DE19631895A1 - Verfahren zur Anpassung eines Spulenresonators eines Magnetresonanzgerätes - Google Patents

Description

Bei der Kernspintomographie mit einem Magnetresonanzgerät werden die Signale, die zur Bildrekonstruktion herangezogen werden, durch das unterschiedliche zeitliche Verhalten (Relaxationszeit) der in einem äußeren statischen Magnetfeld ausgerichteten und durch ein Hochfrequenzsignal angeregten Atomkerne ermittelt. Für die bildgebende Kernspintomographie werden dazu vorrangig Wasserstoff-Protonen untersucht. Was­ serstoff ist das häufigste Element im menschlichen Körper und in Bezug auf die Magnetresonanz das empfindlichste. Die Kern­ spintomographie beschränkt sich aber nicht nur auf die kon­ ventionelle Schnittbildtechnik, sondern sie bietet auch die Möglichkeit der Kernresonanz-Spektroskopie, d. h. die Konzen­ trationsbestimmung chemischer Verbindungen. Durch die Unter­ suchung verschiedener Atomkerne, wie ³¹P, ²¹F, ¹³C, erhält man einen nicht-invasiven Einblick in den menschlichen Stoffwech­ sel. Die Spektroskopie ist in der Regel mit zusätzlichem in­ strumentellen Aufwand verbunden, da das Meßsystem hierfür mit anderen Frequenzen als bei der Bildgebung betrieben werden muß. Zudem ist der Nachweis der Atomkerne ³¹P, ²¹F, ¹³C auf­ grund der geringen Signale schwieriger. Zum Empfang dieser Signale werden daher Oberflächenspulen eingesetzt.

Eine zentrale Stellung im Meßsystem eines Magnetresonanzgerä­ tes nehmen daher die Spulensysteme ein, die einerseits die zu untersuchenden Atomkerne anregen und andererseits die Kernre­ sonanzsignale empfangen. Als Sende- und Empfangsspulen können sie als HF-Antenne direkt am zu untersuchenden Körperteil po­ sitioniert werden. Die resistive und kapazitive Belastung ei­ nes solchen Spulensystemes ist abhängig vom Untersuchungsob­ jekt. Vor der eigentlichen Untersuchung ist deshalb eine Im­ pedanzanpassung des durch das Untersuchungsobjekt belasteten Spulenresonators an einen HF-Generator nötig, um die Energie so verlustlos wie möglich zu übertragen. Diese Anpassung er­ folgt durch ein Anpaßnetzwerk mit einer seriellen und einer parallelen Kapazität (C_s, C_p).

Ein Ersatzschaltbild eines solchen Systems ist in der Fig. 1 dargestellt. Hierbei ist der HF-Generator mit dem Bezugszei­ chen 1 gekennzeichnet. Im Ausführungsbeispiel hat dieser HF- Generator 1 einen Innenwiderstand 2 von z. B. 50 Ohm. Über ei­ ne Leitung 3 mit einer Impedanz Z von 50 Ohm und ein Anpaß­ netzwerk 4 mit einem seriellen Kondensator (C_s) als erstes Anpaßelement 5 und einem parallelen Kondensator (C_p) als zweites Anpaßelement 6 wird die Energie in den Spulenresona­ tor 7 eingekoppelt. Bei den Anpaßkapazitäten (serieller Kon­ densator 5 und paralleler Kondensator 6) handelt es sich bei­ spielsweise um Drehkondensatoren, deren Kapazität zur Anpas­ sung veränderbar ist. Als Maß für die Anpassung wird der kom­ plexe Reflexionsfaktor r, d. h. das Verhältnis von reflektier­ ter und vorlaufender Welle des Sende-/Empfangssystem be­ stimmt. Bisher wurde für den Anpaßprozeß nur der Betrag des Reflexionsfaktors r ausgewertet, durch den der Anwender nur wenig Information über die Drehrichtung, d. h. die Vergröße­ rung oder Verkleinerung der Anpaßkapazitäten erhält. Der Re­ flexionsfaktor (0 < |r| < 1) wurde bisher als analoger Span­ nungswert mit dem Spannungsbereich von 0 bis 10 V ausgelesen. Ziel der Anpassung ist es, durch die Justage der Anpaßkapazi­ täten diese Spannung auf einen möglichst kleinen Wert einzu­ stellen (z. B. U < 1 V), was mit einem Reflexionsfaktor |r| < 10% gleichbedeutend ist. Das manuelle Anpaßverfahren läuft hierzu wie folgt ab:

Zuerst erfolgt eine Verstellung des seriellen Kondensators 5 hinsichtlich einer Verringerung des Reflexionsfaktors r auf ein vorläufiges Minimum. Anschließend wird die Kapazität des parallelen Kondensators 6 hinsichtlich der Reduzierung des Reflexionsfaktors r bis zu einem weiteren Minimum verändert. Dieser Prozeß wird iterativ solange wiederholt, bis der ge­ wünschte Minimalwert des Reflexionsfaktors r erreicht wird.

