DE4435183C2

DE4435183C2 - Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts

Info

Publication number: DE4435183C2
Application number: DE4435183A
Authority: DE
Inventors: Werner Lindstedt; Georg Pirkl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2014-10-01
Also published as: DE4435183A1; US5581183A; JPH08126629A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Mag netresonanzgeräts mit einem Hochfrequenzsystem zum Senden von hochfrequenten Anregungsimpulsen und/oder zum Empfangen von Magnetresonanzsignalen und mit einem Gradientensystem zum Er zeugen zeitlich veränderlicher magnetischer Gradientenfelder, wobei ausgehend von einer Sequenzbeschreibung beide Systeme in Abhängigkeit von zeitvarianten Signalen, die durch diskrete Signalwerte dargestellt werden, aktiviert werden.

Zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts wird sowohl für Bild gebung als auch für Spektroskopie eine Vielzahl von komplexen zeitvarianten Signalen benötigt. Zum einen müssen zeitvari ante und ortsabhängige Magnetfelder einem homogenen Feld in drei Raumrichtungen überlagert werden. Diese sogenannten Gra dientenfelder werden durch zeitvariante Ströme erzeugt, wobei die benötigten Ströme unterschiedliche Funktionsverläufe auf weisen. Weiterhin werden zeitvariante Hochfrequenzimpulse zur Anregung der magnetischen Resonanz benötigt. Dabei wird ein sinusförmiges Trägersignal mit einer Einhüllenden moduliert, die durch ein oder mehrere analytisch darstellbare Funktionen bestimmt ist. Neben den Funktionssignalen zur Erzeugung der Gradientenfelder und der hochfrequenten Anregungsimpulse wer den zeitlich veränderliche Steuersignale und Triggerimpuls folgen benötigt. Dazu gehören z. B. digitale Werte, die die Frequenz und Phasenlage der hochfrequenten Anregungsimpulse bestimmen, Ein- und Ausschaltsignale, Triggerzeitabstände für Funktionsgeneratoren, die die oben erwähnten komplexen Funk tionssignale erzeugen, und ähnliche digitale Werte in nicht- äquidistanten Abständen.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, die die diskreten Signalwerte, die Steuer- und Funktionssignale umfassen, im Magnetresonanzgerät zeitrichtig bereitstellen. Den Verfahren ist gemeinsam, daß sie die Funktionssignale in digitaler Form ausgeben. Zu den Systemen gehörende Digital-Analog-Wandler mit nachfolgenden Verstärkern erzeugen dann die physika lischen Signale, die den Gradientenspulen bzw. Hochfrequenz antennen zugeführt werden.

In einem ersten Verfahren sind die zum Betrieb des Magnet resonanzgeräts benötigten diskreten Signalwerte in einem Speicher, der auch unter der Bezeichnung Kontrollwortspeicher bekannt ist, gespeichert. Die Signalwerte werden zum Betrieb ausgelesen und den Systemen zugeführt. Dieses Verfahren benö tigt viel Speicherplatz. Neue Sequenzen lassen sich nur durch Änderung des Speicherinhalts und der Ausleseprozedur imple mentieren.

Speicherplatz läßt sich mit einem aus der DE-OS 38 02 082 und der WO 86 04 702 A1 bekannten Verfahren einsparen, indem den Kontrollworten oder den Signalwerten eine Zeitdauer beigefügt ist. Damit werden die relativ langen Zeiten überbrückt, in denen ein Signalwert unverändert bleibt. Die Zeitdauer kann im Kontrollwort selbst oder in einem separaten Zeitdauerspei cher abgelegt sein.

Aus der EP 0 195 670 A2 ist bekannt, diskrete Signalwerte vor einer Messung oder vor der Durchführung eines Magnetresonanz- Experiments in einem Speicher abzulegen und zur Messung durch eine Auslesesteuerung auszulesen. Die Auslesesteuerung wird dabei durch Information aus einem Kontrollwortspeicher ge steuert.

Bei einem weiteren Verfahren werden die Signalwerte mit einem festen Programm und variablen Daten on line berechnet. Die Synchronisation erfolgt wiederum durch Steuersignale aus dem Kontrollwortspeicher. Dieses Verfahren spart gegenüber dem vorstehend angegebenen Verfahren Speicherplatz. Bei veränder ten oder neuen Sequenzen muß die Datenstruktur und das Pro gramm den Veränderungen angepaßt werden. Mischformen der bei den zuletzt erläuterten Verfahren sind ebenfalls möglich.

Der Aufbau und die Struktur einer Steuerung mit Kontrollwort speicher ist auch in "Bildgebende Systeme für die medizini sche Diagnostik" von Erich Krestel, Siemens Aktiengesell schaft, 2. Auflage 1988 im Kapitel "10.2.4 Anlagensteuerung", pp. 528-534 beschrieben.

