DE19536390A1 - Anordnung zur Messung und Regelung des Grundfeldes eines Magneten eines Kernspintomographiegerätes - Google Patents

Description

Heutige Kernspintomographiegeräte arbeiten im allgemeinen mit dem sogenannten Fourier-Verfahren, wie es zuerst von Ernst, Kumar und Welti (US-PS-40 70 611) vorgeschlagen wurde. Dabei wird das Kernresonanzsignal in mindestens einer Richtung pha­ sencodiert. Dieses Verfahren setzt eine extrem hohe zeitliche Stabilität des der Kernspinpolarisation dienenden Grundmag­ netfeldes voraus, weil ansonsten die Bildqualität durch Arte­ fakte (Verschmierungen in Richtung des Phasencodiergradien­ ten) erheblich verschlechtert wird. Dies ist in dem Buch von E. Krestel (Herausgeber) "Bildgebende Systeme für die medizi­ nische Diagnostik", 2. Auflage 1988, unter dem Abschnitt "Feldstabilität" auf den Seiten 491 und 492 näher erläutert. Bei den heute üblichen Feldstärken für Kernspintomographie­ geräte von 0,1 bis 2,0 T und den heute gebräuchlichen Pulsse­ quenzen ist eine Feldstabilität von bis zu weniger als 20 bis 80 nT erforderlich. Diese Feldstabilität muß über einen Zeit­ bereich von einigen ms bis zu etlichen Sekunden (entsprechend einem Frequenzbereich von einigen Zehntel Hz bis zu einigen 10 Hz) eingehalten werden, bei höheren Frequenzen (bzw. kür­ zeren Zeiten) nehmen die Anforderungen stark ab. Diese Forde­ rung entspricht je nach Grundfeldstärke einer Genauigkeit von 0,1 ppm bis 0,01 ppm und weniger.

Diese Anforderung gilt sowohl für die Feldstabilität des vom Grundfeldmagneten selbst erzeugten Magnetfeldes als auch für äußere Einflüsse.

Externe Störquellen sind z. B. im Erdfeld oder im Streufeld des Magneten aufmagnetisierte Fahrzeuge, die sich in der Nähe des Magneten bewegen oder von Wechselstrom oder veränderli­ chem Gleichstrom durchflossene Leitungen (Transformatoren, Fahrleitungen von Bahnen usw.). Ohne besondere Maßnahmen müß­ ten solche Störquellen einen großen Abstand vom Aufstellungs­ ort des Kernspintomographiegerätes haben. Eine Straßenbahn, deren Fahrleitungsstrom 500 A beträgt, erzeugt z. B. in zwei Kilometer Entfernung ein Störfeld von 50 nT, wenn man an­ nimmt, daß der Feldabfall dem Abstand umgekehrt proportional ist. In der Praxis ist es kaum möglich, einen Installations­ ort für ein Kernspintomographiegerät zu finden, bei dem ex­ terne Störeinflüsse ohne besondere Maßnahmen am Gerät selbst innerhalb tolerierbarer Grenzen bleiben.

Abhängig vom Magnettyp sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um Feldinstabilitäten zu vermeiden. Hierbei ist zu unter­ scheiden zwischen der Stabilität des vom Gerät selbst erzeug­ ten Magnetfeldes und externen Störungen. Permanentmagnete müssen temperaturstabilisiert werden, damit sie ausreichend stabil sind. Supraleitermagnete im üblichen Kurzschlußbetrieb (Feldabfall in der Regel kleiner 0,1 ppm/Stunde) sind inhä­ rent stabil. Bei normalleitenden Magneten besteht die Schwie­ rigkeit darin, den Versorgungsstrom zeitlich konstant (je nach Feldstärke auf kleiner 0,1 ppm) zu halten.

Bezüglich externer Störungen haben supraleitende Magnete ebenfalls deutliche Vorteile. Sofern sie keine sogenannten aktiven Streufeld-Abschirmungen aufweisen, dämpfen sie ex­ terne Störungen durch den Meissner-Ochsenfeld-Effekt wenig­ stens teilweise, d. h. etwa um einen Faktor 10. Bei einer ak­ tiven Streufeld-Abschirmung, die aus einer gegensinnig in Serie geschalteten äußeren Abschirmwicklung besteht, kann durch eine aus relativ wenigen Windungen bestehende supralei­ tende Hilfswicklung die Schirmwirkung gegen externe Störfel­ der wiederhergestellt werden. Eine derartige Anordnung ist in der EP-A3-0 468 415 beschrieben. Außerdem wurde festgestellt, daß die tiefkalten Strahlungsschilde im Supraleiter-Kryosta­ ten wegen ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit Feldstörun­ gen mit Frequenzen größer als einige Hertz durch angeregte Wirbelströme recht gut dämpfen.

