DE19511833C2

DE19511833C2 - Gradientenstromversorgung für ein Kernspintographiegerät

Info

Publication number: DE19511833C2
Application number: DE19511833A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Phys Schmitt; Stefan Dipl Ing Nowak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-03-30
Filing date: 1995-03-30
Publication date: 1998-04-23
Anticipated expiration: 2015-03-31
Also published as: US5701076A; JPH08266516A; DE19511833A1

Description

Aus der DE 34 15 041 A1 ist eine Gradientenstromversorgung für ein Kernspintomographiegerät bekannt mit einem steuer baren Gradientenverstärker und einer nachgeschalteten Ein heit, die einen Kondensator enthält, der über Schalter zu einer Gradientenspule in Serie schaltbar ist. Dabei bringt der Gradientenverstärker die zum Treiben eines vorgegebenen Stromes notwendige Spannung zumindest zum Teil auf und eine gegebenenfalls zusätzlich erforderliche Spannung wird vom Kondensator aufgebracht.

Durch einen resonanten Betrieb der Gradientenspule können kurze Anstiegs- und Abfallzeiten der Gradientenpulse reali siert werden, die mit einem linearen Gradientenverstärker alleine nur mit größtem Aufwand zu verwirklichen wären. Eine weitere Gradientenstromversorgung mit einem Resonanzkreis ist aus der US-Patentschrift 5,245,287 bekannt. Dabei werden An stiegs- und Abfallflanken der Gradienten und ein konstanter Teil jedes Gradientenpulses nicht-resonant über einen Gra dientenverstärker erzeugt. Indem man für die Anstiegs- und Abfallflanken jeweils nur weniger als eine viertel Perioden dauer einer vollen Schwingung des Resonanzkreises ausnutzt, können diese Flanken steiler ausgeführt werden als bei einer vollen Sinusschwingung. Voraussetzung ist allerdings, daß vor Beginn jeder Auslesesequenz der Kondensator auf eine höhere Spannung aufgeladen wird, als dies aufgrund einer reinen Sinusschwingung während der Auslesesequenz nötig wäre.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gradientenstromversorgung derart auszugestalten, daß man bei geringem Aufwand kurze An stiegs- und Abfallflanken erhält.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 11 näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 5 zur Erläuterung der Problemstellung eine EPI-Sequenz nach dem Stand der Technik,

Fig. 6 die Lage der abgetasteten Signale im k-Raum bei einer Sequenz nach den Fig. 1 bis 5,

Fig. 7 einen einfachen Resonanzkreis zur Erläuterung der Strom- und Spannungsverläufe

Fig. 8 eine Schaltung als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 9 bis 11 verschiedene Strom- und Spannungsverläufe in Abhängigkeit von der Größe des Kondensators.

Das Problem der schnellen Gradientenschaltung tritt vor allem bei sogenannten EPI-(Echo Planar Imaging)-Verfahren auf. Die ses Verfahren wird daher kurz anhand der Fig. 1 bis 5 er läutert. Gemäß Fig. 1 wird ein Anregungspuls RF zusammen mit einem Gradienten SS nach Fig. 2 in z-Richtung auf das Unter suchungsobjekt eingestrahlt. Damit werden Kernspins in einer Schicht des Untersuchungsobjekts angeregt. Anschließend wird die Richtung des Gradienten SS invertiert, wobei der negative Gradient SS die durch den positiven Gradienten SS verursachte Dephasierung der Kernspins rückgängig macht.

Nach der Anregung wird ein Phasencodiergradient PC gemäß Fig. 3 und ein Auslesegradient RO gemäß Fig. 4 eingeschaltet. Der Phasencodiergradient PC besteht aus kurzen Einzelpulsen ("Blips"), die bei jedem Polaritätswechsel des Auslesegra dienten RO eingeschaltet werden. Den Phasencodiergradienten PC geht jeweils ein Vorphasiergradient PCV in negativer Pha sencodierrichtung voraus.

