DE112016006563T5

DE112016006563T5 - Reduzierung magnetischer Feldinstabilitäten durch Oszillationen eines mechanischen Kryokühlers in magnetischen Resonanzsystemen

Info

Publication number: DE112016006563T5
Application number: DE112016006563.9T
Authority: DE
Inventors: Chad Tyler HARRIS; Geron André Bindseil; Alexander Gyles PANTHER; Philip J. Beatty; Jeff Alan Stainsby
Original assignee: Synaptive Medical Barbados Inc
Current assignee: Synaptive Medical Inc
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2018-11-22
Also published as: CA3017068C; GB201816430D0; JP6699977B2; GB2563557A; WO2017153805A1; GB2563557B; US10809330B2; CN108700639B; CA3017068A1; US11567155B2; JP2019511281A; US20190033403A1; US20210003648A1; CN108700639A

Abstract

Beschrieben werden hier Systeme und Verfahren zur Abschwächung oder anderweitigen Beseitigung der Auswirkungen von kurzzeitigen Magnetfeldinstabilitäten, die durch Schwingungen des Kaltkopfes in einem kryogenfreien Magnetsystem verursacht werden, das für Magnetresonanzsysteme verwendet wird, wie zum Beispiel Magnetresonanztomographie („MRT“). Systeme, kernmagnetische Resonanz- („NMR“) - Systeme oder dergleichen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Gebiet der Erfindung sind Systeme und Verfahren für die Magnetresonanz. Insbesondere betrifft die Erfindung Systeme und Verfahren zum Reduzieren von Magnetfeldinstabilitäten, die durch Schwingungen eines mechanischen Kryokühlers in Magnetresonanzsystemen verursacht werden.
Leitungsgekühlte, kryogenfreie Magnetsysteme erfordern, dass der Kaltkopf (d. H. die Kühlquelle) viel näher an den Magnetwicklungen angeordnet ist als in einem typischen Magnetsystem, das ein Heliumbad enthält. Diese Anforderung besteht darin, dass die Wärmeübertragung über die Leitung entlang Kupfer erfolgt und die Vergrößerung des Abstandes des Kaltkopfes von den Wicklungen die Kühleffizienz signifikant reduziert. Es ist auch wünschenswert, den Kaltkopf in der Nähe der Wicklungen zu haben, um die Gesamtgröße des Systems zu reduzieren.
Derzeit sind zwei Arten von Kaltkopf erhältlich: Gifford-McMahon („GM“), der derzeit gebräuchlichste Kaltkopf, und Pulsrohr. In beiden Fällen gibt es ein Material, das Regenerator genannt wird. Dieses Material ist verantwortlich für das Entfernen der letzten Hitzestücke, um auf weniger als 4 Kelvin (K) zu kommen. Das Regeneratormaterial besteht typischerweise aus einer Erbium-Nickel-Verbindung, die magnetisiert wird, wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird. Die Größe der Magnetisierung des Materials (sein magnetisches Moment) hängt sowohl von der Größe des angelegten Magnetfelds als auch von seiner Temperatur ab.
In einem GM-Kaltkopf bewegt sich das Regeneratormaterial mit einer genau definierten Frequenz auf und ab, wobei es sich sowohl einem variablen Magnetfeld aussetzt als auch während des gesamten Kühlzyklus die Temperatur ändert. In einem Pulsrohrkühlkopf bewegt sich das Regeneratormaterial nicht, aber seine Temperatur wird immer noch schwanken. In beiden Fällen bewirken die Oszillationen und Temperaturschwankungen, dass das Regeneratormaterial wie ein winziger magnetischer Dipol mit fluktuierender Größe wirkt. In gegenwärtig verfügbaren Magnetresonanzsystemen hat dieser erzeugte magnetische Dipol wenig Wirkung, weil der Kaltkopf so weit von dem Abbildungsbereich entfernt ist; Bei kryogenfreien Magneten ist dies jedoch nicht der Fall. Die durch diesen Effekt verursachte kurzfristige Feldinstabilität führt zu einem „Phantombild“.
Es bleibt somit ein Bedarf, Systeme und Verfahren zum Reduzieren oder anderweitigen Eliminieren von Magnetfeldinstabilitäten bereitzustellen, die durch Schwingungen eines mechanischen Kryokühlers in Magnetresonanzsystemen verursacht werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung überwindet die zuvor genannten Nachteile, indem sie ein Verfahren zum Reduzieren von Magnetfeldinstabilitätseffekten bereitstellt, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch Schwingungen eines Kaltkopfes in einem mechanischen Kryokühler in einem Magnetresonanzsystem erzeugt werden. Das Verfahren umfasst das Bestimmen eines räumlichen Profils für die Magnetfeldinstabilitäten, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch Schwingungen des Kaltkopfes in dem mechanischen Kryokühler erzeugt werden. Dann werden mit einem Computersystem und teilweise basierend auf dem bestimmten räumlichen Profil für die Magnetfeldinstabilitäten Steuerparameter bestimmt, die mindestens einem elektromagnetischen Korrekturfeld zugeordnet sind. Dieses mindestens ein korrigierendes elektromagnetisches Feld wird so bestimmt, dass es bei seiner Erzeugung die Magnetfeldinstabilitäten reduziert, die durch die zeitvariablen Dipolfelder verursacht werden, die durch Schwingungen des Kaltkopfes in dem mechanischen Kryokühler erzeugt werden. Ein Zyklus des mechanischen Kryokühlers wird verfolgt und zu einem Zeitpunkt, der durch den Zyklus des mechanischen Kryokühlers bestimmt ist, wird das mindestens eine korrigierende elektromagnetische Feld erzeugt, wodurch die Magnetfeldinstabilitäten reduziert werden, die durch die zeitvarianten Dipolfelder verursacht werden, die durch Oszillationen des Kaltkopfes im mechanischen Kryokühler erzeugt werden.
Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, eine passive Kompensationsspule zum Reduzieren von Magnetfeldinstabilitäten zu schaffen, die durch zeitlich variierende Dipolfelder verursacht werden, die bei einer Oszillationsfrequenz oszillieren und von einem mechanischen Kryokühler erzeugt werden, der einen Teil eines Magnetresonanzsystems bildet. Die passive Kompensationsspule umfasst im Allgemeinen mindestens eine leitfähige Schleife, die aus einem leitfähigen Material besteht und in der Nähe eines Kaltkopfes in dem mechanischen Kryokühler positioniert ist, wobei eine Dicke der mindestens einen leitfähigen Schleife mindestens eine Sprungtiefe des leitfähigen Materials auf der Basis der Oszillationsfrequenz hat, bei der die zeitvariablen Dipolfelder oszillieren.
Es ist noch ein weiterer Aspekt der Erfindung, eine aktive Abschirmung zum Reduzieren von Magnetfeldinstabilitäten bereitzustellen, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch einen mechanischen Kryokühler erzeugt werden, der einen Teil eines Magnetresonanzsystems bildet. Die aktive Abschirmung umfasst im Allgemeinen Magnetwicklungen, die in der Nähe eines Kaltkopfes des mechanischen Kryokühlers positioniert sind und von einer Steuerung angesteuert werden, um elektromagnetische Felder zu erzeugen, die ein magnetisches Moment von Regeneratormaterialien in dem Kaltkopf reduzieren, wodurch die Magnetfeldinstabilitäten reduziert werden, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch den mechanischen Kryokühler erzeugt werden.
Die vorstehenden und anderen Aspekte und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt wird. Eine solche Ausführungsform stellt jedoch nicht notwendigerweise den vollen Umfang der Erfindung dar, und daher wird zur Beschreibung des Umfangs der Erfindung auf die Ansprüche und hierin Bezug genommen.
Figurenliste

1 zeigt einen beispielhaften mechanischen Kryokühler mit einer aktiv betriebenen Kompensationsspule zum Mindern von Feldinstabilitäten, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch den Kaltkopf erzeugt werden.
2 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern einer aktiv angesteuerten Kompensationsspule zum Abschwächen von Feldinstabilitäten zeigt, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch den Kaltkopf in einem mechanischen Kryokühler erzeugt werden.
3 ist ein Flussdiagramm, das die Schritte eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern der Shim- sowie Gradientenspulen in einem Magnetresonanzsystem zum Abschwächen von Feldinstabilitäten zeigt, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch den Kaltkopf in einem mechanischen Kryokühler erzeugt werden.
4 zeigt einen beispielhaften mechanischen Kryokühler mit einer oder mehreren passiven Kompensationsspulen zum Mindern von Feldinstabilitäten, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch den Kaltkopf erzeugt werden.
5 zeigt einen beispielhaften mechanischen Kryokühler mit aktiver Abschirmung zum Mindern von Feldinstabilitäten, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch den Kaltkopf erzeugt werden.
6 zeigt einen beispielhaften mechanischen Kryokühler mit passiver Abschirmung zum Abschwächen von Feldinstabilitäten, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch den Kaltkopf erzeugt werden.
7 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Magnetresonanzbildgebungs-(„MRT“) Systems, das einen mechanischen Kryokühler enthalten kann.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es werden Systeme und Verfahren beschrieben, um die Effekte von Kurzzeit-Magnetfeldinstabilitäten abzuschwächen oder anderweitig zu entfernen, die durch Schwingungen des Kaltkopfes in einem kryogenfreien Magnetsystem verursacht werden, das für Magnetresonanzsysteme, wie Magnetresonanztomographie („MRT“) - Systeme, kernmagnetische Resonanz („NMR“) - Systeme oder dergleichen, verwendet wird. Im Allgemeinen umfassen solche kryogenfreien Magnetsysteme einen supraleitenden Magneten, der durch einen mechanischen Kryokühler gekühlt wird. Der mechanische Kryokühler kann ein Gifford-McMahon („GM“) - Kryokühler oder ein Pulsrohr-Kryokühler sein. Ferner können Pulsrohr-Kryokühler Pulsationsrohr-Kryokühler vom GM-Typ oder Stirling-Typ umfassen.
Die von einem mechanischen Kryokühler verursachten Feldinstabilitäten werden durch ein zeitlich variierendes Dipolmagnetfeld an der Stelle des Kaltkopfes verursacht. Im Allgemeinen haben diese Feldinstabilitäten eine Schwingungsfrequenz von etwa 1-1,2 Hz. Die Systeme und Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen Techniken zur Verfügung, um die schädlichen Effekte der Magnetfeldinstabilitäten, die durch das zeitvariable Dipolfeld verursacht werden, das durch den mechanischen Kryokühler erzeugt wird, zu mildern oder anderweitig zu eliminieren.
In einigen Ausführungsformen kann die Feldinstabilität, die durch einen mechanischen Kryokühler verursacht wird, unter Verwendung einer aktiv betriebenen Kompensationsspule gemildert werden. Wie in 1 gezeigt, kann die aktiv angetriebene Kompensationsspule (10) in der Nähe des Kaltkopfes (12) eines mechanischen Kryokühlers positioniert sein. Die aktiv angesteuerte Kompensationsspule (10) wird durch eine Steuerung (14) gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren angesteuert. Die aktiv angetriebene Kompensationsspule (10) kann, wie nachfolgend beschrieben, einen speziell ausgebildeten Elektromagneten umfassen.
