DE4325031C1 - Verfahren zur Erfassung von durch Gradienten verursachten Wirbelstrom-Magnetfeldern in einem Kernspinresonanzgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von durch Gradienten verursachten Wirbelstrom-Magnetfeldern in einem Kernspinresonanzgerät, wobei auf eine räumlich ausgedehnte Probe eine Pulssequenz eingestrahlt wird, die zwei Kernre­ sonanzsignale als Echos erzeugt, wobei durch Auswertung dieser Signale Werte gewonnen werden, die von Wirbelströmen hervorgerufene Magnetfelder repräsentieren.

Bekanntlich erfolgt eine Ortsauflösung der Kernresonanzsigna­ le in der Kernspintomographie dadurch, daß einem homogenen, statischen Grundfeld in der Größenordnung von 1 T mindestens 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 Instruments, 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 mit den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgra­ dienten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in azimutaler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen sind sie daher in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die Gradientenspulen 3 für den Magnetfeldgradienten 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 nähe­ rungsweise rechteckförmigen Strompulses erzielte Gradienten­ verlauf 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 und ein recht zeitraubendes Meßverfahren 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.

Es ist in vielen Fällen erforderlich, bei MR-Anlagen die vorhandenen Wirbelströme in einem möglichst großen Bereich des Untersuchungsvolumens zu erfassen, zum Beispiel um die Qualität der obengenannten Wirbelstromkompensation mit Fil­ tern zu überprüfen. Eine Messung mit Magnetfeldsonden oder mit Proben nach der obengenannten EP-A2-0 228 056 wäre hier­ für extrem aufwendig, da zur vollständigen Erfassung der Wirbelströme der gesamte Untersuchungsraum abgetastet werden müßte. Dies gilt insbesondere dann, wenn man auch Wirbel­ ströme höherer Ordnung erfassen will.

Ein wesentlich schnelleres Verfahren zum qualitativen Abbil­ den von Wirbelstrom-Magnetfeldern wurde beim RSNA, November 1987 (RSNA Scientific Program, November 1987, Vol. 165 (P) Supple­ ment pages 344, Nr. 1139) vorgestellt. Dabei wird einmal nach einem positiven und einmal nach einem negativen Gradienten­ puls eine Spinechosequenz durchgeführt. Die erhaltenen Meß­ werte werden komplex subtrahiert, und aufgrund der Differenz wird ein Bild erstellt. Aufgrund der Differenzbildung werden im wesentlichen nur die von den Wirbelströmen herrührenden Magnetfelder erfaßt, so daß die Wirbelstrom-Magnetfelder im rekonstruierten Bild als Streifen sichtbar werden. Damit kann man sich einen schnellen qualitativen Überblick über die vorhandenen Wirbelstrom-Magnetfelder, also zum Beispiel die Qualität der Wirbelstrom-Kompensation, verschaffen.

Dieses Verfahren hat jedoch zwei wesentliche Nachteile. Bei der verwendeten Spinechosequenz wird durch die Phasenin­ version mit einem 180°-Hf-Puls der Effekt eines zeitlich konstanten Magnetfeldgradienten zwischen 90°-Anregepuls und Auslesephase eliminiert. Das von Wirbelströmen mit langer Zeitkonstanten hervorgerufene Magnetfeld ändert sich jedoch zwischen 90°-Hochfrequenzpuls und Auslesephase nur wenig, so daß solche Wirbelstromkomponenten im Bild kaum dargestellt werden.

