DE2932001A1

DE2932001A1 - Geraet und verfahren zur untersuchung eines koerpers mittels gyromagnetischer resonanz

Info

Publication number: DE2932001A1
Application number: DE19792932001
Authority: DE
Inventors: Michael Burl; Hugh Clow; Colin George Harrison; Ian Robert Young
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: Philips Design Ltd
Priority date: 1978-08-05
Filing date: 1979-08-04
Publication date: 1980-05-08
Also published as: JPS5523499A; US4284950A

Description

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Gerät und Verfahren zur Untersuchung eines Körpers mittels yromagnetischer Resonanz

Die Erfindung betrifft ein Gerät und ein Verfahren zur Untersuchung eines Körpers mittels gyromagnetischer Resonanz, insbesondere nuklearer magnetischer Resonanz (NMR);um voneinemausgewählten Bereich des Körpers ein Abbild der Verteilung einer Quantität herzustellen. Diese Technik kann zur Untersuchung von Körpern unterschiedlicher Art verwendet werden. Eine bevorzugte Anwendung ist jedoch die Untersuchung von Patienten für medizinische Zwecke.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, die nukleare magnetische Resonanz zur Erzeugung der Verteilung von Wasserprotonen oder anderen Molekülen oder von Relaxationszeitkonstanten in Querschnittscheiben oder Volumenbereichen von Patienten zu erzeugen. Es ist insbesondere vorteilhaft, die Untersuchung so durchzuführen, daß Daten erzeugt werden, die durch gleiche Techniken analysiert werden können, wie sie zur Ermittlung der Verteilung der Röntgenstrahlenabsorption durch Computer-Tomographen bekannt sind.

Ein Gerät und ein Verfahren zur Anwendung der nuklearen magnetischen Resonanz ist in den DE-Patentanmeldungen P29 21 und P 29 21 253 beschrieben. Bei diesem bekannten Gerät wird ein stetiges axiales Magnetfeld H_zo während der Untersuchung aufgebaut. Dieses wird mit verschiedenen Gradientenfeldern kom-

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biniert, um Resonanzen in ausgewählten Bereichen des Körpers zu erzeugen. Es ist wichtig, daß während des maßgebenden Teils des Untersuchungsablaufes dieses H₂₀-FeId . in den zu unter bu eher,· - η Teilen des Körpers so gleichmäßig wie möglich gehalten wird,

Es wurde vorgeschlagen, ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit beispielsweise durch genaue Konstruktion der Feldspulen und durch Verminderung von Metallteilen in dem Gerät sicherzustellen. Es ist iedoch nicht immer möglich, eine ausreichende Gleichmäßiqkeit zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem ein gleichmäßigeres H_zo - Feld erzeugt werden kann. Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Spulensystem zur Erzeugung eines im wesntlichen gleichmäßigen magnetischen Feldes in einer Richtung parallel zu einer gewählten Achse in dem Körper, durch Sondenmittel zur Erzeugung von Signalen, die ein Maß für das magnetische Feld an zahlreichen Positionen in einem Bereich sind, der einen Teil des zu untersuchenden Körpers einschließt, durch Mittel, um aus den Signalen Abweichungen von der Gleichmäßigkeit des magnetischen Feldes in dem Bereich ^zu ^^e~ stimmen, und durch auf die Abweichungen ansprechende Korrekturmittel zur Verminderung der Abweichungen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines

NMR-Gerätes^ in anwendbar ist,

NMR-Gerätes in dem die Erfindung

Fig. 2 die Anordnung der Feldmeßsonden in

dem Gerät gemäß Fig. 1,

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Fig. 3 die Art der zu korrigierenden

Feldfehler,

Fig. 4a und 4b die Anordnung von Feldspulen zur

Korrektur eines der Feldfehler,

Fig. 5a und 5b die praktische Anordnung dieser

Spulen;

Fig. 6a, 6b und 6c eine Gruppe von NMR-Spulen einschließlich der Spulen zur Korrektur von Feldfehlern,

Fig. 7 eine Darstellung zur Veranschau

lichung, wie die Fehler ermittelt werden können,

Fig. 8 eine Schaltung zur Verarbeitung

eines Sondensignals für ein NMR-Gerät zur Bestimmung von Feldfehlern
und

Fig. 9 eine Darstellung, wie die Signale

verarbeitet werden, um Korrekturen für die Feldfehler zu erzeugen.