Der Auslesegradient RO wird mit ständig wechselnder Polarität eingeschaltet, wodurch die Kernspins im Wechsel dephasiert und wieder rephasiert werden, so daß eine Folge von Signalen S nach Fig. 5 entsteht. Dabei werden bei einer einzelnen An regung i. a. so viele Signale gewonnen, daß der gesamte Fou rier-k-Raum abgetastet wird, d. h., die vorliegende Informa tion zur Rekonstruktion eines vollständigen Schnittbildes ausreicht. Hierzu ist eine extrem schnelle Umschaltung des Auslesegradienten RO mit hoher Amplitude erforderlich, die mit den sonst bei MR-Bildgebung üblicherweise angewandten Rechteckimpulsen und herkömmlichen steuerbaren Gradientenver stärkern kaum realisiert werden kann. Eine gebräuchliche Lö sung des Problems besteht darin, die den Auslesegradienten RO erzeugende Gradientenspule in einem Resonanzkreis zu betrei ben, so daß der Auslesegradient RO eine Sinusform aufweist. Die entstehenden Kernresonanzsignale S werden im Zeitbereich abgetastet, digitalisiert und die so gewonnenen numerischen Werte in eine Rohdatenmatrix eingetragen. Die Rohdatenmatrix kann man als Meßdatenraum, bei dem im Ausführungsbeispiel vorliegenden zweidimensionalen Fall als Meßdatenebene be trachten. Dieser Meßdatenraum wird in der Kernspintomographie als k-Raum bezeichnet. Die Lage der Meßdaten im k-Raum ist in Fig. 6 durch Punkte schematisch dargestellt. Die für die Bilderzeugung notwendige Information über die räumliche Her kunft der Signalbeiträge ist in den Phasenfaktoren codiert, wobei zwischen dem Ortsraum (also dem Bild) und dem k-Raum mathematisch der Zusammenhang über eine zweidimensionale Fou rier-Transformation besteht. Es gilt:

Dabei gelten folgende Definitionen:

ρ = gyromagnetisches Verhältnis
γ = Kernspindichte
G_x = Wert des Auslesegradienten RO
G_y = Wert des Phasencodiergradienten PC

Beim EPI-Verfahren sind sehr hohe Gradientenamplituden zur Ortscodierung der Hochfrequenzsignale notwendig. Diese hohen Gradientenamplituden müssen in kurzen Zeitabständen ein- und ausgeschaltet werden, damit die notwendige Information gewon nen werden kann, bevor das Kernresonanzsignal abklingt. Nimmt man an, daß für eine Projektion (also für ein einzelnes Signal unter einem Einzelpuls des Auslesegradienten RO) eine Puls dauer T von einer Millisekunde benötigt wird, ergibt sich eine Gesamtauslesezeit T_acq von 128 ms für eine 128x128 Bild matrix. Wenn man herkömmliche Rechteckimpulse mit einer Länge von einer Millisekunde verwenden würde und ein Betrachtungs fenster (field of view, FOV) von 40 cm annimmt, so ergeben sich für Rechteckimpulse typische Gradientenamplituden G_x für den Auslesepuls RO von:

Für Trapezpulse mit einer Anstiegszeit von T_rise = 0,5 ms und ohne Auslesung der Signale auf den Rampen ergeben sich noch größere Gradientenpulse G_T.

