DE4237011A1

DE4237011A1 -

Info

Publication number: DE4237011A1
Application number: DE4237011A
Authority: DE
Inventors: Leon San Francisco Calif. Us Kaufman; Joseph W. Kensington Calif. Us Carlson; Richard Farmingdale N.Y. Us Gran
Original assignee: University of California
Current assignee: University of California
Priority date: 1991-11-01
Filing date: 1992-11-02
Publication date: 1993-05-06
Also published as: US5227728A; JPH0638943A

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen magnetische Resonanzabbildung (MRI, magnetic resonance imaging) unter Ausnutzung nuklearmagnetischer Resonanz- (NMR, nuclear magnetic resonance) Phänomene. Sie betrifft insbesondere die Regulierung von Ansteuerungsschaltungen für Gradientenspulen und/oder andere Elektromagnetspulen, welche als Ergänzung des nominal statischen Hauptmagnetfeldes B_o einer Haupt magnetstruktur verwendet werden.

Diese Erfindung kann als allgemein auf wenigstens folgende frühere, gewöhnlich übertragene US-Patente und/oder Patentanmeldungen bezogen verstanden werden:

1. US-Patent Nr. 47 55 755, am 5. Juli 1988, Carlson mit dem Titel "Compact Transverse Magnetic Gradient Coils and Dimensioning Method Therefor" erteilt;
2. US-Patent Nr. 48 29 252, am 9. Mai 1989, Kaufman mit dem Titel "MRI System With Open Access to Patent Image Volume" erteilt;
3. US-Patent Nr. 48 85 542, am 5. Dezember 1989, Yao et al. mit dem Titel "MRI Compensated for Spurious NMR Frequency/Phase Shifts Caused by Spurious Changes in Magnetic Fields During HMR Data Measurement Processes" erteilt;
4. US-Patent Nr. 49 70 457 - Kaufman et al., am 13. November 1990 unter dem Titel "MRI Compensated for Spurious Rapid Variations and Static Magnetic Field During a Single MRI Sequence" erteilt;
5. US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/6 59 181, angemeldet am 22. Februar 1991 von Kaufman et al. unter dem Titel "Method and Apparatus for Compensating Magnetic Field Inhomogeneity Artifact in MRI";
6. US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/7 02 428, angemeldet von Carlson et al. am 20. Mai 1991 (als CIP mit der Seriennummer 07/6 88 131, angemeldet am 19. April 1991, welche wiederum eine CIP ist mit der Seriennummer 07/6 86 622, angemeldet am 18. April 1991) mit dem Titel "Apparatus and Method for Stabilizing the Background Magnetic Field During MRI; und
7. US-Patentanmeldung Nr. 07/7 05 964, angemeldet von Kaufman et al. am 28. Mai 1991 mit dem Titel "NMR Relxometry Using Fixed HF Frequency Band."

Der vollständige Inhalt jeder oben erwähnter US-Patente und -Patentanmeldungen ist hiermit durch Bezugnahme inkorpo riert.

Magnetische Resonanzabbildungssysteme sind heutzutage von einer Anzahl von Quellen kommerziell verfügbar. Es gibt im allgemeinen mehrere in der Fachwelt bekannte Techniken. Einige exemplarische MRI-Techniken sind beispielsweise wiedergegeben in gewöhnlich übertragenen erteilten US -Paten ten der Nummern 42 97 637; 43 18 043; 44 71 305 und 45 99 565. Der Inhalt dieser erteilten Patente ist hiermit durch Bezugnahme inkorporiert.

In allen heute gewöhnlich verwendeten MRI-Systemen wird eine Hauptmagnetstruktur verwendet, um ein im wesentlichen gleich förmig homogenes Magnetfeld innerhalb eines beharrlichen Bildvolumens (patient image volume) entlang einer vorher bestimmten Achse bereitzustellen (beispielsweise der z-Achse eines gewöhnlichen x-, y-, z-Orthogonalkoordinatensystems). Wenn genau regulierte Gradientenmagnetfelder innerhalb des Bildvolumens hinblicklich verschiedener unterschiedlicher Achsen darauf gesetzt werden, können die erfaßbaren NMR- Charakteristiken der NMR-Kerne räumlich derart kodiert wer den (in Verbindung mit geeigneten HF-Nutationspulsen), um HF-Antworten zu erzeugen, welche erfaßt und verarbeitet wer den können, um zweidimensionale Matrizen von Displaypixel werten bereitzustellen (welche zwei- und/oder dreidimensio nale Bilder von NMR-Kernen innerhalb des beharrlichen Bild volumens repräsentieren). Jedoch bezieht sich die Genauig keit des MRI-Verfahrens direkt auf den Grad der Homogenität des statischen Feldes und den Grad von Linearität in den auferlegten Gradientenfeldern entlang der ausgewählten Ach sen (das Gradientenfeld ist idealerweise eine lineare Funk tion der Position hinsichtlich einer Achse und eine Kon stante als Funktion der Position hinblicklich der anderen orthogonalen Achsen innerhalb des beharrlichen Volumens). Zu dem Grad, zu welchem diese gewünschten Ziele von statischer Feldhomogenität und von Gradientenfeldlinearität entlang genau ausgewählter Achsen nicht erzielt wird, können Unge nauigkeiten und/oder Artifakte in dem resultierenden ange zeigten Bild erwartet werden. Dementsprechend sind früher erhebliche Bemühungen aufgewendet worden, um entweder diese Ziele zu erreichen oder Abweichungen von den Zielen zu korrigieren oder zu kompensieren.

Einige MRI-Systeme haben Hauptmagnetstrukturen, welche Per manentmagneten, Eisen und/oder andere ferromagnetische Ele mente in der relevanten Hauptmagnet-Magnetschaltung enthal ten. Beispielsweise wird ein Hauptmagnet offener Struktur mit relativ niedrigem Feld in dem MRI-Systementwurf verwen det, welcher in dem oben bezeichneten US-Patent 48 29 252 beschrieben ist. In solchen Strukturen zeigen die ferro magnetischen Komponenten Remanentmagnetisierung und Hyste reseeffekte als Ergebnis des Nachmagnetisierungswerdegangs (past magnetisation history). Dies kann eine Anzahl uner wünschter Wirkungen, so wie Bildverzerrung, Intensitäts variationen, Artifakte verschiedener Arten usw. verursachen. Supraleitende Magneten können ebenfalls Eisenrückfluß elemente beinhalten, welche Hysterese zeigen.

Remanent-Magnetisierung und Hystereseeffekte sind besonders störend hinblicklich der schnell folgenden Änderung der Erregung von Gradientenelektromagnetspulen. Beispielsweise werden gewöhnlich phasenkodierte Gradientenspulen (beispielsweise ausgerichtet, um einen Gradienten in der y- Achsen-Dimension zu erzeugen) typischerweise in 256 Stufen von einem Steuerungsimpuls eines maximalen positiven Werts bis zu einem maximalen negativen Wert (beispielsweise über 256 aufeinanderfolgende MRI-Daten sammelnde Zyklen) sequen tiell geordnet. Der erste große Impuls wird eine relative große Remanentmagnetisierung während der nächsten 127 fol genden Steuerungspulse kleinerer positiver Größe zurücklas sen. Da jedoch die Polarität des Steuerungspulses sich um kehrt, wird der Remanentgradient ebenso veranlaßt, umgekehrt zu werden und wird dann schrittweise in der Größe während des Restes der vollständigen Bildsequenz zu einem maximalen negativen Wert anwachsen. Sogar darüber hinaus für Gradien tenachsen, welche sich nicht während der vollständigen Bild sequenz in Größe oder Polarität verändern (beispielsweise entlang der x-Achse, welche typischerweise während des NMR- HF-Lesesignals erregt wird), verbleibt ein Remanentgradient irgendeiner Art, um möglicherweise eine folgende Bildsequenz zu verzerren.

