DE102017219907B3

DE102017219907B3 - Schaltungsanordnung für eine MRT-Anlage, MRT-Anlage und Verfahren zum Betreiben einer MRT-Anlage

Info

Publication number: DE102017219907B3
Application number: DE102017219907.5A
Authority: DE
Inventors: Helmut Lenz; Matthias Gebhardt; Dirk Schneiderbanger; Roland Werner
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2037-11-10
Also published as: US10379182B2; US20190137580A1; CN109765511A; CN109765511B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine MRT-Anlage, eine MRT-Anlage mit einer derartigen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen MRT-Anlage. Die Schaltungsanordnung umfasst dabei einen Gradientenverstärker (1, 11, 31) mit einer Schaltendstufe (4), in der Regeleinrichtung (2) und einem dazwischengeschalteten Modulator (3). Zum Sicherstellen der Patientensicherheit ist dabei in einen zum Ansteuern einer Gradientenspule vorgesehenen Ansteuerweg der Schaltanordnung oder der MRT-Anlage ein Kontrollpfad integriert, wobei die Gradientenspule (8) an einen Ausgang (6) der Schaltendstufe (4) angeschlossen sein kann. Der Kontrollpfad umfasst eine der Regeleinrichtung (2) nachgeschaltete Begrenzungsstufe (14), den Modulator (3) die Schaltendstufe (4) und deren Versorgungsspannung (U_PST). Die Begrenzungsstufe (14) ist dabei zwischen die Regeleinrichtung (2) und einen Eingang des Modulators (3) geschaltet und zum Begrenzen eines von der Regeleinrichtung (2) ausgegebenen Regelsignals und somit auch der von der Schaltendstufe (4) an deren Ausgang (6) bereitgestellten Spannung für die Gradientenspule (8) eingerichtet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für eine MRT-Anlage, eine MRT-Anlage mit einer derartigen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen MRT-Anlage.
Bei der Magnetresonanztomographie (MRT) oder auch Kernspintomographie kommen heutzutage große Spannungen, Feldstärken sowie Gradienten, also räumliche Änderungen, insbesondere der magnetischen Flussdichte B, und schnelle zeitliche Änderungen, also Änderungsgeschwindigkeiten, zum Einsatz. Gleichzeitig finden Implantate, insbesondere solche mit metallischen Komponenten, zunehmend Verbreitung. Zur Untersuchung von Patienten mit einem Implantat, insbesondere mit einem aktiven Implantat, wie zum Beispiel einem Herzschrittmacher, einem Defibrillator oder einem Neurostimulator, in einem Kernspintomographen, also in einer MRT-Anlage, müssen einerseits die Implantate tauglich für eine derartige Untersuchung, also einen Einsatz in einer MRT-Anlage, sein und andererseits darf die MRT-Anlage nicht zu einer Gefährdung des Patienten, des Implantats oder einer Funktion des Implantats führen oder entsprechend gefährdende Bedingungen hervorrufen. Mögliche Gefahren oder unerwünschte Effekte können in einem Defekt, einem Ausfall oder einer Fehlfunktion des Implantats, zum Beispiel durch induzierte Spannungen, elektrische oder magnetische Felder, ebenso liegen wie in einem Hervorrufen von Verbrennungen des Patienten durch Aufheizung des Implantats während der Untersuchung. Auch können je nach Art des Implantats gegebenenfalls Herzrhythmusstörungen infolge einer Nervenstimulation auftreten, da das Implantat eine Antenne für elektrische und magnetische Felder darstellen kann.
Moderne MRT-Anlagen arbeiten zwar im Allgemeinen sehr zuverlässig und sicher, weisen jedoch gleichzeitig eine enorme Komplexität auf. Zudem können Nutzer oder Anwender Parameter der MRT-Anlage, die bei einer Messsequenz verwendet werden, selbst einstellen und/oder Messsequenzen sogar selbst programmieren. Um heutige Anforderungen zur Patientensicherheit zu erfüllen, sind daher aufwändige zusätzliche Schutzmaßnahmen notwendig. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass bestimmte Funktionalitäten mit großem Bauteil-, Herstellungs- und Kostenaufwand vollständig redundant ausgelegt werden. Es könnten beispielsweise zwei Istwerte eines Spulenstromes voneinander unabhängig ermittelt und bereitgestellt, zwei unabhängige Überwachungsschaltungen, beispielsweise DSP-Baugruppen (englisch „digital signal processing“) in einer Anlagensteuerung und zwei separate unabhängige Abschaltweg oder Abschaltpfade vorgesehen werden.
Aus der DE 198 57 525 A1 ist ein Leistungsverstärker, insbesondere ein Gradientenverstärker eines Kernspintomographen, mit einer Schaltendstufe und einem Pulsweitenmodulator bekannt. Zur Vermeidung von Kurzschlussansteuerungen in der Endstufe können in dem Leistungsverstärker ein Taktgenerator und mehrere Sicherheitszeit-Schaltungen vorgesehen sein. Wird also ein Softstopp-Signal zum Abschalten übermittelt, so werden die entsprechenden Sicherheitszeiten eingehalten, das Abschalten erfolgt also entsprechend getaktet. Auf das Softstop-Signal hin bildet die Schaltendstufe einen Bypass zu einer Gradientenspule, wozu in einer entsprechenden H-Brücke zwei Schalter der Schaltendstufe eingeschaltet oder geschlossen und zwei andere Schalter der Schaltendstufe ausgeschaltet oder geöffnet sind.
Die DE 10 2016 202 443 B3 beschreibt eine Schaltungsanordnung, einen Gradientenverstärker für die Magnetresonanzbildgebung und ein Verfahren zur Kompensation von Nichtlinearitäten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit besonders geringem Bauteil- und Kostenaufwand ein im Sinne der Patientensicherheit sicheres Betreiben, insbesondere ein sicheres Abschalten, einer MRT-Anlage zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen sowie in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegeben.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist einen Gradientenverstärker auf und kann insbesondere für eine Verwendung oder einen Einsatz in einer MRT-Anlage, insbesondere in einer erfindungsgemäßen MRT-Anlage, vorgesehen, also ausgebildet oder eingerichtet sein. Der Gradientenverstärker weist eine Schaltendstufe, eine Regeleinrichtung und einen Modulator auf. Die Schaltendstufe ist eingerichtet zum Bereitstellen einer Spannung für eine Gradientenspule der MRT-Anlage an einem Ausgang der Schaltendstufe. An dem Ausgang wird also die Spannung bereitgestellt, wobei die Gradientenspule direkt oder indirekt, also unmittelbar oder mittelbar, elektrisch an diesen Ausgang angeschlossen sein kann. Es können dabei mehrere, insbesondere drei, Gradientenspulen entsprechend angeschlossen, also mit der oder einer jeweiligen Spannung versorgt werden. Je nach Bedarf oder Ausgestaltung der MRT-Anlage kann der Gradientenverstärker also eine oder mehrere Spannungen an einem oder mehreren Ausgängen der Schaltendstufe bereitstellen. Ebenso können in der MRT-Anlage mehrere Gradientenverstärker eingesetzt werden.
Die Regeleinrichtung ist eingerichtet zum Regeln eines Stromes für die Gradientenspule anhand eines vorgegebenen Stromsollwertes und eines ausgangsseitig der Schaltendstufe, also beispielsweise an dem Ausgang der Schaltendstufe, abgreifbaren oder abgegriffenen, also gemessenen oder anliegenden, Stromistwertes. Der Stromistwert dient hier also als Regelgröße, während der Stromsollwert als Führungsgröße dient. Eine Differenz zwischen dem Stromsollwert und dem Stromistwert dient als Regelabweichung oder Regeldifferenz, in Abhängigkeit von welcher von der Regeleinrichtung ein Regelsignal erzeugbar ist beziehungsweise erzeugt wird. Der Modulator ist elektrisch zwischen die Regeleinrichtung und die Schaltendstufe geschaltet. Ein Ausgang der Regeleinrichtung kann also zugleich einen Eingang des Modulators bilden. Der Modulator ist eingerichtet zum Erzeugen wenigstens eines Modulatorsignals zum Ansteuern der Schaltendstufe anhand des von der Regeleinrichtung ausgegebenen Regelsignals. Das Modulatorsignal gibt dabei eine Pulsbreitenmodulation für die Schaltendstufe vor. Die Schaltendstufe kann mehrere, beispielsweise vier, Schalter oder Schalteinrichtungen umfassen. Der Modulator kann dann ein jeweiliges Modulatorsignal für jeden Schalter oder jede Schalteinrichtung der Schaltendstufe erzeugen. Der Modulator kann also die Schaltendstufe oder deren Schalter oder Schalteinrichtungen beispielsweise mit vier Modulatorsignalen ansteuern, um an dem Ausgang die Spannung, also einen entsprechenden gewünschten oder vorgegebenen Spannungswert zu erzeugen.
Der Stromsollwert kann beispielsweise von oder mittels einer Steuerung oder eines Steuergerätes der MRT-Anlage bereitgestellt werden oder vorgegeben sein.
Zum Sicherstellen der Patientensicherheit ist in einen zum Ansteuern der Gradientenspule mittels der von der Schaltendstufe ausgegebenen Spannung vorgesehenen Ansteuerweg der Schaltanordnung, also auch der MRT-Anlage, ein Kontrollpfad integriert. Der Kontrollpfad ist also im Sinne der Patientensicherheit sicher schaltbar. Der Kontrollpfad umfasst eine der Regeleinrichtung nachgeschaltete Begrenzungsstufe oder Limitierungsschaltung, den Modulator, insbesondere einschließlich des von diesem ausgegebenen Modulatorsignals, die Schaltendstufe, insbesondere einschließlich deren Ausgang beziehungsweise der dort anliegenden Spannung und einer Versorgungsspannung der Schaltendstufe, sowie vorteilhafterweise entsprechende Überwachungen. Es können also Überwachungen oder jeweilige Überwachungseinrichtungen zum Überwachen einer jeweiligen Funktion der Begrenzungsstufe, des Modulators, der Schaltendstufe und deren Versorgungsspannung vorgesehen sein, wodurch die Sicherheit des Kontrollpfades, also die Patientensicherheit verbessert werden kann.
Die Begrenzungsstufe ist dabei eingangsseitig des Modulators zwischen die Regeleinrichtung und einen Ausgang des Modulators, an dem das Modulatorsignal an die Schaltendstufe ausgegeben wird, oder zwischen die Regeleinrichtung und einen Eingang des Modulators geschaltet. Ersteres kann der Fall sein, wenn die Begrenzungsstufe Teil des Modulators ist, während letzteres der Fall sein kann, wenn die Begrenzungsstufe als eigenständiges Bauelement ausgebildet ist. Die Begrenzungsstufe ist zum Begrenzen des Regelsignals und somit auch der von der Schaltendstufe für die Gradientenspule bereitgestellten Spannung eingerichtet. Das Begrenzen kann dabei in Abhängigkeit von einer bestimmten, beispielsweise vorgegebenen, Limit- oder Begrenzungseinstellung der Begrenzungsstufe erfolgen. Von der Begrenzungsstufe wird also maximal ein der jeweiligen Begrenzungseinstellung entsprechendes Signal an eine Modulationseinheit des Modulators aus- oder weitergegeben. Die Begrenzungseinstellung kann beispielsweise einem bestimmten Modulationsgrad entsprechend. Die Begrenzungsstufe kann als separates Bauteil oder Bauelement ausgebildet oder beispielsweise in den Modulator integriert sein.
