4, 10, GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 ausgeführt werden müssen.
-
Auf der obersten Achse (Sendeachse Tx)ist das auszusendende Hochfrequenzsignal dargestellt. Bei dieser Spin-Echo-Sequenz S müssen nacheinander zwei Hochfrequenzpulse HF1, HF2 ausgesendet werden, zum einen ein 90°-Anregungspuls und dann in einem bestimmten Abstand ein 180°-Refokussierungspuls HF2. Da beide Hochfrequenzpulse HF1, HF2 räumlich selektiv wirken sollen, ist jeweils gleichzeitig ein Schichtselektionsgradientpuls Gz1, Gz3 zu schalten, was auf der zweiten Achse von oben, der Schichtselektionsachse Gz dargestellt ist. Zwischen diesen beiden Schichtselektionsgradientpulsen Gz1, Gz3 in Schichtselektionsrichtung werden ein weiterer Schichtselektionsgradientenpuls Gz2 in negativer Richtung sowie ein Frequenzkodiergradientenpuls Gy2 auf der Frequenzkodierachse Gy (dritten Achse von oben) und ein Phasenkodiergradientenpuls Gx2 in der Phasenkodierrichtung, d.h. auf der Phasenkodierachse Gx, ausgesendet.
-
Die einzelnen Gradientenpulse Gz1, Gz2, Gz3, Gy2, Gx2 für die verschiedenen Raumrichtungen sind hier jeweils als Gradientenereignisse G1, G2, G3 zusammengefasst.
-
Nach einer bestimmten Echozeit TE nach dem Maximum des ersten Hochfrequenzpulses HF1 erfolgt dann ein Echosignal, welches zur Erfassung der Rohdaten für die Bildrekonstruktion erfasst werden muss. Hierzu wird gleichzeitig ein Auslesefenster R1 als ein Ereignis am ADC der Empfangseinrichtung geschaltet (siehe Ausleseachse Rx). Gleichzeitig wird ein Auslesegradientenpuls Gy4 ausgespielt, welcher als Gradientenereignis G4 dargestellt ist. Nach einer Repetitionszeit TR wird die Sequenz S dann wiederholt, wobei der Phasenkodiergradientenpuls Gx2 dann so lange jeweils mit einer anderen Amplitude gesetzt wird, bis eine gewünschte Schicht ausgelesen ist.
-
Wie hier dargestellt, beginnen die einzelnen Ereignisse, welche durch die Steuerbefehle initiiert werden bzw. insofern die Steuerbefehle darstellen, d. h. das Ausspielen der Hochfrequenzpulse HF1, HF2 und der Gradientenereignisse G1, G2, G3, G4 und das Setzen des Auslesefensters R1, zu ganz genau definierten Zeiten bzw. Zeitpunkten t1, t2, t3, t4 bezüglich der Systemzeit t (siehe unterste Achse des Sequenzdiagramms in 3).
-
Die Befehls-Bereitstellungseinheit 8 übergibt daher bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die Steuerbefehle, welche die genauen Daten über die zu schaltenden Pulse, d. h. deren Form, Dauer etc., enthalten, in der exakten relativen Zeitabfolge in Bezug auf die Systemzeit t, d.h. zu den exakten relativen Zeiten t1, t2, t3, t4 an die Datenkonvertierungs-Schnittstelle 9.