Ferner ist auch die bei dem bekannten Verfahren durchgeführte komplexe Subtraktion problematisch. Nur wenn die mit positi­ vem und negativem Gradienten gewonnenen Bilder die gleiche Intensität A haben, ist das Betragsbild proportional zu:

|A (x, y)|_* |sin ϕ (x, y)|

Dabei ist ϕ die Phasenverschiebung aufgrund von Wirbelströ­ men. Die quantitative Auswertung der Wirbelströme, also die Berechnung von ϕ, wird dadurch erschwert, daß diese Funktion mehrdeutig und nicht linear ist und von der Intensität A ab­ hängt. Ferner wird der Ausdruck wesentlich komplexer, wenn die beiden Bilder unter positiven und negativen Gradienten unterschiedliche Intensitäten haben. Da nicht nur die zur Wirbelstrommessung geschalteten Gradienten, sondern auch die nachfolgenden Schichtselektionsgradienten Wirbelströme her­ vorrufen, ergeben sich die unterschiedlichen Intensitäten der Bilder zwangsläufig.

Ein weiteres Verfahren zur Erfassung von Wirbelströmen ist aus der US-A-4 910 460 bekannt. Dabei wird einer Probe in einer ersten Pulssequenz ein erster Test-Gradient zugeführt, ein erster Hochfrequenzpuls einer ersten Polarität aufge­ schaltet und dann ein erster Bildgebungsgradient eingeschal­ tet. Das entstehende Kernresonanzsignal wird gemessen. In ei­ ner zweiten Pulssequenz wird dieser Ablauf mit einem zweiten Test-Gradienten einer entgegengesetzten Polarität wiederholt. Eine Information über die Wirbelströme wird dabei durch Vek­ toraddition der in beiden Pulssequenzen erhaltenen Kernreso­ nanzsignale gewonnen. Auch dabei treten jedoch die vorange­ hend erläuterten Probleme bei der Auswertung auf.

Aus dem US-Patent 4 647 858 ist ein Korrekturverfahren für transiente magnetische Feldinhomogenitäten bekannt. Dabei werden die durch gepulste Magnetfeldgradienten verursachten Inhomogenitäten durch einen Korrekturpuls während oder nach den Magnetfeldgradienten kompensiert. Der Korrekturpuls ist bezüglich mindestens einer Charakteristik so ausgeführt, daß er einer fehlerproduzierenden Komponente des Magnetfeldgra­ dienten entgegengerichtet ist und diese auslöscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erfassung von durch Gradienten verursachten Wirbelstrommagnetfeldern derart auszugestalten, daß eine einfache und präzise Auswertung mög­ lich ist, wobei auch Wirbelströme mit langer Zeitkonstante erfaßt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Verwendung eines Gradienten­ echos wirken auch Wirbelströme mit langer Zeitkonstante, die sich also im Zeitraum zwischen Anregung und Signalgewinnung nur wenig ändern, auf die Phase der Kernspins und damit auf das erzeugte Bild stark aus. Durch die Korrektur der Phasen­ information anstelle der Subtraktion werden die gewonnenen Werte von der jeweiligen Intensität der Einzelsignale unab­ hängig, so daß auch eine quantitative Weiterverwertung ohne weiteres möglich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 4 bis 9 näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 4 Hochfrequenzanregepulse RF

Fig. 5 den Verlauf von Gradienten G_Z in Z-Richtung

Fig. 6 den Verlauf von Gradienten G_x in x-Richtung

Fig. 7 den Verlauf von Gradienten G_y in y-Richtung

Fig. 8 die gewonnenen Kernresonanzsignale S und

Fig. 9 den Verlauf von Gradienten G_z in z-Richtung bei dreidimensionaler Darstellung.