Dieses Vorgehen ist dann besonders schwierig, wenn sich der Reflexionsfaktor r bei der Abstimmung der Kondensatoren 5, 6 nur geringfügig ändert. Ein derartiger Anpaßprozeß dauert mehrere Minuten, was insbesondere für ein lebendes Untersu­ chungsobjekt unangenehm ist, da sich dieses während dieser Zeit und auch während der eigentlichen Untersuchung möglichst nicht bewegen darf.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Magnetresonanzgerät und insbesondere ein Verfahren zur Anpassung eines Spulenre­ sonators bzw. einer HF-Antenne an eine HF-Generator derart auszuführen, daß diese Anpassung automatisch ausgeführt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 1 und ein Gerät nach dem Gegenstand des Pa­ tentanspruches 6 gelöst.

Vorteil der Erfindung ist, daß durch das angegebene Verfahren und Magnetresonanzgerät eine automatische und damit wenig zeitaufwendige und genaue Anpassung des Spulenresonators bzw. der HF-Antenne an den HF-Generator möglich ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispie­ les anhand der Zeichnungen in Verbindung mit den Unteransprü­ chen.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines Spulenresonators mit Anpaßnetzwerk und HF-Generator eines Ma­ gnetresonanzgerätes,

Fig. 2 Ortskurven einer Spektroskopiespule bei un­ terschiedlicher Last,

Fig. 3 Ortskurven der Spektroskopiespule bei verän­ derter Kapazität des parallelen Kondensators und bei konstanter Kapazität des seriellen Kondensators,

Fig. 4 Ortskurven der Spektroskopiespule bei verän­ derter Kapazität des seriellen Kondensators bei konstanter Kapazität des parallelen Kon­ densators,

Fig. 5 ein Magnetresonanzgerät in prinzipieller Dar­ stellung,

Fig. 6 einen Meßaufnehmer,

Fig. 7 Befehlsdiagramm für den Anpaßprozeß

Fig. 8 ein Anpaßmenü bei aktiver Messung der Ortskurve für die Protonenfrequenz,

Fig. 9 ein Anpaßmenü bei aktiver Messung der Ortskurve für Phosphorfrequenz,

Fig. 10 eine Anpaßpulssequenz (vorlaufende Welle),

Fig. 11 eine Anpaßpulssequenz (rücklaufende Welle),

Fig. 12 einen Verfahrensablaufplan nach der Erfin­ dung,

Fig. 13 einen Verfahrensablaufplan zur Messung der Reflexionsfaktoren für n-Frequenzen,

Fig. 14 einen Verfahrensablaufplan zur Bestimmung des kleinsten Reflexionsfaktors der Reflexions­ kurven,

Fig. 15 ein Verfahrensablaufplan zum Verändern des ersten Anpaßelementes 5 hinsichtlich der Im­ pedanzanpassung,

Fig. 16 einen Verfahrensablaufplan zum Verändern des zweiten Anpaßelementes 6 hinsichtlich der Frequenzanpassung.

Damit die maximale Wirkleistung von dem Spulenresonator 7 aufgenommen bzw. ausgesendet werden kann, ist eine Leistungs­ anpassung zwischen dem HF-Generator 1 und dem Spulenresonator 7 notwendig. Um diese Leistungsanpassung optimal zu gestal­ ten, ist ein Anpaßnetzwerk 4 vorgesehen, so daß der durch ein Untersuchungsobjekt (Patient) belastete Spulenresonator 7 für eine vorgegebene Magnetresonanzfrequenz auf den reellen Wi­ derstandswert des HF-Generators 1 abgestimmt werden kann. Zur Dimensionierung derartiger Anpaßnetzwerke 4 wird in der HF- Technik die Darstellung der Impedanz Z in der Reflexionsfak­ torebene (Smith-Diagramm) verwendet. Es handelt sich hierbei um eine konforme Abbildung der rechten Impedanz-Halbebene, für die folgende Abbildungsvorschrift gilt:

Die Geraden konstanter Real- bzw. Imaginärteile der komplexen Impedanz Z werden dabei auf Kreisbögen bzw. Kreise abgebil­ det. Im Smith-Diagramm wird also der Wert der normierten Im­ pedanz Z dargestellt. Der Betrag und die Phase des Refle­ xionsfaktors r können bezüglich des Diagramm-Mittelpunktes abgelesen werden. Nimmt der Reflexionsfaktor r den Wert Null an, so wird die gewünschte Impedanz-Anpassung des Spulenreso­ nators 7 erhalten. Der Impedanzwert liegt dann im Mittelpunkt (Anpaßpunkt) des Smith-Diagramms. Da die Impedanz Z in der Bezugsebene nicht direkt meßbar ist, wird über die Auswertung der komplexen Spannungswerte der hin- und rücklaufenden Wel­ le, die durch die Wellengröße a, b repräsentiert werden, der Reflexionsfaktor r bestimmt. Die Leitung 3 mit dem Leitungs­ wellenwiderstand von 50 Ohm bewirkt lediglich eine Phasenver­ schiebung der Impedanz Z bzw. des Reflexionsfaktors r. Der Betrag des Reflexionsfaktors |r|, der als Maß der Anpassung betrachtet werden kann, bleibt unverändert. Um das Verhalten der Anpaßschaltung genau beurteilen zu können, wird die Orts­ kurve, d. h. der Verlauf des Impedanzwertes Z bzw. des Refle­ xionsfaktors r als Funktion der Frequenz im Smith-Diagramm als Abbildung dargestellt. Diese Ortskurven sind in der Regel kreis- bzw. schleifenförmig ausgebildet.