Bei der Gradientenstromversorgung werden die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit des Gradientenverstärkers mit abnehm ender Anstiegszeit immer problematischer. Nimmt man an, daß ein Strom I_max zum Erreichen der maximalen Gradientenstärke G_max erforderlich ist, so errechnet sich die aufgrund einer Induktivität L der Gradientenspule erforderliche Spannung zu:

Hierbei ist der ohmsche Spannungsabfall an der Gradientenspu le noch nicht berücksichtigt. Für eine Induktivität der Gra dientenspule von 1 mH und einen maximalen Strom Imax von 200 A würde die am Ausgang des Gradientenverstärkers erforderli che Spannung in Abhängigkeit von der Anstiegszeit T_risedes Gradientenstroms folgende Werte annehmen:

T_rise = 0,5 msU = 400 V
T_rise = 0,25 msU = 500 V
T_rise = 0,1 msU = 2000 V

Diese Anforderungen sind bei kurzen Anstiegszeiten ohne Re sonanzkreis nur mit großem Aufwand zu erreichen, typischer weise allenfalls durch Parallel- und Serienschaltung von mo dularen Gradientenverstärkern.

Einfacher kann das Problem der kurzen Schaltzeiten gelöst werden, wenn die betreffende Gradientenspule zusammen mit einem Kondensator in einem Resonanzkreis betrieben wird, wo bei man dann z. B. einen in Fig. 4 dargestellten sinusförmi gen Verlauf des Auslesegradienten RO erhält. Nachteilig hier bei ist allerdings, daß man bei Abtastung des Signals in zeitlich konstanten Intervallen keine äquidistante Abtastung im k-Raum erhält, was durch die nicht äquidistanten Punkte in der k-Raum-Darstellung nach Fig. 6 sichtbar ist. Die nicht äquidistante Abtastung im k-Raum wirft bei der Bildrekon struktion eine Reihe von Problemen auf und kann zu Bildarte fakten führen. Um diese Probleme zu umgehen, wurde in der be reits eingangs genannten US-Patentschrift 5,245,287 bereits vorgeschlagen, lediglich die Anstiegs- und Abfallflanken der Gradientenpulse im resonanten Betrieb zu erzeugen, während dazwischen der Gradientenpuls einen konstanten Wert aufweist. Die Anstiegs- und Abfallflanken, die jeweils die steileren Teile einer Sinusschwingung darstellen, sind für die Signal messung in der Praxis nicht nutzbar und sollen daher so kurz wie möglich gehalten werden.

Das Prinzip der Erzeugung schneller Gradientenrampen durch einen Resonanzkreis wird im folgenden anhand der einfachen Schaltung nach Fig. 7 erläutert. Dabei ist eine Gradienten spule G bei geschlossenem Schalter S1 direkt mit einem Gra dientenverstärker GV bei geschlossenem Schalter S2 über einen Kondensator C mit dem Gradientenverstärker GV verbunden. In letzterem Falle bildet die Gradientenspule G zusammen mit dem Kondensator C einen Serienresonanzkreis. Wenn der Kondensator C z. B. über den Gradientenverstärker GV oder über eine geson derte Hilfsspannungsquelle aufgeladen wird, so speichert er eine Energie E_C in Form von Spannung:
E_C = 1/2 C • U²

Wenn ein Strom der Stärke I durch die Gradientenspule G mit der Induktivität L fließt, so speichert die Gradientenspule G eine Energie E_L in Form von Strom:
E_L = 1/2 L • I²

Wenn der Kondensator C aufgeladen ist, so kann durch Schlie ßen des Schalters S2 die Spannung des Kondensators C an die Gradientenspule G gelegt werden. Der Strom in der Gradienten spule G läuft dann sinusförmig von Null bis zum Strommaximum. Aufgrund der Energiebilanz ergibt sich folgender Zusammenhang zwischen Kondensatorspannung U und Spulenstrom I:
C • U² = L • I²

Durch Aufladung des Kondensators C auf eine bestimmte Span nung U läßt sich immer nur eine bestimmte maximale Stromstär ke durch die Gradientenspule G treiben.