Dagegen schirmen Permanentmagnete vom Ringtyp, normalleitende Luftspulenmagnete in Helmholtz-Anordnung sowie permanentma­ gnetisch oder elektrisch angetriebene Jochmagnete externe Störungen kaum ab, insbesondere, wenn sie wegen der besseren Patientenzugänglichkeit relativ offen gebaut sind. Ein Joch­ magnet mit einem einseitigen Joch und einer offenen Bauweise ist beispielsweise in der US-PS-5,200,701 beschrieben.

Für Magnetsysteme mit Permanentmagneten oder normal leitenden Magneten ist daher in der Regel eine aktive Störfeldkompensa­ tion erforderlich.

Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US-Pa­ tentschrift 5,245,286 bekannt. Dabei ist um jeden Polschuh des Magneten eine Sensorspule gelegt, mit der das jeweilige Magnetfeld erfaßt wird. Durch räumlich symmetrische Anordnung der Sensorspulen im Magneten und durch Reihenschaltung wird dabei der Einfluß der gepulsten Gradienten auf das gemessene Magnetfeld eliminiert. Aufgrund einer mit den Sensorspulen erfaßten Abweichung des Magnetfeldes von einem Sollwert wird eine die gesamte Meßkabine umfassende Kompensationsspule an­ gesteuert. Mit Sensorspulen können jedoch Gleichanteile bzw. sehr niederfrequente Änderungen des Magnetfeldes nicht gemes­ sen werden.

Aus der US-Patentschrift 4,234,950 ist es bekannt, zur Aus­ messung von Feldinhomogenitäten eines Magneten für Kernspin­ tomographiegeräte sogenannte MR-Sonden zu verwenden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Kernspinresonanzfre­ quenz bei einer bestimmten Kernart dem angelegten Magnetfeld streng proportional ist. Bei dieser Anordnung erfolgt die Messung jedoch nicht während der Bilderfassung und ohne ge­ schaltete Gradienten. Externe Feldstörungen können jedoch während des Pulssequenzablaufs sprunghaft auftreten. Eine Re­ gelung des Grundfeldes lediglich außerhalb der Meßzyklen eig­ net sich daher allenfalls für Supraleiter-Magnete, da deren Kälteschilde die höherfrequenten Anteile der Störfelder ab­ schirmen.

Aus der GB 2 276 942 A ist es bekannt, zur Messung des Mag­ netfelds ein sogenanntes ESR-Magnetometer zu verwenden. Ein­ flüsse von Gradienten auf das Magnetometer werden kompen­ siert, z. B. durch Kompensationsspulen. Aus der Resonanzfre­ quenz des Magnetometers wird ein Signal abgeleitet, das der Feldabweichung proportional ist und das zur Stabilisierung des Magnetfelds verwendet wird.

In der früheren deutschen Patentanmeldung 44 19 061 wurde eine Anordnung zur Messung des Grundfeldes vorgeschlagen, bei der im Untersuchungsbereich des Magneten zwei bezüglich des Magnetfeldzentrums zentralsymmetrisch angeordnete MR-Magnet­ feldsonden angebracht sind und bei in einer Korrekturein­ richtung die Meßsignale der beiden MR-Magnetfeldsonden derart addiert werden, daß die Wirkung von gepulsten Magnetfeld­ gradienten eliminiert wird. Die zur Feldmessung benutzte Ermittlung der MR-Frequenz wird durch Zeitableitung der Phasen der getrennt erfaßten und demodulierten Kernresonanz­ signale durchgeführt. Da hierfür zwei vollständige Meßkanäle mit Demodulatoren, Filtern und Analog/Digitalwandlern erforderlich sind, wird diese Anordnung recht aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, zeitliche Instabilitäten des Grundfeldes einer Kernspintomographieanlage möglichst genau zu erfassen, wobei eine weitgehend kontinuierliche Messung möglich sein soll. Der Hardware-Aufwand für die Meßeinrich­ tung soll gering bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Damit wird der Einfluß von geschalteten Magnetfeldgradienten eliminiert, so daß eine zumindest weit­ gehend unterbrechungsfreie Messung des Magnetfeldes möglich ist. Durch die Verwendung eine multiplizierenden Hochfre­ quenzmischers erhält man ein Summen-Frequenzsignal als Maß­ stab für das zu messende Magnetfeld, wobei ein zweiter Meß­ kanal mit phasenempfindlichem Demodulator, Filter, Analog/ Digital-Wandler usw. eingespart wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 17 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 3 verschiedene Anordnungen von Magnetfeldson­ den in Kernspintomographiegeräten mit Mag­ neten unterschiedlicher Bauart,

Fig. 4 schematisch eine Steuereinheit für das Mag­ netfeld,

Fig. 5 schematisch den Aufbau einer MR-Sonde als Magnetfeldsonde,

Fig. 6 eine Auswerteschaltung für Meßsignale der MR-Magnetfeldsonden, wie sie in der älteren deutschen Patentanmeldung P 44 19 091 be­ schrieben ist, zur Verdeutlichung der mit dem erfindungsgemäßen Prinzip zu erreichen­ den Vorteile,

