DE3712033A1

DE3712033A1 - Measuring arrangement for a gradient magnetic field of an NMR tomograph

Info

Publication number: DE3712033A1
Application number: DE19873712033
Authority: DE
Inventors: Eckart Dr Stetter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-04-09
Filing date: 1987-04-09
Publication date: 1988-10-27

Abstract

The invention relates to a measuring arrangement for a gradient magnetic field of an NMR tomograph, having a first measuring coil (18), a second measuring coil (19), which is arranged in space parallel to and at a distance from the first measuring coil (18), a downstream amplifier (20) and a display device (21) connected thereto. The two measuring coils (18, 19) are arranged in the gradient magnetic field of the NMR tomograph. The gradient magnetic fields controlled by a gradient current supply (12) induce a voltage in the measuring coils (18, 19), which are combined with one another in such a way that the time-integrated differential voltage of the two measuring coils (18, 19) is present at the output of the amplifier (20). It is possible by means of this measuring arrangement to measure the gradient magnetic field in a manner largely free from interference. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung für ein Gradienten- Magnetfeld eines Kernspin-Tomographen mit einer ersten Meßspule, einem nachgeschalteten Verstärker und einer damit verbundenen Anzeigevorrichtung.The invention relates to a measuring arrangement for a gradient Magnetic field of a nuclear spin tomograph with a first measuring coil, a downstream amplifier and an associated one Display device.

Für Untersuchungen der kernmagnetischen Resonanz an einem Untersuchungsobjekt sind u.a. ein Grundmagnetfeld und in jeder Raumachse ein Gradienten-Magnetfeld erforderlich. Durch das im Meßvolumen homogene Grundmagnetfeld werden die Spins der Kerne, z.B. die Wasserstoffatomkerne eines Untersuchungsobjektes, parallel oder antiparallel zu diesem Grundmagnetfeld ausgerichtet. Durch Ein strahlung eines HF-Impulses werden die Spins der Kerne aus ihrer Ruhelage ausgelenkt. Während und/oder nach der Anregung der Kerne durch den HF-Impuls werden die Gradientenspulen einge schaltet, die Magnetfelder erzeugen, die in der jeweiligen Raum achse einen linearen Magnetfeld-Gradienten aufweisen. Durch die Magnetfeld-Gradienten wird eine Ortscodierung der durch das HF-Feld angeregten Kerne, z.B. der Wasserstoffatomkerne, mög lich. Hierzu werden die Gradientenspulen durch eine Gradienten stromversorgung entsprechend angesteuert. Um den zeitlichen Verlauf der Gradienten-Magnetfelder zu überprüfen und einzustellen, ist eine Meßanordnung der oben genannten Art erforderlich.For studies of nuclear magnetic resonance on one The objects under investigation include a basic magnetic field and in everyone A gradient magnetic field is required for the spatial axis. Through the in Measuring volume homogeneous basic magnetic field, the spins of the cores, e.g. the hydrogen atom nuclei of an object under investigation, parallel or aligned antiparallel to this basic magnetic field. By one radiation of an RF pulse, the spins of the cores from their Rest position deflected. During and / or after the excitation of the The gradient coils are inserted by the RF pulse switches that generate magnetic fields in the respective room axis have a linear magnetic field gradient. Through the Magnetic field gradient is a location coding by the RF field excited nuclei, e.g. the hydrogen atom nuclei, possible Lich. For this purpose, the gradient coils are marked by a gradient power supply controlled accordingly. To the temporal Check and adjust the course of the gradient magnetic fields, a measuring arrangement of the type mentioned above is required.

