DE4313392A1 - Verfahren zur Kompensation von durch Gradienten verursachten Wirbelströmen bei Kernspinresonanzgeräten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von durch Gradienten verursachten Wirbel strömen bei Kernspinreso­ nanzgeräten.

Bekanntlich erfolgt eine Ortsauflösung der Kernresonanzsigna­ le in der Kernspintomographie dadurch, daß einem homogenen, statischen Grundfeld in der Größenordnung von 1 T ein Magnet­ feld-Gradient überlagert wird. Die Prinzipien der Bildgebung sind beispielsweise in dem Artikel von Bottomley "NMR-Imaging Techniques and Applications: A Review", in Review of Scienti­ fic Instrumentation, 53 (9), 9/1982, Seiten 1319 bis 1337 erläutert.

Zur Ortsauflösung in drei Dimensionen müssen Magnetfeldgra­ dienten in drei, vorzugsweise senkrecht aufeinander stehenden Richtungen erzeugt werden. In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein Koordinatenkreuz x, y, z eingezeichnet, das die Richtung der jeweiligen Gradienten darstellen soll. Fig. 1 zeigt schema­ tisch eine herkömmliche Anordnung von Gradientenspulen für die Erzeugung eines Magnetfeldgradienten Gy in y-Richtung. Die Gradientenspulen 2 sind als Sattelspulen ausgeführt, die auf einem Tragrohr 1 befestigt sind. Durch die Leiterab­ schnitte 2a wird innerhalb eines kugelförmigen Untersuchungs­ volumens 4 ein weitgehend konstanter Magnetfeldgradient Gy in y-Richtung erzeugt. Die Rückleiter erzeugen aufgrund ihrer größeren Entfernung vom Untersuchungsvolumen 4 dort lediglich vernachlässigbare Magnetfeldkomponenten.

Die Gradientenspulen für die x-Magnetfeldgradienten sind identisch zu den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgra­ dienten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in azimultaler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen sind sie daher in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die Gradientenspulen 3 für den Magentfeldgradienten in z- Richtung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Spulen sind ringförmig ausgeführt und symmetrisch zum Mittelpunkt des Untersuchungsvolumens 4 angeordnet. Da die beiden Einzel­ spulen 3a und 3b in der in Fig. 2 dargestellten Weise in ent­ gegengesetzter Richtung stromdurchflossen sind, verursachen sie einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung.

Die erforderlichen Magnetfeldgradienten müssen steile An­ stiegs- und Abfallflanken aufweisen und während der Ein­ schaltdauer möglichst konstant sein. Durch die steilen An­ stiegs- und Abfallflanken werden jedoch in metallischen Teilen des Kernspintomographen, insbesondere im Innenrohr des den Untersuchungsraum umgebenden Kryostaten Wirbelströme induziert, die wiederum Magnetfelder erzeugen, die den Ma­ gnetfeldgradienten entgegengerichtet sind. Dies führt zu einer Abrundung der Ecken der gewünschten Rechteckpulse und zu einem nach Abschalten der Magnetfeldgradienten abklingen­ den parasitären Magnetfeld. Dies wird in Fig. 3 deutlich, wo der gewünschte rechteckförmige Magnetfeldgradient mit G_S bezeichnet ist. Der tatsächlich bei Ausschalten eines näheru­ ngsweise rechteckförmigen Strompulses erzielte Gradientenver­ lauf ist mit G_I bezeichnet.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP-A2-0 228 056 ist es bekannt, durch ein Filter den Gradienten-Strompuls so zu verformen, daß der Magnetfeldgradient letztlich der gewünsch­ ten Rechteckform weitgehend angenähert ist. Je ein solches Filter 7, 10 ist, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, zwi­ schen der Ansteuerschaltung 6, 9 und der jeweiligen Gradien­ tenspule 2, 3 eingefügt. Diese Filter sind als Hochpaßfilter ausgeführt. Zur Bestimmung der für das Filter erforderlichen Parameter müssen zunächst die durch Wirbelströme verursachten Magnetfelder gemessen werden. Dies kann zum Beispiel durch eine Magnetfeldsonde erfolgen, mit der das tatsächlich er­ zeugte Magnetfeld an verschiedenen Punkten im Untersuchungs­ raum ausgemessen wird. Dazu ist allerdings eine gesonderte Meßeinrichtung erforderlich.

