DE3524303A1

DE3524303A1 - Bilddarstellungssysteme mit kernmagnetischer resonanz

Info

Publication number: DE3524303A1
Application number: DE19853524303
Authority: DE
Inventors: Tomas Duby; Noam Kaplan; Yuval Haifa Zur
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: Elscint Ltd
Priority date: 1984-07-12
Filing date: 1985-07-06
Publication date: 1986-04-24
Anticipated expiration: 2005-07-07
Also published as: NL8501981A; JPH0568254B2; JPS61105448A; FR2567648B1; IL72388A0; DE3524303C2; IL72388A; FR2567648A1; US4749948A

Description

Dipl.-lng. A. Wasmeier Dipl.-lng. H. Graf

Zugelassen beim Europäischen Patentamt · Professional Representatives before the European Patent Office Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg

An das Deutsche Patentamt Zweibrückenstraße

BvOOO München D-8400 REGENSBURG GREFLINGER STRASSE Telefon (0941) 54753 Telegramm Begpatent Rgb. Telex 65709 repat d

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E/p 11.943

Date

2. Juli 1985 W/He

Anmelder: Elscint Ltd.

Advanced Technology Center Post Office Box 5258 Haifa 31-052, Israel

"itel: "Bilddarstellungssysteme mit kernmagnetischer Resonanz".

Priorität: Israel - Nr. 72388 vom 12.7.1984

."-Ir finder:

1. Tomas Duby

2. Noara Kaplan

3. Yuval Zur

Wissenschaftler Wissenschaftler Wissenschaftler

Konten: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750 2OQ73) 5839300 Postscheck Manchen (BLZ 70010080) 89369-801

Gerichtsstand Regensburg Bilddarstellungssysteme mit kernmagnetischer Resonanz

Die Erfindung bezieht sich auf Bilddarstellsysterae mit kernmagnetischer Resonanz und insbes. auf Einrichtungen und Verfahren zum Ausgleichen von Magneten von Bilddarstellsystexnen mit kernmagnetischer Resonanz und zum Korrigieren der Inhomogenität des eingeprägten Magnetfeldes derartiger

Systeme.

Der Vorgang des Korrigierens fehlender Homogenität wird als "Ausgleichen" (shimming) bezeichnet. Er besteht aus zwei Schritten:

1. Abbilden bzw. Kartier.en (mapping) des Magnetfeldes an bestimmten Punkten, die auf der Oberfläche einer Kugel liegen, deren Mittelpunkt im Mittelpunkt des Magneten liegt, und

2. Korrigieren von Feldinhomogenitäten, indem bestimmte Ströme durch individuelle Ausgleichsspulen (shimming coils) geschickt werden, um neue magnetische Felder zu erzeugen, die das Fehlen von Homogenität korrigieren.

Das Ausgleichen der NMR-Magnete (NMR = kernmagnetische Resonanz) zur Verbesserung der magnetischen Homogenität wird derzeit halbmanuell durchgeführt. Insbesondere wird das Magnetfeld der NMR-Bilddarstellsysteme auf Homogenität gemessen, wobei Sonden in bestimmten Bereichen des statischen magnetischen Feldes verwendet werden, oder indem Phantome in bestimmten Bereichen bildlich dargestellt werden. Im Idealfall soll das statische Magnetfeld innerhalb der Bohrung des Magneten durchgehend homogen sein. In der Praxis besteht jedoch ein geringer, aber nicht vernachlässigbarer Mangel an Homogenität bei allen NMR-Magneten. Um diesen Mangel an Homogenität zu korrigieren, werden Ausgleichsspulen verwendet. Wenn die Ausgleichsspulenströme angelegt werden, wird eine neue Abbildung bzw. Kartierung vorgenommen und vergli-

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chen. Schließlich werden die Stromintensitäten eingestellt. Die Meß- und Ausgleichsschritte werden wiederholt, bis eine ausreichende Homogenität erzielt ist.

Hierbei handelt es sich um einen sehr zeitaufwendigen Vorgang. NMR-Systeme sind kostspielig, ,so daß es erforderlich ist, um in Krankenhäusern und Kliniken kosteneffektiv arbeiten zu können, damit minimale Ausfallzeiten und maximale Betriebszeiten für die Einrichtungen erzielt werden können. Es ist deshalb im Sinne der Hersteller der NMR-Systeme, zum automatischen Ausgleich des Magnetfeldes Inhomogenitäten in möglichst kurzer Zeit und mit geringstem Aufwand an Bedienungspersonal zu korrigieren.

