DE4419061C2 - Anordnung zur Messung und Regelung des Grundfeldes eines Magneten eines Kernspintomographiegerätes - Google Patents

Description

Heutige Kernspintomographiegeräte arbeiten im allgemeinen mit dem sogenannten Fourier-Verfahren, wie es zuerst von Ernst, Kumar und Welti (US-PS-40 70 611) vorgeschlagen wurde. Dabei wird das Kernresonanzsignal in mindestens einer Richtung phasencodiert. Dieses Verfahren setzt eine extrem hohe zeit­ liche Stabilität des der Kernspinpolarisation dienenden Grundmagnetfeldes voraus, weil ansonsten die Bildqualität durch Artefakte (Verschmierungen in Richtung des Phasenco­ diergradienten) erheblich verschlechtert wird. Dies ist in dem Buch von E. Krestel (Herausgeber) "Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik", 2. Auflage 1988, unter dem Abschnitt "Feldstabilität" auf den Seiten 491 und 492 näher erläutert. Bei den heute üblichen Feldstärken für Kernspinto­ mographiegeräte von 0,1 bis 2,0 T und den heute gebräuchli­ chen Pulssequenzen ist eine Feldstabilität von bis zu weniger als 20 bis 80 nT erforderlich. Diese Feldstabilität muß über einen Zeitbereich von einigen ms bis zu etlichen Sekunden (entsprechend einem Frequenzbereich von einigen Zehntel Hz bis zu einigen 10 Hz) eingehalten werden, bei höheren Fre­ quenzen (bzw. kürzeren Zeiten) nehmen die Anforderungen stark ab. Diese Forderung entspricht je nach Grundfeldstärke einer Genauigkeit von 0,1 ppm bis 0,01 ppm und weniger.

Diese Anforderung gilt sowohl für die Feldstabilität des vom Grundfeldmagneten selbst erzeugten Magnetfeldes als auch für äußere Einflüsse.

Externe Störquellen sind z. B. im Erdfeld oder im Streufeld des Magneten aufmagnetisierte Fahrzeuge, die sich in der Nähe des Magneten bewegen oder von Wechselstrom oder veränder­ lichem Gleichstrom durchflossene Leitungen (Transformatoren, Fahrleitungen von Bahnen usw.). Ohne besondere Maßnahmen müßten solche Störquellen einen großen Abstand vom Aufstel­ lungsort des Kernspintomographiegerätes haben. Eine Straßen­ bahn, deren Fahrleitungsstrom 500 A beträgt, erzeugt z. B. in zwei Kilometer Entfernung ein Störfeld von 50 nT, wenn man annimmt, daß der Feldabfall dem Abstand umgekehrt proportio­ nal ist. In der Praxis ist es kaum möglich, einen Instal­ lationsort für ein Kernspintomographiegerät zu finden, bei dem externe Störeinflüsse ohne besondere Maßnahmen am Gerät selbst innerhalb tolerierbarer Grenzen bleiben.

Abhängig vom Magnettyp sind verschiedene Maßnahmen bekannt, um Feldinstabilitäten zu vermeiden. Hierbei ist zu unter­ scheiden zwischen der Stabilität des vom Gerät selbst erzeug­ ten Magnetfeldes und externen Störungen. Permanentmagnete müssen temperaturstabilisiert werden, damit sie ausreichend stabil sind. Supraleitermagnete im üblichen Kurzschlußbetrieb (Feldabfall in der Regel kleiner 0,1 ppm/Stunde) sind inhä­ rent stabil. Bei normalleitenden Magneten besteht die Schwie­ rigkeit darin, den Versorgungsstrom zeitlich konstant (je nach Feldstärke auf kleiner 0,1 ppm) zu halten.