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Die Technik der nuklearen magnetischen Resonanz wird im allgemeinen zur Analyse der Protonenverteilung von Wassermolekülen in einem Körper verwendet. Sie kann jedoch auch zur Analyse anderer Moleküle herangezogen werden.

Einem magnetischen Feld ausgesetzte Moleküle haben eine Resonanzfrequenz, die auf die Größe des Feldes bezogen ist. Sie können dann bei Zuführung eines magnetischen Hochfrequenzfeldes bei der Resonanzfrequenz erregt werden, und die Erregung kann man dann abklingen lassen. Das Abklingen verursacht in geeigneten, den Körper umgebenden Spulen dann die Induzierung eines Signals mit der Resonanzfrequenz.

Bei der Anordnung, die in den beiden erwähnten älteren Anmeldungen beschrieben ist, wird das magnetische Feld so eingestellt, daß es in verschiedenen Teilen des Körpers eine unterschiedliche Größe aufweist. Nur die Teile, deren Resonanzfrequenz gleich der Frequenz des Hochfrequenzfeldes ist, werden erregt.

Das maßgebende magnetische Feld H _ verläuft in der z-

ZO

Richtung koaxial zum Körper des Patienten (alle Felder in dieser Richtung werden mit Hz bezeichnet). Ein weiteres Hz Feld wird zugeführt, um einen Gradienten Gz in der z-Richtung zu haben,

3 Hz

so daß Gz = — . Hierdurch erhält man in einer gewählten

7) ζ

Querschnittsscheibe des Patienten eine einzige Gesamtfeldgröße. Die Frequenz eines rotierenden Hochfrequenzfeldes H₁ wird so gewählt, daß in der ausgewählten Scheibe dann Resonanz auftritt. Somit resonieren nur die Moleküle in der Scheibe. Das Resonanzsignal von der Scheibe kann dann gemessen werden. Bei der Messung wird jedoch ein weiterer Feldgradient G_R = zugeführt, wobei das Feld in z-Richtung. aber der Gradient in einer Richtung r senkrecht zu ζ verläuft. Dies bewirkt eine Frequenz-

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dispersion der Resonanzfrequenzen in der r-Richtung und demzufolge eine Frequenzdispersion des gemessenen Resonanzsignals. Die Frequenzanalyse dieses Signals, vorzugsweise durch Fourier-Transformation, ergibt zahlreiche Resonanzsignale, und zwar jeweils eines für zahlreiche unterschiedliche Streifen in der ausgewählten Scheibe senkrecht zu r.

Dieses Verfahren wird nun zur Analyse durch Röntgentechnik für zahlreiche unterschiedliche Richtungen von r wiederholt, um zahlreiche Gruppen von Signalen für Gruppen von Streifen in unterschiedlichen Richtungen zu erzeugen.

d Hz In der Praxis wird G_D als Summe der Feldgradienten Gx {=—=r—)

»Hz

und Gy (=———), wobei x, y und ζ orthogonale Richtungen darstellen und die relativen Größen dieser Komponenten variiert werden, um die Richtung von r zu ändern.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Form das in den erwähnten älteren Anmeldungen beschriebene NMR-Gerät. Die Spulen sind nur schematisch dargestellt, und zwar die Spule 1, die die Gx-Komponente von G_R erzeugt, die Spule 2, die die Gy-Komponente von

G_n erzeugt, die Spule 3, die das stetige H -Feld erzeugt, die κ zo

Spule 4, die das rotierende H₁ (HochfrequenzJ-FeId erzeugt und die Spule 5, die den G -Feldgradienten erzeugt. Die Spulen werden VOnGx₁Gy₇H₁, G und H Treiberverstärkern 6 bzw. 7, 8, 9 und 10 gespeist, die von G (G_), H₁, G und H Steuerschaltungen 11

Xy i\ \ ζ zo

bzw. 12, 13 und 14 gesteuert werden. Diese Schaltungen können einen geeigneten Aufbau besitzen, der dem mit der NMR-Technik und anderen Geräten, die in Spulen induzierte Magnetfelder verwenden, vertrauten Fachmann bekannt sind. Diese Schaltungen werden von einer zentralen Verarbeitungs- und Steuereinheit 15 gesteuert, um die gewünschte Impulsfolge zu erhalten.

