DE19913547C2

DE19913547C2 - Verfahren zur Nachbildung der von Gradientenspulen eines Kernspinresonanzgeräts erzeugten elektrischen Stimulationen in einem Untersuchungsobjekt und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19913547C2
Application number: DE19913547A
Authority: DE
Inventors: Franz Hebrank; Matthias Gebhardt; Helmut Lenz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 1998-04-29
Filing date: 1999-03-25
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: DE19913547A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachbildung der von Gradientenspulen eines Kernspinresonanzgeräts erzeugten elek trischen Stimulationen in einem Untersuchungsobjekt.

Bei den bekannten Kernspinresonanzgeräten werden einem Grund magnetfeld schnell geschaltete Gradientenfelder mit hoher Am plitude überlagert.

Durch das Schalten von Gradientenpulsen können bei MR- Untersuchungen die Patienten stimuliert werden (sog. Magneto- Stimulation). Ursache der Stimulationen ist die Einwirkung eines elektrischen Feldes auf den Patienten. Dabei wird das elektrische Feld durch die Änderung des von jedem der drei Gradientenspulen erzeugten magnetischen Flusses B gemäß den Maxwell-Beziehungen induziert. Der Betrag des durch das Schalten einer Gradientenspule induzierten elektrischen Fel des ist für ein bestimmtes Kernspinresonanzgerät direkt pro portional der zeitlichen Änderung des Betrags des magneti schen Flusses B, ausgedrückt durch dB/dt, d. h. der zeitlichen Ableitung des Betrags des durch die Gradientenspule verur sachten magnetischen Feldes. Wegen der Proportionalität von elektrischem Feld und dB/dt (zeitliche Änderung des magneti schen Flusses B) genügt es, nur noch die zeitliche Variation des magnetischen Flusses B zu betrachten.

Aufgrund der Proportionalität von magnetischer Flußdichte B und Gradientenfeld G bei gegebener Gradientenspule ist eine Betrachtung der zeitlichen Änderung d/dt des ortsabhängigen Gradientenfelds G (im allgemeinen in mT/m angegeben) äquiva lent zu der vorstehend erläuterten Betrachtung der zeitlichen Änderung d/dt der ortsabhängigen magnetischen Flußdichte B (Einheit: mT). Im folgenden wird deshalb die zeitliche Varia tion der Gradientensignale betrachtet.

Eine Stimulation tritt dann auf, wenn ein charakteristischer Schwellwert des elektrischen Feldes überschritten wird. Der dazu korrespondierende Schwellwert von dB/dt bzw. von dG/dt hängt für ein festes Gradientenschema von der Anatomie und der Physiologie des Patienten, seiner Orientierung in dem Kernspinresonanzgerät sowie den geometrischen und physikali schen Eigenschaften der drei Gradientenspulen ab. dB/dt ist durch die Amplitude der Gradientenpulse und die Schaltzeiten (rise time) gegeben. In der Praxis ist das Gradientenschema aber weder in Bezug auf die Amplituden noch in Bezug auf das Timing konstant, sondern hängt neben der Wahl der verwendeten Meßsequenz insbesondere von den gewählten Meßparametern ab (wie z. B. Schichtdicke, Zahl der Schichten, Field of View FOV, Matrixgröße, Repetitionszeit T_R, Echozeit T_E usw.). In diesem Fall hängt der Schwellwert für die Stimulation neben den vorgenannten Parametern insbesondere auch von der zeitli chen Gestaltung der einzelnen Gradientenpulse, deren Gesamt zahl, ihrer Wiederholrate und der Überlagerung aller drei Gradientenspulen G_x, G_y, und G_z ab.

Für Ganzkörper-Gradientenspulen gilt, daß für die Stimulation nicht nur die in Längsrichtung verlaufende B_z-Komponente des magnetischen Flusses sondern auch seine Querkomponenten B_x und B_y verantwortlich sind, wobei die B_y-Komponente bezüglich Stimulationen kritischer ist, da die Feldlinien den Körper frontal durchdringen. Somit muß bei einer Rücken- oder Bauch lage des Patienten der Stimulationsgrenzwert bei der y-Achse am kleinsten sein.

Physiologisch betrachtet läßt sich eine bewußt wahrgenommene Stimulation durch ein äußeres elektrisches Feld stark verein facht in zwei Schritten beschreiben. Das elektrische Feld kann dabei entweder direkt von außen einwirken oder durch ein sich änderndes magnetisches Feld induziert sein.

In einem ersten Schritt erzeugt das elektrische Feld an der Zellwand der stimulierten Nervenzelle ein elektrisches Poten tial. Näherungsweise kann man sich die Zellwand der Nerven zelle als Kapazität vorstellen, die sich durch das elektri sche Feld auflädt. Wenn das elektrische Potential einen cha rakteristischen Schwellwert überschreitet, wird in der Ner venzelle ein Aktionspotential ausgelöst, das sich über die ganze Nervenzelle ausbreitet.

Im zweiten Schritt führt an der Verbindungsstelle zweier Ner venzellen, den sogenannten Synapsen, ein Aktionspotential auf der präsynaptischen Seite zur Ausschüttung von chemischen Bo tenstoffen. Diese Substanzen werden auf der postsynaptischen Seite, d. h. in der nachgeschalteten Nervenzelle absorbiert und lösen dort ein weiteres Aktionspotential aus. Der Reiz breitet sich aus. Die Konzentration der Botenstoffe in der Synapse ist dabei ein Maß für die Zahl der postsynaptisch ausgelösten Aktionspotentiale. Insbesondere baut sich die Konzentration der Botenstoffe in der Synapse erst allmählich wieder ab. Die charakteristische Zeitkonstante liegt im Be reich einiger Millisekunden. Für eine genauere Beschreibung der neurophysiologischen Vorgänge wird auf das Buch von R. F. Schmidt (Herausgeber) "Neuro- und Sinnesphysiologie", Sprin ger, zweite, korrigierte Auflage 1995, Kapitel 2 und 3, ver wiesen.

Um bei schnell geschalteten Gradientenfeldern mit hoher Am plitude derartige Stimulationen im untersuchten Körper zu vermeiden, ist es aus der DE 42 25 592 A1 bekannt, stimulati onsempfindliche Bereiche außerhalb des Untersuchungsbereiches mit einer geschlossenen Leiterschleife zu überdecken. Daraus resultiert eine Verringerung der im überdeckten Bereich indu zierten Ströme. Dieses Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß bei geschalteten Gradienten die höchsten Stromwerte außerhalb des Untersuchungsbereiches induziert werden, so daß dort die Gefahr von Stimulationen am größten ist. Durch das Anbringen von Leiterschleifen außerhalb des Untersuchungsbe reiches wird zwar die für die Bildqualität wichtige Lineari tät der Gradienten im Untersuchungsbereich kaum beeinträch tigt. Bei einer Änderung des Untersuchungsbereichs muß aber in der Regel auch die Lage der Leiterschleifen angepaßt wer den.

Weiterhin sind Verfahren bekannt, die eine Vorhersage von Ma gneto-Stimulationen ermöglichen. Einer dieser Ansätze für ei ne Stimulationsüberwachung ist das sogenannte "dB/dt-Modell". Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine Kontrolle und Überwachung der bei einer Messung auftretenden reinen dB/dt- Werte. Die maximal zulässigen dB/dt-Werte ergeben sich aus dem Ergebnis einer Stimulationsstudie mit der entsprechenden Gradientenspule bzw. aus den von den Zulassungsbehörden fest vorgegebenen Grenzwerten. Näheres ist dem Aufsatz von J. Ab art et al. "Peripheral Nerve Stimulation by Time-Varying Mag netic Fields", J. Computer Assisted Tomography (1997) 21 (4), Seiten 532 bis 538, zu entnehmen. Das dB/dt-Modell berück sichtigt die Patientenphysiologie nur unzureichend, insbeson dere wird die Abhängigkeit der Stimulationsschwelle vom Ti ming der Gradientenpulse nicht berücksichtigt. Das dB/dt- Modell ist damit nur eine worst-case-Abschätzung, welche die Nutzung der Leistungsfähigkeit moderner Gradientensysteme in vielen Fällen nur eingeschränkt zuläßt.

