DE60133769T2

DE60133769T2 - Mri-apparat mit einer piezo-betätigungsvorrichtung in einer nicht starren aufhängung des gradienten-spulenträgers

Info

Publication number: DE60133769T2
Application number: DE60133769T
Authority: DE
Inventors: Nicolaas B. Roozen; Gerard Van Schothorst
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: JP3723547B2; EP1348136B1; US20020079895A1; EP1348136A1; US6549010B2; JP2004515287A; WO2002046783A1; DE60133769D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Erzeugung von Magnetresonanzbildern, wobei das Gerät Folgendes umfasst:
ein Gradientenspulensystem, das einen Gradientenspulenträger umfasst, auf dem Gradientenspulen angeordnet sind, wobei der genannte Gradientenspulenträger mittels Aufhängungselementen, die jeweils mit einem federnden Element versehen sind, an einem Rahmen befestigt ist.
Ein Gerät dieser Art ist aus der US-amerikanischen Patentschrift 5.793.210 bekannt. Das in dem zitierten Dokument beschriebene MRI-Gerät ist mit einem Gradientenspulensystem mit Gradientenspulen ausgestattet, die in einem Gehäuse angeordnet sind, in dem der Gasdruck geringer ist als in der umgebenden Atmosphäre. Spulen dieser Art können auf einem Gradientenspulenträger angeordnet werden, der selbst an weiteren Teilen des MRI-Geräts befestigt ist; der Gradientenspulenträger ist insbesondere mittels Aufhängungselementen an dem Rahmen des MRI-Geräts befestigt.
Es ist eine allgemein bekannte Tatsache, dass Gradientenspulen im Betrieb Geräusche erzeugen, die für die zu untersuchenden Patienten sehr störend sind. Technisches Ziel ist es daher, diese Geräusche so weit wie möglich zu reduzieren. Zu diesem Zweck sind die Gradientenspulen in dem bekannten MRI-Gerät in einer Vakuum-Atmosphäre mit einem solchen Restdruck angeordnet, dass die akustische Übertragung von in dem Gradienten auftretenden Vibrationen an die Umgebung über die genannte Restatmosphäre erheblich reduziert wird. Der genannte Vakuumraum kann mit einem Schall absorbierenden Glasfasermaterial gefüllt werden, um die Restübertragung über die Atmosphäre noch weiter zu reduzieren. Um der Übertragung von Vibrationen über die Aufhängungselemente entgegenzuwirken, sind die Aufhängungselemente so angeordnet, dass die Übertragung von durch das Gradientenspulensystem erzeugten Vibrationen abgeschwächt wird. Das Gradientenspulensystem wird insbesondere durch Materialien getragen, die einen Teil der Aufhängungselemente bilden und die gewünschten akustischen Eigenschaften aufweisen, zum Beispiel Gummi, Kunststoff oder ein Epoxidmaterial, oder durch federnde Elemente, die wie die genannten Materialien auf starren Strukturelementen wie Halterungen oder Flanschen aufliegen, die speziell für diesen Zweck vorgesehen sind.
Es ist an sich bekannt, dass der Übertragung von Vibrationen von einem vibrierenden Element an seine Umgebung entgegengewirkt werden kann, indem das genannte Element mittels Federn gelagert wird, die eine vergleichsweise geringe Steifigkeit aufweisen. Je geringer die Steifigkeit einer derartigen Feder ist, desto geringer wird die Übertragung der Vibrationen vom vibrierenden Element (zum Beispiel dem Gradientenspulenträger) an die Umgebung (zum Beispiel den Rahmen des MRI-Geräts) sein.
Das einfache Unterstützen des Gradientenspulenträgers mit Hilfe von federnden Elementen ist jedoch mit einigen Nachteilen verbunden. Insbesondere gibt es immer noch Frequenzbereiche, in denen die Vibrationen des Gradientenspulenträgers immer noch so beschaffen sind, dass sie störende Auswirkungen haben.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein MRI-Gerät der beschriebenen Art zu schaffen, in dem den nachteiligen Auswirkungen von Vibrationen des Gradientenspulenträgers besser entgegengewirkt wird. Um dies zu erreichen, ist das erfindungsgemäße MRI-Gerät dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Aufhängungselemente mit einem aktiven ansteuerbaren Element versehen ist, das in Reihe mit dem federnden Element geschaltet ist und dazu dient, nachteiligen Vibrationseffekten des Gradientenspulenträgers entgegenzuwirken. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine adäquate Reduzierung der nachteiligen Auswirkungen der Vibrationen des Gradientenspulenträgers nicht lediglich mit passiven Elementen (d. h. Elementen, deren mechanisches Verhalten ausschließlich auf die darauf ausgeübte statische oder dynamische Belastung reagiert) erreicht werden kann. Wenn ein aktives ansteuerbares Element in die Aufhängungselemente eingefügt wird, kann das ansteuerbare Element in der Aufhängung des Gradientenspulenträgers über eine elektronische Steuerschaltung in Übereinstimmung mit den speziellen Anforderungen angesteuert werden, die in Bezug auf das Vibrationsverhalten an die Konstruktion eines MRI-Geräts gestellt werden. Die Verwendung von aktiven ansteuerbaren Elementen zur Geräuschreduzierung in Gradientenspulen ist an sich bekannt, zum Beispiel aus dem Dokument US 5.793.210 .