Bezüglich externer Störungen haben supraleitende Magnete ebenfalls deutliche Vorteile. Sofern sie keine sogenannten aktiven Streufeld-Abschirmungen aufweisen, dämpfen sie ex­ terne Störungen durch den Meissner-Ochsenfeld-Effekt wenig­ stens teilweise, d. h. etwa um einen Faktor 10. Bei einer aktiven Streufeld-Abschirmung, die aus einer gegensinnig in Serie geschalteten äußeren Abschirmwicklung besteht, kann durch eine aus relativ wenigen Windungen bestehende supralei­ tende Hilfswicklung die Schirmwirkung gegen externe Störfel­ der wiederhergestellt werden. Eine derartige Anordnung ist in der EP-A3-0 468 415 beschrieben. Außerdem wurde festgestellt, daß die tiefkalten Strahlungsschilde im Supraleiter-Kryosta­ ten wegen ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit Feldstörun­ gen mit Frequenzen größer als einige Hertz durch angeregte Wirbelströme recht gut dämpfen.

Dagegen schirmen Permanentmagnete vom Ringtyp, normalleitende Luftspulenmagnete in Helmholtz-Anordnung sowie permanentma­ gnetisch oder elektrisch angetriebene Jochmagnete externe Störungen kaum ab, insbesondere, wenn sie wegen der besseren Patientenzugänglichkeit relativ offen gebaut sind. Ein Joch­ magnet mit einem einseitigen Joch und einer offenen Bauweise ist beispielsweise in der US-PS-5,200,701 beschrieben.

Für Magnetsysteme mit Permanentmagneten oder normal leitenden Magneten ist daher in der Regel eine aktive Störfeldkompensa­ tion erforderlich.

Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der US-Pa­ tentschrift 5,245,286 bekannt. Dabei ist um jeden Polschuh des Magneten eine Sensorspule gelegt, mit der das jeweilige Magnetfeld erfaßt wird. Durch räumlich symmetrische Anordnung der Sensorspulen im Magneten und durch Reihenschaltung wird dabei der Einfluß der gepulsten Gradienten auf das gemessene Magnetfeld eliminiert. Aufgrund einer mit den Sensorspulen erfaßten Abweichung des Magnetfeldes von einem Sollwert wird eine die gesamte Meßkabine umfassende Kompensationsspule an­ gesteuert. Mit Sensorspulen können jedoch Gleichanteile bzw. sehr niederfrequente Änderungen des Magnetfeldes nicht gemes­ sen werden.

Aus der US-Patentschrift 4,284,950 ist es bekannt, zur Aus­ messung von Feldinhomogenitäten eines Magneten für Kernspin­ tomographiegeräte sogenannte MR-Sonden zu verwenden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Kernspinresonanzfre­ quenz bei einer bestimmten Kernart dem angelegten Magnetfeld streng proportional ist. Bei dieser Anordnung erfolgt die Messung jedoch nicht während der Bilderfassung und ohne ge­ schaltete Gradienten. Externe Feldstörungen können jedoch während des Pulssequenzablaufs sprunghaft auftreten. Eine Re­ gelung des Grundfeldes lediglich außerhalb der Meßzyklen eig­ net sich daher allenfalls für Supraleiter-Magnete, da deren Kälteschilde die höherfrequenten Anteile der Störfelder ab­ schirmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, zeitliche Instabilitäten des Grundfeldes einer Kernspintomographieanlage möglichst genau zu erfassen, wobei eine weitgehend kontinuierliche Messung möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß minde­ stens eine gegenüber den Antennen des Kernspintomographen geschirmte MR-Sonde als Magnetfeldsonde im Untersuchungsbe­ reich des Kernspintomographiegeräts angebracht ist und daß eine Korrektureinrichtung für von geschalteten Gradienten herrührende gepulste Magnetfeldgradienten vorgesehen ist.

Durch die Verwendung einer MR-Sonde zur Magnetfeldmessung können auch beliebig niederfrequente Störungen erfaßt werden. Durch die Abschirmung der MR-Sonde gegenüber den Antennen des Kernspintomographen werden störende Hochfrequenzkopplungen vermieden. Durch die Anbringung der Magnetfeldsonde im Untersuchungsbereich des Kernspintomographiegeräts ist eine genaue Kompensation von Störfeldeinflüssen möglich. Die Korrektureinrichtung ermög­ licht eine zumindest weitgehende unterbrechungsfreie Messung des Magnetfeldes.