In der Fig. 2 sind beispielsweise Ortskurven eines Spulenreso­ nators 7 bei unterschiedlicher Last dargestellt. Die Fre­ quenzbreite beträgt hierbei beispielsweise 15 MHz bei einer Mittenfrequenz von 25,75 MHz. Die größere Anpaßschleife 8 er­ gibt sich beispielsweise bei einem gering und die kleinere Anpaßschleife 9 beispielsweise bei einem stärker belasteten Spulenresonator 7. Die Kapazitätswerte der Kondensatoren 5 und 6 sind in dieser Darstellung unverändert.

In der Fig. 3 ist die Veränderung bzw. die Verschiebung der Ortskurve bei Variation der Kapazität des parallelen Konden­ sators 6 bei konstanter Kapazität des seriellen Kondensators 5 gezeigt. Es ist erkennbar, daß eine Veränderung der Kapazi­ tät des parallelen Kondensators 6 zu einer Verschiebung der Impedanzwerte entlang der Ortskurve führt. Bei unterschiedli­ chen Kapazitätswerten des parallelen Kondensators 6 wird der gleiche Impedanzwert bei unterschiedlichen Frequenzen er­ reicht. Eine Änderung der Kapazität des parallelen Kondensa­ tors 6 führt somit zu einer Frequenzverschiebung der Impe­ danzkurve im Smith-Diagramm. Eine Vergrößerung der Kapazität bewirkt eine Verschiebung entgegen und eine Verkleinerung der Kapazität einer Verschiebung im Uhrzeigersinn.

In der Fig. 4 ist eine Verschiebung der Ortskurve bei Variati­ on der Kapazität des seriellen Kondensators 5 bei konstanter Kapazität des parallelen Kondensators 6 gezeigt. Die Ortskur­ ve ist hierbei im Frequenzbereich f_res ± Δf mit f_res = 25,7 MHz und Δf = 500 kHz (Span = 1 MHz) dargestellt, wobei f_res die Resonanzfrequenz des Spulenresonators 7 darstellt. Dieser Im­ pedanzwert ist in der Fig. 4, durch den mit den Bezugszeichen 10 gekennzeichneten Kreis dargestellt. Eine Änderung der Ka­ pazität des seriellen Kondensators 5 führt zu einer Verlage­ rung hinsichtlich einer Aufweitung bzw. einer Verengung des schleifenförmigen Kurvenverlaufs der Ortskurve. Durch Verän­ dern der Kapazität des seriellen Kondensators 5 kann der Spu­ lenresonator 7 somit hinsichtlich der Impedanz Z und durch Verändern der Kapazität des parallelen Kondensators 6 auf die gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt werden.

Die Abstimmung des beispielsweise durch einen Wechsel eines Patienten verstimmten Spulenresonator 7 kann mit Hilfe der graphischen Darstellung der Impedanz-Ortskurve im Smith- Diagramm durch die nachfolgenden Verfahrensschritte vorgenom­ men werden:

1. Impedanzanpassung

Die Kapazität des seriellen Kondensators 5 kann nahezu unab­ hängig von der momentanen Einstellung so eingestellt werden, daß die Ortskurve durch den Mittelpunkt des Smith-Diagramms verläuft. Es wird somit eine Anpassung bei einer Frequenz, die in der Regel nicht der gewünschten Resonanzfrequenz des Spulenresonators 7 entspricht, erreicht.

2. Frequenzanpassung

Durch anschließende Veränderung der Kapazität des parallelen Kondensators 6 wird die Anpassung für die gewünschte Reso­ nanzfrequenz erreicht. Bei korrekter Veränderung der Kapazi­ tät, d. h. bei einem Drehkondensator in Abhängigkeit von der korrekten Drehrichtung im oder gegen den Uhrzeigersinn, wird die Markierung der Resonanzfrequenz in den Anpaßpunkt 11 ge­ dreht und somit das System abgestimmt.

Durch die Auswertung des Reflexionsfaktors r nach Betrag und Phase im Smith-Diagramm ist es möglich, den Spulenresonators 7 in nur zwei Schritten anzupassen. Durch die graphische Dar­ stellung auf einer Anzeigevorrichtung ist nicht zuletzt eine Feinabstimmung nahe des Anpaßpunktes 11 möglich. Die Reduzie­ rung des Reflexionsfaktores r unter 3% kann ohne Mühe er­ reicht werden. Die benötigte Zeit für den Anpaßprozeß mit Hilfe des Smith-Diagrammes liegt bei ca. 10-20 sek.