Benachbarte oder Umgebungsveränderungen können ebenso uner wünschte Veränderungen des magnetischen Feldes eines MRI- Systems verursachen, beispielsweise lokale Veränderungen in dem Erdmagnetfeld oder lokale Magnetfeldveränderungen, welche durch lokale Bewegungen von großen magnetischen permeablen Massen (beispielsweise Aufzügen, Lokomotiven etc.) durch den Durchgang von großen lokalen elektrischen Strömen und ihren zugeordneten magnetischen Feldern (wie beispielsweise in den Ansteuerungsschaltungen von Aufzügen, Straßenbahnen, Zügen, Untergrundbahnen etc.) durch Verände rungen der Umgebungstemperatur und verbundenen Veränderungen von magnetischen Schaltungseigenschaften, Hystereseeffekten in magnetisch gekoppelten Körpern induziert werden. Dies alles sind potentielle Quellen von unerwünschten Abweichun gen von der optimalen Raumverteilung einer magnetischen Feldorientierung und -stärke innerhalb des beharrlichen Bildvolumens eines MRI-Systems während irgendeines gegebe nen Bildverfahrens oder über die historische Periode einer Systemsinstallation bei einer gegebenen Stelle oder Umge bungsbedingungen im Vergleich zwischen unterschiedlichen Stellen. Das letztere kann die Fähigkeit des genauen Ver gleichens von Bildern beeinträchtigen, welche an derselben Stelle über ausgedehnt getrennte Zeitintervalle genommen worden sind.

Gegenwärtig sind während der Installation eines MRI-Systems an einer bestimmten Stelle bei dem Versuch, derartige Schwierigkeiten zu minimieren, wesentlich Bemühungen erfor derlich. Besondere Sorgfalt muß gegenwärtig ebenso aufgewen det werden, um Qualität und Wiederholbarkeit bei der Magneterzeugung für MRI-Systeme zu gewährleisten. Viele be sondere Verarbeitungsschritte oder andere Vorsichtsmaßnahmen werden oft ebenso erfordert, um Zuverlässigkeit und Bild qualität auf genügend hohem Standard hinblicklich dieser laufenden Probleme vorzusehen. Dementsprechend existiert eine erhebliche Notwendigkeit auf eine umfassendere und effizientere Technik, um die möglichen ungünstigen Effekte von derartigen potentiellen Problemen zu minimieren.

Andere potentielle Quellen von ähnlichen Problemen sind Wir belströme, welche durch plötzliches Ändern von magnetischen Gradientenfeldern in umgebenden elektrisch leitenden Mate rialien erzeugt werden. Jeder versuchten Veränderung des magnetischen Gradientenflusses wird die Erzeugung von Wir belströmen in irgendwelchen nahegelegenen nicht abgeschirm ten Leitern zugeordnet sein, welche in Übereinstimmung mit dem Lenz-Gesetz magnetische Felder erzeugen wird, die der versuchten Veränderung des Gradientenfeldes entgegenstehen. Demgemäß ist es lange bekannt, daß eine Art Wirbelstrom kompensation in dem Ansteuerungsstrom, welche der Gradien tenspule zugeführt wird, enthalten sein muß.

Mit anderen Worten, ein konsistenter, verläßlicher Betrieb eines Magnetresonanzabbildungssystems hängt stark von der Erzeugung von nahezu idealen Gradientenflußimpulsen inner halb des Volumens, welches abgebildet werden soll, ab. Nahe gelegene elektrisch leitende Strukturen tragen dem Wesen nach Wirbelstromschleifen, wenn sie plötzlich geschalteten Gradientenfeldern ausgesetzt sind, was in verschiedene Ver zerrungen der gewünschten Raumverteilung des magnetischen Flusses resultiert. Derartige Wirbelströme, welche in ver schiedenen nahegelegenen metallischen Strukturen lokalisiert sind, nehmen auf eine Weise ab, welche charakteristisch einer Sammlung von etwa unterschiedlichen exponentiellen Zeitkonstanten sind. Nicht kompensiert würde die verbundene Zeitvariation, welche in dem Netzmagnetfluß erzeugt wird, welcher tatsächlich innerhalb des beharrlichen Bildvolumens vorliegt, hinreichend ernst sein, das Sektionsprofil und die Endebenenauflösung (end-plane resolution) des Abbildungssystems zu verzerren.

Als Konsequenz haben magnetische Resonanzbilder lange irgendeine Art der Kompensation verwendet, um die Effekte von derartigen Sekundärwirbelströmen zu reduzieren. Die gewöhnlichste frühere Technik ist ein offenes Schleifenrück kopplungssystem, wodurch der Gradientenfluß-Anforderungs impuls absichtlich anfänglich übersteuert ist (beispielsweise "vorverzerrt" in einer vorherbestimmten und vorkalibrierten Wellenform). Das Bestimmen der genauen Charakteristik einer derartigen Übersteuerung für eine bestimmte Installations stelle erfordert gegenwärtig erhebliche und langatmige Bemühungen. Eine frühere Lösung in Richtung einer Automati sierung dieses Prozesses ist in dem US-Patent Nr. 49 28 063 wiedergegeben, welches auf den 22. Mai 1990 datiert ist, mit dem Titel "Automatic Eddy Current Correction", wobei David L. Lampman et al. als Erfinder genannt sind. Wenn dieser mühevolle Prozeß hoffentlich einmal fertiggestellt ist, wird das Regulierungssystem mit offener Schleife die Gradienten spule auf die gerade richtige Art übersteuern, um danach alle induzierten Wirbelströme zu verhindern und in ein Netz aktuellen Flußfeldes, welches dem Ideal angenähert ist, zu resultieren.

Jedoch verbraucht diese Art der konventionellen System errichtung nicht nur anfänglich erhebliche Zeit (und danach in einem Beibehaltungsmodus), es ist tatsächlich unmöglich, eine vorherbestimmte Übersteuerungsspezifikation zu finden, welche geeignet sein wird, Wirbelströme unter allen folgen den Veränderungen der Betriebsbedingungen zu kompensieren. Wenn beispielsweise die Magnetstruktur ein kryogener supra leitender Magnet ist, variiert dann, wenn das Kryogenbrodeln weg ist (cryogen boils off), die Temperatur der verschie denen metallischen Leiterelemente, welche wiederum eine wesentliche Veränderung in dem spezifischen Widerstand und eine spürbare Veränderung in der Zeitantwort der Wirbel stromuntersysteme verursachen. Zukünftige Magnetentwürfe können die Bäder der Kryogene und das Angewiesensein auf kontinuierliches Kühlen durch externe Kühlapparate eliminie ren. Derartige Entwürfe können größere innewohnende Variatio nen im Wirbelstromverhalten mit dem Durchlaufen des Kühl apparates haben.

Des weiteren folgen räumliche Variationen in den Wirbel stromfeldern oft nicht genau dem Gradientenspulenflußfeld. Der zusätzliche Strom, welcher zur Kompensation der Wirbel ströme benötigt wird, ist a priori abhängig von der räumli chen Position. Daher kann man nicht erfolgreich vollständig die Wirbelstromeffekte in einem vollständigen Raumgebiet durch die offene Schleifenkompensation einer einzigen Spule eliminieren.

Es ist, kurz gesagt, tatsächlich für ein einfaches offenes Schleifenkompensationssystem unmöglich, exakt die Wirbel stromeffekte zu korrigieren. Eine typische Übersteuerungs kompensation ist verbunden mit einem Stromüberschuß von nahezu 20% mit einer Abnahme auf einen asymptotischen "Stabilzustands"-Wert, welcher mit zwei oder drei Zeit konstanten plus einem ähnlichen Unterschuß verbunden ist, wenn der Ansteuerungsimpuls abgeschaltet wird, und mit einem ähnlichen Viel-Zeitkonstanten-Abfall auf den asymptotischen Stromzustand.

Eine wenig gebräuchliche, aber etwas bessere Technik zur Reduzierung ungünstiger Wirbelstromeffekte ist, eine Hüll spule um die Gradientenspulen zu wickeln. Obwohl dies im wesentlichen den Effekt von irgendwelchen Wirbelströmen eli minieren kann (beispielsweise von jenen, welche in die Aluminium-Kryogen-Behälter induziert worden sind), nimmt es einen erheblichen zusätzlichen Teil des verfügbaren Magnetausbohrungsraums ein, wodurch eine wesentliche Abnahme des Zugriffs auf das Bildvolumen bei Hinzufügung von wesent lichen Kosten, Gewicht usw. dem gesamten MRI-System erzielt wird.

