DE19508238A1

DE19508238A1 - Magnetic field stabilisation method for NMR device

Info

Publication number: DE19508238A1
Application number: DE1995108238
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr Abart
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-03-08
Filing date: 1995-03-08
Publication date: 1996-09-12

Abstract

A nuclear resonance is excited in a probe, and the frequency of the resonance signal is detected. The position of the probe is selected according to the position of the measurement magnetic field. The deviation of the resonance signal frequency from the base frequency is determined. The magnetic field is controlled according to the measured deviation. The frequency of the nuclear resonance signals is determined during the time period between two zero crossings. The magnetic field is controlled by controlling the current flowing through two shim coils (17,18). The nuclear resonance signal is detected as a FID signal (free induction decay).

Description

Beim Kernresonanzeffekt ist die Resonanzfrequenz ω₀ propor tional zum Magnetfeld B₀:With the nuclear magnetic resonance effect, the resonance frequency is ω₀ propor tional to the magnetic field B₀:

ω₀ = γ · B₀ω₀ = γ · B₀

Die Proportionalitätskonstante γ ist von der Kernart abhängig und wird als "gyromagnetisches Verhältnis" bezeichnet. Bei Kernresonanzgeräten muß die Anregung der Kernspins und das Aus lesen des Kernresonanzsignals genau auf der Resonanzfre quenz erfolgen. Genauer gesagt muß das Verhältnis Frequenz/Magnetfeld genau eingehalten werden. Die Sendefrequenz wird durch einen Referenzoszillator vorgegeben, der auch als Re ferenz für die phasenempfindliche Demodulation dient. Oszil latoren können nach dem heutigen Stand der Technik problemlos mit ausreichender Frequenzstabilität hergestellt werden.The proportionality constant γ depends on the type of nucleus and is called the "gyromagnetic ratio". At Nuclear magnetic resonance equipment must excite the nuclear spins and that From reading the nuclear magnetic resonance signal exactly on the resonance fre sequence. More specifically, the frequency / magnetic field ratio are strictly observed. The transmission frequency is predefined by a reference oscillator, also known as Re reference is used for phase-sensitive demodulation. Oszil According to the current state of the art, catalysts can easily be used be manufactured with sufficient frequency stability.

Bei supraleitenden Magneten ist auch die Konstanz des Magnet feldes kein Problem. Der einmal eingespeiste Strom fließt über einen langen Zeitraum praktisch unverändert weiter. Außerdem werden durch inhärente Effekte bei supraleitenden Magneten externe Störungen gut abgeschirmt.With superconducting magnets, the constancy of the magnet is also no problem. The current that is fed in flows practically unchanged over a long period. In addition, inherent effects in superconducting Magnets external interference well shielded.

Anders ist die Situation bei Permanentmagneten und normal leitenden Magneten. Bei diesen Magnettypen können z. B. Tempe raturschwankungen zu Magnetfeldänderungen führen, wenn nicht Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Bei normal leitenden Magne ten kommt das Problem der Stromkonstanz der Magnetstromver sorgung hinzu. Ferner zeigen solche Magnettypen auch nur eine geringe Abschirmwirkung gegen externe Feldstörungen, insbe sondere, wenn der Untersuchungsbereich offen zugänglich, also nicht rundum von Magnetfeldrückführungen umgeben ist.The situation with permanent magnets is different and normal conductive magnet. With these magnet types, e.g. B. Tempe fluctuations in temperature lead to changes in the magnetic field, if not Countermeasures are taken. With normal conductive magne ten comes the problem of the constant current of the magnetic current converters care. Furthermore, such magnet types only show one low shielding effect against external field disturbances, esp especially if the examination area is openly accessible is not completely surrounded by magnetic field feedback.