Ein weiterer bekannter Ansatz für eine Stimulationsüberwa chung ist das sogenannte "Irnich-Modell". Dieses Verfahren beschreibt den Stimulationsschwellwert in Abhängigkeit von der Dauer t_E der äußeren Einwirkung. Die Einwirkungsdauer t_E ist die Zeit, in der sich der Gradient in eine Richtung än dert, dB/dt also permanent < 0 bzw. < 0 ist. Weitergehende Aus führungen enthält der Aufsatz von W. Irnich "Electrostimula tion by time-varying magnetic fields", MAGMA (1994), 2, Seiten 43 bis 49. Der Schwellwert dargestellt als dB/dt-Wert ist dabei proportional zu (1 + t_chron/t_E), d. h. hyperbolisch von der Einwirkungsdauer t_E abhängig. Die Chronaxie t_chron ist eine physiologisch vorgegebene charakteristische Zeit.

In verschiedenen Studien konnten die experimentellen Ergeb nisse mit dem Irnich-Modell gut beschrieben werden. Die Er gebnisse dieser Studien sind z. B. im Aufsatz von W. Irnich, F. Schmitt "Magnetostimulation in MRI", MRM (1995) 33, Seiten 619 bis 623, sowie in dem Aufsatz von J. D. Bourland et al. "Threshold and Pain Strength-Duration Curves for MRI Gradient Fields", Proc. SMRM (1997), Seite 1974, dargelegt. Allerdings ist die Anwendung des Irnich-Modells mit einem festen Satz von Parametern nur auf jeweils eine charakteristische Gra dienten-Pulsform möglich, bei der die Änderung der Einwir kungsdauer t_E global, d. h. für jeden Einzelpuls in der glei chen Weise vorgenommen wird. So ergibt sich beispielsweise eine Diskrepanz, wenn keine Sinus-Pulse sondern Trapez-Pulse mit einer entsprechenden Einwirkungsdauer t_E verwendet wer den. Insbesondere ist das auf dem Irnich-Modell basierende Verfahren auch nicht anwendbar, wenn innerhalb eines langen Pulszuges nur einzelne Pulse besonders hohe dB/dt-Werte er zeugen (z. B. Blip-Pulse). Das Irnich-Modell macht außerdem keine Angaben über die Abhängigkeit der Stimulationsschwelle von der Zahl der Einzelpulse in einem Pulszug. Es wird hierzu z. B. auf Fig. 4 in dem Aufsatz von Th. F. Budinger et al. "Physiological Effects of Fast Oscillating Magnetic Field Gradients", J. Computer Assisted Tomography (1991) 15 (6), Seiten 909 bis 914, verwiesen. Auch die Abhängigkeit von so genannten Plateau-Zeiten bei Sinusanregungen wird nicht be rücksichtigt, wie z. B. aus Fig. 7 des Aufsatzes von J. Abart et al. "Peripheral Nerve Stimulation by Time-Varying Magnetic Fields", J. Computer Assisted Tomography (1997) 21 (4), Seiten 532 bis 538, ersichtlich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit dem solche Stimulationen bei schnell geschalteten Gra dientenfeldern mit hoher Amplitude vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale in den Ansprüchen 1 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Das Verfahren nach Anspruch 1 umfaßt folgende Verfahrens schritte:

- Bestimmung wenigstens eines durch den zeitlichen Verlauf der Gradientenpulse vorgegebenen Gradientensignals G(t),
- Bildung wenigstens eines ersten gefilterten Gradientensi gnals G_F1(t) durch Filterung des Gradientensignals G(t) mit einer ersten Filterfunktion f_F1(t)
- Bildung eines die Stimulation des Untersuchungsobjekts be schreibendes Stimulationssignals Stim(t) aus dem ersten ge filterten Gradientensignal G_F1(t),
- Vergleich des Stimulationssignals Stim(t) mit einem vorgeb baren Stimulations-Schwellwert Stim_lim, bei dessen Über schreitung eine Meldung abgegeben wird.

Die Vorrichtung nach Anspruch 15 zur Durchführung des Verfah rens umfaßt folgende Merkmale:

- wenigstens zwei parallele Pfade,
- einen ersten Pfad, der eine Reihenschaltung wenigstens ei nes Tiefpasses TP1 und eines Gleichrichters GR1 ist,
- einen zweiten Pfad, der eine Reihenschaltung eines Gleich richters GR2 und wenigstens eines Tiefpasses TP2 ist,
- einen Eingang, dessen Eingangssignal das Gradientensignal G(t) ist und dessen Ausgangssignal den beiden Pfaden als Eingangssignal zugeführt wird,
- einen Summierer SUM1, der die Ausgangssignale der beiden Pfade zur Bildung wenigstens eines die Stimulation des Un tersuchungsobjekts beschreibendes Stimulationssignals Stim(t) mit vorgebbarer Gewichtung aufaddiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf eine, auf zwei oder auf alle drei Gradientenspulen, die jeweils eine physi kalische Gradientenachse darstellen, anwenden. Auf wie viele der insgesamt drei Gradientenspulen dieses Verfahren angewandt wird, hängt letztendlich von dem jeweiligen Kernspinre sonanzgerät, von den gewünschten Aufnahmen und von den zuläs sigen Stimulations-Schwellwerten Stim_lim ab.

Werden alle drei Gradientenspulen gleichzeitig geschaltet (z. B. bei gekippten oder gedrehten Schichten), so kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für jede Gradientenachse ein zeln überprüft werden, ob eine Stimulation auftritt. Das reicht aber möglicherweise nicht aus, da beispielsweise durch die gleichzeitige Einwirkung aller drei Gradientenspulen eine Stimulation ausgelöst werden kann, obwohl für jede einzelne Gradientenspule die Stimulationsschwelle noch nicht über schritten ist. Die Überprüfung, ob durch die gleichzeitige Einwirkung aller drei Gradientenspulen eine Stimulation aus gelöst werden kann, läßt sich gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 13 einfach realisieren, wobei die Verknüpfung der drei Quotienten Stim_x(t)/Stim_lim,x, Stim_y(t)/Stim_lim,y und Stim_z(t)/Stim_lim,z z. B. gemäß Anspruch 14 erfolgen kann.

Durch diese in Anspruch 14 beschriebene Variante wird kon trolliert, ob die folgende Bedingung für jeden Zeitpunkt t erfüllt ist (die zusätzlichen Indizes beziehen sich auf die betrachtete jeweils physikalische Gradientenachse x, y, z):

[(Stim_x(t)/Stim_lim,x)² + (Stim_y(t)/Stim_lim,y)² + (Stim_z(t)/Stim_lim,z)²]^1/2 < Stim_faktor.

Mit Stim_faktor ist der Stimulationsfaktor bezeichnet, der die durch die Einwirkung aller drei Gradientenspulen (Gradien tenachsen) verursachte Stimulation beschreibt. Für den Stimu lationsfaktor Stim_faktor gilt: Stim_faktor ≦ 1.

Wenn die vorgenannte Bedingung erfüllt ist, dann treten keine Stimulationen auf. Wenn diese Bedingung jedoch nicht erfüllt ist, d. h. wenn die Summe auf der linken Seite der Ungleichung größer ist als der Stimulationsfaktor Stim_faktor, dann sind Stimulationen zu erwarten. Die Einführung des Stimulations faktors Stim_faktor erlaubt eine größere Flexibilität bei der Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an die gerätespezifischen Daten, die z. B. experimentell ermittelt werden kön nen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 23 bis 25 wird berücksichtigt, daß die gleichzeitige Einwirkung wenig stens zweier Gradientenfelder eine Stimulation auslösen kann, obwohl für jedes einzelne Gradientenfeld die Stimulations schwelle noch nicht überschritten ist, und daß die Orthogona lität der Gradientenfelder außerhalb des Untersuchungsbe reichs in der Regel nicht mehr gegeben ist. Dazu addieren Summierer mit vorgebbarer Gewichtung wenigstens zwei Stimula tionssignale zweier Gradientenspulen und/oder wenigstens zwei quadrierte Stimulationssignale zweier Gradientenspulen und/oder wenigstens ein Stimulationssignal einer Gradienten spule sowie das gleiche Signal in quadrierter Form, um vorge nannte, summierte Signale in einer Komparatoreinheit mit zu gehörigen, vorgebbaren Referenzpegeln zu vergleichen.

Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 reicht es aus, die Gradien tensignale G(t) zu betrachten, ohne deren logische Struktur, die aus dem zeitlichen Verlauf und der Amplitude der Gradien tenpulse ableitbar ist, kennen zu müssen.

