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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von durch den Betrieb von Gradientenspulen in einer Magnetresonanzeinrichtung auftretenden Feldstörungen mit höherer Ordnung als nullter Ordnung bei der Aufnahme von Magnetresonanzdaten mit der Magnetresonanzeinrichtung. Daneben betrifft die Erfindung eine Magnetresonanzeinrichtung.
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Es ist im Stand der Technik bereits bekannt, dass die Benutzung der Gradientenspulen, gerade bei diesen stark nutzenden Magnetresonanzsequenzen wie beispielsweise diffusionsgewichteter Bildgebung, eine nennenswerte Erhöhung der Temperatur der Gradientenspulen mit sich bringt. Dies führt aus verschiedenen Gründen zu Feldstörungen. Zunächst sind dabei Störungen nullter Ordnung des Grundmagnetfeldes zu nennen, die sich in Verschiebungen der Larmorfrequenz äußern. Auch Feldstörungen höherer Ordnung, also insbesondere lineare Terme oder Terme höherer als erster Ordnung, können auftreten. Dabei wurden bereits einige Untersuchungen angestellt, um zu versuchen, negative Effekte, die durch diese Feldstörungen auftreten, zu korrigieren, sei es durch unmittelbare Kompensation von Feldstörungen oder sei es durch Nachbearbeitung aufgenommener Magnetresonanzdaten.
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In
EP 1 482 320 A2 , die ein temperaturstabilisiertes Shimmen eines Magnetresonanzsystems betrifft, wurde vorgeschlagen, sowohl passive Shims als auch aktive, resistive Shims (Shimspulen) zu verwenden. Ausgehend davon, dass die temperaturabhängige Magnetisierung der passiven Shimelemente und somit die Shimwirkung der passiven Shimelemente sich verändern, wird dort vorgeschlagen, die Temperatur der passiven Shimelemente zu vermessen und die Steuerströme der aktiven, resistiven Shimspulen anzupassen, um die Homogenität des magnetischen Feldes aufrecht zu erhalten. Allerdings hat sich gezeigt, dass diese Methode nur äußerst unzureichend in der Lage ist, Verbesserungen herbeizuführen, da nur eine äußerst niedrige Korrelation zwischen den Feldstörungen und der Temperatur der passiven Shimelemente, beispielsweise Shimeisen, gegeben ist. Mithin lassen sich allgemein gültige Zusammenhänge nicht sinnvoll erschließen.
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DE 10 2012 217 594 A1 betrifft einen Magnetresonanztomographen, bei dem eine Einrichtung zur Kompensation von Temperaturschwankungen vorgesehen sein soll. Die Idee dort ist es, einen einfach hinzuzufügenden Temperatursensor, der insbesondere an einem Gradientenspulen-Konnektor oder an der Patientenaufnahme (dem Magnet-Kessel = OVC-bore) selbst vorgesehen ist, zu verwenden, wobei dort erkannt wurde, dass Temperaturschwankungen des Gradientenspulen-Konnektors oder auch des Magnet-Kessels zur Aufnahme der BO-Spulenanordnung besonders stark mit den Frequenzstörungen nullter Ordnung (Verschiebungen der Larmor-Frequenz) korrelieren. Mithin wird dort vorgeschlagen, auf diese Verschiebungen des Grundmagnetfelds (B0-Magnetfelds) nullter Ordnung mit einer Anpassung der Larmor-Frequenz in der Ansteuerung der Gradientenspulen und/oder der Hochfrequenzspulen zu reagieren. Zusätzlich und unabhängig hiervon kann auch das durch
EP 1 482 320 A2 beschriebene Verfahren dort eingesetzt werden.
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Problematisch bei dem durch
DE 10 2012 217 594 A1 beschriebenen Vorgehen ist, dass zwar eine gute Korrektur von Feldstörungen nullter Ordnung ermöglicht wird, Effekte höherer Ordnung jedoch nicht mit den Temperaturen an den dortigen Messstellen korrelieren und mithin nicht korrigiert beziehungsweise kompensiert werden können.