Dazu wird bei handelsüblichen Geräten eine Meßspule der Meßan ordnung in dem Gradienten-Magnetfeld derart angeordnet, daß das geschaltete Gradientenmagnetfeld in dieser eine Induktionsspannung erzeugt. Die Anschlußklemmen der Meßspule sind mit den Eingangs klemmen eines integrierenden Verstärkers verbunden, das Ausgangs signal des Verstärkers wird einer Anzeigevorrichtung zugeführt. Der Ansteuerimpuls der Gradientenstromversorgung wird so verän dert, daß an der Anzeigevorrichtung der gewünschte Signalver lauf erhalten wird.For this purpose, a measuring coil of the meas arranged in the gradient magnetic field such that the switched gradient magnetic field in this an induction voltage generated. The terminals of the measuring coil are connected to the input clamp an integrating amplifier connected to the output signal of the amplifier is fed to a display device. The control pulse of the gradient power supply is changed in this way changes that on the display device the desired Signalver run is obtained.

Nachteil dieser Ausführungsform ist, daß zusätzlich durch Grund magnetfeldschwankungen in der Meßspule Induktionsspannungen er zeugt werden können, die das Meßsignal verfälschen. Da das Grundmagnetfeld wesentlich stärker ist als das Gradienten-Magnet feld, wirken sich schon relativ geringe Grundmagnetfeldänderungen durch die hierdurch in der Meßspule induzierten Spannungen nach teilig auf das Meßsignal aus. Ebenso nachteilig sind mechanische Schwingungen der Meßspule im Grundmagnetfeld, die z.B. beim Schalten der Gradienten-Magnetfelder entstehen. Auch hierdurch werden Induktionsspannungen in der Meßspule erzeugt, die eben falls das Meßsignal verfälschen.Disadvantage of this embodiment is that additionally by reason magnetic field fluctuations in the measuring coil he induction voltages can be witnessed that falsify the measurement signal. Since that Basic magnetic field is much stronger than the gradient magnet field, there are already relatively small changes in the basic magnetic field by the voltages thus induced in the measuring coil partly on the measurement signal. Mechanical are also disadvantageous Vibrations of the measuring coil in the basic magnetic field, e.g. at the Switching the gradient magnetic fields arise. This too induction voltages are generated in the measuring coil if the measurement signal falsifies.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Meßanordnung der ein gangs genannten Art so auszuführen, daß Grundmagnetfeldschwankungen und Schwingungen der Meßspule im Grundmagnetfeld zu keiner Meß signalverfälschung führen.The object of the invention is therefore the measuring arrangement of a type mentioned so that basic magnetic field fluctuations and vibrations of the measuring coil in the basic magnetic field for no measurement lead to signal falsification.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß räumlich parallel zur ersten Meßspule und in Abstand zu dieser eine zweite Meßspule angeordnet ist, daß die in den Meßspulen indu zierten Spannungen so miteinander verknüpft und über einen Ver stärker einer Anzeigevorrichtung zugeführt werden, wobei an der Anzeigevorrichtung die zeitlich integrierte Differenzspannung aus beiden Meßspulen zur Anzeige gebracht wird.This object is achieved in that spatially parallel to and at a distance from the first measuring coil second measuring coil is arranged that the indu in the measuring coils adorned tensions and linked through a ver be more strongly supplied to a display device, wherein at the Display device the time-integrated differential voltage both measuring coils is displayed.

Vorteil der Erfindung ist es, daß nur das Differenzsignal der beiden Meßspulen verstärkt und zur Anzeige gebracht wird. Durch das geschaltete Gradienten-Magnetfeld werden, bedingt durch die unterschiedlichen Magnetfeldstärken, die auf die erste und die zweite Meßspule einwirken, jeweils in der Amplitude verschiedene Induktionsspannungen erzeugt. Die integrierte Differenz beider Induktionsspannungen wird als Meßwert zur Anzeige gebracht. The advantage of the invention is that only the difference signal two measuring coils is amplified and displayed. By the switched gradient magnetic field are caused by the different magnetic field strengths on the first and the act second measuring coil, each in the amplitude different Induction voltages generated. The integrated difference between the two Induction voltages are displayed as measured values.

