DE4217496C2

DE4217496C2 - Shim-Verfahren

Info

Publication number: DE4217496C2
Application number: DE4217496A
Authority: DE
Inventors: Daniel Dr Marek; Markus Dipl Phys Haeberli; Marcellus Burgers; Jean-Claude Dipl Ing Riboulet
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1992-05-27
Publication date: 1994-06-16
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: US5373239A; GB2267349A; DE4217496A1; GB9310960D0; GB2267349B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Soll-Stromwerte der Shimspulen eines insbesondere tesseral-harmonischen (off-axis) Shimsystems, um im besonderen im Bereich des Zentrums des Shimsystems ein möglichst homogenes Magnetfeld zu erzeugen.

Ein solches Verfahren ist aus den Offenlegungsschrif ten DE 35 08 332 A1, EP 02 19 013 A2, und dem Zeitschriftenartikel "The ancient and honorable art of shimming", G.N. Chmurny und D.I. Hoult, Concepts in Magnet Resonance, 1990, 2, 131-149 bekannt. In der Offenlegungsschrift DE 35 08 332 A1 sind ein Verfah ren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von besonders homogenen Magnetfeldern beschrieben, bei denen die Verteilung des zu homogenisierenden Hauptfelds an zahlreichen Punkten gemessen wird, so daß in einer einfachen und zuverlässigen Weise ein optimales Ma gnetfeld herausgefunden wird, das mit einer Korrek turmagnetfeld-Erzeugungseinrichtung mit Computer er zeugt werden kann, und daß dieses Korrekturmagnetfeld zur Optimierung und Erzeugung des besonders homogenen Magnetfeldes verwendet wird. Die Erfindung verwendet das Verfahren der kleinsten Quadrate, um optimale Werte des Korrekturmagnetfeldes zu bestimmen. Zunächst wird ein Kubus von 0,3 m Kantenlänge als Be reich gewählt, worin das Magnetfeld in hohem Maße ho mogen sein soll und die Hauptfeldverteilung in mehre ren repräsentativen Ebenen, beispielsweise bei z = 0,15 m, z = 0, z = -0.15 m über beispielsweise 343 Meßpunkte in dem Kubus werden aufgenommen. In dieser Art und Weise wird die dreidimensionale Feld verteilung des zu homogenisierenden Hauptfeldes durch Bestimmung einer Vielzahl von lokalen Hauptfeldwerten an vorgegebenen Koordinaten gemessen. Die dadurch ge wonnenen Feldverteilungen werden durch Polynome dar gestellt, die eine räumlich unveränderliche Kompo nente, eine räumlich veränderliche Komponente und eine vernachlässigbare Restkomponente enthalten und aus den Termen der räumlich veränderlichen Komponen ten des Hauptfelds werden die Regelströme durch die Korrekturspulen berechnet, mit denen die jeweiligen Inhomogenitäten kompensiert sind.

In der EP 02 19 013 A2 ist eine Methode für die Minimierung der Inhomogenität eines statischen Haupt felds durch die Verwendung einer Vielzahl n von Shim spulen beschrieben. Das Verfahren wird derart durch geführt, daß zunächst der Betrag des Hauptmagnetfelds ohne Shimspulenfelder an einer Vielzahl von Orten über die Oberfläche einer fiktiven Kugel gemessen wird. Danach wird der Betrag und die Polarität jedes von n Shimfeldern in Abhängigkeit von Betrag und Po larität eines DC-Stromes, der durch die entsprechende Shimspule fließt, an derselben Vielzahl von Orten über der fiktiven Kugelfläche gemessen. Anschließend wird ein Durchschnittsquadratfehler des Totalfeldes zum Homogenfeld an einer Vielzahl von anderen Orten innerhalb des Volumens der fiktiven Kugel festge stellt. Schließlich wird der Betrag und die Polarität jedes Stromes des n-fach-Shimspulensystems so ange legt, daß der vorgehend festgestellte Fehler mini miert wird. Das Verfahren geht davon aus, daß das Ma gnetfeld in einer Reihenexpansion von Kugelfunktionen expandiert ist und daß die jeweiligen Korrekturspulen Teilfelder produzieren, die den Kugelfunktions-Poly nomen entsprechen. Die Messungen über der Fläche der fiktiven Kugel sind an Orten der Nullpunkte der ent sprechenden Kugelfunktion durchgeführt, um in dieser Weise die Stärke des Stroms durch die entsprechende Shimspule festzustellen.