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US 2012/0082357 A1 betrifft ein System und ein Verfahren zur Modellierung von durch den Betrieb von Gradientenspulen induzierten magnetischen Feldstörungen. Dort wird vorgeschlagen, rein auf Grundlage eines theoretischen Berechnungszugangs die vermutlichen Feldstörungen zu berechnen und zur Korrektur aufgenommener Magnetresonanzdaten zu verwenden. Problematisch hierbei ist, dass dort zum einen keinerlei Messungen stattfinden, zum anderen aber nicht alle auftretenden Effekte berücksichtigt werden. Beispielsweise wird in
US 2012/0082357 A1 nicht der Effekt von Kühlsystemen der Magnetresonanzeinrichtung berücksichtigt, ferner führt dort der Gradientenbetrieb neben einer Druckvariation im Kryostat für die B0-Feldspulen lediglich zu einer „warm bore contribution“, die für die in
DE 10 2012 217 594 A1 behandelten Effekte nullter Ordnung verantwortlich ist, und zu Einflüssen auf die passiven Shimeelemente, wie sie in
EP 1 482 320 A2 angesprochen werden, ohne dass sich jedoch eine sinnvolle Korrelation ergibt, die zur Grundlage eines effektiven, funktionierenden, messungsbasierten Korrekturverfahrens gemacht werden könnte. Auch ist für ein rein rechnungsbasiertes Verfahren kritisch, dass kein genaues Wissen über die Gradientenaktivität der Vergangenheit, den initialen Zustands des Systems und die thermischen Zeitkonstanten existiert, bis das System asymptotisch ein thermisches Gleichgewicht erreicht.
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Mithin sind die im Stand der Technik bekannten Ansätze nicht in der Lage, auch eine vollständige Korrektur von Feldstörungen höherer Ordnung als nullter Ordnung zu erlauben, so dass diesbezüglich Verbesserungsbedarf besteht. Insbesondere sollten hierdurch auch die bislang nicht beachteten Effekte der physikalischen Ausdehnung der Gradientenspule, was zu einer veränderten Position der Gradientenwindungen und somit zu veränderten Sensitivitäten führt, und von thermisch bedingten Verlagerungen passiver Shimelemente abgedeckt werden, nachdem eine expandierende Gradientenspule die passiven Shimelemente physikalisch von ihrer ursprünglichen Position verschiebt, mithin eine zusätzliche Änderung zu der Magnetisierungsänderung aufgrund der Temperatur im Shimeisen mit sich bringt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes, echtzeitfähiges und effektives Korrekturverfahren für Feldstörungen höherer Ordnung durch den Betrieb von Gradientenspulen anzugeben.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Korrektur von durch den Betrieb von Gradientenspulen in einer Magnetresonanzeinrichtung auftretenden Feldstörungen höherer Ordnung als nullter Ordnung bei der Aufnahme von Magnetresonanzdaten mit der Magnetresonanzeinrichtung vorgesehen, welches sich dadurch auszeichnet, dass durch wenigstens einen Temperatursensor die Gradientenspulentemperatur unmittelbar an den Gradientenspulen ermittelt wird, in Abhängigkeit der Gradientenspulentemperatur wenigstens eine wenigstens einen Teil der Feldstörungen beschreibende Feldgröße ermittelt wird und die Feldstörungen durch zur Kompensation der durch die Feldgröße beschriebenen Feldstörungen modifizierte Ansteuerung der Gradientenspulen und/oder von Shimspulen der Magnetresonanzeinrichtung und/oder die Magnetresonanzdaten durch einen die Effekte der durch die Feldgröße beschriebenen Feldstörungen korrigierenden Nachbearbeitungsvorgang korrigiert werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass Temperaturmesswerte von den Gradientenspulen selbst, insbesondere also von in der Gradientenspulenanordnung verbauten Temperatursensoren, hervorragend mit gemessenen Feldstörungen höherer Ordnung als nullter Ordnung korrelieren. Tatsächlich hat sich zudem gezeigt, dass die Effekte, die zu den Feldstörungen höherer Ordnung führen, im Wesentlichen unabhängig von den Effekten betrachtet werden können, die zu Feldstörungen nullter Ordnung führen. Beide Effekte liegen auf unterschiedlichen Zeitskalen, und es hat sich gezeigt, dass die Feldstörungen nullter Ordnung, wie sie beispielsweise in
DE 10 2012 217 594 A1 diskutiert werden, eher mit den Temperaturen an dem Magnet-Kessel und/oder dem Gradienten-Konnektor zusammenhängen. Werden beispielsweise Terme der Kugelflächenfunktionsentwicklung betrachtet, können mathematische Zusammenhänge aus Messwerten für die Gradientenspulentemperatur und die jeweilige Feldstörung umhergeleitet werden, die sich durch äußerst höhe Bestimmtheitsmaße (R
2) auszeichnen.