In der Kernresonanzspektroskopie ist es bekannt, das Verhält nis Frequenz/Magnetfeld durch die sogenannte "Field Lock"-Technik zu stabilisieren. Ein derartiges Verfahren ist bei spielsweise in folgender Literaturstelle beschrieben: D. Shaw, Fourier Transform NMR Spectroscopy, Elsevier, Amster dam, 2nd Edition, 1984, Seiten 142 bis 145. Dabei wird das Phasensignal eines phasenempfindlichen Demodulators detek tiert. Bei exakter Einhaltung der Resonanzbedingung erhält man dabei den Wert Null. Wenn eine Abweichung des Feld/Frequenzverhältnisses auftritt, erhält man einen negativen oder positiven Meßwert. Dieser Meßwert kann als Korrektur signal verwendet werden, mit dem z. B. bei Permanentmagneten Shim-Spulen oder bei einem Elektromagneten die Stromversor gung angesteuert wird. Das Referenzsignal kann man entweder von der analytischen Probe oder von einer kleinen externen Probe gewinnen.In nuclear magnetic resonance spectroscopy it is known that the ratio Frequency / magnetic field through the so-called "field lock" technology to stabilize. Such a process is at described for example in the following reference: D. Shaw, Fourier Transform NMR Spectroscopy, Elsevier, Amster dam, 2nd Edition, 1984, pages 142-145 Phase signal of a phase sensitive demodulator detek animals. With exact compliance with the resonance condition the value zero. If a deviation of the Field / frequency ratio occurs, you get a negative or positive measured value. This measured value can be used as a correction signal can be used with the z. B. with permanent magnets Shim coils or with an electromagnet the power supplier is controlled. The reference signal can either be from the analytical sample or from a small external Win sample.

In der Spektroskopie kann ein derartiges Verfahren problemlos realisiert werden, da dort keine geschalteten Gradienten ein gesetzt werden, die dem Grundmagnetfeld überlagert werden und die genannte Regelung stören würden. Bei Kernspintomographie anlagen sind dagegen die geschalteten Gradientenfelder zu be rücksichtigen.Such a method can be used without problems in spectroscopy can be realized since there are no switched gradients are set, which are superimposed on the basic magnetic field and would disrupt the said regulation. With magnetic resonance imaging In contrast, the switched gradient fields must be used take into account.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Magnetfeld stabilisierung zu finden, das auch für Kernspintomographie anlage geeignet ist.The object of the invention is a method for magnetic field to find stabilization, also for magnetic resonance imaging plant is suitable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigen:Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 5. Show:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Magneten, Fig. 1 schematically the construction of a magnet,

Fig. 2 ein FID-Signal nach einem Anregepuls, Fig. 2 is a FID signal after an excitation pulse,

Fig. 3 ein Spinechosignal, Fig. 3, a spin echo signal,

Fig. 4 eine Regeleinrichtung und Fig. 4 is a control device and

Fig. 5 ein Zeitdiagramm für die Magnetfeldregelung. Fig. 5 is a timing diagram for the magnetic field control.

In Fig. 1 ist schematisch ein bekannter Polschuhmagnet eines Kernspintomographiegerätes mit einem einseitigen Joch darge stellt, wie er z. B. in dem US-Patent 5 200 701 beschrieben ist. Der magnetische Antrieb erfolgt im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch normalleitende Magnetspulen 5, er kann aber auch als Permanentmagnet ausgeführt sein. Im Bereich der Polschuhe 1, 2 sind jeweils Gradientenspulensätze 7 und Hoch frequenz-Antennen 4 angebracht. Die Hochfrequenz-Antennen 4 dienen im Ausführungsbeispiel sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Signalen. Im Magneten ist eine Probe 6 positio niert.In Fig. 1, a known pole shoe magnet of a magnetic resonance imaging device with a one-sided yoke is schematically Darge, as he z. Described in U.S. Patent 5,200,701. The magnetic drive takes place in the exemplary embodiment according to FIG. 1 by normally conductive magnet coils 5 , but it can also be designed as a permanent magnet. In the area of the pole shoes 1 , 2 , gradient coil sets 7 and high-frequency antennas 4 are each attached. The high-frequency antennas 4 are used in the exemplary embodiment both for transmitting and for receiving signals. A sample 6 is positioned in the magnet.

Die Magnetspulen 5 werden von einer Magnetstromversorgung 8 gespeist und die Gradientenspulensätze 7 von einer Gradien tenstromversorgung 9. Die Antennen 4 sind mit einer Hochfre quenzeinheit 10 verbunden. Aus den von der Hochfrequenz- Einheit 10 gewonnenen Signalen wird durch einen Bildrechner 12 ein Bild rekonstruiert, das auf einem Monitor 13 abgebil det wird. Die Magnetstromversorgung 8, die Gradientenstrom versorgung 9, die Hochfrequenz-Einheit 10 und der Bildrechner 12 werden von einem Steuerrechner 11 gesteuert.The solenoid coils 5 are fed by a magnetic power supply 8 and the gradient coil sets 7 by a gradient power supply 9 . The antennas 4 are connected to a high-frequency unit 10 . From the signals obtained by the high-frequency unit 10 , an image is reconstructed by an image computer 12 , which image is displayed on a monitor 13 . The magnetic power supply 8 , the gradient power supply 9 , the high-frequency unit 10 and the image computer 12 are controlled by a control computer 11 .