In der oben bereits genannten EP-A2-0 228 056 ist ein Verfah­ ren beschrieben, den Magnetfeldverlauf durch die in einer Probe induzierten Kernresonanzsignale zu messen. Da die Messung des Magnetfeldes an mindestens zwei Stellen des Untersuchungsraums erforderlich ist, muß für jeden Meßzyklus die Probe zwischen zwei Meßpositionen hin- und hergewechselt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kompensation von Wirbelströmen so auszugestalten, daß ein Ortswechsel der Probe vermieden werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Verlauf der von den Wirbelströmen verursachten Magnetfel­ der B(t) läßt sich wie folgt darstellen:
Dabei ist B₀(t) der ortsunabhängige Term nullter Ordnung G_x, G_y, G_z die Terme erster Ordnung und 0 (t, x², y², z²) der Term zweiter Ordnung.

B(t) = B₀(t) + Gx(t)x + Gy(t)y + Gz(t)z + 0(t, x², y², z²).

Dabei dominieren die Terme G_x, G_y, G_z erster Ordnung. Nur diese können mit einer Wirbelstromkompensation kompensiert werden und müssen genau gemessen werden. Die Terme höherer Ordnung, insbesondere der dritten Ordnung können nicht kom­ pensiert werden und werden nur für größere Abstände vom Zentrum bedeutend. Der ortsunabhängige Term erster Ordnung B₀(t) ist im allgemeinen klein und kann zum Beispiel von der unsymmetrischen Anordnung der Gradientenspule im Magneten oder von anderen Effekten, die die Symmetrie stören, herrüh­ ren. Zur Bestimmung der Terme nullter und erster Ordnung reicht es aus, das von den Wirbelströmen herrührende Magnet­ feld für jede Richtung x, y, z an zwei in der jeweiligen Richtung räumlich getrennten Punkten zu messen.

Dazu wird entsprechend der Erfindung ein räumlich ausgedehn­ tes Phantom, wie es bei Kernspintomographen auch für andere Test- und Einstellzwecke verwendet wird, in den Untersu­ chungsraum eingebracht. Ein solches Phantom ist in den Fig. 1 und 2 mit P bezeichnet. Dann werden für jede Koordinatenrich­ tung x, y, z zwei räumlich beabstandete Schichten S1 und S2 selektiv angeregt, wie dies in Fig. 4 für die z-Richtung dargestellt ist. Aus den selektiv angeregten Schichten S1 und S2 werden Kernresonanzsignale ausgelesen, mit deren Hilfe die Stärke des durch Wirbelströme verursachten Magnetfelds inner­ halb dieser Schichten S1 und S2 bestimmt wird.

Eine erste Möglichkeit für eine entsprechende Pulssequenz ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt. Dabei wird zunächst ein Gradientenpuls G1 mit einer Dauer von zum Beispiel 2 bis 5 s eingeschaltet. Unter der Einwirkung des Gradienten G1 wird zunächst - wie in Fig. 6 dargestellt - ein 90°-Hochfrequenz­ puls RF1 und dann ein 180°-Hochfrequenzpuls RF2 eingeschal­ tet. Der Abstand zwischen den beiden Hochfrequenzpulsen beträgt im Ausführungsbeispiel ca. 3,4 ms. Durch den 90°- Hochfrequenzpuls RF1 und den darauffolgenden 180°-Hochfre­ quenzpuls RF2 entsteht ein Spinecho SE, das in dem in Fig. 6 durch einen schraffierten Balken gekennzeichneten Intervall abgetastet wird. Durch entsprechende Lage der Hochfrequenz­ pulse RF1 und RF2 wird das Spinecho zeitlich so positioniert, daß es im Bereich der durch die abfallende Flanke des Gra­ dientenpulses G1 ausgelösten Wirbelströme liegt. Bekanntlich ist die Kreisfrequenz ω von Kernresonanzsignalen über das gyromagnetische Verhältnis γ der jeweils herrschenden Magnet­ feldstärke proportional:

ω = γ · B.

Um den zeitlichen Verlauf der durch Wirbelströme verursachten Magnetfeldstärke zu ermitteln, wird die Phase des empfangenen Echosignals SE ermittelt, und die Ableitung der Phase ergibt eine Frequenz, die gleich der Summe der Frequenz aufgrund des statischen magnetischen Feldes und einer Frequenzverschiebung ist. Die Frequenzverschiebung ist dem durch Wirbelströme ver­ ursachten Magnetfeld proportional.