In dem Zeitschriftenartikel "The Ancient and Hono rable Art of Shimming", G.N. Chmurny und D.I. Hoult, ist ein Verfahren insbesondere zum Shimmen eines su praleitenden Magneten für die Hochauflösungs-Kern spinresonanz dargestellt. Im Gegensatz zu den obenge nannten Druckschriften, wo eine Vielzahl von Meßwer ten des Hauptfeldes mit und ohne Einschalten der Shimspulen zunächst gewonnen und anschließend anhand dieser gewonnenen Meßpunkte die Sollstromwerte der Shimspulen durchgerechnet wurden, untersuchen Chmurny und Hoult den Einfluß der verschiedenen Feld-Inhomo genitäten auf die Linienbreite bzw. das oszillieren de Kernresonanzsignal einer durch die Kernresonanz angeregten Probe. Durch iterative Schritte und durch Feststellung des Einflusses der verschiedenen Shim spulen als Funktion ihrer Stromwerte auf das Kernre sonanzsignal wird eine optimale Einstellung der Shim spulen erreicht.

Die obengenannten Verfahren laut den Offenlegungs schriften DE 35 08 332 A1 und EP 02 19 013 A2 haben den Nachteil, daß eine große Anzahl von Meßpunkten gewon nen werden muß unter bestimmten geometrischen Ver hältnissen zueinander, so daß ein zeitintensives Ver fahren und eine komplizierte mechanische Vorrichtung zum Einstellen der verschiedenen Meßpunkte notwendig ist. Außerdem benötigen sie einen Anpassungsalgorith mus, um den nötigen Vergleich zwischen Meßdaten und Homogenitätsbedingungen zu schaffen, was wiederum nicht immer zu einer optimalen Lösung führt. Das Chmurny-und-Hoult-Verfahren hat den Nachteil, daß kein systematisches Verfahren, das auch bei der An wendung durch einen unerfahrenen Betreiber oder Tech niker zu einem zuverlässigen und wiederholbaren Er gebnis führt, vorgeschlagen wird, was wiederum zu Er gebnissen führt, die sehr stark auf der Erfahrung und dem Können desjenigen, der das Verfahren durchführt, abhängen. Zudem wird das erreichte Ergebnis nicht im mer innerhalb tolerierbarer Grenzen der Homogenität und/oder der zur Verfügung stehenden Einstellungszeit liegen.

Daher ist es die Aufgabe dieser Erfindung, ein Ver fahren zum Einstellen der Stromwerte der Shimspulen eines insbesondere tesseral-harmonischen (off-axis) Shimsystems nach dem Oberbegriff der Anspruch 1 vor zustellen, das eine einfache, systematische und zu verlässige Methode schafft, die selbst von unerfah reneren Technikern mit wiederholbaren und zuverlässi gen Ergebnissen durchgeführt werden kann, bei der eine minimale Anzahl von Meßpunkten nötig sind und ein Anpassungsalgorithmus vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zunächst Meßwerte des Haupt- und Magnetfeldes ohne bzw. mit Zuspeisen eines Shimspulen-Normstroms an be stimmten Meßpunkten erfaßt werden, wobei an jedem Meßpunkt einmal das Hauptfeld und durch Einschaltung jeweils einer Shimspule mindestens einmal das Magnet feld abgetastet werden, bis alle an diesem Meßpunkt zu messenden Shimfelder erfaßt sind und nach der Ge winnung sämtlicher Meßwerte der Sollstromwert jeder Shimspule durch jeweils eine auf das entsprechende Shimfeld besonders empfindliche Linearkombination von Meßwerten festgestellt wird, wobei jede Linearkombi nation aus einer Magnetfeld- und einer Hauptfeld-Li nearkombination besteht, die sich wiederum dadurch voneinander unterscheiden, daß die Magnet- bzw. Hauptfeld-Linearkombination mit bzw. ohne Zuspeisen der entsprechenden Shimspulen-Normströme gewonnen wurde. Das erfindungsgemäße Verfahren wird als OSAM (off axis Shimming by Analysis of the Magnetic Field) bezeichnet.