Durch den beschriebenen Aufbau, also die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, kann der Kontrollpfad im Sinne der Patientensicherheit sicher betrieben, insbesondere aus- oder abgeschaltet, werden, was bei einem, weiter unten erläuterten, vollständigen Ansteuerweg oder Ansteuerpfad der MRT-Anlage nahezu unmöglich erscheint, zumindest aber mit einem signifikant höheren Aufwand verbunden wäre. Durch das Integrieren oder Einbetten des sicheren Kontrollpfades in den Ansteuerweg der MRT-Anlage können vorteilhaft einige Komponenten, beispielsweise des Gradientenverstärkers, ohne redundante, also doppelte Auslegung verwendet werden. Dies können beispielsweise eine Strommesseinheit zum Messen oder Erfassen des Stromistwertes, ein Stimulationsmonitor und ein Abschaltweg in einem Schutzpfad (englisch „protect path“) sein.
Der Schutzpfad der MRT-Anlage kann die Strommesseinheit, also einen Stromsensor für den Spulenstrom, den Stromistwert oder eine Einrichtung zum Erzeugen des Stromistwertes aus einem Messsignal der Strommesseinheit, einen Übertragungsweg des Stromistwertes zu einer Auswertungseinrichtung oder Überwachungseinrichtung der MRT-Anlage und einen Abschaltweg von dieser Überwachungseinrichtung zu einem Überwachungselement des Gradientenverstärkers umfassen und an einem Ausgangstreiber des Modulators enden.
Vorteilhaft können also die Sicherheitsanforderungen für die MRT-Anlage in zwei völlig unterschiedliche Wege, die sich funktional nicht überschneiden beziehungsweise nicht überschneiden dürfen, nämlich den Kontrollpfad und den völlig anders funktionierenden Schutzpfad, aufgeteilt werden. Dadurch müssen vorteilhaft wesentliche Teile der MRT-Anlage nicht neu entwickelt werden und eine Verdopplung einer Schutzüberwachung und Schutzabschaltung ist nicht notwendig. Damit ergibt sich vorteilhaft auch eine einfache und kostengünstige Nachrüstungsmöglichkeit bestehender MRT-Anlagen. Zudem entstehen durch die Einbettung des Kontrollpfades in den Ansteuerweg keine oder nur vernachlässigbar geringe Zusatzkosten gegenüber einer nicht abgesicherten MRT-Anlage.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann vorteilhaft für beliebige vor dem Modulator auftretende Fehler eine zur Wahrung der Sicherheit des Patienten zu steile Pulsflanke auf ein sicheres Maß begrenzt werden. Eine zu steile Pulsflanke kann zu für den Patienten und/oder dessen Implantat unsichere, also einen bestimmten vorgegebenen Sicherheitsgrenzwert überschreitenden, Werten einer zeitlichen Änderung oder Änderungsgeschwindigkeit des Gradienten und/oder des Magnetfeldes oder einer entsprechenden magnetischen Flussdichte B führen. Mögliche Fehler, die vor dem Modulator auftreten und die Sicherheit des Patienten und/oder des Implantats gefährden können, sind beispielsweise eine falsch gewählte Messsequenz, ein Berechnungsfehler in einem der Sequenzgenerierung zugeordneten Teil der Anlagensteuerung, eine Übertragung eines falschen Stromsollwertes, ein wegen einer falschen oder fehlerhaften Einstellung der Regeleinrichtung schwingender Regelkreis des Gradientenverstärkers, ein Ausfall des Regelkreises oder ein Ausfall des Stromistwertes oder dessen Bereitstellung oder Übertragung. Ein nach oder hinter dem Modulator auftretender Fehler kann zwar, beispielsweise durch einen Kurzschluss, mit einer hohen Wahrscheinlichkeit eine Zerstörung der Schaltendstufe bedeuten, was zu einem Ausfall der MRT-Anlage, letztlich aber auch zu einem sicheren Zustand für den Patienten führt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist, dass keine Abschaltung des Gradientenverstärkers, sondern eine Begrenzung auf eine vorgegebene maximale Flankensteilheit der Spannung, also eines entsprechenden an dem Ausgang der Schaltendstufe anliegenden Spannungssignals und damit der entsprechenden Signale oder Felder der Gradientenspule und deren Veränderungen, erfolgt. Bei einer Abschaltung wäre ein jeweils aktuell aufzunehmendes Bild des Patienten zwangsläufig verloren, sodass die jeweilige Messsequenz - gegebenenfalls mit einer veränderten Einstellung oder veränderten Parametern - erneut gestartet werden müsste.
Besonders vorteilhaft können vorliegend - anders als im eingangs genannten Stand der Technik - beispielsweise zwei Schalter der Schaltendstufe ungetaktet direkt durch ein Softstop-Signal geöffnet oder ausgeschaltet werden. Dadurch wird vorteilhaft sogar bei einem Taktausfall ein weiterer Stromanstieg verhindert.
Ein Gradientenverstärker im Sinne der vorliegenden Erfindung kann fachüblich auch als GPA bezeichnet werden. Damit kann auch ein Verbund von mehreren Einzelverstärkern gemeint sein, die beispielsweise in einem gemeinsamen Schaltschrank angeordnet sein können. Es kann jeweils ein Einzelverstärker einem Kanal zugeordnet sein. Jeder der Einzelverstärker kann, beispielsweise für Service- oder Wartungszwecke, einzeln abgeschaltet werden. Bevorzugt ist es jedoch vorgesehen, dass - beispielsweise bei einer Abschaltung aufgrund einer Überschreitung der jeweiligen Begrenzungseinstellung und/oder aufgrund eines Fehlers - alle Einzelverstärker gemeinsam, insbesondere miteinander synchronisiert, geschaltet, also eingeschaltet oder ausgeschaltet oder gesperrt werden, etwa mittels des Abschaltwegs oder auf dem Abschaltweg der MRT-Anlage. Die Gradientenspule kann hier eine einzelne Spule sein oder repräsentativ eine Spulenanordnung mit mehreren Teilspulen und/oder Kanälen bezeichnen. Die Teilspulen können in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Darin können die Teilspulen insbesondere mechanisch verbunden, aber elektrisch voneinander isoliert sein. Je einer Teilspule kann dabei ein Kanal - entsprechend den drei Raumrichtungen - zugeordnet sein. Der Modulator im Sinne der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein FPGA sein, das die Modulation für die Schaltendstufe oder für mehrere Schaltendstufen, von denen je eine einem der Kanäle zugeordnet sein kann, erzeugt. Hierfür können beispielsweise ein Dreiecksignal oder mehrere, beispielsweise fünf, phasenversetzte Dreiecksignale verwendet werden. In dem FPGA, also in dem Modulator, können einige oder alle der jeweiligen Begrenzungsstufen und jeweiliger - vorliegend an anderer Stelle näher beschriebener - Berechnungseinheiten integriert sein. Grundsätzlich sind also komplexe Kombinationen oder Anordnungen aus einer Vielzahl von Komponenten möglich. Der Übersichtlichkeit halber wird jedoch ohne Beschränkung die vorliegende Erfindung anhand eines einzigen Gradientenverstärkers beschrieben.
Im Allgemeinen werden eine Messsequenz und deren Einstellmöglichkeiten so entwickelt oder vorgegeben werden, dass ein, beispielsweise durch die erlaubte maximale Flankensteilheit gesteckter, Funktionsbereich zwar ausgeschöpft, aber nicht überschritten oder verlassen wird. Dennoch können Überschreitungen der maximalen Flankensteilheit, auch in einem unlimitierten Betrieb, auftreten. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn eine Netzspannung, also etwa die Versorgungsspannung der Schaltendstufe, von einem erwarteten Nominalwert abweicht, sodass beispielsweise eine Unterspannung vorliegt, insbesondere wenn dies in Kombination mit bestimmten Einstellungen, beispielsweise einer bestimmten minimalen Schichtdicke, und einer frei im Raum gekippten Bildebene auftritt. In einem solchen Fall werden Gradientenfunktionen, also Funktionen der Gradientenspule, wie etwa eine Schichtselektion, eine Phasenkodierung und ein Auslesegradient, durch Überlagerung aus beispielsweise drei räumlichen Gradienten des Magnetfeldes beziehungsweise der magnetischen Flussdichte in X-, Y-und Z-Richtung gebildet. Der Phasenkodierer hat am Anfang und am Ende einer Messsequenz üblicherweise seine größten Amplituden, sodass eine Überschreitung der maximalen Flankensteilheit vor allem zu Beginn und gegen Ende der jeweiligen Messsequenz auftreten wird. Oftmals ist dabei im jeweils erzeugten Bild kein Fehler zu erkennen. Dies kann beispielsweise dadurch bedingt sein, dass wesentliche Informationen oder Daten für das Bild bei relativ kleinen Phasenkodierungen oder Amplituden gewonnen werden. Ebenso kann ein Grund darin liegen, dass ein PI-Regelkreis des Gradientenverstärkers sich durch seinen I-Anteil anschaulich einen fehlenden Teil der Flanke merkt und mit einer entsprechenden Überhöhung eines jeweiligen Pulses der Messsequenz reagiert, sodass ein Integral über den erzeugten Puls insgesamt zumindest weitgehend einem Integral über einen entsprechend der jeweiligen Ansteuerung nominal vorgesehenen Puls entsprechen kann.
Das Limitieren oder Begrenzen, also die Begrenzungsstufe, hat also ein gutmütiges Verhalten und kann zumindest in einem geringen Maße Fehler tolerieren oder sogar mithilfe des PI-Reglers beziehungsweise der Regeleinrichtung, egalisieren oder ausgleichen. Für die Sequenzentwicklung bedeutet dies, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung vorteilhaft ein größeres Ausschöpfen vorgegebener Funktionsbereiche oder Begrenzungseinstellungen erlaubt, wohingegen bei einer herkömmlichen abschaltenden Sicherheitsüberwachung ein Abstand zu einem jeweiligen Limit oder eine jeweiligen Abschaltgrenze eingehalten werden muss, um eine zu große Gefahr der Abschaltung und somit des Verlustes jeweiliger Bilddaten zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist dabei auch, dass durch die vorliegend vorgesehene Begrenzungsstufe eine ansonsten gegebenenfalls problematische Reaktionsgeschwindigkeit nicht relevant ist und daher bei einer Auslegung nicht berücksichtigt werden muss, da das Begrenzen im Vorhinein, also vor dem Ansteuern der Schaltendstufe wirkt. Eine abschaltende Sicherheitsüberwachung muss demgegenüber zunächst eine Überschreitung eines vorgegebenen Sicherheitsgrenzwertes, beispielsweise der Änderungsgeschwindigkeit der magnetischen Flussdichte oder des Gradienten, detektieren, womit bereits ein unerwünschter Zustand eingetreten ist. Bei der abschaltenden Sicherheitsüberwachung muss zudem auf eine solche Detektion hin schnell genug reagiert werden, um eine weitere Überschreitung und somit eine Gefährdung des Patienten oder des Implantats zu verhindern. Die Schwierigkeiten werden mit der vorliegenden Schaltungsanordnung vorteilhaft vermieden.
Insbesondere bei einer ungeregelten Netzspannung kann die Versorgungsspannung der Schaltendstufe von einem aktuellen, gegebenenfalls schwankenden, Wert der Netzspannung abhängen. Zudem kann die Versorgungsspannung der Schaltendstufe bei Belastung einbrechen. Wurde für ein bestimmtes Implantat eine zulässige maximale Spannung für die Gradientenspule oder Gradientenspulen ermittelt, so muss bei einer Dimensionierung eines Limits oder einer Begrenzungseinstellung, also entsprechender Sicherheitsgrenzwerte, von einer maximalen Netzüberspannung ausgegangen werden. Für eine konkrete Messsequenz kann dies bedeuten, dass allein dadurch bei einer angenommenen Schwankung der Netz- oder Versorgungsspannung um +/-10 % etwa 20 % Performance oder Leistungsfähigkeit der MRT-Anlage verloren gehen oder nicht ausgenutzt werden können.