Der Korrektureinrichtung können Informationen über den Schaltzustand der Gradienten zugeführt werden, wobei daraus die sich an der Magnetfeldsonden-Position ergebenden Magnet­ feldänderungen errechnet werden und wobei diese Magnetfeldän­ derungen von den Meßwerten der Magnetfeldsonde subtrahiert werden. Die von den Gradienten herrührenden Magnetfeldände­ rungen können z. B. einmal vermessen und dann in einer Tabelle niedergelegt werden.

In einer alternativen Ausführungsform sind im Untersuchungs­ bereich des Magneten zwei bezüglich des Magnetenzentrums zentralsymmetrisch angeordnete Magnetfeldsonden angebracht und in der Korrektureinrichtung werden die Meßsignale der beiden Magnetfeldsonden derart addiert, daß die Wirkung von gepulsten Magnetfeldgradienten eliminiert wird. Auch damit ist eine von den Gradienten ungestörte Erfassung des Grundma­ gnetfeldes möglich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 16 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 bis 3 verschiedene Anordnungen von Magnetfeld­ sonden in Kernspintomographiegeräten mit Magneten unterschiedlicher Bauart,

Fig. 4 schematisch eine Steuereinheit für das Magnetfeld,

Fig. 5 schematisch den Aufbau einer MR-Sonde als Magnetfeldsonde,

Fig. 6 eine erste Auswerteschaltung für die Meß­ signale der MR-Magnetfeldsonden,

Fig. 7 eine zweite Auswerteschaltung für die Meßsignale der MR-Magnetfeldsonden,

Fig. 8 ein Pulsdiagramm für die Magnetfeldmessung in einer MR-Sonde,

Fig. 9 den Feldverlauf eines Gradientenfeldes entlang einer zx-Richtung in einem Kern­ spintomographiegerät,

Fig. 10 ein Flußdiagramm zur Auswertung der MR-Signale entsprechend den Fig. 6 und 7 und zur Ermittlung und Kompensation von Feldinstabilitäten,

Fig. 11 bis 13 die Phasenverläufe der Ausgangssignale einer MR-Sonde mit einem Verfahren zur Be­ seitigung von Unstetigkeitsstellen,

Fig. 14 und 15 den Zeitverlauf der HF-Pulse und MR-Signale bzw. deren Phasenverlauf mit Über­ brückung der durch die Einstrahlung von Hf-Pulsen bedingten Lücken.

Fig. 16 eine Schaltung, bei der einer Korrektur­ einrichtung Informationen über den Schalt­ zustand der Gradienten zugeführt werden.

In Fig. 1 ist schematisch ein Polschuhmagnet eines Kernspintomographiegeräts mit einem einseitigen Joch darge­ stellt. Der magnetische Antrieb ist der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt und kann entweder aus Permanentmagne­ ten oder normalleitenden Magnetspulen bestehen. Im Bereich der Polschuhe 3, 4 sind jeweils Gradientenspulensätze 5 angebracht. Das Magnetzentrum ist mit 6 bezeichnet. Symme­ trisch bezüglich dieses Zentrums sind zwei Magnetfeldsonden 1 und 2, im folgenden kurz als "Sonden" bezeichnet, angeordnet. Eine einzelne Sonde im Zentrum des Systems, wo der Feldhub (d. h. die Störung) durch gepulste Gradienten aller drei Achsenrichtungen minimal ist, ist nicht möglich, da sich dort im Betriebszustand ein zu untersuchender Patient befindet. Eine einzelne Sonde im Bereich der Polschuhe kann für sich betrachtet unerwünschte Grundfeldstörungen nicht von den er­ wünschten Wirkungen der Gradientenfelder unterscheiden. Für eine einzelne Magnetfeldsonde sind also zusätzliche Korrek­ turmaßnahmen erforderlich. Bei Plazierung zweier Sonden zen­ tralsymmetrisch zum Magnetzentrum kann dagegen durch Addition der Meßsignale beider Magnetfeldsonden der Einfluß von Gra­ dientenfeldpulsen eliminiert werden und damit können Grund­ feldstörungen gemessen werden.

