DE19910018C1 - Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanztomographiegeräts - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanztomographiegeräts, bei dem die Gradientenpulsfolgen zur Lärmreduzierung derart gestaltet sind, daß Abschnitte einer Gradientenpulsfolge durch andere Abschnitte angeregte lärmrelevante Resonanzen des Gradientenspulensystems aktiv dämpfen, indem die Gradientenpulsfolgen für bestimmte Zeitintervalle unterbrochen sind, aufeinanderfolgende Abschnitte einer Gradientenpulsfolge Symmetrie zur Zeitachse aufweisen und in eine Gradientenpulsfolge zusätzliche Gradientenpulse eingeschoben sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Mag­ netresonanztomographiegeräts mit einem Grundfeldmagneten, einem Gradientenspulensystem und einem Steuersystem.

Die Magnetresonanztomographie ist eine bekannte Technik zur Gewinnung von Bildern des Körperinneren des lebenden Patien­ ten. Dazu werden in Magnetresonanztomographiegeräten dem sta­ tischen Grundmagnetfeld dynamische Magnetfelder mit linearem Gradienten in allen drei Raumrichtungen überlagert. Dabei er­ reichen die zeitlich variablen Ströme in den Gradientenspulen Amplitudenwerte von bis zu mehreren 100 A und unterliegen häufigen und raschen Wechseln der Stromrichtung mit Anstiegs- und Abfallraten von mehreren 100 kA/s. Auf diese Ströme wir­ ken im starken Grundmagnetfeld von größenordnungsmäßig 1 Tes­ la erhebliche Lorentzkräfte, die zu Schwingungen des Gradien­ tenspulensystems und damit zu Lärm führen.

Die Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomo­ graphie zur Verkürzung von Meßzeiten und Verbesserung von Bildgebungseigenschaften ist mit immer schnelleren Pulsse­ quenzen verbunden. Diese bedingen wachsende Gradientenspulen­ leistungen. Immer größere Gradientenspulenströme führen zu immer größeren Lorentzkräften und damit zu einem Anwachsen des Lärms. Der Schwerpunkt der bisherigen Untersuchungen zur Reduzierung des Lärms führte zu einer Veränderung des mecha­ nischen Aufbaus des Magnetresonanztomographiegeräts. Bei­ spielsweise wurde die Steifigkeit des Gradientenspulensystems erhöht, die Gradientenspulen wurden akustisch gedämmt bzw. isoliert und die Befestigungspunkte des Gradientenspulensys­ tems wurden verändert. Die immer schnelleren Pulssequenzen steuern immer häufigere und raschere Wechsel der Gradienten­ spulenströme, d. h., die dominanten spektralen Anteile dieser Ströme verlagern sich zu höheren Frequenzen. Weil beispiels­ weise eine Verdoppelung der Steifigkeit des Gradientenspulen­ systems die Resonanzfrequenzen lediglich um den Faktor ca. 1,4 erhöht, steigt die Wahrscheinlichkeit an, daß schnelle Pulssequenzen die Resonanzen des Gradientenspulensystems trotz vergrößerter Steifigkeit anregen. Dies führt dann zu sehr großem Lärm.

Weiterhin ist in der DE 44 32 747 A1 zur Reduzierung von Lärm bei einem Magnetresonanztomographiegerät vorgeschlagen, in das Gradientenspulensystem Piezoelemente einzubringen, die so angesteuert werden, daß sie einer betriebsbedingten, lärmver­ ursachenden Schwingung des Gradientenspulensystems entgegen­ wirken.

In der EP 0 597 528 A1 ist für ein Magnetresonanztomographie­ gerät eine Lautsprechervorrichtung beschrieben, mit der bei entsprechender Ansteuerung in einem bestimmten Bereich des Geräts vom Gradientenspulensystem erzeugter Lärm verringert wird, indem die Lautsprechervorrichtung entsprechend ge­ genphasig zum Lärm Antischall erzeugt.

In der DE 197 27 657 C1 ist ähnlich wie in vorgenannter Of­ fenlegungsschrift ein Verfahren zur Lärmreduzierung mittels Antischall beschrieben. Dazu ist ein besonderer Lautsprecher vorgeschlagen, der insbesondere im starken Grundmagnetfeld des Geräts einsetzbar ist.

In der US 4,680,545 ist für ein Magnetresonanztomographiege­ rät ein Verfahren zum Reduzieren von Lärm beschrieben, bei dem anstelle von rechteckförmigen sinusförmige oder Bessel­ funktionsförmige Gradientenpulse oder Gradientenpulse mit ei­ nem abgerundeten Kurvenverlauf verwendet werden. Dadurch wer­ den im Spektrum eines Gradientenspulenstromes höherfrequente Komponenten, die ein Gradientenspulensystem zum lärmverursa­ chenden Schwingen anregen, vermieden.