Gemäß Fig. 7 werden durch Meßgradienten G_M in y-Richtung Wirbelströme induziert, und zwar einmal in negativer Richtung (Meßgradient G_M ^-) und einmal in positiver Richtung (Meßgra­ dient G_M⁺). Die Wirbelströme erzeugen Wirbelstrom-Magnetfel­ der (in Fig. 7 mit B_w⁻ bzw. B_w⁺ bezeichnet), die nach dem jeweiligen Gradienten G_M abfallen. Zur Erfassung dieser Wirbelstrom-Magnetfelder wird in den Untersuchungsraum ein räumlich ausgedehntes Phantom gebracht, wie es bei Kern­ spintomographen auch für andere Test- und Einstellzwecke ver­ wendet wird. Ein solches Phantom ist in den Fig. 1 und 2 mit P bezeichnet. Dann wird ein erster Hochfrequenzpuls RF1 gemäß Fig. 4 mit einem Flipwinkel von vorzugsweise 90° auf das Phantom eingestrahlt. Durch gleichzeitige Anwendung eines Schichtselektionsgradienten G_S1⁺ in Z-Richtung gemäß Fig. 5 wird die Anregung auf eine Schicht des Phantoms beschränkt. Anschließend wird durch einen Rephasiergradienten G_S⁻ in ne­ gativer Z-Richtung die vom Schichtselektionsgradienten G_S1⁺ verursachte Dephasierung der Kernspins rückgängig gemacht, ein Dephasiergradient G_d in negativer x-Richtung gemäß Fig. 6 wird eingeschaltet und den Kernspins durch einen ersten Phasencodiergradienten G_ph1 in y-Richtung eine von der y- Position abhängige Phase aufgeprägt.

Schließlich wird in positiver x-Richtung ein erster Auslese­ gradient G_r1 eingeschaltet, wodurch die vorher unter dem Dephasiergradienten G_d dephasierten Spins wieder rephasiert werden und damit ein Kernresonanzsignal S1 gemäß Fig. 8 entsteht. Dieses Kernresonanzsignal S1 weist in bekannter Weise eine in Frequenz und Phase codierte Ortsinformation auf. Zusätzlich wird in diesem Fall durch das Wirbelstrom- Magnetfeld B_w⁻ dem Signal eine Phase aufgeprägt, die dem Zeitintegral des Wirbelstrom-Magnetfeldes B_w⁻ von der Anre­ gung durch den Hochfrequenzpuls RF1 bis zum Auslesen des Signals S1 proportional ist.

Das Signal S1 wird phasenempfindlich abgetastet und und als komplexe Größe in eine Zeile einer Rohdatenmatrix geschrie­ ben. Die dargestellte Sequenz wird n-mal mit unterschiedli­ chen Werten des Phasencodiergradienten G_ph1 wiederholt, so daß man eine Rohdatenmatrix mit n Zeilen erhält. Aus dieser Rohdatenmatrix kann man durch zweidimensionale Fouriertrans­ formation ein nach x- und y-Koordinaten aufgelöstes komplexes Bild der angeregten Schicht erhalten. Dieses Bild erhält eine Betrags- und eine Phaseninformation. Zur Bildgewinnung kann man herkömmliche Verfahren einsetzen, wie sie beispielsweise in der eingangs genannten Schrift von Bottomley beschrieben sind.

Die Phase der Signale S1 wird aber nicht nur durch Wirbel­ strom-Magnetfelder des Meßgradienten G_M⁻ bestimmt, sondern auch durch Wirbelstrom-Magnetfelder der übrigen Gradienten und durch Grundfeldinhomogenitäten beeinflußt. Um den Beitrag der Wirbelstrom-Magnetfelder des Meßgradienten G_M⁻ separat zu erfassen, wird in jeder Sequenz eine zweite Messung durchge­ führt, die sich von der ersten Messung lediglich dadurch un­ terscheidet, daß der Meßgradient G_M⁺ hier nicht in negativer y-Richtung, sondern in positiver y-Richtung geschaltet wird, so daß die Wirbelstrom-Magnetfelder B_w⁺ entgegengesetzt zu denen bei der ersten Messung liegen. Das dabei entstehende Signal S2 wird ebenfalls phasenempfindlich abgetastet und die Messung n-mal mit n verschiedenen Schritten des Phasencodier­ gradienten G_ph2 durchgeführt. Auch hierbei erhält man einen Rohdatensatz, durch dessen zweidimensionale Fouriertransfor­ mation ein zweites komplexes Bild gewonnen wird. Durch Sub­ traktion der Phasenbilder der ersten und der zweiten Messung würde theoretisch die durch die Wirbelstrom-Magnetfelder der Meßgradienten G_M⁻ und G_M⁺ verursachte Phasencodierung übrig­ bleiben. Dabei würden sich allerdings Probleme mit Phasen­ sprüngen ergeben.