Wirken auf die Meßspulen Grundmagnetfeldschwankungen ein oder schwingen die Meßspulen im Grundmagnetfeld, so werden wegen der Homogenität des Grundmagnetfeldes in beiden Meßspulen Spannun gen gleicher Amplitude erzeugt. Durch Differenzbildung wird am Ausgang des Verstärkers ein Meßsignal erhalten, bei dem die genannten Störeinflüsse - wie Grundmagnetfeldschwankungen und Schwingungen der Meßspulen im Grundmagnetfeld - zu keiner Verfälschung der Meßsignale führen.If basic magnetic field fluctuations act on the measuring coils or the measuring coils vibrate in the basic magnetic field, voltages of the same amplitude are generated in both measuring coils because of the homogeneity of the basic magnetic field. By forming a difference, a measurement signal is obtained at the output of the amplifier, in which the above-mentioned interferences - such as fluctuations in the basic magnetic field and vibrations of the measuring coils in the basic magnetic field - do not lead to falsification of the measurement signals.

Es ist vorteilhaft, wenn eine erste Anschlußklemme jeder Meß spule mit Bezugspotential und eine zweite Anschlußklemme jeder Meßspule mit einer Eingangsklemme des als integrierenden Diffe renzverstärkers ausgeführten Verstärkers verbunden ist. Die Differenzbildung der Meßsignale aus beiden Meßspulen erfolgt dabei im integrierenden Differenzverstärker.It is advantageous if a first terminal of each measurement coil with reference potential and a second terminal each Measuring coil with an input terminal of the integrating diffe running amplifier is connected. The Difference formation of the measurement signals from both measuring coils takes place thereby in the integrating differential amplifier.

Es ist vorteilhaft, wenn die Meßspulen gegensinnig in Serie ge schaltet sind, wenn eine freie Anschlußklemme der ersten Meß spule mit Bezugspotential und eine freie Anschlußklemme der zweiten Meßspule mit einer Anschlußklemme des integrierenden Ver stärkers verbunden ist. Durch diese vorteilhafte Ausführungs form wird das Differenzsignal durch die gegensinnige Wickel richtung und die Serienschaltung der Meßspulen erhalten.It is advantageous if the measuring coils in opposite directions in series are switched when a free terminal of the first measuring coil with reference potential and a free terminal of the second measuring coil with a connecting terminal of the integrating Ver stronger connected. Through this advantageous execution the difference signal is shaped by the opposite winding direction and the series connection of the measuring coils.

Es ist vorteilhaft, wenn ein Ausgangssignal des Verstärkers über die Schnittstelle dem Prozeßrechner zur zeitlichen Inte gration und zum Vergleich mit einem Sollwert zugeführt wird und das Ergebnis am Bildschirmgerät zur Anzeige gebracht wird. Hierdurch kann auf den zusätzlichen Einsatz eines integrieren den Verstärkers verzichtet werden, die Gradienten-Magnetfelder können automatisch mittels des Prozeßrechners eingestellt werden. It is advantageous if an output signal from the amplifier via the interface to the process computer for temporal inte gration and for comparison with a target value is supplied and the result is displayed on the screen device. This allows one to integrate the additional use the amplifier, the gradient magnetic fields can be set automatically using the process computer will.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt:Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 4. It shows:

Fig. 1 die vereinfachte Darstellung eines Kernspin-Tomo graphen, Fig. 1 is a simplified representation of a magnetic resonance-Tomo graph,

Fig. 2-4 vereinfacht verschiedene Ausführungsbeispiele für die Meßanordnung gemäß der Erfindung. Fig. Simplified various embodiments of the measurement arrangement according to the invention 2-4.