Die Pulssequenz nach den Fig. 5 und 6 muß für jede Gradienten­ richtung x, y, z für jeweils zwei Schichten S1 und S2 durch­ geführt werden. Dann kann man aus den gewonnenen Meßwerten die linearen Feldterme der Wirbelstrom-Magnetfelder ermitteln und Filterparameter für die Vorverzerrung der Gradientenpulse bestimmen. Bezüglich der Ausgestaltung von Filtern und der Bestimmung entsprechender Parameter aufgrund der ermittelten Wirbelstrom-Magnetfelder kann auf bekannte Techniken zurück­ gegriffen werden. Diesbezüglich wird beispielsweise auf die Literaturstellen "Analytical Method for the Compensation of Eddy-Current Effects Induced by Pulsed Magnetic Field Gra­ dients in NMR Systems", Journal of Magnetic Resonance 90, 264 bis 278 (1990) und die US-Patentschrift 4 978 919 verwiesen.

Die oben beschriebene Pulssequenz nach den Fig. 5 und 6 kann zur Messung von Wirbelstrommagnetfeldern bis zu 6 bis 15 ms nach einem Gradientenpuls verwendet werden. Um Wirbelstrom­ magnetfelder in einem längeren Zeitbereich zu erfassen, kann man eine Pulssequenz nach den Fig. 7 und 8 verwenden.

Entsprechend der Pulssequenz nach den Fig. 7 und 8 kann ein separater Schichtselektionsgradient G2 nach dem die Wirbel­ ströme auslösenden Gradienten G1 verwendet werden. Unter diesem Schichtselektionsgradienten G2 mit einer Länge von z. B. 4,4 ms werden im Abstand von z. B. 1,7 ms zuerst ein frequenzselektiver 90° Hochfrequenzpuls RF1 und dann ein 180° Hochfrequenzpuls RF2 eingestrahlt. Durch den Schicht­ selektionspuls G2 werden zwar zusätzliche Wirbelströme ver­ ursacht, die den vom Gradientenpuls G1 verursachten über­ lagert werden und somit die Messung stören. Indem man den Schichtselektionsgradienten G2 mit z. B. 4,4 ms verglichen mit dem ersten Gradienten G1 mit einer Dauer von z. B. 2 bis 5 sec sehr kurz hält, bleiben die durch den Schichtselektionsgra­ dienten G2 ausgelösten Wirbelströme gering. Bei kurzen Gra­ dientenpulsen kompensieren sich nämlich die durch die posi­ tiven und negativen Flanken ausgelösten Wirbelströme zumin­ dest im längeren Zeitbereich weitgehend. Da das in Fig. 8 schraffiert dargestellte Abtastintervall erst einige ms nach dem Ende des Schichtselektionsgradienten G2 beginnt, stören die stärkeren Wirbelstromkomponenten im kurzen Zeitbereich nicht.

Um trotzdem verbleibende Wirbelstromkomponenten des Schicht­ selektionsgradienten G2 zu kompensieren, kann man eine Refe­ renzmessung nach den Fig. 9 und 10 ohne den Gradienten G1 durchführen. Sowohl für die Messung mit der Pulssequenz nach den Fig. 7 und 8 als auch für die Referenzmessung werden aus der Phase die jeweiligen Frequenzen bestimmt. Durch Diffe­ renzbildung der so gewonnenen Frequenzen kann man den Effekt der durch den kurzen Schichtselektionsgradienten G2 verur­ sachten Wirbelströme eliminieren und erhält somit den Fre­ quenzverlauf, der durch die Wirbelströme des ersten Gradien­ ten G1 verursacht wird.

Um den vollen Zeitbereich der Wirbelströme, der vom ms bis zum sec.-Bereich reicht, zu erfassen, kann man die Messung nach den Fig. 7 und 8 mehrfach mit unterschiedlichen Abständen zwischen den Gradienten G1 und G2 wiederholen. Wenn dieser Abstand größer als die Relaxationszeiten T1 und T2 der Kern­ spins im verwendeten Phantom sind, können nach einem Gra­ dientenpuls G1 mehrere Spinechos angeregt werden.

Die oben angegebenen Messungen müssen für jede Gradienten­ richtung für jeweils zwei Schichten durchgeführt werden, um Terme erster Ordnung der Wirbelstrommagnetfelder zu ermit­ teln. Für die Wirbelstromkompensation ist dies ausreichend. Im Prinzip könnten durch Messung mehrerer Schichten jedoch auch höhere Terme ermittelt werden.

Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes können dazu führen, daß die angeregten Schichten unterschiedliche Grundfrequenzen der Kernspins aufweisen. Dies könnte das Meßergebnis für die Wirbelströme verfälschen. Wenn dieser Fehler stört, muß man die Grundfrequenz für die jeweiligen Schichtpositionen ohne den Einfluß von Wirbelströmen ermitteln. Dies erfolgt eben­ falls mit Hilfe von Spinechos, wobei jedoch dafür Sorge ge­ tragen werden muß, daß Wirbelströme, die durch die benötigten Schichtselektionsgradienten ausgelöst werden, das Meßergebnis nicht verfälschen. Dies kann im wesentlichen durch drei Maßnahmen erreicht werden, nämlich durch möglichst kurze Schichtselektionsgradienten, durch Hinzufügen negativer Gra­ dientenpulse und durch lange Echozeiten. Durch kurze Schicht­ selektionsgradienten werden - wie bereits oben erläutert - nur Wirbelströme mit kurzen Zeitkonstanten angeregt. Durch Additionen negativer Impulse löschen sich die Wirbelströme der positiven und negativen Pulse näherungsweise aus und durch lange Echozeiten wird erreicht, daß die durch die Schichtselektionsgradienten erzeugten Wirbelströme bereits weitgehend abgeklungen sind.

Eine entsprechende Pulssequenz zur Bestimmung der Grundfre­ quenz in einer Schicht des Phantoms ist in den Fig. 11 und 12 dargestellt. Unter einem ersten bipolaren Schichtselekti­ onsgradienten G3 wird ein frequenzselektiver 90°-Hochfre­ quenzpuls RF1 auf das Phantom eingestrahlt. Unter einem zwei­ ten bipolaren Schichtselektionsgradienten G4 wird ein zweiter Hochfrequenzpuls RF2 eingestrahlt. In einem möglichst großen Abstand zum zweiten Schichtselektionsgradienten G4 wird das Spinecho ausgelesen und dessen Frequenz bestimmt. Dieser Vor­ gang muß für jede Schicht, in der die Wirbelstrom-Magnetfel­ der bestimmt werden sollen, durchgeführt werden. Die damit erhaltenen Frequenzmeßwerte werden von den unter der Wirkung des Gradienten G1 nach den Fig. 5 und 6 erhaltenen Fre­ quenzen subtrahiert, so daß Magnetfeldinhomogenitäten das Meßergebnis für die Wirbelstrommagnetfelder nicht verfäl­ schen.

Bei der oben beschriebenen Pulssequenz nach den Fig. 7 und 8 können Magnetfeldinhomogenitäten auch mit der Pulssequenz nach den Fig. 9 und 10 kompensiert werden.

Eine andere Methode, den Einfluß unterschiedlicher Stärken des Grundmagnetfeldes in den gemessenen Schichten zu elimi­ nieren, besteht darin, die Messung nach den Fig. 5 und 6 bzw. 7 und 8 mit negativen Gradientenpulsen zu wiederholen und die dabei erhaltene Frequenzdifferenz zu bestimmen. Damit wird jedoch die Meßzeit verlängert.

Bei dem beschriebenen Verfahren werden Schichtselektionsgra­ dienten verwendet, an deren Qualität gewisse Mindestanfor­ derungen gestellt werden. Deshalb dürfen die durch die Schichtselektionsgradienten verursachten Wirbel ströme schon bei Beginn der Messung nicht zu hoch sein. Eventuell ist ein Vorabgleich aufgrund von anderen Verfahren erforderlich. Bei­ spielsweise bei aktiv geschirmten Gradientenspulen sind die unkompensierten Wirbelströme hinreichend gering, um unmittel­ bar das beschriebene Verfahren anwenden zu können.

Der besondere Vorteil des Verfahrens liegt darin, daß eine Wirbelstromkompensation ohne spezielle Einrichtungen, wie Meßsonden und Halterungen durchgeführt und überprüft werden kann. Das benötigte Phantom ist für andere Einstell- und Prüfzwecke ohnehin bei jeder MR-Anlage vorhanden. Die Handha­ bung des Verfahrens ist einfach, da das Phantom für die Mes­ sung nicht bewegt werden muß.