Es sind bereits Versuche gemacht worden, Phantome innerhalb des zentralen Bereiches des Magneten zu verwenden, um dort das Magnetfeld abzubilden bzw. zu kartieren. Eine derartige Magnetfeldabbildung durch Bilddarstellung ist beispielsweise von der Society of Magnetic Resonance Imaging in Medicine anläßlich des zweiten Jahrestreffens am 19.8.1983 dieser Gesellschaft in San Francisco unter dem Titel "Field Measurement by Fourier Imaging", verfaßt von A.G. Simon und Kollegen der Columbia Universität erläutert worden. In diesem Aufsatz haben die Autoren vorgeschlagen, Phantome zu verwenden, die ein einzelnes geradliniges Rohr an einer Anordnung von Rohren in einer kreisförmigen Scheibe aufweisen. Der Aufsatz beschreibt ein Phantom, das eine dünne, mit Wasser gefüllte Scheibe ist.

Die Verwendung der dünnen, wassergefüllten Scheibe mißt die Feldhomogenität in nur einer einzigen Ebene. Eine Vielzahl solcher mit Wasser gefüllter Scheiben würde die Homogenität in einer Vielzahl von Ebenen prüfen, jedoch eine verhältnismäßig komplizierte und zeitaufwendige dreidimensionale Berechnung erforderlich machen, um eine Abbildung bzw. Karte der magnetischen Feldintensitäten zu erhalten. Somit besteht nach wie vor die Forderung nach wirksamen Korrekturen der Inhomogenität.

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Aufgabe der Erfindung ist es, eine selbsttätig arbeitende Ausgleichseinrichtung zu schaffen, die die Inhomogenitäten von NMR-Magnetfeidern korrigiert.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung gelöst, die aufweist:

Eine Vorrichtung zur Erzeugung statischer magnetischer Felder für ein NMR-Bilddarstellsystem,

Ausgleichsspulen zum Korrigieren von Inhomogenitäten der statischen magnetischen Felder,

eine Vorrichtung zum Abbilden bzw. Kartieren des statischen Magnetfeldes eines NMR-Bilddarstellungssystems, wobei die Abbildungs- bzw. Kartiervorrichtung eine dreidimensionale Phantomvorrichtung zur Vereinfachung der Feldabbildung bzw. -kartierung enthält, und wobei die Phantomvorrichtung umfaßt eine Vielzahl von Proben einschließlich eines Elementes mit von Null abweichenden kernmagnetischen Momenten, die räumlich in dem dreidimensionalen Phantom verteilt sind, um jede der Proben mit nur zwei Codiergradienten zwangsweise und eindeutig lokalisieren zu können,

eine Vorrichtung zur Erzeugung von Feldabbildungs- bzw. -kartierdaten des dreidimensionalen Phantoms, eine Vorrichtung zum Bewerten der Feldabbildungs- bzw. -kartierdaten für die Bestimmung der Feldinhomogenität, und eine Vorrichtung, die auf die bewerteten Feldabbildungs- bzw. -kartierdaten anspricht, um die Ströme durch die einzelnen Ausgleichsspulen einzustellen, bis die'Feldhomogenität erzielt ist.

Ein weiteres Merkmal der. Erfindung besteht in einem Phantom zum Abbilden bzw. Kartieren des Magnetfeldes. Das Phantom weist eine Anzahl von mit Wasser gefüllten Gefäßen (vials) auf, die auf der Oberfläche einer Kugel plaziert sind. Die mit Wasser gefüllten Gefäße sind so angeordnet, daß die Daten der magnetischen Feldintensität eines jeden Gefäßes in dem Phantom auf einfache Weise erzielt werden. Andererseits kann jedes der Gefäße von einer HF-Spule umgeben und individuell

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geprüft werden, um eine Messung der magnetischen Feldintensität an bestimmten Stellen im statischen magnetischen Feld zu erhalten.

In Abhängigkeit von einem Vergleich der Messungen der Feldhomogenität stellen Steuerschaltungen Ströme durch individuelle Ausgleichswicklungen ein, um die gemessenen Nichthomogenitäten des Feldes zu korrigieren.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines NMR-Bilddarstellungssystems, bei dem das Phantom nach der Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung einer Ausführungsform des Phantoms,

Fig. 3 eine Ansicht des Phantoms längs der Y-Achse in den normalen X-, Y- und Z-Koordinaten, die in Verbindung mit NMR-Bilddarstellsystemen verwendet werden, und

Fig. 4 eine Darstellung der Wassersonden nach Fig. 3 auf die X-, Y- (oder fc = 0) Ebene projiziert.