Aus dem Artikel "Word Programmer For NMR" von G. Danese, D. Dotti, H. G. Jian, E. Braschi, P. Confrancesco, M. Villa, erschienen in Rev. Sci. Instrum., Vol. 57, No. 7, July 1986, pp. 1349-1353 ist bekannt, Steuersignale als Einzelbitsignale mit Hilfe von einfachen Befehlen auf einer fest verdrahteten Logik zu erzeugen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts anzugeben, mit dem ohne großen Aufwand neue oder geänderte Sequenzen für Magnet resonanz-Experimente implementiert werden können. Dabei soll auf Kontrollwort- und Zeitdauerspeicher mit der entsprechenden Ansteuerung verzichtet werden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Sequenzbeschreibung in eine Folge von Befehlen für eine virtuelle Maschine umge setzt wird, daß die Folge von Befehlen in die virtuelle Ma schine geladen wird und daß dann die Folge von Befehlen mit Hilfe eines Interpreters von einem realen Rechner abgearbei tet wird zum Erzeugen der diskreten Signalwerte. Neue zusätz liche oder geänderte Magnetresonanz-Sequenzen können nun leicht durch eine Änderung des virtuellen Maschinenprogramms erzeugt werden. Gleichzeitig vereinfacht sich der Aufbau der Hardware, da der Kontrollwort- und Zeitdauerspeicher mit der entsprechenden Ansteuerung entfällt. Die virtuelle Maschine erlaubt die Abarbeitung spezieller, auf dem Betrieb von Ma gnetresonanzgeräten zugeschnittener virtueller Befehle. Wei terhin kann die Anzahl und Größe der Register in der virtu ellen Maschine auf den Betrieb des Mag netresonanzgeräts angepaßt werden. Zusammengefaßt wird damit ein flexibel handhabbares Betriebsverfahren für ein Magnet resonanzgerät zur Verfügung gestellt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden von der virtuel len Maschine als zeitveränderliche Signale sowohl Steuersig nale wie auch Funktionssignale erzeugt, wobei die Funktions signale den zeitlichen Verlauf der Anregungsimpulse und/oder der Gradientenfelder beschreiben. Damit kann der Betrieb des Magnetresonanzgeräts vollständig von der virtuellen Maschine gesteuert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden von der virtuellen Maschine zusätzlich akustische Signale durch Ab arbeiten des virtuellen Maschinenprogramms erzeugt. Die aku stischen Signale können Hinweise oder auch Anordnungen an ei nen Patienten umfassen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die virtuelle Maschine aufeinanderfolgend sich än dernde Signalwerte neu bildet und aufeinander folgende unver änderte Signalwerte wiederholt ausgibt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß Signalwerte verschiedener zeitvarianter Signale in verschiedenen Zeitrastern ausgegeben werden. Die Zeitraster sind dann an den Funktionsverlauf der Signale optimal ange paßt. Beispielsweise können die Funktionswerte für das Hoch frequenzsystem in einem feinen Zeitraster von 1 µs und die Signalwerte für das Gradientensystem in einem groben Zeitraster von 10 µs ausgegeben werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die verschiedenen Zeitraster von verschiedenen steuerbaren Takt generatoren erzeugt, wobei Steuerinformationen für die Takt generatoren durch Abarbeiten des virtuellen Maschinenpro gramms von der virtuellen Maschine erzeugt werden. Damit ist ein hohes Maß an Flexibilität zur Erstellung von Magnetreso nanz-Sequenzen gegeben. Insbesondere lassen sich die diskre ten Signalwerte eines Signals innerhalb einer Sequenz in ver schiedenen Zeitrastern oder Taktfrequenzen ausgeben. Bei spielsweise ist auch die Arbeitsfrequenz des Magnetresonanz geräts leicht änderbar.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Steuerinformationen für die Taktgeneratoren in einem Puffer speicher zwischengespeichert.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden die Signalwerte verschiedener Signale im Pufferspeicher zwischen gespeichert. Die Pufferspeicher dienen der Synchronisation zwischen der Signalerzeugung und der Peripherie. Sie werden in rechenextensiven Zeiten gefüllt und können auch in rechenintensiven Zeiten ausgelesen werden. Dabei muß dafür gesorgt sein, daß die Pufferspeicher nicht leer sind, wenn ein Taktgenerator einen Lesevorgang anstößt. Damit ist die Ausgabe und Bereitstellung der Signalwerte unabhängig von der Arbeitsfrequenz des Prozessors. Insbesondere können so Signalwerte für eine Vielzahl von unterschiedlichen Signalen gleichzeitig ausgegeben werden.

Die Anzahl der Pufferspeicher kann jederzeit geändert werden, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Pufferspeicher in der virtuellen Maschine gebildet sind, d. h. das Füllen der Pufferspeicher geschieht mittels der virtuellen Maschine.

Zum Ausgleich oder auch zum Erzeugen von Laufzeitunterschie den zwischen einzelnen Signalen werden in einer ersten Vari ante einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die Signal werte mit für die Signale unterschiedliche Schreibzeiger in die Pufferspeicher eingeschrieben und mit einem gemeinsamen Lesezeiger ausgelesen.

In einer zweiten alternativen vorteilhaften Ausführungsform werden die Signalwerte mit einem für die Signale gemeinsamen Schreibzeiger in die Pufferspeicher eingeschrieben und mit für die Signale unterschiedliche Lesezeiger ausgelesen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Steuermodul die Ausgabe der Signalwerte aus dem Pufferspeicher steuert. Dadurch ist die virtuelle Maschine von der Ausgabe der Signalwerte aus dem Pufferspeicher ent lastet.