Es kann ferner auf einfache Weise festgestellt werden, ob zusätzliche Einbauten, wie z. B. eine Oberflächenspule, zu zusätzlichen Wirbel strömen führen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Kompensation von durch geschaltete Ma­ gnetfeldgradienten verursachten Wirbelströmen bei Kern­ spinresonanzgeräten mit folgenden aufeinanderfolgenden Schritten:

• a) Ein räumlich ausgedehntes Phantom (P) wird in den Unter­ suchungsbereich des Kernspinresonanzbereich des Kern­ spinresonanzgerätes gebracht.
• b) Ein erster Gradientenpuls (G1) wird eingeschaltet.
• c) Unter der Einwirkung eines Schichtselektions-Gradienten­ pulses (G1, G2) wird ein erster frequenzselektiver Hoch­ frequenzpuls (RF1) eingestrahlt und damit eine Schicht des Phantoms (P) angeregt.
• d) Das damit erzeugte Kernresonanzsignal (SE) wird nach Ende des ersten Gradientenpulses (G1) und während der Abklingzeit der durch diesen verursachten Wirbelströme erfaßt.
• e) Der Frequenz- bzw. Phasenverlauf des Kernresonanzsignals (SE) wird bestimmt.
• f) Die Schritte b) bis e) werden mit einer anderen Lage der selektierten Schicht wiederholt.
• g) Aus den so gewonnenen Frequenz- bzw. Phasenverläufen wird das von den Wirbelströmen erzeugte Wirbelstromma­ gnetfeld berechnet.
• h) Aufgrund des so ermittelten Wirbelstrom-Magnetfeldes wird ein Filter für das den ersten Gradientenpuls (G1) erzeugende Gradientensystem berechnet, das einen zuge­ führten Gradientstrom soweit vorverzerrt, daß das resul­ tierende Gradienten-Magentfeld unter Berücksichtigung von Wirbelströmen die gewünschte Pulsform aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste Gradientenpuls (G1) gleichzeitig als Schichtselektionsgradient benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schichtselektions­ gradient (G2) mit dem ersten frequenzselektiven Hochfre­ quenzpuls (RF1) nach dem ersten Gradientenpuls (G1) einge­ schaltet wird und daß der Schichtselektionsgradient (G2) wesentlich kürzer als der erste Gradientenpuls (G1) ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schichtselektionsgra­ dient (G2) mit dem frequenzselektiven Hochfrequenzpuls (RF1) mehrfach in unterschiedlichem Abstand zum ersten Gradientenpuls (G1) angewendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß nach dem ersten Hochfrequenzpuls (RF1) noch während der Einwirkung des Schichtselektionsgradienten (G2) ein zweiter Hochfre­ quenzpuls (RF2) mit einem Flip-Winkel von 180° eingeschal­ tet wird und daß das ausgewertete Kernresonanzsignal ein Spinecho-Signal ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Hochfrequenzpuls (RF1) ein 90°-Puls ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schritte b) bis e) nach Anspruch 1 für jede Schicht zweimal mit unterschiedlichen Vorzeichen des ersten Gradientenpul­ ses (G1) durchgeführt werden und die Differenz der dabei erhaltenen Frequenzen/Phasen des Kernresonanzsignals zur Auswertung herangezogen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Elimi­ nierung der Effekte von Inhomogenitäten im Grundmagnetfeld für jede selektierte Schicht unter der Einwirkung eines Schichtselektionsgradienten ein schichtselektiver HF-Puls (RF3) eingestrahlt wird, daß die Frequenz des entstehenden Kernresonanzsignals (SE) nach Abklingen der durch den Schichtselektionsgradienten (G3, G4) verursachten Wirbel­ ströme gemessen wird und daß aus dieser Frequenz das Grund­ magnetfeld in der jeweiligen Schicht ermittelt und bei der Bestimmung des Wirbelstrom-Magnetfeldes berücksichtigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß unter der Einwirkung von jeweils möglichst kurzen Schichtselektions-Gradientenpulsen (G3, G4) nacheinander ein 90° und ein 180°-Hochfrequenzpuls eingestrahlt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu jedem Schichtselek­ tionsgradienten (G3, G4) ein dazu inverser Gradient einge­ schaltet wird derart, daß die durch den Schichtselektions­ gradienten (G3, G4) verursachten Wirbelströme weitgehend kompensiert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der durch den Schichtselektionsgradienten (G2) verursachten Wirbelströme eine Referenzmessung durchgeführt wird, bei der ausschließlich der Schichtselektionsgradient (G2) mit frequenzselektiven Hochfrequenzpulsen angewandt wird, daß aufgrund des so gewonnenen Kernresonanzsignals (SE) das vom Schichtselektionsgradienten herrührende Wir­ belstrommagnetfeld bestimmt wird, und daß dieses Wirbel­ strom-Magnetfeld bei der Messung des vom ersten Gradienten­ puls (G1) herrührenden Wirbelstrom-Magnetfeldes berücksich­ tigt wird.