In dieser Weise wird die Aufgabe der Erfindung voll ständig gelöst. Die Auswahl bestimmter Meßpunkte, die die Symmetrieeigenschaften der Kugelfunktionen aus nutzen und die Verwendung einer besonders empfindli chen Linearkombination solcher Meßwerte, um die Soll stromwerte der entsprechenden Shimspule festzustellen, erlaubt eine minimale Anzahl von Meßpunkten mit maxi maler Empfindlichkeit für die jeweilige Shimspule, wobei eine effektive Entkoppelung der jeweiligen Shimfelder erreicht ist, was wiederum dafür sorgt, daß eine iterative Prozedur nicht durchgeführt werden muß. Das Ein- und Ausschalten des Normstroms jeweils einer Shimspule bis alle an diesem Punkt zu messenden Shimfelder erfaßt werden ermöglicht eine schnelle Ge winnung der Meßwerte aller Shimspulen ohne eine wie derholt geometrische Einstellung dieser Meßpunkte, was wiederum Zeit spart und zu einem zuverlässigen Meßverfahren führt. Zudem ist eine separate Feststel lung der Stärke der Shimspulen nicht notwendig, d. h. das Verfahren ist "selbst-eichend".

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Shimverfahren iterativ wiederholt, wobei die Shimspulen mit den Sollstromwerten des vorangehenden Shimverfahrens gespeist werden, um Shimfelder zu er zeugen, die Teil eines neuen Hauptfeldes sind, und dieses neue Hauptfeld unter Anwendung eines zweiten Shimverfahrens durch Anwendung einer zweiten Itera tion des Verfahrens weiter homogenisiert wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das zunächst sehr unhomogene Hauptfeld in einer ersten Durchführung des Shimverfahrens weitgehend homogenisiert wird und in einer zweiten Durchführung bzw. sukzessiv-iterativen Durchführungen des Shimverfahrens immer homogener wird. In dieser Weise können eventuelle Kopplungen oder Meßfehler eines vorangehenden Shimverfahrens in den sukzessiven Durchführungen des Verfahrens verbes sert bzw. beseitigt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfin dung sind die Sollstromwerte durch die folgende Glei chung festgelegt:

wobei N den Normstrom bezeichnet und L_i ^N und L_i ^O der mit bzw. ohne dem Normstrom N erfaßten Shimfeld-Line arkombination entspricht.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das lineare Ver halten des Shimspulsystems optimal ausgenutzt wird, um eine möglichst schnelle Feststellung des Soll stromwertes der entsprechenden Shimspule zu gewinnen, indem eine lineare Interpolation durchgeführt wurde.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung befindet sich das Zentrum auf einer parallel zum Ma gnetfeld laufenden zentralen Achse (z-Achse), um wel che die Meßpunkte in einem konstanten radialen Ab stand angeordnet sind.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine wiederhol bare und einfach einzustellende geometrische Anord nung der Meßpunkte geschaffen ist, welche die Symme trieeigenschaften der tesseral harmonischen Terme der Kugelfunktion ausnutzt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung befinden sich die Meßpunkte in einer zum homogenen Magnetfeld senkrechten und das Zentrum ein schließenden Zentralebene und/oder in beiden zur Zen tralebene spiegelsymmetrisch versetzten und paral lelen Teilebenen mindestens eines Ebenenpaars.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Stromsoll werte der Shimspule, die eine z-Abhängigkeit aufwei sen, mit einer minimalen Anzahl von Meßpunkten fest gestellt werden können, die ferner die Symmetrieei genschaften der Kugelfunktionen ausnutzt.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist ein zweites Ebenenpaar vorgesehen, das vom Zentrum noch weiter entfernt ist als das erste.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß insbesondere bei spielsweise beim Einstellen Shimspulen vierter Ord nung, die eine z³-Abhängigkeit aufweisen, eine grö ßere Empfindlichkeit anhand des größeren z-Abstandes gewonnen wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Verfahren in der Kernspinresonanz spektroskopie und/oder Kernspinresonanztomographie angewandt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Anforderung für außerordentlich hoch-homogene Magnetfelder von 10^-8 Homogenität für die Spektroskopie bzw. von 10^-5 über einem großen Volumen für die Tomographie erfüllt werden kann. Das Vorhandensein der Kernreso nanzmeßmethode ermöglicht, daß die Magnetfeldmessun gen, die für die Durchführung des Verfahrens erfor derlich sind, anhand der bereits vorhandenen Kern spinresonanzvorrichtung durchgeführt werden können.