Als Teil der langatmigen Errichtungsprozedur, welche nun für die Installation eines MRI-Systems an einer bestimmten Stelle erfordert wird, ist oft eine erhebliche Aufwendung gegeben, die Gradientenspulen in einem Versuch zu zentrie ren, um asymmetrische Wirbelstromeffekte zu vermeiden. Wenn die Wirbelströme im wesentlichen asymmetrisch sind, kann es keine nach dem Stand der Technik bekannte Technik geben, sie adäquat zu kompensieren.

Wir haben nun mehrere Verbesserungen für Gradienten ansteuerungsregulierschaltungen in magnetischen Resonanzbildsystemen entdeckt, welche viele der oben erwähnten Probleme wesentlich vermindern oder wenigstens verbessern. Kurz zusammengefaßt, eine Realzeit- Rückkopplungsregulierung mit geschlossener Schleife wird den Gradientenspul- (und vielleicht ähnlicher anderer Spule) Treibern in einem MRI-System bereitgestellt. Das Netz aktuellen Gradientenflusses (welches beispielsweise Hysterese und Wirbelstromeffekte beinhaltet) wird während der Abbildungsprozedur auf Realzeitbasis überwacht. Der abgetastete Netzflußeingang wird dann einem Integral- Rückkopplungskontroller für jeden Spulensteuerkanal präsentiert, um den Spulenansteuerungsstromimpuls wie benötigt auf Realzeitbasis zu modulieren, um beizubehalten, welch auch immer gewünschter konstanter Gradientenwert dann von der Haupt-MRI-Systemregulierung angefordert wird (zum Beispiel typischerweise eine feste Gradientenpulsgröße und Polarität für eine gegebene Zeitdauer).

Die Flußüberwachungsspulen sind in einer vorliegenden bevorzugten Ausführungsform nach den Gradientenspulen gemustert. Beispielsweise können geeignet ausgerichtete Sätze von Sattelspulen des Golay-Sortiments, Helmholtz- und/oder Maxwell-Spulenkonfigurationen (vgl. beispielsweise das betreffende US-Patent Nr. 47 55 755 - Carlson, auf welches oben Bezug genommen worden ist) in einer Solenoidgeometrie verwendet werden, welche typisch ist für kryogene supraleitende Magneten. Scheibenspulen (pancake D shaped) und zirkulare Gradientenspulen können für Permanentmagnetstrukturen offener Struktur verwendet werden (vgl. beispielsweise US-Patent 48 29 252 - Kaufman, oben zitiert). Die Gradientenfluß abtastenden Spulen müssen natürlich derart angeordnet und/oder dimensioniert sein, um ein unterschiedliches physikalisches Volumen als die aktuellen Gradientenfluß erzeugenden Spulen einzunehmen.

Für eine solenoidisch kryogene supraleitende Magnetstruktur können die Gradientfluß abfragenden Spulen vorzugsweise einen leicht reduzierten Radius im Vergleich zu den Gradientenfluß erzeugenden Spulen aufweisen, so daß die flußabfragenden Spulen nahe angeordnet sein können gerade innerhalb der gewöhnlichen Gradientenspulenstruktur. Es sollte bemerkt werden, daß in den gegenwärtig bevorzugten examplarischen Ausführungsformen typischerweise eine einzige Windung für jede der flußabfragenden Spulen verwendet wird. Da der Leiter der flußabfragenden Spule einer Windung keine starken Ströme durchlassen muß, kann ein sehr kleiner Leitungsquerschnitt verwendet werden (beispielsweise kann ein 0,010 bis 0,020 Inch auf 0,25 bis 0,5 Inch Kupferstreifen verwendet werden). So wird nur ein leichtes weiteres Eindringen in den Magnetausbohrungsraum erfordert und es wird keine wesentliche weitere Beschränkung auf das beharrliche Bildvolumen oder den Zugriff auf dasselbe erfordert. D. h., die flußabfragenden Spulen können in dieser Ausführungsform außerhalb des beharrlichen Bildvolumens angeordnet sein.

Um eine geeignete Balance zwischen den verschiedenen wechselseitigen Induktivitäten (beispielsweise der magnetischen Kopplung) zwischen den flußabfragenden Spulen und den flußerzeugenden Spulen einerseits und dem Wirbelstrom/Hysteresefluß auf der anderen Seite zu erlangen, kann es notwendig sein, leicht die flußabfragenden Spulen in Bezug zu den flußerzeugenden Spulen einzustellen (wodurch die wechselseitige Induktivität zwischen diesen zwei Sätzen von Spulen etwas erhöht oder erniedrigt wird). Eine wechselseitige Induktivität in einer typischen supraleitenden Geometrie kann durch Variieren der Größe und/oder der Anordnung der Sensorschleife entlang der Achse des Zylinders eingestellt werden.

Obwohl die vorzugsweise exemplarische Ausführungsform flußabfragende Spulen verwendet, welche eine wesentliche Nachbildung der Gradientenfluß erzeugenden Spulen sind (insoweit wie es den Ort der Wicklungsleiter betrifft), kann der Netzmagnetfluß innerhalb des beharrlichen Bildvolumens durch andere abfragende Anordnungen überwacht werden. Beispielsweise können matrixartig angeordnete Hall-Effekt- Sonden, Flußgattermagnetometer, konventionelle Pickup- Schleifen usw. derart strategisch mit den Ausgängen geeignet kombiniert angeordnet werden, um Veränderungen entlang einer gegebenen Achse von einem anfänglichen oder gewünschten magnetischen Flußzustand zu erfassen. Neben dem Angeordnetsein um den Rand enthalten andere Möglichkeiten die Verwendung einer Matrix von kleinen Pickup-Schleifen an einer unauffälligen Stelle innerhalb des beharrlichen Gebiets (patient region), z. B. angeordnet innerhalb des beharrlichen Bettes (patient bed).

Wie nun ersichtlich sein sollte, kann ein derartiges Realzeit-Regulierungssystem mit geschlossener Schleife ebenso eine wesentliche Korrektur zum Verändern von Gradientenfeldern, welche durch Umgebungsstörungen oder ähnliches induziert werden, bereitstellen. Des weiteren kompensiert das Rückkopplungssystem mit geschlossener Schleife laufende Veränderungen in der Magnetstruktur (z. B. als Funktion der Beendigung des Kryogen-Brodelns (cryogen boil-off), Umgebungstemperaturveränderungen, Umgebungsmagnetfeldänderungen usw.). Durch ein Abnehmen der Notwendigkeit von Gradientenspulansteuerungseinstellungen und durch Reduzieren der Genauigkeit der erforderten Gradientenspulzentrierung während anfänglicher MRI-System- Einrichtungen wird nicht nur die Systemdurchführung materiell verbessert (beispielsweise durch Beibehaltung der Genauigkeit der Wirbelstromkompensation sogar bei Magnetdrift oder Veränderung in der Verstärkercharakteristik usw.), sondern werden ebenfalls als Ergebnis die Kosten erheblich reduziert. Des weiteren können räumliche Ungleichförmigkeiten der Wirbelstromverteilungen kompensiert werden.

Typische MRI-Systeme können ebenso ein Helmholtz-Spulenpaar enthalten, um kleinere Einstellungen in dem "gleichförmigen" Feld vorzunehmen. Das Realzeit- Rückkopplungsregulierungssystem mit geschlossener Schleife gemäß dieser Erfindung kann ebenso vorteilhaft verwendet werden, um solche "gleichförmigen" Feldspulen oder andere Elektromagnetspulen, welche in dem MRI-System verwendet werden, zu regulieren (um beispielsweise zeitabhängige Anomalitäten zu reduzieren). Obwohl es keinen innewohnenden Grund gibt, daß Rückkopplung mit geschlossener Schleife die Notwendigkeit einer Gradientenspulzentrierung eliminieren wird, stellt der zusätzliche gleichförmige Feldkanal eine andere Dimension regulierter Kompensation bereit. Für eine vernünftige Annäherung erscheint eine Gradientenspule, welche zu niedrig in dem Hauptmagnet angeordnet ist, um ein Gradientenfeld entlang der y-Dimension und ein Wirbelstromfeld zu erzeugen, welches die Summe einer gleichförmigen Komponente und einer Gradientenkomponente entlang y ist. Da es jedoch ebenso einen Sensor für ein gleichförmiges Feld gibt, kann diese Komponente ebenso gemessen und für diese Verunreinigung durch geeignetes Ansteuern des gleichförmigen Feldtreibers korrigiert werden.