In der Fig. 5 ist ein Übersichtsplan einer Rechnerstruktur und des HF-Systemes eines Magnetresonanzgerätes gezeigt. Hierbei stellt ein Hauptsteuerrechner 12 zunächst die Verbindung von Anlagenrechner 13 und den anderen peripheren Hardwarekompo­ nenten über ein Ein-/Ausgabe-Interface 14 her. Diese Hard­ warekomponenten sind im wesentlichen:

• - Eine HF-Kleinsignalsteuerung 15 zur Generierung der HF- Pulssequenzen zur Anregung der Atomkerne,
• - eine Gradientensteuerung 16 zur Generierung der Gradienten­ sequenzen,
• - eine Magnetresonanz-Signaldatenerfassung 17 zur Aufnahme und Weiterleitung der Magnetresonanz-Signaldaten an einen Bildrechner 18 bzw. an den Hauptsteuerrechner 12,
• - ein HF-Stellgrößenrechner 19, der den Hauptsteuerrechner 12 mit der Hardware (Plasmadisplay, Motoren- und Varactor- Steuerung für die automatisch abstimmbaren Spulen, Pneumo­ schalter zur Einstellung des HF-Pfades, Patientenliege, Meßaufnehmer, Sende-/Empfangsweiche), in der Meßkabine 20 verbindet. Diese Hardware wird vor der eigentlichen Magnet­ resonanz-Messung eingestellt, wobei die Datenübertragung zum HF-Stellgrößenrechner 19 und den weiteren Hardwarekom­ ponenten über Lichtwellenleiter erfolgt, um Störungen, die durch die HF-Signale und durch das Magnetfeld erzeugt wer­ den, zu vermeiden und
• - ein Systemüberwachungsrechner 21, der die Magnetelektronik der auf das Untersuchungsobjekt eingestrahlten HF-Leistung des Gradienten-/Shimsystems und der Klimaanlage überwacht.

Nach dem Systemstart der Magnetresonanzanlage ist der Haupt­ steuerrechner 12 verantwortlich für das Laden und Starten der Systemsoftware dieser einzelnen Komponenten. Anschließend übernimmt er die folgenden Funktionen:

• - Überwachung der peripheren Hardware-Komponenten,
• - Steuerung der Bedienoberfläche in der Meßkabine 20 (Plasma­ display 22), wozu unter anderem auch neben der Patienten­ liegesteuerung auch die Benutzeroberfläche für das manuelle Anpaßverfahren zählen,
• - Anpaßalgorithmen für die automatisch abstimmbaren Spulen,
• - aktive Shimmung,
• - Ermittlung der exakten Resonanzfrequenz und der exakten Amplitude des die Atomkerne anregenden HF-Signals,
• - Laden der Sequenzdaten für die HF-Kleinsignalsteuerung 15, Gradientensteuerung 16 und Magnetresonanz-Signaldatener­ fassung 17 und
• - Starten des Magnetresonanz-Prozesses.

Da dieser Prozeß sehr zeitkritisch ist, erfolgt die Koordi­ nierung auch durch direkte Datenübertragung zwischen diesen drei Hardwarekomponenten.

Das für den Magnetresonanzprozeß benötigte Anregungssignal bzw. das für den Abstimmprozeß benötigte Anpaßsignal werden als eine Folge komplexer Zahlen vom Anlagenrechner 13 bereit­ gestellt und über den Hauptsteuerrechner 12 in die HF-Klein­ signalsteuerung 15 geladen. Der HF-Kleinsignalsteuerung 15 ist eine Einrichtung zur Erzeugung eines HF-Signales nachge­ schaltet. Das HF-Signal wird durch einen Leistungsverstärker 24 verstärkt und über eine Sende-/Empfangsweiche 25 dem Spu­ lenresonator 7 zugeführt. Für den Abstimmprozeß ist eine Ver­ stärkung des HF-Signales jedoch nicht notwendig, so daß auf eine Verstärkung verzichtet und das HF-Signal deshalb am Lei­ stungsverstärker 24 vorbeigeleitet werden kann. Das von dem Spulenresonator 7 ausgehende Signal wird über die Sende-/ Empfangsweiche 25 einem Meßwertaufnehmer 26 zugeführt, wo es von einem Vorverstärker verstärkt und von einem Demodulator in einen Real- und einen Imaginärteil aufgeteilt wird. Diese Signale werden über Tiefpaßfilter geführt, die alle Frequen­ zen jenseits der halben Abtastfrequenz abschneiden, bevor sie von einem Analog-Digital-Umsetzer in eine rechnerverwertbare Folge von komplexen Zahlen an die Magnetresonanz-Signaldaten­ erfassung 17 weitergeleitet werden. Die aktiv schaltbare Sen­ de-/Empfangsweiche 25 sorgt dafür, daß während des anregenden HF-Signales der empfindliche Vorverstärkereingang vor der ho­ hen Pulsleistung geschützt wird und im Empfangsmodus dafür, daß das Magnetresonanzsignal möglichst ungedämpft zum Vorver­ stärker gelangt.