Fig. 7 ein Pulsdiagramm für die Magnetfeldmessung in einer MR-Sonde,

Fig. 8 den Feldverlauf eines Gradientenfeldes ent­ lang einer z,x-Richtung in einem Kernspin­ tomographiegerät,

Fig. 9 ein Flußdiagramm zur Auswertung der MR-Sig­ nale entsprechend der Fig. 6 und zur Er­ mittlung und Kompensation von Feldinstabi­ litäten,

Fig. 10 bis 12 die Phasenverläufe der Ausgangssignale einer MR-Sonde mit einem Verfahren zur Be­ seitigung von Unstetigkeitsstellen,

Fig. 13 und 14 den Zeitverlauf der HF-Pulse und MR-Signale bzw. deren Phasenverlauf mit Unterdrückung der durch die Einstrahlung von HF-Pulsen bedingten Lücken,

Fig. 15 bis 17 jeweils unterschiedliche Ausführungsbei­ spiele der Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch ein Polschuhmagnet eines Kernspin­ tomographiegeräts mit einem einseitigen Joch dargestellt. Der magnetische Antrieb ist der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt und kann entweder aus Permanentmagneten oder nor­ malleitenden Magnetspulen bestehen. Im Bereich der Polschuhe 3, 4 sind jeweils Gradientenspulensätze 5 angebracht. Das Magnetzentrum ist mit 6 bezeichnet. Symmetrisch bezüglich dieses Zentrums sind zwei Magnetfeldsonden 1 und 2, im fol­ genden kurz als "Sonden" bezeichnet, angeordnet. Eine einzel­ ne Sonde im Zentrum des Systems, wo der Feldhub (d. h. die Störung) durch gepulste Gradienten aller drei Achsenrichtun­ gen minimal ist, ist nicht möglich, da sich dort im Betriebs­ zustand ein zu untersuchender Patient befindet. Eine einzelne Sonde im Bereich der Polschuhe kann für sich betrachtet uner­ wünschte Grundfeldstörungen nicht von den erwünschten Wirkun­ gen der Gradientenfelder unterscheiden. Für eine einzelne Magnetfeldsonde sind also zusätzliche Korrekturmaßnahmen er­ forderlich. Bei Plazierung zweier Sonden zentralsymmetrisch zum Magnetzentrum kann dagegen durch Addition der Meßsignale beider Magnetfeldsonden der Einfluß von Gradientenfeldpulsen eliminiert werden und damit können Grundfeldstörungen gemes­ sen werden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen entsprechende Beispiele für Son­ denpositionen bei axialen Magneten. Gemäß Fig. 2 sind die beiden Sonden 1 und 2 in den Positionen +y, -y positioniert. Sie können aber entsprechend Fig. 3 auch auf einer diagona­ len Position (z. B. -z, -x gemäß Fig. 3) liegen. Wichtig ist, daß bezüglich der Magnetkoordinaten eine Zentralsymmetrie herrscht, so daß die Sonden 1, 2 die gepulsten Gradientenfel­ der als Feldpuls jeweils umgekehrter Polarität sehen. Ent­ sprechend der schematischen Darstellung nach Fig. 4 werden die Ausgangssignale der Sonden 1, 2 einer Regelschaltung 9 zugeführt, wo sie addiert werden, damit die von Gradienten­ pulsen herrührenden Störungen eliminiert werden. Der Ausgang der Regelschaltung ist mit Korrekturspulen 7, 8 verbunden, mit denen das Feld des Magneten auf einen Sollwert ausgere­ gelt wird.

Für die Magnetfeldsonden sind MR-Sonden besonders geeignet. Die anderen bekannten Sonden haben unterschiedliche Nacht ei­ le. Beispielsweise erfassen Pick-up-Spulen gut schnelle Feld­ änderungen, sie erfordern aber einen Integrator, der eine Drift erzeugt bzw. die untere Frequenzgrenze ist nicht Null. Mit Hall-Generatoren lassen sich problemlos auch langsame Feldänderungen erfassen, im hohen Grundfeld sind diese aber nicht genau genug und außerdem thermisch driftend. Auch mit Flux-Gates lassen sich langsame Feldänderungen erfassen, die Genauigkeit im hohen Grundfeld ist aber ebenfalls unbefriedi­ gend.