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Das während der Anwendung des G -Feldes erfaßte Signal wird bei diesem Ausführungsbeispiel von den H₁-Spulen 4 empfangen und dann in einem Hochfrequenzverstärker 16 verstärkt, bevor die Zuführung zu Signalverarbeitungsschaltungen 17 erfolgt. Unter gewissen Umständen kann es vorteilhafter sein, zur Erfassung des Signals getrennte, speziell für diesen Zweck bemessene Spulen zu verwenden. Die Schaltungen 17 sind so ausgelegt, daß sie alle erforderlichen Eichungen und Korrekturen durchführen, aber im wesentlichen Signale, die tatsächlich Protonendichtewerte für Streifen im Körper darstellen, zu den Verarbeitungsschaltungen übertragen, um die gewünschte Darstellung der untersuchten Scheibe zu erzeugen. Diese Schaltungen können so ausgebildet werden, daß die in der DE-OS 2 420 500 beschriebene Verarbeitung für Computer-Tomographen durchgeführt werden kann. Es ist jedoch von Vorteil, die Verarbeitung durch einen entsprechend programmierten Digitalrechner durchzuführen. Dieser Rechner kann auch die Pulsfolge steuern und stellt dann die Schaltungen 15 dar. Das aufgrund der Verarbeitung gewonnene Bild wird auf einer Anzeigevorrichtung 18, z.B. einem Fernsehmonitor sichtbar gemacht, und in diesem Zusammenhang können Eingänge und andere periphere Vorrichtungen 19 zur Erzeugung von Kommandos und Instruktionen für das Gerät oder andere Formen von Ausgängen vorgesehen werden.

Das Gerät enthält ferner Feldmeß- und Fehlersignalschaltungen 20, die Signale über Verstärker 21 von Feldsonden X^, X₂, Y₁, Y„, N und M empfangen. Die Positionen der Sonden in bezug auf die untersuchte Scheibe des Körpers 22 des Patienten sind ferner in Fig. 2 dargestellt. X₁, X„, Y₁ und Y₂ sind bei diesem Ausführungsbeispiel übliche YIG (Yttrium-Eisen-Granat)-Feldmeßsonden mit abgestimmtem Oszillator. Diese Sonden geben Messungen des Feldes an den Stellen, an denen sie sich befinden, als

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Schwingungen mit einer Frequenz, die proportional zur Feldintensität ist. Die Meßwerte werden daher durch Zählung der Oszillationen in einer vorgegebenen Zeit gewonnen. In der Praxis können die YIG-Sonden auf unterschiedliche Weise oszillieren, und es ist erforderlich, die Weise im Betrieb zu bestimmen. Aus diesem Grunde sind NMR-Sonden M und N vorgesehen. Diese Sonden sind einfache Miniaturzellen aus reinem Wasser (z.B. eine geschlossene Teströhre), die von einer kleinen Spule umgeben sind. Vorzugsweise ist das Wasser dotiert, um einen geeigneten Wert von T, der Relaxationszeitkonstante zu haben. Die Sonden geben eine zuverlässige Resonanz von 4,26 KHz/Oe, und mit ihnen kann geprüft werden, auf welche Weise der abgestimmte YIG-Oszillator schwingt. Sie haben jedoch eine unzureichende räumliche Auflösung um als Ersatz für die YIG-Sonden zur Gradientenfeldmessung eingesetzt werden zu können. Die im Raum festgelegte Sonde N wirkt als Bezug. Eine bewegbare NMR-Sonde M kann ihrerseits neben den YIG-Sonden bewegt werden, um Daten zu erzeugen, die deren Schwingungsweise, Orientierung und andere Eigenschaften bestimmen. Es können auch andere Sondentypen verwendet werden.

Das in soweit beschriebene Gerät entspricht dem in den erwähnten älteren Anmeldungen beschriebenen Gerät. Die vorliegende Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Gleichmäßigkeit des stetigen Magnetfeldes H__. Die ebene Scheibe des Patienten, die untersucht werden soll, verläuft senkrecht zur Richtung (z) dieses Feldes, und es ist erwünscht, eine Gleichmäßigkeit von wenigen Teilen pro Million über einen Durchmesser von etwa 300 cm zu erhalten. Die Gleichmäßigkeit sollte über lange Perioden, nämlich für etwa eine halbe Stunde aufrechterhalten werden. Es wird daher vorgeschlagen, die üngleichmäßigkeiten des Feldes bis zur zweiten Ordnung in der Ebene festzustellen und sie automatisch zu korrigieren.