Der vollständige Ansteuerweg der MRT-Anlage kann einen Datenspeicher mit einer Datenbank vorgegebener Messsequenzen, eine Auswahl einer dieser Messsequenzen durch den Anwender, eine Parametrisierung der Messsequenz durch den Anwender, beispielsweise hinsichtlich einer Schichtdicke und einer Orientierung einer Untersuchungsebene im Raum, ein Umrechnen in entsprechende Idealwerte für den Stromsollwert, einen oder mehrere Auslesezeitpunkte und einen oder mehrere Feldgradienten durch einen Steuerungscomputer oder ein Steuergerät der MRT-Anlage, ein Weiterverarbeiten dieser Daten zu für die MRT-Anlage gültige, also verwendbare Steuerungsdaten, beispielsweise einschließlich einer Skalierung der Idealwerte gemäß einer zuvor ermittelten Empfindlichkeit der Gradientenspule, ein Einrechnen eines Shimoffsets in die Gradienten zum Homogenisierung eines Grundfeldes eines Magneten der MRT-Anlage, ein Einrechnen einer Wirbelstromkompensation, eine Übertragung der jeweiligen Sollwerte zum Gradientenverstärker und das Regeln des Gradienten- oder Spulenstroms mit einer im Vorhinein ermittelten Regeleinstellung umfassen. Es ist mit vertretbarem oder finanzierbarem Aufwand kaum möglich, diesen komplexen und komplizierten vollständigen Ansteuerweg im Sinne funktionaler Sicherheit und im Sinne der Patientensicherheit vollständig abzusichern, also vollständig sicher zu gestalten.
Eine Gefahr für den Patienten und das Implantat kann in einem zu schnellen magnetischen Feldhub, also einer zu großen Änderungsgeschwindigkeit der magnetischen Flussdichte dB/dt bestehen. Eine solche zu große Änderungsgeschwindigkeit innerhalb einer Spule, beispielsweise der Gradientenspule, ist nur durch eine entsprechend hohe Spannung an dieser Spule, oder allgemein an einer entsprechenden Induktivität, möglich. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die Änderungsgeschwindigkeit, also eine Anstiegsgeschwindigkeit des Feldhubs, auf einen sicheren Wert begrenzt werden kann, wenn die Spannung an der Gradientenspule entsprechend begrenzt ist, also beispielsweise mittels der Begrenzungsstufe auf einen vorgegebenen Schwellen- oder Maximalwert begrenzt wird.
Unter Vernachlässigung eines ohmschen Widerstandes der Gradientenspule gilt $U = L \cdot dI / dt \sim d Φ / dt \sim dB / dt,$
wobei U die Spannung an der Gradientenspule, also beispielsweise die Spannung am Ausgang der Schaltendstufe, auch bezeichnet als Ausgangsspannung, L die Induktivität der Gradientenspule, Φ den magnetischen Fluss, B∼Φ/A die magnetische Flussdichte für eine Fläche A, durch die der magnetische Fluss Φ dringt, am Ort der Gradientenspule und t die Zeit angeben. Das Symbol ∼ ist hier im Sinne einer Proportionalität zu verstehen. Eine Änderung der Flussdichte B pro Wegstrecke gibt den Gradienten G an.
Für die Änderung der Flussdichte dB/dt kann für ein jeweiliges Implantat ein erlaubter oder zulässiger Maximalwert dB/dt_max angegeben werden. Diese Angabe erfolgt gemäß der technischen Überlegung, dass eine in einer Spulenanordnung, beispielsweise in einem verdrahteten Implantat, induzierte Spannung proportional zu einer Änderungsgeschwindigkeit des durch diese Spulenanordnung gehenden magnetischen Flusses ist. Ein Überschreiten des Maximalwertes dB/dt_max bedeutet, dass am Ort des Implantats oder in dem Implantat eine Spannung induziert wird, die zu einer Fehlfunktion oder zum Ausfall des Implantats führen kann. Zusätzlich oder alternativ zu dem Maximalwert kann ein zulässiger maximaler Effektivwert dB/dt_Rms (englisch RMS „root mean Square“) angegeben oder vorgegeben werden. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass in einer leitenden Fläche, beispielsweise einem Gehäuse des Implantats, durch eine Änderung des am Ort des Implantats wirkenden Magnetfelds ein Stromfluss hervorgerufen wird. Dieser Stromfluss bewirkt aufgrund eines elektrischen Widerstands der Fläche einen Leistungseintrag und damit eine Erwärmung des Implantats sowie mittelbar eines das Implantat umgebenden Gewebes des Patienten.
Durch den Effektivwert dB/dt_RMS wird ein Wert angegeben oder definiert, der unbegrenzt lange, also über eine beliebige Zeitdauer wirkend, nicht zu einer unzulässigen oder schädlichen Erwärmung des Implantats oder des Gewebes des Patienten, also nicht zu einer Verletzung des Patienten führt. Zusätzlich kann eine Zeitkonstante T angegeben werden, um eine Aufheizkurve, also eine zeitliche Entwicklung einer Temperatur des Implantats oder des umgebenden Gewebes, zu charakterisieren. Spezifikations- oder bestimmungsgemäß darf der Gradient also für eine vorgegebene, relativ kurze Zeitdauer Werte erzeugen oder annehmen, die größer als der Effektivwert dB/dt_RMS sein dürfen, aber kleiner als der Maximalwert dB/dt_max sein müssen. In einem zeitlichen Mittel über eine demgegenüber relativ lange Zeitdauer darf der zulässige Effektivwert dB/dt_RMS jedoch nicht überschritten werden. Konkrete Werte können hier an eine entsprechende Norm (FPO B) angelehnt werden, beispielsweise T = 6 Minuten, dB/dtmax = 100 T/s (Tesla pro Sekunde) und dB/dt_RMS = 56 T/s betragen.
Konkrete Werte oder Spezifikationen für einen jeweiligen Maximalwert dB/dt_max sind jedoch nicht immer für jedes Implantat verfügbar. Eine Umrechnung einer dB/dt-Spezifikation in einen zulässigen maximalen Spannungswert an der Gradientenspule erfordert Kenntnis über eine Feldverteilung der Gradientenspule. Dazu muss derjenige Ort in der Gradientenspule bekannt sein oder aufgefunden werden, an dem sich durch eine Überlagerung aller wirkenden Magnetfelder, beispielsweise jeweils eines Gradientenfeldes in X-, Y- und Z-Richtung, ein Maximalwert ergibt. Für eine optimale Effizienz bei dem Bestimmen dieses Ortes können Orte oder Raumbereiche, an denen sich das Implantat bestimmungsgemäß nicht befinden kann, ausgeschlossen werden. Anschließend kann ermittelt werden, welchen Anteil an dem resultierenden Maximalwert, also dem maximalen Magnetfeld oder der entsprechenden magnetischen Flussdichte B jedes der drei Gradientenfelder oder jeder der drei Gradienten an dem ermittelten Ort maximalen Feldhubs hat, beispielsweise gemäß $B = k_{1} \cdot G_{X} + k_{2} \cdot G_{Y} + k_{3} \cdot G_{Z}$
mit jeweiligen Koeffizienten k₁, k₂, k₃ für jede Raumrichtung. Eine besonders genaue Bestimmung der Anteile kann erreicht werden, wenn jeweilige Feldrichtungen der Beträge | B(X) |, | B(Y) |, | B(Z) | vektoriell addiert werden, um die gesamte vorliegende Flussdichte B zu erhalten. Eine zum Betrieb der MRT-Anlage besonders günstige Aufteilung ist erreicht, wenn die drei Anteile oder Gradientenfelder sowie die entsprechenden erreichbaren oder erreichten Anstiegsgeschwindigkeiten zumindest im Wesentlichen gleich sind.
Die Angabe oder Spezifikation der dB/dt-Werte ist besonders vorteilhaft, da ihr technische Überlegungen zugrunde liegen und beispielsweise ein jeweiliger Hersteller des Implantats mit einer einfachen Test- oder Versuchsspule die entsprechenden Magnetfelder und Änderungsgeschwindigkeiten relativ leicht erzeugen kann, um das Implantat zu testen. Dementsprechend kann also dann die Begrenzungseinstellung für die Begrenzungsstufe besonders genau und zuverlässig vorgegeben werden, um sowohl die Sicherheit des Patienten sicherzustellen als auch die Leistungsfähigkeit der MRT-Anlage optimal auszuschöpfen.
Ebenso ist es möglich, beispielsweise von Seiten des Herstellers des Implantats, anzugeben oder zu spezifizieren, mit welcher maximalen Gradientenanstiegsgeschwindigkeit (englisch „slewrate“) pro Achse oder Richtung die MRT-Anlage beziehungsweise die Gradientenspule oder Gradientenspulenanordnung betrieben werden darf. Je nach Implantat können hier zulässige Maximalwerte beispielsweise im Bereich von 125 T/(m·s) oder im Bereich von 200 T/(m·s) liegen. Die Angabe T/(m·s) gibt den Gradienten pro Zeit an und ist entsprechend der fachüblichen Angabe T/m/s zu verstehen. Die entsprechenden Werte oder Angaben können sich dabei vorteilhaft auf jede der drei Achsen oder Raumrichtungen X, Y und Z beziehen und nicht auf eine einzelne, sich durch Überlagerung ergebende Summen-Slewrate. Die angegebenen oder spezifizierten Werte der zulässigen maximalen Gradientenanstiegsgeschwindigkeit lassen sich dann vorteilhaft auch ohne Kenntnis der Feldverteilung der Gradientenspule besonders leicht in entsprechende zulässige maximale Spulenspannungen umrechnen.
Die Empfindlichkeit S der Gradientenspule, also der mit oder in Abhängigkeit von einem jeweiligen fließenden Strom erreichbare Gradient, kann beispielsweise durch eine entsprechende Vorgabe bei der Entwicklung der Gradientenspule oder der MRT-Anlage bestimmt oder vorgegeben sein. Die Empfindlichkeit (englisch „sensitivity“) wird in Gradient pro Ampere mit der Einheit T/(m·A) angegeben. Der Gradient wird also in der Einheit T/m angegeben und mit in der Einheit T/(m·A) ist hier angegeben, welcher Gradient pro Ampere Spulenstrom erreicht wird. Es gilt G = I·S und slewrate = G/T = (I·S)/T, wobei I den Gradientenstrom, also den Strom durch die Gradientenspule angibt. Damit ergibt sich für eine zulässige maximale Spulenspannung U_max = slewrate_max • L/S.
Letztlich kann aus kann aus der Angabe oder Vorgabe der zulässigen maximalen Änderungsgeschwindigkeit der Flussdichte dB/dt_max oder der zulässigen maximalen Gradientenanstiegsgeschwindigkeit slewrate_max eine zulässige maximale Änderung des Spulenstroms dI/dt abgeleitet werden. Mittels des Zusammenhangs U = L-dI/dt kann daraus wiederum die zulässige maximale Spulenspannung U_max ermittelt werden. Basierend auf oder in Abhängigkeit von diesen Größen, also beispielsweise in Abhängigkeit von der zulässigen maximalen Änderung des Spulenstroms dI/dt_max und/oder der zulässigen maximalen Spulenspannung U_max, kann die Begrenzungseinstellung der Begrenzungsstufe vorgegeben oder gewählt, also eingestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist - als Teil der Schaltungsanordnung und/oder als Teil der MRT-Anlage - ein Schutzpfad vorgesehen, welcher eine ausgangsseitig der Schaltendstufe angeordnete Strommesseinheit zum Messen des Stromistwertes, einen Übertragungsweg von der Strommesseinheit zu einem Steuergerät und einen Abschaltweg von dem Steuergerät bis zu Ausgangstreibern des Modulators, die zum Ausgeben des Modulatorsignals an die Schaltendstufe vorgesehen sind, umfasst. Dadurch kann vorteilhaft die Schaltungsanordnung und somit auch die MRT-Anlage sicher im Sinne der Patientensicherheit gestaltet werden. Besonders vorteilhaft kann die Strommesseinheit, also das Erzeugen des Stromistwertes Teil des Schutzpfades, außerhalb, also nicht Bestandteil, des Kontrollpfades sein. Somit kann ein entsprechender Messwert der Strommesseinheit beziehungsweise der daraus resultierende Stromistwert ausgewertet und als Regelgröße für die Regeleinrichtung verwendet werden, ohne dass ein unabhängig ermittelter zweiter Stromistwert benötigt wird. So wird also der Bauteilaufwand für die erfindungsgemäße sichere Schaltungsanordnung und MRT-Anlage minimiert.