MR-Sonden lassen sich dagegen im hohen Grundfeld gut einset­ zen und es werden alle Feldkomponenten erfaßt, die auch für die Kernspintomographie maßgebend sind. Die Feldmessung ist auch bei beliebig langsamer Feldänderung praktisch unbegrenzt genau. Wenn man allerdings herkömmliche continuous-wave- Verfahren in Verbindung mit lock-in-Detektion anwendet, werden schnelle Feldänderungen, wie sie unvermeidlicherweise durch die gepulsten Gradienten erzeugt werden, nicht erfaß­ bar. Bevorzugt werden daher MR-Sonden verwendet, die nach dem Puls-NMR-Spektrometerprinzip arbeiten. Dieses Prinzip ist für Spektrometer z. B. aus D. Shaw, Fourier Transform NMR Spec­ troscopy, Scientific Publ. Co. Amsterdam, 1976, Kap. 6, S. 121, bekannt.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer MR-Sonde. In einer Spule 10 ist eine Probe 11 angeordnet. Die Spule 10 ist über eine Anpaßschaltung mit Trimmer-Kondensatoren 12 und eine Ko­ axialleitung 14 mit einer Meßschaltung verbunden. Über die Spule 10 werden in der Probe 11 Kernspins angeregt und lie­ fern dann ein Kernresonanzsignal. Die Betriebsfrequenz der Sonde hängt vom Magnetfeld und vom Material der Probe ab. Zweckmäßigerweise wird als Probenmaterial eine Flüssigkeit oder ein Gel mit einer hohen Dichte von MR-geeigneten Kernen mit langer T2-Zeit verwendet. Wenn man z. B. Wasser verwendet, so wird die Betriebsfrequenz der MR-Sonde mit der Betriebs­ frequenz des Kernspintomographiegerätes, mit dem in der Regel Protonen-Bildgebung durchgeführt wird, übereinstimmen. Damit die der MR-Sonde zugeführte Hochfrequenz den Meßvorgang für das Bild nicht stört, muß dann für eine sehr gute Abschirmung der MR-Sonde und deren Zuleitung gesorgt werden. Alternativ kann auch ein Probenmaterial mit Atomkernen eingesetzt wer­ den, deren Magnetresonanz-Frequenz von der Protonen-Resonanz- Frequenz abweicht. Gut geeignet hierfür wären z. B. Fluor-Ver­ bindungen wegen ihrer hohen MR-Empfindlichkeit.

In Fig. 6 ist als Vergleichsgrundlage der erfindungsgemäßen Ausführungsformen mit der Schaltung nach der älteren deut­ schen Patentanmeldung P 44 19 061 die letztere Schaltung dar­ gestellt.

Die Sonden 1 und 2 sind dabei über Sende/Empfangs-Weichen 20 bzw. 21 mit dem Ausgang eines Hochfrequenzverstärkers 24 oder jeweils mit Eingängen von Hochfrequenzverstärkern 22 bzw. 23 verbunden. Zur Erzeugung des Sendesignals ist ein Hochfre­ quenzgenerator 30 vorgesehen, der über eine Steuerschaltung 25 im Sendebetrieb den Eingang des Hochfrequenzverstärkers 24 ansteuert.

Im Empfangsbetrieb werden die Ausgangssignale der Hochfre­ quenzsignalverstärker 22 und 23 jeweils einem Quadraturdemo­ dulator 26 und 27 zugeführt. Die Quadraturdemodulatoren 26 und 27 erhalten Referenzsignale vom Hochfrequenzgenerator 30, wobei durch einen Phasenschieber zwei um 90° phasenversetzte Signale benutzt werden. Die beiden von jedem Quadraturdetek­ tor 26 bzw. 27 erzeugten Signale, die Real- und Imaginärteil entsprechen, werden über Tiefpaßfilter 28 bzw. 29 Digi­ tal/Analog-Wandlern 32 bis 35 zugeführt. Die digitalen Aus­ gangssignale der Digital/Analog-Wandler 32 bis 35 werden in einem digitalen Signalprozessor 36 zu einem Steuersignal verarbeitet, durch einen Digital/Analog-Wandler 37 in Ana­ logsignale umgesetzt und dann einer Korrekturspule 7 für das Magnetfeld zugeführt. Die gesamte Anordnung wird von einer Steuereinrichtung 38 gesteuert.

Alternativ kann auch für jeden Sende/Empfangs-Kanal ein gesonderter Hochfrequenzgenerator 30, 30a mit nachgeschalte­ ter Pulssteuerschaltung 25, 25a und Hochfrequenzverstärker 24 und 24a verwendet werden, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist.

Fig. 7 zeigt die Abfolge der Hochfrequenzpulse RF und den Verlauf des MR-Signals mit Realteil S_R und Imaginärteil S_I Die Sonde wird im sogenannten steady-state-free-precession- Modus betrieben. Die Hochfrequenzsignale RF sind sehr kurz, da ihre Zeitdauer für die Messung eine unerwünschte Totzeit darstellt. Ferner müssen die Hochfrequenzpulse breitbandig, d. h. nicht frequenzselektiv sein, denn die gepulsten Gradien­ ten erzeugen unter Umständen große MR-Frequenzverschiebungen.

In Fig. 7 ist ferner der Betriebszustand des Analog/Digital- Wandlers ADC dargestellt, wobei die Intervalle, in denen das Meßsignal abgetastet wird, mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet sind. Die Wiederholrate der Hochfrequenzpulse RF sollte niedrig sein, damit das Totzeit-zu-Meßzeit-Verhält­ nis klein ist. Der erforderliche Abstand der Hochfrequenz­ pulse richtet sich im wesentlichen nach der T₂*-Zeit der Pro­ be 11, was zum einen durch das Material selbst, aber auch durch die Probengröße und -form gegeben ist. Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß sich die Probe 11 (mindestens wegen der zeitweise eingeschalteten Gradienten) in der Regel im inhomogenen Feld befindet. Dieses Problem läßt sich aller­ dings dadurch abmildern, daß man die Sonden 1, 2 jeweils an einer Position im MR-Gerät anbringt, die einen niedrigen lo­ kalen Feldgradienten aufweist. Diese Positionen sind in Fig. 8, die den Verlauf des Magnetfelds b über die x-Achse darstellt, beispielhaft mit x1 und x2 bezeichnet.