In der Fig. 1 sind mit 1 und 2 sowie 3 und 4 Spulen gekennzeich net, mit welchen ein magnetisches Gleichfeld B ₀ erzeugt wird, in welchem sich bei Anwendung zur medizinischen Diagnostik der zu untersuchende Körper 5 eines Patienten befindet. Diesem sind außerdem Gradientenspulen zugeordnet, die zur Erzeugung unabhängiger, zueinander senkrechter Magnetfeld-Gradienten der Richtungen x, y und z gemäß der Andeutung in 6 vorgesehen sind. In der Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur Gradienten spulen 7 und 8 gezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegen überliegender, gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung des x-Gradienten dienen. Die gleichartigen, nicht gezeichneten y-Gradientenspulen liegen parallel zum Körper 5 und oberhalb sowie unterhalb von ihm und die für das z-Gradientenfeld quer zu seiner Längsachse am Kopf- und am Fußende. Die Anordnung erhält außerdem noch eine Spule 9 zur Anregung der Kernspins und zur Aufnahme der Kernresonanzsignale. Die zur Aufnahme des Signals dienende Meßspule 9 liegt über einen Signalverstärker 14 und eine Schnittstelle 15 (Analog Digital Wandler/Digital Analog Wandler) an einem Prozeßrechner 16, von dem aus zur Ausgabe der Abbildung ein Bildschirmgerät 17 versorgt wird. Die Anregung der Kernspins erfolgt über einen Hochfrequenzsender 13 und die Meß- bzw. Sendespule 9.In Fig. 1 are marked with 1 and 2 and 3 and 4 coils, with which a constant magnetic field B _{0 is} generated, in which the body 5 of a patient to be examined is used when used for medical diagnosis. This is also associated with gradient coils, which are provided for generating independent, mutually perpendicular magnetic field gradients of the directions x , y and z as indicated in FIG. 6 . For the sake of clarity, only gradient coils 7 and 8 are shown in FIG. 1, which together with a pair of opposing, similar gradient coils serve to generate the x gradient. The similar y gradient coils, not shown, lie parallel to the body 5 and above and below it, and those for the z gradient field crosswise to its longitudinal axis at the head and foot ends. The arrangement also has a coil 9 for exciting the nuclear spins and for receiving the nuclear magnetic resonance signals. The measuring coil 9 used to record the signal is connected to a process computer 16 via a signal amplifier 14 and an interface 15 (analog / digital converter / digital / analog converter), from which a monitor 17 is supplied to output the image. The excitation of the nuclear spins takes place via a high-frequency transmitter 13 and the measuring or transmitting coil 9 .

Die von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1 bis 9 stellen das eigentliche Untersuchungsinstrument dar. Es wird von einer elektrischen Anordnung aus betrieben, die ein Netzgerät 11 zum Betrieb der Spulen 1 bis 4 sowie eine Gradi entenstromversorgung 12, an welcher die Gradientenspulen 7 und 8 sowie die weiteren Gradientenspulen liegen, umfaßt.The coils 1 to 9 , delimited by a dash-dotted line 10, represent the actual examination instrument. It is operated by an electrical arrangement that has a power supply 11 for operating the coils 1 to 4 and a gradient power supply 12 , on which the gradient coils 7 and 8 and the further gradient coils are included.

Das Überprüfen und Einstellen des Verlaufs des Gradienten- Magnetfeldes kann durch die in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele erfolgen.The checking and setting of the course of the gradient magnetic field can be carried out using the exemplary embodiments shown in FIGS. 2, 3 and 4.