Um den Reflexionsfaktor r des angeschlossenen Spulenresona­ tors 7 nach Betrag und Phase ermitteln zu können, muß der komplexe Spannungswert der vorlaufenden Welle (also des un­ verstärkten Anpaßsignales selbst) sowie der komplexe Span­ nungswert der rücklaufenden Welle (reflektiertes Signal des Spulenresonators 7) bestimmt werden können. Hierzu wird im Meßwertaufnehmer 26, wie der Fig. 6 entnehmbar ist, über einen HF-Multiplexer 28 zwischen zwei Richtkopplern 29, 30 mit un­ terschiedlicher Kopplungsrichtung umgeschaltet. Der erste Richtkoppler 29 koppelt das HF-Anpaßsignal in Richtung eines Vorverstärkers 31 des Empfangspfades ein. Bei dieser Einstel­ lung des Meßwertaufnehmers 26 werden die komplexen Spannungs­ werte der vorlaufenden Welle erhalten. Der zweite Richtkopp­ ler 30 koppelt das HF-Anpaßsignal in Richtung der Sende-/ Empfangsweiche 25 ein. Ist die Sende-/Empfangsweiche 25 aktiv auf Empfang eingestellt, so gelangt das Anpaßsignal zu dem Spulenresonator 7, der dieses Anpaßsignal entsprechend des Anpassungsgrades mehr oder weniger stark reflektiert. Die rücklaufende Welle gelangt über die Sende-/Empfangsweiche 25 zum Vorverstärker 31 und kann somit ausgewertet werden. Das somit erhaltene Ausgangssignal der vor- und rücklaufenden Welle wird an den Hauptsteuerrechner 12 übertragen, der den Reflexionsfaktor r, wie eingangs bereits erläutert, berech­ net.

Zur Darstellung des Reflexionsfaktors r über einen bestimmten Frequenzbereich sind folgende Schritte notwendig:

• 1. Einstellen des Meßwertaufnehmers 26 auf die vorlaufende Welle,
• 2. Senden des Anpaßsignales und Bestimmung der komplexen Spannungswerte der vorlaufenden Welle,
• 3. Einstellen des Meßwertaufnehmers 26 auf die rücklaufende Welle,
• 4. Senden des Anpaßsignales und bestimmen der komplexen Spannungswerte der rücklaufenden Welle,
• 5. Berechnen und Korrektur der Reflexionsfaktoren r und
• 6. Senden der Daten an das Plasmadisplay 22.

Das Plasmadisplay 22, das in der Meßkabine 20 im Bereich der Magnetöffnung oberhalb der Patientenliege angeordnet ist, bietet dem Bediener eine menügesteuerte Benutzeroberfläche mit folgenden Funktionen:

• - Steuerung der Patientenliege,
• - Darstellung physiologischer Meßdaten des Patienten (EKG, Puls-/Atemfrequenz),
• - Starten der vor der Magnetresonanzmessung notwendigen Ju­ stageprozesse (Frequenz- und Amplitudenbestimmung, Shim­ mung, automatisches Anpassen der Sende-/Empfangsspulen, wo­ bei hierbei auftretende Fehler als Meldungen auf dem Dis­ play erscheinen,
• - Benutzeroberfläche für das Anpassen des Spulenresonators 7 und
• - Kalibriermenü für die Kalibrierung beispielsweise der Spek­ troskopiespulen.

Nach dem Aufrufen des Anpaßprozesses in einem entsprechenden Menü auf dem Plasmadisplay 22 läuft die in der Fig. 7 gezeigte Befehlsfolge zur Anpassung des Spulenresonators 7 ab. Die Ortskurve wird hierbei auf dem Plasmadisplay 22, beispiels­ weise einmal pro Sekunde, aktualisiert. Ist für die erste Re­ sonanzfrequenz, sofern es sich bei dem Spulenresonators 7 um einen doppelresonanten Spulenresonator 7 handelt, die Anpas­ sung erzielt worden, so kann auf die zweite Resonanzfrequenz umgeschaltet werden. Der Hauptsteuerrechnung 12, dem dies mitgeteilt wird, startet dann den Anpaßprozeß für die zweite Resonanzfrequenz. Sobald der Spulenresonator 7 auch für die zweite Resonanzfrequenz angepaßt worden ist, kann der Benut­ zer über die Exit-Taste in das Hauptmenü zurückkehren und die gewünschten Messungen vornehmen.

In der Fig. 8 ist ein Anpaßmenü bei aktiver Messung der Orts­ kurve für die Protonenfrequenz (erste Resonanzfrequenz) und in der Fig. 9 für die Phosphorfrequenz (zweite Resonanzfre­ quenz) dargestellt.

Während des Anpaßprozesses können beispielsweise, wie sich aus den Fig. 10 und 11 ergibt, neben der Resonanzfrequenz f_r noch fünf Frequenzen oberhalb und unterhalb von f_r ausgewer­ tet werden. In der Fig. 10 ist beispielsweise die Anpaßpulsse­ quenz der vorlaufenden Welle dargestellt und in der Fig. 11 die Anpaßpulssequenz der rücklaufenden Welle. Die Frequenz­ schrittweite Δf ist so zu wählen, daß sich durch lineare In­ terpolation der einzelnen Reflexionsfaktorwerte r im Smith- Diagramm ein gleichmäßiger Kurvenverlauf ergibt. Die Größe bzw. der Durchmesser der kreisförmigen Ortskurve wird durch die Güte des Spulenresonators 7 bestimmt. Je größer die Güte, um so schneller wird die Resonanzschleife mit der Frequenz durchlaufen, d. h. um so kleiner ist die Frequenzschrittweite zu wählen. Für die Phosphorfrequenz, beispielsweise einer Spektroskopiespule wurde ein Δf_p = 50 KHz und für das Proto­ nensystem, das die kleinere Güte besitzt, ein Δf_H = 100 KHz gewählt.

Im Rahmen der Erfindung kann auf dem Display nicht nur die Ortsfrequenz für eine Resonanzfrequenz, sondern auch für zwei oder mehrere Resonanzfrequenzen im Smith-Diagramm dargestellt werden.