Mit einem Resonanzkreis ist eine schnelle Transferierung der Energie vom Kondensator C in die Gradientenspule G und umge kehrt möglich. Wenn man mit T_R die Anstiegszeit von Null bis zum Strommaximum bezeichnet, also im resonanten Betrieb eine Halbwelle einer Schwingung, so erhält man folgende Beziehung zwischen T_r, der Resonanzfrequenz f_r, der Induktivität L der Gradientenspule G und der Kapazität C des Kondensators C:

Aus dieser Gleichung kann man entnehmen, daß schnelle Gra dientenrampen nur durch Erhöhung der Resonanzfrequenz f_r er reichbar sind. Dies gilt auch für den Fall, daß nur die An stiegs- und Abfallflanken im resonanten Betrieb erzeugt wer den, dazwischen jedoch ein konstanter Gradient im nicht reso nanten Betrieb geschaltet wird.

Für den Fall der vorliegenden Erfindung erwies es sich jedoch überraschenderweise als günstig, von dieser Bemessungsregel (hohe Resonanzfrequenz für kurze Anstiegs- und Abfallzeiten) abzuweichen. Dies wird im folgenden anhand der Schaltung nach Fig. 8 und der Diagramme nach der Fig. 9 bis 11 näher er läutert.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß der Gradientenverstärker nicht nur während konstanter Gradiententeile wirksam ist, sondern auch während der An stiegs- und Abfallflanken in gesteuerter Weise auf den Gra dientenstrom einwirkt. Bevorzugt können damit - wie in den Fig. 9 bis 11 dargestellt - lineare Anstiegs- und Abfall flanken erzeugt werden.

Eine schematische Schaltung gemäß der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Die anzuwendenden Gradientenpulse werden von einer Sequenzsteuerung 14 vorgegeben. In einem Gradientenver stärker 1 wird der vorgegebene Sollwert mit einem Istwert verglichen, der über einen Stromfühler, im einfachsten Fall z. B. einen Shunt 13, abgegriffen wird. Eine Gradientenspule 2 ist einerseits direkt und andererseits über eine Brücken schaltung an den Gradientenverstärker 1 angeschlossen. Die Brückenschaltung besteht aus vier Halbleiterschaltelementen, im dargestellten Fall Transistoren 3 bis 6. Jedem dieser Transistoren 3 bis 6 ist eine Freilaufdiode 8 bis 11 paral lelgeschaltet. Im Brückenzweig liegt ein Kondensator 7. Die Schalter 3 bis 6 werden von einer Treiberschaltung 12 ange steuert, die wiederum entweder direkt von der Sequenzsteue rung 14 oder über einen Stromanstiegsfühler 15 für den Gra dientenstrom angesteuert wird.

Verschiedene Strom- und Spannungsverläufe in der Schaltung nach Fig. 8 sind in den Fig. 9 bis 11 dargestellt, und zwar der Strom I_G durch die Gradientenspule 2, die Spannung U_GV am Ausgang des Gradientenverstärkers 1, die Spannung U_G an der Gradientenspule 2 und die Spannung U_C am Kondensator 7. Die Fig. 9 bis 10 zeigen diese Werte für unterschied liche Kapazitätswerte des Kondensators 7 und bei sonst glei chen Voraussetzungen, d. h., folgende Parameter sind für die Fig. 9 bis 11 als identisch vorausgesetzt:

- Anstiegs- bzw. Abfallzeit T_r = 100 µs
- Vorladung des Kondensators 7 auf 2300 V
- Induktivität der Gradientenspule 1200 µH
- Ohmscher Widerstand des gesamten Stromkreises = 200 mω.

Der trapezförmige Strompuls I_G läßt sich in drei Phasen I bis III einteilen, wobei in der Phase I der Strom I_G linear zu nimmt, in der Phase II konstant bleibt und in der Phase III linear abnimmt. Dabei wird angenommen, daß vor Beginn des Strompulses I_G der Kondensator 7 auf eine Spannung U_C0=2300 V aufgeladen ist. Es wäre äußerst aufwendig, den Gradientenver stärker 1 auf eine derart hohe Spannung auszulegen. Im ein fachsten Fall wird daher die Ladespannung - wie in Fig. 8 gestrichelt dargestellt - mit einer separaten Hilfsspannungs quelle 16 erzeugt. Die Ladespannung U_C0 kann aber auch da durch erreicht werden, daß der Gradientenverstärker 1 zu nächst die Gradientenspule 2 mit Strom lädt und daß dann die dort gespeicherte Energie in den Kondensator 7 umgeladen wird.