In einer Variation dieser Ausführungsform dienen die durch das OSAM-Verfahren eingestellten Sollstromwerte als Anfangswerte eines weiteren Shimverfahrens.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß ein zunächst ein fach und zuverlässig einzustellendes Shimverfahren, nämlich das OSAM-Verfahren, durchgeführt worden ist, um Sollstromwerte zu fassen, die sehr nahe an dem endgültigen optimalen Sollstromwert liegen, und an schließend solche optimale Werte anhand konventionel ler an sich bekannter Shimmethoden durchgeführt wer den können, wobei die Technik der Kernspinresonanz ausgenutzt wird, um eine möglichst schmale Kernspin resonanz-Linie und/oder ein langsam abklingendes Kernresonanzsignal zu erreichen. In dieser Art und Weise werden die Vorteile von OSAM und die Vorteile der an und für sich bekannten Kernspinresonanz-Shim verfahren ausgenutzt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen. Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils an gegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi nationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Be schreibung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Kugel- und Zylinderkoordinaten der Verfah rensgeometrie.

Fig. 2 Erfindungsgemäßes Interpolationsverfahren.

Fig. 3 Flußdiagramm des erfindungsgemäßen Verfah rens.

Fig. 1 zeigt die Geometrie des Verfahrens nach der Erfindung. Die Koordinaten sind so, daß die z-Achse parallel zum zu shimmenden Haupt- bzw. Magnetfeld B₀ steht und durch das Zentrum läuft. Die gewöhnlichen Zylinderkoordinaten ρ, R und Φ wie auch die entspre chenden konventionellen Zylinderkoordinaten r, Φ und z als auch die kartesischen Koordinaten x, y und z sind angegeben.

Um ein möglichst homogenes Feld für beispielsweise NMR-Spektroskopieanwendungen zu erreichen, verwendet man zusätzliche Spulen, die Felder erzeugen, mit Hilfe deren man Inhomogenitäten der Hauptspulen in gewissen Grenzen kompensieren kann. Die optimalen Ströme in diesen Spulen sind zunächst unbekannt und müssen experimentell ermittelt werden. Jede Shimspule erzeugt ein für sie charakteristisches magnetisches Feld. Es läßt sich mathematisch beweisen, daß sich das Feld in der Bohrung eines Magneten in der Umge bung des magnetischen Zentrums durch eine Expansion in Kugelfunktionen folgendermaßen schreiben läßt:

wobei die verschiedenen Variablen der Gleichung (1) aus dem Zylinder- bzw. Kugelkoordinatensystem der Fig. 1 zu entnehmen sind. Der Variablen a entspricht der Radius der das Hauptmagnetfeld erzeugenden Hauptspule, und

sind assoziierte Legendre-Polynome. Die Größen A_lm und B_lm bezeichnet man als die Gradientenstärke des Feldes. Wenn man Zylinderkoordinaten verwendet und die ersten Glieder der Gleichung 1 ausschreibt, so erhält man

H (r,z,Φ) = H₀ + 0 (z,z²,z³, . . .) + A₁₁rcos(Φ) + B₁₁rsin(Φ) + A₂₁zrcos(Φ) + B₂₁zrsin(Φ)
+ A₂₂r²cos(2Φ) + B₂₂r²sin(2Φ) + . . ., (3)

wobei die Abstände r, x, y und z dimensionslos und auf den effektiven Magnetradius a bezogen sind, H₀ das erwünschte homogene Feld ist, und nur tesseral haromische Terme bis zur zweiten Ordnung ausgeschrie ben sind. Die Terme entsprechen einer Zerlegung des gesamten Feldes in Felder, die von den Shimspulen er zeugt werden können. Jede einzelne Shimspule wird nun dazu verwendet, die entsprechenden Terme dieser Summe mit ihrem Feld zu kompensieren.