In der EP 0 431 216 A1 ist für ein Magnetresonanztomographie­ gerät ein Verfahren zur Lärmreduzierung beschrieben, indem lärmverursachende, vom jeweiligen Gerät abhängige Komponenten im Spektrum eines Gradientenspulenstromes reduziert werden, beispielsweise durch eine Optimierung von Anstiegs- und Ab­ fallzeiten bei trapezförmigen Gradientenpulsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lärmreduzierung bei einem Magnetresonanztomographiegerät zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des An­ spruchs 1 gelöst.

Der besondere Vorteil der aktiven Dämpfung liegt darin, daß diese Art der Lärmminderung ohne mechanisch-konstruktive Maß­ nahmen auch für beliebig schnelle Pulssequenzen wirkungsvoll ist. Vorteilhaft ist die aktive Dämpfung insbesondere bei Pulssequenzen einzusetzen, bei denen die Form ihrer Gradien­ tenpulsfolgen, beispielsweise aus Gründen einer gewünschten Bildgebungseigenschaft, nicht so gestaltet werden kann, daß Resonanzen von vorne herein nicht oder nur schwach angeregt werden.

Das Lärmverhalten eines Gradientenspulensystems wird je Gra­ dientenspule vorteilhaft mittels einer Übertragungsfunktion beschrieben, die sich aus dem Gradientenspulenstrom als Ein­ gangsgröße und dem Lärm als Ausgangsgröße ergibt. Beispiels­ weise bei Magnetresonanztomographiegeräten mit zylinderförmi­ ger Patientenöffnung sind die Gradientenspulen üblicherweise Bestandteil einer rohrartigen Vorrichtung, dem sogenannten Gradientenrohr. Die Übertragungsfunktionen von Gradientenroh­ ren sind von deutlichen Resonanzen geprägt. Die dominante Re­ sonanz eines Gradientenrohrs liegt typischerweise im 750-Hz- Bereich, hat eine Resonanzbreite von wenigen Hz und eine ge­ ringe Dämpfung. Bei der Ausführung einer Gradientenpulsfolge, deren Spektrum einen Anteil gleicher Frequenz wie die domi­ nante Resonanzfrequenz besitzt, entsteht ein besonders großer Lärm.

Auch im Falle, daß eine Pulssequenz keine Resonanzen eines Gradientenspulensystems anregt, entsteht ein Grundlärmpegel, der allerdings um ein Vielfaches kleiner ist, als wenn Reso­ nanzen angeregt werden. Ziel der aktiven Dämpfung ist es, den Lärm auf einen bestimmten Grundlärmpegel zu beschränken. Die Anregung einer Resonanz ist ein zeitabhängiger Prozeß, d. h. es ist eine bestimmte Anregezeit beziehungsweise eine be­ stimmte Anzahl von Gradientenpulsen notwendig, um die Reso­ nanz derart anzufachen, so daß der maximale Lärm auftritt. Aufgrund dieser Tatsache ist es ausreichend, Maßnahmen gegen eine angeregte Resonanz in verhältnismäßig großen Zeitabstän­ den von ca. 10 bis 100 ms nach Anregebeginn anzuwenden. In Abhängigkeit vom gewählten Grenzwert für den maximal zulässi­ gen Lärm bestimmt sich damit, nach wie vielen Gradientenpul­ sen die aktiven Maßnahmen durchzuführen sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Gradientenpuls­ folge jeweils nach Ablauf eines bestimmten Musters von Gra­ dientenpulsen vor der Fortsetzung dieses Musters für ungerad­ zahlige positive Vielfache der Hälfte des Kehrwerts der ange­ regten dominanten Resonanzfrequenz des Gradientenspulensy­ stems unterbrochen. Die vorgenannten Unterbrechungen sind eine sehr einfache und in ihren Auswirkungen auf die Bildgebungs­ eigenschaften überschaubare Variation einer Pulssequenz und führen zu keiner elektrischen Zusatzbelastung der Gradienten­ spulen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Gradienten­ pulsfolge jeweils nach Ablauf eines bestimmten Musters von Gradientenpulsen mit dem an der Zeitachse gespiegelten Muster fortgesetzt. Die vorgenannte Gestaltung einer Gradientenpuls­ folge führt zu keiner Verlängerung der Meßzeit und stellt keine elektrische Zusatzbelastung für die Gradientenspulen dar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind für eine Gradien­ tenpulsfolge jeweils nach Ablauf eines bestimmten Musters von Gradientenpulsen zusätzliche Gradientenpulse eingeschoben, die angeregten lärmrelevanten Resonanzen des Gradientenspu­ lensystems entgegenwirken. Mit den vorgenannten, zusätzlichen Gradientenpulsen wird bei entsprechender Form, Höhe und Länge eine schnelle Dämpfung mit kleineren Zeitkonstanten als bei der Anregung der Resonanz erreicht.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spielen für das Verfahren anhand der Zeichnungen. Dabei zei­ gen:

Fig. 1 ein Diagramm einer Gradientenpulsfolge mit Unterbre­ chungen,

Fig. 2 ein Diagramm einer Gradientenpulsfolge, deren Gradien­ tenpulsmuster jeweils nach Ablauf eines Gradientenpulsmusters an der Zeitachse gespiegelt ist,

Fig. 3 ein Diagramm einer Gradientenpulsfolge, in deren zeit­ lichen Ablauf zusätzliche Gradientenpulse eingeschoben sind.

Fig. 1 zeigt für ein Ausführungsbeispiel das Diagramm einer Gradientenpulsfolge G, in deren Verlauf stromlose Unterbre­ chungen TB eingeschoben sind. Die Gradientenpulsfolge zeigt beispielsweise den Auslesegradient einer Pulssequenz. Das Gradientenpulsmuster GPM umfaßt beispielhaft einen hohen ne­ gativen Puls kurzer Zeitdauer und einen niedrigen positiven Puls längerer Zeitdauer sowie eine Wiederholung vorgenannter Pulse. Die Unterbrechungen sind beispielhaft nach dem ersten, dem dritten und dem fünften Gradientenpulsmuster gezeichnet. Sie sind halb so lang wie der Kehrwert der dominanten Reso­ nanzfrequenz des Gradientenspulensystems. Die Pulse des er­ sten Gradientenpulsmusters regen die dominante Resonanz des Gradientenspulensystems an. Nach der Ausführung des ersten Gradientenpulsmusters ist die Resonanzanregung noch weit von ihrem Maximum entfernt. Der Lärm ist entsprechend gering. Die erste Unterbrechung bewirkt, daß das zweite Gradientenpulsmu­ ster genau entgegengesetzt zum ersten Gradientenpulsmuster wirkt und damit die angeregte Resonanz dämpft. Das dritte Gradientenpulsmuster hat wieder eine Anregung der Resonanz zur Folge. Die zweite Unterbrechung bewirkt wiederum, daß das vierte Gradientenpulsmuster der vorausgehenden Anregung ent­ gegenwirkt usw.. Dadurch findet ein ständiges Anregen und Dämpfen der Resonanz statt. Die Resonanzschwingung erreicht zu keinem Zeitpunkt ihr Maximum. Der Lärm bleibt entsprechend gering. Je kürzer die Zeitabstände zwischen den Unterbrechun­ gen sind, gleichbedeutend mit einem kurzen Gradientenpulsmu­ ster, desto geringer ist der entstehende Lärm, aber desto länger wird die Meßzeit.

In einer anderen Ausführung werden die Unterbrechungen nach jedem Gradientenpulsmuster eingefügt oder zwischen den Unter­ brechungen einer Gradientenpulsfolge liegt nicht immer die gleiche Anzahl von Gradientenpulsmustern oder die Länge der Unterbrechungen ist nicht immer die Hälfte des Kehrwerts der dominanten Resonanzfrequenz, sondern ein ungeradzahliges po­ sitives Vielfaches dieses Werts. Gründe für andere Ausführun­ gen sind beispielsweise Erfordernisse der Magnetresonanzbild­ gebung.

Fig. 2 zeigt das Diagramm einer Gradientenpulsfolge G, wobei die aufeinanderfolgenden Gradientenpulsmuster GPM so gestal­ tet sind, daß das nachfolgende Gradientenpulsmuster im Ver­ gleich zum vorausgehenden Gradientenpulsmuster an der Zeit­ achse gespiegelt ist. Dabei ist die Zeitachse durch den Null­ punkt der Gradientenachse zu legen, d. h. durch den Punkt, an dem die gesteuerte Gradientenfeldstärke gleich null ist. Durch die Spiegelung wird der gleiche Effekt wie mit den Un­ terbrechungen aus Fig. 1 erzielt. Eine Resonanz des Gradien­ tenspulensystems, die durch ein Gradientenpulsmuster angeregt wird, wird durch das nachfolgende, entsprechend gespiegelte Gradientenpulsmuster gedämpft. Der Lärm bleibt entsprechend gering.

In anderen Ausführungen werden ähnlich der Fig. 1 nach dem ersten Gradientenpulsmuster zwei gespiegelte Gradientenpuls­ muster, danach zwei ungespiegelte Gradientenpulsmuster usw. ausgeführt, oder zwischen den Wechseln von gespiegelten und ungespiegelten Gradientenpulsmustern liegt nicht immer die gleiche Anzahl von Gradientenpulsmustern.