Wie oben ausgeführt, wird die durch einen mechanischen Kryokühler verursachte Feldinstabilität durch ein zeitlich variierendes Dipolmagnetfeld an der Stelle des Kaltkopfes verursacht. Das räumliche Muster des Dipolmagnetfelds kann gemessen oder simuliert werden, und ein Elektromagnet kann basierend auf diesen Messungen oder Simulationen entworfen werden, um die Effekte des zeitvariablen Dipolmagnetfeldes zu entfernen. Der Strom, der dem Elektromagneten zugeführt wird, würde so gewählt werden, dass er mit der gleichen Frequenz wie die Feldinstabilität oszilliert, wodurch ein Magnetfeld erzeugt wird, das die Feldinstabilität stört und mildert. Diese Implementierung würde eine Verfolgung des Zyklus des Kaltkopfes erfordern.
Bezugnehmend auf 2 ist ein Flussdiagramm dargestellt, das die Schritte eines beispielhaften Verfahrens zum Abschwächen der durch einen mechanischen Kryokühler verursachten Feldinstabilität unter Verwendung eines Elektromagneten veranschaulicht, der speziell ausgelegt oder betrieben wird, um eine aktive Kompensation bereitzustellen, um die Feldinstabilität aufzuheben oder anderweitig abzuschwächen. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von Informationen in Bezug auf das zeitvariable Dipolfeld, das von dem mechanischen Kryokühler erzeugt wird, wie in Schritt 202 angegeben. In einigen Fällen kann diese Information durch Messen des Dipolfeldes bereitgestellt werden, das durch den mechanischen Kryokühler im Betrieb erzeugt wird. In einigen anderen Fällen kann diese Information bereitgestellt werden, indem das Dipolfeld simuliert wird, das durch den mechanischen Kryokühler im Betrieb erzeugt werden sollte. Diese Information kann verwendet werden, um korrigierende elektromagnetische Felder zu bestimmen, die, wenn sie in der Nähe des Kaltkopfes erzeugt werden, die Magnetfeldinstabilitäten, die durch die zeitveränderlichen Dipolfelder verursacht werden, abschwächen oder auf andere Weise eliminieren. In einigen Fällen werden Steuerparameter bestimmt, die den Betrieb eines Elektromagneten zum Erzeugen der korrigierenden elektromagnetischen Felder definieren.
In jedem Fall wird dann ein Elektromagnet zum Mindern der Feldinstabilität, der durch dieses Dipolfeld verursacht wird, basierend auf der bereitgestellten Information entworfen, wie in Schritt 204 angezeigt. Die Konstruktion kann den physikalischen Aufbau des Elektromagneten umfassen oder kann Informationen wie die oben erwähnten Steuerparameter enthalten, die zeigen, wie ein bestimmter Elektromagnet betrieben wird, um die korrigierenden elektromagnetischen Felder zu erzeugen, um die Feldinstabilität abzuschwächen. In jedem Fall ist es vorzuziehen, den Zyklus des Kaltkopfes in dem mechanischen Kryokühler zu verfolgen. Somit wird der Zyklus des mechanischen Kryokühlers verfolgt, wie in Schritt 206 angezeigt. Die Verfolgung des Zyklus des mechanischen Kryokühlers erfolgt so, dass der Betrieb des Elektromagneten mit den durch den mechanischen Kryokühler erzeugten Dipolfeldern synchronisiert werden kann, wodurch die Minderung der Feldinstabilität erhöht wird.
Als ein Beispiel kann der Zyklus des Kaltkopfes in dem mechanischen Kryokühler verfolgt werden, indem das Dipolfeld als eine Funktion der Zeit gemessen und identifiziert wird, wo in dem Stabilitätszyklus der Kryokühler gegenwärtig betrieben wird. Diese Messung kann beispielsweise unter Verwendung des Magnetresonanzsystems selbst oder mit einer Hall-Sonde oder dergleichen durchgeführt werden, die betriebsmäßig mit dem Kaltkopf gekoppelt ist. In diesem Fall kann die Information zu der Steuerung für die aktiv angesteuerte Kompensationsspule zurück übertragen werden und verwendet werden, um die Spule geeignet anzutreiben.
Als ein weiteres Beispiel kann der Motor der Kaltkopfpumpe verfolgt werden. Der Zyklus des Motors kann dann mit dem Dipolfeld korreliert werden, um Informationen über den Zyklus des mechanischen Kryokühlers bereitzustellen, wenn er sich auf das Dipolfeld bezieht, das an einem bestimmten Punkt im Zyklus erzeugt wird. In diesem Fall kann die Information über den Pumpenmotorzyklus zu der Steuerung für die aktiv betriebene Kompensationsspule zurück übertragen werden und dazu verwendet werden, die Spule geeignet anzutreiben.
Durch Verfolgen des Zyklus des mechanischen Kryokühlers und Bereitstellen der Information über das durch den Kryokühler erzeugte Dipolfeld kann der Elektromagnet in einer solchen Weise betrieben werden, dass ein Feld erzeugt wird, das die durch den mechanischen Kryokühler verursachte Feldinstabilität mildert, wie in Schritt 208 angezeigt. Wie oben erwähnt, kann der Elektromagnet strukturell so ausgelegt sein, dass er eine größere Effizienz bei der Abschwächung der Feldinstabilität bietet; im Allgemeinen kann die Elektromagnetkonstruktion jedoch Informationen über die dem Elektromagneten zuzuführenden Ströme enthalten, die die gewünschten Felder erzeugen, um die Feldinstabilität auszugleichen. Somit kann der Elektromagnet unter Verwendung der bereitgestellten und erhaltenen Informationen, wie oben erörtert, als eine aktive Kompensationsspule betrieben werden, die speziell darauf zugeschnitten ist, die Feldinstabilitätseffekte des mechanischen Kryokühlers abzuschwächen.