Im allgemeinen Fall ist es möglich, die Strom-Soll werte einer Shimspule festzustellen, indem man das Magnetfeld am Ort einiger ganz speziellen Punkte im Raum mißt, die wegen der Symmetrie-Eigenschaften des entsprechenden Gradientenfeldes besonders empfindlich auf diese Feldkomponente bzw. Korrekturspule sind. Durch eine Wiederholung der Messung, einmal mit und einmal ohne Einschalten der entsprechenden Korrektur spule ist es auch möglich, die von der entsprechenden Shimspule erzeugte Feldstärke pro Einheitsstrom Stärke der entsprechenden Shimspule gleichzeitig zu bestimmen. Es gibt für jede Shimspule einen Satz von Punkten (z, Φ) bei festem r, an denen man das Feld messen muß und eine Linearkombination dieser Meß werte, die es erlaubt, den entsprechenden Gradienten des Feldes zu berechnen und die Stärke des Shims zu bestimmen. Die Wahl der Punkte und der Rechenvor schrift zeichnet sich dadurch aus, daß der Einfluß der anderen Gradienten ganz oder zumindestens zum großen Teil herausfällt.

Tabelle 1 faßt die Verhältnisse zwischen Gradienten Variablen A_lm und B_lm und ihren entsprechenden funk tionellen Feldverlauf in kartesischen bzw. Zylinder-Koordinaten zusammen. Die entsprechende Bezeichnung der Shimspule ist auch gegeben, so daß beispielsweise die x-Spule den Feldverlauf des A₁₁ Gradienten auf weist.

Um das Korrekturverfahren zu veranschaulichen, kann man ein konkretes Beispiel betrachten. Man nimmt bei spielsweise an, daß das Hauptfeld nur A₁₁- und A₂₂-Gradienten aufweist. Wenn man das Hauptfeld erst ein mal ohne Einschalten der Gradientspule bei z = 0 und Φ = 0 d. h. (0,0) und bei z = 0 und Φ = 180° d. h. (0,180) mißt und die Differenz Δ zwischen diesen zwei Meßfeldmessungen ausrechnet, gewinnt man eine Feld differenz, die nur von dem A₁₁-Term abhängt,

H (z,Φ) = H₀ + A₁₁rcos(Φ) = A₂₂rcos(2Φ) (4)
Δ = H (0,0) - H (0,180)
= 2 A₁₁r + A₂₂r²cos (0) - A₂₂r²cos (360)
= 2 A₁₁r,

wobei die Messungen bei einem konstanten bestimmten Radius r durchzuführen sind. Die Feldabhängigkeit des A₂₂-Terms ist durch diese Differenzbildung elimi niert. Um für die x-Spule den Sollstromwert, der den A₁₁-Feldgradienten eliminiert, zu ermitteln, braucht man nur die Messung laut Gleichung 4, aber mit einge schalteter Spule zu wiederholen. Dadurch erhält man einen zweiten Δ-Wert bei einem bestimmten Normstrom wert der x-Spule.

Da Δ vom Einstellstrom der x-Spule linear abhängt, erhält man die graphische Darstellung der Fig. 2, wo bei auf der Abszisse der eingestellte Stromwert und auf der Ordinate der Δ-Wert aufgetragen sind. Die Messung ohne Strom liefert den Δ₀-Meßwert und der Δ_N-Wert entspricht der Messung bei einem Shimspulen-Einstellungswert von N. Der Sollwert der x-Spule ist nämlich der Wert, wo Δ = 0, d. h. Punkt I in Fig. 2. Dieser Punkt ist durch eine einfache lineare In terpolation zwischen den zwei gewonnenen Δ-Messun gen festzustellen, d. h.

wobei I der Sollstromwert, N der Stromwert der x-Spule während der zweiten Messung, Δ₀ der Δ-Wert ohne Einschaltung der Shimspule und Δ_N der entspre chende Δ-Wert der x-Spule bei Stromstärke N bezeich nen.