In der Fig. 12 ist ein Verfahren zum Ortskurventuning als Ab­ laufdiagramm skizziert. Eine Initialisierungseinrichtung für den Algorithmus zum Abgleich ist mit dem Bezugszeichen 50 ge­ kennzeichnet. Diese Initialisierungseinrichtung 50 bewirkt eine Voreinstellung des Meßsystems und damit den Start des Algorithmus zur Messung der vor- bzw. rücklaufenden Welle. Nachdem die Initialisierung des Meßsystems vorgenommen wurde, werden die Anpaßelemente 5, 6 auf Startwerte gesetzt. Die An­ paßelemente 5, 6 können kapazitiv wirken und z. B. als Kapazi­ tätsdioden (Varaktoren), motorisch verstellbare Drehkondensa­ toren oder schaltbare Kapazitäten ausgeführt sein. Die Start­ werte können durch Laborexperimente bei vordefinierten Spu­ lenlasten, durch eine Netzwerkanalyse, oder durch Erfahrungs­ werte festgelegt werden. Mit diesen Startwerten beginnt der eigentliche Abstimmalgorithmus zur Messung der vor- und rück­ laufenden Welle. Eine Vorrichtung 51 zum Verändern der Impe­ danz der Anpaßelemente 5, 6 ist vorgesehen. Eine Meßeinrich­ tung 52 ermittelt durch Messung von vor- und rücklaufender Welle die Reflexionsfaktoren r für n-Frequenzen.

Aus der Fig. 13 ergibt sich, daß zur Messung der Reflexions­ faktoren r für n-Frequenzen eine Einrichtung 53 zum Messen der Reflexionsfaktoren r in der Meßebene und eine weitere Einrichtung 54 zur Berechnung der korrigierten Reflexionsfak­ toren r_kor vorgesehen ist. Die Messung der Reflexionsfaktoren r in der Meßebene erfolgt durch folgende Verfahrensschritte:

• 1. Messen der Reflexionsfaktoren n in der Meßebene und bilden des Quotienten aus rück- und vorlaufender Welle.
• 3. Korrigieren der Reflexionsfaktoren r_kor mit den t-, s-, d- Parametern, die gemäß den nachstehend genannten Formeln be­ rechnet werden. wobeir _sc = Reflexionsfaktor "Kurzschluß"
  r₅₀ = Reflexionsfaktor "50 Ohm"
  r _oc = Reflexionsfaktor "Leerlauf"Formel zur Berechnung des korrigierten Reflexionsfaktors r_kor: wobeir = korrigierter Reflexionsfaktor
  r _m = in Meßebenen gemessener Reflexionsfaktor

Die nun vorliegenden korrigierten Reflexionsfaktoren r_kor wer­ den zur weiteren Analyse und zur optischen Darstellung durch eine Interpolation in einer Rechen- und Darstellungseinheit 55 weiter verarbeitet. Die gemessene Reflexionsfaktorkurve besteht hierbei aus n diskreten Reflexionsfaktoren r, d. h. den Stützstellen der Kurve. Die Werte der Kurve zwischen den Stützstellen müssen analytisch bestimmt werden. Es zeigt sich, daß eine lineare Interpolation zwischen den einzelnen Reflexionsfaktoren r für die Darstellung in einem Smith- Diagramm ausreicht. Für eine weitere analytische Behandlung kann z. B. eine quadratische Interpolation herangezogen wer­ den. In einer ersten Abfrageeinheit 56 erfolgt eine Abfrage, ob der Reflexionsfaktor r für die Magnetresonanzfrequenz f_res ein anwender- oder spulenspezifisches Limit erreicht. Er­ reicht der Reflexionsfaktor r das vorgegebene Limit, das bei­ spielsweise bei 10% zulässiger Reflexion liegt, so erfolgt die Anzeige, daß kein Fehler vorliegt und die Anpassung abge­ schlossen ist. Eine weitere Verbesserung der Anpassung als sie durch das Abbruchkriterium definiert ist, führt zu keiner wesentlichen Verbesserung der Bildqualität. Ist das Abbruch­ kriterium nicht erfüllt (d. h. der zur Mittenfrequenz zugehö­ rige Reflexionsfaktor r ist größer als das Abbruchkriterium) wird der kleinste Reflexionsfaktor r der Reflexionsfaktorkur­ ve ermittelt, wozu eine Reflexionsfaktorbestimmungseinheit 57 (Fig. 14) vorgesehen ist. Dieser Verfahrensschritt gibt Auf­ schluß darüber, ob als nächster Algorithmusschritt die Fre­ quenzanpassung oder Impedanzanpassung durchzuführen ist. In der Abfrageeinheit 58 wird daher überprüft, ob die Lage der Reflexionskurve ein Limit zum Anpaßpunkt 11 unterschreitet. Unterschreitet das Limit der Reflexionskurve den Anpaßpunkt 11 nicht, so wird in einer Impedanzanpassungseinheit 59 die neue Impedanz des ersten Anpaßelementes 5 bestimmt, d. h. es muß ein neuer Kapazitätswert zur Frequenzanpassung gesucht werden. Diese Anpassung erfolgt durch ein iteratives Verfah­ ren, das in den Fig. 15 und 16 dargestellt ist.