Die Fig. 2 und 3 zeigen entsprechende Beispiele für Son­ denpositionen bei axialen Magneten. Gemäß Fig. 2 sind die beiden Sonden 1 und 2 in den Positionen +y, -y positioniert. Sie können aber entsprechend Fig. 3 auch auf einer diagona­ len Position (z. B. -z, -x gemäß Fig. 3) liegen. Wichtig ist, daß bezüglich der Magnetkoordinaten eine Zentralsymmetrie herrscht, so daß die Sonden 1, 2 die gepulsten Gradientenfel­ der als Feldpuls jeweils umgekehrter Polarität sehen. Ent­ sprechend der schematischen Darstellung nach Fig. 4 werden die Ausgangssignale der Sonden 1, 2 einer Regelschaltung 9 zugeführt, wo sie addiert werden, damit die von Gradienten­ pulsen herrührenden Störungen eliminiert werden. Der Ausgang der Regelschaltung ist mit Korrekturspulen 7, 8 verbunden, mit denen das Feld des Magneten auf einen Sollwert ausgere­ gelt wird.

Für die Magnetfeldsonden werden MR-Sonden eingesetzt. Die anderen bekannten Sonden haben unterschiedliche Nachteile. Beispielsweise erfassen Pick-up-Spulen gut schnelle Feldän­ derungen, sie erfordern aber einen Integrator, der eine Drift erzeugt bzw. die untere Frequenzgrenze ist nicht Null. Mit Hall-Generatoren lassen sich problemlos auch langsame Feldän­ derungen erfassen, im hohen Grundfeld sind diese aber nicht genau genug und außerdem thermisch driftend. Auch mit Flux-Gates lassen sich langsame Feldänderungen erfassen, die Ge­ nauigkeit im hohen Grundfeld ist aber ebenfalls unbefriedi­ gend.

MR-Sonden lassen sich dagegen im hohen Grundfeld gut einset­ zen und es werden nur die Feldkomponenten erfaßt, die auch für die Kernspintomographie maßgebend sind. Die Feldmessung ist auch bei beliebig langsamer Feldänderung praktisch unbe­ grenzt genau. Wenn man allerdings herkömmliche continuous-wave-Verfahren in Verbindung mit lock-in-Detektion anwendet, werden schnelle Feldänderungen, wie sie unvermeidlicherweise durch die gepulsten Gradienten erzeugt werden, nicht erfaß­ bar. Bevorzugt werden daher MR-Sonden verwendet, die nach dem Puls-NMR-Spektrometerprinzip arbeiten. Dieses Prinzip ist für Spektrometer z. B. aus D. Shaw, Fourier Transform NMR Spec­ troscopy, Scientific Publ. Co. Amsterdam, 1976, Kap. 6, S. 121, bekannt.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer MR-Sonde. In einer Spule 10 ist eine Probe 11 angeordnet. Die Spule 10 ist über eine Anpaßschaltung mit Trimmer-Kondensatoren 12 und eine Ko­ axialleitung 14 mit einer Meßschaltung verbunden. Die gesamte MR-Sonde ist von einer Abschirmung 13 umgeben, mit der stö­ rende HF-Kopplungen zu den Antennen des Kernspintomographen vermieden werden. Über die Spule 10 werden in der Probe 11 Kernspins angeregt und liefern dann ein Kernresonanzsignal. Die Betriebsfrequenz der Sonde hängt vom Magnetfeld und vom Material der Probe ab. Zweckmäßigerweise wird als Probenmate­ rial eine Flüssigkeit oder ein Gel mit einer hohen Dichte von MR-geeigneten Kernen mit langer T2-Zeit verwendet. Wenn man z. B. Wasser verwendet, so wird die Betriebsfrequenz der MR-Sonde mit der Betriebsfrequenz des Kernspintomographiegerä­ tes, mit dem in der Regel Protonen-Bildgebung durchgeführt wird, übereinstimmen. Damit die der MR-Sonde zugeführte Hoch­ frequenz den Meßvorgang für das Bild nicht stört, muß dann für eine sehr gute Abschirmung der MR-Sonde und deren Zulei­ tung gesorgt werden. Alternativ kann auch ein Probenmaterial mit Atomkernen eingesetzt wer­ den, deren Magnetresonanz-Frequenz von der Protonen-Resonanz-Frequenz abweicht. Gut geeignet hierfür wären z. B. Fluor-Verbindungen wegen ihrer hohen MR-Empfindlichkeit.