Zur Ausgabe von Signalen in einem feinen Zeitraster ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung das Steuermodul als DMA- Kontroller realisiert.

Zur Ausgabe von Signalwerten in einem groben Zeitraster ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung das Steuermodul als Interrupt-Prozedur realisiert.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird für eine richtige zeitliche Relation zu einem groben Zeitraster den Signalwerten im Pufferspeicher irrelevante Information voran gestellt. Bei Funktionswer ten besteht die irrelevante Funktion aus einem Datum, das die Amplitude "Null" darstellt.

Ähnlich wird für eine richtige zeitliche Relation zu einem groben Zeitraster in einer weiteren vorteilhaften Ausgestal tung den Signalwerten im Pufferspeicher irrelevante Informa tion nachgestellt.

In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen sind Interpreter für an die Funktionsweise des Magnetresonanzgeräts angepaßte Befehle (Magnetresonanz-spezifische Befehle) vorgesehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von sieben Figuren er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Aufbau einer diagnostischen Magnetresonanzanlage, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet,

Fig. 2 den Aufbau einer Steuerung für ein Magnetresonanzgerät nach Fig. 1, die eine virtuelle Maschine umfaßt,

Fig. 3 eine Struktur einer virtuellen Maschine,

Fig. 4 eine Struktur eines Tabellenkopf einer gespeicherten Tabelle und

Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Signalwerte für drei Magnetfeld- Gradienten.

Fig. 6 einen FIFO-Pufferspeicher mit mehreren Schreibzeigern,

Fig. 7 einen FIFO-Pufferspeicher mit mehreren Lesezeigern.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten prinzipiellen Aufbau eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts zur Ermittlung von Bil dern und/oder Spektren eines Untersuchungsobjekts sind mit den Bezugszeichen 1, 2, 3, 4 Spulen bezeichnet, die ein mag netisches Grundfeld B_o erzeugen, in welchem sich während ei ner Untersuchung ein Patient 5 findet. Dem Grundfeld B_o sind außerdem Gradientenspulen zugeordnet, die zur Erzeugung unab hängiger, zueinander senkrechter Magnetfeldgradienten der Richtungen x, y und z gemäß einem Koordinatenkreuz 6 vorge sehen sind. Die unabhängigen Magnetfeldgradienten werden auch als Selektions-Gradient G_s, Phase-Gradient G_p und Read-Grad ient G_r bezeichnet. Mit den Selektions-, Phase- und Read-Gra dienten G_s, G_p, G_r und einer Hochfrequenzeinstrahlung lassen sich bei einer Zuordnung von z-Richtung zu Selektions-, y- Richtung zu Phase- und x-Richtung zu Read-Gradienten Schich ten parallel einer Ebene des Koordinatenkreuzes 6 anregen und abbilden. Bei einer durch eine Drehmatrix beschriebenen Zu ordnung, die den einen Vektor mit den Komponenten G_s, G_p, G_r in einem Vektor mit den Komponenten G_x, G_y, G_z überführt, lassen sich beliebige Schichten anregen. Dies wird auch als "multi slice-multi angle" bezeichnet.

In Fig. 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur Gradientenspu len 7 und 8 gezeichnet, die zusammen mit einem Paar gegen überliegender gleichartiger Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradienten G_x in x-Richtung dienen. Gleichartige, nicht gezeichnete Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradienten G_y in y-Richtung liegen parallel und oberhalb sowie unterhalb des Patientenkörpers 5. Die Gradientenspulen für den Gra dienten G_z in z-Richtung liegen quer zur Längsachse des Pa tienten 5 am Fuß- und am Kopfende. Die Anordnung enthält au ßerdem noch einen zur Erzeugung der Magnetresonanzsignale dienenden Körper-Resonator 9 als Antenne. Zur Aufnahme der Magnetresonanz-Signale ist zusätzlich eine Lokalantenne 19 vorgesehen, die alternativ zum Körper-Resonator 9 auch zur Anregung der Magnetresonanz-Signale dienen kann. Für Spezial untersuchungen können weitere Lokalantennen vorgesehen wer den.

Das eigentliche Untersuchungsinstrument besteht aus den von einer strichpunktierten Linie 10 umgrenzten Spulen 1, 2, 3, 4, den Gradientenspulen (beispielhaft dargestellt sind nur die Gradientenspulen 7 und 8) sowie dem Körper-Resonator 9 und gegebenenfalls der Lokalantenne 19. Zum Betrieb der Spu len 1 bis 4 ist ein Netzgerät 11 vorgesehen. An einer Gra dientenstromversorgung 12 liegen die Gradientenspulen 7 und 8, sowie die weiteren nicht dargestellten Gradientenspulen an. Ein von einer Steuerung 17 gesteuerter Hochfrequenzsender 14 ist mit dem Körper-Resonator 9 verbunden. Die Lokalantenne 19 ist neben dem Körper-Resonator 9 über einen Signalverstärker 15 ebenfalls an die Steuerung 17 gekoppelt. Die Steuerung 17 ist weiterhin an einen Rechner 18 mit einem Bildschirmgerät zur Ausgabe eines Bildes angeschlossen. Der Rechner 18 umfaßt auch eine Tastatur zur Eingabe. Die Kompo nenten 14 und 15 bilden eine Sende-Empfangseinheit 16 zur Signalerzeugung und Signalaufnahme. Von der Steuerung 17 wer den außerdem die Gradientenstromversorgungen 12 gesteuert. Im folgenden wird die Sende-Empfangseinheit 16 einschließlich der angeschlossenen Antennen 9, 19 als Hochfrequenzsystem bezeichnet. Die Gradientenstromversorgungen 12 mit den ange schlossenen Gradientenspulen bilden das Gradientensystem. Beide Systeme werden in Abhängigkeit von zeitvarianten Signa len, die durch diskrete Signalwerte dargestellt und von der Steuerung 17 ausgegeben werden, aktiviert.