In einigen Ausführungsformen kann die Feldinstabilität, die durch einen mechanischen Kryokühler verursacht wird, unter Verwendung einer aktiven Kompensationstechnik unter Verwendung von Bildgebungsspulen und digitaler Verarbeitung gemildert werden. Das räumliche Profil des von dem Regeneratormaterial im Kryokühler erzeugten Magnetfeldes wird in Abhängigkeit von dem Abstand zum Kaltkopf grob abfallen. Die Frequenz der Feldinstabilitätsoszillationen kann verfolgt werden und eine Kombination von Elektromagneten innerhalb der Bohrung des Magnetresonanzsystems (z. B. Gradienten- und Shim-Spulen) kann zusammen mit einer Demodulationsfrequenz verwendet werden, um die Auswirkungen der Oszillationen zu reduzieren.
Als ein Beispiel wird die Einstellung der Demodulationsfrequenz den Mittelwert der Oszillation entfernen, das Anwenden des y-Gradienten mit einer Oszillationsfrequenz wird eine lineare Funktion der Feldoszillation entfernen und das Anlegen der Shim-Spulen zweiter Ordnung mit einer Oszillationsfrequenz wird Terme zweiter Ordnung der Feldinstabilität entfernen. Dieser kombinierte Ansatz beseitigt die meisten Auswirkungen des Problems, ohne dass zusätzliche Hardware benötigt wird, die nicht bereits auf dem Magnetresonanzsystem vorhanden ist. Es versteht sich jedoch, dass eines oder mehrere dieser mildernden Merkmale je nach Art und Schwere der Feldinstabilitätseffekte allein oder in Kombination implementiert werden können.
Bezugnehmend auf 3 ist ein Ablaufdiagramm dargestellt, das die Schritte eines beispielhaften Verfahrens zum Abschwächen der Feldinstabilität veranschaulicht, die durch einen mechanischen Kryokühler unter Verwendung der Shim-Spulen, Gradientenspulen oder von beiden eines Magnetresonanzsystems verursacht wird. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen von Informationen in Bezug auf das zeitvariable Dipolfeld, das von dem mechanischen Kryokühler erzeugt wird, wie in Schritt 302 angegeben. In einigen Fällen kann diese Information durch Messen des Dipolfeldes bereitgestellt werden, das durch den mechanischen Kryokühler im Betrieb erzeugt wird. In einigen anderen Fällen kann diese Information bereitgestellt werden, indem das Dipolfeld simuliert wird, das durch den mechanischen Kryokühler im Betrieb erzeugt werden sollte. Informationen, die sich auf das zeitabhängige Dipolfeld beziehen, können die Frequenz, die Größe oder beides des Feldes umfassen. Diese Information kann verwendet werden, um korrigierende elektromagnetische Felder zu bestimmen, die, wenn sie in der Nähe des Kaltkopfes erzeugt werden, die Magnetfeldinstabilitäten, die durch die zeitveränderlichen Dipolfelder verursacht werden, abzuschwächen oder auf andere Weise zu eliminieren. In einigen Fällen werden Steuerparameter bestimmt, die den Betrieb von Shim-Spulen, Gradientenspulen oder beiden definieren, um die korrigierenden elektromagnetischen Felder zu erzeugen.
Es ist vorzuziehen, den Zyklus des mechanischen Kryokühlers zu verfolgen, um das Anlegen elektromagnetischer Felder zeitlich zu steuern, die durch die Shim-Spulen, Gradientenspulen oder beide erzeugt werden. Somit wird der Zyklus des mechanischen Kryokühlers, wie in Schritt 304 angegeben, verfolgt.
Als ein Beispiel kann der Zyklus des Kaltkopfes in dem mechanischen Kryokühler verfolgt werden, indem das Dipolfeld als eine Funktion der Zeit gemessen und identifiziert wird, wo der Kryokühler gegenwärtig in dem Stabilitätszyklus arbeitet. Diese Messung kann beispielsweise unter Verwendung des Magnetresonanzsystems selbst oder mit einer Hall-Sonde oder dergleichen durchgeführt werden, die betriebsmäßig mit dem Kaltkopf gekoppelt ist. In diesem Fall kann die Information zurück zu dem Magnetresonanzsystem übertragen werden, um die Shim-Spulen, Gradientenspulen oder beide geeignet anzutreiben.
Als ein anderes Beispiel kann der Motor der Kaltkopfpumpe verfolgt werden. Der Zyklus des Motors kann dann mit dem Dipolfeld korreliert werden, um Informationen über den Zyklus des mechanischen Kryokühlers bereitzustellen, wenn er sich auf das Dipolfeld bezieht, das an einem bestimmten Punkt im Zyklus erzeugt wird. In diesem Fall kann die Information über den Pumpenmotorzyklus zu dem Magnetresonanzsystem zurück übertragen werden, um die Shimspulen, Gradientenspulen oder beide geeignet anzutreiben.
Durch Verfolgen des Zyklus des mechanischen Kryokühlers und Bereitstellen der Information über das Dipolfeld, das durch den Kryokühler erzeugt wird, können die Shim-Spulen, Gradientenspulen oder beide der Magnetresonanzanlage in einer Weise betrieben werden, dass ein oder mehrere Felder erzeugt werden dies mildert die Feldinstabilität, die durch den mechanischen Kryokühler verursacht wird, wie in Schritt 306 angezeigt. Wie oben erwähnt, wird die Einstellung der Demodulationsfrequenz den Mittelwert der Oszillation entfernen, das Anlegen des y-Gradienten mit einer Oszillationsfrequenz wird eine lineare Funktion der Feldoszillation entfernen und das Anlegen der Shim-Spulen zweiter Ordnung mit einer Oszillationsfrequenz wird die Terme zweiter Ordnung der Feldinstabilität entfernen. Somit kann das Magnetresonanzsystem unter Verwendung der bereitgestellten und erhaltenen Informationen, wie oben diskutiert, betrieben werden, um aktiv die Feldinstabilitätseffekte des mechanischen Kryokühlers zu kompensieren.