Der Fig. 15 ist entnehmbar, daß hierzu eine dritte Abfrageein­ heit 60 vorgesehen ist, die überprüft, ob die Impedanz z_s des ersten Anpaßelementes 5 erstmalig eingestellt wird. Wird die Impedanz z_s erstmalig eingestellt, so wird die voreingestell­ te Impedanz um einen vorgegebenen Impedanzwert ΔZ erhöht, an­ dernfalls wird in einer Reflexionsfaktorbetrageinheit 61 überprüft, ob der Betrag des neuen Reflexionsfaktors r_n klei­ ner als der alte ist. Ist der neue Reflexionsfaktor r_n klei­ ner als der alte, wird dieser in der Übernahmeeinheit 62 übernommen. Ist der neue Reflexionsfaktor r_n größer als der alte, so wird die Impedanz Z des ersten Anpaßelementes 5 um den vorgegebenen Impedanzwert ΔZ reduziert und in der Über­ nahmeeinheit 62 übernommen. Der Übernahmeeinheit 62 ist eine vierte Abfrageeinheit 63 nachgeschaltet, die überprüft, ob der neue Impedanzwert z_n in einem gültigen Bereich liegt. Liegt der neue Impedanzwert z_n in dem gültigen Bereich, so wird die Impedanzanpassung abgeschlossen und die Frequenzan­ passung vorgenommen, andernfalls erfolgt eine Fehlerbehand­ lung, die nachfolgend noch erläutert wird.

Wird das Limit zum Anpaßpunkt 11 nunmehr unterschritten, so wird in einer Frequenzanpassungseinheit 64 das zweite Anpaß­ element 6 so eingestellt, daß die Reflexionskurve ein Minimum einnimmt.

Aus der Fig. 16 ist entnehmbar, daß hierzu eine fünfte Abfra­ geeinheit 65 vorgesehen ist, die überprüft, ob die Impedanz Z des zweiten Anpaßelementes 6 erstmalig eingestellt wird. Wird die Impedanz Z erstmalig eingestellt, so wird die voreinge­ stellte Impedanz um einen vorgegebenen Impedanzwert ΔZ er­ höht, andernfalls wird in einer Reflexionsfaktorbetrageinheit 66 überprüft, ob der Betrag des neuen Reflexionsfaktors r_n kleiner als der alte ist. Ist der neue Reflexionsfaktor r_n kleiner als der alte, wird dieser in einer Übernahmeeinheit 67 übernommen. Ist der neue Reflexionsfaktor r_n größer als der alte, so wird die Impedanz Z des zweiten Anpaßelementes 6 um den vorgegebenen Impedanzwert ΔZ reduziert und in der Übernahmeeinheit 67 übernommen. Der Übernahmeeinheit 67 ist eine sechste Abfrageeinheit 68 nachgeschaltet, die überprüft, ob der neue Impedanzwert Z_n in einem gültigen Bereich liegt. Liegt der neue Impedanzwert Z_n in dem gültigen Bereich, so wird die Frequenzanpassung abgeschlossen andernfalls erfolgt die Fehlerbehandlung. Die Fehlerbehandlung führt entweder zum Abbruch des Algorithmus, weil z. B. der Spulenresonator defekt ist, mit einer entsprechenden Visualisierung auf einer Anzei­ gevorrichtung oder sie führt zum Neustarten des Algorithmus mit geänderten Parametern dann, wenn z. B. der Wertebereich der Anpaßkapazitäten nicht eingehalten werden kann.

Die Maßnahmen und Ergebnisse, die aus der Impedanz- und Fre­ quenzanpassungseinheit 59, 64 erhalten werden, werden der Meßeinrichtung 52 solange zugeführt, bis die optimale Abstim­ mung des Spulenresonators 7 erhalten wird.

Die Berechnung eines neuen Impedanzwertes Z_n für die Impe­ danz- oder Frequenzanpassung kann durch mehrere Verfahren er­ folgen. Je mehr Daten über den Spulenresonator 7 und dessen elektrisches Verhalten bekannt sind, desto analytischer und damit zielgerichteter kann die Berechnung eines neuen Impe­ danzwertes Z_n erfolgen. Je weniger über das Verhalten des Spulenresonators 7 bekannt ist, desto größer ist die Wahr­ scheinlichkeit, eine iterative Struktur für einen automati­ schen Algorithmus zu verwenden.

Als Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anzusehen, daß hierdurch ein Verfahren zur Verfügung gestellt wird, durch das die Möglichkeit besteht, einen Spulenresonator 7, d. h. eine Magnetresonanzspule auf mehrere Frequenzen gleich­ zeitig abstimmen zu können, wenn diese für mehrere Frequenzen konstruiert wurde.