Fig. 2 zeigt nun den Aufbau der Steuerung zum Betrieb des Mag netresonanzgeräts. Zur Vorgabe des Betriebs ist eine zum Rechner 18 gehörende Benutzerebene 20 geschaffen, die eine Sequenzeingabe 22 und eine weitere Eingabe 24 umfaßt. Über die Eingabe 24 werden z. B. Ein- bzw. Ausschalt- und Trigger signale eingegeben. In der Sequenzeingabe 22 wird die Se quenz, zur Erstellung eines Schnittbilds z. B. Spin-Echo- Pulssequenz, FLASH- oder FISP-Sequenz oder Echoplanar-Bildge bungs-Sequenzen, definiert und beschrieben. Die graphisch oder textuell beschriebene und definierte Sequenz wird nun über einen ebenfalls zum Rechner 18 gehörenden Compiler 26 in ein virtuelles Maschinenprogramm 28 mit einer Folge von Be fehlen für eine virtuelle Maschine 32 umgesetzt. Das virtu elle Maschinenprogramm 28 wird mit einer Ladeprozedur 30 in die virtuelle Maschine 32 geladen. Die virtuelle Maschine 32 umfaßt einen realen Prozessor 34, der das virtuelle Maschi nenprogramm 28 mit Hilfe eines Interpreters (hier nicht dar gestellt) abarbeitet und dabei für jeden Zeitrasterpunkt Si gnalwerte für das Hochfrequenz-System 33, das Gradientensy stem 35 und für Meldungen 37 erzeugt und in Pufferspeicher 36 einschreibt. Zu den Meldungen 37 gehören auch Hinweise und Anweisungen sprachlicher Art für den Patienten 5 über Laut sprecher. Die Pufferspeicher 36 werden über spezielle Steuer module ausgelesen, wobei für feine Zeitraster ein DMA-Kon troller 38 und für Signalwerte in einem gröberen Zeitraster ein Interrupt-Kontroller 40 vorgesehen ist.

Die für den DMA-Kontroller 38 und den Interrupt-Kontroller 40 benötigten Zeitraster zum Auslesen der Pufferspeicher 36 wer den von steuerbaren Taktgeneratoren 42 erzeugt. Der Inhalt der Pufferspeicher wird in Ausgaberegister 44 eingeschrieben, die gleichfalls von den Taktgeneratoren 42 gesteuert werden. Die in den Ausgaberegistern 44 vorliegenden Signalwerte wer den Digital-Analog-Wandlern (hier nicht dargestellt) zuge führt, die dann ebenfalls von den Taktgeneratoren 42 gesteu ert werden. Die Digital-Analog-Wandler gehören hier zu den Systemen 33, 35, 37.

Fig. 3 zeigt die Struktur der virtuellen Maschine 32. Die vir tuelle Maschine 32 umfaßt ein virtuelles Steuerwerk 50, dem ein Rechenwerk 52 zugeordnet ist. Das Rechenwerk 52 und ein reales Steuerwerk 54, das zum virtuellen Steuerwerk 50 ge hört, ist durch einen realen Rechner, wie z. B. der Typ DSP 96000 von Motorola, realisiert. Gleichfalls ist ein Speicher 56 vorhanden, worin das virtuelle Maschinenprogramm 28 und in einem Bereich 57 Daten in Tabellenform gespeichert sind. Wei ter gehören zur virtuellen Maschine 32 virtuelle Register 58, für die im Speicher 56 ebenfalls Bereiche reserviert sind. Das virtuelle Steuerwerk 50 ist in Software realisiert. Diese Software ist auch im Speicher 56 abgelegt. Im Speicher 56 sind zudem Bereiche für die schon erwähnten Pufferspeicher 36 festgelegt und die Interruptroutinen zum Auslesen der Puffer speicher 36 gespeichert.

Für das Hochfrequenzsystem 33 und das Gradientensystem 35 sind insgesamt 32 virtuelle Register 58 für die Funktionswer te und weitere Steuerregister vorgesehen. Damit lassen sich einfach strukturierte virtuelle Befehle konstruieren und in für den Betrieb des Magnetresonanzgeräts ausreichend schnel ler Zeit abarbeiten. Das ausreichend schnelle Abarbeiten des virtuellen Maschinenprogramms zum zeitrichtigen Bereitstellen der Signalwerte für die Systeme wird insbesondere dadurch ermöglicht, daß gleichzeitig zwei Gradientensignalsätze mit jeweils drei Gradientensignalwerten der unabhängigen Gradienten erzeugt werden können.