Insgesamt muß man also Probengröße, Probenort und Pulsabstand unter der Berücksichtigung der vorher zu bestimmenden Feld­ verteilung im Kernspintomographen so wählen, daß sich jeder­ zeit ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.

Als Probenmaterial wird vorteilhafterweise eine Flüssigkeit oder ein Gel mit hoher Dichte und MR-geeigneten Kernen mit langer T2-Zeit verwendet. Geeignet sind Wasser, Kohlenwasser­ stoff oder ähnliches. Wenn man die Sonden 1, 2 mit der Reso­ nanzfrequenz der Protonen betreibt, so muß für eine gute Ab­ schirmung der gesamten Anordnung gesorgt werden. Auch die Bildgebung im MR-Gerät erfolgt nämlich typischerweise auf der Resonanzfrequenz von Protonen. Da die Magnetfeldmessung auch während der Messung der für die Bildgebung erforderlichen Kernresonanzsignale weiterlaufen soll, würden sich ohne Ab­ schirmung starke gegenseitige Beeinflussungen ergeben.

Wenn man die MR-Sonden 1 und 2 mit der Protonenresonanzfre­ quenz betreibt, so ergibt sich jedoch der Vorteil, daß ein gemeinsamer Hochfrequenzgenerator für die Festlegung der Hochfrequenzsendepulse für die Bildgebung und die Magnetfeld­ messung verwendet werden kann.

In den Sonden 1, 2 können jedoch auch Proben mit anderen Ker­ nen eingesetzt werden, deren MR-Resonanzfrequenz von derjeni­ gen von Protonen unterschiedlich ist. Gut geeignet sind z. B. Fluor-Verbindungen (Fluorkohlenwasserstoffe) wegen ihrer ho­ hen MR-Empfindlichkeit.

Beide Sonden geben also mit Hilfe des vorstehend beschriebe­ nen Verfahrens ein bis auf die kurzen Sendepulse ununterbro­ chenes Kernresonanzsignal ab, dessen Frequenz entsprechend der Larmor-Beziehung ω = γ·B zu jeder Zeit absolut genau pro­ portional dem augenblicklich am Probenort herrschenden Mag­ netfeld ist.

Die weitere Verarbeitung der in der Schaltung nach Fig. 6 demodulierten Sondensignale erfolgt auf digitalem Wege in einem digitalen Signalprozessor 36.

In Fig. 9 ist ein Flußdiagramm der Signalverarbeitung im digitalen Signal-Prozessor 36 dargestellt. Dem digitalen Signalprozessor 36 werden für jede Sonde 1, 2 Realteil und Imaginärteil des Kernresonanzsignals, mithin also vier Sig­ nale S1_R, S1_I, S2_R, S2_I zugeführt. Dann werden die Offsets der vorgeschalteten Analog/Digital-Wandler 32 bis 35 ermit­ telt und subtrahiert. Diese Funktion kann von Zeit zu Zeit in Meßpausen wiederholt werden, um Offsetdrift auszugleichen.

Die Ermittlung der Frequenz der MR-Signale geschieht in die­ ser Anwendung vorteilhafterweise nicht durch Fourier-Trans­ formation des Zeitsignals, sondern durch Berechnung der zeit­ lichen Ableitung der Phase (ω = dϕ/dt). Die Phase ϕ(t_n) wird durch eine Vierquadrantenauswertung des Arcus Tangens des Real- und Imaginärteils bestimmt. Diese Methode hat den gro­ ßen Vorteil, daß sie kontinuierlich jede Frequenzänderung so­ fort erfaßt.

Weiter enthält der digitale Signalprozessor 36 eine Funktion, die eine Anpassung des zeitlichen Phasenverlaufs an Über­ gangsstellen bewirkt. Dies wird im folgenden anhand der Fig. 10 bis 12 erläutert. Fig. 10 zeigt den Signalverlauf von Realteil S_R und Imaginärteil S_I des demodulierten Kernreso­ nanzsignals der Sonde. Wie in Fig. 11 sichtbar, weist der Phasenverlauf Sprünge von +180° nach -180° auf. Damit ergeben sich Probleme bei der Auswertung. Um dies zu vermeiden, wer­ den die Phasenverläufe derart verschoben, daß sich ein konti­ nuierlicher Übergang ergibt.