In der Phase I werden nun die Schalter 4 und 5 geschlossen, so daß der Kondensator 7 einen ansteigenden Strom I_G durch die Gradientenspule 2 treibt. Gleichzeitig liefert aber der Gradientenverstärker 1 eine negative Ausgangsspannung U_GV von etwa -800 V. Damit erhält man in der Phase 1 eine relativ steile Anstiegsflanke des Strompulses I_G. Die benötigte Aus gangsspannung U_GV des Gradientenverstärkers 1 läßt sich in der Phase I mit der folgenden Differentialgleichung beschrei ben:

In der Phase II werden die Schalter 3 und 5 geschlossen und die Schalter 4 und 6 geöffnet. Damit ist der Kondensator 7 nicht mehr wirksam, der Gradientenverstärker 1 muß bei kon stantem Strom lediglich die ohmschen Verluste des Schaltkrei ses aufbringen:
U_GV = R • I_G

In der Phase III schließlich sind alle Schalter 3 bis 6 of fen, so daß der Gradientenstrom I_G über die Freilaufdiode 8, den Kondensator 7 und die Freilaufdiode 10 fließt. Dabei wird durch die Spannung U_C am Kondensator C sowie durch die sich dazu addierende positive Spannung U_GV am Ausgang des Gradien tenverstärkers 1 ein steiler Stromabfall erzielt. Die Span nung U_GV am Ausgang des Gradientenverstärkers 1 läßt sich durch folgende Gleichung angeben:

Fig. 10 zeigt dieselben Größen wie Fig. 9, wobei jedoch der Kondensator 7 hier eine geringere Kapazität, nämlich 26 µF anstelle von 527 µF aufweist. Die Resonanzfrequenz wird also hier höher. Dabei wird folgendes deutlich: Der Gradientenver stärker 1 muß in einem größeren Spannungsbereich U_GV ausre geln, um bei der abfallenden Spannung U_C am Kondensator 7 eine lineare Anstiegsflanke aufrechtzuerhalten. Um zur selben Anstiegszeit T_r zu kommen, ist eine größere maximale Aus gangsspannung U_GV am Gradientenverstärker 1 (nämlich ca. 1200 V anstelle von 800 V im Ausführungsbeispiel nach Fig. 9) notwendig, d. h., der Gradientenverstärker 1 wird aufwendiger.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7, bei dem die Kapazität des Kondensators 1 nur noch 9 µF beträgt, ist schließlich bei gleicher Anstiegszeit T_r ein Gradientenverstärker 1 mit einer maximalen Ausgangsspannung von nahezu 2000 V notwendig.

In der Praxis stellt der Ausgangsspannungsbereich des Gra dientenverstärkers 1 ein entscheidendes technisches und wirt schaftliches Kriterium dar. Wie sich aus den vorangehenden Betrachtungen ergibt, kann man jedoch bei gleicher maximaler Ausgangsspannung des Gradientenverstärkers 1 eine umso kür zere Anstiegszeit T_r erreichen, je größer die Resonanzfre quenz des Schwingkreises Kondensator 7 - Gradientenspule 2 - ist, je größer also bei gleichbleibender Induktivität der Gradientenspule 2 der Kondensator 7 gewählt wird.

Durch die beschriebene Ausregelung der Stromflanken in den Phasen I und III über den Gradientenverstärker 1 kann man vorteilhafterweise einen schnellen linearen Anstieg des Gra dientenstroms I_G auch bei begrenzter Spannungsfestigkeit des Gradientenverstärkers 1 erzielen, wenn man, wie beschrieben, den Kondensator 7 groß genug wählt.