Die Signalwerte für das Gradientensystem 35 werden nach dem folgenden Prinzip ermittelt:

Für Teile des Signalverlaufs der einzelnen Gradienten G_s, G_p und G_r sind im Speicherbereich 57 normierte zeitliche Ver läufe in Gradienten-Tabellen abgespeichert, die mit entspre chenden Skalierungsfaktoren multipliziert zu den benötigten Signalwerten umgeformt und zum geforderten Signalverlauf zu sammengesetzt werden. Da für die Gradienten steigende und fallende Flanken erzeugt werden müssen, können die Tabellen sowohl vorwärts wie rückwärts ausgelesen werden. Die Gradien tenwerte werden weiter mit einer Drehmatrix multipliziert, um verschieden orientierte Schnittebenen aufzunehmen. Zusätzlich ist es noch möglich, zwei Funktionsverläufe zu überlagern.

Für die Erzeugung der Signalwerte für das Gradientensystem 35 sind im einzelnen folgende Register vorgesehen:

1. Sechs Gradiententabellen-Zeigerregister darin werden 6 Zeiger (Adressen) auf 6 Tabellen mit normier ten Signalwerten gespeichert.
2. Sechs Skalierungsfaktor-Register darin werden 6 Skalierungsfaktoren zum Entnormieren der in den Gradienten-Tabellen abgelegten Signalwerte gespeichert.
3. Ein Rotationsmatrix-Zeigerregister darin wird ein Zeiger für eine Rotationsmatrix gespeichert. Die Multiplikation von drei zusammengehörenden entnormierten Gradientensignalwerten mit der Rotationsmatrix bewirkt eine Verdrehung der zu untersuchenden Schnittebene.
4. Sechs Gradienten-Register logisch darin werden die Gradientensignalwerte nach der Drehung als Werte G_x, G_y, G_z für das Gradientensystem 35 gespeichert.
5. Drei Gradienten-Schreibzeiger-Register darin werden die Schreibzeiger für die Pufferspeicher 36 gespeichert.

Weitere zehn virtuelle Register 58 sind für das Hochfrequenz system 33 vorgesehen. Zum einen werden Register benötigt für Hochfrequenzparameter, die sich während eines Hochfrequenzim pulses nicht ändern, zum anderen werden Register für die Ein hüllende des Hochfrequenzssignals benötigt.

1. Frequenzregister damit wird die Frequenz des Hochfrequenz-Generators bestimmt.
2. Phasenregister damit wird die Phasenlage der Hochfrequenz festgelegt.
3. Sendeverstärkungsregister
4. Empfangsverstärkungsregister
5. Zeigerregister für ein Kennlinienkorrekturarray
6. Amplituden-Skalierungsfaktor
7. Zwei Zeigerregister für eine Signalwertetabelle, worin normierte Werte für Betrag und Phase der Hochfrequenz-Ein hüllenden abgelegt sind.
8. Zwei Register für Signalwerte der Einhüllenden

Die Steuerregister speichern Steuerbits z. B. für die Akti vierung von Analog-Digitalwandlern im Hochfrequenzempfänger 15, zum Ein- bzw. Ausschalten des Hochfrequenzsenders 14 und zum Schalten von den Antennen 9, 19 zugeordneten Verstimm schaltern. Die Anzahl der Steuerregister hängt von der Hardware des Magnetresonanzgeräts ab.

In Fig. 4 ist eine mögliche Struktur einer Tabelle von Skalie rungsfaktoren gezeigt, mit dem ein standardisierter Signal verlauf multipliziert wird um den gewünschten Signalverlauf zu erhalten. Die Tabelle ist, wie andere Tabellen auch, im Datenbereich 57 des Speichers 56 angesiedelt. Die Tabelle umfaßt einen Tabellenkopf 60 und einen Tabellenteil 62, worin die einzelnen Skalierungsfaktoren gespeichert sind. Der Ta bellenkopf 60 enthält Angaben über die Tabellenlänge, eine Tabellenanfangsadresse, einen Zeiger 64 oder eine Adresse für einen Skalierungsfaktor und eine Kopie dieses Skalierungsfak tors (Pfeil 66). Durch die Kopie des aktuellen Skalierungs faktors in den Tabellenkopf 60 ist der Zugriff auf die Tabel le beschleunigt. In Fig. 4 adressiert der Zeiger auf einen Speicherbereich, worin der 5. Skalierungsfaktor abgespeichert ist. Nach einer Inkrementierung des Zeigers um den Wert "1" wird der 6. Skalierungsfaktor in den Tabellenkopf kopiert.

