DE3524303C2 - Phantom für die Homogenisierung des Hauptmagnetfeldes eines mit Shimspulen ausgestatteten Kernspin-Tomographiegerätes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der Homogenität von NMR-Magnetfeldern und insbesondere die Ausbildung eines Phantoms für die Homogenisierung des Hauptmagnetfeldes eines mit Shimspulen ausgestatteten Kernspin-Tomographiegerätes.

Es ist bekannt, eine dünne, mit Wasser gefüllte Scheibe als Phantom zu verwenden, um das Magnetfeld eines Kernspintomographiegerätes abzubilden bzw. zu kartieren.

Die Verwendung einer derartigen dünnen, mit Wasser gefüllten Scheibe mißt die Feldhomogenität in nur einer einzigen Ebene. Eine Vielzahl von solchen mit Wasser gefüllten Scheiben würde die Homogenität in einer Vielzahl von Ebenen messen, jedoch eine verhältnismäßig komplizierte und zeitaufwendige dreidi­ mensionale Berechnung erforderlich machen, um eine Abbildung der magnetischen Feldintensitäten zu erhalten.

Aus der DE-OS 29 32 001 ist ein selbsttätig arbeitendes Gerät zum Korrigieren der Homogenität von Magnetfeldern in einer NMR-Einrichtung bekannt. Für die dabei verwendete Methode zum Messen des Magnetfeldes wie auch die Methode zum Berechnen und Korrigieren der Inhomogenität wird die Verwendung bekannter Feldmeßsonden mit YIG-abgestimmten Oszillatoren vorgeschlagen. Diese Sonden messen das Magnetfeld direkt an der Stelle, an der sie angeordnet sind. Zwar sind hierbei eine Vielzahl von Proben eines Elementes mit von Null abweichendem kernmagnetischem Moment an bestimmten Stellen im Untersuchungsvolumen angeordnet; sie werden jedoch nur zum Eichen der das Magnetfeld messenden YIG-Sonden verwendet. Es werden keine von Null abweichenden Proben zum Abbilden des Magnetfeldes, sondern Sonden verwendet, die die Magnetfeldintensität ergeben, jedoch keine Bilddaten liefern. Die Sonden können auf ausgewählte Ebenen verteilt werden, die Lage dieser Sonden ist jedoch nicht entscheidend.

Des weiteren ergibt sich aus der DE-OS 32 35 113 ein Gerät zur Erzeugung von Bildern eines Untersuchungsobjektes mit magnetischer Kernresonanz, bei der eine Anzahl von Phantomen verwendet werden, deren jedes eine unterschiedliche chemische Lösung enthält, um unterschiedliche Relaxationszeiten zur Erzielung von Empfindlichkeitseichmessungen zu erreichen. Es geht hierbei somit um eine Eichvorrichtung für eine Empfindlichkeitsein­ stellung, nicht um das direkte Korrigieren der Inhomogenität.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein dreidimensionales Phantom mit speziellen Eigenschaften zu schaffen, die es ermöglichen, das Magnetfeld des NMR-Systems abzubilden, um die Homogenität dieses Magnetfeldes zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch das Phantom mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Des weiteren wird mit vorliegender Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines derartigen Phantoms vorgeschlagen.

Die Proben in dem Phantom nach der Erfindung sind so angeord­ net, daß die Bestimmung einer jeden Stelle unter Verwendung nur zweier Gradienten möglich ist. Die Proben sind dabei so positioniert, daß die Homogenisierung des Magnetfeldes auf besonders zweckmäßige Weise erreicht wird. Insbesondere sind die Proben zur Korrektur der Feldintensität an Stellen auf einer dreidimensionalen Kugel gleichförmig so positioniert, daß alle Punkte voneinander unter Verwendung nur zweier Projek­ tionen unterschieden werden können, so daß die Bestimmung einer jeden Stelle unter Verwendung nur zweier Gradienten möglich ist. Vorzugsweise haben bestimmte der parallelen Ebenen gleiche Radien an ihrer Schnittstelle mit der Kugel­ oberfläche, und die Proben auf den parallelen Ebenen sind mit gleichen Radien bei unterschiedlichen Winkelpositionen angeordnet, wobei Projektionen der Proben aus den parallelen Ebenen mit den gleichen Radien auf andere Ebenen sich nicht überlappen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich­ nung 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 Z=0) Ebene projiziert.

Das Blockschaltbild nach Fig. 1 zeigt ein NMR-Bilddarstell­ system 11, das Magnetspulen 12 und 13 aufweist, die zur Erzeugung des statischen magnetischen Feldes dienen. Die Spulen 12, 13 werden 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.

Die HF-Spulen 17, 18 erhalten Strom durch den HF-Verstärker 19, der sein Signal aus einem Modulator 21 aufnimmt. Der Modulator 21 beeinflußt das HF-Signal, das aus dem HF-Genera­ tor 22 stammt. Das Modulationssignal wird von dem Modulati­ onssignalgenerator 23 eingespeist.

Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, um das statische Magnet­ feld räumlich zu verändern. Diese Vorrichtung kann die X-Gradientenspulen 24 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 34 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-Gradientengene­ rator 38 über den Z-Gradientenverstärker 39 auf. Die X-, Y- und Z-Koordinaten sind schematisch in Fig. 1A 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 Phantom 40 dargestellt. Dieses Phantom weist eine Vielzahl von Sonden eines Materials, z. B. Wasser, mit Elementen mit von Null abweichender Kernmagneti­ sierung auf. Die Verteilung der Sonden in dem dreidimensionalen Phantom ist so gewählt, daß die Anzahl von Messungen, die erforderlich ist, um die Feldhomogenität zu erzielen, ein Minimum wird, während gleichzeitig die Messun­ gen 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 500 ppm, einwandfrei zu korrigieren.