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Mithin ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch besonders bevorzugt, wenn die Feldgrößen, insbesondere für durch einen Term einer Kugelflächenfunktionsentwicklung beschriebene Feldstörungen, in Abhängigkeit eines experimentell ermittelten Zusammenhangs zwischen der Gradientenspulentemperatur und der Feldgröße ermittelt werden. Diese Herleitbarkeit einfacher mathematischer Zusammenhänge, welche die hohe Korrelation zwischen der Gradientenspulentemperatur und den entsprechenden Feldstörungen zeigt, prädestiniert das vorliegende Verfahren für eine Echtzeit-Korrektur durch modifizierte Ansteuerung der Gradientenspulen und/oder der Shimspulen. Insbesondere wurden von dem Erfinder Messreihen aufgenommen, die zeigen, dass auch bei Aufwärm- und Abkühlvorgängen kaum eine Hysterese festgestellt werden konnte, so dass aktuell gemessene Gradientenspulentemperaturen aufgrund der gefundenen Zusammenhänge immer unmittelbar eine Aussage über die vorliegenden Feldstörungen der Ordnung beziehungsweise des Terms, für den der Zusammenhang gilt, erlauben. Für lineare Störfelder (B11) und Störfelder zweiter Ordnung (konkret A20 und A21) konnten für einfache Fits mit Polynomen zweiter Ordnung Bestimmtheitsmaße größer als 0,988 erreicht werden. Es kann von der konkreten Ausgestaltung der Magnetresonanzeinrichtung abhängig sein, welche Terme der Entwicklung tatsächlich relevant sind, so dass allgemein Kombinationen der Terme A10, A20, B11, A21, A22, B21 und/oder B22 auch relevant sein können.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass selbstverständlich, wenn die Feldgrößen erst bekannt sind, sich auf grundsätzlich bekannte Art und Weise die notwendigen Korrekturen in der Ansteuerung der Gradientenspulen und/oder Shimspulen zwangsläufig ergeben. Sind die zu korrigierenden Störfelder durch die Feldgrößen beschrieben und/oder beschreiben Feldgrößen sogar eine veränderte Sensitivität der Gradientenspulen, so ergeben sich hieraus unmittelbar Ansteuerungsparameter für die Gradientenspulen (zur Korrektur von Feldstörungen erster Ordnung) und für die Shimspulen, die üblicherweise auch bestimmten Termen der Kugelflächenfunktionsentwicklung zugeordnet sind. Daher müssen die konkreten Echtzeit-Korrekturmaßnahmen hier nicht im Detail dargelegt werden; auch dann, wenn ein Ansatz gewählt wird, bei dem Magnetresonanzdaten in einem Nachverarbeitungsschritt korrigiert werden, sind Vorgehensweisen bekannt, die auf der Basis des Wissens um die während des Aufnahmevorgangs vorliegenden Magnetresonanzfelder eine Korrektur der aufgenommenen Magnetresonanzdaten erlauben. Wie bereits erwähnt wurde, ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedoch bevorzugt, Echtzeit-Korrekturen vorzunehmen.
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Wie Untersuchungen gezeigt haben, sind hauptsächliche Effekte, die zu den Feldstörungen höherer Ordnung, insbesondere erster und zweiter Ordnung, beitragen, die bislang nicht berücksichtigten Effekte der räumlichen Verschiebung von Windungen der Gradientenspulen und/oder von passiven Shimelementen, wobei erstere zu einer veränderten Sensitivität der Gradientenspule führen. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass vorzugsweise wenigstens eine der wenigstens einen Feldgröße durch Änderung der Sensitivität der Gradientenspulen und/oder durch aufgrund von Expansionsprozessen aufgetretene Verschiebungen von passiven Shimelementen der Magnetresonanzeinrichtung auftretende Feldstörungen betrifft.