Im allgemeinen können Tabellenkopf 60 und Tabellenteil 62 in verschiedenen Speicherbereichen des Speichers 56 abgelegt sein. Es gibt z. B. Tabellen für die oben schon erläuterten genormten Signalverläufe für Gradienten, Tabellen für Skalie rungsfaktoren, Tabellen für Rotationsmatrizen, Tabellen für Signalwerte von Einhüllenden der Hochfrequenzimpulse, Tabel len für die Trägerfrequenz des Hochfrequenzimpulses, Tabellen für die Phasenlage der Trägerfrequenz, Tabellen für Steue rungsbitmuster (z. B. ADC Ein, ADC Aus), Tabellen für Syn chronisationsbits (z. B. Steuerbits zur Antennenverstimmung und Tabellen für Taktgeschwindigkeiten oder Zeitraster.

Anhand von Fig. 5 wird beispielhaft für Gradientensignalwerte erläutert, wie für jeden Zeitrasterpunkt ein Signalwert durch Abarbeiten des virtuellen Programms 28 erzeugt und ausgegeben wird. Gezeigt ist ein Bereich von 35 Zeitrasterpunkten, mit unterschiedlichem zeitlichen Verlauf der einzelnen Gradienten G_s, G_p, G_r, wobei die dort gezeigte Gradientenform mit einer Programmschleife 68 wiederholt ausgegeben werden soll. Das Programm setzt zum Zeitpunkt 1 den Gradientenvektor, beste hend aus G_s, G_p, G_r, auf den Wert "0". Sodann werden drei Gradiententabellen-Zeigerregister mit den Startadressen der Tabellen geladen, worin die geforderten steigenden Flanken der Gradienten gespeichert sind. Zusätzlich werden drei Ska lierungsfaktoren-Register mit Skalierungsfaktoren geladen. Eine erste Wiederholungsschleife 68 bildet die Anzahl der Wiederholungen über den gesamten in Fig. 5 gezeigten Signal verlauf. Sodann werden für die Zeitpunkte 2 bis 4 die Signal werte für den Read-Gradienten G_r aus den normierten Gradien tentabellenwerten durch Multiplikation mit dem entsprechenden Skalierungsfaktor berechnet. Das geschieht in einer zweiten Wiederholungsschleife. In dieser Wiederholungsschleife wird zusätzlich der Gradientenvektor, bestehend aus den Werten 0 für den Phase-Gradienten G_p und den Selektions-Gradienten G_s sowie den berechneten Wert für den Read-Gradienten G_r mit einer Drehmatrix multipliziert. Anschließend wird der FIFO- Pufferspeicher 36 mit dem gedrehten Vektor gefüllt. Damit ist die zweite Programmschleife abgeschlossen.

In einer dritten Programmschleife müssen für die Zeitpunkte 5 bis 7 zusätzlich zu den Signalwerten für den Read-Gradienten G_r Signalwerte für den Phase-Gradienten G_p berechnet werden. Auch dieser Gradientenvektor wird nach der Multiplikation mit der Drehmatrix in den Pufferspeicher 36 eingeschrieben.

Für die Zeitpunkte 8 bis 10 werden in einer 4. Programm schleife Signalwerte für alle drei Gradienten G_r, G_p, G_s be rechnet, mit der Drehmatrix multipliziert und in den Puffer speicher 36 eingeschrieben.

Der Read-Gradient G_r ist für die Zeitpunkte 11 bis 13 unver ändert, während der Phase- und Selektionsgradient G_p, G_s wei ter in seiner Amplitude steigt, was in einer 5. Wiederho lungsschleife erfolgt. Für den Read-Gradienten G_r wird der schon im entsprechenden Register stehende Wert verwendet um anschließend mit den Signalwerten der beiden anderen Gradien ten G_p, G_s zusammen gedreht und in den Pufferspeicher 36 ein geschrieben zu werden.

Im Bereich 14 bis 25 sind die Werte unverändert, deshalb wird in einer 6. Schleife der Pufferspeicher 36 mit dem letzten, gedrehten Vektor gefüllt.

Nun müssen die Gradienten-Tabellenzeigerregister für die fal lenden Flanken eingestellt werden und neue Skalierungsfakto ren ausgelesen werden. In einer 7. Schleife werden für die Zeitpunkte 26 bis 31 die Signalwerte für alle drei Gradienten G_r, G_p, G_s berechnet, mit einer Drehmatrix multipliziert und danach in den Pufferspeicher 36 eingeschrieben. Für die letz te Signalschleife wird schließlich wieder der Wert des letz ten gedrehten Vektors für die Zeitpunkte 32 bis 35 in den Pufferspeicher 36 eingeschrieben.

Die vorstehende Programmbeschreibung läßt sich mit einer pro grammnahen Syntax, die direkt in Befehle für das virtuelle Maschinenprogramm 28 umgesetzt werden kann, wie folgt ange ben:

Gradientenvektor (G_s, G_p, G_r) = (0,0,0)

setze drei Gradiententabellen-Zeigerregister auf Tabellen für steigende Flanken
setze drei Skalierungsfaktorenregister

Für die Anweisung "berechne Gradientensignalwert" gibt es zwei Unterarten, um für fallende und steigende Signalflanken diesselbe Tabelle verwenden zu können. Das spart Speicherplatz. Die Anweisung "berechne Gradientensignalwert" gliedert sich dann auf bei:
steigender Flanke:
hole Wert über Gradiententabellenzeigerregister aus Tabelle
inkrementiere Gradiententabellenzeigerregister um "1"
multipliziere geholten Wert mit Skalierungsfaktor
bei fallender Flanke:
hole Wert über Gradiententabellenzeigerregister aus Tabelle
dekrementiere Gradiententabellenzeigerregister um "1"
multipliziere geholten Wert mit Skalierungsfaktor.

Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt des Pufferspeichers 36, worin die Signalwerte für die drei Gradienten in x-, y- und z-Rich tung gespeichert und ausgelesen werden. Der Pufferspeicher 36 ist nach dem FIFO-Prinzip (First in First out-Prinzip) orga nisiert. Für jeden Gradienten ist zum Einschreiben des Sig nalwertes ein Schreibzeiger 70 vorgesehen, wodurch ein zei lenweiser Versatz beim Einschreiben der Signalwerte in den Pufferspeicher 36 bewirkt wird. Der Versatz ist durch ein entsprechendes Setzen der Schreibzeigerregister frei wählbar. Ausgelesen wird mit einem für alle Gradienten gemeinsamen Le sezeiger 62. Durch die zeilenweise Versetzung der Signalwerte kann die zeitliche Relation der Gradienten zueinander einge stellt werden. Eine derartige zeitliche Feinjustage ist z. B. dann erforderlich, wenn die Zeitkonstanten der Gradientenspu len und/oder die Zeitkonstanten der Gradientenverstärker un terschiedlich sind.

Eine alternative Lösung zur Sicherstellung einer richtigen zeitlichen Relation der Gradientensignale zueinander ist in Fig. 7 dargestellt. Hier werden jedoch im Unterschied zur Aus führung nach Fig. 6 mit einem einzigen Schreibzeiger 70 die Signalwerte für alle Gradienten eingelesen. Die geforderte zeitliche Relation der Signale zueinander wird durch Lesezei ger 72 erreicht, mit denen der Lesevorgang für jeden Gradien ten verschieden adressiert werden kann.

Das virtuelle Steuerwerk 50 (vgl. Fig. 3) umfaßt das Steuer werk der realen Maschine, sowie den Interpreter, der die Be fehle im virtuellen Maschinenprogramm in Steuersignale für den realen Prozessor umsetzt. Für den Interpreter ist ein Be reich im Speicher 56 reserviert. Das Abarbeiten des virtuel len Maschinenprogramms beginnt damit, daß nach dem Laden des virtuellen Maschinenprogramms ein Vorbereitungsprogramm ge startet wird, das alle Befehle oder Befehls-Codes (OP-Codes) des virtuellen Maschinenprogramms durch die Einsprungadressen im Interpreter ersetzt. Damit wird die Befehlshohlphase be schleunigt. Am Ende des Vorbereitungsprogramms zeigt ein Adressregister der realen Maschine, das als Programm-Zähler (PC) für die virtuelle Maschine arbeitet, auf den OP-Code des ersten Befehls im virtuellen Maschinenprogramm. Der letzte Befehl des Vorbereitungsprogramms ist ein Sprung in den In terpreter des ersten Befehls im virtuellen Maschinenprogramm. Zuvor wird noch der Programm-Zähler der virtuellen Maschine inkrementiert und zeigt dann auf den ersten Parameter des ersten Befehls im virtuellen Maschinenprogramm, bei parame terlosen Befehlen auf den nächsten OP-Code.

Ein virtueller Maschinenbefehl besteht im ersten Befehlswort aus dem OP-Code, darauffolgende Befehlsworte geben die Para meter des entsprechenden Befehls an. Mittels der Parameter werden die Befehle modifiziert. So werden damit z. B. die im Befehl verwendeten Register, ein Zahlenwert für Inkrement oder Dekrement (zum Erzeugen von steigenden oder fallenden Signalflanken), Post- oder Predekrementwerte oder Post- oder Preimkrementwerte ein Modulowert oder "Modulowert steht in Tabelle", ein Skalierungswert, eine Tabellenanfangsadresse, eine Adresse eines Tabellenkopfanfangs oder eine Adresse eines Tabellenkkopfeintrags vorgegeben. Die Parameter hängen von der Implementierung ab.

Der zum Betrieb des Magnetresonanzgeräts benötigte Befehls satz der virtuellen Maschine umfaßt Programmschritte, die es gestatten, Schleifen (auch geschachtelt) zu bilden. Die An zahl der Schleifendurchläufe kann konstant oder von Schlei fendurchlauf zu Schleifendurchlauf verschieden sein.

Weiterhin sind Programmschritte vorhanden, die Signalwerte einer zeitvariablen Funktion ermitteln. Das kann nach drei verschiedenen Verfahren ablaufen:

1. Die benötigten Signalwerte werden aus einer Tabelle ausge lesen und direkt weiter verarbeitet,
2. die Signalwerte werden nach einem Algorithmus berechnet,
3. die Signalwerte eines standardisierten Signalverlaufs wer den aus Tabellen gelesen und mit einem Algorithmus modi fiziert, wie vorstehend anhand von Fig. 5 beschrieben ist.

Weiterhin ergibt es Befehle, die bereits ermittelte Funk tionswerte miteinander verknüpfen, wie z. B. durch Multipli zieren der Signalwerte für die Gradientenströme mit einer Drehmatrix, wodurch eine Drehung der Abtastschichten erreicht wird.