Durch eine gezielte Auswahl der Meßpunkte für be stimmte Symmetrieeigenschaften der verschiedenen Shimspulen können Δ-Werte gewonnen werden, die auf einen bestimmten Gradienten besonders empfindlich, aber gleichzeitig weitgehend unempfindlich bezüglich der anderen Gradienten sind. Tabelle 2 listet einen solchen Satz von Meßpunkten und deren entsprechende Δ-Linearkombination für die verschiedenen Shimspu len auf, wobei die Abkürzung (z,Φ) für die geometri schen Meßpunkte benutzt worden ist. Die Tabelle weist beim Messen einer bestimmten Spule auch darauf hin, welche anderen Gradientenfelder mit dieser Messung gekoppelt sind. Beispielsweise enthält das gezeigte x-Spulen-Verfahren (unerwünschte) Kopplungen zum xz²- und x³-Gradienten. Anhand dieser Tabelle sieht man, daß die erfindungsgemäßen Meßpunkte und Linearkombi nationen von einer möglichen Anzahl von 182 Kopplun gen auf nur 8 reduziert werden.

Die restlichen Kopplungen sind grundsätzlich auch zu eliminieren, da zusätzliche Information bezüglich dieser gekoppelten Gradienten zur Verfügung steht, die benutzt werden kann, um effektiv die eingekoppel ten Gradienten von dem gewünschten Gradienten abzu ziehen. Für den Fall des x- oder y-Gradienten sind die gekoppelten Gradienten xz², x³ bzw. yz², y³ je weils sauber ungekoppelt gemessen und durch ihre ent sprechenden Meßpunkte und Linearkombinationen grund sätzlich bekannt. Daher ist ihr Anteil bei der Ver zerrung der Bestimmung des Sollstromwertes der x-Spule korrigierbar. Für den xz- bzw. yz-Gradienten-Fall benutzt man die Tatsache, daß bei der Bestimmung des xz-Sollstromwertes die xz³-Spule gekoppelt ist, aber auch bei der Feststellung des Sollstromwertes der xz³-Spule ist eine xz-Kopplung vorhanden. Die entsprechenden Δ-Wert-Linearkombinationen bilden zwei Gleichungen mit zwei unbekannten Größen (die xz³ und xz Gradientenfelder) und sind deswegen jeweils lösbar für die xz³- und xz-Werte. Solche Korrekturen sind in der Regel klein und benötigen keine zusätzli chen Meßpunkte oder Einschaltungen der entsprechenden Gradientenfelder, sondern sind in der Berechnungs phase der Linearkombination durchzuführen.

Die Tabelle 3 stellt ein effektives Meßprogramm zur Durchführung der Erfindung dar. Man fängt an z. B. bei z = -2 cm und Φ = 0° und mißt erst ohne und dann mit Einschaltung der xz³-Shimspule. Φ wird dann auf 90° verändert, und es wird nochmals ohne sämtliche Shimspulen und dann mit der yz³-Shimspule gemessen. Der Winkel wird danach auf 180° eingestellt und erst einmal ohne Shimspulen und danach mit Einschaltung der xz³-Spule gemessen, und schließlich bei 270° mit und ohne yz³. Das Feld wird dann bei z = -1 cm gemes sen und bei 0° erst einmal ohne Gradientspulen und dann mit der sukzessiven Einschaltung xz, xz² und (x²-y²)z gemessen. Alle Daten werden in dieser Weise systematisch gewonnen und der die Linearkombination bestimmende Rechenvorgang wird erst anschließend durchgeführt. Wie oben erwähnt, werden alle Messungen bei einem bestimmten radialen Abstand der zentralen Achse r beispielsweise bei r = 0,75 cm durchgeführt. Vorzugsweise wird dieser Meßvorgang erst durchgeführt nach Einstellung des z-Gradientfeldes in einer an und für sich bekannten Art und Weise. Selbstverständlich darf der Meßvorgang erst durchgeführt werden, nachdem die entsprechenden z = 0 und Φ = 0 Referenzpunkte festgestellt worden sind und zwar bezüglich der Gra dientenspulen in einer Art und Weise, die an und für sich bekannt ist.