Um den Istwert des Magnetfeldes zu erfassen, wird zunächst die Probe 6 in das Magnetfeld gebracht. In dieser Probe 6 wird durch einen in Fig. 2 dargestellten Hochfrequenzpuls RF1 über die Antennen 4 ein Kernresonanzsignal angeregt. In order to record the actual value of the magnetic field, the sample 6 is first brought into the magnetic field. In this sample 6 , a nuclear magnetic resonance signal is excited by a high-frequency pulse RF1 shown in FIG. 2 via the antennas 4 .

Durch die Anregung erhält man gemäß Fig. 2 ein sogenanntes FID(Free Induction Decay)-Signal. Die Frequenz dieses Signals ist dem in der Probe 6 herrschenden Magnetfeld proportional. Durch Bestimmung der Frequenz des FID-Signals kann man daher das in der Probe 6 herrschende Magnetfeld erfassen. Zur Be stimmung der Frequenz des FID-Signals kommen mehrere an sich bekannte Verfahren in Betracht. Beispielsweise könnte man den Zeitabstand zwischen zwei Nulldurchgängen oder auch den Zeit abstand zwischen dem Hochfrequenz-Anregepuls und dem ersten Nulldurchgang bestimmen, so daß man über die Periodendauer die Frequenz berechnen kann.According to FIG. 2, the excitation results in a so-called FID (Free Induction Decay) signal. The frequency of this signal is proportional to the magnetic field prevailing in sample 6 . By determining the frequency of the FID signal, the magnetic field prevailing in sample 6 can therefore be detected. To determine the frequency of the FID signal, several methods known per se can be considered. For example, one could determine the time interval between two zero crossings or the time interval between the high-frequency excitation pulse and the first zero crossing, so that the frequency can be calculated over the period.

Anstelle des FID-Signals kann entsprechend dem Ausführungs beispiel nach Fig. 3 auch ein Spinechosignal verwendet wer den. Zur Erzeugung des Spinechosignals wird zunächst ein 90°-Hochfrequenzpuls RF2 und dann ein 180°-Hochfrequenzpuls RF3 auf die Probe 6 eingestrahlt. Dies führt zu einem Spinecho SE, dessen Frequenz z. B. ebenfalls aus dem Abstand zweier Nulldurchgänge bestimmt werden kann.Instead of the FID signal, a spin echo signal can also be used in accordance with the embodiment example according to FIG. 3. To generate the spin echo signal, a 90 ° high-frequency pulse RF2 and then a 180 ° high-frequency pulse RF3 is first radiated onto the sample 6 . This leads to a spin echo SE, the frequency of which, for. B. can also be determined from the distance between two zero crossings.

Zur Bestimmung der Frequenz, z. B. über den Abstand zwischen zwei Nulldurchgängen oder die Lage des ersten Nulldurchgangs im FID-Signal wird das Hochfrequenzsignal S entsprechend der schematisch dargestellten Schaltung nach Fig. 4 einer Detek toreinheit 14 zugeführt. Der damit gewonnene Wert wird in einem Vergleicher 15 mit einem Sollwert verglichen und die so gewonnene Regelabweichung einem Regler 16 zugeführt. Mit dem Regler 16 wird ein Strom durch zwei Shim-Spulen 17, 18 einge stellt. Die Shim-Spulen liegen in den Polschuhen 1, 2 nach Fig. 1, sie sind jedoch der Übersichtlichkeit wegen dort nicht dargestellt. Alternativ oder zusätzlich kann aufgrund der Regelabweichung auch die Magnetstromversorgung 8 geregelt werden. To determine the frequency, e.g. B. on the distance between two zero crossings or the position of the first zero crossing in the FID signal, the high-frequency signal S is supplied according to the schematically illustrated circuit of FIG. 4, a detector unit 14 . The value obtained in this way is compared in a comparator 15 with a target value and the control deviation thus obtained is fed to a controller 16 . With the regulator 16 , a current is set through two shim coils 17 , 18 . The shim coils lie in the pole pieces 1 , 2 according to FIG. 1, but they are not shown there for the sake of clarity. Alternatively or additionally, the magnetic power supply 8 can also be regulated on the basis of the control deviation.