Wesentlich günstiger ist es, eines der beiden Bilder durch die Phaseninformation aus dem zweiten Bild zu korrigieren.

Das erste komplexe Bild ist gegeben durch:

A1 (x, y)_*exp (i·ϕ1 (x, y))

wobei A1 (x, y) die Intensität des Bildes, ϕ1 (x, y) die Pha­ senverschiebung ist.

Die Phaseninformation aus Bild 2 ist gegeben durch:

exp (i_*ϕ2 (x, y))

Wenn man nun das komplexe Bild 1 durch die Phaseninformation aus Bild 2 dividiert, so erhält man:

A1 (x, y)_*exp (i_*(ϕ1-ϕ2))

Wenn man aus diesem Datensatz ein reines Phasenbild berech­ net, so erhält man direkt die Phasendifferenz:

ϕ (x, y) = ϕ1 (x, y)-(ϕ2 (x, y)

Diese Phasenverschiebung ϕ (x, y) stellt die Phasen­ verschiebung alleine aufgrund der durch den Meßgradienten G_M verur­ sachten Wirbelströme dar. Diese Größe wird unabhängig von den Intensitäten der beiden komplexen Bilder und erlaubt damit auch eine quantitative Weiterverarbeitung.

Zur beschriebenen Phasenkorrektur ist es nicht erforderlich, daß der zweite Meßgradient G_M⁺ den gleichen Betrag wie der erste Meßgradient G_M⁻ hat. Die Phasenkorrektur könnte bei­ spielsweise auch durchgeführt werden, wenn der zweite Meßgra­ dient G_M⁺ Null ist. Wenn allerdings, wie im Ausführungsbei­ spiel, G_M⁺ entgegengesetzt gleich G_M⁻ ist, wird die erhaltene Phasendifferenz am größten und damit die Meßgenauigkeit verbessert.

Wenn man den so gewonnenen Datensatz der vom Ort x, y inner­ halb einer selektierten Schicht abhängigen Phasenverschiebung in eine Bildinformation umsetzt, so besteht ein charakteri­ stischer Zusammenhang zwischen einem dann erhaltenen Strei­ fenmuster und den im Kernspinresonanzgerät vorhandenen Wir­ belströmen. Dabei werden auch Terme höherer Ordnung erfaßt. Das Verfahren eignet sich daher sehr gut zur Beurteilung der störenden Wirbelstrom-Magnetfelder bzw. zur Prüfung der Wir­ belstromkompensation. Das Verfahren ist auch empfindlich auf Wirbelströme mit sehr langen Zeitkonstanten, die sich also zwischen Anrege-Hochfrequenzpuls RF1 bzw. RF2 und der jewei­ ligen Auslesephase nur wenig ändern. Für die Phasenverschie­ bung ist nämlich das Integral des Wirbelstrom-Magnetfeldes über die Zeitspanne zwischen Anregung und Auslesephase maß­ geblich.

Durch das Verfahren nach den Fig. 4 bis 7 werden die Wir­ belströme in einer selektierten Schicht erfaßt. Eine Erfas­ sung über das gesamte Meßvolumen hinweg ist möglich, indem man mehrere Schichten nacheinander selektiert. Alternativ könnte man aber auch ein aus der Bildgebung bekanntes drei­ dimensionales Verfahren einsetzen. In diesem Fall wird der Gradient in z-Richtung entsprechend Fig. 9 geschaltet. Ge­ genüber dem Gradienten in z-Richtung kommt nach jeder Anre­ gung ein weiterer Phasencodiergradient G_ph3 bzw. G_ph4 in z- Richtung hinzu. Angeregt wird in diesem Fall durch einen entsprechend breitbandigeren Hochfrequenzpuls RF1 und RF2 eine dicke Schicht bzw. Scheibe innerhalb des Phantoms. Die Ortsauflösung in z-Richtung erfolgt dann durch den weiteren Phasencodiergradienten G_ph3 bzw. G_ph4. Die gesamte Pulsse­ quenz nach den Fig. 4 und 6 bis 9 wird dann m-mal durchge­ führt, die entstehenden Signale S1 und S2 werden abgetastet und in eine dreidimensionale Rohdatenmatrix eingetragen. Daraus kann dann ebenfalls durch dreidimensionale Fourier­ transformation und die oben beschriebene Phasenkorrektur ein dreidimensionales Phasenbild berechnet werden, das Aufschluß über die Wirbelstrom-Magnetfeld-Verteilung in allen drei Raumrichtungen gibt.