In Fig. 6 ist ein erstes Schaltbeispiel zum Betrieb der Sonden 1 und 2 dargestellt. Die Sonden 1 und 2 sind dabei über Sende/Empfangs-Weichen 20 bzw. 21 mit dem Ausgang eines Hochfrequenzverstärkers 24 oder jeweils mit Eingängen von Hochfrequenzverstärkern 22 bzw. 23 verbunden. Zur Erzeugung des Sendesignals ist ein Hochfrequenzgenerator 30 vorgesehen, der über eine Steuerschaltung 25 im Sendebetrieb den Eingang des Hochfrequenzverstärkers 24 ansteuert.

Im Empfangsbetrieb werden die Ausgangssignale der Hochfre­ quenzsignalverstärker 22 und 23 jeweils einem Quadraturdemo­ dulator 26 und 27 zugeführt. Die Quadraturdemodulatoren 26 und 27 erhalten Referenzsignale vom Hochfrequenzgenerator 30, wobei durch einen Phasenschieber zwei um 90° phasenversetzte Signale benutzt werden. Die beiden von jedem Quadraturdetek­ tor 26 bzw. 27 erzeugten Signale, die Real- und Imaginärteil entsprechen, werden über Tiefpaßfilter 28 bzw. 29 Digital/Analog-Wandlern 32 bis 35 zugeführt. Die digitalen Aus­ gangssignale der Digital/Analog-Wandler 32 bis 35 werden in einem digitalen Signalprozessor 36 zu einem Steuersignal verarbeitet, durch einen Digital/Analog-Wandler 37 in Ana­ logsignale umgesetzt und dann einer Korrekturspule 7 für das Magnetfeld zugeführt. Die gesamte Anordnung wird von einer Steuereinrichtung 38 gesteuert.

Alternativ kann auch für jeden Sende/Empfangs-Kanal ein gesonderter Hochfrequenzgenerator 30, 30a mit nachgeschalte­ ter Pulssteuerschaltung 25, 25a und Hochfrequenzverstärker 24 und 24a verwendet werden, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist.

Fig. 8 zeigt die Abfolge der Hochfrequenzpulse RF und den Verlauf des MR-Signals mit Realteil S_R und Imaginärteil S_I. Die Sonde wird im sogenannten steady-state-free-precession-Modus betrieben. Die Hochfrequenzsignale RF sind sehr kurz, da ihre Zeitdauer für die Messung eine unerwünschte Totzeit darstellt. Ferner müssen die Hochfrequenzpulse breitbandig, d. h. nicht frequenzselektiv sein, denn die gepulsten Gradien­ ten erzeugen unter Umständen große MR-Frequenzverschiebungen.

In Fig. 8 ist ferner der Betriebszustand des Analog/Digital-Wandlers ADC dargestellt, wobei die Intervalle, in denen das Meßsignal abgetastet wird, mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet sind. Die Wiederholrate der Hochfrequenzpulse RF sollte niedrig sein, damit das Totzeit-zu-Meßzeit-Verhält­ nis klein ist. Der erforderliche Abstand der Hochfrequenz­ pulse richtet sich im wesentlichen nach der T₂*-Zeit der Probe 11, was zum einen durch das Material selbst, aber auch durch die Probengröße und -form gegeben ist. Es ist nämlich zu berücksichtigen, daß sich die Probe 11 (mindestens wegen der zeitweise eingeschalteten Gradienten) in der Regel im inhomogenen Feld befindet. Dieses Problem läßt sich aller­ dings dadurch abmildern, daß man die Sonden 1, 2 jeweils an einer Position im MR-Gerät anbringt, die einen niedrigen lokalen Feldgradienten aufweist. Diese Positionen sind in Fig. 9, die den Verlauf des Magnetfelds b über die x-Achse darstellt, beispielhaft mit x1 und x2 bezeichnet.

Insgesamt muß man also Probengröße, Probenort und Pulsabstand unter der Berücksichtigung der vorher zu bestimmenden Feld­ verteilung im Kernspintomographen so wählen, daß sich jeder­ zeit ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis ergibt.