Bei der in Fig. 2 vereinfacht dargestellten Ausführungsform be steht die Meßanordnung aus einer ersten Meßspule 18, einer zweiten Meßspule 19, einem integrierenden Verstärker 20 und einer Anzeigevorrichtung 21. Der Verstärker 20 muß zur Darstellung des zeitlichen Verlaufes des Feldes eine zeitliche Integration der induzierten Spannung aus den Meßspulen 18, 19 vornehmen, da bekanntlich die Spannung an den Spulen proportional der zeit lichen Ableitung (Änderung) des Feldes ist. Die Meßspulen 18, 19 haben gleiche Wickelrichtung. Die jeweils ersten Anschlußklem men 18.1, 19.1 der Meßspulen 18, 19 sind mit Bezugspotential verbunden. Die jeweils zweite Anschlußklemme 18.2, 19.2 der Meßspulen 18, 19 ist mit jeweils einer Eingangsklemme 20.1, 20.2 des als integrierenden Differenzverstärkers ausgeführten Ver stärkers 20 verbunden. Ein Ausgang des integrierenden Diffe renzverstärkers 20 ist mit einem Eingang der Anzeigevorrichtung 21 verbunden.In the embodiment shown in simplified form in FIG. 2, the measuring arrangement consists of a first measuring coil 18 , a second measuring coil 19 , an integrating amplifier 20 and a display device 21 . The amplifier 20 must make a temporal integration of the induced voltage from the measuring coils 18 , 19 to represent the time profile of the field, since it is known that the voltage across the coils is proportional to the time derivative (change) of the field. The measuring coils 18 , 19 have the same winding direction. The respective first connecting terminals 18.1 , 19.1 of the measuring coils 18 , 19 are connected to the reference potential. The respective second terminal 18.2 , 19.2 of the measuring coils 18 , 19 is connected to an input terminal 20.1 , 20.2 of the amplifier 20 designed as an integrating differential amplifier Ver. An output of the integrating differential amplifier 20 is connected to an input of the display device 21 .

Bei der in Fig. 3 vereinfacht dargestellten Ausführungsform be steht die Meßanordnung aus einer ersten Meßspule 18, einer zweiten Meßspule 19, einem integrierenden Verstärker 20 und einer Anzeigevorrichtung 21. Eine erste Anschlußklemme 18.1 der ersten Meßspule 18 ist mit Bezugspotential verbunden. Eine zweite Anschlußklemme 18.2 der ersten Meßspule 18 ist mit einer ersten Anschlußklemme 19.1 der zweiten Meßspule 19 verbunden. Eine zweite Anschlußklemme 19.2 der zweiten Meßspule 19 hat eine Verbindung zu einem Eingang des integrierenden Ver stärkers 20. Dabei sind diese Meßspulen 18, 19 entsprechend den Pfeilen in Fig. 3 gegensinnig in Serie geschaltet. Ein Ausgang des integrierenden Verstärkers 20 ist mit einem Eingang der Anzeigevorrichtung 21 verbunden.In the embodiment shown in simplified form in FIG. 3, the measuring arrangement consists of a first measuring coil 18 , a second measuring coil 19 , an integrating amplifier 20 and a display device 21 . A first connection terminal 18.1 of the first measuring coil 18 is connected to the reference potential. A second connecting terminal 18.2 of the first measuring coil 18 is connected to a first connecting terminal 19.1 of the second measuring coil 19 . A second terminal 19.2 of the second measuring coil 19 has a connection to an input of the integrating amplifier 20 . These measuring coils 18 , 19 are connected in series in opposite directions according to the arrows in FIG. 3. An output of the integrating amplifier 20 is connected to an input of the display device 21 .

Die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform dadurch, daß der Verstärker 20 in diesem Fall nicht integrierend ist und das Aus gangssignal des Verstärkers 20 Funktionselementen des Kernspin- Tomographen zugeführt wird, nämlich über eine Schnittstelle 15 (Analog Digital Wandler/Digital Analog Wandler) und einen Prozeß rechner 16 dem Eingang eines Bildschirmgerätes 17. Die zeitliche Integration des Meßsignals erfolgt hier im Prozeßrechner 17, der auch den Vergleich des Meßsignals mit einem Sollwert vornimmt.The embodiment shown in FIG. 4 differs from the embodiment shown in FIG. 3 in that the amplifier 20 is not integrating in this case and the output signal of the amplifier 20 is supplied to functional elements of the nuclear spin tomograph, namely via an interface 15 ( Analog to digital converter / digital to analog converter) and a process computer 16 to the input of a screen device 17 . The temporal integration of the measurement signal takes place here in the process computer 17 , which also carries out the comparison of the measurement signal with a target value.