Es ist allerdings zu beachten, dass der Stromistwert Teil des Kontrollpfades wird, wenn von dem Stromistwert abhängige Einflüsse auf den Kontrollpfad kompensiert werden. Wird in einem solchen Fall der Stromistwert weiterhin in dem Schutzpfad verwendet, so kann zur Wahrung der Patientensicherheit eine zusätzliche Absicherung und/oder eine redundante Erzeugung oder Bereitstellung des Stromistwertes beziehungsweise des dann unabhängigen zweiten Stromistwertes vorgesehen sein. Dies resultiert zwar in zusätzlichen benötigten Bauteilen, kann aber vorteilhaft zu einer präziseren Steuerung oder Steuerbarkeit der Schaltanordnung oder der MRT-Anlage führen.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist - beispielsweise als Teil der Schaltungsanordnung und/oder als Teil der MRT-Anlage - ein Steuergerät vorgesehen, welches zum Übermitteln der Begrenzungseinstellung an die Begrenzungsstufe und zum Auslesen einer jeweils aktuellen Begrenzungseinstellung aus der Begrenzungsstufe mit dieser verbunden ist. Das Steuergerät kann also elektrisch, insbesondere über eine Datenverbindung direkt oder indirekt mit der Begrenzungsstufe verbunden, also gekoppelt sein. Das Steuergerät kann beispielsweise als zentrale Verarbeitungs- und/oder Verwaltungsstelle für die Messsequenzen, die für eine jeweilige Messsequenz verwendeten Parameter sowie Ein- und Ausgaben über ein angeschlossenes Benutzerinterface dienen. Dies kann vorteilhaft eine Bedienbarkeit der MRT-Anlage erleichtern oder vereinfachen, da der jeweilige Benutzer nicht mit mehreren Bauteilen oder Komponenten interagieren, hier also beispielsweise die Begrenzungsstufe nicht separat manuell einstellen, muss. Gleichzeitig kann durch die Möglichkeit des Auslesens der aktuellen Begrenzungseinstellung die Sicherheit weiter verbessert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Begrenzungsstufe eine Berechnungseinheit zum Bestimmen eines Effektivwertes der, beispielsweise aus dem Modulatorsignal oder den Modulatorsignalen, resultierenden Spannung für die Gradientenspule oder für wenigstens einen Kanal, bevorzugt für drei Kanäle, der Gradientenspule auf. Die Berechnungseinheit ist dabei dazu eingerichtet, den Effektivwert oder die Effektivwerte anhand eines Ausgangssignals der Begrenzungsstufe zu bestimmen und in Abhängigkeit von einerseits wenigstens einem vorgegebenen ersten Schwellenwert und andererseits dem Effektivwert je eines Kanals oder einer gewichteten Summe der Effektivwerte der drei Kanäle die Begrenzungseinstellung der Begrenzungsstufe anzupassen. Vorteilhaft kann die Berechnung des Effektivwertes mittels der Berechnungseinheit des Modulators und zusätzlich mittels des Steuergerätes oder einer Überwachungskomponente des Steuergerätes oder allgemein einer Anlagensteuerung der MRT-Anlage, insbesondere mittels eines entsprechenden digitalen Signalprozessors, durchgeführt werden, sodass durch diese Redundanz eine doppelte Sicherheit gegeben ist. Ein Kanal kann dabei einer Raumrichtung entsprechen oder zugeordnet sein. Die drei Kanäle können also eine vollstände räumliche Beschreibung in drei Dimensionen oder Raumrichtungen angeben.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Berechnungseinheit des Modulators einen Tiefpass, insbesondere erster Ordnung, und einen ersten Komparator zum Vergleichen eines Ausgangssignals des Tiefpasses mit dem ersten Schwellenwert auf. Die Berechnungseinheit oder der Modulator ist dabei dazu eingerichtet, bei einem Erreichen des ersten Schwellenwertes die Begrenzungseinstellung auf einen vorgegebenen, unterhalb eines vorgegebenen Maximalwertes liegenden reduzierten Wert, bevorzugt auf 56 % des Maximalwertes, anzupassen. Mittels des Tiefpasses erster Ordnung kann vorteilhaft eine Aufheizkurve abgebildet werden, welche die Erwärmung des Implantats oder des umgebenden Gewebes beschreiben oder charakterisieren kann, da dabei lediglich eine einzige, dominierende Zeitkonstante relevant ist. Der reduzierte Wert kann beispielsweise dem oben genannten zulässigen Effektivwert entsprechen oder durch diesen oder in Abhängigkeit von diesem bestimmt sein. Wird bei einer Messsequenz dieser Effektivwert für eine bestimmte Zeit überschritten, so wird gemäß der mittels des Tiefpasses erster Ordnung modellierten Aufheizkurve nach einer von einer konkreten auslegungabhängigen Zeit der erste Schwellenwert erreicht und daraufhin die Begrenzungseinstellung auf den reduzierten Wert angepasst. Da eine Messsequenz nicht ausschließlich aus Pulsflanken besteht, wird ein tatsächlich vorliegender oder wirkender Wert oder zeitlicher Mittelwert, also ein tatsächlicher Effektivwert dann unter den maximal zulässigen Effektivwert fallen. Dadurch kann also vorteilhaft die Sicherheit des Patienten und des Implantats gewahrt werden. Die Begrenzungsstufe oder der Modulator, insbesondere die Berechnungseinheit, können bevorzugt dazu eingerichtet sein, die Begrenzungseinstellung anschließend erneut anzupassen, also von dem reduzierten Wert beispielsweise wieder auf den Maximalwert zu erhöhen. Dieses Freigeben oder erneute Anpassen der Begrenzungseinstellung kann beispielsweise dann automatisch erfolgen, wenn ein vorgegebener unterer Schwellenwert erreicht ist. Entsprechend kann eine Schwingung der Begrenzungseinstellung zwischen dem Maximalwert und dem herabgesetzten Wert oder dem unteren Schwellenwert entstehen. Dies ist jedoch kein unsicherer Zustand, da die durch den Effektivwert vorgegebene Begrenzung im zeitlichen Mittel eingehalten wird.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die Berechnungseinheit einen zweiten Komparator zum Vergleichen des Ausgangssignals des Tiefpasses mit einem gegenüber dem ersten Schwellenwert kleineren zweiten Schwellenwert auf. Die Berechnungseinheit oder der Modulator ist dabei dazu eingerichtet, die Begrenzungseinstellung erst bei einem Absinken des Ausgangssignals des Tiefpasses auf den zweiten Schwellenwert freizugeben. Mit anderen Worten kann also die Begrenzungseinstellung erst dann wieder erhöht, beispielsweise auf den Maximalwert angehoben werden, wenn eine durch Auslegung des zweiten Schwellenwertes bestimmte Zeitspanne verstrichen ist. Eine Differenz zwischen dem ersten Schwellenwert und dem zweiten Schwellenwert kann als Hysterese aufgefasst oder bezeichnet werden. Insgesamt kann so vorteilhaft erreicht werden, dass das Anpassen oder Umschalten der Begrenzungseinstellung um einen Wert schwingt, der unterhalb des Effektivwertes liegt. Durch die Hysterese kann vorteilhaft eine während der Messsequenz auftretende Anzahl von Schaltvorgängen minimiert und somit neben der Wahrung der Sicherheit des Patienten und des Implantats auch eine Verbesserung der Lebensdauer der Schaltanordnung erreicht werden. Der zweite Schwellenwert kann beispielsweise 20 % kleiner sein als der erste Schwellenwert.
Der Modulator, insbesondere die Berechnungseinheit des Modulators, kann weitere Bau- oder Schaltelemente aufweisen. Beispielsweise können den beiden Komparatoren nachgeschaltet eine Monoflopstufe und ein logisches Oder-Element vorgesehen sein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die herabgesetzte Begrenzungseinstellung tatsächlich für eine vorgegebene Mindestzeitdauer bestehen oder gültig bleibt. Bevorzugt können die Hysterese und die Mindestzeit so in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Messsequenz oder einer typischen Messsequenz, insbesondere in Abhängigkeit von einer entsprechenden, für die jeweils aktuelle oder typische Messsequenz benötigten, Ausführungszeit, angepasst, vorgegeben oder eingestellt sein, dass eine nach der jeweils aktuellen Messsequenz ausgeführte nachfolgende Messsequenz mit dem Maximalwert der Begrenzungseinstellung starten kann.
Eine Begrenzung auf 56 % des zulässigen Maximalwertes stellt zwar eine signifikante Limitierung dar, die Pulse einer Messsequenz müssen jedoch den Maximalwert von 100 % der Begrenzungseinstellung, also eine minimale Begrenzung, nicht zwangsläufig vollständig ausschöpfen. So kann trotz der zeitweisen signifikanten Limitierung auf zum Beispiel 56 % der Fall auftreten, dass erst an einem Ende der Messsequenz einer oder einige der letzten Pulse betroffen sind und das mittels der Sequenz erzeugte Bild dennoch brauchbar ist. Ist jedoch die Messsequenz, beispielsweise aufgrund eines gravierenden Fehlers, völlig ungeeignet und bewirkt daher bereits zu Beginn der Messsequenz die Begrenzung, also ein Eingreifen des durch die Begrenzungsstufe und die Berechnungseinheit gegebenen Schutzmechanismus, so können entsprechende Bilddaten gegebenenfalls unbrauchbar sein.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist der Gradientenverstärker eine Spannungs-Feedback-Schaltung (VFB, englisch: „voltage feedback“) auf. Diese VFB-Schaltung ist dazu eingerichtet, die Versorgungsspannung der Schaltendstufe zu messen und ein in Abhängigkeit von der gemessenen Versorgungsspannung bestimmtes Korrektursignal in die elektrische Verbindung zwischen der Begrenzungsstufe und dem Modulator, insbesondere zwischen der Begrenzungsstufe und der Modulationseinheit, die in dem Modulator die eigentliche Pulsbreitenmodulation erzeugt, einzuschleifen. Dadurch wird für jedes konstante Regelsignal ein Produkt eines entsprechenden Modulationsgrades der Pulsbreitenmodulation und der Versorgungsspannung der Schaltendstufe zumindest im Wesentlichen konstant gehalten. Die VFB-Schaltung kann also über eine Spannungsrückmeldung von der Versorgungsspannung der Schaltendstufe eine Änderung dieser Versorgungsspannung durch eine entsprechende Änderung oder Anpassung oder Beeinflussung des Modulationsgrades oder Modulationshubs ausgleichen.
Die größte bei einer Dimensionierung oder einem Einstellen der Begrenzungseinstellung zu berücksichtigende Unsicherheit bei einem Gradientenverstärker mit ungeregelter Versorgungsspannung der Schaltendstufe ist die Netzspannung. Wie oben beschrieben, können hier beispielsweise bis zu 20 % Performance oder Leistungsfähigkeit gegenüber einem idealen Limit verloren gehen. Diese große Lücke kann durch die VFB-Schaltung im Gradientenverstärker vorteilhaft beseitigt werden. Bei dem Ermitteln eines geeigneten Limits, also beim Einstellen der Begrenzungsstufe muss dann vorteilhaft lediglich eine Toleranz oder Genauigkeit der VFB-Schaltung statt der möglichen Schwankung der Netzspannung berücksichtigt werden, welche signifikant größer sein kann.