Messungen auch bei größerem oder sogar veränderlichem Radius r und/oder Abstand z können selbstverständlich durchgeführt werden, um eine verbesserte Empfindlich keit bezüglich bestimmter Gradientenfelder zu gewin nen, insbesondere für die Gradienten höherer Ordnung anhand ihrer stärkeren r bzw. z-Abhängigkeiten.

Fig. 3 ist ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfah rens. Zunächst stellt man in einer an und für sich bekannten Art und Weise die z = 0 (Schritt 1) Ebene fest. Danach wird in einem Schritt 2 der z-Shim opti miert. Falls die Feldmessungen anhand des Kernspinre sonanzverfahrens (NMR) gewonnen werden, ist diese Op timierung durch die Einstellung einer möglichst schmalen NMR-Resonanz-Linienbreite geschaffen. Nach der Feststellung in einer an und für sich bekannten Art und Weise beim Schritt 3 der Φ = 0 Position wird begonnen zu messen. Zunächst wird in einem Schritt 4 die erste von m zu messenden z-Ebenen eingestellt. Man beginnt, in Schritt 5 den ersten von n bei dieser z-Ebene zu messenden Winkeln zu messen. Zunächst wird in einem Schritt 6 eine Liste der l an diesem z, Φ Meßpunkt zu messenden Shimspulen ausgelesen. Es wird danach in Schritt 7 das Feld erst ohne Zuspeisen sämtlicher Normströme erfaßt. In Schritt 8 werden alle zu messenden Shimspulen sukzessive jeweils ein mal eingeschaltet, das Feld gemessen und dann wieder ausgeschaltet, bis die ganze Liste von den l zu mes senden Spulen abgetastet ist. In Schritt 9 wird fest gestellt, ob alle bei dieser Ebene abzutastenden Win kel fertig sind und wenn nicht, wird der nächste Win kel (Schritt 5) eingestellt, und bei diesem neuen Winkel n die anschließenden Schritte 6 bis 9 nochmal wiederholt, wobei im allgemeinen in Schritt 6 die Li ste der zu messenden Spulen bei diesem neuen Meßwin kel anders ist. Wenn alle zu messenden Winkel fertig sind, vergleicht man in Schritt 10, ob alle zu mes senden Ebenen durchgeführt worden sind. Wenn nicht, wird die nächste Ebene eingestellt (Schritt 4) und die entsprechenden Winkel und Meßwerte gewonnen. Bei Schritt 11 sind alle Meßwerte gewonnen und man baut die verschiedenen Linearkombinationen zusammen und rechnet die Sollströme der verschiedenen Shimspulen aus. In einem Schritt 12 werden die Soll-Werte der P Shimspulen eingestellt.

Ein Vergleich zwischen dem erfindungsgemäßen Meßver fahren (OSAM) und den endgültigen, durch ein an schließend durchgeführtes Shimverfahren gemäß bei spielsweise Chmurny und Hoult gewonnenen Sollstrom werten für die tesseral-harmonischen Shimspulen eines 500 MHz-Kernspinresonanz-Magnetsystems ist der Ta belle 4 zu entnehmen. Die relative Differenz zwischen den nach OSAM eingestellten und den vollständig opti mierten Werten ist aufgelistet. Mit dem OSAM-Verfah ren gewinnt man in einer schnellen und wiederholbaren Art und Weise Sollstromwerte, die den optimierten Werten sehr naheliegen, ohne die langwierigen zusätz lichen Einstellmaßnahmen, die wiederum zu den bezüg lich des Standes der Technik oben erwähnten Schwierig keiten führen.