Das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt ein NMR-Bilddarstellsystem 11, das Magnetspulen 12 und 13 aufweist, die zur Erzeugung des statischen magnetischen Feldes dienen. Die Spulen 12, 13 v/erden: über einen Generator 14 mit Strom versorgt.

Das System weist ferner die HF-Spulen 17 und 18 auf, die dazu dienen,

(1) die Kernmagnetisierung aus ihrem Gleichgewicht zu erregen, das durch das von den Spulen 12 und 13 erzeugte statische magnetische Feld hergestellt wird, und

(2) das Signal mit freiem Induktionsabfall (Free Induction Decay signal = FID signal) aufzunehmen, das von den außer Gleichgewicht befindlichen kernmagnetischen Momenten erzeugt wird. :

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Die HF-Spulen 17, 18 erhalten Strom durch den HP-Verstärker 19, der sein Signal aus einem Modulator 21 aufnimmt. Der Modulator 21 beeinflußt das HP-Signal, das aus dem HP-Generator 22 stammt. Das Modulationssignal wird von dem Modulationssignalgenerator 2 3 eingespeist.

Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, um das statische Magnetfeld räumlich zu verändern. Diese Vorrichtung kann die X-Gradientenspulen 2 4 und 26 aufweisen, die mit Strom aus einem X-Gradientengenerator 27 und X-Gradientenverstärker 28 versorgt werden. In ähnlicher Weise wird das statische Feld durch einen Y-Gradienten zum räumlichen Verändern des statischen Magnetfeldes längs der Y-Achse geändert. Die Vorrichtung, mit der diese Änderung vorgenommen wird, ist als Y-Gradientengenerator 31 dargestellt, der Strom durch den Y-Gradientenverstärker 32 in die Y-Gradientenspulen 33 und einführt.

Das statische Feld wird in räumlicher Richtung auch längs der Z-Achse durch Verwendung von Spulen 36 und 37 verändert. Die Gradientenspulen nehmen ihren Strom aus dem Z-Gradientengenerator 38 über den Z-Gradientenverstärker 39 auf. Die X-, Y- und Z-Koordinaten sind schematisch in Fig. IA dargestellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Prüfen der Homogenität der Magnetfelder vorgesehen, bei der es nicht erforderlich ist, eine Sonde wiederholt zu bewegen. Insbesondere ist in Fig. 1 das dreidimensionale, kugelförmige Phantom 40 dargestellt. Dieses Phantom weist eine Vielzahl von Sonden eines Materials, z.B. Wasser, mit Elementen mit von Null abweichender Kernraagnetisierung auf. Die Verteilung der Sonden in dem kugelförmigen, dreidimensionalen Phantom ist so gewählt, daß die Anzahl von Messungen, die erforderlich ist, um die Feldhomogenität zu erzielen, ein Minimum wird, während gleichzeitig die Messungen der Homogenität des statischen Feldes ausreichen, um Inhomogenitäten bis zu einer bestimmten Größenordnung, wie sie normalerweise bei NMR-Systemen vorhanden sind, z.B. bis zu 50 0 ppm, einwandfrei zu korrigieren.

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Zum Messen des Ansprechens auf den Kernmagnetisierungsimpuls ist eine Vorrichtung vorgesehen, die die gleichen HF-Spulen 17 und 18 aufweist, die über einen elektronischen Schalter und einen Verstärker 42 mit einem Empfänger 43 verbunden sind.

Der Ausgang des Empfängers ist an den Rechner 44 gelegt. Der Rechner 4 4 weist eine Vorrichtung auf, die die von dem Empfänger erhaltenen Informationen in Magnetfeldintensitäten an jeder Probe des Phantoms 14 umformt. Ferner bestimmt der Rechner 44 den Wert für die Veränderung der individuellen Ausgleichsströme, um die Magnetfeldinhomogenität zu korrigieren.

Die Inhomogenität des Feldes wird mit dem Ausgleichsstromgenerator 4 6 korrigiert, der Strom über einen Verstärker 47 in Ausgleichsspulen koppelt, z.B. die Ausgleichsspulen 48 und 49.