In den vorliegenden vorzugsweisen exemplarischen Ausführungsformen wird das analoge flußabfragende Signal für jede der Elektromagnetspulen, welche getrennt reguliert werden sollen, in digitale Form umgewandelt. Ein gemeinsam benutzter digitaler Signalprozessor (beispielsweise ein geeignet programmierter Digitalrechner) kann dann unter den unterschiedlichen Regulierungskanälen zeitlich verzahnt werden. Derselbe digitale Signalprozessor empfängt digitale Flußanforderungssignale von dem MRI- Systemregulierungscomputer (beispielsweise die Anforderung der Erzeugung eines gleichförmigen oder linearen magnetischen Gradientenflusses innerhalb des beharrlichen Bildvolumens zu einer bestimmten Zeit und Konstanthaltung bis weiter instruiert), welche ebenso für jeden Gradientenregulierungskanal zugeführt werden. Dann vergleicht der digitale Signalprozessor den abgefragten aktuellen Netzfluß mit dem angeforderten Fluß und leitet ein geeignetes Rückkopplungsregulierungssignal derart her (beispielsweise in Übereinstimmung mit einer einfachen Integralrückkopplungssteuerung), um den benötigten Eingang zu der Stromzuführungsquelle für die geeignete Elektromagnetspule zu erzeugen. Wenn, was gewürdigt wird, ein solches Realzeit-Rückkopplungssystem mit geschlossener Kurve eine hinreichend schnelle Zeitantwort besitzt, wird es automatisch die "richtige" Größe und Abklingzeit des Überschusses zur Folge haben, wenn ein neues Flußgradientenfeld initiiert wird, und den "richtigen" Unterschuß, wenn der Flußgradientenfeldimpuls beendigt wird. Natürlich kann ebenso eine vollständig analoge flußangesteuerte Elektromagnetansteuerungsregulierung mit geschlossener Schleife verwendet werden.

Eine Erweiterung dieses Verfahrens kann eine Serie von Flußsensoren verwenden, um räumliche Inhomogenitäten des Wirbelstromflußfeldes zu überwachen. Ein Satz kleiner Feldspulen höherer Ordnung könnte dann nach Art einer Realzeit-Rückkopplung mit geschlossener Schleife angesteuert werden, um die erfaßten räumlichen Ungleichförmigkeiten der Wirbelstromflußfelder zu entfernen, und auf diese Weise einen höheren Grad von Wirbelstromkompensation über ein großes Volumen erreichen. Alternativ könnte ein Satz solcher Kompensationsspulen höherer Ordnung mit einer offenen Schleifenansteuerung, welche auf früher gemessenen Feldinhomogenitäten basiert, angesteuert werden. Diese Kompensation höherer Ordnung sollte ebenso eine spürbare Reduktion von zurückbleibenden Wirbelstromeffekten über ein relativ großes Volumen erzielen.

Diese und ebenso andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden vollständiger verstanden und gewürdigt durch sorgfältiges Studium folgender detaillierter Beschreibung der vorliegenden vorzugsweisen exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen, wobei

Fig. 1 ein vereinfachtes schematisches Gesamtdiagramm eines MRI-Systems unter Verwendung einer Realzeit- Rückkopplungsregulierung mit geschlossener Schleife der Gradientenspulentreiber gemäß einem Aspekt der Erfindung darstellt;

Fig. 2A bis 2C schematische Darstellungen von verschie denen flußerzeugenden Spulen darstellen, welche typischer weise in Verbindung mit einer kryogen supraleitenden solenoidischen MRI-Magnetkonfiguration verwendet werden;

Fig. 3 ein schematisches Bild der kalibrierenden Einstellung zwischen den Gradientenfluß erzeugenden Spulen und den Gra dientenfluß abfragenden Spulen darstellt, welche in einigen Implantationen der Erfindung erfordert werden können;

Fig. 4 ein schematisches Diagramm darstellt, welches nützlich ist zur Illustrierung der wechselseitigen Induktivität und/oder der magnetischen Kopplung zwischen der Gradienten fluß abfragenden Spule und der Gradientenfluß erzeugenden Spule einerseits und dem magnetischen Fluß andererseits, welcher durch die Wirbelströme erzeugt worden ist;

Fig. 5 ein vereinfachtes schematisches Diagramm einer Mehrkanal-Realzeit-Rückkopplungsregulierung mit geschlosse ner Schleife für ein Gradientenansteuerungssystem in einem typischen MRI-System gemäß der Erfindung darstellt;

Fig. 6 ein vereinfachtes Flußdiagramm eines möglichen Pro gramms für den digitalen Signalprozessor oder den Rückkopp lung verarbeitenden Rechner von Fig. 5 darstellt; und

Fig. 7 ein schematisches Bild eines Kanals einer Realzeit- Gradientenspulen-Rückkopplungsregulierung mit geschlossener Schleife gemäß der Erfindung unter Verwendung eines konven tionellen Gradientenkontrollers darstellt.

Fig. 1 zeigt schematisch ein typisches MRI-System. In dem Magnet- oder "Faßlager"-Raum ("gantry" room) erzeugt ein Hauptmagnet 100 ein nominal statisches, nominal gleichförmi ges, magnetisches Feld B_o innerhalb eines beharrlichen Bild volumens. In dieser Ausführungsform, welche in Fig. 1 darge stellt ist, besteht der Hauptmagnet 100 aus einer zylindri schen solenoidischen Konstruktion (beispielsweise aus einem kryogenen supraleitenden Solenoid). Wie die Fachwelt würdi gen wird, sind andere Magnetkonfigurationen (welche beispielsweise Permanentmagnetstrukturen enthalten, welche entgegengesetzte Polstücke oberhalb und unterhalb des beharrlichen Bildvolumens aufweisen) ebenso konventionell bekannt und können in typischen MRI-Systemen verwendet wer den.

Zwischen der Hauptmagnetstruktur 100 und dem beharrlichen Bildvolumen befinden sich Sätze von Gradientenfluß erzeu genden Spulen 102. Typischerweise sind Spulen zum Erzeugen von linearen Gradienten in dem statischen B_o-Feld entlang des gewöhnlich orthogonalen Koordinatensystems x, y, z ent halten (beispielsweise Gradientenfelder G_x, G_y, G_z). Eine sogenannte "gleichförmige" flußerzeugende Spule kann ebenso enthalten sein, um bei der Kalibrierung des netzeffektiven Magnetflußfeldes B_o innerhalb des beharrlichen Bildvolumens behilflich zu sein. In Fig. 1 und irgendwo in dieser Beschreibung wird ein solches "gleichförmiges" Feld durch den Verweis δB₀ bezeichnet.

Eine schematische Darstellung eines typischen Satzes von Sattelspulen zur Erzeugung von G_y ist in Fig. 2A darge stellt. Ein identischer Satz von Sattelspulen, welcher um 90° gedreht ist, wird typischerweise verwendet, um G_x zu erzeugen. Die Gradientenfluß erzeugenden Bogenpositionen dieser Sattelspulen enthalten aktuell viele Wicklungen von elektrischen Leitern, welche einen wesentlichen Querschnitt aufweisen. Die G_x- und G_y-Sattelspulen sind typischerweise in einer gemeinsamen zylindrischen Isolierungsstruktur mit der G_z-Maxwell-Spule (Fig. 2C) und der δB_o-Helmholtz-Spule (Fig. 2B) enthalten. Die radiale Dicke dieser zusammen gesetzten zylindrischen Gradientenspulenstruktur kann in der Größenordnung von 2 bis 3 Inches bei typischen Installatio nen liegen.

Jede der G_x-, G_y-, G_z-, δB_o-Elektromagnetspulen wird durch ihre eigene regulierbare Leistungsversorgungsquelle ange steuert. Die regulierbaren Stromtreiber für jede Spule müssen mit dem genau richtigen Betrag des Stroms zur genau richtigen Zeit angesteuert werden, um das zu erzeugen, was hoffentlich ein im wesentlichen gleichförmiges oder lineares Gradientenfeld innerhalb des beharrlichen Volumens ist. Der Fluß wird hoffentlich "ein" -geschaltet auf eine vorherbe stimmte und gewünschte Größe zu der genau richtigen Zeit und dann genau "ab"-geschaltet zu einer anderen gewünschten Zeit oder im wesentlichen unverzüglich zu einer gewünschten Größe eines umgekehrten Polaritätsstroms usw. geschaltet. An die sem Ende sind die getrennt steuerbaren G_x-, G_y-, G_z- und δB_o-Gradientenstromtreiber 104 geeignet an ihre jeweiligen Elekromagnetspulensätze 102 geschaltet, wie in Fig. 1 darge stellt.