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Unglexchmaßigkeiten des H -Feldes der ersten und zweiten Ordnung sind jeweils Gradientenfelder und sogenannte "Schalenfelder". Die Eigenschaft dieser Felder zeigt Fig. 3, in der die H -Feldgröße als Funktion der Position in der x-Richtung der Ebene der Querschnittsscheibe dargestellt ist. Es ist nicht maßstabsgerecht ein gleichmäßiges Feld 23, ein Feldgradient und ein Schalenfeld 25 dargestellt. In der Praxis ist das tatsächliche Feld eine Summe dieser Felder. In gleicher Weise wie der G_n-Feldgradient durch Gx-und Gy-Komponenten erzeugt wird, werden der Gradient und Schalenkomponenten des Feldes in x— und y-Komponenten aufgelöst und durch Felder korrigiert, die von geeigneten Spulen aufgebaut werden.

Es ist ersichtlich, daß die Gradienten die gleiche Form aufweisen wie die absichtlich zugeführten Gradienten und durch gleiche Spulen wie 1 und 2 oder durch zusätzliche Ströme durch dieselben Spulen korrigiert werden können. Unterschiedliche Spulen werden bevorzugt, jedoch sollten sie längsseits der Spulen 1 und 2 in etwa der gleichen Lage und der gleichen Orientierung angeordnet werden. Natürlich können auch andere Arten von Korrekturspulen verwendet werden.

Die Schalenfehler werden durch Paare von rechteckigen Spulen 26 (Fig. 4a) korrigiert. Diese Spulen erzeugen gemeinsam das in·Fig. 4b dargestellte Schalenfeld 27, das zur Korrektur eines entgegengesetzten Schalenfehlers im Hauptfeld verwendet werden kann.

Fig. 5a und 5b zeigen in Vorder- und Seitenansicht die Anordnung von zwei Spulenpaaren 26 und 26' in bezug auf den Körper 22 des Patienten, um Schalenfehler in orthogonalen Richtungen χ und y in der Ebene der Querschnittsscheibe zu korrigieren.

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Fig. 6a und 6b zeigen jeweils die gleichen Darstellungen wie in Fig. 5a und 5b in größeren Einzelheiten und in bezug auf die H -Spulen 3. Fig. 6c zeigt die Gx-Spulen 1 und die Gy-Spulen 2, die beide zwei Paare von Sattelspulen bilden, die auf einen in die Spulen 3 eingeführten Spulenkörper aufgewickelt werden. Ferner sind die Gz-Spulen 5 dargestellt, die in Verbindung mit den nicht dargestellten H₁-Spulen von Bedeutung sind, was in den erwähnten älteren Anmeldungen beschrieben ist, obwohl sie auch im Bedarfsfall andere bekannte Formen annehmen können. Wie zuvor erwähnt wurde, haben die Korrekturspulen für Fehler des x- und y-Gradienten im wesentlichen dieselbe Form und Anordnung wie die Spulen 1 und 2, die zum Aufbau der Gx- und Gy-Gradientenfeider verwendet werden, und es können daher die gleichen Spulen sein. Sie sind in Fig. 6a und 6b nicht als von den Spulen 1 und 2 getrennte Spulen dargestellt.

Die in einer Richtung vorhandenen Fehler können aus wenigstens drei Punktmessungen des Magnetfeldes bestimmt werden. Fig. 7 zeigt ein Feld, das durch die gestrichelte Linie 28 angedeutet ist, das durch drei Proben V1, V2 und V3 gemessen wird. Diese Proben könnten auch durch die Sonden X₁ X- und N in Fig. 2 erzeugt werden. Hinsichtlich des Feldes kann angenommen werden, daß es von einer Gradientenfeldkomponente (strichpunktierte Linie) und einer Schalenfeldkomponente herrührt. Die Gradientenkomponente kann leicht aus den beiden Werten V.. und V₂ bestimmt werden, während durch Zusatz von V^ die Schalenkomponente bestimmbar ist. Die Ermittlung von Feldfehlern außerhalb der zweiten Ordnung erfordert die Verwendung zusätzlicher Sonden.

Die Feldmessung für die Feststellung dieser Fehler wird durch fünf YIG-Sonden bewirkt. Dies sind die vier Sonden X^ , X₂, Y₁ und Y₂, die in Fig. 2 dargestellt sind sowie eine zusätzliche

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und im wesentlichen identische Sonde C, die sich in der Mitte der Spulenanordnung befinden sollte. Aus praktischen Gründen ist es nicht möglich, die Sonde C in der Mitte anzuordnen, jedoch kann in der Praxis ein Versatz ohne unzulässigen Fehler zugelassen werden- Die Sonde C kann in gleicher Weise geeicht werden wie die anderen YIG-Sonden, indem die NMR-Sonden N und M verwendet werden.