Die Gradientensignale G(t) sind einfach zu messen, da sie (bis auf einen Skalierungsfaktor) dem Strom durch die betref fende Gradientenspule entsprechen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 19 bis 21 werden vorhandene Spannungssignale der Gradientenregel- und verstärkereinheit eines Kernspinresonanzgeräts als Gradien tensignale G(t) genutzt. Dabei eignen sich die Stromist- bzw. Stromsollwertsignale und Spannungssignale, die der ersten zeitlichen Ableitung eines Gradientenspulenstroms direkt pro portional sind. Bei Nutzung von Stromistwertsignalen kann ein Fehler der Gradientenregel- und -verstärkereinheit von der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit überwacht werden. Der Vor teil bei Stromsollwertsignalen liegt darin, daß das Erreichen von Stimulations-Schwellwerten bei einer Online-Überwachung einige Mikrosekunden früher erkannt wird als bei Stromist wertsignalen. Bei Nutzung eines Spannungssignals, das der er sten zeitlichen Ableitung eines Gradientenspulenstroms direkt proportional ist, entfällt das Differenzieren, das für die Stromist- und Stromsollwertsignale notwendig ist. Ein vorge nanntes Spannungssignal ist in der Regel als Ausgangsspannung der Gradientenregel- und -verstärkereinheit verfügbar.

Bei einer Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 werden durch das Filtern des differenzierten Gradientensignals G_diff mit einer ersten Filterfunktion f_F1(t) sowie mit einer zweiten Filter funktion f_F2(t) die durch ein äußeres elektrisches Feld ver ursachten Stimulationen und deren Weiterleitung im Nervensy stem näherungsweise beschrieben. Die erste Filterfunktion f_F1(t) beschreibt hierbei die Anregung des Aktionspotentials auf der präsynaptischen Seite, die zur Ausschüttung von che mischen Botenstoffen führt. Diese Botenstoffe werden auf der postsynaptischen Seite, d. h. in der nachgeschalteten Nerven zelle, absorbiert und lösen dort ein weiteres Aktionspotenti al aus. Die Anregung des Aktionspotentials auf der postsynap tischen Seite wird durch die zweite Filterfunktion f_F2(t) be schrieben. Da im Aktionspotential auf der postsynaptischen Seite die ursprüngliche Polarität der Anregung nicht mehr enthalten ist, wird - gemäß einer weiteren vorteilhaften Aus führungsform nach Anspruch 4 - das Ergebnis der ersten Filterfunktion f_F1(t) zu Abs(f_F1(t)) gleichgerichtet und von der zweiten Filterfunktion f_F2(t) nur der gleichgerichtete Anteil des differenzierten Gradientensignals G_diff verarbei tet.

Obwohl bei dem Verfahren nach Anspruch 1 die Kenntnis der lo gischen Struktur der Gradientensignale nicht notwendig ist, bietet das erfindungsgemäße Verfahren eine gegenüber den bis her bekannten Verfahren bessere Annäherung in Bezug auf Stimulationsvorhersagen. Dies resultiert daraus, daß nicht nur die durch das Irnich-Modell beschriebenen Abhängigkeiten son dern auch die Form der Gradientenpulse (z. B. Trapez-, Sinus-, Blip-Pulse), die Zahl der vom Kernspinresonanzgerät erzeugten Einzelpulse und die eingefügten Plateau-Zeiten berücksichtigt werden, ohne jedoch deren logische Struktur zu betrachten. Darüber hinaus kann der Grad der Genauigkeit durch die Ver wendung von zusätzlichen Filterfunktionen beliebig verbessert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 16 und 17 wird eine verfeinerte Nachbildung der Vorgänge bei der Wei terleitung von Stimulationen im Nervensystem erreicht. Dazu wird die Tiefpaßfilterung im ersten Pfad durch eine Paralle lanordnung zweier Tiefpässe TP1a und TP1b sowie einem nachge schalteten Summierer SUM2 durchgeführt, der die Ausgangs signale der beiden Tiefpässe mit einer vorgebbaren Gewichtung aufaddiert. Im zweiten Pfad ist dem Tiefpaß TP2 wenigstens ein weiterer Tiefpaß TP3 parallel geschaltet, dessen Aus gangssignal vom Summierer SUM1 mit vorgebbarer Gewichtung mit aufaddiert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann als Hardwarelösung oder als Softwarelösung oder als gemischte Hard- und Softwarelö sung realisiert werden.

Mit dem Verfahren nach Anspruch 1 ist sowohl eine Online- als auch eine Lookahead-Überwachung des Kernspinresonanzgerätes möglich. Auch eine Kombination aus beiden Überwachungsarten ist im Rahmen der Erfindung möglich. Unter einer Online- Überwachung wird in diesem Zusammenhang die Überwachung wäh rend der Bildgebung verstanden. In diesem Fall ist eine Aus gestaltung gemäß Anspruch 5 besonders vorteilhaft, da die Meßsequenz bei Erreichen des Stimulations-Schwellwertes Stim_lim sofort abgebrochen wird. Bei der Online-Überwachung kann durch geeignete zusätzliche Maßnahmen zusätzlich auch ein fehlerhaftes Verhalten des Gradientenverstärkers über wacht werden. Unter einer Lookahead-Überwachung versteht man die Überwachung vor dem Beginn der bildgebenden Meßsequenz gemäß Anspruch 6. Außerdem können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die verschiedensten bildgebenden Meßabläufe simu liert werden. Bei einer Lookahead-Überwachung und bei einer Meßsequenz-Simulation ist die Maßnahme des Meßsequenzabbruchs gemäß Anspruch 5 nicht erforderlich bzw. überhaupt nicht er wünscht.

Die im Verfahren gemäß Anspruch 7 realisierte Filterung des differenzierten Gradientensignals G_diff wird vorzugsweise durch eine Faltung

beschrieben, wobei die Filterfunktionen f_F1(t) und f_F2(t) je weils durch eine Exponentialfunktion mit vorgebbarer Zeitkon stante τ realisiert werden.

Für den Fall τ = τ₁ erhält man eine erste e-Funktion (Filter funktion f_F1(t)) und für den Fall τ = τ₂ eine zweite e- Funktion (Filterfunktion f_F2(t)), mit der jeweils das diffe renzierte Gradientensignal G_diff physikalisch gefiltert bzw. mathematisch gefaltet wird.

Im Rahmen der Erfindung ist es gemäß einer vorteilhaften Aus gestaltung nach Anspruch 11 auch möglich, den Stimulations- Schwellwert Stim_lim für jede Bildgebung patientenabhängig vor zugeben. Für die patientenabhängige Vorgabe des Stimulations- Schwellwertes Stim_lim ist es notwendig, bei dem Patienten durch eine geeignete Messung, z. B. durch elektrische Leitfä higkeitsmessung, seine individuelle Stimulationsschwelle zu ermitteln. Der Stimulations-Schwellwert Stim_lim muß dann nur noch entsprechend skaliert werden.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens gemäß Anspruch 12 kann das erfindungsgemäße Filterverfahren zu einer reinen dB/dt- Überwachung umfunktioniert werden. Durch die Wahl eines hin reichend großen Wertes für die Grenzfrequenz der ersten Filterfunktion f_F1(t) wird ihre Filterwirkung nahezu ausge schaltet. Durch die Wahl eines hinreichend kleinen Wertes für den zweiten Gewichtungsfaktor a₂ (das ist der Gewichtungsfak tor für das zweite gefilterte Gradientensignal G_F2(t)) wird das Filterergebnis der zweiten Filterfunktion f_F2(t) so gut wie nicht berücksichtigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt Ausgestaltungen zu, die darüber hinaus weitere Parameter berücksichtigen. Zu diesen Parametern gehören beispielsweise die Orientierung des Pati enten in der Patientenröhre des Magneten (z. B. auf dem Rücken oder auf der Seite liegend, Kopf oder Füße zuerst) oder des sen Position in z-Richtung (d. h. auf welchen Körperteil wird positioniert).