Das gesamte MRI-Verfahren wird typischerweise durch einen Regulierungsrechner 106, wie in Fig. 1 dargestellt, regu liert. Beispielsweise kommunizieren der gewöhnliche Hoch frequenzsender 108 und Empfänger 110 über einen T/R-Schalter 112 mit einer oder mehrerer HF-Spulenstrukturen, welche eng an den geeigneten Teil eines beharrlichen Bildvolumens ge koppelt sind. Die NMR-HF-Antworten werden typischerweise verstärkt und digital abgetastet, bevor sie einem Abbil dungscomputer 114 (welcher ebenso der Kontrolle des System kontrollers 106 unterliegt), bereitgestellt werden. Nachdem eine geeignete MRI-Sequenz fertiggestellt worden ist (was mehrere Sekunden oder sogar mehrere Minuten beanspruchen kann), werden alle nötigen Bilddaten erlangt worden sein und durch den Bildcomputer 114 derart verarbeitet worden sein, um ein geeignetes Bild an der Kontrollkonsolenanzeige 116 zu erzeugen (oder an einer anderen geeigneten Anzeige oder peripheren Filmaufzeichnungsvorrichtungen, wie es von der Fachwelt gewürdigt werden wird). Typischerweise enthält die Kontrollkonsole 116 ebenso eine geeignete Tastatur zur Regu lierung des Regulierungscomputers 106 und wiederum alle an deren regulierbaren Aspekte der MRI-Prozedur.

Ein Aspekt der MRI-Prozedur, welcher sorgfältig durch den Regulierungscomputer 106 reguliert werden muß, ist die zeit lich festgelegte Sequenz von Gradientenflußimpulsen. Digi tale Flußanforderungssignale für jede der verschiedenen elektromagnetischen Gradientenspulen 102 wird durch den Regulierungscomputer 106 auf einem Bus 118 einem Realzeit- Gradientenflußsensor-Rückkopplungsverarbeitungscomputer 120 bereitgestellt. (Alternativ kann der Rückkopplungsverarbei tungscomputer 120 als Teil des Regulierungscomputers 106 enthalten sein oder kann durch getrennte konventionell ana loge Rückkopplungsschaltungen bewirkt werden.)

Beispielsweise an einem gewünschten Punkt in einer Ab bildungssequenz kann der Regulierungscomputer 106 eine digi tale Anforderung auf dem Bus 118 für eine vorherbestimmte Größe des positiven G_y-Flusses senden - welcher Fluß bei einem konstant linearen Gradientenwert aufrechterhalten wer den soll bis weiter angefordert oder für irgendein spezifi ziertes Intervall.

In der exemplarischen Ausführungsform von Fig. 1 werden die Gradientenrückkopplungsspulen 122 in einer relativ dünnen zusammengesetzten Zylinderstruktur bereitgestellt, welche gerade innerhalb der Gradientenspulen 102 angeordnet sind. Die flußabfragenden Spulen sind in dieser exemplarischen Ausführungsform im wesentlichen außerhalb des beharrlichen Volumens angeordnet. In dieser exemplarischen Ausführungs form kopiert das Muster jeder flußabfragenden Spule das Muster seiner entsprechenden flußerzeugenden Spule (beispielsweise die Sattelspulensätze für jeweils die G_x- und G_y-, die Helmholtz- und Maxwell-Spulensätze für die δB_o- und die G_z-Flußfelder). Da jedoch nur eine einzige Wicklung des relativ leichtgewichtigen dünnen Leitungsstreifens für jede flußabfragende Spule verwendet wird, benötigt das gesamte zylindrische Paket von Rückkopplungsspulen 122 nicht viel zusätzlichen Raum innerhalb des Hauptmagneten 4.

Die vom aktuellen Netz abgefragten Flüsse für G_x, G_y, G_z und δB_o werden ebenso auf diese Weise als Eingänge dem Realzeit- Flußsensor-Rückkopplungsverarbeitungscomputer 120 präsen tiert. Diese werden jeder jeweils mit dem geeigneten Fluß anforderungssignal verglichen, welches durch den Regulie rungscomputer 106 derart bereitgestellt ist, um die erfor derlichen Fehlerregulierungsausgänge 124 den Stromtreibern 104 zu erzeugen - wodurch vier unabhängige Realzeit-Rück kopplungsregulierungssysteme mit geschlossener Schleife fer tiggestellt werden.

Wie schematisch in Fig. 4 dargestellt, wird eine gegebene flußabfragende Spule eine wechselseitige Induktivität (beispielsweise magnetische Kopplung) zu seiner jeweiligen flußerzeugenden Spule 1 und dem magnetischen Fluß aufweisen, welcher durch die Wirbelströme 2 erzeugt worden ist. Wenn die wechselseitige Kopplung zwischen diesen drei Elementen nicht geeignet ausbalanciert ist, kann dann die Rückkopp lungsregulierung nicht geeignet kalibriert werden (sie kann beispielsweise konsistent leicht weniger oder leicht mehr aktuellen Netzmagnetfluß erzeugen, als gegenwärtig durch den Regulierungscomputer 106 angefordert wird). Zum Beispiel kann die wechselseitige Kopplung M₁₃ stärker sein als die wechselseitige Kopplung M₂₃, wenn die flußabfragende Spule 3 mit der flußerzeugenden Spule 1 exakt ausgerichtet ist. Bei kürzlich durchgeführten Experimenten unter Verwendung von nur y-Gradienten-Rückkopplungsregulierung ist beispielsweise bemerkt worden, daß, wenn das Zentrum der flußabfragenden Spulen axial genau mit dem Zentrum der flußerzeugenden Spule übereinstimmend war, der aktuelle netzerzeugte Fluß konsi stent um etwa 4% geringer als durch den Regulierungscomputer angefordert war. Es wurde jedoch entdeckt, daß durch leichtes Reduzieren der wechselseitigen Kopplung M₁₃ (bei spielsweise durch Bereitstellen eines Kalibrierungsoffsets zwischen dem Zentrum 300 der flußerzeugenden Spulen und dem Zentrum 302 der flußabfragenden Spulen (von beispielsweise etwa 2 Inches)) die relativen wechselseitigen Induktivitäten in dem System geeignet derart ausbalanciert werden konnten, um das Realzeit-Rückkopplungsregulierungssystem mit geschlossener Schleife zu veranlassen, genau und konsistent im wesentlichen exakt das Netzflußfeld zu erzeugen, welches zu irgendeiner gegebenen Zeit durch den Regulierungscomputer 106 angefordert worden ist.

Wenn verteilte Gradientenspulenstrukturen verwendet werden, kann die wechselseitige Kopplung zu den flußabfragenden Spu len dem Wesen nach derart ausbalanciert werden hinblicklich der Wirbelstromoberfläche, um nicht eine Kalibrierungs einstellung zu erfordern. Wenn vorzugsweise die wechselsei tigen Induktivitäten nicht ausbalanciert werden, kann die Form und/oder die Lage der Flußsensorschleife derart modifi ziert werden, um ausbalancierte Induktivitäten bereitzustel len. Der beste Weg, den Sensor zu modifizieren, hängt von spezifischen Details des Gradientenspulenentwurfs ab und kann verbunden mit Versuchs- und Irrtumsmodifikationen sein. Natürlich sollte es möglich sein, eine Kalibrierung durch einfaches Veranlassen des Regulierungscomputers 106 zu er zielen, das Flußanforderungssignal mit Kompensation für solch ein konsistentes Übermaß oder Mangel zu erzeugen, wenn die wechselseitige Induktivität zwischen den verschiedenen Teilen der relevanten magnetischen Schaltungen nicht ge eignet ausbalanciert sind.