Ferner muß dafür gesorgt werden, daß an den durch die Hf-Pul­ se bedingten Sprungstellen eine Anpassung des zeitlichen Pha­ senverlaufs erfolgt. Fig. 13 zeigt den Realteil S_R eines Kernresonanzsignals der Sonden 1, 2, wobei dieses Signal wäh­ rend eines Hochfrequenzpuls RF unterbrochen ist. Während der Unterbrechungszeit erfolgt, wie in Fig. 14 mit einer durch­ gezogenen dicken Linie angedeutet, eine lineare Extrapola­ tion. In Fig. 14 sind mit einer durchgezogenen Linie die Meßwerte der Phase gezeichnet, mit einer durchgezogenen dic­ ken Linie der extrapolierte Teil und mit einer gestrichelten Linie die an den Endpunkt der Extrapolation verschobenen Meß­ werte. Wie durch die Pfeile in Fig. 14 angedeutet, müssen die nach der Extrapolation gewonnenen Meßwerte verschoben werden, damit sich ein lückenloser Kurvenverlauf ergibt. Au­ ßerdem erfolgt die oben anhand der Fig. 11 erläuterte Ver­ schiebung zur Vermeidung der 360°-Sprünge.

Durch Bildung der Größe [ϕ(t_n)-ϕ(t_n-1)]/(t_n-t_n-1) wird die Frequenz der Kernresonanzsignale der beiden Sonden S1 und S2, die dem an der Sondenposition vorhandenen MR-Signal propor­ tional ist, ermittelt. Schließlich werden die Ergebnisse ad­ diert, so daß die Wirkung von Gradientenpulsen eliminiert wird. Wegen der räumlichen Antisymmetrie aller gepulsten Gra­ dientenfelder bezüglich der Magnetmitte und der zentralsym­ metrischen Anordnung der Proben fallen die Einflüsse der Gra­ dientenpulse weg und es verbleibt nur der Grundfeldanteil. Am Ergebnis der Addition wird eine Tiefpaßfilterung durchge­ führt.

Da das Grundfeld (ohne Gradientenpulse) an den beiden ausge­ wählten Sondenpositionen unterschiedlich sein kann (Feldoff­ set), ergibt sich unter Umständen ein Offset des Ausgangs­ signals. Dieser konstante Feldoffset kann ermittelt und sub­ trahiert werden.

Mit dem dargestellten Verfahren können die externen oder in­ ternen Störfelder, die es zu eliminieren gilt, ohne Störung durch die Gradientenpulse ermittelt werden. Vorteilhaft ist auch, daß durch eventuelle Unsymmetrien der Gradientenspulen erzeugte störende Feldsprünge oder Wirbelfelder mit homogener Feldverteilung ebenfalls erfaßt werden.

Die Taktrate, mit der die Meßdatenerfassung und -verarbeitung erfolgt, richtet sich nach der Position der Sonden 1, 2 und den angewendeten Gradientenfeldern. Die Datenerfassung und -verarbeitung muß jedoch mindestens mit einer Taktrate erfol­ gen, die bezüglich der gradientenpulsbedingten MR-Frequenz­ verschiebung der Kernresonanzsignals das Nyquist-Theorem er­ füllt.

Das so erhaltene digitale Signal für den Istwert der Magnet­ feldstärke wird nun über einen Digital/Analog-Wandler 37 in ein analoges Signal umgewandelt, welches nach entsprechender Verstärkung einer Hilfsfeldspule 7 zugeführt wird, die das Störfeld kompensiert.

Bei der dargestellten Schaltung nach Fig. 6 ist der Hard­ ware-Aufwand verhältnismäßig groß, da zwei vollständige Emp­ fangs- und Auswertekanäle mit phasenempfindlichen Demodulato­ ren, Filtern und je zwei Analog/Digital-Wandlern für Real- und Imaginärteil vorhanden sind. Erhebliche Einsparungen kön­ nen mit den in den Fig. 15 bis 17 dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen der Erfindung erzielt werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 6 im wesentlichen dadurch, daß die Ausgangssignale der Hochfrequenzsignalverstärker 22 und 23 einem multiplizierenden Hochfrequenzmischer 47 zugeführt wer­ den. Ein multiplizierender Hochfrequenzmischer erzeugt be­ kanntlich zwei Frequenzkomponenten, die der Summe bzw. der Differenz der Eingangssignale entsprechen. Die Frequenz des Summen-Frequenzsignals ist damit dem Grundfeld ohne den Einfluß von Gradientenschaltungen proportional.

Das Ausgangssignal des Mischers 47 wird mit einem Quadratur­ demodulator 41, also einem phasenempfindlichen Demodulator demoduliert. Da bei einer Resonanzfrequenz f₀ der MR-Sonden im ungestörten Grundmagnetfeld die Sollfrequenz des Summen- Hochfrequenzsignals bei 2f₀ liegt, muß als Referenzfrequenz für den Quadraturdemodulator 41 diese Frequenz 2f₀ zur Verfü­ gung gestellt werden. Mit einem Synthesizer 40 wird daher so­ wohl die Frequenz f₀ zur Anregung der MR-Sonden 1, 2 als auch die Frequenz 2f₀ erzeugt, die über einen Phasenschieber 31 in zwei um 90° phasenverschobenen Komponenten dem Quadraturdemo­ dulator 41 als Referenz zur Verfügung gestellt wird.