In einigen Ausführungsformen, wie z.B. in 4 dargestellt, kann die Feldinstabilität, die durch einen mechanischen Kryokühler verursacht wird, unter Verwendung einer oder mehrerer passiv leitender Schleifen (16) gemildert werden, die in der Nähe des Kaltkopfes (12) positioniert sind. Als ein Beispiel könnten leitende Drahtschleifen oder anderes leitendes Material in der Nähe der Basis des Kaltkopfes angeordnet sein. Wenn sich der magnetische Dipol in seiner Größe ändert, wird ein sich ändernder magnetischer Fluss durch das leitende Material erzeugt, und dieser sich ändernde Fluss wird zu einem induzierten Strom führen, der der Flussänderung entgegenwirkt. Der induzierte Strom wird wirken, um das durch den Dipol im gesamten Raum erzeugte Feld aufzuheben. Die Zeitkonstante der leitenden Schleife (eine Funktion ihres Widerstands und ihrer Induktivität) sollte vorzugsweise lang sein verglichen mit der Schwingungsfrequenz, die ungefähr 1-1,2 Hz beträgt. Daher sollte die Schleife aus einem Material mit extrem niedrigem Widerstand bestehen. Als ein Beispiel kann die Schleife aus dickem kaltem Kupfer bestehen.
Für die passiven Leitungsschleifen sollte die Dicke des Leiters basierend auf der Hauttiefe für das Leitermaterial bei einer Ansteuerfrequenz um die Oszillationsfrequenz (z. B. etwa 1 Hz) ausgewählt werden. Für Kupfer, das unter 7 K abgekühlt ist, beträgt der spezifische Widerstand des Materials ist 2×10-11 Ωm. Bei einer Frequenz von 1 Hz beträgt die Hauttiefe von Kupfer circa 2,83 cm. Um das Magnetfeld um circa sechzig Prozent zu reduzieren, muss daher die Dicke t des Kupfers eine Hauttiefe aufweisen. Um den Effekt vollständig zu beseitigen, sollte die Dicke des Kupfers mindestens drei Hauttiefen dick sein (z. B. etwa 8,5 cm).
In einigen Ausführungsformen, wie z.B. in 5 gezeigt, kann die durch einen mechanischen Kryokühler verursachte Feldinstabilität abgeschwächt werden, indem der Kaltkopf (12) mit einer aktiven Abschirmung (18), die in der Nähe des Kaltkopfes (12) positioniert ist, aktiv abgeschirmt wird. Da das magnetische Moment des Materials von der Größe des äußeren Feldes abhängt, werden die Feldinstabilitätseffekte ebenfalls reduziert, wenn die magnetischen Momente der Materialien im Kaltkopf verringert werden. Das magnetische Moment in den Kaltkopfmaterialien kann reduziert werden, indem das Magnetfeld um den Kaltkopf mit einem aktiven Elektromagneten (18), der von einer Steuerung (20) gesteuert wird, abgeschirmt wird. Zum Beispiel kann die aktive Abschirmung das Entwerfen der Magnetwicklungen umfassen, um die Notwendigkeit eines Bereichs eines niedrigen Magnetfelds um den Kaltkopf einzuschließen. Im Allgemeinen wird in Betracht gezogen, dass die aktive Abschirmung basierend auf dem Typ des Regeneratormaterials im mechanischen Kryokühler, der Geometrie des mechanischen Kryokühlers, dem lokalen Magnetfeld, in dem der mechanische Kryokühler positioniert wird oder eine Kombination davon ausgelegt sein kann. Zum Beispiel werden das Design der Wicklungen in der aktiven Abschirmung (18), die Stromwellenformen durch die aktive Abschirmung (18) oder beide im Allgemeinen basierend auf dem bestimmten System ausgewählt. Wenn beispielsweise nur das Regeneratormaterial geändert wird, könnte das gleiche Design von Wicklungen in der aktiven Abschirmung (18) verwendet werden, aber die an der aktiven Abschirmung (18) bereitgestellte Stromwellenform könnte eine unterschiedliche Amplitude haben, abhängig davon, wie das Regeneratormaterial magnetisiert.
In einigen anderen Ausführungsformen, wie z.B. in 6 gezeigt, kann die durch einen mechanischen Kryokühler verursachte Feldinstabilität gemildert werden, indem der Kaltkopf (12) passiv mit passiver Abschirmung (22) abgeschirmt wird. Als ein Beispiel kann die passive Abschirmung (22) ein ferromagnetisches Material umfassen, das um den Kaltkopf positioniert ist. Als ein anderes Beispiel kann die passive Abschirmung (22) supraleitende Schleifen umfassen, die um den Kaltkopf angeordnet sind, aber nicht in Serie mit den Magnetwicklungen. In diesem letzteren Beispiel werden die supraleitenden Schleifen so wirken, dass sie einen magnetischen Nulldurchfluss durch ihr Zentrum aufrechterhalten, müssen jedoch so ausgelegt sein, dass ein Rampen zum Feld nicht dazu führt, dass diese supraleitenden Schleifen ihre kritische Stromdichte überschreiten.