Ein etwas detaillierteres exemplarisches schematisches Dia gramm einer Realzeit-Flußsensor-Rückkopplungsverarbeitungs schaltung 120 ist in Fig. 5 dargestellt. Hier gibt es einen getrennten Eingangsverarbeitungskanal für jeden der fluß erzeugenden Elektromagnetspulensätze (beispielsweise G_x, G_y, G_z und δB_o). Obwohl, wie oben bemerkt, in der examplarischen Ausführungsform für jeden Kanal nur eine einzige flußabfra gende Spule verwendet wird, können andere Ausführungsformen zusätzliche flußabfragende Spulen mit ihren analogen Ausgän gen kombiniert mit geeigneter Gewichtung (weighting) an den Summierungsknoten 500a-500d jeweils verwenden. Geeignete Impedanzisolation und/oder Verstärkung wird jeweils in jedem Kanal durch Pufferverstärker 502a-502d bereitgestellt. Die Analogsignale in jedem Kanal werden dann jeweils in Digital form durch A-D-Konverter 504a-504d umgewandelt, bevor sie als Eingänge einem rückkopplungsverarbeitenden Computer 506 präsentiert werden. Wie gewürdigt werden wird, kann der Ver arbeitungscomputer 506 vier Digitalsignal-Eingangsports mit zugeordneten Zwischenspeichern enthalten, so daß der gegen wärtige Digitalsignalwert von irgendeinem gegebenen ver arbeitenden Kanal immer für die programmierte Verarbeitung verfügbar ist. Der Rückkopplungs-Verarbeitungscomputer 506 empfängt ebenso Magnetflußfeld-Anforderungssignale vom Regu lierungscomputer 106. Wie durch die Fachwelt gewürdigt wer den wird, kann der Regulierungscomputer 106 Interruptverar beitung oder ähnliches verwenden, um geeignete Anforderungs regulierungsvariable in dem Verarbeitungscomputer 506 zu aktualisieren, immer wenn eine unterschiedliche Flußanforde rung für einen gegebenen Kanal gemacht werden muß. Der Rück kopplungsverarbeitungscomputer 506 agiert auf einer Zeit verzahnungsbasis, um unabhängig alle vier Rückkopp lungskanäle mit geschlossener Schleife zu regulieren und geeignete digitale Rückkopplungsfehler-Ausgangssignale für die G_x-, G_y-, G_z- und δB_o-Kanäle an den vier Ausgangsports bereitzustellen, wie auf der rechtsliegenden Seite von Fig. 5 dargestellt ist.

Um eine geeignete Operation des Rückkopplungsregulierungs systems mit geschlossener Schleife zu erzielen, wird geschätzt, daß etwa um die zwanzig Abtastpunkte für jede Pulsanstiegs- und -abfallzeit erfordert werden. Da die Abtastregulierungsschleifen verwendet werden, um magnetische Flußänderungen zu regulieren, welche gewünschte Zeitkonstan ten in der Größenordnung von einer Millisekunde aufweisen, beinhaltet dies die Notwendigkeit, etwa einen Abtastwert jede 50 Mikrosekunden (pro Kanal) zu liefern, um hinreichend schnelle Antwortzeiten zu erlangen. Obwohl dies mit hinrei chend schnellen digital verarbeitenden Schaltungen erreich bar ist, kann die Verwendung des analogen "Frontendes", welches Operationsverstärker-Integrationsschaltungen 502a- 502d umfaßt, verwendet werden, um anfänglich das Signal auf zunehmen und dann eine etwas niedrigere Abtastfrequenz (bei spielsweise einen Abtastwert jede 200 Mikrosekunden pro Kanal) zu gestatten und noch hinreichend schnelle Antwort zeiten zu erlangen. Tatsächlich enthält das analoge Frontende Tiefpaßfiltercharakteristik.

Obwohl viele unterschiedliche Arten von digital verarbeiten den Computern 506 mit vielen unterschiedlichen Arten von Programmen verwendet werden können, wird ein relativ einfaches Integralrückkopplungskontrollerverfahren in der exemplarischen Ausführungsform für jeden der Regulie rungskanäle vorzugsweise verwendet. Wie beispielsweise sche matisch in Fig. 6 dargestellt, kann das Regulierungsverfah ren bei 600 eintreten. Ein Integral- (d. h. kumulativ) Fehler regulierungssignal E kann bei 602 für irgendeinen oder alle Rückkopplungsregulierungsschleifen berechnet werden. Wie gewürdigt werden wird, werden die gespeicherten Fehler signale bei 604 typisch multipliziert mit einem Integral verstärkungsfaktor (beispielsweise K_x, K_y, K_z, K_δ) vor dem Senden eines Ausgangs an den regulierten Rückkopplungs verstärker. In einigen konventionellen angepaßten Kontrol lern ist ein solcher Verstärkungsfaktor K nicht konstant, bzw. sind solche Verstärkungsfaktoren nicht konstant, sie sind jedoch durch den Kontroller "gelehrt". In dieser exem plarischen Ausführungsform wird dann die Regulierung direkt zu Block 606 geleitet, wo die berechneten kumulativen Fehlersignale einem konventionellen Gradientenspulen ansteuerungskontroller 104 (vgl. beispielsweise Fig. 7) aus gegeben werden, bevor das Unterprogramm bei 608 austritt.

Fig. 7 stellt eine exemplarische Ausführungsform dar, worin das digitale Fehlersignal für einen gegebenen Kanal (bei spielsweise G_y), welches von dem Rückkopplungs verarbeitungscomputer 506 erzeugt wird, in analoge Form durch einen Digital-zu-Analog-Konverter 700 umgewandelt wird, bevor es einem konventionellen Gradientenansteuerungs stromkontroller 104 eingegeben wird. Der konventionelle Treiber 104 betreibt seinen Ausgangsschalter S bei einer konstanten Frequenz und variablem Arbeitstakt. Für bipolare Ansteuerungsströme sind der Komparator 702 und die Ausgangs schaltung komplexer, jedoch vermittelt das unipolare Beispiel von Fig. 7 die erforderlichen Konzepte den Fachleu ten.

Hier werden der Analogstromanforderungseingang von 704 und der abgefragte Strom (welcher beispielsweise dem Spannungs abfall über dem stromabfragenden Widerstand R entspricht, welcher seriell mit der Gradientenspule 102 einschließlich einer Induktivität und einem verteilten Widerstand verbunden ist) bei 706 differenziert und dem nicht invertierenden Ein gang des Komparators 702 präsentiert. Eine konstante Säge zahnwellenfrequenz wird an den invertierenden Eingang des Komparators 702 gelegt. Wenn die Eingangsdifferenz zwischen dem angeforderten Strom und dem abgefragten Strom die Säge zahnwelle überschreitet, schaltet der Komparator 702 "ein" und steuert so den Ausgangsschalter S derart, um eine posi tive Spannungszufuhr V anzuschließen, um die Gradientenspule 102 über den gewöhnlichen LC-Filter anzusteuern, wie ebenso in Fig. 7 dargestellt. Wenn der Ausgansstrom steigt, um die Anforderung anzupassen, fällt für den Schalter S der Arbeitstakt entsprechend der abgefragten Stromrückkopplung. Mit anderen Worten, die Ausgangspulsweite variiert mit der Anforderung, wie schematisch in Fig. 7 angezeigt. Andere Arten von analogen Ausgangsregulierungsschaltungen können ebenso in konventionellen Gradientenansteuerungstrom kontrollern 104 (beispielsweise konstante Pulsweite, jedoch variable Frequenz usw.) verwendet werden.

Wie gesehen werden kann, wird dieser konventionelle Gradien tenansteuerungskontroller 104 (mit seiner enthaltenen stromangesteuerten geschlossenen Rückkopplungsschleife) Teil der flußgetriebenen geschlossenen Rückkopplungsschleife der Erfindung. Obwohl die exemplarische Ausführungsform, wie vorher bemerkt, eine hybride analog/digital/analog-flußange steuerte geschlossene Rückkopplungsschleife verwendet, kann, wenn gewünscht, eine vollständige analoge oder digitale Schaltung verwendet werden.