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

Fig. 1 ein Flußdiagramm einer Ausführungsform des er findungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 bis 7 jeweils den zeitlichen Verlauf der bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah rens gemessenen Signale sowie der nach diesem Verfahren gebildeten Signale,

Fig. 8 und 9 jeweils eine Skizze einer prinzipiellen Schal tungsanordnung zur Durchführung der Stimulati onssignalbildung des erfindungsgemäßen Verfah rens,

Fig. 10 bis 19 jeweils eine elektrische Schaltung zur Reali sierung von Bausteinen der Schaltungsanordnun gen,

Fig. 20 eine Skizze einer prinzipiellen Schaltungsan ordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das Flußdiagramm gemäß Fig. 1 umfaßt ein Differenziererglied 1, dem ein gemessenes Gradientensignal G(t) zugeführt wird. Das Gradientensignal G(t) weist den in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf auf. Nachfolgend wird eine bevorzugte Aus führungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines trapezförmigen Gradientensignals (Trapezpuls) mit der Ampli tude B₀ = 10 mT erläutert.

Die Dimension der Gradientenpulse und damit des Gradientensi gnals G(t) ist mT/m. Im folgenden wird die räumliche Abhän gigkeit des von der Gradientenspule erzeugten magnetischen Feldes nicht näher berücksichtigt. Vielmehr wird mit G = G(t) das von der Gradientenspule vorgegebene Gradientenfeld an ei nem festen Raumpunkt betrachtet. Der Skalierungsfaktor beim Übergang vom Gradientensignal zum magnetischen Feld ist durch die verwendete Gradientenspule und den betrachteten Raumpunkt vorgegeben.

Im Differenziererglied 1 wird aus dem Gradientensignal G(t) durch eine erste zeitliche Ableitung d/dt ein differenziertes Gradientensignal G_diff(t) gebildet, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 3 gezeigt ist.

Das differenzierte Gradientensignal G_diff(t) wird auf ein er stes Tiefpaßfilterglied 2 und ein zweites Tiefpaßfilterglied 4 gegeben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind beide Tiefpaßfilterglieder 2 und 4 parallel zueinander angeordnet und dem Differenziererglied 1 nachgeschaltet. Dem ersten Tiefpaßfilterglied 2 ist ein Gleichrichterglied 3 nachgeschaltet und dem zweiten Tiefpaßfilterglied 4 ist ein Gleich richterglied 3 vorgeschaltet, wodurch dem zweiten Tiefpaßfil terglied 4 nur der gleichgerichtete Anteil des differenzier ten Gradientensignals G_diff(t) zugeführt wird. Für die weitere Signalverarbeitung steht damit nur der Absolutbetrag des dif ferenzierten Gradientensignals G_diff(t) zur Verfügung.

Im ersten Tiefpaßfilterglied 2 wird das differenzierte Gra dientensignal G_diff(t) mit einer ersten Filterfunktion f_F1(t) gefiltert. Im zweiten Tiefpaßfilterglied 4 wird der Absolut betrag des differenzierten Gradientensignals G_diff(t) mit ei ner zweiten Filterfunktion f_F2(t) gefiltert.

Bei der beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die beiden Filterfunktionen f_F1(t) und f_F2(t) wie folgt definiert:

Durch das Filtern des differenzierten Gradientensignals G_diff(t) mit einer ersten Filterfunktion f_F1(t) sowie seines gleichgerichteten Anteils Abs(G_diff(t)) mit einer zweiten Filterfunktion f_F2(t) werden die durch ein äußeres elektri sches Feld verursachten Stimulationen und deren Weiterleitung im Nervensystem näherungsweise beschrieben. Die erste Filter funktion f_F1(t) beschreibt hierbei die Anregung des Akti onspotentials auf der präsynaptischen Seite, die zur Aus schüttung von chemischen Botenstoffen führt. Diese Botenstof fe werden auf der postsynaptischen Seite, d. h. in der nach geschalteten Nervenzelle, absorbiert und lösen dort ein wei teres Aktionspotential aus. Die Anregung des Aktionspotenti als auf der postsynaptischen Seite wird durch die zweite Filterfunktion f_F2(t) beschrieben. Da im Aktionspotential auf der postsynaptischen Seite die ursprüngliche Polarität der Anregung nicht mehr enthalten ist, wird im zweiten Tiefpaß filterglied 4 nur der gleichgerichtete Anteil des differenzierten Gradientensignals G_diff(t) verarbeitet, der mit Abs(G_diff(t)) bezeichnet ist.

Durch das Filtern des differenzierten Gradientensignals G_diff(t) im ersten Tiefpaßfilterglied 2 wird also das prä synaptische Verhalten nachgebildet. Analog wird im zweiten Tiefpaßfilterglied 4 das postsynaptische Verhalten als Modell abgebildet.

Der zeitliche Verlauf des ersten gefilterten Gradientensi gnals

ist in Fig. 4 dargestellt, wo bei für die erste Zeitkonstante τ₁ = 0,2 ms gewählt wurde. Zum Vergleich ist in Fig. 4 auch noch das differenzierte Gra dientensignal G_diff(t) eingezeichnet.

Den zeitlichen Verlauf des zweiten gefilterten Gradientensi gnals

zeigt Fig. 5, wobei die zweite Zeitkonstante τ₂ = 2,0 ms gewählt wurde. Zum Vergleich ist in Fig. 5 auch noch der Absolutbetrag des differenzierten Gradientensignals G_diff(t), der mit Abs(G_diff(t)) bezeichnet ist, eingezeichnet.

Sowohl das erste gefilterte Gradientensignal G_F1(t) als auch das zweite gefilterte Gradientensignal G_F2(t) werden jeweils in einem weiteren Verfahrensschritt einer Gewichtung unterzo gen. Im beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt dies durch Multiplikation des gleichgerichteten ersten gefilterten Gra dientensignals Abs(G_F1(t)) mit einem vorgebbaren ersten Ge wichtungsfaktor a₁ und durch Multiplikation des zweiten ge filterten Gradientensignals G_F2(t) mit einem vorgebbaren zweiten Gewichtungsfaktor a₂. Das erste gefilterte Gradien tensignal G_F1(t) wird hierzu einem ersten Multipliziererglied 5 und das zweite gefilterte Gradientensignal G_F2(t) einem zweiten Multipliziererglied 6 zugeführt. Für die beiden Ge wichtungsfaktoren a₁ und a₂ gilt:
a₁ + a₂ = 1. Im erläuterten Ausführungsbeispiel ist a₁ = 0,6 und a₂ = 0,4.

Im ersten Multipliziererglied 5 wird damit ein erstes gewich tetes und gefiltertes Gradientensignal G_F1g(t) = a₁.Abs(G_F1(t)) ermittelt.

Analog wird im zweiten Multipliziererglied 6 ein zweites ge wichtetes und gefiltertes Gradientensignal G_F2g(t) = a₂.G_F2(t) ermittelt.

Die beiden gewichteten und gefilterten Gradientensignale G_F1g(t) und G_F2g(t) werden durch einen frei wählbaren Verknüp fungsoperator zu einem Stimulationssignal Stim(t) verknüpft. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erfolgt die Verknüpfung durch Addition der beiden gewichteten und gefilterten Gra dientensignale G_F1g(t) und G_F2g(t). Die beiden gewichteten und gefilterten Gradientensignale G_F1g(t) und G_F2g(t) werden hierzu einem Addiererglied 7 zugeführt.

Das resultierende Stimulationssignal Stim(t) ergibt sich da mit zu Stim(t) = G_F1g(t) + G_F2g(t).

Der Verlauf des Stimulationssignals Stim(t) ist in Fig. 6 dargestellt. Zum Vergleich ist in Fig. 6 auch noch der Abso lutbetrag des differenzierten Gradientensignals G_diff(t), der mit Abs(G_diff(t)) bezeichnet ist, eingezeichnet.

Das auf diese Art gewonnene Stimulationssignal Stim(t) wird einem Komparatorglied 8 zugeführt.

Im Komparatorglied 8 wird das Stimulationssignal Stim(t) mit einem vorgebbaren Stimulations-Schwellwert Stim_lim verglichen. Wenn das ermittelte Stimulationssignal Stim(t) einen für die Gradientenspule charakteristischen Grenzwert Stim_lim erreicht oder überschreitet, so ist dies ein Indikator für auftretende Stimulationen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierzu der maximale Stimulationswert Stim_max des Stimulations signals Stim(t) bestimmt und mit dem vorgebbaren Stimula tions-Schwellwert Stim_lim verglichen. Wenn der maximale Stimu lationswert Stim_max größer ist der Stimulations-Schwellwert Stim_lim, dann sind Stimulationen zu erwarten, ansonsten nicht.