Bei der Erfassung des FID-Signals S bzw. des Echosignals SE dürfen keine Gradienten geschaltet sein und von eventuell vorher geschalteten Gradienten induzierte Wirbelströme müssen abgeklungen sein, damit das Meßergebnis nicht verfälscht wird. Die Magnetfeldmessung wird daher im allgemeinen vor der eigentlichen Bildmessung durchgeführt. Um kurzfristige Schwankungen des Magnetfeldes zu eliminieren, kann auch eine mehrfache Magnetfeldmessung während der Signalgewinnung für ein Bild erforderlich sein. Hierzu werden entsprechend Fig. 5 zwischen Bildsignalmessungen Pausen eingefügt, in denen die Magnetfeldmessung erfolgt. Dabei ist darauf zu achten, daß die von der jeweils vorausgehenden Bildmessung herrührenden Wirbelströme abgeklungen sind.When the FID signal S or the echo signal SE is detected, no gradients may be switched and eddy currents induced by any previously switched gradients must have decayed so that the measurement result is not falsified. The magnetic field measurement is therefore generally carried out before the actual image measurement. In order to eliminate short-term fluctuations in the magnetic field, a multiple magnetic field measurement during the signal acquisition for an image may also be necessary. For this purpose, as shown in FIG. 5 inserted between the image signal measurements pauses in which the magnetic field measurement is carried out. It is important to ensure that the eddy currents resulting from the previous image measurement have decayed.

Die beschriebene Magnetfeldmessung liefert einen über das Volumen der Probe 6 gemittelten Wert für das Magnetfeld. Je nach Größe der Probe 6 kann damit das gesamte Meßvolumen oder ein Teil davon erfaßt werden. Bei kleinerer Probe 6 kann se lektiv ein Bereich im Magnetfeld gemessen werden.The magnetic field measurement described provides a value for the magnetic field averaged over the volume of the sample 6 . Depending on the size of the sample 6 , the entire measurement volume or a part thereof can thus be recorded. With a smaller sample 6 , an area in the magnetic field can be measured selectively.

Mit der beschriebenen Anordnung ist es mit einfachen Mitteln möglich, das Magnetfeld bei Permanentmagneten und normallei tenden Elektromagneten zu stabilisieren, wobei lediglich ohnehin vorhandene Anlagenkomponenten verwendet werden, so daß keine zusätzlichen Meßeinrichtungen erforderlich sind.With the arrangement described, it is simple possible the magnetic field with permanent magnets and normal tendency to stabilize electromagnets, whereby only existing system components are used anyway, so that no additional measuring devices are required.

Claims

1. Method for magnetic field stabilization in a magnet for magnetic resonance imaging systems, characterized by the following steps:

a) excitation of a nuclear magnetic resonance signal (S, SE) in a sample ( 6 )
b) detection of the deviation from a fundamental frequency (f₀)
c) Adjustment of the magnetic field due to the deviation

2. The method according to claim 1, characterized ge indicates that the frequency of the nuclear resonance nance signal (S, SE) over the time interval between two zero passages is detected.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that due to the deviation, a current through separate, influence the basic magnetic field de coils ( 17 , 18 ) is regulated.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the coils ( 17 , 18 ) are shim coils.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the regulation of the magnetic field takes place via a magnetic power supply ( 8 ).

6. The method according to any one of claims 1 to 5, there characterized by that the core resonance signal is detected as an FID signal (S).

7. The method according to any one of claims 1 to 5, there characterized by that the core resonance signal is detected as a spin echo signal (SE).

8. The method according to any one of claims 1 to 7, there characterized by that the core resonance signal (S, SE) after an image signal measurement according to Ab sound is detected by eddy currents.

9. The method according to claim 8, characterized ge indicates that in an image signal measurement Breaks for the acquisition of nuclear magnetic resonance signals (S, SE) for the Magnetic field control will be introduced.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the position of the sample ( 6 ) is chosen according to the location of the magnetic field to be measured.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, there characterized by that by choice the sample size is determined in which area a Mit The magnetic field measurement is carried out.

12. An arrangement for carrying out a method according to one of claims 1 to 11, comprising:

a) a magnet with a sample ( 6 ) therein,
b) a high-frequency unit ( 10 for excitation and detection of nuclear magnetic resonance signals (S, SE),
c) a device for determining a frequency deviation from the nuclear magnetic resonance signals (S, SE)
d) a control unit for controlling the current through a magnetic coil ( 17 , 18 ) due to the frequency deviation.