Durch die Verwendung der VFB-Schaltung ergibt sich insbesondere für die Entwicklung von Messsequenzen ein großer Vorteil, da eine Unterspannung durch Schwankung der Netzspannung oder durch Belastung nicht mehr berücksichtigt werden muss, sondern die Ausgangsspannung der Schaltendstufe bis zu dem durch die aktuelle Begrenzungseinstellung vorgegebenen Limit tatsächlich erreicht werden kann. Vorteilhaft wird der Kontrollpfad durch die VFB-Schaltung nur unwesentlich größer oder komplexer. In einem konkreten Aufbau können beispielsweise die Regeleinrichtung und der Modulator mit einem eingebauten Empfängerteil der VFB-Schaltung eine erste Einheit oder Baugruppe und die Schaltendstufe mit einer eingebauten Sendereinheit der VFB-Schaltung eine zweite Einheit oder Baugruppe bilden. Nach der Anzahl von Komponenten bleibt dann die Größe oder Länge des Kontrollpfades trotz der VFB-Schaltung unverändert. Zur Wahrung der Patientensicherheit sollte eine Überwachung der VFB-Schaltung vorgesehen werden, da ein Fehler oder Ausfall der VFB-Schaltung zu einer erheblichen Beeinflussung der Begrenzungseinstellung führen kann.
Die erfindungsgemäße MRT-Anlage weist eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, ein mit der Schaltungsanordnung verbundenes Steuergerät zum Vorgeben der Begrenzungseinstellung für die Begrenzungsstufe und die ausgangsseitig der Schaltendstufe angeordnete Strommesseinheit zum Messen des Stromistwertes auf, wobei die Strommesseinheit zum Übermitteln des Stromistwertes an die Regeleinrichtung mit dieser elektrisch verbunden ist. Das Steuergerät kann insbesondere das bereits an anderer Stelle genannte Steuergerät sein. Darüber hinaus kann die MRT-Anlage ebenso wenigstens eine der vorliegend bereits an anderer Stelle genannten Einrichtungen, Komponenten, Bausteine und dergleichen aufweisen oder umfassen.
Zudem kann die MRT-Anlage ein Speichermedium, also einen Datenspeicher, aufweisen, welcher einen Programmcode enthält, der die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens kodiert oder repräsentiert. Die MRT-Anlage, insbesondere beispielsweise das Steuergerät, kann zudem eine Prozessoreinrichtung aufweisen, welche zum Ausführen des Programmcodes eingerichtet ist, um zumindest eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben der erfindungsgemäßen MRT-Anlage. Bei dem Verfahren wird mittels der Regeleinrichtung in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem vorgegebenen Stromsollwert und dem ausgangsseitig der Schaltendstufe abgegriffenen Stromistwert das Regelsignal erzeugt und an die Begrenzungsstufe ausgegeben. Mittels des Steuergeräts wird eine aktuelle Begrenzungseinstellung für die Begrenzungsstufe vorgegeben. Mittels der Begrenzungsstufe wird gemäß der aktuellen Begrenzungsstufe das Regelsignal begrenzt und das begrenzte Regelsignal an den Modulator ausgegeben oder an eine Modulationseinheit des Modulators weitergegeben. Letzteres kann insbesondere dann der Fall sein, wenn die Begrenzungsstufe Teil des Modulators ist. Mittels des Modulators wird in Abhängigkeit von dem begrenzten Regelsignal das wenigstens eine Modulatorsignal erzeugt und an die Schaltendstufe übermittelt. Durch das Modulatorsignal wird die Pulsbreitenmodulation für die Schaltendstufe zum Bereitstellen der Spannung für die Gradientenspule vorgegeben, wobei durch die Begrenzungseinstellung - zumindest mittelbar - auch die von der Schaltendstufe bereitgestellte Spannung begrenzt wird. Die Patientensicherheit wird durch den in den Ansteuerweg der MRT-Anlage eingebetteten Kontrollpfad und insbesondere durch die entsprechenden Überwachungen von Komponenten des Kontrollpfades sichergestellt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Stromistwert an eine Überwachungseinrichtung, welche beispielsweise Teil des Steuergeräts sein kann, übermittelt. In oder mittels der Überwachungseinrichtung wird anhand des übermittelten Stromistwerts ermittelt, ob ein vorgegebener Maximalwert für eine zeitliche Änderungsgeschwindigkeit eines mittels der MRT-Anlage, beispielsweise mittels der Gradientenspule, erzeugten Magnetfeldes und/oder eines mittels der Gradientenspule erzeugten räumlichen Magnetfeldgradienten überschritten wird. Die Gradientenspule kann also insbesondere Teil der MRT-Anlage sein. Bei einem Überschreiten des Maximalwertes wird von der Überwachungseinrichtung ein Anschaltsignal an ein Überwachungselement des Gradientenverstärkers übermittelt. Von dem Überwachungselement wird entsprechend der Modulator, insbesondere dessen Modulationseinheit, in einen Freilaufkreis geschaltet und - bevorzugt mit einer Verzögerung von weniger als 50 ms - ein Sperren der Ausgangstreiber des Modulators, die zum Ausgeben des Modulatorsignals an die Schaltendstufe vorgesehen sind, ausgelöst.
Die Überwachungseinrichtung kann beispielsweise ohnehin in der MRT-Anlage vorgesehen sein, beispielsweise für eine Überwachung hinsichtlich einer möglichen Nervenstimulation. Sollte diese Überwachungseinrichtung trotz der sicheren Auslegung des Kontrollpfades eine Überschreitung beispielsweise des zulässigen vorgegebenen Maximalwertes für dB/dt und/oder für dG/dt feststellen, so kann sie das Anschaltsignal aussenden. Das Überwachungselement des Gradientenverstärkers kann dann zum Schalten des Modulators in den Freilaufkreis ein Softstopp-Signal senden. Durch das Softstopp-Signal kann die Schaltendstufe anschaulich einen Kurzschluss zwischen den Polen ihres Ausgangs bilden. Ein in diesem Moment durch die Schaltendstufe und die Gradientenspule fließender Strom beziehungsweise Spulenstrom wird dann durch einen Spannungsabfall an einem ohmschen Widerstand der Gradientenspule und entsprechender elektrischer Verbindungen oder Kabel abgebaut. Dies geschieht passiv und mit hinsichtlich der Sicherheit des Patienten und des Implantats ungefährlicher Flankensteilheit. Wenige Millisekunden später wird durch das Sperren der Ausgangstreiber die Schaltendstufe komplett gesperrt. Ein dann noch vorhandener Reststrom kann dann über zu den Schaltern oder Schalteinrichtungen der Schaltendstufe parallel geschaltete Freilaufdioden der Schaltendstufe in die Versorgungsspannung beziehungsweise das Netz zurück gespeist werden. Dies kann zwar eine maximale Spannung an der Gradientenspule und damit eine maximale Flankensteilheit bewirken, aufgrund der geringen Größe oder Stärke des Reststromes und des durch diesen hervorgerufenen Magnetfeldes aber nicht zu einer Gefährdung für den Patienten oder das Implantat führen.
Der Kontrollpfad kann mit einer vorgegebenen, beispielsweise fest eingestellten, Begrenzungseinstellung arbeiten. Ebenso ist es jedoch möglich, dass der Kontrollpfad, also die Komponenten des Kontrollpfades, die jeweils zu verwendende Begrenzungseinstellung selbst berechnen, beispielsweise aus vorgegebenen Parametern. Zwischen diesen beiden Möglichkeiten oder Betriebsmodi kann - manuell oder automatisch - umgeschaltet werden. Ebenso kann der Kontrollpfad, können also die Komponenten des Kontrollpfades, zwischen verschiedenen Begrenzungseinstellungen oder deren Verwendung manuell umgeschaltet werden und/oder automatisch umschalten. Beispielsweise kann bei nach einem Berechnen einer neuen oder vom bisherigen Limit abweichenden Begrenzungseinstellung automatisch von der jeweils bisherigen Begrenzungseinstellung auf die neue, also neu berechnete, Begrenzungseinstellung umgeschaltet werden.
Die bisher und im Folgenden angegebenen Eigenschaften und Weiterbildungen der Aspekte der vorliegenden Erfindung, also der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, der erfindungsgemäßen MRT-Anlage und des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie die entsprechenden Vorteile sind jeweils sinngemäß wechselseitig zwischen den Aspekten der vorliegenden Erfindung übertragbar. Dies gilt auch für zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete oder verwendbare Bauteile und Einrichtungen. Es gehören also zu der Erfindung auch solche Weiterbildungen der einzelnen Aspekte der Erfindung, welche Ausgestaltungen aufweisen, die hier nicht explizit in der jeweiligen Kombination beschrieben, sondern beispielsweise nur im Zusammenhang mit einem der Aspekte beschrieben sind.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 ein Schema eines Gradientenverstärkers für eine MRT-Anlage;
2 ein Schema eines Gradientenverstärkers für eine MRT-Anlage mit einer Begrenzungsstufe;
3 ein Schema zur Illustrierung eines Beispiels einer Aussteuerung einer Schaltendstufe eines Gradientenverstärkers für eine MRT-Anlage;
4 ein Schema eines um eine Berechnungseinheit erweiterten Modulators für einen Gradientenverstärker einer MRT-Anlage; und
5 ein Schema eines Gradientenverstärkers für eine MRT-Anlage mit einer Spannungs-Feedback-Schaltung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind gleiche, funktionsgleiche oder einander entsprechende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 zeigt ein Schema eines ersten Gradientenverstärkers 1, wie er beispielsweise in einer MRT-Anlage verwendet werden kann. Der erste Gradientenverstärker 1 umfasst hier einen Regler beziehungsweise eine Regeleinrichtung 2, einen Modulator 3 und eine Schaltendstufe 4. Ein Ausgang der Regeleinrichtung 2 ist mit einem Eingang des Modulators 3 verbunden. Ein Ausgang des Modulators 3 ist mit einem Eingang der Schaltendstufe 4 verbunden. Die Schaltendstufe 4 wird aus einem elektrischen Netz mit einer Versorgungsspannung U_PST versorgt. Intern weist die Schaltendstufe 4 vorliegend vier Schalter S1, S2, S3, S4 auf, die mittels von dem Modulator 3 erzeugter Modulatorsignale MS1, MS2, MS3, MS4 geschaltet oder angesteuert werden können. Die vier Schalter S1 bis S4 können beispielsweise eine H-Brücke bilden. Bei einem Softstop-Signal oder durch ein Softstop-Signal können dann beispielsweise die Schalter S1, S3 eingeschaltet, also geschlossen, und die Schalter S2, S4 ausgeschaltet, also geöffnet, werden. Ebenso können beispielsweise bei einem Softstop die Schalter S1, S3 ausgeschaltet und die Schalter S2, S4 eingeschaltet sein.
Weiterhin weist die Schaltendstufe 4 intern vier Freilaufdioden 5 auf, von denen jeweils eine jeweils einem der Schalter S1 bis S4 parallel geschaltet ist. Die Schaltendstufe 4 weist an einem Ausgang 6 zwei Ausgangskontakte Qa, Qb auf, an denen eine von der Schaltendstufe ausgegebene oder bereitgestellte Ausgangsspannung anliegt. Dargestellt ist hier die Schaltendstufe 4 als Einzelendstufe, es ist jedoch ebenso möglich, eine Reihenschaltung von mehreren Teilendstufen zu verwenden. An den Ausgang 6 ist vorliegend eine Strommesseinheit 7 zum Messen oder Bereitstellen eines Stromistwertes 9 angeschlossen. Über die Strommesseinheit 7 ist zudem eine Gradientenspule 8 an den Ausgang 6 angeschlossen. Die an dem Ausgang 6 anliegende Ausgangsspannung der Schaltendstufe 4 stellt also gleichzeitig eine Spulenspannung für die Gradientenspule 8 da.