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Insgesamt erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren durch die hohe Korrelation der Feldstörungen höherer Ordnung mit der Gradientenspulentemperatur also, bislang noch nicht korrigierbare Effekte des Betriebs der Gradientenspulen korrekt und auf einfache Weise, insbesondere in Echtzeit, zu korrigieren. Dadurch wird eine verbesserte Qualität der aufgenommenen Magnetresonanzdaten ermöglicht. Insbesondere ist hierfür lediglich eine Kalibrierung möglich, welche im Rahmen einer Messung erfolgen kann, wobei beispielsweise, wie bereits angedeutet, Gradientenspulentemperaturen gemeinsam mit Feldstörungen, insbesondere in Form von Störfeldern, vermessen werden können. Ein mathematischer Zusammenhang zwischen den Gradientenspulentemperaturen und den die Feldstörungen beschreibenden Feldgrößen kann dann hergeleitet werden und im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um weniger bevorzugt eine Korrektur in der Nachbearbeitung vorzunehmen, effizienter – und bevorzugter Weise jedoch während der Durchführung der Magnetresonanzfrequenzen selbst durch Anpassung der Ansteuerung der Gradientenspulen, insbesondere der Gradientenpulsamplitude, und/oder der Ansteuerung der Shimspulen, insbesondere linearer statischer Shimoffsets und Shimspulen zweiter Ordnung, vorzunehmen.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung sieht vor, dass mehrere Temperatursensoren verwendet werden, wobei die zu verwendende Gradientenspulentemperatur als Mittelwert der Messwerte wenigstens eines Teils der Temperatursensoren, insbesondere aller Temperatursensoren, ermittelt wird. Durch Verwendung mehrerer Temperatursensoren, die beispielsweise in ein Trägermaterial für die Leiterbahn der Gradientenspulen eingegossen sein können, ergibt sich eine genauere schwankungsfreiere Messung.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist es denkbar, dass die Messwerte des wenigstens einen Temperatursensors auch zur Überwachung einer Überhitzung der Gradientenspulen ausgewertet werden. Es wurden bereits Gradientenspulenanordnungen vorgeschlagen, die neben den Gradientenspulen auch unmittelbar an den Gradientenspulen vorgesehene Temperatursensoren aufweisen, welche ausgewertet werden können, um eine Überhitzung der Gradientenspulen zu detektieren und diese beispielsweise bei Erfüllung eines Überhitzungskriteriums außer Betrieb zu nehmen (Notabschaltung). Derartige Temperatursensoren können nun für mehrere Zwecke eingesetzt werden, nämlich zum einen im Rahmen der Überhitzungsschutzmaßnahmen, zum anderen im Rahmen der erfindungsgemäßen Korrektur von Feldstörungen höherer Ordnung, die durch den Betrieb der Gradientenspulen selber auftreten.
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Bei einer Echtzeitkorrektur durch Modifizierung der Ansteuerung der Gradientenspulen und/oder der Shimspulen sind zwei unterschiedliche, konkrete Realisierungen denkbar. So ist es zum einen möglich, dass zur Modifizierung der Ansteuerung ein wenigstens eine Hardware-Komponente, insbesondere einen FPGA, umfassende, die Gradientenspulentemperatur unmittelbar auswertende Korrekturbaueinheit verwendet wird. Auf diese Weise ist eine äußerst schnelle Reaktion auf aktuelle Messwerte der Gradientenspulentemperatur möglich, indem beispielsweise Korrekturströme beziehungsweise allgemein Korrektursignale erzeugt werden, mit denen die Gradientenspulen und/oder Shimspulen zusätzlich beaufschlagt werden. Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, wenigstens eine zur Realisierung von Magnetresonanzsequenzen zur Aufnahme der Magnetresonanzdaten ausgebildete Sequenzeinheit zu verwenden. Dann werden letztlich die von der Sequenzeinheit im Rahmen der Magnetresonanzsequenz zur Aufnahme der Magnetresonanzdaten auszugebenden Steuerströme beziehungsweise Steuersignale für die Gradientenspulen beziehungsweise Shimspulen dort bereits aufgrund der Gradientenspulentemperatur und entsprechender Berechnungen modifiziert. Damit kann gegebenenfalls eine kompaktere, einfachere Bauweise erzielt werden.
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Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine Magnetresonanzeinrichtung, aufweisend eine Gradientenspulen und wenigstens einen Temperatursensor aufweisende Gradientenspulenanordnung und eine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann dann, wie soeben beschrieben, beispielsweise eine Korrekturbaueinheit und/oder eine entsprechend modifizierte Sequenzeinheit aufweisen. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung übertragen, mit welcher mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 die Korrelation zwischen der Gradientenspulentemperatur und verschiedenen Störfeldern zeigende Messpunkte,
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2 eine Prinzipskizze einer Magnetresonanzeinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
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3 eine Prinzipskizze einer Magnetresonanzeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 illustriert die Korrelation der Gradientenspulentemperatur T mit diversen Feldstörungen, mithin Störfeldern, höherer Ordnung, die über die Feldgröße ΔB, aufgetragen auf der Y-Achse, symbolisiert werden. Dabei stehen die durch Quadrate markierten Messpunkte für Feldstörungen erster Ordnung (B11), die durch Kreuze markierten Feldstörungen für den Term A20 der Kugelflächenfunktionsentwicklung (spherical harmonics) und die durch Rauten markierten Messpunkte für den Term A21 der Kugelflächenfunktionsentwicklung. Gezeigt sind zudem als Kurven 1, 2, 3 gefittete Polynome zweiter Ordnung. Dabei ergibt sich bereits für derart einfache mathematische Zusammenhänge für die B11-Terme (Kurve 2) ein R2 von 0,991 für die A20-Terme (Kurve 1) ein R2 von 0,9884 und für die A21-Terme (Kurve 3) ein R2 von 0,9929. Dies belegt die hervorragende Korrelation und die einfachen mathematischen Zusammenhänge, die es erlauben, von der Gradientenspulentemperatur, die unmittelbar an den Gradientenspulen der Magnetresonanzeinrichtung gemessen wird, auf die entsprechenden Feldgrößen schließen zu können.