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 41 und einen Verstärker 42 mit einem Empfänger 43 verbunden sind.

Der Ausgang des Empfängers ist an den Rechner 44 gelegt. Der Rechner 44 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 korrigie­ ren.

Die Inhomogenität des Feldes wird mit dem Ausgleichsstromge­ nerator 46 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, kugelförmige Phantom nach den Fig. 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, 56 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 Fig. 2 als Ebenen parallel zur Ebene Z=0 dargestellt. Die Ebene 51 enthält zwölf Gefäße. Die Ebenen 52 und 54 weisen ebenfalls zwölf Gefäße auf, während die Ebene 53 und 56 jeweils acht Gefäße enthalten. In den Fig. 3 und 4 sind alle Gefäße mit Z-Koordinaten, die positiv oder Null sind, durch schwarze Kreise und alle Gefäße mit neativer Z-Koordinate durch weiße Kreise dargestellt.

Fig. 4 zeigt die Gefäße projiziert auf die Ebene Z=0. 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 Gradientenfelder 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-Koordina­ ten bestimmt. Das Gefäß 59 kann zur Ebene 53 oder 56 gehören. Die Winkel aller Gefäße in den Ebenen 53 und 56 sind so gewählt, daß bei einer Projektion auf die Ebene Z=0 sich nicht zwei Gefäße überlappen können. So zeigt der Winkel O, daß das Gefäß 59 zur Ebene 53 gehört. Die Erfindung ist nicht auf Phantome mit Gefäßen beschränkt, die eine zweidimensiona­ le Projektion haben.

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

Bei bevorzugten Phantomen werden die folgenden Bemessungen verwendet.

Die Lage der Proben wurde bestimmt durch Verwendung einer Gauß′schen 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 Kernmagne­ tisierung der Proben. Das Signal mit freiem Induktionsabfall (FID-Signal) wird beobachtet und gemessen. Die rekonstruier­ ten 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 individuel­ len Ausgleichsspulenströme werden durch den Rechner 44 gesteuert und eingestellt, bis die gewünschte Homogenität des Magnetfeldes erhalten ist. Der Ausgleichsspulenalgorithmus ist dem Fachmann bekannt.

Claims (8)

1. Phantom für die Homogenisierung des Hauptmagnetfeldes eines mit Shimspulen (48, 49) ausgestatteten Kernspin- Tomographiegerätes, wobei das Phantom (40) dreidimensio­ nal ist und aus einer Vielzahl von Proben (58, 59) eines Elementes mit von Null abweichenden Kernmagnetmomenten besteht, die entlang der Schnittlinie einer Vielzahl von parallelen Ebenen (51-56) und einer Oberfläche des dreidimensionalen Phantoms angeordnet und so plaziert sind, daß Projektionen der Proben auf eine Ebene parallel zu den parallelen Ebenen sich nicht überlappen.

2. Phantom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dreidimensionale Phantom (40) eine Kugel und die Ober­ fläche die äußere Kugeloberfläche ist.

3. Phantom nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte der parallelen Ebenen (51-56) gleiche Radien an ihrer Schnittstelle mit der Oberfläche der Kugel haben, und daß die Proben auf den parallelen Ebenen mit gleichen Radien an unterschiedlichen Winkelpositionen angeordnet sind, so daß Projektionen der Proben aus den parallelen Ebenen mit den gleichen Radien auf andere Ebenen sich nicht überlappen.

4. Phantom nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen der Proben unter Verwendung nur von X- und Y-Gradienten bestimmbar sind.

5. Phantom nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß fünf parallele Ebenen (51-56) vorgesehen und so angeordnet sind, daß die erste Ebene (51) an ihrer Schnittstelle mit der Oberfläche der Kugel einen Radius gleich dem Radius der Kugel hat, die zweite und die dritte parallele Ebene (52, 54) an ihren Schnittstellen mit der Oberfläche der Kugel gleiche Radien haben, die kleiner sind als der Radius der ersten Ebene an ihrer Schnittstelle mit der Oberfläche der Kugel, und vierte und fünfte parallele Ebenen (53, 56) an ihren Schnittstellen mit der Oberfläche der Kugel gleiche Radien haben, die kleiner sind als die Radien der zweiten und dritten parallelen Ebenen (52, 54) an ihren Schnittstellen mit der Oberfläche der Kugel.

6. Phantom nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Ebene die gleiche Anzahl von Proben haben, und daß die vierte und fünfte Ebene ebenfalls die gleiche Anzahl von Proben haben.

7. Phantom nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste, zweite und dritte Ebene jeweils zwölf in gleichem Abstand versetzte Proben haben, und daß die vierte und fünfte Ebene jeweils acht in gleichem Abstand versetzte Proben haben.

8. Verfahren zur Verwendung eines Phantoms nach einem der Ansprüche 1-7 zum Zwecke der Homogenisierung des Hauptmagnetfeldes eines mit Shimspulen ausgestatteten Kernspin-Tomographiegerätes, wobei für die Homogenisie­ rung herkömmliche NMR-Bildgebungstechniken benutzt werden und für die Gewinnung dieser Bilder aufgrund der speziel­ len Ausgestaltung des Phantoms nach den vorausgehenden Ansprüchen nur jeweils zwei Gradienten benötigt werden.