Aus den beiden Ausgangssignalen des Quadraturdemodulators 41 werden über Tiefpaßfilter 28, 29 die niederfrequenten Signal­ anteile ausgefiltert und mit Analog/Digitalwandlern 42, 43 digitalisiert. Wenn das Grundmagnetfeld keine Abweichung vom Sollwert aufweist, d. h. das Summen-Frequenzsignal am Ausgang des Hochfrequenzmischers 47 mit der vorgegebenen Grundfre­ quenz 2f₀ übereinstimmt, weist das niederfrequente Signal die Frequenz Null auf, bei einer Feldabweichung eine proportional zur Abweichung ansteigende Frequenz.

Die Ermittlung dieser Frequenz erfolgt z. B. in der oben dar­ gestellten Weise durch Berechnung der zeitlichen Ableitung der Phase in einem digitalen Signalprozessor 36. Wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 wird das digitale Signal für die Abweichung der Magnetfeldstärke vom Sollwert über einen Analog/Digitalwandler 44 in ein analoges Signal umgewandelt, mit einem Analogverstärker 45 verstärkt und einer Hilfsfeld­ spule 7 zugeführt, die ein vorhandenen Störfeld kompensiert.

Da man bei diesem Ausführungsbeispiel bereits mit dem Mischer 47 ein Summensignal erhält, das den gesuchten homogenen An­ teil des Magnetfeldes repräsentiert, kommt man mit einem Qua­ draturdemodulator mit zwei nachgeschalteten Filtern und Ana­ log/Digital-Wandlern aus. Gegenüber der Anordnung nach Fig. 6 wird daher der Aufwand für die erforderliche Hardware deut­ lich verringert.

Eine weitere Verringerung des Hardware-Aufwandes ist möglich, indem man entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 das mit dem Quadraturdetektor 41 gewonnene Phasensignal nach der Tiefpaßfilterung direkt zur Regelung des Grundfeldes ver­ wendet. Dies entspricht dem bekannten "Phase Locked Loop"- Prinzip. Bei geeigneter Phasenlage kann das Ausgangssignal des Tiefpaßfilters 29 direkt, sonst über geeignete Analogbau­ gruppen, z. B. einen Integrator 57 zur Regelung des Grundfel­ des verwendet werden. Dadurch können die A/D-Wandler und alle weiteren Digitalrechnerkomponenten eingespart werden.

Im Unterschied zu Fig. 15 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 ferner bereits auf der Hochfrequenzseite ein Filter 56 vorgesehen, mit dem das Summenfrequenzsignal aus dem Aus­ gangssignal des Hochfrequenzmischers 47 ausgefiltert wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 17 dargestellt. Dabei wird die Abweichung des Grundmagnetfeldes vom Sollwert durch Zähler festgestellt. In diesem Fall liefert der Synthe­ sizer 40, wie bei dem bisherigen Ausführungsbeispiel ein Sig­ nal mit einer Frequenz f₀, die der Resonanzfrequenz der MR- Sonde im Soll-Zustand entspricht und die bei der Anregung den MR-Proben 1 und 2 zugeführt wird. Als zweites Ausgangssignal erzeugt der Synthesizer 40 ein Signal mit der Frequenz 2f₀+f, wobei f_z in diesem Falle eine Zwischenfrequenz ist. Das Aus­ gangssignal des ersten Hochfrequenzmischers 47 wird nun in einem zweiten multiplizierenden Hochfrequenzmischer 48 mit dem Signal der Frequenz 2f₀+f_z gemischt. Am Ausgang des zwei­ ten Mischers 48 steht damit wieder eine Summenfrequenz (2f₀+ f_z+²f) und eine Differenzfrequenz f_i=(2f+f_z-2f) an. Die Dif­ ferenzfrequenz f_i, die im Sollzustand mit der Zwischenfre­ quenz übereinstimmt, wird mit einem Filter 50 herausgefil­ tert. Das gefilterte Signal wird über einen ersten Nullstel­ lendetektor 52 einem ersten Zähler 54 zugeführt.

Ferner wird ein Hochfrequenzsignal mit der Frequenz f_r, das über einen Frequenzvervielfacher 51 aus der Grundfrequenz f₀ gewonnen wird, über einen zweiten Nullstellendetektor 53 einem zweiten Nullstellenzähler 55 zugeführt. Die Nullstel­ lenzähler 54 und 55 werden von der Steuereinrichtung 38 so angesteuert, daß mit dem ersten Nulldurchgang des Differenz­ frequenzsignals f_i beide Nullstellenzähler 54 und 55 gestar­ tet werden. Sobald der Nullstellenzähler 54 eine fest vorge­ gebene Anzahl N₁ von Nullstellen im Differenzfrequenzsignal f_i gezählt hat, wird der zweite Nullstellenzähler 55 ange­ halten. Die Frequenz des Differenzfrequenzsignals f_i ergibt sich aus dem dann abzuzählenden Zählerstand N₂ des Perioden­ zählers aufgrund folgender Beziehung:

f_i = f_r·N₁/N₂

Wenn das gemessene Magnetfeld seinen Sollwert aufweist, er­ hält man am Ausgang des Filters 50 ein Signal mit der Fre­ quenz:

f_i = 2f₀ + f_z-2f₀ = f_z

Wenn das gemessene Magnetfeld vom Sollwert nach oben oder un­ ten abweicht, weicht entsprechend auch die Frequenz f_i pro­ portional zur Feldabweichung von der Zwischenfrequenz f_z ab.