Nachdem die YIG—Sonden einzeln geeicht worden sind/ können sie zur Feststellung von Feldfehlern verwendet werden, und die Gradienten- und Schalenkorrekturspulen dienen dann zur Verminderung der Fehler. Ein geeignetes Betriebsverfahren besteht darin, die Hauptspulen so festzulegen, daß sie an der Sonde C den gewünschten Wert von H ergeben, um Abweichungen von dem gewünschten Wert bei den anderen Sonden festzustellen und dann die Korrekturspulen zur Verminderung dieser Abweichungen zu benutzen.

Um dies wirksam durchzuführen, ist es erwünscht, die Korrekturspulen zu eichen, um die Änderungen zu ermitteln, die an den Sondenpositionen durch einen Einheitsstrom in jeder Spule bewirkt werden können. Die Eichung dieser Spulen wird bei vorhandenem H-FeId durchgeführt. Der Ablauf ist dabei wie folgt. Zunächst wird das durch den Einheitsstrom in einer Spule erzeugte Feld mit jeder der Sonden X₁, X-, Y₁ und Y„ gemessen, und dies wird für jedes Spulensystem wiederholt (horizontale Schalenbildung, vertikale Schalenbildung, horizontaler Gradient und vertikaler Gradient). Das Feld wird als die erzeugte Frequenzänderung gemessen

AF. = F. . · I .

worin i die Sonde ist, i = 1-4,

j das Spulensystem angibt, j = 1-4 und

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I der Einheitsstrom ist.

Die von jedem Spulensystem in der mittleren Sonde C erzeugten Änderungen werden von denen der anderen vier Sonden subtrahiert/ um eine 4x4 Matrix von Feldempfindlichkeiten zu erzeugen.

f = F.. - F . (worin ο die mittlere Sonde C dar- ±D ID O]

stellt)

Somit ist Af.= f^. I..

Die Matrix wird dann invertiert, um die Eichung zu vervollständigen.

-1

ii

worin f..I ein Ko-Faktor von f^. ist.

Es sei bemerkt, daß dieses Eichverfahren von besonderem Vorteil ist, da die Matrixinversion durch überall erhältliche Standard-Software für einen Digitalrechner erreicht werden kann. Dies bedeutet, daß die Operation von der zentralen Steuerschaltung 15 durchgeführt werden kann, obwohl natürlich auch Spezialschaltungen vorgesehen werden können.

Wenn im Betrieb tatsächliche Feldfehler gemessen werden, werden sie als Feldunterschiede zwischen jeder der vier Sonden und der mittleren Sonde bestimmt. Dies gibt einen Fehlervektor (Af₁) in der Untersuchungsebene, der lediglich mit der invertierten Empfindlichkeitsmatrix f■ multipliziert wird, um unmittelbar einen Vektor der Stromänderungen zu gewinnen, der in den vier Spulensystemen zur Korrektur der Fehler benötigt wird.

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I . = f· ..Af. 3 31 ι

Die Ströme werden dann jeweils den Korrekturspulen zugeführt.

Bei einem praktischen System können die abgestimmten YIG-Oszillatoren über Zähler an einen Steuerrechner angeschlossen werden, der die vorgegebene inverse Matrix enthält. Der Rechner kann dann unmittelbar die Feldspulenstromversorgung steuern und festgestellte Fehler korrigieren.

Fig. 8 zeigt in einem Blockschaltbild das Steuersystem eines NMR-Gerätes, wie es im wesentlichen in den genannten älteren Anmeldungen beschrieben ist, jedoch mit einigen Abwandlungen, um die erfindungsgemäße H -Feldkorrektur zu erzielen. Das Sondensystem 29 ist das in Fig. 1 und 2 dargestellte System. Der Ausgang der Sonden ist jeweils mit einem Sondenverstärker 30 verbunden. Die YIG-Sondensignale mit einer Frequenz f (2,8 GHz für ein 1 KOe Feld) werden in Mischern 31 gemischt, um sie auf geeignete Frequenzen zu bringen. Vorzugsweise wird f so gewählt, daß Af = f - f in dem Bereich 150-200 MHz liegt. Das Signal f_Q wird vom Taktgeber 32 des Systems, der aus einem Kristallbezugstaktgeber besteht, über einen Vervielfacher 33 erzeugt.