Wenn keine Stimulationen zu erwarten sind, wird die bildge bende Meßsequenz fortgesetzt (CONTINUE). Falls gewünscht, kann der maximale Stimulationswert Stim_max fortlaufend proto kolliert werden.

Bei Überschreitung des Stimulations-Schwellwertes Stim_lim wird im dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem es sich um eine Online-Überwachung handelt, die Bildgebung zumindest vorläu fig abgebrochen (STOP). Der aus dem vorgebbaren Stimulations- Schwellwert Stim_lim und dem maximalen Stimulationswert Stim_max ermittelte Quotient Stim_lim/Stim_max (dieser Wert ist < 1) wird direkt als Skalierungsfaktor für die Amplitude des Gradien tensignals G(t) verwendet. Bei einer erneuten Bildgebung tre ten dann keine Stimulationen mehr auf.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Verlauf des Stimulations signals Stim(t)ist für den Stimulations-Schwellwert Stim_lim = 20,1 T/s gewählt.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, würde bei diesem Beispiel erst durch die abfallende Flanke des dritten Gradientensignals nach etwa 6 ms eine Stimulation ausgelöst, obwohl die auftre tenden nominalen dB/dt-Werte für alle Gradienten-Einzelpulse konstant sind.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzunehmende Filte rung des differenzierten Gradientensignals G_diff(t) kann bei einer Exponentialfunktion als Filterfunktion auf einfache Weise mathematisch ermittelt werden.

Im folgenden ist mit G_n = G_diff(n.Δt) das differenzierte Gra dientensignal zu einem Zeitpunkt (n.Δt) und mit G_Fn = G_F(n.Δt) das gefilterte Gradientensignal G_F1(t) bzw. G_F2(t) zu einem Zeitpunkt (n.Δt) bezeichnet. Δt kennzeichnet hierbei das Abtastintervall.

Mit c₁ = e^- ^Δ ^t/ ^τ und c₂ = 1 - c₁ läßt sich dann das gefilterte Gradientensignal G_Fn iterativ aus dem differenzierten Gra dientensignal G_n (Eingangssignal des Tiefpaßfilterglieds 2 bzw. 4) und den schon berechneten Werten von G_Fn gemäß fol gender Beziehung

G_Fn = c₁.G_Fn-1 + c₂.G_n

bestimmen.

Das in Fig. 1 vorgestellte Flußdiagramm zur Überwachung der Stimulationsschwellen wird in einer elektrischen Schaltung technisch abgebildet. So entspricht z. B. die angegebene Fal tung des differenzierten Gradientensignals mit einer e-Funk tion dem Verhalten einer Tiefpaßschaltung aus einem Wider stand und einem Kondensator.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Realisierung des in Fig. 1 dargestellten Flußdiagramms vom Gradientensignal G(t) bis zum Stimulationssignal Stim(t). Dabei setzen sich der Differenzierer DIF, die Tiefpässe TP1 und TP2, die Gleich richter GR1 und GR2 sowie der Summierer SUM1 aus Operations verstärkern OPAMP, Widerständen R und Kondensatoren C zusam men und entsprechenden Schaltungsausführungen gemäß Fig. 10 bis Fig. 16. Das Gradientensignal G(t) ist ein Spannungs signal, das dem Strom in einer Gradientenspule, der durch ei ne Gradientenpulsfolge bestimmt ist, direkt proportional ist.

In Fig. 8 wird das Gradientensignal G(t) einem Differenzierer DIF zugeführt. Das Ausgangssignal des Differenzierers wird einem ersten Tiefpaß TP1 zugeführt, dessen Ausgangssignal ei nem ersten Gleichrichter GR1 zugeführt wird. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal des Differenzierers einem zweiten Gleichrichter GR2 zugeführt, dessen Ausgangssignal einem zweiten Tiefpaß TP2 zugeführt wird. Die Ausgangssignale des Gleichrichters GR1 sowie des Tiefpasses TP2 werden einem Sum mierer SUM1 zugeführt, von dem sie mit einer vorgebbaren Ge wichtung addiert werden und dessen Ausgangssignal das Stimu lationssignal Stim(t) ist.

Der Differenzierer DIF ist in Fig. 11 dargestellt. Die darge stellte Schaltung ist ein Differenzierer mit integriertem Tiefpaß mit der Tiefpaßzeitkonstante T_TP. Der Frequenzgang OUT/IN = -j.ω.T_DIF/(1 + j.ω.T_TP). Dabei ist T_DIF = C1.R1 die Dif ferenziererzeitkonstante, T_TP = C1.R2 die Tiefpaßzeitkonstan te und ω = 2.π.f die Kreisfrequenz, wobei f die Frequenz ist. Der in Fig. 10 dargestellte Differenzierer mit dem Fre quenzgang OUT/IN = -j.ω.R1.C1 weist in der Praxis ein uner wünschtes Einschwingen auf. Dieses Einschwingen wird durch den integrierten Tiefpaß unterbunden. Die Zeitkonstante T_TP wird in der Größenordnung 1 bis 3 µs gewählt, so daß sie im Vergleich zur Anstiegszeit der Gradienten sehr klein ist und dadurch vernachlässigbar ist.

Der Tiefpaß TP1 besteht aus einer Schaltung mit einem Opera tionsverstärker OPAMP gemäß Fig. 15. Dabei beträgt der Ver stärkungsfaktor -R21/R20, die Zeitkonstante ist R21.C10 und der Frequenzgang OUT/IN = -(R21/R20).(1/(1 + j.ω.R21.C10)). Es kann auch ein passiver Tiefpaß entsprechend Fig. 16 verwen det werden, wobei dann die Impedanz der folgenden Schaltung zu berücksichtigen ist. Der passive Tiefpaß nach Fig. 16 be sitzt die Zeitkonstante R30.C30 und den Frequenzgang OUT/IN = 1/(1 + j.ω.R30.C30). Die Verwendung passiver Tiefpässe spart Bauteile und ist grundsätzlich möglich, erschwert jedoch die Berechnung der Zeitkonstanten und Gewichtungsfaktoren.

Der Gleichrichter GR1 entspricht der in Fig. 12 dargestellten Schaltung. Er liefert unabhängig vom Vorzeichen der Eingangs spannung IN eine negative Ausgangsspannung OUT, d. h. OUT = - Abs(IN). Der Gleichrichter GR2 entspricht der Schaltung in Fig. 13 und liefert unabhängig vom Vorzeichen der Eingangs spannung IN immer eine positive Ausgangsspannung OUT, d. h. OUT = Abs(IN). Die in Fig. 12 bzw. Fig. 13 angegebene Dimensio nierung mit den Widerstandswerten R und 2.R bewirkt, daß die Ausgangsspannung dem negativen bzw. positiven Betrag der Ein gangsspannung entspricht, also eine Verstärkung von eins vor liegt.

Der Tiefpaß TP2 entspricht wiederum der Schaltung nach Fig. 15. Der Summierer SUM1 ist in Fig. 14 allgemein dargestellt. Die Gewichtung der Eingangssignale zueinander wird durch die Widerstände R41 und R42 eingestellt und der Widerstand R4xx ist für die Gesamtverstärkung verantwortlich. Bei zwei Ein gangsspannungen IN1 und IN2 gilt für die Ausgangsspannung OUT des Summierers: OUT = -(IN1.R4xx/R41 + IN2.R4xx/R24). Durch die beiden unterschiedlichen Gleichrichter GR1 und GR2 ist sichergestellt, daß die beiden Eingangsspannungen des Summie rers SUM1 gleiches Vorzeichen haben.

Eine gute Dimensionierung der Schaltung nach Fig. 8 ist er reicht, wenn die einzelnen Signalpegel gegenüber Störeinflüs sen groß sind, jedoch ein Übersteuern einzelner Schaltungs teile vermieden ist. Im folgenden wird beispielhaft angenom men, die Versorgungsspannung der Operationsverstärker beträgt ±15 V.

Bei einer beispielhaft angenommenen, schnellsten Anstiegszeit des Gradientensignals von 100 µs beträgt die Ausgangsspannung des Differenzierers 10 V. Die Zeitkonstante T_DIF = R1.C1 be trägt somit 100 µs. Wählt man C1 mit 1 nF, so ergibt sich R1 zu 100 kΩ. Der Widerstand R2 wird experimentell ermittelt. Er liegt vorteilhaft unter 5 kΩ.