Als Probenmaterial wird vorteilhafterweise eine Flüssigkeit oder ein Gel mit hoher Dichte und MR-geeigneten Kernen mit langer T2-Zeit verwendet. Geeignet sind Wasser, Kohlenwasser­ stoff oder ähnliches. Wenn man die Sonden 1, 2 mit der Reso­ nanzfrequenz der Protonen betreibt, so muß für eine gute Abschirmung der gesamten Anordnung gesorgt werden. Auch die Bildgebung im MR-Gerät erfolgt nämlich typischerweise auf der Resonanzfrequenz von Protonen. Da die Magnetfeldmessung auch während der Messung der für die Bildgebung erforderlichen Kernresonanzsignale weiterlaufen soll, würden sich ohne Abschirmung starke gegenseitige Beeinflussungen ergeben.

Wenn man die MR-Sonden 1 und 2 mit der Protonenresonanzfre­ quenz betreibt, so ergibt sich jedoch der Vorteil, daß ein gemeinsamer Hochfrequenzgenerator für die Festlegung der Hochfrequenzsendepulse für die Bildgebung und die Magnetfeld­ messung verwendet werden kann.

In den Sonden 1, 2 können jedoch auch Proben mit anderen Kernen eingesetzt werden, deren MR-Resonanzfrequenz von derjenigen von Protonen unterschiedlich ist. Gut geeignet sind z. B. Fluor-Verbindungen (Fluorkohlenwasserstoffe) wegen ihrer hohen MR-Empfindlichkeit.

Beide Sonden geben also mit Hilfe des vorstehend beschriebe­ nen Verfahrens ein bis auf die kurzen Sendepulse ununterbro­ chenes Kernresonanzsignal ab, dessen Frequenz entsprechend der Larmor-Beziehung ω=γ·B zu jeder Zeit absolut genau pro­ portional dem augenblicklich am Probenort herrschenden Ma­ gnetfeld ist.

Die weitere Verarbeitung der in der Schaltung nach Fig. 6 bzw. 7 demodulierten Sondensignale erfolgt auf digitalem Wege in einem digitalen Signalprozessor 36.

In Fig. 10 ist ein Flußdiagramm der Signalverarbeitung im digitalen Signal-Prozessor 36 dargestellt. Dem digitalen Signalprozessor 36 werden für jede Sonde 1, 2 Realteil und Imaginärteil des Kernresonanzsignals, mithin also vier Signale S1_R, S1_I, S2_R, S2_I zugeführt. Dann werden die Offsets der vorgeschalteten Analog/Digital-Wandler 32 bis 35 ermit­ telt und subtrahiert. Diese Funktion kann von Zeit zu Zeit in Meßpausen wiederholt werden, um Offsetdrift auszugleichen.

Die Ermittlung der Frequenz der MR-Signale geschieht in die­ ser Anwendung vorteilhafterweise nicht durch Fourier-Transformation des Zeitsignals, sondern durch Berechnung der zeit­ lichen Ableitung der Phase (ω=dϕ/dt). Die Phase ϕ(t_n) wird durch eine Vierquadrantenauswertung des Arcus Tangens des Real- und Imaginärteils bestimmt. Diese Methode hat den großen Vorteil, daß sie kontinuierlich jede Frequenzänderung sofort erfaßt.

Weiter enthält der digitale Signalprozessor 36 eine Funktion, die eine Anpassung des zeitlichen Phasenverlaufs an Über­ gangsstellen bewirkt. Dies wird im folgenden anhand der Fig. 11 bis 13 erläutert. Fig. 11 zeigt den Signalverlauf von Realteil S_R und Imaginärteil S_I des demodulierten Kernre­ sonanzsignals der Sonde. Wie in Fig. 12 sichtbar, weist der Phasenverlauf Sprünge von +180° nach -180° auf. Damit ergeben sich Probleme bei der Auswertung. Um dies zu vermeiden, wer­ den die Phasenverläufe derart verschoben, daß sich ein konti­ nuierlicher Übergang ergibt.