Die Signale mit der Frequenz Af in jedem Kanal werden in Vervielfachern 34 mit einem Faktor k multipliziert. Der Faktor k kann zahlreiche unterschiedliche Korrekturen enthalten. Der ausgeprägteste Fehler besteht jedoch darin, daß die YIG-Sonden auf verschiedene Weise oszillieren können. Der Faktor k wird so festgelegt, daß eine Korrektur für die jeweilige Oszillierungsweise erfolgt und ein Signal mit einer Frequenz erzeugt wird, die das gemessene Feld richtig darstellt. Die Frequenz kAf

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wird in Zählern 35 über eine geeignete Periode gezählt, um fHdt zu erhalten.

Eine Korrektur, die mit der Schaltung durchgeführt werden soll, ist die Korrektur von Fehlern in G und G -Impulsen, die Komponenten von G_R sind. Diese werden als Differenzen zwischen in einem RAM (36) gehaltenen Sollwerten und den während der Impulse gemessenen Werten festgestellt. In einem praktischen Gerät wird der Zentralrechner, der die Verarbeitungs- und Steuerschaltung 15 enthält, so programmiert, daß er die benötigten Werte errechnet und sie in den RAM 36 eingibt. Die Feldfehler werden dann gewonnen, indem in Subtraktionsschaltungen 37 die Differenzen gebildet werden. Diese Differenzen werden für jede Sonde berechnet und in Einheiten 38 gemittelt, um die X-und Y-Fehlersignale zu erhalten. Die Fehlerkorrektur erfolgt dann durch Einspeisung von Strömen, die proportional zu X und Y sind, in die Feldspulen.

Die Zählung in den Zählern 33 erfolgt über Zeiträume, die von der Taktgebersteuereinheit 39 festgelegt werden. Diese Einheit empfängt die Ausgangssignale des Zeitgebers 32 und bildet Steuerimpulse entsprechend der Instruktion durch die Steuerschaltung 15. Eine erforderliche Zählperiode für die YIG-Sonden kann aus ihren Eigenschaften bestimmt werden. Vorzugsweise sind die Zählsignale zwei Impulse mit jeweils engem Abstand und einem Verhältnis von 1:40.

Eine Korrektur der unterschiedlichen Arbeitsweisen der YIG-Sonden erfolgt durch Verwendung der NMR-Sonde N mit der bewegten Sonde M. In einem einleitenden Verfahren vor Beginn der Untersuchung zählt ein Zähler 40 den Ausgang der NMR-Sonde N bei nur vorhandenem H -Feld. Wie dargestellt, wird diese Periode durch

^zo 0 3 0019/0608

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die Steuerschaltung 15 festgelegt, jedoch kann sie auch durch die Taktgebersteuereinheit 39 vorgegeben werden.Zur Zeit wird jeweils eine YIG-Sonde geeicht, indem M so dicht "wie möglich neben ihr bewegt wird/ so daß sie mit demselben Feld beaufschlagt wird. Dann werden mit jeweils einer Sonde in derselben Periode die Zählungen der anderen Sonden genommen und in Zählern/ Staticisern 41 gespeichert. Diese werden auf dieselbe Zählperiode wie der Zähler 40 über Tore 42 und 43 eingestellt, die ein Fenster der NMR-Sondenzählung festlegen. Die Zählung . von 41 wird direkt und die Zählung von 40 über die Schaltung 15 einer Korrektureinheit 44 zugeführt. Diese Einheit bestimmt Korrekturen, die in Additionsschaltungen 45 den Ausgängen der Zähler 41 hinzugefügt werden, um den Faktor k zu erhalten, der die YIG-Sondenzählung auf die NMR-Zählung korrigiert.Der Faktor k ist eine einfache Korrektur, so daß k Δ f die Zählung ist, die die NMR-Sonde für dasselbe Feld abgegeben haben würde.

Das in Fig. 8 insoweit beschriebene Gerät entspricht dem in den genannten älteren Anmeldungen offenbarten Gerät. Um die vorliegende Erfindung dort anwenden zu können, ist eine zusätzlich YIG-Sonde C vorgesehen, die.- wie zuvor erwähnt - so dicht wie möglich bei der Mitte des Spulensystems angeordnet wird. Diese Sonde speist einen Kanal von einem Verstärker 30 zu einem Zähler 35, der die Eichung des Sondenbetriebes genau wie für die anderen YIG-Sonden einschließt. Sie wird jedoch nicht wie die anderen Sonden zur Feldimpulsfehlerbestimmung verwendet, aber der Ausgang ihres Zählers 35 steht zusammen mit den Ausgängen der anderen Zähler 35 bei 46 zur Korrektur von H ZQ-Feldfehlern in der beschriebenen Weise an.