Damit der Signalpegel von 10 V beibehalten wird, wählt man die beiden Widerstände R21 und R20 der Tiefpässe gleich groß. Wählt man die Zeitkonstante des ersten Tiefpasses mit 0,2 ms und R21 mit 10 kΩ, so ergibt sich für C10 ein Wert von 20 nF. Die Dimensionierung des zweiten Tiefpasses mit der bei spielhaften Zeitkonstanten von 2 ms ergibt mit einem Wider stand von 10 kΩ einen Kapazitätswert von 200 nF.

Da die Gleichrichter GR1 und GR2 eine Verstärkung von eins aufweisen, bleibt der Pegel von maximal 10 V erhalten. Der Summierer SUM1 gewichtet und addiert die Ausgangssignale OUT(GR1) und OUT(TP2) von Gleichrichter GR1 und Tiefpaß TP2. Sind vorgenannte Signale beispielhaft mit 0,6 und 0,4 zu be werten und ist der 10-V-Pegel zu erhalten, so gilt folgende Dimensionierung:

10 V = -((OUT(GR1).R4xx/R41) + OUT(TP2).R4xx/R42)).

Der Ausgangssignalpegel von Gleichrichter GR1 und Tiefpaß TP2 ist jeweils -10 V, damit erhält man R4xx/R41 = 0,6 und R4xx/R42 = 0,4. Ist R4xx mit 10 kΩ gewählt, so sind R41 = 16,666 kΩ und R42 = 25 kΩ.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Erzeugung eines Sti mulationssignals Stim(t), wodurch eine verfeinerte Nachbil dung der Nervenstimulation erreicht wird. Dazu wird die Tief paßfilterung des Tiefpasses TP1 aus Fig. 8 mit zwei Tiefpässen TP1a und TP1b, deren Ausgangssignale von einem Summierer SUM2 gewichtet und addiert werden, ausgeführt. Das Ausgangssignal von SUM2 bildet das Eingangssignal für den Gleichrichter GR1. Ferner sind dem Tiefpaß TP2 weitere Tiefpässe TP3 usw. paral lel angeordnet. Die Ausgangssignale des Gleichrichters GR1 sowie der Tiefpässe TP2, TP3 usw. werden dem Summierer SUM1 zugeführt, von dem sie gewichtet und addiert werden. Der Tiefpaß TP3 usw. entspricht der Schaltung in Fig. 15.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf jede einzelne der drei Gradientenspulen, die jeweils eine physikalische Gradientenachse darstellen, separat anwenden. Werden nun aber alle drei Gradientenspulen gleichzeitig geschaltet (z. B. bei gekippten oder gedrehten Schichten), so kann nach dem erfin dungsgemäßen Verfahren für jede Gradientenachse einzeln über prüft werden, ob eine Stimulation auftritt. Das reicht aber möglicherweise nicht aus, da beispielsweise durch die gleich zeitige Einwirkung aller drei Gradientenspulen eine Stimula tion ausgelöst werden kann, obwohl für jede einzelne Gradien tenspule die Stimulationsschwelle noch nicht überschritten ist. Die Überprüfung, ob durch die gleichzeitige Einwirkung aller drei Gradientenspulen eine Stimulation ausgelöst werden kann läßt sich mit einem zusätzlichen Verfahrensschritt ein fach realisieren.

Durch diesen zusätzlichen Verfahrensschritt wird kontrol liert, ob die folgende Bedingung erfüllt ist (die zusätzli chen Indizes beziehen sich auf die betrachtete jeweils physi kalische Gradientenachse x, y, z):

[(Stim_x(t)/Stim_lim,x)² + (Stim_y(t)/Stim_lim,y)² + (Stim_z(t)/Stim_lim,z)²]^1/2 < Stim_faktor,

wobei mit Stim_faktor der Stimulationsfaktor bezeichnet ist, der die durch die Einwirkung aller drei Gradientenspulen verur sachte Stimulation beschreibt. Für den Stimulationsfaktor Stim_faktor gilt: Stim_faktor ≦ 1.

Wenn die vorgenannte Bedingung für jeden Zeitpunkt t erfüllt ist, dann treten keine Stimulationen auf. Wenn diese Bedin gung nicht erfüllt ist, d. h. wenn die Summe auf der linken Seite der Ungleichung größer ist als der Stimulationsfaktor Stim_faktor, dann sind Stimulationen zu erwarten. Die Einführung des Stimulationsfaktors Stim_faktor erlaubt eine größere Flexi bilität bei der Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens an experimentell ermittelten Daten, die für verschiedene Kern spinresonanzgeräte unterschiedlich sein können.

Fig. 20 zeigt für ein Ausführungsbeispiel die Schaltungsaus führung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens für drei Gradientenspulen eines Gradientensystems. Eingangssigna le der Schaltung sind die Gradientensignale G_x(t), G_y(t) bzw. G_z(t) der drei physikalischen Gradientenachsen x, y und z. Dabei handelt es sich um Spannungssignale. In einer Ausfüh rung sind vorgenannte Spannungssignale den Strömen in den Gradientenspulen direkt proportional. Dafür eignen sich bei spielsweise die Stromist- bzw. Stromsollwertsignale, die in der Regel als Spannungssignale in der Gradientenregel- und - verstärkereinheit eines Kernspinresonanzgeräts vorhanden sind. In einer anderen Ausführung werden bei gleichzeitigem Weglassen des Differenzierers DIF aus Fig. 8 bzw. Fig. 9 Spannungssignale, die der ersten zeitlichen Ableitung eines Gradientenspulenstroms direkt proportional sind, als Gradientensignale genutzt. In der Regel ist ein derartiges Signal als Ausgangsspannung U_OUT(t) der Gradientenregel- und - verstärkereinheit verfügbar. Dabei ist die Spannung U_OUT(t) so eingestellt, daß gilt: U_OUT(t) = L.di(t)/dt + R.i(t). Dabei ist L die Induktivität und R der Widerstand einer Gradientenspule inklusive ihrer Anschlußleitungen und i(t) der Gradientenspulenstrom. Direkte Proportionalität zwischen der Spannung U_OUT(t) und der Ableitung des Gradientenspulen stroms di(t)/dt ist für R = 0 gegeben. In der Praxis ist der Widerstand R ungleich Null. Den Fehler, den man bei Verwen dung des Spannungssignals U_OUT(t) als Eingangssignal in Kauf nimmt, erläutert folgendes Beispiel: Bei einem durch Strom verdrängung erhöhten Widerstand R der Gradientenspule von z. B. 1 Ω und einem Strom von 100 A fällt eine Spannung von 100 V am Widerstand R ab. Bei einer Gesamtspannung von 1000 V bleiben 900 V für den Gleichungsteil L.di(t)/dt, der Fehler würde also 10% betragen.

Die Gradientensignale G_x(t), G_y(t) bzw. G_z(t) werden den Funk tionsblöcken GSX, GSY bzw. GSZ, die den Schaltungen in Fig. 8 oder Fig. 9 entsprechen, zugeführt. Ausgangssignale der Funk tionsblöcke sind die Stimulationssignale Stim_x(t), Stim_y(t) bzw. Stim_z(t). Sie werden jeweils in einem Pfad einem Qua drierer χ² zugeführt. Ein Beispiel für eine Quadriererschal tung ist in Fig. 17 dargestellt. Dabei ist der Multiplizierer als Quadrierer beschaltet, indem zwei miteinander verbundenen Eingängen dasselbe Eingangssignal zugeführt wird und die drei übrigen Eingänge mit Erde verbunden sind. Damit ergibt sich die Ausgangsspannung OUT des Quadrierers zu OUT = IN.IN/10 V. Bei einer Eingangsspannung IN von 10 V beträgt die Aus gangsspannung ebenfalls 10 V.

Jedes Stimulationssignal Stim_x(t), Stim_y(t) bzw. Stim_z(t) wird einerseits direkt und andererseits in quadrierter Form einer Verknüpfungsschaltung zugeführt. Die Verknüpfungsschaltung besteht beispielhaft aus den vier Summierern SUM², SUMX, SUMY und SUMZ. Der Summierer SUM² gewichtet und addiert die drei quadrierten Stimulationssignale. Die Verknüpfung der drei quadrierten Stimulationssignale repräsentiert die Stimulation in einem rechtwinkligen dreidimensionalen Koordinatensystem.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 20 ist es vorteilhaft, die Stimulationssignale direkt zu quadrieren, und nicht wie bei der Beschreibung des Verfahrens ausgeführt, zuerst die Stimulationssignale mit Stimulations-Schwellwerten zu divi dieren.