Der Stromistwert 9 wird der Regeleinrichtung 2 als Regelgröße zugeführt. Der Stromistwert 9 wird von der Regeleinrichtung 2 mit einem vorgegebenen oder bereitgestellten Stromsollwert 10 verglichen, der der Regeleinrichtung 2 als Führungsgröße zugeführt wird. Aus einer Differenz zwischen dem Stromistwert 9 und dem Stromsollwert 10 generiert die Regeleinrichtung 2 ein Regelsignal. Aus diesem Regelsignal erzeugt der Modulator 3 eine Pulsbreitenmodulation für die Schalter S1 bis S4 der Schaltendstufe 4. Definiert man für den Modulator 3 einen Modulationsgrad MG von ±100 %, so sei bei +100 % beispielsweise der Ausgangskontakt Qa positiv gegenüber Qb und die Ausgangsspannung habe die gleiche Höhe wie die Versorgungsspannung U_PST. Bei einem Modulationsgrad von -100 % sei Qb positiv gegenüber Qa, wobei auch hier die Ausgangsspannung die gleiche Höhe habe, also in ihrem Betrag ebenso groß sei, wie die Versorgungsspannung U_PST. Bei einem Modulationsgrad von 0 % sei die Ausgangsspannung, also die Spannung zwischen den Ausgangskontakten Qa, Qb null. Bei einem Modulationsgrad zwischen -100 % und +100 % sei die Ausgangsspannung proportional zum Modulationsgrad. Für die Höhe der Ausgangsspannung U am Ausgang 6 ergibt sich somit U = MG/100%·U_PST. Ist die Versorgungsspannung U_PST geregelt, so ergibt sich aus dem Modulationsgrad also direkt die Ausgangsspannung.
2 zeigt ein Schema eines zweiten Gradientenverstärkers 11, der als Weiterbildung des ersten Gradientenverstärkers 1 aufgefasst werden kann. Der zweite Gradientenverstärker 11 weist zusätzlich ein Steuergerät 12 auf, welches ebenso wie der erste Gradientenverstärker 1 oder der zweite Gradientenverstärker 2 Teil der MRT-Anlage sein kann. Das Steuergerät 12 ist hier lediglich schematisch als ein Bauteil zu verstehen und kann mehrere unterschiedliche Funktionen oder Funktionseinheiten umfassen oder repräsentieren. Beispielsweise kann das Steuergerät 12 den Stromsollwert 10 an die Regeleinrichtung 2 bereitstellen.
Bei der in 2 dargestellten Anordnung ist es vorgesehen, dass der Stromistwert 9 von der Strommesseinheit 7 über einen Übertragungsweg 13 auch an das Steuergerät 12, insbesondere an eine Überwachungseinrichtung des Steuergeräts 12, übertragen wird. Weiterhin weist der zweite Gradientenverstärker 11 eine hier als Lim gekennzeichnete Begrenzungsstufe 14 auf. Vorliegend ist die Begrenzungsstufe 14 in den Eingang des Modulators 3 eingebaut, sodass das von der Regeleinrichtung 2 ausgegebene Regelsignal zunächst zu der Begrenzungsstufe 14 gelangt. Die Begrenzungsstufe 14 kann das Regelsignal gemäß ihrer Begrenzungseinstellung begrenzen oder limitieren, bevor es weitergeleitet wird, beispielsweise an eine weitere Funktionseinheit des Modulators 3. Die Begrenzungseinstellung oder ein Wert der Begrenzungseinstellung wird hier auch kurz als Limit bezeichnet.
Die Begrenzungseinstellung für die Begrenzungsstufe 14 kann vorliegend über einen Übertragungsweg 15 ebenfalls von dem Steuergerät 12 bereitgestellt werden. Zusätzlich kann eine aktuell in der Begrenzungsstufe 14 vorliegende Begrenzungseinstellung von dem Steuergerät 12 über einen Übertragungsweg 16 ausgelesen werden.
Durch die Begrenzungseinstellung, welche in einem Bereich von -100 % bis +100 % variieren kann, sind die von den Modulator 3 weiterverarbeiteten Regelsignale auf einen entsprechenden Wert begrenzt. Somit sind auch die von dem Modulator 3 an die Schaltendstufe 4 ausgegebenen Modulatorsignale MS1 bis MS4 auf einen durch die jeweils aktuelle Begrenzungseinstellung limitierten Wert begrenzt. Dadurch kann dann auch die Ausgangsspannung der Schaltendstufe 4 nicht größer als Limit/100%·U_PST werden, wobei Limit die aktuelle Begrenzungseinstellung der Begrenzungsstufe 14 angibt.
Bei einer Verwendung des zweiten Gradientenverstärkers 11 in der MRT-Anlage können mittels der Begrenzungsstufe 14, beziehungsweise der durch diese realisierten PWM-Begrenzung (PWM: englisch „puls width modulation“, Pulsbreitenmodulation), also Pulsflanken limitiert werden, um beispielsweise einen Patienten, insbesondere einen Patienten mit einem metallischen Implantat, nicht zu gefährden. Vorteilhaft kann es vorgesehen sein, dass eine Warnung oder ein Hinweis an einen Nutzer der MRT-Anlage ausgegeben wird, wenn eine Pulsflanke limitiert wird, wenn also die Begrenzungsstufe 14 greift. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der Nutzer beispielsweise ein mittels der MRT-Anlage erzeugtes Bild besonders genau prüfen kann, bei dessen Aufnahme eine Limitierung stattgefunden hat. Ebenso kann der Nutzer aufgrund des Hinweises oder der Warnung bei Bedarf gezielt eine jeweilige Messsequenz oder entsprechende Parameter der MRT-Anlage anpassen.
3 zeigt ein Schema einer Schaltendstufe 4, in dem deren Aussteuerung durch Spannungssignale eines Modulators, beispielsweise des Modulators 3, illustriert ist. Die Schaltendstufe 4 kann beispielsweise die im Zusammenhang mit den anderen Figuren genannte Schaltendstufe 4 der MRT-Anlage sein. Die Signale des Modulators 3 können beispielsweise mittels zweier Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler, ADC) erzeugt werden. Ein erster dieser AD-Wandler kann beispielsweise die Aussteuerung der Schalter S1 und S2 der Schaltendstufe 4 bewirken. Dies ist vorliegend durch einen Spannungspfeil U(ADC1,2) beispielhaft illustriert. Ein zweiter AD-Wandler kann beispielsweise - abgesehen von Dithering oder einem Offset - ein gegenüber dem ersten AD-Wandler invertiertes Eingangssignal erhalten und damit die Aussteuerung der Schalter S3 und S4 der Schaltendstufe 4 bewirken. Dies ist hier durch einen zweiten Spannungspfeil U(ADC3,4) beispielhaft illustriert. Die Ausgangsspannung der Schaltendstufe 4 an deren Ausgang 6 ergibt sich dann aus einer Differenz der beiden Aussteuerungen oder Spannungspfeile, was hier beispielhaft durch einen langen dritten Spannungspfeil U(ADC1,2-ADC3,4) illustriert ist.
4 zeigt ein Schema eines Modulators 3, der beziehungsweise dessen Begrenzungsstufe 14 um eine beispielhafte Berechnungseinheit 18 erweitert ist. Der hier dargestellte Modulator 3 kann beispielsweise der im Zusammenhang mit den übrigen Figuren genannte Modulator 3 der MRT-Anlage sein. Der Modulator 3 kann beispielsweise mit einem Vormodulator für eine Offsetstaffelung und/oder ein Dithering kombiniert sein und hat daher in diesem Beispiel zwei Eingänge, gekennzeichnet mit ADC1,2 und ADC3,4.
Die Berechnungseinheit 18 dient zum Berechnen oder Bestimmen der Begrenzungseinstellung, also des Limits für die Begrenzungsstufe 14. Vorliegend ist dabei die Begrenzungsstufe 14 zweiteilig gestaltet. Je ein Teil ist mit einem der beiden Eingänge verbunden, sodass über beide Eingänge eingehende Signale mittels der Begrenzungseinheit 14 begrenzt werden können. Es kann möglich sein, zwischen der im Zusammenhang mit 2 beschriebenen Vorgabe der Begrenzungseinstellung durch das Steuergerät 12 und der Berechnung der Begrenzungseinstellung oder Begrenzungseinstellungen mittels der Berechnungseinheit 18 umzuschalten
Die Berechnungseinheit 18 berechnet die jeweilige Begrenzungseinstellung oder einen im zeitlichen Mittel einzuhaltenden Effektivwert anhand der über die beiden Eingänge eingehenden Eingangssignale, welche insbesondere Regelsignale der Regeleinrichtung 2 sein können.
Die Eingangssignale durchlaufen hier zunächst die Begrenzungsstufe 14 und werden so entsprechend der aktuellen Begrenzungseinstellung auf einen bestimmten Wert oder eine bestimmte Höhe begrenzt. Die Begrenzungseinstellung oder Begrenzungseinstellungen können insbesondere so für drei jeweils einer der Raumrichtungen X, Y, Z entsprechende Kanäle bemessen sein, dass jeder entsprechende Kanal oder Gradientenkanal nur einen ihm zugewiesenen Anteil zu einer maximalen Änderungsrate dB/dt_max der von der Gradientenspule 8 erzeugten Flussdichte beitragen kann. Dementsprechend können die Eingangssignale für jeden Kanal unabhängig auf einen dem jeweiligen Kanal zugewiesenen Wert begrenzt werden. Die Begrenzungseinstellung kann also statt eines einzelnen Wertes mehrere, insbesondere drei, Werte oder Limits umfassen, von denen jedes jeweils einem Kanal oder einer Raumrichtung zugewiesen oder zugeordnet ist.
Die limitierten oder begrenzten Eingangssignale gelangen von der Begrenzungsstufe 14 einerseits zu einer Modulationseinheit 17 des Modulators 4, welche daraus die Modulatorsignale MS1 bis MS4, also die eigentliche Pulsbreitenmodulation für die dem Modulator 3 nachgeschaltete Schaltendstufe 4, erzeugt. Andererseits gelangen die limitierten oder begrenzten Eingangssignale zu der Berechnungseinheit 18. Ist die Limit- oder Effektivwert-Berechnung eingeschaltet, so befinden sich jeweilige erste Schalter 19 der Berechnungseinheit 18 in der hier gezeigten, geschlossenen Stellung, sodass die Eingangssignale weiter an einen Differenzenbildner 20 gelangen können. Durch Umschalten der ersten Schalter 19 wird die entsprechende Verbindung unterbrochen, also die Berechnung mittels der Berechnungseinheit 18 ausgeschaltet.
Der Differenzbildner 20 bildet die Differenz der beiden Eingangssignale. Diese Differenz kann letztendlich der Ausgangsspannung der Schaltendstufe 4 entsprechen (vgl. auch 3 U(ADC 1,2 - ADC3,4)).
Von dem Differenzbildner 20 gelangt dessen Ausgangssignal zu einem ersten Tiefpass 21, bei dem es sich um einen Tiefpass höherer Ordnung handelt. Der erste Tiefpass 21 kann beispielsweise als Besseltiefpass zweiter Ordnung mit f_G-3dB bei 10 bis 15 kHz realisiert sein, wobei f_G die Grenzfrequenz des ersten Tiefpasses 21 angibt. Mittels des ersten Tiefpass 21 kann eine Schaltwelligkeit des Ausgangssignals des Differenzbildners 20 reduziert werden. Auch wenn normativ beispielsweise eine Grenzfrequenz von 5 kHz erlaubt sein kann, kann es hinsichtlich der Patientensicherheit vorteilhaft sein, für die Grenzfrequenz einen Wert von mehr als 10 kHz zu wählen, da bei heutzutage möglichen Gradientenänderungsgeschwindigkeiten sonst ein zu großer Anteil eines verwertbaren Nutzsignals unterdrückt würde.