Fig. 9 zeigt schematisch die Verwendung von fünf YIG-Sondenausgängen an der Stelle 46. Subtraktionsschaltungen 47 subtrahieren den mittleren Ausgang von den anderen Ausgängen, um die Matrix

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der Feldempfindlichkeiten zu erzeugen. Die Ausgänge der Subtraktionsschaltungen werden über Schalter 48 geleitet, die für die Eichsignale gesteuert werden, um die Komponenten der Matχ ix für Inversionsschaltungen 49 zu erzeugen. Diese können als verdrahtete Schaltung oder als Mikroprozessor ausgebildet sein oder aus einem in üblicher Weise programmierten Rechner bestehen, um die Inversion durchzuführen. Die invertierte Matrix wird in einem Speicher 50 gespeichert. Im Betrieb leiten die Schalter 48 die Signale zu einer Multiplikationsschaltung 51, in der sie mit der gespeicherten invertierten Matrix multipliziert werden, um am Ausgang 52 Fehlersignale für die Feldspulen zu erzeugen.

Es wurde erläutert, daß für diese Vorgänge Standardrechenprogramme verwendet werden können. In einem praktischen Gerät werden die bei 46 anstehenden Signale der Steuerschaltung 15 zugeführt, die die erläuterten Operationen durchführt und unmittelbar die Feldspulen steuert. Diese Anordnung ist in Fig. 8 dargestellt.

Die insoweit beschriebene Erfindung eignet sich zur Korrektur von Feldfehlern in einer einzelnen Ebene, die die Ebene der Untersuchung ist, wobei fünf in der Ebene angeordnete Sonden verwendet werden, obwohl Feldfehler auch außerhalb dieser Ebene vermindert werden.

Es wurde vorgeschlagen, die NMR-üntersuchung auch für Volumenbereiche des Patienten anstelle von ebenen Querschnittsscheiben zu verwenden. In diesem Fall muß das Feld über ein größeres Volumen gleichmäßig sein. Die Erfindung kann jedoch auch dann angewendet werden, wobei die Gleichmäßigkeit durch Duplizierung der fünf Abtastsonden in jedem von mehreren parallelen ebenen Querschnitten,vorzugsweise drei Querschnitten bewirkt

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₁ und wobei die für jede Ebene bestimmten Korrekturen mehreren Korrekturspulen zugeführt werden. Die Genauigkeit C sr Korrektur kann natürlich dadurch erreicht werden, daß die Zahl der Ebenen, für die eine Korrektur bewirkt wird, erhöht und ihr Abstand verringert wird, jedoch reichen drei Ebenen in der Regel aus.

Es sei bemerkt, daß weitere Sonden zusammen mit zusätzlichen Spulen in jedem ebenen Querschnitt verwendet werden können, wenn Korrekturen höherer Ordnung gefordert werden, und hierbei handelt es sich lediglich um eine einfache Ausdehnung der beschriebenen Ausführung.

Die Volumenkorrektur muß nicht notwendigerweise auf eine zweidimensionale Korrektur in mehreren Ebenen beschränkt werden, sondern es ist auch eine dreidimensionale Ausdehnung des oben beschriebenen Prinzips der Korrektur auf eine dritte, orthogonale Achse möglich. Bei einem Beispiel zur Korrektur bis zur vierten Ordnung bei drei Achsen können mehr als 128 Sonden verwendet werden, jedoch ist eine solche Korrektur meist genauer als für praktische Zwecke notwendig.

Es sei bemerkt, daß alternative Formen dieser Anordnung zur Messung von Feldfehlern in H_xo und zur direkten Steuerung des Feldes zur Wiederherstellung oder Aufrechterhaltung der Gleichmäßigkeit möglich sind.

Es läßt sich zeigen, daß bei einem NMR-Gerät der beschriebenen Art das Signal/Rauschverhältnis des gemessenen Signals proportional Hzo ³/² ist. Somit besteht eine Möglichkeit zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses in der Vergrößerung von H_zo. Hierdurch wird jedoch beträchtlich der

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Leistungsverlust erhöht. Bei einem Feld von ein KOe und einem Radius von 40 bis 50 cm beträgt der Leistungsverlust 15 KW, während der Leistungsverlust bei drei KOe (wodurch das Signal/ Rauschverhältnisses um einen Faktor 5,2 verbessert wird) und einem nutzbaren Radius von 70 cm 120 KW beträgt.