Da außerhalb des Untersuchungsbereichs des Kernspinresonanz geräts die Rechtwinkeligkeit der Gradientenfelder in der Re gel nicht mehr gegeben ist und die höchsten Gradientenfeld stärkeänderungen außerhalb des Untersuchungsbereichs erreicht werden, beinhaltet die Verknüpfungsschaltung drei weitere Summierer SUMX, SUMY und SUMZ, die jeweils mit vorgebbarer Gewichtung die Summe aus allen linearen und quadrierten Sti mulationssignalen bilden. Die Gewichtung des Summierers SUMX sieht dabei eine hohe Gewichtung der die x-Gradientenachse betreffenden Signale vor, die Gewichtung des Summierers SUMY sieht eine hohe Gewichtung der die y-Gradientenachse betref fenden Signale vor und die Gewichtung des Summierers SUMZ sieht eine hohe Gewichtung der die z-Gradientenachse betref fenden Signale vor.

Während die Stimulationssignale Stim_x(t), Stim_y(t) bzw. Stim_z(t) sowie deren quadrierte Signale immer positiv sind, sind durch den Vorzeichenwechsel, verursacht durch die Summierer SUM², SUMX, SUMY und SUMZ, deren Ausgangssignale immer negativ.

Die Ausgangssignale der Summierer SUM², SUMX, SUMY und SUMZ werden in einer Komparatorschaltung mit Speicher COMP_S mit zugehörigen Referenzpegeln REF², REFX, REFY und REFZ vergli chen. Wird wenigstens ein Referenzpegel überschritten, so entspricht dies dem Erreichen einer Stimulationsschwelle und am Meldeausgang COMP_OUT wird dauerhaft ein Signal ausgege ben, wodurch beispielsweise bei einer Online-Überwachung die Ausgangsspannung der Gradientenregel- und -verstärkereinheit auf den Wert Null eingestellt wird. Das Signal am Meldeaus gang COMP_OUT wird durch ein Rücksetzsignal am Rücksetzein gang N_RESET gelöscht.

Fig. 18 zeigt die Grundfunktion eines Komparators COMP, der zwei Eingangssignale IN1 und IN2 zu einem Ausgangssignal ver knüpft. Dabei befindet sich der Signalausgang auf einem High- Pegel, solange IN1 größer als IN2 ist. Solange IN1 kleiner IN2 ist befindet sich der Signalausgang auf einen Low-Pegel.

Fig. 19 zeigt die Komparatorschaltung mit Speicher COMP_S als eine einfache Zusammenschaltung von Komparatoren mit einem einfachen Flip-Flop, der aus zwei NAND-Gattern als Speicher besteht. In der Komparatorschaltung COMP_S sind entsprechend der Anzahl von Eingangssignalen Komparatoren enthalten. Durch den Widerstand an VCC wird der gemeinsame Open-Kollektor- Ausgang der für dieses Beispiel gewählten Komparatoren auf einen High-Pegel gehalten. Wird bei einem der Komparatoren das Eingangssignal negativer als der mit negativem Vorzeichen vorzugebende zugehörige Referenzpegel, so zieht dieser Kompa rator den gemeinsamen Ausgang aller Komparatoren auf einen Low-Pegel und bewirkt am Ausgang des Flip-Flops einen High- Pegel, der beispielsweise zum Anhalten der Meßsequenz führt. Dieser High-Pegel bleibt erhalten, auch wenn durch die unter bundene Stimulation der Komparator den gemeinsamen Ausgang aller Komparatoren wieder auf den High-Pegel setzt. Ausschließlich ein Rücksetzsignal am Rücksetzeingang N_RESET setzt den Flip-Flop-Ausgang wieder auf den Low-Pegel. Ohne den Flip-Flop würde beispielsweise bei einer Online-Über wachung die Gradientenregel- und -verstärkereinheit die sti mulierende Meßsequenz nach einer kurzen Unterbrechung fort setzen. Anstelle des Flip-Flops kann ein Zeitglied verwendet werden, das die Gradientenregel- und -verstärkereinheit so lange anhält, bis ein Meßsequenzabbruch herbeigeführt ist.

Auf ein Quadrieren der Stimulationssignale kann verzichtet werden, wenn anstelle der drei Quadrierer χ² und Summierer SUM², SUMX, SUMY und SUM2 sechs Summen gebildet werden, die neben den Skalierungen entsprechend ihrer Stimulationsanteile zusätzlich folgende Gewichtungen beinhalten:

Dabei wird davon ausgegangen, daß bei gleich großen Gradien ten der resultierende Gradient in der Ebene um √2 und im Raum um √3 größer ist als der einzelne Gradient. Durch die Annahme von drei gleich großen Gradienten und durch das Vertauschen der Anteile in den sechs Summen wird der schlimmste Fall ab gedeckt.

Das Gradientenfeld entspricht dynamisch nicht exakt dem Gra dientenspulenstromverlauf, da es durch Wirbelströme ge schwächt und zeitlich verzögert wird. Werden die Referenzpe gel im dynamischen Gradientenfeld experimentell ermittelt, so ist vorgenannter Umstand in den Referenzpegeln bereits be rücksichtigt. Werden dagegen Untersuchungen zur Ermittlung der Referenzpegel am statischen Gradientenfeld durchgeführt, ist es möglich, den Gradientenspulenstromverlauf im Sinne ei ner Berücksichtigung von Wirbelströmen zu bewertet. Damit er hält man ein bewertetes Gradientenspulenstromsignal, dessen Verlauf dem tatsächlichen dynamischen Gradientenfeld ent spricht.

Claims

1. Verfahren zur Nachbildung der von Gradientenspulen eines Kernspinresonanzgeräts erzeugten elektrischen Stimulationen in einem Untersuchungsobjekt, beinhaltend folgende Merkmale:

- Bestimmung wenigstens eines durch den zeitlichen Verlauf der Gradientenpulse vorgegebenen Gradientensignals (G(t)),
- Bildung wenigstens eines ersten gefilterten Gradientensi gnals (G_F1(t)) durch Filterung des Gradientensignals (G(t)) mit einer ersten Filterfunktion (f_F1(t))
- Bildung eines die Stimulation des Untersuchungsobjekts be schreibendes Stimulationssignals (Stim(t)) aus dem ersten gefilterten Gradientensignal (G_F1(t)),
- Vergleich des Stimulationssignals (Stim(t)) mit einem vor gebbaren Stimulations-Schwellwert (Stim_lim), bei dessen Überschreitung eine Meldung abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Vor der Filterung des Gradientensignals (G(t)) wird aus diesem ein differenziertes Gradientensignal (G_diff(t)) durch eine erste zeitliche Ableitung (d/dt) gebildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, beinhaltend folgende Merkmale:

- Bildung eines zweiten gefilterten Gradientensignals (G_F2(t)) durch Filterung des Gradientensignals (G(t)) mit einer zweiten Filterfunktion (f_F2(t)), wobei
- die zweite Filterfunktion (f_F2(t)) eine niedrigere Grenz frequenz aufweist als die erste Filterfunktion (f_F1(t)),
- Gewichtung des ersten gefilterten Gradientensignals (G_F1(t)) und des zweiten gefilterten Gradientensignals (G_F2(t))
- Bildung eines die Stimulation des Untersuchungsobjekts be schreibendes Stimulationssignals (Stim(t)) durch Verknüp fung des ersten gewichteten und gefilterten Gradientensi gnals (G_F1g(t)) sowie des zweiten gewichteten und gefilterten Gradientensignals (G_F2g(t)) durch einen frei wählbaren Verknüpfungsoperator.

4. Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend folgende Merkmale:

- vor der Gewichtung des ersten gefilterten Gradientensignals (G_F1(t)) wird das Signal gleichgerichtet,
- von der zweiten Filterfunktion (f_F2(t)) wird nur der gleichgerichtete Anteil des differenzierten Gradientensi gnals (G_diff(t)) verarbeitet.

5. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Bei Überschreitung des Stimulations-Schwellwertes (Stim_lim) führt die Meldung zum Abbruch der Bildgebung.

6. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend folgende Merkmale:

- Vor der Ausführung einer Meßsequenz wird das mit einer Ausführung der Meßsequenz einhergehende Stimulationssignal (Stim(t)) gebildet und
- bei Überschreitung des Stimulations-Schwellwertes (Stim_lim) führt die Meldung zu einer Anzeige der Überschreitung an einer Anzeigevorrichtung.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, beinhaltend folgendes Merkmal:

- wenigstens eine Filterung wird durch eine Faltung und we nigstens eine Filterfunktion (f_F1(t), f_F2(t)) wird durch ei ne Exponentialfunktion
mit vorgebbarer Zeitkon stante (τ) realisiert.

8. Verfahren nach Anspruch 4 und 7, beinhaltend folgende Merkmale:

- Das erste gefilterte Gradientensignal (G_F1(t)) wird durch Faltung des differenzierten Gradientensignals (G_diff(t)) mit einer ersten e-Funktion ermittelt,
- das zweite gefilterte Gradientensignal (G_F2(t)) wird durch Faltung des Absolutbetrages des differenzierten Gradienten signals (G_diff(t)) mit einer zweiten e-Funktion ermittelt

9. Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend folgende Merkmale:

- Das erste gewichtete und gefilterte Gradientensignal (G_F1g(t)) wird durch Multiplikation des ersten gefilterten und gleichgerichteten Gradientensignals (Abs(G_F1(t))) mit einem vorgebbaren ersten Gewichtungsfaktor (a₁) gebildet und
- das zweite gewichtete und gefilterte Gradientensignal (G_F2g(t)) wird durch Multiplikation des zweiten gefilterten Gradientensignals (G_F2(t)) mit einem vorgebbaren zweiten Gewichtungsfaktor (a₂) gebildet.

10. Verfahren nach Anspruch 3, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Der frei wählbare Verknüpfungsoperator führt eine mathema tische Operation, insbesondere eine Addition, aus.

11. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Der Stimulations-Schwellwert (Stim_lim) wird patientenabhän gig vorgegeben.

12. Verfahren nach Anspruch 9, beinhaltend folgende Merkmale:

- Die Grenzfrequenz der ersten Filterfunktion (f_F1(t)) wird auf einen hinreichend großen Wert gesetzt und
- der zweite Gewichtungsfaktor (a₂) für das zweite gewichtete und gefilterte Gradientensignal (a₂G_F2(t)) wird hinreichend klein gesetzt.

13. Verfahren nach Anspruch 1, beinhaltend folgende Merkmale:

- Bildung wenigstens eines Stimulationssignals (Stim_x(t), Stim_y(t), Stim_z(t)) für jede der drei Gradientenachsen,
- für jede Gradientenachse wird jeweils wenigstens ein Quoti ent (Stim_x(t)/Stim_lim,x, Stim_y(t)/Stim_lim,y, Stim_z(t)/Stim_lim,z) aus dem betreffenden Stimulationssignal (Stim_x(t), Stim_y(t), Stim_z(t)) und dem zugehörigen Stimulations- Schwellwert (Stim_lim,x, Stim_lim,y, Stim_lim,z) gebildet,
- Verknüpfung aller gebildeten Quotienten (Stim_x(t)/Stim_lim,x, Stim_y(t)/Stim_lim,y, Stim_z(t)/Stim_lim,z) und Vergleich mit einem Stimulationsfaktor Stim_faktor, der die durch die Einwirkung aller drei Gradientenachsen verursachte Stimulation be schreibt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, beinhaltend folgendes Merk mal:

- Die Verknüpfung der Quotienten (Stim_x(t)/Stim_lim,x, Stim_y(t)/Stim_lim,y, Stim_z(t)/Stim_lim,z) für alle drei Gradientenachsen erfolgt gemäß folgender Beziehung:
[(Stim_x(t)/Stim_lim,x)² + (Stim_y(t)/Stim_lim,y)² + (Stim_z(t)/Stim_lim,z)²]^1/2 < Stim_faktor.

15. Kernspinresonanzgerät mit einer Vorrichtung zur Nachbil dung der von den Gradientenspulen des Geräts erzeugten elekt rischen Stimulationen in einem Untersuchungsobjekt, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale beinhaltet:

- Wenigstens zwei parallele Pfade,
- einen ersten Pfad, der eine Reihenschaltung wenigstens ei nes Tiefpasses (TP1) und eines Gleichrichters (GR1) ist,
- einen zweiten Pfad, der eine Reihenschaltung eines Gleich richters (GR2) und wenigstens eines Tiefpasses (TP2) ist,
- einen Eingang, dessen Eingangssignal das Gradientensignal (G(t)) ist und dessen Ausgangssignal den beiden Pfaden als Eingangssignal zugeführt wird,
- einen Summierer (SUM1), der die Ausgangssignale der beiden Pfade zur Bildung wenigstens eines die Stimulation des Un tersuchungsobjekts beschreibenden Stimulationssignals (Stim(t)) mit vorgebbarer Gewichtung aufaddiert.

16. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 15, beinhaltend fol gendes Merkmal:

- Die Tiefpaßfilterung im ersten Pfad wird mit einer Paral lelanordnung zweier Tiefpässe (TP1a und TP1b) und einem nachgeschalteten Summierer (SUM2), der die Ausgangssignale der beiden Tiefpässe mit einer vorgebbaren Gewichtung auf addiert, durchgeführt.

17. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 16, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Im zweiten Pfad ist dem Tiefpaß (TP2) wenigstens ein wei terer Tiefpaß (TP3), dessen Ausgangssignal vom Summierer (SUM1) mit vorgebbarer Gewichtung mit aufaddiert wird, parallel geschaltet.

18. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Der Eingang beinhaltet einen Differenzierer (DIF).

19. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 18, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Dem Eingang wird ein Stromistwertsignal einer Gradienten regel- und -verstärkereinheit als Eingangssignal zuge führt.

20. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 18, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Dem Eingang wird ein Stromsollwertsignal der Gradientenre gel- und -verstärkereinheit als Eingangssignal zugeführt.

21. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 17, beinhaltend folgende Merkmale:

- Dem Eingang wird ein Signal der Gradientenregel- und -ver stärkereinheit als Eingangssignal zugeführt,
- das der ersten zeitliche Ableitung eines Gradientenspulen stroms direkt proportional ist.

22. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 15 bis 21, beinhaltend folgende Merkmale:

- eine Komparatoreinheit (COMP_S) mit wenigstens einem Mel deausgang (COMP_OUT),
- der wenigstens ein Stimulationssignal (Stim(t)) zugeführt wird,
- die wenigstens einen Komparator (COMP) beinhaltet,
- die das Stimulationssignal (Stim(t)) mit wenigstens einem vorgebbaren Referenzpegel (REF², REFX, REFY, REFZ) ver gleicht und
- die bei Überschreitung des Referenzpegels (REF², REFX, REFY, REFZ) am Meldeausgang (COMP_OUT) eine Meldung abgibt.

23. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 22, beinhaltend fol gende Merkmale:

- Der Komparatoreinheit (COMP_S) ist wenigstens ein Summie rer vorgeschaltet,
- der wenigstens zwei Stimulationssignale (Stim(t)) zweier Gradientenspulen mit einer vorgebbaren Gewichtung aufad diert.

24. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 22 oder 23, beinhaltend folgende Merkmale:

- Der Komparatoreinheit (COMP_S) ist wenigstens ein Summie rer vorgeschaltet,
- der wenigstens zwei quadrierte Stimulationssignale (Stim(t)) zweier Gradientenspulen mit einer vorgebbaren Gewichtung aufaddiert.

25. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 22 bis 24, beinhaltend folgende Merkmale:

- Der Komparatoreinheit (COMP_S) ist wenigstens ein Summie rer vorgeschaltet,
- der wenigstens ein Stimulationssignal (Stim(t)) einer Gra dientenspule sowie das gleiche Signal in quadrierter Form mit einer vorgebbaren Gewichtung aufaddiert.

26. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 22 bis 25, beinhaltend folgende Merkmale:

- Die Komparatoreinheit (COMP_S) beinhaltet wenigstens einen Speicherbaustein,
- der eine Meldung am Meldeausgang (COMP_OUT) bis zu einem Rücksetzsignal am Rücksetzeingang (N_RESET) der Kompara toreinheit (COMP_S) aufrecht erhält.

27. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 22 bis 25, beinhaltend folgende Merkmale:

- Die Komparatoreinheit (COMP_S) beinhaltet wenigstens ein Zeitglied,
- das eine Meldung am Meldeausgang (COMP_OUT) für eine vor gebbare Zeit aufrecht erhält.