Fig. 3 zeigt das Diagramm einer Gradientenpulsfolge G, bei der zur aktiven Dämpfung von angeregten Resonanzen zusätzli­ che Gradientenpulse ZGP eingefügt sind. Dabei haben die zu­ sätzlichen Gradientenpulse die Aufgabe, die durch das voraus­ gehende Gradientenpulsmuster GPM angeregten Resonanzen binnen kürzester Zeit durch gezieltes Gegensteuern zu dämpfen. Dazu sind die zusätzlichen Gradientenpulse in ihrer Form, Höhe und Zeitdauer entsprechend der Dämpfungsaufgabe gestaltet. Ihr Einfluß auf den Prozeß der Magnetresonanzbildgebung ist zu berücksichtigen. In einer vorteilhaften Ausführung dienen die zusätzlichen Gradientenpulse nicht nur der Dämpfung, sondern übernehmen gleichzeitig Aufgaben innerhalb des Prozesses der Magnetresonanzbildgebung, beispielsweise ähnlich einem Spoil­ gradient bei gespoilten Gradientenechopulssequenzen.

In einer anderen Ausführung liegt zwischen den zusätzlichen Gradientenpulsen nicht immer die gleiche Anzahl von Gradien­ tenpulsmustern oder die zusätzlichen Gradientenpulse variie­ ren ja nach Anzahl der vorausgehenden Gradientenpulsmuster.

In einer anderen Ausführung ist es vorteilhaft, durch die zu­ sätzlichen Gradientenpulse nicht nur die vorausgehend ange­ regte Resonanz aktiv zu dämpfen, sondern danach wieder derart anzuregen, daß zwei Gradientenpulsmuster folgen, wobei das erste dämpfend und das zweite wieder anregend wirkt. Dadurch wird die Häufigkeit der Unterbrechungen durch zusätzliche Gradientenpulse bei größerer Anzahl der Zusatzpulse um die Hälfte reduziert.

Bei rohrförmigen Gradientenspulensystemen sind insbesondere die beiden orthogonal zum Grundmagnetfeld wirkenden Gradienten­ spulen beziehungsweise die Gradientenpulsfolgen, die den Strom in diesen Spulen steuern, für den Lärm verantwortlich. Verursacht beispielsweise eine Gradientenpulsfolge für eine der lärmrelevanten Gradientenspulen eine Resonanzanregung, so ist eine Dämpfung durch zusätzliche Gradientenpulse in der anderen Gradientenspule möglich. Wobei dies vorteilhaft in Zeitintervallen geschieht, wodurch keine Beeinträchtigung der Magnetresonanzbildgebung hervorgerufen wird.

In anderen Ausführungen werden Kombinationen von den voraus­ gehende beschriebenen aktiven Dämpfungsmaßnahmen eingesetzt. Aus Gründen einer gewünschten Bildgebungseigenschaft ist es beispielsweise vorteilhaft, eine Gradientenpulsfolge nach ei­ nem Gradientenpulsmuster für ein Vielfaches des Kehrwerts der dominanten Resonanzfrequenz zu unterbrechen und mit dem ge­ spiegelten Gradientenpulsmuster fortzufahren.

Claims (4)

1. Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanztomographiege­ räts mit einem Grundfeldmagneten, einem Gradientenspulensys­ tem und einem Steuersystem, beinhaltend folgende Merkmale:

• - Steuern von Strömen in den Gradientenspulen aufgrund von Gra­ dientenpulsfolgen einer Pulssequenz, wodurch bei Anregung von Resonanzen des Gradientenspulensystems großer Lärm ent­ steht, und
• - Aktives Dämpfen von lärmrelevanten Resonanzen des Gradien­ tenspulensystems, die von Abschnitten einer Gradientenpuls­ folge angeregt werden, durch andere Abschnitte der Gradien­ tenpulsfolge.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Gradientenpuls­ folge jeweils nach Ablauf eines bestimmten Musters von Gra­ dientenpulsen vor der Fortsetzung dieses Musters für ungerad­ zahlige, positive Vielfache der Hälfte des Kehrwerts der ange­ regten dominanten Resonanzfrequenz des Gradientenspulensy­ stems unterbrochen ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei eine Gradientenpulsfolge jeweils nach Ablauf eines bestimmten Mu­ sters von Gradientenpulsen mit dem an der Zeitachse gespie­ gelten Muster fortgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für eine Gradientenpulsfolge jeweils nach Ablauf eines bestimmten Musters von Gradientenpulsen zusätzliche Gradientenpulse ein­ geschoben sind, die angeregten, lärmrelevanten Resonanzen des Gradientenspulensystems entgegenwirken.