Ferner kann man neben dem Wirbelstromverhalten des Gradien­ tensystems in y-Richtung natürlich auch das Wirbelstromver­ halten des Gradientenspulensystems für die x- und die z- Richtung untersuchen, indem man die Meßgradienten G_M⁻ und G_M⁺ in diesen Richtungen einschaltet.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erfassung von durch Gradienten verursachten Wirbelstrom-Magnetfeldern in einem Kernspinresonanzgerät, wobei auf eine räumlich ausgedehnte Probe (P) eine Pulsse­ quenz eingestrahlt wird, die zwei Kernresonanzsignale (51, 52) als Echos erzeugt, und durch Auswertung dieser Signale (51, 52) Werte gewonnen werden, die von Wirbelströmen hervor­ gerufene Magnetfelder repräsentieren, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) Ein erster Meßgradientenpuls (G_M⁻) in einer ersten Rich­ tung wird eingeschaltet.
• b) Zumindest ein Teil der Probe (P) wird durch einen ersten Hf-Puls (RF1) angeregt und durch eine erste Gradienten­ echosequenz ein erstes komplexes Signal (51) gewonnen.
• c) Ohne vorheriges Einschalten des ersten Meßgradienten­ pulses (G_M⁻) wird zumindest der Teil der Probe (P) erneut angeregt und durch eine zweite Gradientenechosequenz ein zweites komplexes Signal (52) gewonnen.
• d) Eines der Signale (51, 52) wird durch die Phaseninforma­ tion des anderen Signals phasenkorrigiert, so daß die verbleibende Phase nur noch das von Wirbelströmen hervorgerufene Magnetfeld repräsentiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor Schritt c) ein zweiter Meßgradientenpuls (G_M⁺) in einer zur ersten Richtung entge­ gengesetzten Richtung eingeschaltet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß während der Anregungen nach den Schritten b) und c) je ein Schichtselektionsgradient (G_s1⁺, G_s2⁺) eingeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Phasenkorrektur durch Division eines Signals (S1) durch die Phaseninformation des anderen Signals (S2) durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sequenz nach Anspruch 1 n-mal durchgeführt wird, wobei den beiden Signalen (51, 52) jeweils von Sequenz zu Sequenz in ihrer Zeit-Amplitudenfläche wechselnde erste Phasencodiergra­ dienten (G_ph1, G_ph2) vorangestellt und die Signale (51, 52) unter einem Auslesegradienten (G_r1, G_r2) in einer zu den ersten Phasencodiergradienten (G_ph1, G_ph2) senkrechten Rich­ tung ausgelesen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Sequenz nach Anspruch 5 m-mal durchgeführt wird, wobei ein zusätzlicher, zum ersten Phasencodiergradienten (G_ph1, G_ph2) und zum Auslesegradienten (G_r1, G_r2) senkrechter zweiter Phasencodiergradient (G_ph3, G_ph4) mit m unterschiedlichen Zeit-Amplitudenflächen durchge­ führt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus den gewonnenen Signalen (51, 52) nach der Phasenkorrektur ein Phasenbild berechnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verfahren zur Erfassung von Wirbelströmen für unterschiedli­ che Richtungen der Meßgradientenpulse (G_M⁺, G_M⁻) durchgeführt wird.