Ein Ausgangssignal des ersten Tiefpass 21 gelangt dann zu einem Multiplikator 22, in dem es mit sich selbst multipliziert, also quadriert wird. Das quadrierte Signal gelangt dann zu einem zweiten Tiefpass 23, bei dem es sich um einen Tiefpass erster Ordnung handelt. Der zweite Tiefpass 23 kann beispielsweise eine Zeitkonstante von T ≤ 1 min haben, welche also viel kleiner als eine normativ vorgesehene Zeitkonstante von 6 Minuten sein kann. Der zweite Tiefpass 23 erster Ordnung bildet sehr gut eine natürliche Aufheizkurve ab, bei der es nur eine dominierende Zeitkonstante gibt, und welche ein Erwärmungsverhalten beispielsweise eines Implantats oder eines umgebenden Gewebes, charakterisieren kann, beispielsweise bewirkt durch einen Einfluss eines magnetischen Feldes, wie etwa des von der Gradientenspule erzeugten Feldes.
Ein Ausgangssignal des zweiten Tiefpasses 23 gelangt in einen ersten Komparator 24, in dem es mit einem vorgegebenen ersten Schwellenwert 25 verglichen wird. Erreicht das Ausgangssignal des zweiten Tiefpasses 23 diesen ersten Schwellenwert 25, so kann die Begrenzungseinstellung der Begrenzungsstufe 14 angepasst oder umgestellt werden, beispielsweise auf 56 % eines vorgegebenen Maximalwertes. Der Maximalwert kann beispielsweise 100 T/s betragen. Hiervon können 56 %, also etwa 56 T/s als dauerhaft zulässiger Effektiv- oder RMS-Wert vorgesehen oder vorgegeben sein. Die in den Modulator 3 gelangenden Eingangssignale würden dann also auf diesen für einen Dauerbetrieb oder im zeitlichen Mittel zulässigen Effektivwert begrenzt werden. Der erste Schwellenwert 25 kann beispielsweise bestimmt sein als 2·56 % des zulässigen Maximalwerts zum Quadrat. Ein von dem zweiten Tiefpass 23 erreichbarer Endwert, wenn die Begrenzungsstufe 14 nicht umgeschaltet, also die Begrenzungseinstellung nicht angepasst würde, könnte hingegen 2·100 % des Maximalwertes zum Quadrat sein. Der Faktor 2 ist hier durch die Differenzbildung mittels des Differenzbildners 20 bedingt.
Würden bei einer Messsequenz die den Modulator 3 erreichenden Eingangssignale dauerhaft den dauerhaft zulässigen Effektivwert übersteigen, so wird also, wenn das Ausgangssignal des zweiten Tiefpasses 23 den ersten Schwellenwert 25 erreicht hat, die Begrenzungseinstellung, also das Limit der Begrenzungsstufe 14 auf den zulässigen Effektivwert herabgesetzt. Da eine Messsequenz nicht dauerhaft nur aus Pulsflanken besteht, ist nun der tatsächliche Effektivwert kleiner als das durch die angepasste Begrenzungseinstellung vorgegebene Limit, woraufhin die Begrenzungseinstellung von dem ersten Komparator 24 wieder auf den zulässigen Maximalwert, also auf 100 %, gesetzt würde. Damit entstünde für die Begrenzungseinstellung eine Dauerschwingung zwischen dem Maximalwert und dem herabgesetzten Wert. Es kann jedoch unerwünscht sein, dass diese Schwingung gerade bei dem vorgegebenen zulässigen Effektivwert stattfindet.
Vorliegend ist daher ein zweiter Komparator 26 vorgesehen, der das Ausgangssignal des zweiten Tiefpasses 23 mit einem vorgegebenen zweiten Schwellenwert 27 vergleicht. Der zweite Schwellenwert 27 ist dabei, beispielsweise um 10 bis 30 %, kleiner als der erste Schwellenwert 25. Den Komparatoren 24, 26 nachgeschaltet sind in der dargestellten Weise eine Monoflopstufe 28 und ein Oder-Gatter 29. Dem Oder-Gatter 29 werden dabei an einem seiner Eingänge ein Ausgangssignal der Komparatoren 24, 26 und an seinem anderen Eingang ein Ausgangssignal der Monoflopstufe 28 zugeführt. Erst wenn das Ausgangssignal es zweiten Tiefpasses 23 um die Differenz zwischen den vorgegebenen Schwellenwerten 25, 27 abgesunken ist, gibt der zweite Komparator 26 das Anpassen oder Umschalten der Begrenzungseinstellung frei, sodass das Limit erst dann wieder auf den Maximalwert von 100 % heraufgesetzt werden kann. Das Limit beziehungsweise dessen Umschalten oder Anpassen schwingt oder pendelt nunmehr um einen Wert, der unterhalb des vorgegebenen dauerhaft zulässigen Effektivwertes liegt. Weiterhin wird bewirkt, dass die herabgesetzte Begrenzungseinstellung zumindest für eine gewisse Zeitspanne, welche abhängig von einer konkreten Auslegung der Komponenten ist, bestehen bleibt und nicht unverzüglich wieder auf den Maximalwert heraufgesetzt wird.
Da für die Sicherheit des Patienten und des Implantats ein zeitlicher Mittelwert oder Effektivwert einer thermischen Belastung relevant ist, darf eine Historie des tatsächlichen Effektivwertes nicht gelöscht oder verworfen werden. Vorteilhaft ist daher beispielsweise das Ausgangssignal des zweiten Tiefpasses 23 nicht gezielt oder manuell, beispielsweise durch einen Fehlerreset oder dergleichen, auf null setzbar. Die ersten Schalter 19 halten lediglich das Eingangssignal der Berechnung auf null. Damit kann beispielsweise erreicht werden, dass ein unlimitierter Betrieb nicht mitbewertet wird.
Mittels eines dem Oder-Gatter 29 nachgeschalteten zweiten Schalters 30 kann das Anpassen oder Umschalten der Begrenzungseinstellung aktiviert beziehungsweise erlaubt oder ausgeschaltet beziehungsweise verhindert werden. So kann vorteilhaft verhindert werden, dass es selbst nach einem Öffnen der ersten Schalter 19 noch in unerwünschter und/oder unkontrollierter Art und Weise zu einer Veränderung der Begrenzungseinstellung kommt.
5 zeigt ein Schema eines dritten Gradientenverstärkers 31, bei dem zusätzlich eine Spannung-Feedback-Schaltung (VFB-Schaltung) mit einer VFB-Sendeeinheit 32 und einer VFB-Empfängereinheit 33 vorgesehen ist. Für den Modulator 3 gilt, dass dessen Eingangssignal eindeutig ein bestimmter Modulationsgrad zugeordnet ist. Die tatsächliche Ausgangsspannung der Schaltendstufe 4 ergibt sich aus dem Modulationsgrad jedoch erst in Verbindung mit einem tatsächlichen Wert der Versorgungsspannung U_PST, welche abhängig von Netzschwankungen unkontrolliert variieren kann. Mittels der VFB-Sendeeinheit wird daher die Versorgungsspannung U_PST, also deren tatsächlicher Wert, gemessen. Aus diesem gemessenen Wert wird ein Korrektursignal generiert, welches an die VFB-Empfängereinheit 33 übertragen wird. Von der VFB-Empfängereinheit 33 wird das Korrektursignal zwischen der Regeleinrichtung 2 und dem Modulator 3, insbesondere nach oder hinter der Begrenzungsstufe 14 eingeschleift. Das Einschleifen des Korrektursignals bewirkt, dass der Modulationsgrad MG so verändert wird, dass die Bedingung MG·U_PST=const. erfüllt ist. Damit ist einem von der Regeleinrichtung 2 ausgegebenen Regelsignal dann vorteilhaft eindeutig eine bestimmte Ausgangsspannung der Schaltendstufe 4 zugeordnet.
Betrage beispielsweise ein Nennwert der Versorgungsspannung, also eine Nennspannung der Schaltendstufe 4 2000 V. Ein bestimmtes Regelsignal kann bei Nennspannung der Schaltendstufe 4 beispielsweise einen Modulationsgrad von 50 % bewirken, sodass an dem Ausgang 6 der Schaltendstufe 4 also eine Ausgangsspannung von 50 % · 2000 V = 1000 V erzeugt wird. Bricht nun, beispielsweise aufgrund einer Netzschwankung und/oder einer Belastung, der tatsächliche Wert der Versorgungsspannung U_PST von dem Nennwert auf beispielsweise 1500 V ein, so wird mittels der VFB-Schaltung automatisch der Modulationsgrad auf ≈66, 67 % erhöht. Gemäß 66,67 % . 1500 V = 1000 V bleibt dann die Ausgangsspannung dennoch konstant, solange sich das entsprechende Regelsignal nicht verändert. Wird die Begrenzungseinstellung für die Begrenzungsstufe 14 auf den entsprechenden Wert gesetzt, so können dann also zuverlässig und sicher Ausgangsspannungen von -1000 V bis +1000 V erreicht werden. Erst wenn der tatsächliche Wert der Versorgungsspannung U_PST bis unter 1000 V absinkt, kann an dem Ausgang 6 keine Ausgangsspannung von 1000 V mehr erzeugt oder erreicht werden.
Insbesondere bei den Gradientenverstärkern 11, 31 ist ein im Sinne der Patientensicherheit sicherer Kontrollpfad vorgesehen, der aufgrund der relativ geringen Anzahl von Komponenten als kleiner Kontrollpfad bezeichnet werden kann. Der Kontrollpfad beginnt an der Begrenzungsstufe 14, umfasst den Modulator 3 sowie dessen Modulatorsignale MS1 bis MS4, die Schaltendstufe 4 und deren Versorgungsspannung U_PST und endet am Ausgang 6 der Schaltendstufe 4. Die Anzahl dieser Komponenten ist damit signifikant geringer als beispielsweise die Anzahl von Komponenten in einem vollständigen Ansteuerweg der MRT-Anlage. Da die MRT-Anlage den Gradientenverstärker 11, 31 umfassen kann, ist der Kontrollpfad in den Ansteuerweg der MRT-Anlage integriert oder eingebettet. Für den Kontrollpfad werden weder die Strommesseinheit 7 noch der Stromistwert 9 verwendet, sodass der Stromistwert 9 besonders vorteilhaft für einen Schutzpfad verwendet werden darf, ohne die Patientensicherheit zu gefährden und ohne dass ein unabhängiger zweiter Stromistwert 9 bestimmt oder erzeugt werden muss.
Sollen jedoch stromabhängige Toleranzen ausgeglichen werden, so ist dazu eine Information über den Stromistwert 9 nötig. Dies erfordert, dass für den Schutzpfad ein unabhängiger zweiter Stromistwert erzeugt wird oder der vorhandene Stromistwert 9 nie unbemerkt ausfallen darf, was realistisch kaum sicherzustellen ist.
Von dem Stromistwert 9 abhängig sind ein Spannungsabfall an einem ohmschen Widerstand einer an den Ausgang 6 angeschlossenen Last, ein nichtlinearer Spannungsabfall an Halbleiterelementen der Schaltendstufe 4, etwa an deren Schaltern S1 bis S4, sowie deren Durchlassspannungen und Schalteigenschaften. Diese stromabhängigen Toleranzen können durch eine Parallelverschiebung jeweiliger oberer oder positiver und unterer oder negativer Maximal- oder Endwerte oder Limits der jeweiligen Begrenzungseinstellung berücksichtigt werden.