Unter Bezugnahme insbesondere auf 7 ist ein Beispiel eines Magnetresonanzbildgebungssystems („MRT“) (700) dargestellt. Das MRT-System (700) umfasst eine Bediener-Arbeitsstation (702), die typischerweise eine Anzeige (704) umfasst; eine oder mehrere Eingabevorrichtungen (706), wie zum Beispiel eine Tastatur und eine Maus; und einen Prozessor (708). Der Prozessor (708) kann eine im Handel erhältliche programmierbare Maschine enthalten, auf der ein kommerziell verfügbares Betriebssystem läuft. Die Bediener-Arbeitsstation (702) stellt die Bedienerschnittstelle bereit, die es ermöglicht, Scan-Vorgaben in das MRT-System (700) einzugeben. Im Allgemeinen kann die Bediener-Arbeitsstation (702) mit vier Servern verbunden sein: einem Pulssequenz-Server (710); einem Datenerfassungsserver (712); einem Datenverarbeitungsserver (714); und einem Datenspeicherserver (716). Die Bediener-Arbeitsstation (702) und jeder Server (710, 712, 714 und 716) sind verbunden, um miteinander zu kommunizieren. Zum Beispiel können die Server (710, 712, 714 und 716) über ein Kommunikationssystem (740) verbunden sein, das irgendeine geeignete Netzwerkverbindung umfassen kann, ob drahtgebunden, drahtlos oder eine Kombination aus beidem. Als ein Beispiel kann das Kommunikationssystem (740) sowohl proprietäre oder dedizierte Netzwerke als auch offene Netzwerke wie das Internet umfassen.
Der Pulssequenz-Server (710) funktioniert als Reaktion auf Anweisungen, die von der Bediener-Arbeitsstation (702) heruntergeladen werden, um ein Gradientensystem (718) und ein Radiofrequenz- („RF“) System (720) zu betreiben. Gradientenwellenformen, die zum Ausführen der vorgeschriebenen Abtastung erforderlich sind, werden erzeugt und an das Gradientensystem (718) angelegt, das Gradientenspulen in einer Anordnung (722) anregt, um die Magnetfeldgradienten Gx, Gy und Gz zu erzeugen, die für positionscodierende Magnetresonanzsignale verwendet werden. Die Gradientenspulenanordnung (722) bildet einen Teil einer Magnetanordnung (724), die einen Polarisationsmagnet (726) und eine Ganzkörper-HF-Spule (728) enthält.
HF-Wellenformen werden durch das HF-System (720) an die HF-Spule (728) oder eine separate lokale Spule (in 7 nicht gezeigt) angelegt, um die vorgeschriebene Magnetresonanzimpulsfolge durchzuführen. Von der HF-Spule (728) erfasste ansprechende Magnetresonanzsignale oder eine separate lokale Spule (in 7 nicht gezeigt) werden von dem HF-System (720) empfangen, wo sie unter Richtung der vom Pulssequenz-Server (710) erzeugten Befehle verstärkt, demoduliert, gefiltert und digitalisiert werden. Das HF-System (720) umfasst einen HF-Sender zum Erzeugen einer großen Vielfalt von HF-Impulsen, die in MRT-Impulssequenzen verwendet werden. Der HF-Sender reagiert auf die Scanvorschrift und die Richtung von dem Pulssequenzserver (710), um HF-Pulse der gewünschten Frequenz-, Phasen- und Pulsamplitudenwellenform zu erzeugen. Die erzeugten HF-Impulse können an die Ganzkörper-HF-Spule (728) oder an eine oder mehrere lokale Spulen oder Spulenanordnungen (in 7 nicht gezeigt) angelegt werden.
Das HF-System (720) umfasst auch einen oder mehrere HF-Empfängerkanäle. Jeder HF-Empfängerkanal enthält einen HF-Vorverstärker, der das Magnetresonanzsignal verstärkt, das von der Spule (728) empfangen wird, mit der es verbunden ist, und einen Detektor, der die I- und Q-Quadraturkomponenten des empfangenen Magnetresonanzsignals detektiert und digitalisiert. Die Größe des empfangenen Magnetresonanzsignals kann daher an jedem beliebigen Abtastpunkt durch die Quadratwurzel der Summe der Quadrate der I- und Q-Komponenten bestimmt werden: $M = \sqrt{I^{2} + Q^{2}}$
und die Phase des empfangenen Magnetresonanzsignals kann auch gemäß der folgenden Beziehung bestimmt werden: $φ = {tan}^{- 1} (\frac{Q}{I})$
Der Pulssequenz-Server (710) empfängt optional auch Patientendaten von einer physiologischen Erfassungssteuerung (730). Beispielsweise kann die physiologische Erfassungssteuerung (730) Signale von einer Anzahl verschiedener Sensoren empfangen, die mit dem Patienten verbunden sind, wie z. B. Elektrokardiographensignale („EKG“) von Elektroden oder Atmungssignale von einem Atmungsbalgen oder einer anderen Atmungsüberwachungsvorrichtung. Solche Signale werden typischerweise von dem Pulssequenz-Server (710) verwendet, um die Durchführung der Abtastung mit dem Herzschlag oder der Atmung des Patienten zu synchronisieren oder zu „gatten“.
Der Pulssequenz-Server (710) ist auch mit einer Scanraum-Schnittstellenschaltung (732) verbunden, die Signale von verschiedenen Sensoren empfängt, die dem Zustand des Patienten und des Magnetsystems zugeordnet sind. Durch die Scanraum-Schnittstellenschaltung (732) empfängt ein Patientenpositionierungssystem (734) auch Befehle, um den Patienten während des Scans in gewünschte Positionen zu bewegen.