Indem man nicht nur eine Periode des Differenzfrequenzsignals f_i, sondern mehrere Perioden zählt, wird die Genauigkeit der Frequenzmessung entsprechend erhöht. Die theoretisch mögliche Genauigkeit hängt ferner von der Vergleichsfrequenz f_r ab. Es wird daher zweckmäßigerweise eine Vergleichsfrequenz f_r ver­ wendet, die 100 bis 1000 mal so groß ist wie die Grundfre­ quenz f₀.

Die aufgrund des obengenannten Zusammenhangs ermittelte Fre­ quenzabweichung ist zur Feldabweichung proportional und wird daher über einen D/A-Wandler 46 zur Regelung des Grundfeldes verwendet.

Bei dieser Anordnung können gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 der Quadraturdetektor sowie die A/D-Wandler eingespart bzw. durch die oben beschriebenen Elemente ersetzt werden.

Claims (8)

1. Anordnung zur Messung des magnetischen Grundfeldes eines Magneten eines Kernspintomographiegerätes mit folgenden Merk­ malen:

• - im Untersuchungsbereich des Magneten sind zwei bezüglich des Magnetfeldzentrums (6) zentralsymmetrisch angeordnete MR-Magnetfeldsonden (1, 2) angebracht,
• - die Ausgangssignale der beiden MR-Magnetfeldsonden (1, 2), deren Frequenz dem jeweiligen Magnetfeld proportional ist, werden einem multiplizierenden Hochfrequenzmischer (47) zugeführt
• - aus dem Ausgangssignal des Hochfrequenzmischers (47) wird ein Summen-Frequenzsignal gewonnen und aus dessen Frequenz der Istwert des Grundfeldes bestimmt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Sendeantennen der MR-Mag­ netfeldsonden (1, 2) ein Probematerial mit einer kontinuier­ lichen Abfolge von kurzen Hochfrequenzpulsen (RF), deren Ab­ stand in der Größenordnung der T2*-Zeit des Probenmaterials liegt, anregen und daß in der Zeit zwischen den Hochfrequenz­ pulsen (RF) Kernresonanzsignale empfangen werden.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Hochfrequenzmischers (47) in einem Quadraturdemodulator (41) demoduliert wird, dem als Referenzfrequenz die doppelte Anre­ gefrequenz für die MR-Magnetfeldsonden (1, 2) zugeführt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Qua­ draturdemodulators (41) tiefpaßgefiltert werden und daß das Grundfeld des Magneten durch Zeitableitung der Phase der so gewonnenen Signale berechnet wird.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das demodu­ lierte Signal tiefpaßgefiltert und dann unmittelbar als Aus­ gangssignal der Anordnung zur Regelung des magnetischen Grundfeldes verwendet wird.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Summen­ frequenz-Signals und damit das magnetische Grundfeld dadurch bestimmt wird, daß beim Ausgangssignal des Hochfrequenzmi­ schers (47) die Zeit zwischen zwei Nulldurchgängen ermittelt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die MR-Magnetfeldsonden mit einer Frequenz f beaufschlagt werden, daß das Ausgangssignal des ersten Hochfrequenzmischers (47) durch einen zweiten Hochfrequenzmischer (48) mit einer Frequenz 2f₀+f_z gemischt wird, daß aus dem so gewonnenen Mischsignal ein Differenzfre­ quenzsignal mit einer Differenzfrequenz f_i gewonnen wird, daß die Zeit zwischen einer definierten Anzahl von Nulldurchgän­ gen dieses Signals gemessen wird und daraus das magnetische Grundfeld bestimmt wird.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Frequenz des Differenzfrequenz-Signals dadurch bestimmt wird, daß mit einem Nulldurchgang des aus dem ersten bzw. zweiten Hochfrequenzmischer (47, 48) gewonnenen Signals ein erster Nullstellenzähler (54) gestartet wird, der Nullstellen dieses Signals zählt, wobei ferner ein zweiter Nullstellenzähler (53) gestartet wird, der die Nullstellen einer wesentlich hö­ heren Vergleichsfrequenz zählt, und wobei nach einer fest vorgegebenen Anzahl von Nullstellen des Signals der Zähler­ stand des zweiten Nullstellenzählers (53) ausgelesen und zur Berechnung der Frequenz des Signals ausgewertet wird.