Fig. 2 ist eine Explosionsdarstellung des Phantoms 40. Das dreidimensionale, kugelförmgie Phantom nach den Figuren 2 und 3 besitzt fünf Ebenen. Eine mittlere Ebene 51 ist von zwei Ebenen 52 und 53 auf der rechten Seite und zwei Ebenen 54, auf der linken Seite flankiert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine bestimmte Anzahl von Ebenen, und auch nicht auf die Anzahl von Gefäßen pro Ebene beschränkt, die bei dem als Beispiel dargestellten Phantom verwendet werden.

Die Ebenen 51, 52, 54 und 56 sind in FpLg. 2 als Ebenen parallel zur Ebene Z=O dargestellt. Die Ebene 51 enthält zwölf Gefäße. Die Ebenen 52 und 54 weisen ebenfalls zwölf Gefäße auf, v/ährend die Ebenen 53 und 56 jeweils acht Gefäße enthalten. In den Figuren 3 und 4 sind alle Gefäße mit Z-Koordinaten, die positiv oder Null sind, durch schwarze Kreise und alle Gefäße mit negativer Z-Koordinate durch weiße Kreise dargestellt.

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Pig. 4 zeigt die Gefäße projiziert auf die Ebene Z=O. Ein wesentlicher Vorteil dieses Phantoms besteht darin, daß aus dieser zweidimensionalen Projektion die Position eines jeden Gefäßes im Raum eindeutig bestimmbar ist, selbst wenn nur zwei Gradientenfehler verwendet werden. Durch Verwendung von X- und Y-Gradienten -läßt sich auf einfache Weise bestimmen, daß das Gefäß 58 zur Ebene 51 gehört. Dies kann aus dem Radius des Kreises, auf dem das Gefäß 58 liegt, abgeleitet werden. Der Radius ist natürlich durch die X- und Y-Koordinaten bestimmt. Das Gefäß 5 9 kann zur Ebene 5 3 oder 56 gehören. Die Winkel aller Gefäße in den Ebenen 53 und 5 6 sind so gewählt, daß bei einer Projektion auf die Ebene Z=O sich nicht zwei Gefäße überlappen können. So zeigt der Winkel Θ, daß das Gefäß 59 zur Ebene 53 gehört. Die Erfindung ist nicht auf Phantome mit Gefäßen beschränkt, die eine zweidimensiona-Ie Projektion haben.

Infolgedessen wird der Vorgang zum Erfassen vollständiger Lageinforiaationen auf den Gefäßen im Phantom während der Datenerfassung entscheidend vereinfacht und in bezug auf den Zeitaufwand erheblich reduziert. Es reicht aus, eine zweidimensionale Projektion nur unter Verwendung der Gradienten X und Y, die beide Phasencodiergradienten sind, zu erzielen.

Bei bevorzugten Haupt- und Körperspulenphantomen werden die folgenden Dimensionen für Messungen der Kugel, der Z-Lage der Ebenen und des Radius einer jeden Ebene verwendet.

	Radius	Kugel	Kugel	2 50 mm
Ebene Nr.	ISJ	- 150 mm	Radius =	Ebene r
	-135.9	Ebene r	Z	105.8
56	-80.7	63.5	-226.5	210.8
54	0	-126.5	-134.5	250
51	+80.7	150	0	210.8
52	+135.9	+126.5	134.5	105.8
53	63.5	226.5

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Die Lage der Proben wurde bestimmt durch Verwendung einer
Gauß'sehen Quadratur für fünf Punkte, entsprechend Tabelle
25.4 auf Seite 216 des "Handbook of Mathematical Functions", Verlag Dover Publications.

Im Betrieb erfolgt eine Erfassung durch Anlegen einer
HF-Frequenz an die HF-Spulen 17 und 18 zur Erregung der
Proben im Phantom. Die X- und Y-Gradienten ergeben spezielle koordinatenabhängige Phasenverschiebungen für die Kernmagnetisierung der Proben. Das Signal mit freiem Induktionsabfall (FID-Signal) wird beobachtet und gemessen. Die rekonstruierten FID-Signaldaten ergeben in diesem Fall eine Anzeige der
Homogenität des Feldes. Es wird eine Matrix von im Raum
aufgelösten FID-Frequenzen erhalten. Die Frequenzen ergeben
ein Maß für die Homogenität des Magnetfeldes. Die individuellen Ausgleichsspulenströme werden durch den Rechner 44
gesteuert und eingestellt, bis die gewünschte Homogenität des Magnetfeldes erhalten ist. Der Ausgleichsspulenalgorithmus
ist dem Fachmann bekannt.