Der Kondensator 7 muß über die Schalter 3 bis 6 unterstützend erst dann zugeschaltet werden, wenn die Ausgangsspannung U_GV des Gradientenverstärkers 1 nicht mehr ausreicht, einen genü gend schnellen Stromanstieg bzw. Stromabfall durch die Gra dientenspule 2 zu bewirken. Die Ansteuerung der Schalter 3 bis 6 kann daher z. B. über eine Einheit 15 erfolgen, die den Anstieg des Stroms I_G abtastet, wobei der Kondensator 7 - je nach benötigter Polarität - durch Einschalten der Schalter 4 und 5 bzw. 3 und 6 zugeschaltet wird, sobald die Steigung des Stromes I_G ein gewisses, durch die maximale Ausgangsspannung des Gradientenverstärkers 1 vorgegebenes Maß überschreitet. Die Ansteuerung der Schalter 3 bis 6 über die Treiberschal tung 12 kann aber auch direkt aus der Sequenzsteuerung 14, die den Sollwert für den Gradientenstrom I_G vorgibt, erfol gen.

Claims

1. Gradientenstromversorgung für ein Kernspintomographie gerät mit folgenden Merkmalen:

a) Einem steuerbaren Gradientenverstärker (1) ist eine Ein heit mit einem Kondensator (7) nachgeschaltet, der über Schalter (3 bis 6) zu einer Gradientenspule (2) in Serie schaltbar ist,
b) die zum Treiben eines vorgegebenen Gradientenstromes (I_G) notwendige Spannung wird zumindest zum Teil in gesteuerter Weise vom Gradientenverstärker (1) und eine gegebenenfalls zusätzlich erforderliche Spannung vom Kondensator (7) aufgebracht und
c) die Resonanzfrequenz des Kondensators (7) mit der Gradientenspule (2) ist kleiner als
wobei T_r die Dauer einer Anstiegsflanke bzw. einer Abfallflan ke des Gradientenstroms (I_G) ist.

2. Gradientenstromversorgung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Aus gangsspannung (U_GV) des Gradientenverstärkers (1) so gesteu ert wird, daß sich in Verbindung mit der Spannung am Konden sator (7) vorgegebene, minimal kurze Anstiegs- und Abfall flanken des Stromes (I_G) durch die Gradientenspule (2) erge ben.

3. Gradientenstromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung (U_GV) des Gradientenverstärkers (1) so ge steuert wird, daß sich in Verbindung mit der Spannung am Kon densator (7) lineare Anstiegs- und Abfallflanken des Stromes (I_G) durch die Gradientenspule (2) ergeben.

4. Gradientenstromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (7) vor einer Meßsequenz aufgeladen wird.

5. Gradientenstromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (7) mit einer höheren Spannung (U_C0) aufgela den wird, als im resonanten Betrieb notwendig wäre.

6. Gradientenstromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (7) im Verlauf einer Meßsequenz erst zuge schaltet wird, wenn der Gradientenverstärker (1) die für einen vorgegebenen Stromverlauf erforderliche Ausgangsspan nung nicht mehr aufbringen kann.

7. Gradientenstromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu Gradientenverstärker (1) und Gradientenspule (2) eine Brückenschaltung von vier Schaltern (3 bis 6) liegt, daß in der Brückendiagonale der Kondensator (7) angeordnet ist und daß parallel zu jedem Schalter (3 bis 6) eine Freilauf diode (8 bis 11) liegt.

8. Gradientenstromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (3 bis 6) über eine Einheit (15) angesteuert werden, die die Steigung des Gradientenstromes (I_G) erfaßt und den Kondensator (7) aktiv schaltet, sobald die Steigung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

9. Gradientenstromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (3 bis 6) anhand eines Sollwertes für den Gra dientenstrom (I_G) gesteuert werden.