Tabelle 2

Tabelle 4

Claims

1. Verfahren zum Einstellen der Sollstromwerte I_i von Shimspulen eines Shim-Systems, um einem Hauptfeld H⁰() eines Magneten mit einem Zentrum =0, das auf einer parallel zum Hauptfeld verlaufenden zentralen Achse liegt, eine Anzahl i von den Shimspulen erzeugter Shimfelder H_i() zu überlagern, wobei die i Shimfelder H_i() jeweils einem Entwicklungsterm des Hauptfeldes nach orthogonalen Funktionen entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Shimfeld Raumpunkte _j, an denen das Shimfeld anhand der Symmetrieeigenschaften der entsprechenden orthogonalen Funktion eine große Amplitude aufweist, ausgewählt sind, daß an den ausgewählten Raumpunkten das dort wirksame Magnetfeld einmal ohne und einmal mit sukzessivem Einspeisen eines Normstroms N in jeweils eine der für den jeweiligen Raumpunkt vorbestimmten Shimspulen erfaßt wird, und daß die Sollstromwerte I_i der Shimspulen durch Linearkombinationen L⁰_i bzw. L_i der Haupt- bzw. Shimfelder gewonnen werden, wobei die Linearkombinationen mit gemeinsamem Koeffizienten a_ji so ausgewählt sind, daß sie überwiegend eine Abhängigkeit von jeweils nur einem Shimfeld H_i() aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Sollstromwerten I_i gespeisten Shimspulen Shimfelder erzeugen, die Teil eines neuen Hauptfeldes für eine sukzessive Wiederho lung des Shimverfahrens sind.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollstromwerte durch die Gleichung festgelegt sind, wobei N den Normstrom bezeichnet und L_i ^N der mit dem Normstrom N erfaßten Shimfeld-Linearkombina tion entspricht.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte in ei nem konstanten radialen Abstand zur zentralen Achse angeordnet sind.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte sich in einer zum homogenen Magnetfeld senkrechten und das Zentrum einschließenden Zentralebene und/oder in beiden zur Zentralebene spiegelsymmetrisch versetzten und parallelen Teilebenen mindestens eines ersten Ebenen-Paars befinden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum ersten Ebenen-Paar paralleles zweites Ebenen-Paar vorgesehen ist, das vom Zentrum wei ter versetzt ist als das erste Ebenen-Paar.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Shimspule zugeordneten und in einer Ebene liegenden Meß punkte zur zentralen Achse azimutale Winkel mit gleichen Abständen aufweisen.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte zur zentralen Achse azimutale Winkel von 0, 30, 45, 60, 90, 120, 135, 150, 180, 210, 225, 240, 270, 300, 315, und 330 Grad aufweisen.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte zur zentralen Achse azimutale Winkel bei bestimmten Winkel-Graden aufweisen und daß bei 0 Grad Meß werte für eine xz³ , xz, xz², (x²-y²)z, x, (x²-y²), xz², und/oder x³ Shimspule, bei 30 Grad für eine y³ Shimspule, bei 45 Grad für eine xyz und xy Shimspule, bei 60 Grad für eine x³ Shimspule, bei 90 Grad für eine yz³ , yz, yz², (x²-y²)z, y, (x²-y²), yz², und/oder y³ Shimspule, bei 120 Grad für eine x³ Shimspule, bei 135 Grad für eine xyz und/oder xy Shimspule, bei 150 Grad für eine y³ Shimspule, bei 180 Grad für eine xz³ , xz, xz², (x²-y²)z, x, (x²-y²), xz², und/oder x³ Shimspule, bei 210 Grad für eine y³ Shimspule, bei 225 Grad für eine xyz und/oder xy Shimspulen, bei 240 Grad für eine x³ Shimspule, bei 270 Grad für eine yz³, yz, yz², (x²-y²)z, y, (x²-y²), yz², und/oder y³ Shimspulen, bei 300 Grad für eine x³ Shimspule, bei 315 Grad für eine xyz und/oder xy Shimspule, und bei 330 Grad für eine y³ Shimspule erfaßt werden.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorange henden Ansprüche in der Kernspinresonanz-Spek troskopie.

11. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorange henden Ansprüche in der Kernspinresonanz-Tomo graphie.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte des Haupt- bzw. Magnetfeldes anhand der Kernspinreso nanz (NMR) erfaßt werden.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollstromwerte Anfangswerte eines weiteren Shimverfahrens wer den.