Ferner muß dafür gesorgt werden, daß an den durch die Hf-Pulse bedingten Sprungstellen eine Anpassung des zeitlichen Phasenverlaufs erfolgt. Fig. 14 zeigt den Realteil S_R eines Kernresonanzsignals der Sonden 1, 2, wobei dieses Signal während eines Hochfrequenzpuls RF unterbrochen ist. Während der Unterbrechungszeit erfolgt, wie in Fig. 15 mit einer durchgezogenen dicken Linie angedeutet, eine lineare Extra­ polation. In Fig. 15 sind mit einer durchgezogenen Linie die Meßwerte der Phase gezeichnet, mit einer durchgezogenen dicken Linie der extrapolierte Teil und mit einer gestri­ chelten Linie die an den Endpunkt der Extrapolation verscho­ benen Meßwerte. Wie durch die Pfeile in Fig. 15 angedeutet, müssen die nach der Extrapolation gewonnenen Meßwerte ver­ schoben werden, damit sich ein lückenloser Kurvenverlauf ergibt. Außerdem erfolgt die oben anhand der Fig. 12 erläuterte Verschiebung zur Vermeidung der 360°-Sprünge.

Durch Bildung der Größe [ϕ(t_n)-ϕ(t_n-1)]/(t_n-t_n-1) wird die Frequenz der Kernresonanzsignale der beiden Sonden S1 und S2, die dem an der Sondenposition vorhandenen MR-Signal pro­ portional ist, ermittelt. Schließlich werden die Ergebnisse addiert, so daß die Wirkung von Gradientenpulsen eliminiert wird. Wegen der räumlichen Antisymmetrie aller gepulsten Gra­ dientenfelder bezüglich der Magnetmitte und der zentral­ symmetrischen Anordnung der Proben fallen die Einflüsse der Gradientenpulse weg und es verbleibt nur der Grundfeldanteil. Am Ergebnis der Addition wird eine Tiefpaßfilterung durch­ geführt.

Da das Grundfeld (ohne Gradientenpulse) an den beiden ausge­ wählten Sondenpositionen unterschiedlich sein kann (Feldoff­ set), ergibt sich unter Umständen ein Offset des Ausgangs­ signals. Dieser konstante Feldoffset kann ermittelt und sub­ trahiert werden. Bei der Schaltung nach Fig. 7 mit zwei Hochfrequenzgeneratoren 30, 30a kann man die beiden Hoch­ frequenzgeneratoren 30 und 30a für die beiden Sonden 1 und 2 auch mit entsprechend dem Grundfeld unterschiedlichen, aber zueinander synchronisierten Frequenzen betreiben. Jeweils nach dem Einschalten des Systems werden die Hochfrequenzge­ neratoren 30, 30a auf eine derartige Frequenz eingestellt, daß sie im Ruhezustand am Ausgang der jeweiligen Quadratur­ demodulatoren die Frequenz Null ergibt.

Mit dem dargestellten Verfahren können die externen oder internen Störfelder, die es zu eliminieren gilt, ohne Störung durch die Gradientenpulse ermittelt werden. Vorteilhaft ist auch, daß durch eventuelle Unsymmetrien der Gradientenspulen erzeugte störende Feldsprünge oder Wirbelfelder mit homogener Feldverteilung ebenfalls erfaßt werden.

Die Taktrate, mit der die Meßdatenerfassung und -verarbeitung erfolgt, richtet sich nach der Position der Sonden 1, 2 und den angewendeten Gradientenfeldern. Die Datenerfassung und -verarbeitung muß jedoch mindestens mit einer Taktrate erfol­ gen, die bezüglich der gradientenpulsbedingten MR-Frequenzverschiebung der Kernresonanzsignals das Nyquist-Theorem erfüllt.

Das so erhaltene digitale Signal für den Istwert der Magnet­ feldstärke wird nun über einen Digital/Analog-Wandler 37 in ein analoges Signal umgewandelt, welches nach entsprechender Verstärkung einer Hilfsfeldspule 7 zugeführt wird, die das Störfeld kompensiert.