Die exemplarischen Ausführungsformen können ebenso nützlich modifiziert werden, um eine Vorkopplungskomponente ("feed forward" component) zu den Spulentreibern enthalten. D. h., der Eingang zu den Spulenansteuerungsverstärkern/Kontrollern 104 kann die Summe von zwei Komponenten sein: (1) die kon ventionell gewöhnlich verwendete Übersteuerungskomponente offener Schleife und (2) das Rückkopplungsfehlersignal geschlossener Schleife. Wir glauben gegenwärtig, daß diese Modifikation besser befähigt sein kann, um hohe Frequenz antworten den Gradientenspulen freizusetzen. Ohne diese Modifikation, falls das Digitalsystem nur abtastet und bei einer relativ langsamen Rate aktualisiert (beispielsweise jede 200 Mikrosekunden), können die asynchron vorkommenden Gradientenpulsflanken in eine Schwankung (beispielsweise bis zu Intervallen von 200 Mikrosekunden) der beginnenden und endenden Zeiten für aktuelle Gradientenansteuerungspulse resultieren. Das konventionelle analoge Übersteuerungssystem hat nicht dieses potentielle vorübergehende Problem. Durch Verwendung des konventionell existierenden Systems als Vor kopplungskomponente kann man auf diese Weise die Gradienten pulsflanken erhalten, welche in dem Zeitbereich geeignet definiert sind. Die Rückkopplungsantwort geschlossener Schleife, welche durch die Erfindung bereitgestellt wird, ist wichtiger zur Erlangung einer verbesserten relativ nied rigeren Frequenzsystemantwort.

Die Erfindung kann ebenso verwendet werden, um zusätzliche Elektromagnetspulen anzusteuern, die verwendet werden kön nen, um zeitlich festgelegte signifikante Additionen oder Subtraktionen von dem nominal statischen Hintergrundsfeld B bereitzustellen. Solche ΔB_o-Elektromagneten und ihre mögli chen MRI-Anwendungen werden detaillierter in der gewöhnlich zugewiesenen US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 07/7 05 964, angemeldet am 28. Mai 1991, Kaufman et al., mit dem Titel "NMR Relaxometry Using Fixed RF Frequency Band" diskutiert.

Obwohl oben nur wenige spezifische exemplarische Aus führungsformen der Erfindung detailliert beschrieben worden sind, wird die Fachwelt erkennen, daß viele Variationen und Modifikationen in diesen exemplarischen Ausführungsformen gemacht werden können, während noch viele neue Merkmale und Vorteile der Erfindung zurückbehalten worden sind. Dement sprechend ist es bezweckt, daß all solche Modifikationen und Variationen im Rahmen der beigefügten Ansprüche enthalten sind.

Claims

1. Magnetresonanzabbildungssystem mit einem Hauptmagnet, wenigstens einer Elektromagnetspule, wenigstens einer Hochfrequenzspule, welche an Hochfrequenzsende- und Empfangsschaltungen gekoppelt ist, und einem MRI- Systemkontroller, und des weiteren mit
wenigstens einer Realzeit-Rückkopplungsregulierungs schaltung mit geschlossener Schleife, welche ange schlossen ist, um den Strom zu regulieren, welcher wenigstens einer Elektromagnetspule als Antwort auf ab gefragten Fluß zugeführt wird, welcher durch die Elek tromagnetspule und ein zugeführtes Flußanforderungs signal erzeugt worden ist.

2. Magnetresonanzabbildungssystem-Gradientenspulen ansteuerungsschaltung mit:
einer Gradientenfluß abfragenden Spule, welche ein ab gefragtes Flußsignal erzeugt, entsprechend dem Fluß, welcher durch eine jeweilige entsprechende Gradienten spule erzeugt worden ist;
einer Rückkopplungsregulierungsschaltung mit geschlos sener Schleife, welche angeschlossen ist, um der Gradientenspule Strom als Funktion des abgefragten Flußsignals und eines zugeführten Anforderungsfluß signals zuzuführen.

3. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem, welches einen Hauptmagnet, welcher ein statisches Feld B_o er zeugt, und wenigstens eine Elektromagnetgradientenspule zum Draufsetzen eines Gradientenmagnetfeldes auf das statische Feld entlang einer vorherbestimmten Achse als Antwort auf ein zugeführtes Flußanforderungssignal auf weist, mit:
wenigstens einer Gradientenfluß abfragenden Spule, welche eingerichtet ist, den Netzgradientenfluß abzufragen, welcher durch die Gradientenspule erzeugt wird, und einen entsprechenden elektrischen Ausgang zu erzeugen; und
einer Realzeit-Rückkopplungsregulierungsschaltung, wel che gekoppelt ist, um den elektrischen Ausgang von der flußabfragenden Spule mit dem zugeführten Flußanforde rungssignal zu vergleichen und im wesentlichen in Real zeit einen elektrischen Ansteuerungsstrom der Gradien tenspule zu erzeugen, welche erfordert wird, um einen abgefragten Gradientenfluß zu erzeugen, welcher im we sentlichen gleich dem vorherbestimmten gewünschten Gradientenfluß ist, welcher durch das Flußanforderungs signal repräsentiert wird.

4. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 3, worin der Hauptmagnet einen Magnet mit ferromagnetischen Elementen aufweist, welche signifi kante magnetische Hystereseeffekte als Antwort auf das Verändern magnetischer Gradientenfelder zeigt.

5. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 3, worin der Hauptmagnet eine Magnetstruktur aufweist, welche signifikante Wirbelströme als Antwort auf schnelle Veränderung magnetischer Gradientenfelder erzeugt.

6. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 3, worin die Gradientenfluß abfragende Spule außerhalb des beharrlichen Abbildungsvolumens des Abbildungssystems angeordnet ist.

7. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 3, worin die Gradientenfluß abfragende Spule wenigstens eine Leitungswicklung, welche im wesentli chen demselben geometrischen Pfad wie die Gradienten spule folgt, enthält, jedoch bei einer unterschiedli chen Distanz von dem Zentrum des magnetischen Reso nanzabbildungssystems.

8. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Ansprüchen 6 oder 7, worin die Gradientenspule und die flußabfragende Spule innerhalb von zylindrischen Hüllen angeordnet sind und worin die Gradientenfluß abfragende Spule einen kleineren Radius als die Gradientenspule aufweist.

9. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Ansprüchen 6 oder 7, worin die Größe und die Position des Zentrums der Gradientenfluß abfragenden Spule eine im wesentlichen gleiche wechselseitige Induktivität zwischen dem Gradientenspulenflußsensorpaar und dem Wirbelstromflußsensorpaar bereitstellen.

10. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 3, mit einer Mehrzahl von Gradientenspulen, wobei jede Gradientenspule eine entsprechende Gradien tenfluß abfragende Spule und eine Realzeit-Rückkopp lungregulierungsschaltung mit geschlossener Schleife aufweist.

11. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 3, des weiteren mit einer gleichförmigen Feld spule, welche ebenso eine zugeordnete gleichförmige flußabfragende Spule und eine Realzeit-Rückkopplungs regulierungsschaltung mit geschlossener Schleife auf weist.

12. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 3, worin die Rückkopplungsregulierungsschal tung
einen Analogsignalverstärker, welcher angeschlossen ist, um den elektrischen Ausgang von der flußabfragen den Spule zu empfangen und ein entsprechendes analoges abgefragtes Flußsignal zu erzeugen;
einen Analog-zu-Digital-Konverter, welcher gekoppelt ist, um das analoge abgefragte Flußsignal zu empfangen und ein entsprechendes digitales abgefragtes Flußsignal zu erzeugen;
einen Digitalsignalprozessor, welcher angeschlossen ist, um ein digitales Flußanforderungssignal und das digitale abgefragte Flußsignal zu empfangen und ein kumulatives Summendigitalfehlersignal von der Differenz zwischen den zwei empfangenen Einfangssignalen zu berechnen; und
eine gesteuerte Stromquelle, welche angeschlossen ist, um der Gradientenspule als Antwort auf das Digital fehlersignal elektrischen Strom zuzuführen, aufweist.

13. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 10, mit einer Mehrzahl von Gradientenspulen, wobei jede Gradientenspule eine entsprechende Gradien tenfluß abfragende Spule und eine Realzeit-Rückkopp lungsregulierungsschaltung mit geschlossener Schleife aufweist, worin jede Rückkopplungsregulierungsschaltung mit geschlossener Schleife einen gemeinsamen Digital signalprozessor zeitlich verzahnt.

14. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Ansprüchen 12 oder 13, worin die gesteuerte Stromquelle einen Digital-zu-Analog-Konverter aufweist zur Umwand lung seines jeweiligen Digitalfehlersignales in ein entsprechendes Analogfehlersignal und eine Analogstrom regulierungsschleife, um den Ansteuerungsstrom, welcher seiner Gradientenspule zugeführt wird, zu regulieren.

15. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem, welches einen Hauptmagnet, welcher ein statisches Feld B_o er zeugt, und wenigstens eine Elektromagnetgradientenspule zum Draufsetzen eines Gradientenmagnetfeldes auf das statische Feld entlang einer vorherbestimmten Achse als Antwort auf ein zugeführtes Flußanforderungssignal auf weist, mit:
einem Abfragemittel zum Abfragen des Gradientenspulen magnetflusses und zum Erzeugen eines analogen abgefrag ten Flußsignals entsprechend dazu;
einen Analog-zu-Digital-Konverter, welcher angeschlos sen ist, um das analoge abgefragte Signal in ein ent sprechendes digitales abgefragtes Flußsignal umzuwandeln;
einem Digitalsignalprozessor, welcher angeschlossen ist, um das digitale abgefragte Flußsignal und das digitale Flußanforderungssignal zu empfangen, die empfangenen Signale zu vergleichen und ein digitales Ausgangssignal zu erzeugen, welches die sofortige Stromgröße repräsentiert, die der Gradientenspule der art zugeführt werden soll, um einen Gradientenfluß ent sprechend der Flußanforderung zu erzeugen; und
einer schaltbaren Stromquelle, welche angeschlossen ist, um als Antwort auf das digitale Ausgangssignal geschaltet zu werden.

16. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 15, worin das Abfragemittel außerhalb des beharrlichen Abbildungsvolumens des Abbildungssystems angeordnet ist.

17. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 15, worin das Abfragemittel eine Gradientenfluß abfragende Spule enthält, welche angeordnet ist, um den Netzgradientenfluß, welcher aktuell durch die Gradien tenspule erzeugt worden ist, abzufragen.

18. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Ansprüchen 15, 16 oder 17, worin der Hauptmagnet ein ferromagnetisches Material aufweist, welches signifi kante Magnethystereseeffekte als Antwort auf schnelles Verändern von Magnetgradientenfeldern zeigt.

19. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Ansprüchen 15, 16 oder 17, worin der Hauptmagnet eine Magnetstruktur aufweist, welche signifikante Wirbel ströme als Antwort auf schnelles Verändern von Magnet gradientenfeldern erzeugt.

20. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Ansprüchen 15, 16 oder 17, welches eine Mehrzahl von Gradientenspulen aufweist, wobei jede Gradientenspule ein entsprechendes Abfragemittel und eine geschaltete Stromquelle aufweist.

21. Verbessertes Magnetresonanzabbildungssystem nach Anspruch 20, worin ein gemeinsamer Digitalsignalprozes sor durch die Abfragemittel und die geschalteten Strom quellen zeitverzahnt ist.

22. Magnetresonanzabbildungsverfahren, welches einen Hauptmagnet, mindestens eine Elektromagnetspule, minde stens eine Hochfrequenzspule, welche an Hochfrequenz sende- und Empfangsschaltungen gekoppelt ist, und einen MRI-Systemkontroller verwendet, welches
Regulierung des Stroms beinhaltet, welcher dem wenig stens einen Elektromagneten der Spule als Antwort auf abgefragten Gradientenfluß und ein Flußanforderungssi gnal zugeführt wird.

23. Ein Verfahren zum Ansteuern einer Magnetresonanz abbildungssystem-Gradientenspule, welche
Abfragen eines Gradientenflusses, welcher durch eine Gradientenspule erzeugt wird; und
eine Verwendung einer Rückkopplungsregulierungsschal tung mit geschlossener Schleife beinhaltet, um der Gra dientenspule als Funktion des abgefragten Flusses und eines zugeführten Anforderungsflußsignals Strom zuzu führen.

24. Verbessertes Magnetresonanzabbildungsverfahren, welches eine Magnetspule, welche ein statisches Feld B_o erzeugt, und wenigstens eine Elektromagnetgradientenspule verwendet zum Draufsetzen eines Gradientenmagnetfeldes auf das statische Feld entlang einer vorherbestimmten Achse als Antwort auf ein zugeführtes Flußanforderungssignal, welches Abfragen des Netzgradientenflusses, welcher durch eine Gradientenspule erzeugt wird, und Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Ausgangs; und
Vergleichen des elektrischen Ausgangs mit dem zugeführ ten Flußanforderungssignal und Erzeugen in im wesentli chen Realzeit eines elektrischen Ansteuerungsstroms der Gradientenspule, welche erfordert wird, um einen abge fragten Gradientenfluß zu erzeugen, welcher im wesent lichen gleich dem vorherbestimmten gewünschten Gradien tenfluß ist, welcher durch das Flußanforderungssignal repräsentiert wird, beinhaltet.

25. Verbessertes Magnetresonanzabbildungsverfahren nach Anspruch 24, worin der Hauptmagnet ein ferromagneti sches Material aufweist, welches signifikante Magnet hystereseeffekte als Antwort auf schnelles Verändern von Magnetgradientenfeldern zeigt.

26. Verbessertes Magnetresonanzabbildungsverfahren nach Anspruch 23, worin der Hauptmagnet eine Magnetstruktur aufweist, welche signifikante Wirbelströme als Antwort auf schnelle Veränderung von Magnetgradientenfeldern erzeugt.

27. Verbessertes Magnetresonanzabbildungsverfahren nach Anspruch 24, worin der Gradientenfluß abgefragt wird unter Verwendung einer Abfragespule, welche wenigstens eine Leiterwicklung aufweist, welche im wesentlichen demselben geometrischen Pfad wie die Gradientenspule folgt, jedoch bei einer unterschiedlichen Distanz von dem Zentrum des Magnetresonanzabbildungssystems.

28. Verbessertes Magnetresonanzabbildungsverfahren nach Anspruch 27, worin die Gradientenspule und die fluß abfragende Spule innerhalb zylindrischer Hüllen ange ordnet sind und worin die Gradientenfluß abtragende Spule einen kleineren Radius als die Gradientenspule aufweist.

29. Verbessertes Magnetresonanzabbildungsverfahren nach Anspruch 27, welches des weiteren Einstellen der Anord nung der Gradientenfluß abfragenden Spule beinhaltet, um die wechselseitige Induktivität zwischen ihr, der Gradientenspule und dem Wirbelstromfluß auszubalancie ren und so den elektrischen Ausgang der flußabfragenden Spule zu kalibrieren, um den Netzgradientenfluß besser zu repräsentieren, welcher aktuell in dem Magnet resonanzabbildungssystem erzeugt wird.

30. Verbessertes Magnetresonanzabbildungsverfahren nach Anspruch 24, welches die Steuerung einer Mehrzahl von Gradientenspulen beinhaltet, wobei jede Gradienten spulenregulierung eine entsprechende Gradientenfluß abfragende Spule und eine Realzeit-Rückkopplungs regulierungsschaltung mit geschlossener Schleife ver wendet.

31. Verbessertes Magnetresonanzabbildungsverfahren, welches einen Hauptmagnet, welcher ein statisches Feld B_o er zeugt, und wenigstens eine Elektromagnetgradientenspule verwendet zum Draufsetzen eines Gradientenmagnetfeldes auf das statische Feld entlang einer vorherbestimmten Achse als Antwort auf das zugeführte Flußanforderungs signal, welches
Abfragen des Gradientenspulenmagnetflusses und Erzeugen eines analogen abgefragten Flußsignals entsprechend dazu;
Umwandeln des analogen Abfragesignals in ein entspre chendes digitales abgefragtes Flußsignal;
Vergleichen des digitalen abgefragten Flußsignals mit einem digitalen Flußanforderungssignal und Erzeugen eines digitalen Ausgangssignals, welches die sofortige Stromgröße repräsentiert, welche der Gradientenspule derart zugeführt werden soll, um einen Gradientenfluß zu erzeugen, welcher der Flußanforderung entspricht; und
Steuern einer schaltbaren Stromquelle, welche ange schlossen ist, um die Gradientenspule als Antwort auf das Digitalausgangssignal anzusteuern, beinhaltet.