Des weiteren sind Befehle zum Einschreiben von Signalwerten in die Pufferspeicher 36 vorgesehen. Dabei wird mit dem Ein schreiben solange gewartet, bis der Pufferspeicher 36 minde stens einen freien Speicherplatz hat. Die Ausgabe erfolgt derart, daß für jeden Taktimpuls alle benötigten Werte zur Verfügung gestellt werden.

Weiterhin sind Befehle im virtuellen Maschinenprogramm, die auf Eingaben von Peripheriegeräten, wie z. B. einen vom einem EKG-Signal abgeleitenden Triggersignal oder Eingaben eines Benutzers warten. Die Eingaben der Peripheriegeräte können in einen Pufferspeicher abgelegt werden.

Das Konzept der virtuellen Maschine bietet zudem die Möglich keit, Befehle, die stets in gleicher Reihenfolge abgearbeitet werden, zu einem neuen Befehl zusammenzufassen und bei Änderungen der Funktionalität neue Befehle zu erzeugen.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts mit einem Hochfrequenzsystem (33) zum Senden von hochfrequenten Anre gungsimpulsen und/oder zum Empfangen von Magnetresonanzsigna len und mit einem Gradientensystem (35) zum Erzeugen zeitlich veränderlicher magnetischer Gradientenfelder, wobei ausgehend von einer Sequenzbeschreibung beide Systeme (33, 35) in Ab hängigkeit von zeitvarianten Signalen (G_s, G_p, G_r, G_x, G_y, G_z), die durch diskrete Signalwerte dargestellt werden, akti viert werden, dadurch gekennzeich net, daß die Sequenzbeschreibung in eine Folge von Be fehlen (28) für eine virtuelle Maschine (32) umgesetzt wird, daß die Folge von Befehlen in die virtuelle Maschine geladen (30) wird und daß dann die Folge von Befehlen (28) mit Hilfe eines Interpreters von einem realen Rechner abgearbeitet wird zum Erzeugen der Signalwerte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die zeitlich veränderlichen Signale Steuersignale und Funktionssignale umfassen, wobei die Funk tionssignale den zeitlichen Verlauf der Anregungsimpulse und/oder der Gradientenfelder beschreiben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß von der virtuellen Maschi ne (32) durch Abarbeiten des virtuellen Maschinenprogramms (28) zusätzlich akustische Signale erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die akustischen Signale Sprachsignale umfassen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die virtu elle Maschine (32) Signalwerte, die sich von Zeitrasterpunkt zu Zeitrasterpunkt ändern, neu bildet und Signalwerte, die von Zeitrasterpunkt zu Zeitrasterpunkt unverändert bleiben, wiederholt ausgibt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß Signalwerte verschiedener zeitvarianter Signale in verschiedenen Zeitra stern ausgegeben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die verschiedenen Zeitraster von ver schiedenen steuerbaren Taktgeneratoren (42) erzeugt werden, wobei Steuerinformationen für die Taktgeneratoren durch Abar beiten des virtuellen Maschinenprogramms (28) von der virtu ellen Maschine (32) erzeugt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerinformationen für die Takt generatoren in einem Pufferspeicher (36) zwischengespeichert werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwerte verschiedener Signale in Pufferspeicher (36) zwischengespeichert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferspeicher (36) in der virtuellen Maschine (32) gebildet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferspeicher (36) nach dem FIFO-Prinzip organisiert sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwerte mit für die Signale unterschiedliche Schreib zeiger (70) in die Pufferspeicher (36) eingeschrieben und mit einem gemeinsamen Lesezeiger (72) ausgelesen werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalwerte mit einem für die Signale gemeinsamen Schreibzei ger (70) in die Pufferspeicher (36) eingeschrieben und mit für die Signale unterschiedliche Lesezeiger (72) ausgelesen werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuermodul die Ausgabe der Signalwerte aus dem Pufferspei cher (36) steuert.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermodul als DMA- Kontroller (38) realisiert ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuermodul als In terrupt-Kontroller (40) realisiert ist.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß den Signal werten im Pufferspeicher (36) irrelevante Information voran gestellt wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, da durch gekennzeichnet, daß den Signal werten im Pufferspeicher (36) irrelevante Information nachge stellt wird.

19. Verfahren nach einer der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuelle Maschine einen Interpreter für einen Befehl umfaßt, womit mindestens zwei verschiedene Funktionssignale zu einem neuen Funktionssignal überlagert werden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die vir tuelle Maschine einen Interpreter für einen Befehl umfaßt, mit dem Signalwerte von drei Funktionssignalen mit einer Drehmatrix multipliziert werden und mit dem das Multiplika tionsergebnis als Ergebnisvektor in einem Pufferspeicher ab gespeichert wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die vir tuelle Maschine einen Interpreter für einen Befehl umfaßt, womit Signalwerte von mindestens drei Funktionswerten gleich zeitig gespeichert werden.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die virtuelle Maschine einen Interpreter für einen Befehl umfaßt, mit dem ein Register aus einer Tabelle geladen wird, wobei gleichzeitig ein Index in einem Tabellenkopf der Tabelle aktualisiert wird.