Durch Einbringen der Meßanordnung in den Untersuchungsraum eines Kernspin-Tomographen werden durch das geschaltete Gradi entenmagnetfeld in den Meßspulen 18 und 19 jeweils unterschiedliche Spannungen, bedingt durch die unterschiedliche Magnetfeldstärke am Ort beider Meßspulen 18, 19 induziert. Wirken Grundmagnetfeld änderungen auf das Meßspulensystem ein, so werden durch die Homo genität dieses Grundmagnetfeldes in beiden Meßspulen 18, 19 Span nungen gleicher Amplitude induziert. Durch Differenzbildung im integrierenden Differenzverstärker 20 bzw. durch die gegensinnige Serienschaltung der Meßspulen 18, 19 heben sich diese Spannungen auf, so daß am Ausgang des integrierenden Differenzverstärkers 20 bzw. integrierenden Verstärkers 20 bzw. Prozeßrechners 16 ein Meßsignal erhalten wird, welches lediglich die Differenz der durch das Gradienten-Magnetfeld erzeugten Induktionsspannungen darstellt. Grundmagnetfeldänderungen und mechanische Schwingungen der Meßspulen 18, 19 im Grundmagnetfeld wirken gleichmäßig auf die Meßspulen 18 und 19 ein und werden damit nicht zur Anzeige gebracht. Durch diese Meßanordnung ist es möglich, den Magnet feldverlauf eines Gradienten-Magnetfeldes weitgehend störungs frei zu erfassen.By introducing the measuring arrangement into the examination room of a nuclear spin tomograph, different voltages are induced by the switched gradient magnetic field in the measuring coils 18 and 19 , due to the different magnetic field strength at the location of both measuring coils 18 , 19 . If changes in the basic magnetic field affect the measuring coil system, then voltages of the same amplitude are induced in the two measuring coils 18 , 19 by the homogeneity of this basic magnetic field. By forming the difference in the integrating differential amplifier 20 and by the opposing series connection of the detecting coils 18, 19, these voltages cancel, so that a measuring signal is obtained at the output of the integrating differential amplifier 20 and integrating amplifier 20 and the process computer 16, only the difference of the represents induction voltages generated by the gradient magnetic field. Changes in the basic magnetic field and mechanical vibrations of the measuring coils 18 , 19 in the basic magnetic field act uniformly on the measuring coils 18 and 19 and are therefore not displayed. This measuring arrangement makes it possible to detect the magnetic field profile of a gradient magnetic field largely free of interference.

Claims

1. Measuring arrangement for a gradient magnetic field of a nuclear spin tomograph with a first measuring coil ( 18 ), a downstream amplifier ( 20 ) and an associated display device ( 21 ), characterized in that spatially parallel to the first measuring coil ( 18 ) and at a distance from this a second measuring coil ( 19 ) is arranged so that the voltages induced in the measuring coils ( 18 , 19 ) are linked to one another and fed via an amplifier ( 20 ) to a display device ( 21 ), the display device ( 21 ) the time-integrated differential voltage from both measuring coils ( 18 , 19 ) is displayed.

2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that a first terminal ( 18.1 , 19.1 ) of each measuring coil ( 18 , 19 ) with reference potential and a second terminal ( 18.2 , 19.2 ) of each measuring coil ( 18 , 19 ), each with an input terminal ( 20.1 , 20.2 ) of the amplifier ( 20 ) designed as an integrating differential amplifier.

3. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the measuring coils ( 18 , 19 ) are connected in opposite directions in series, that a free terminal ( 18.1 ) of the first measuring coil ( 18 ) with reference potential and a free terminal ( 19.2 ) of the second measuring coil ( 19 ) is connected to an input terminal of the integrated amplifier ( 20 ).

4. Measuring arrangement according to claim 1 for a nuclear spin tomograph with an interface ( 15 ) between a transmitter ( 13 ) or a signal amplifier ( 14 ) and a process computer ( 16 ), the output signal of the process computer ( 16 ) a screen device ( 17th ) is supplied, characterized in that an output signal from the amplifier ( 20 ) is fed via the interface ( 15 ) to the process computer ( 16 ) for integration in time and for comparison with a setpoint value, and the result on the monitor ( 17 ) as a display device ( 21 ) is displayed.