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Mithin lassen sich die Zusammenhänge, die in einer Kalibrationsmessung wie der in 1 beispielhaft dargestellten gewonnen wurden, verwenden, um während des Betriebs einer Magnetresonanzeinrichtung bei Vorliegen aktueller Gradientenspulentemperaturen die die Feldstörungen beschreibenden Feldgrößen zu bestimmen und in Echtzeit Korrekturmaßnahmen zu ergreifen, bevorzugt über eine modifizierte Ansteuerung der Gradientenspulen und der Shimspulen während der Magnetresonanzsequenz. Grundsätzlich ist es auch denkbar, aufgenommene Magnetresonanzdaten in einem Nachbearbeitungsschritt zu korrigieren, was jedoch weniger bevorzugt ist.
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Die hier als Störfelder, also Feldabweichungen, beschriebenen Feldgrößen lassen sich letztlich unmittelbar in eine modifizierte Ansteuerung der Gradientenspulen und der entsprechenden Termen der Kugelflächenfunktionsentwicklung zugeordneten Shimspulen (A21-Spulen, A20-Spule) übersetzen, insbesondere, nachdem die Gradientenspulen ja gerade zur Erzeugung linearer Überlagerungsfelder ausgebildet sind.
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Die 2 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Magnetresonanzeinrichtungen, bei denen eine Echtzeit-Korrektur über eine Steuereinrichtung der Magnetresonanzeinrichtung auf unterschiedliche Arten umgesetzt ist. Beide Prinzipskizzen zeigen schematisch die Hauptmagneteinheit 4, die die das Grundmagnetfeld (B0-Feld) erzeugenden supraleitenden Grundmagnetfeldspulen enthält. Die Hauptmagneteinheit 4 definiert die Patientenaufnahme 5, die umgebend, wie grundsätzlich bekannt, eine Gradientenspulenanordnung 6 vorgesehen ist. In der Gradientenspulenanordnung 6 sind neben den der Übersichtlichkeit halber hier nicht genauer gezeigten Gradientenspulen auch Shimspulen, passive Shimelemente und Temperatursensoren 7 verbaut. Angesteuert werden die Gradientenspulen, wie grundsätzlich bekannt, über eine Verstärkereinrichtung 8; für die Shimspulen ist eine elektrische Leistungsversorgung 9 vorgesehen.
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Zur Umsetzung der Magnetresonanzsequenz zur Aufnahme von Magnetresonanzdaten wird eine Sequenzeinheit 10 verwendet.
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Die Messwerte der Temperatorsensoren 7 werden in beiden Fällen einer Temperaturüberwachungseinheit 11 zugeführt, welche unmittelbar dazu ausgebildet sein kann, zu überwachen, ob eine Überhitzung der Gradientenspulen stattfindet. Ist dies der Fall, kann beispielsweise eine Notabschaltung eingeleitet werden.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist nun als weiterer Teil der Steuereinrichtung auch eine Echtzeit-Korrekturbaueinheit 12 vorgesehen, die vorliegend einen FPGA zur Realisierung einer Steuerlogik aufweist, der Korrekturströme für die Ansteuerung der Gradientenspulen und der Shimspulen aus der Gradientenspulentemperatur ableitet und diese entsprechend an die Leistungsversorgung 9 und die Verstärkereinrichtung 8 weitergibt.
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Die zu verwendende Gradientenspulentemperatur ergibt sich im Übrigen als Mittelwert über die Messwerte aller Temperatursensoren 7.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 wird die Gradientenspulentemperatur an die Sequenzeinheit 10 weitergegeben, welche die im Rahmen der Magnetresonanzsequenz vorzunehmenden Ansteuervorgänge entsprechend modifiziert, um die Feldstörungen beziehungsweise Änderungen der Gradientenspulensensitivität zu kompensieren.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1482320 A2 [0003, 0004, 0006]
- DE 102012217594 A1 [0004, 0005, 0006, 0010]
- US 2012/0082357 A1 [0006, 0006]