Claims (9)

1. Verfahren zur Anpassung eines Spulenresonators (7) eines Magnetresonanzgerätes über ein Anpaßnetzwerk (4) mit Anpaß­ elementen (5, 6) an einen HF-Generator (1),
wobei das Magnetresonanzgerät eine Einrichtung (17) zum Ermitteln des Reflexionsfaktors (r) des Spulenresonators (7) eine Rechen- und Steuereinheit (12, 13, 15, 16, 19, 21) aufweist und
wobei die Rechen- und Steuereinheit die Verfahrensschritte:

• a) Initialisieren des Meßsystemes,
• b) Voreinstellen der Anpaßelemente (5, 6),
• c) Messen der Reflexionsfaktoren (r) für mehrere Frequenzen (f),
• d) Berechnen der Reflexionskurven,
• e) Überprüfen, ob der Reflexionsfaktor (r) für zumindest eine Magnetresonanzfrequenz (f_res) kleiner als ein vor­ gegebenes Limit ist,
• f) Beenden des Verfahrens sofern der Reflexionsfaktor (r) kleiner als das vorgegebene Limit ist, andernfalls
• g) Bestimmen des kleinsten Reflexionsfaktors (r) der Refle­ xionskurven,
• h) Überprüfen, ob die Lage der Reflexionskurve ein Limit zu einem Anpaßpunkt (11) unterschreitet,
• i) Verändern des ersten Anpaßelementes (5) zur Impedanz­ anmessung, wenn die Reflexionskurve das Limit zum Anpaß­ punkt (11) nicht unterschreitet, und erneutes Messen der Reflexionsfaktoren (r) für n-Frequenzen (f) und
• j) Verändern des zweiten Anpaßelementes (6) zur Frequenzan­ passung, wenn die Reflexionskurve das Limit zum Anpaß­ punkt (11) unterschreitet und erneutes Messen der Reflexionsfaktoren (r) für n-Frequenzen (f)

durchgeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung der Reflexionsfaktoren (r) für n-Frequenzen (f) die Verfahrensschritte:

• k) Messen der Reflexionsfaktoren (r) in der Meßebene und
• l) Berechnen der korrigierten Reflexionsfaktoren (r) beinhaltet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Bestimmung des kleinsten Reflexionsfaktors (r) der Reflexionskurven die Verfahrensschritte:

• m) Suchen des Betragminimums der gemessenen Reflexionen und
• n) Suchen des Betragminimums der Reflexionskurve (Refl-Min1)

beinhaltet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
wobei die Impedanzveränderung des ersten Anpaßelementes (5) folgendermaßen durchgeführt wird:

• o) Abfragen, ob eine erste Veränderung der Impedanz (Z) des ersten Anpaßelementes (5) vorgenommen wird,
• p) Durchführen einer gewünschten (positiv oder negativ) Impedanzveränderung um einen vorgegebenen Impedanzwert (ΔZ) und Ausführen des Verfahrensschrittes b), wenn die Impedanz (Z) des ersten Anpaßelementes (5) erstmalig verändert wird,
• q) Abfragen, ob der Betrag des neuen Reflexionsfaktors (r) kleiner als der des alten ist, wenn die Impedanz (Z) des ersten Anpaßelementes (5) bereits verändert wurde,
• r) Überprüfen, ob der neue Reflexionsfaktor (r) kleiner als der alte ist; Übernehmen des neuen Impedanzwertes (Z_n) des Anpaßelementes (5), wenn der neue Reflexionsfaktor (r) kleiner als der alte ist, andernfalls Reduzieren der Impedanz (Z) des ersten Anpaßelementes (5) um den vorge­ gebenen Impedanzwert (ΔZ) und Übernehmen dieses Impe­ danzwertes,
• s) Überprüfen, ob der neue Impedanzwert (Z_n) in einem gültigen Bereich liegt und
• t) Beenden des Verfahrens sofern der neue Impedanzwert (Z_n) im gültigen Bereich liegt, andernfalls Durchführen einer Fehlerbehandlung und Beenden des Verfahrens.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Impedanzveränderung des zweiten Anpaßelementes (6) folgendermaßen durchgeführt wird:

• u) Abfragen, ob eine erste Veränderung der Impedanz (Z) des zweiten Anpaßelementes (6) vorgenommen wird,
• v) Durchführen einer gewünschten (positiv oder negativ) Impedanzveränderung um einen vorgegebenen Impedanzwert (ΔZ) und Ausführen des Verfahrensschrittes b), wenn die Impedanz (Z) des zweiten Anpaßelementes (6) erstmalig verändert wird,
• w) Abfragen, ob der Betrag des neuen Reflexionsfaktors (r) kleiner als der des alten ist, wenn die Impedanz (Z) des zweiten Anpaßelementes (6) bereits verändert wurde,
• x) Überprüfen, ob der neue Reflexionsfaktor (r) kleiner als der alte ist; Übernehmen des neuen Impedanzwertes (Z_n), wenn der neue Reflexionsfaktor (r) kleiner als der alte ist, andernfalls Reduzieren der Impedanz (Z) des zweiten Anpaßelementes (6) um den vorgegebenen Impedanzwert (ΔZ) und Übernehmen dieses Impedanzwertes,
• y) Überprüfen, ob der neue Impedanzwert (Z_n) in einem gültigen Bereich liegt und
• z) Beenden des Verfahrens, sofern der neue Impedanzwert (Z_n) in dem gültigen Bereich liegt, andernfalls Durchführen einer Fehlerbehandlung und Beenden des Verfahrens.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anpaßelemente (5, 6) als veränderbare Kapazitäten ausgeführt sind.

7. Magnetresonanzgerät zum Durchführen des Verfahrens.