Die digitalisierten Magnetresonanzsignalabtastwerte, die von dem RF-System (720) erzeugt werden, werden von dem Datenerfassungsserver (712) empfangen. Der Datenerfassungsserver (712) arbeitet in Reaktion auf Anweisungen, die von der Bediener-Arbeitsstation (702) heruntergeladen werden, um die Echtzeit-Magnetresonanzdaten zu empfangen und einen Pufferspeicher bereitzustellen, so dass keine Daten durch Datenüberlauf verloren gehen. Bei einigen Abtastungen gibt der Datenerfassungsserver (712) wenig mehr als die erfassten Magnetresonanzdaten an den Datenverarbeitungsserver (714) weiter. Bei Scans, die Informationen benötigen, die von erfassten Magnetresonanzdaten abgeleitet werden, um die weitere Durchführung des Scans zu steuern, ist der Datenerfassungsserver (712) jedoch so programmiert, dass er solche Informationen erzeugt und sie an den Pulssequenzserver (710) übermittelt. Zum Beispiel werden während Vorscans Magnetresonanzdaten erfasst und verwendet, um die von dem Pulssequenzserver (710) durchgeführte Pulssequenz zu kalibrieren. Als ein anderes Beispiel können Navigatorsignale erfasst und verwendet werden, um die Betriebsparameter des HF-Systems (720) oder des Gradientensystems (718) einzustellen, oder um die Ansichtsreihenfolge zu steuern, in der k-Raum abgetastet wird. In noch einem anderen Beispiel kann der Datenakquisitionsserver (712) auch verwendet werden, um Magnetresonanzsignale zu verarbeiten, die verwendet werden, um die Ankunft eines Kontrastmittels in einer Magnetresonanzangiographie („MRA“) - Abtastung zu detektieren. Beispielsweise erfasst der Datenerfassungsserver (712) Magnetresonanzdaten und verarbeitet sie in Echtzeit, um Informationen zu erzeugen, die zur Steuerung der Abtastung verwendet werden.
Der Datenverarbeitungsserver (714) empfängt Magnetresonanzdaten von dem Datenerfassungsserver (712) und verarbeitet sie gemäß Anweisungen, die von der Bediener-Arbeitsstation (702) heruntergeladen wurden. Eine derartige Verarbeitung kann zum Beispiel eines oder mehrere der folgenden umfassen: Rekonstruieren von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bildern durch Durchführen einer FourierTransformation von rohen k-Raum-Daten; Durchführen anderer Bildrekonstruktionsalgorithmen, wie beispielsweise iterative oder Rückprojektions-Rekonstruktionsalgorithmen; Anwenden von Filtern auf rohe k-Raum-Daten oder auf rekonstruierte Bilder; Erzeugen von funktionellen Magnetresonanzbildern; Berechnen von Bewegungs- oder Flussbildern; und so weiter.
Bilder, die durch den Datenverarbeitungsserver (714) rekonstruiert wurden, werden zu der Bediener-Arbeitsstation (702) zurück übertragen, wo sie gespeichert werden. Echtzeitbilder werden in einem Datenbankspeichercache (in 7 nicht gezeigt) gespeichert, von dem sie an die Bedieneranzeige (702) oder eine Anzeige (736) ausgegeben werden können, die sich in der Nähe der Magnetanordnung (724) zur Verwendung durch behandelnde Ärzte befindet. Stapelmodusbilder oder ausgewählte Echtzeitbilder werden in einer Host-Datenbank auf dem Plattenspeicher (738) gespeichert. Wenn solche Bilder rekonstruiert und zum Speicher übertragen wurden, benachrichtigt der Datenverarbeitungsserver (714) den Datenspeicherserver (716) auf der Bediener-Arbeitsstation (702). Die Bediener-Arbeitsstation (702) kann von einem Bediener verwendet werden, um die Bilder zu archivieren, Filme zu erzeugen oder die Bilder über ein Netzwerk an andere Einrichtungen zu senden.
Das MRT-System (700) kann auch eine oder mehrere vernetzte Arbeitsstationen (742) umfassen. Beispielsweise kann eine vernetzte Arbeitsstation (742) eine Anzeige (744) enthalten; eine oder mehrere Eingabevorrichtungen (746), wie etwa eine Tastatur und eine Maus und einen Prozessor (748). Die vernetzte Arbeitsstation (742) kann sich innerhalb der gleichen Einrichtung wie die Bediener-Arbeitsstation (702) oder in einer anderen Einrichtung, wie einer anderen Gesundheitseinrichtung oder Klinik befinden.
Die vernetzte Arbeitsstation (742) kann, ob innerhalb der gleichen Einrichtung oder in einer anderen Einrichtung als die Bediener-Arbeitsstation (702), Fernzugriff auf den Datenverarbeitungsserver (714) oder den Datenspeicherserver (716) über das Kommunikationssystem (740) erlangen. Dementsprechend können mehrere vernetzte Arbeitsstationen (742) Zugriff auf den Datenverarbeitungsserver (714) und den Datenspeicherserver (716) haben. Auf diese Weise können Magnetresonanzdaten, rekonstruierte Bilder oder andere Daten zwischen dem Datenverarbeitungsserver (714) oder dem Datenspeicherserver (716) und den vernetzten Arbeitsstationen (742) ausgetauscht werden, so dass die Daten oder Bilder von einer vernetzten Arbeitsstation (742) fern verarbeitet werden können. Diese Daten können in jedem geeigneten Format ausgetauscht werden, beispielsweise in Übereinstimmung mit dem Übertragungssteuerprotokoll („TCP“), dem Internetprotokoll („IP“) oder anderen bekannten oder geeigneten Protokollen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, und es sollte anerkannt werden, dass viele Äquivalente, Alternativen, Variationen und Modifikationen neben den ausdrücklich angegebenen möglich sind und innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.