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Claims

Patentansprüche;

(l). Selbsttätig arbeitende Ausgleichseinrichtung (shimming system) für Bilddarstellungssysteme zur Verbesserung der Homogenität von NMR-Magnetfeldern (NMBi = kernmagnet ische Resonanz),

gekennzeichnet durch

eine Vorrichtung zur Erzeugung von magnetischen Feldern für NMR-Bilddarstellungssystenae, wobei die Felder statische magnetische Felder, Gradientenmagnetfelder und ein H?-magnetisches Feld darstellen, Ausgleichsspulen (shim coils) zum Korrigieren von Inhomogenitäten des statischen magnetischen Feldes, eine Vorrichtung zum Abbilden bzw. Kartieren des statischen nagnetischen Feldes, die ein dreidimensionales Phantom darstellt, das seinerseits aufweist: eine Vielzahl von Proben eines Elementes mit von Null abweichenden kernmagnetischen Momenten, die an bestimmten Stellen iia dreidimensionalen Phantom, verteilt sind, eine Vorrichtung zum Gewinnen von Daten aus einzelnen der Proben in ausgewählten Ebenen des dreidimensionalen Phantoms,

eine Vorrichtung zum Vergleichen der Daten, die aus jeder der Proben gewonnen v/erden, und eine Vorrichtung zum Einstellen des Stromes über die Ausgleichsspulen, bis die gewonnenen Daten aus jeder der Proben gleich sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, o.aß die Proben jeweils an solchen Stellen im Phantom angeordnet sind, daß eine Bestimmung dieser Stellen unter Verwendung nur zweier Gradienten möglich ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, c^!aß das Phantom kugelförmig ausgebildet ist und daß die Proben an der Oberfläche der Kugel längs einer Vielzahl von parallelen Ebene;n angeordnet sind.

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4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte der radialen Ebenen gleiche Radien an der Schnittstelle mit der Oberfläche der Kugel haben und daß die Proben an den parallelen Ebenen mit gleichen Radien unterschiedliche Winkelpositionen einnehmen, wobei Projektionen der Proben aus den parallelen Ebenen mit gleichen Radien auf eine parallele Ebene sich nicht überlappen.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Ebenen in Richtung der Z-Achse getrennt sind, wenn die Längsrichtung der Hauptmagnetbohrungen in der Z-Achse liegt.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellen der Proben unter Verwendung ausschließlich von X- und Y-Gradienten bestimmt werden. ^:
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 5 und 6, wobei das Phantom so dimensioniert ist, daß es in die HF-Hauptspulenvorrichtung paßt.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Phantom so dimensioniert ist, daß es in die HF-Kopfspulenvorrichtung paßt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch gekennzeichnet, daß fünf parallele Ebenen vorgesehen sind, wobei eine erste parallele Ebene einen Radius gleich dem Radius der Kugel hat, zweite und dritte parallele Ebenen gleiche Radien vermindert um den Radius der ersten parallelen Ebene haben, und vierte und fünfte parallele Ebenen gleiche Radien vermindert um die Radien der zweiten und dritten parallelen Ebenen besitzen.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen parallelen Ebenen durch die Gauß'sehe Quadratur für Feinpunkte-festgesetzt werden.

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11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite und die dritte Ebene die gleiche Anzahl von Proben, und die vierte und die fünfte Ebene die gleiche Anzahl von Proben aufweisen.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite und die dritte Ebene jeweils zwölf in gleichem Abstand angeordnete Proben, und die vierte und die fünfte Ebene jeweils acht in gleichem Abstand angeordnete Proben aufweisen.
13. Phantom zur Verwendung bei der Abbildung des statischen Magnetfeldes von NMR-Bilddarstellungssystemen, dadurch gekennzeichnet, daß

eine dreidimensionale Einheit mit Proben vorgesehen ist, die au" ausgewählte Punkte verteilt sind, die ausgewählten Punkte entlang der Schnittstelle einer Vielzahl von parallelen Ebenen und einer Oberfläche der dreidimensionalen Einheit angeordnet sind, und die ausgewählten Punkte weiter dadurch unterschieden werden, daß sie so plaziert sind, daß Projektionen der Proben auf eine Ebene parallel zu den parallelen Ebenen sich nicht überlappen.
14. Phantom nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dreidimensionale Einheit eine Kugel und die Oberfläche die äußere Oberfläche der Kugel ist.

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