Beispielsweise betrage der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand R_L der Gradientenspule 8 I·R_L und gewünscht sei eine Spulenspannung U, die der von der Schaltendstufe 4 ausgegebenen Ausgangsspannung U_aus entsprechen soll. Mit ansteigendem Spulenstrom I wird das Produkt I·R_L immer größer und die Spulenspannung U somit immer kleiner. Während eines Stromaufbaus gilt dabei U_auf = U_aus - I·R_L, das heißt die Spannung an der Gradientenspule wird mit steigendem Spulenstrom kleiner. Nun werde bei weiterhin vorhandenem Stromfluss abmagnetisert und die Ausgangsspannung der Schaltendstufe 4 auf eine umgekehrte oder entgegengesetzte Polarität geschaltet, wobei der Strom aber noch in die gleiche Richtung wie zuvor fließe. Bei einem darauf folgenden Stromabbau gilt dann für eine entsprechende Spannung U_ab = -U_aus - I·R_L. Somit wird beim Stromaufbau die an der Gradientenspule 8 wirksame Spannung U_auf in ihrem Betrag vermindert, die beim Stromabbau der Gradientenspule 8 wirksame Spannung U_ab in ihrem Betrag hingegen erhöht.
Dies kann durch eine Kompensierungsanpassung der Begrenzungseinstellung, also des Limits für die Begrenzungsstufe 14 kompensiert werden, indem in die Begrenzungseinstellung der Wert I·R_L zeit- und stromrichtungsabhängig eingerechnet wird. Für die Berechnung der stromabhängigen kompensierten Begrenzungseinstellung wird zu dem bisherigen oder unkompensierten Limit der Wert I·R_L addiert. Seien beispielsweise als positives Limit +1000 V und als negatives mit -1000 V vorgesehen. Weiterhin fließe dann beispielsweise ein Spulenstrom I, der einen Spannungsabfall an oder in der Gradientenspule 8 von momentan 50 V bewirke. Somit ergibt sich für das stromabhängige kompensierte positive Limit Limit_pos,komp(I) = +1000 V + 50 V = 1050 V und somit für den Stromaufbau eine Spulenspannung von U_auf = 1050 V - 50 V = 1000 V. Für das stromabhängige negative kompensierte Limit ergibt sich entsprechend Limit-_neg,komp (I) = -1000 V + 50 V = minus 950 V und entsprechend beim Stromabbau eine Spulenspannung von U_ab = -(-950 V) + 50 V = 1000 V. Durch die Parallelverschiebung der Limits - hier also beispielsweise um +50 V - wird also der Spannungsabfall am ohmschen Widerstand der Gradientenspule 8 - oder allgemein an einem entsprechenden Lastwiderstand - kompensiert. Findet durch eine entsprechende Ansteuerung bei fließendem Last- oder Spulenstrom ein augenblicklicher Wechsel von positiver zu negativer Spannung statt, so bleibt die Spulenspannung dann innerhalb des durch die kompensierten Limits vorgegebenen oder bestimmten Spannungsbereiches von ±1000 V.
Zum Kompensieren eines Einflusses der Halbleiterelemente der Schaltendstufe 4 kann entsprechend ein nichtlinearer Lastwiderstand, beispielsweise abhängig von einer Diodenkennlinie, angenommen und entsprechend der obigen Beispielrechnung ebenfalls zur Parallelverschiebung der Limits, also zum Berechnen oder Einstellen der entsprechenden kompensierten Limits verwendet werden. Ebenso kann, um einen Aufwand zu minimieren, pauschal eine typische Durchlassspannung der Halbleiterelemente der Schaltendstufe 4 in Abhängigkeit von der Stromrichtung zu den aktuellen, nicht kompensierten Limits addiert werden. Hierdurch kann der Einfluss der Halbleiterelemente zumindest in erster Näherung kompensiert werden.
Die verschiedenen hier beispielhaft beschriebenen Ausgestaltungen der MRT-Anlage und der Gradientenverstärker 1, 11, 31 können selbstverständlich miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise der in dem dritten Gradientenverstärker 31 vorgesehene Modulator 3 oder die in dem dritten Gradientenverstärker 31 vorgesehene Begrenzungsstufe 14 auch die Berechnungseinheit 18 aufweisen.

Claims

Schaltungsanordnung, insbesondere für eine MRT-Anlage, aufweisend einen Gradientenverstärker (1, 11, 31) mit - einer Schaltendstufe (4) zum Bereitstellen einer Spannung für eine Gradientenspule (8) der MRT-Anlage an einem Ausgang (6) der Schaltendstufe (4), - einer Regeleinrichtung (2) zum Regeln eines Stromes für die Gradientenspule (8) anhand eines vorgegebenen Stromsollwertes (10) und eines ausgangsseitig der Schaltendstufe (4) abgreifbaren Stromistwertes (9), und - einem elektrisch zwischen die Regeleinrichtung (2) und die Schaltendstufe (4) geschalteten Modulator (3) zum Erzeugen eines Modulatorsignals (MS1, MS2, MS3, MS4) zum Ansteuern der Schaltendstufe (4), welches eine Pulsbreitenmodulation für die Schaltendstufe (4) vorgibt, anhand eines von der Regeleinrichtung (2) ausgegebenen Regelsignals, dadurch gekennzeichnet, dass zum Sicherstellen der Patientensicherheit in einen zum Ansteuern der Gradientenspule (8) vorgesehenen Ansteuerweg der Schaltanordnung ein Kontrollpfad integriert ist, der eine der Regeleinrichtung (2) nachgeschaltete Begrenzungsstufe (14), den Modulator (3), die Schaltendstufe (4) und deren Versorgungsspannung (U_PST) umfasst, wobei die Begrenzungsstufe (14) zwischen die Regeleinrichtung (2) und einen Eingang des Modulators (3) geschaltet und zum Begrenzen des Regelsignals und somit auch der von der Schaltendstufe (4) bereitgestellten Spannung eingerichtet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontrollpfad entsprechende Überwachungen der Begrenzungsstufe (14), des Modulators (3), der Schaltendstufe (4) und/oder der Versorgungsspannung (U_PST) umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzpfad vorgesehen ist, welcher eine ausgangsseitig der Schaltendstufe (4) angeordnete Strommesseinheit (7) zum Messen des Stromistwertes (9), einen Übertragungsweg von der Strommesseinheit (7) zu einem Steuergerät (12) und einen Abschaltweg von dem Steuergerät (12) bis zu Ausgangstreibern des Modulators (3), die zum Ausgeben des Modulatorsignals (MS1, MS2, MS3, MS4) an die Schaltendstufe (4) vorgesehen sind, umfasst.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät (12) vorgesehen ist, welches zum Übermitteln einer Begrenzungseinstellung an die Begrenzungsstufe (14) und zum Auslesen einer aktuellen Begrenzungseinstellung aus der Begrenzungsstufe (14) mit dieser verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungsstufe (14) mit einer Berechnungseinheit (18) zum Bestimmen eines Effektivwertes der resultierenden Spannung für wenigstens einen Kanal, insbesondere für drei Kanäle, der Gradientenspule (8) anhand eines Ausgangssignals der Begrenzungsstufe (14) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von einerseits wenigstens einem vorgegebenen ersten Schwellenwert (25) und andererseits dem Effektivwert je eines Kanals oder einer gewichteten Summe der Effektivwerte der drei Kanäle eine Begrenzungseinstellung der Begrenzungsstufe (14) anzupassen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (18) - einen Tiefpass (23), insbesondere erster Ordnung, und einen ersten Komparator (24) zum Vergleichen eines Ausgangssignals des Tiefpasses (23) mit dem ersten Schwellenwert (25) aufweist und - dazu eingerichtet ist, bei einem Erreichen des ersten Schwellenwertes (25) die Begrenzungseinstellung auf einen vorgegebenen, unterhalb eines vorgegebenen Maximalwertes liegenden reduzierten Wert, bevorzugt auf 56% des Maximalwertes, anzupassen.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungseinheit (18) - einen zweiten Komparator (26) zum Vergleichen des Ausgangssignals des Tiefpasses (23) mit einem gegenüber dem ersten Schwellenwert (25) kleineren zweiten Schwellenwert (27) aufweist und - dazu eingerichtet ist, die Begrenzungseinstellung erst bei einem Absinken des Ausgangssignals des Tiefpasses (23) auf den zweiten Schwellenwert (27) freizugeben.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gradientenverstärker (1, 11, 31) eine Spannungs-Feedback-Schaltung (32, 33) aufweist, welche dazu eingerichtet ist, - die Versorgungsspannung (U_PST) der Schaltendstufe (4) zu messen und - ein in Abhängigkeit von der gemessenen Versorgungsspannung (U_PST) bestimmtes Korrektursignal in die elektrische Verbindung zwischen der Begrenzungsstufe (14) und dem Modulator (3) einzuschleifen und dadurch für jedes konstante Regelsignal ein Produkt eines entsprechenden Modulationsgrades der Pulsbreitenmodulation und der Versorgungsspannung (U_PST) der Schaltendstufe (4) zumindest im Wesentlichen konstant zu halten.
MRT-Anlage, aufweisend eine Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ein mit der Schaltungsanordnung verbundenes Steuergerät (12) zum Vorgeben einer Begrenzungseinstellung für die Begrenzungsstufe (14) und eine ausgangsseitig der Schaltendstufe (4) angeordnete Strommesseinheit (7) zum Messen des Stromistwerts (9), die zum Übermitteln des Stromistwertes (9) an die Regeleinrichtung (2) mit dieser elektrisch verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer MRT-Anlage nach Anspruch 9, bei dem - mittels der Regeleinrichtung (2) in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem vorgegebenen Stromsollwert (10) und dem ausgangsseitig der Schaltendstufe (4) abgegriffenen Stromistwert (9) das Regelsignal erzeugt und an die Begrenzungsstufe (14) ausgegeben wird, - mittels des Steuergerätes (12) eine aktuelle Begrenzungseinstellung für die Begrenzungsstufe (14) vorgegeben wird, - mittels der Begrenzungsstufe (14) das gemäß der aktuellen Begrenzungseinstellung begrenzte Regelsignal an den Modulator (3) ausgegeben wird, - mittels des Modulators (3) in Abhängigkeit von dem begrenzten Regelsignal ein Modulatorsignal (MS1, MS2, MS3, MS4) erzeugt wird, - durch das Modulatorsignal (MS1, MS2, MS3, MS4) eine Pulsbreitenmodulation für die Schaltendstufe (4) zum Bereitstellen der Spannung für die Gradientenspule (8) vorgegeben wird, wobei durch die Begrenzungseinstellung auch die von der Schaltendstufe (4) bereitgestellte Spannung begrenzt wird und - die Patientensicherheit durch den Kontrollpfad sichergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Patientensicherheit durch den Kontrollpfad und entsprechende Überwachungen von Komponenten (14, 3, MS1, MS2, MS3, MS4, 4, U_PST, 16, 31, 33) des Kontrollpfades sichergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromistwert (9) an eine Überwachungseinrichtung (12) übermittelt wird und dort anhand des übermittelten Stromistwerts (9) ermittelt wird, ob ein vorgegebener Maximalwert für eine zeitliche Änderungsgeschwindigkeit eines mittels der MRT-Anlage erzeugten Magnetfeldes und/oder eines mittels der Gradientenspule (8) erzeugten räumlichen Magnetfeldgradienten überschritten wird, und - bei einem Überschreiten des Maximalwertes von der Überwachungseinrichtung (12) ein Anschaltsignal an ein Überwachungselement des Gradientenverstärkers (1, 11, 31) übermittelt, durch welches der Modulator (3) in einen Freilaufkreis geschaltet wird und, bevorzugt mit einer Verzögerung von weniger als 50 ms, ein Sperren von Ausgangstreibern des Modulators (3), die zum Ausgeben des Modulatorsignals (MS1, MS2, MS3, MS4) an die Schaltendstufe (4) vorgesehen sind, auslöst.