In einer alternativen Schaltung, wie sie schematisch in Fig. 16 dargestellt ist, wird nur eine Magnetfeldsonde 1 im Untersuchungsraum des Kernspintomographen verwendet, deren Ausgangssignal einer Korrektureinrichtung 38 zugeführt wird. Der Korrektureinrichtung 38 werden aus einer Gradienten-Schalteinheit 39 Informationen über den Schaltzustand der Gradienten zugeführt. Daraus werden die sich an der Magnet­ feldsonden-Position ergebenden Magnetfeldänderungen errech­ net. Dies kann z. B. durch eine Tabelle erfolgen, in der die Wirkungen der einzelnen Gradienten auf die Magnetfeldsonden-Position abgespeichert sind. Aufgrund dieser Information kann dann das Meßsignal der Magnetfeldsonde 1 korrigiert werden, so daß man ein Ausganssignal erhält, das frei von den stö­ renden Einflüssen der Gradienten ist und zur Magnetfeld­ korrektur herangezogen werden kann.

Claims (11)

1. Anordnung zur Messung des Grundfeldes eines gegen äußere Magnetfelder empfindlichen Magneten eines Kernspintomogra­ phiegerätes mit Antennen und Gradientenspulen zur Bildgewin­ nung und mit Magnetfeldsonden (1, 2), wobei das im Magneten herrschende Magnetfeld auch während der Bildmessung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine gegenüber den Antennen des Kernspintomogra­ phen geschirmte MR-Sonde als Magnetfeldsonde (1, 2) im Unter­ suchungsbereich des Kernspintomographiegerätes angebracht wird und daß eine Korrektureinrichtung für von geschalteten Gradienten herrührende gepulste Magnetfeldgradienten vorge­ sehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aufgrund des erhaltenen Meß­ wert es das Grundfeld des Magneten auf einen Sollwert geregelt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Korrektureinrichtung Informationen über den Schaltzustand der Gradienten zugeführt werden, daß daraus die sich an der Magnetfeldsonden-Position ergebenden Magnetfeldänderungen errechnet werden und daß die­ se Magnetfeldänderungen von den Meßwerten der Magnetfeldsonde (1) subtrahiert werden.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Untersuchungsbereich des Magneten zwei bezüglich des Magnetfeldzentrums (6) zentral­ symmetrisch angeordnete Magnetfeldsonden (1, 2) angebracht sind und daß in der Korrektureinrichtung die Meßsignale der beiden Magnetfeldsonden (1, 2) derart addiert werden, daß die Wirkung von gepulsten Magnetfeldgradienten eliminiert wird.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Magnet­ feldsonden (1, 2) an Orten mit möglichst kleinem lokalen Feldgradienten angeordnet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß eine eigene Sendeantenne (10) die MR-Sonde mit einer kontinuierlichen Abfolge von kurzen Hf-Pulsen (RF), deren Abstand in der Grö­ ßenordnung der T2*-Zeit eines Sonden-Probenmaterials liegt, anregt und daß in der Zeit zwischen Hf-Pulsen (RF) Kern­ resonanzsignale empfangen und phasenempfindlich demoduliert werden.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dauer der Hf-Pulse (RF) klein gegen die gradientenpulsbedingte reziproke Frequenzver­ schiebung des Kernresonanzsignals (S) ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenerfassung und Verarbeitung mindestens mit einer Taktrate erfolgt, die be­ züglich der gradientenpulsbedingten MR-Frequenzverschiebung des Kernresonanzsignals (S) das Nyquist-Theorem erfüllt.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die zur Feld­ messung benutzte Ermittlung der MR-Frequenz durch Zeitablei­ tung der Phase des Kernresonanzsignals (S) erfolgt.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß als Sonden-Probenmaterial (11) ein Material verwendet wird, dessen Kernresonanzfrequenz von der Betriebsfrequenz des Kernspinto­ mographiegeräts abweicht.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß als Sonden-Probenmaterial (11) ein Material verwendet wird, dessen Kernresonanzfrequenz mit der Betriebsfrequenz des Kern­ spintomographiegeräts übereinstimmt und daß ein gemeinsamer Hochfrequenzgenerator für die Festlegung der Hochfrequenz­ sendepulse und der Referenzsignale der phasenempfindlichen Sendepulse und der Referenzsignale der phasenempfindlichen Demodulatoren von Kernspintomographiegerät und MR-Sonde ver­ wendet wird.