Es wurde festgestellt, daß das Feld H_zo ein stetiges magnetisches Feld ist und es auch sein sollte, wenn die Untersuchung stattfindet. Das Feld H„_ kann jedoch auch gepulst werden. Wenn es bei der Messung von Daten eingeschaltet ist, kann es dann ausgeschaltet sein, wenn es nicht benötigt wird, so daß damit größere Felder zugelassen werden, der gesamte Leistungs-/verbrauch jedoch klein bleibt.

Es sei bemerkt, daß eine Pulsung des H -Feldes die Probleme der Nichtgleichmäßigkeit des Feldes erhöht, so daß die oben beschriebene Feldfehlerkorrektur dann von noch größerer Wichtigkeit ist.

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e e r s

Claims

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT 2332001 PATENTANWÄLTE IN HANNOVER EMI Ltd. 100/541 Patentansprüche

1. Gerät zur Untersuchung eines Körpers mittels gyromagnetischer Resonanz_f z. B. nuklearer magnetischer Resonanz, gekennzeichnet durch ein Spulensystem (1-5) zur Erzeugung eines im wesentlichen gleichmäßigen magnetischen Feldes in einer Richtung parallel zu einer gewählten Achse in dem Körper (22), durch Sondenmittel (29) zur Erzeugung von Signalen, die ein Maß für das magnetische Feld an zahlreichen Positionen in einem Bereich sind, der einen Teil des zu untersuchenden Körpers einschließt, durch Mittel, um aus den Signalen Abweichungen von der Gleichmäßigkeit des magnetischen Feldes in dem Bereich zu bestimmen, und durch auf die Abweichungen ansprechende Korrekturmittel zur Verminderung der Abweichungen.

2. „ Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bestimmung der Abweichungen Mittel zur Messung unterscheidbarer Gradienten- und Schalenfehler im magnetischen Feld enthalten, und daß die Korrekturmittel Mittel zur getrennten Reduzierung der Gradienten- und Schalenfehler enthalten.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenmittel (29)so angeordnet sind, daß sie das magnetische

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_ 2

Feld in einer oder mehreren den Bereich schneidenen Ebenen messen, und daß die Korrekturmittel so ausgebildet sind, daß sie die Fehler in den Ebenen individuell vermindern.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sondenmittel (29) aus wenigstens fünf Feldmeßsonden (X-], X2/ Y-], Y2/N) in jeder Ebene bestehen.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feldmeßsonde (N) etwa in der Mitte des Bereiches in jeder Ebene angeordnet ist.

6. Gerät nar-h einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturmittel zahlreiche Spulen zur Erzeugung von korrigierenden Feldkomponenten und Mittel zur Kombination der gemessenen Abweichungen von der Gleichmäßigkeit mit einer invertierten Matrix von Feldbeiträgen durch vorgegebene Ströme in den Korrekturspulen enthalten , um die in den Spulen erforderlichen Ströme zur Verminderung der Abweichungen zu bestimmen.

7. Verfahren zur Verminderung von Abweichungen von der Gleichmäßigkeit eines gleichmäßigen magnetischen Feldes in einem gyromagnetxschen Resonanzgerät zur Untersuchung eines Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß Werte des magnetischen Feldes an zahlreichen Stellen in dem Bereich gemessen werden, daß aus den Messungen Abweichungen von der Gleichmäßigkeit des Feldes bestimmt werden, und daß die Abweichungen dann in Abhängigkeit von den Bestimmungen vermindert werden.

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_ 3

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen an zahlreichen Stellen in einer oder mehreren den Bereich schneidenden Ebenen durchgeführt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beiträge zu dem Feld an jeder Stelle durch einen vorgegebenen Strom in jeder von zahlreichen Spulen bestimmt werden, und daß der Beitrag an jedem Meßpunkt mit der Abweichung an diesem Punkt kombiniert wird, um die Ströme in den Spulen im Sinne einer Verminderung der Abweichung zu steuern.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Meßpunkt eine Matrix von Feldbeiträgen von den Spulen erzeugt wird, und daß die Inversion der Matrix mit den Feldabweichungen multipliziert wird, um in den Spulen die zur Verminderung der Abweichungen erforderlichen Ströme zu erzeugen.

- Beschreibung -

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