-
Hierbei handelt es sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel um einen JESD204B-Konvertierer. Dieser setzt die ankommenden Steuerbefehle in ein latenzkompensierendes Datenübertragungsprotokoll P, hier das JESD204B-Protokoll (d. h. in ein Protokoll nach dem JESD204B-Standard) um, wobei die relativen Zeiten t1, t2, t3, t4 beachtet werden. Über ein entsprechendes JESD204B-Bussystem 11, dessen Latenzzeiten zu den einzelnen Systemkomponenten 2, 3, 4 bzw. deren Teilkomponenten GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 genau bekannt sind, werden dann sämtliche Steuerbefehle übermittelt, und zum richtigen Zeitpunkt werden die einzelnen Systemkomponenten 2, 3, 4 bzw. deren Teilkomponenten GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 aktiv. Dieses JESD204B-Protokoll ist dabei auch in der Lage, neben den Latenzzeiten auch Jitter oder andere zeitrelevante Problematiken selbsttätig auszugleichen. Mit anderen Worten, im JESD204B-Bussystem 11 werden die relativen Zeiten t1, t2, t3, t4 beim Weiterleiten der Befehle so verändert, dass die danach auftretenden zeitlichen relativen Verschiebungen, bedingt durch unterschiedliche Latenzzeiten zu den verschiedenen Systemkomponenten 2, 3, 4 bzw. deren Teilkomponenten GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2, Jitter etc., kompensiert werden und die Steuerbefehle letztlich an den Systemkomponenten 2, 3, 4 bzw. deren Teilkomponenten GCx, GCy, GCz, TX1, TX2, RX1, RX2 wieder zu den korrekten relativen Zeiten t1, t2, t3, t4 ausgeführt werden.
-
Wie in 2 dargestellt ist, ist es möglich, an diese Datenkonvertierungs-Schnittstelle 9 auch noch optionale weitere Peripheriegeräte 10 anzuschließen, wie beispielsweise Shim-Einrichtungen, Verstimmschaltungen, Spulenumschalteinheiten, Feldkameras, Systemüberwachungseinheiten, Tischpositionssensoren und -steuerungen, Interventionsgeräte, Patientenüberwachungsausrüstungen, wie EGK, Atemsensoren, etc., sofern diese im gleichen Takt genutzt werden sollen.
-
Eine Verwendung von JESD204B ist insbesondere von Vorteil, da es sich hierbei um einen Industriestandard handelt, so dass die Komponenten im Gegensatz zu proprietären Lösungen besonders kostengünstig zur Verfügung stehen und zudem auch an Weiterentwicklungen dieser Technologie dann partizipiert werden kann. Dabei ist es auch möglich, verschiedene Geräte wie verschiedene ADCs, DACs mit verschiedenen Techniken und Genauigkeiten (z. B. verschiedene Subclasses, insbesondere Subclasses 1 oder 2, des JESD204B-Standards) zu synchronisieren.
-
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. So ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Geräten (Teilkomponenten) für die einzelnen Systemkomponenten einzusetzen, d. h. auch parallel eine beliebige Anzahl von Sendeeinheiten und/oder Empfangseinheiten, die auch räumlich weit voneinander beabstandet sein können. Weiterhin lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch in ringförmigen Architekturen einsetzen. Insbesondere wird auch darauf hingewiesen, dass sich das erfindungsgemäße Verfahren bei beliebigen Pulssequenzen anwenden lässt. 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, 1'
- Magnetresonanzsystem
- 2
- Gradientensystem
- 3
- Hochfrequenz-Empfangssystem
- 4
- Hochfrequenz-Sendesystem
- 5, 5'
- Steuereinrichtung
- 6, 6'
- Messsteuereinheit
- 7
- Taktgeber
- 8
- Befehls-Bereitstellungseinheit
- 9
- Datenkonvertierungs-Schnittstelle
- 10
- Peripheriegeräte
- 11
- Bussystem
- GCx, GCy, GCz
- Magnetfeldgradientenspulen
- TX1, TX2
- Sendespulen
- RX1, RX2
- Empfangsspulen
- S
- Spin-Echo-Sequenz
- HF1, HF2
- Hochfrequenzpuls
- Gz
- Schichtselektionsachse
- Gy
- Frequenzkodierachse
- Gx
- Phasenkodierachse
- Gz1, Gz2, Gz3
- Schichtselektionsgradientpuls
- Gy2
- Frequenzkodiergradientenpuls
- Gx2
- Phasenkodiergradientenpuls
- Gy4
- Auslesegradientenpuls
- G1, G2, G3, G4
- Gradientenereignisse
- TE
- Echozeit
- TR
- Repetitionszeit
- R1
- Auslesefenster
- Rx
- Ausleseachse
- Tx
- Sendeachse
- t
- Systemzeit
- t1, t2, t3, t4
- Zeitpunkte