Claims

Verfahren zur Verringerung von Effekten von Magnetfeldinstabilitäten, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch Schwingungen eines Kaltkopfes in einem mechanischen Kryokühler in einem Magnetresonanzsystem erzeugt werden, wobei die Schritte des Verfahrens folgendes umfassen: (a) Bestimmen eines räumlichen Profils für die Magnetfeldinstabilitäten, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch Schwingungen des Kaltkopfes in dem mechanischen Kryokühler erzeugt werden; (b) Bestimmen mit einem Computersystem und teilweise basierend auf dem bestimmten räumlichen Profil für die Magnetfeldinstabilitäten, Steuerparameter, die zu mindestens einem korrigierenden elektromagnetischen Feld gehören, das, wenn es erzeugt wird, die Magnetfeldinstabilitäten reduziert, die durch die zeitvariablen Dipolfelder verursacht werden, die durch Schwingungen des Kaltkopfs in dem mechanischen Kryokühler erzeugt werden; (c) Verfolgen eines Zyklus des mechanischen Kryokühlers; und (d) Erzeugen zu einem Zeitpunkt, der durch den Zyklus des mechanischen Kryokühlers bestimmt ist, und Verwenden der Steuerparameter des mindestens einen korrigierenden elektromagnetischen Feldes, wodurch die Magnetfeldinstabilitäten reduziert werden, die durch die zeitvariablen Dipolfelder verursacht werden, die durch Oszillationen des Kaltekopfes in dem mechanischen Kryokühler erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine elektromagnetische Korrekturfeld durch Betätigen eines Elektromagneten erzeugt wird, der in der Nähe eines Kaltkopfes des mechanischen Kryokühlers positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet teilweise auf dem ermittelten Raumprofil für die Magnetfeldinstabilitäten durch zeitvariable Dipolfelder, die durch Schwingungen des Kaltkopfes im mechanischen Kryokühler erzeugt werden, ausgelegt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine korrigierende elektromagnetische Feld durch Betreiben einer Shim-Spule oder einer Gradientenspule, die einen Teil der Magnetresonanzanlage bildet, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Gradientenspulen betrieben wird, um ein Magnetfeld bei einer Frequenz der zeitvariablen Dipolfelder zu erzeugen, um eine lineare Funktion der Magnetfeldinstabilitäten zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Shim-Spulen betrieben wird, um ein Magnetfeld bei einer Frequenz der zeitvariablen Dipolfelder zu erzeugen, um Terme zweiter Ordnung der Magnetfeldinstabilitäten zu entfernen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Daten mit der Magnetresonanz erfasst werden, während eine Demodulationsfrequenz der Magnetresonanzanlage basierend auf einer Frequenz der zeitvariablen Dipolfelder angepasst wird, um einen Mittelwert der Magnetfeldinstabilitäten zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) das Messen des zeitveränderlichen Dipolfeldes umfasst, um den Zyklus des mechanischen Kryokühlers zu verfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) das Überwachen eines Zyklus eines Pumpenmotors des mechanischen Kryokühlers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Kryokühler ein Gifford-McMahon-Kryokühler oder ein Pulsrohr-Kryokühler ist.
Passive Kompensationsspule zum Reduzieren von Magnetfeldinstabilitäten, die durch zeitvariierende Dipolfelder verursacht werden, die mit einer Oszillationsfrequenz oszillieren und von einem mechanischen Kryokühler erzeugt werden, der einen Teil eines Magnetresonanzsystems bildet, umfassend: mindestens eine leitfähige Schleife, die aus einem leitfähigen Material besteht und in der Nähe eines Kaltkopfes in dem mechanischen Kryokühler positioniert ist, wobei eine Dicke der mindestens einen leitfähigen Schleife mindestens eine Hauttiefe des leitfähigen Materials basierend auf der Oszillationsfrequenz, mit der die zeitvariablen Dipolfelder oszillieren.
Passive Kompensationsspule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der mindestens einen leitfähigen Schleife mindestens drei Hauttiefen des leitfähigen Materials auf der Basis der Oszillationsfrequenz beträgt, bei der die zeitvariablen Dipolfelder oszillieren.
Passive Kompensationsspule nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material Kupfer ist und die Dicke des leitfähigen Materials mindestens 8,5 Zentimeter beträgt.
Passive Kompensationsspule nach Anspruch 11, wobei die Oszillationsfrequenz in einem Bereich von etwa 1 bis 1,2 Hz liegt.
Passive Kompensationsspule nach Anspruch 11, wobei der mechanische Kryokühler ein Gifford-McMahon-Kryokühler oder ein Pulsrohr-Kryokühler ist.
Aktive Abschirmung zum Reduzieren von Magnetfeldinstabilitäten, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch einen mechanischen Kryokühler erzeugt werden, der einen Teil eines Magnetresonanzsystems bildet, umfassend: Magnetwicklungen, die in der Nähe eines Kaltkopfes des mechanischen Kryokühlers angeordnet sind und von einer Steuerung angesteuert werden, um elektromagnetische Felder zu erzeugen, die ein magnetisches Moment von Regeneratormaterialien im Kaltkopf reduzieren, wodurch die Magnetfeldinstabilitäten reduziert werden, die durch zeitvariable Dipolfelder verursacht werden, die durch den mechanischen Kryokühler erzeugt werden.
Aktive Abschirmung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetwicklungen durch die Steuerung basierend auf Stromwellenformen angesteuert werden, die zumindest teilweise basierend auf dem magnetischen Moment der Regeneratormaterialien ausgewählt werden.
Aktive Abschirmung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Geometrie der Magnetwicklungen zumindest teilweise basierend auf dem magnetischen Moment der Regeneratormaterialien oder einer magnetischen Feldstärke der Magnetresonanzanlage ausgebildet ist.
Aktive Abschirmung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetwicklungen supraleitend oder resistiv sind.
Aktive Abschirmung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mechanische Kryokühler ein Gifford-McMahon-Kryokühler oder ein Pulsrohr-Kryokühler ist.