Eine sehr schwache Aufhängung des Gradientenspulenträgers in Übereinstimmung mit dem gegenwärtigen Stand der Technik hat insbesondere den Nachteil, dass eine derartige Aufhängung im Betrieb zu einer Veränderung der Position des Gradientenspulenträgers im makroskopischen Sinn führen kann; mit anderen Worten, es kann sein, dass der Gradientenspulenträger auf die gleiche Weise bewegt wird wie ein starres Element. In Abhängigkeit von der Methode zur Aufhängung des Gradientenspulenträgers kann diese Bewegung zum Beispiel als makroskopische Drehung des Gradientenspulenträgers oder als eine schwingende Bewegung der Aufhängungselemente, auf denen der Gradientenspulenträger aufliegt, zum Ausdruck kommen. Dieser Nachteil tritt vor allem in dem Fall einer Konstruktion auf, die darauf abzielt, im Hinblick auf eine maximale Vibrationsisolierung eine möglichst schwache Aufhängung zu realisieren. Eine makroskopische Positionsveränderung bedeutet, dass während der Erfassung des MRI-Bildes die Gradientenfelder relativ zu dem abzubildenden Objekt verschoben werden; eine derartige Verschiebung wirkt sich offensichtlich nachteilig auf die Bildqualität aus. Um makroskopischen Bewegungen des Gradientenspulenträgers entgegenzuwirken, ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRI-Geräts mit einer Ansteuerungsschaltung ausgestattet, die vorgesehen ist, um die aktiven ansteuerbaren Elemente auf derartige Weise anzusteuern, dass diese Elemente die auf den Gradientenspulenträger wirkenden Nettokräfte neutralisieren. Dieser Aspekt der Erfindung beruht auf der folgenden Erkenntnis. Vibrationen des Gradientenspulenträgers werden durch die Gradientenströme im stationären Magnetfeld (dem so genannten Hauptfeld) des MRI-Geräts verursacht. Wenn das Hauptfeld überall in der Nähe des Gradientenspulenträgers die gleiche Stärke und die gleiche Richtung hat, wird der Gradientenspulenträger keiner Netto-Lorentzkraft unterliegen. Da das Hauptfeld jedoch in der Praxis niemals homogen ist, wird es immer eine Netto-Lorentzkraft geben, die zu makroskopischen Vibrationen und den zugehörigen Bewegungen führt. Die Frequenz derartige Vibrationen liegt typischerweise in der Größenordnung von 10 Hz. Wenn die aktiven ansteuerbaren Elemente auf derartige Weise angesteuert werden, dass sie Kräfte liefern, welche den genannten Nettokräften entsprechen und ihnen entgegengesetzt sind, werden unter dem Strich keine Nettokräfte mehr auf den Gradientenspulenträger wirken, so dass auch keine makroskopischen Bewegungen mehr auftreten können. Es wird also eine Kraftkompensation angewendet, um eine Eliminierung der makroskopischen Bewegungen zu bewirken.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRI-Geräts ist mit einer Ansteuerungsschaltung ausgestattet, die vorgesehen ist, um die aktiven ansteuerbaren Elemente auf derartige Weise anzusteuern, dass jedes der genannten Elemente die durch den Gradientenspulenträger im Bereich des Befestigungspunktes des relevanten Aufhängungselements ausgeführten Vibrationsbewegungen kompensiert. Dieser Aspekt der Erfindung beruht auf der folgenden Erkenntnis. Der Gradientenspulenträger hat mindestens eine interne Resonanzfrequenz. Für diese Resonanzfrequenzen (die wichtigste hat eine Frequenz, welche typischerweise in der Größenordnung von 700 Hz liegt) stellt die schwache Aufhängung eine unzureichende Vibrationsisolierung von der Umgebung dar. Das bedeutet, dass die Übertragung der durch den Gradientenspulenträger erzeugten Vibrationen an die Umgebung (den Rahmen des MRI-Geräts) unzureichend reduziert wird, so dass das störende Geräusch über den Rahmen an die weitere Umgebung übertragen wird. Dieser Übertragung wird dadurch entgegengewirkt, dass das aktive ansteuerbare Element auf derartige Weise angesteuert werden kann, dass die Bewegung des Befestigungspunktes des Aufhängungselements an dem Gradientenspulenträger, verursacht durch die betreffenden Vibrationen, durch eine entgegengesetzt gerichtete Verlängerung/Verkürzung des aktiven ansteuerbaren Elements kompensiert wird, welche durch eine Änderung der Länge des ansteuerbaren Elements bewirkt wird, die durch die Ansteuerung herbeigeführt wird. Als Ergebnis wird das Aufhängungselement faktisch für die Ansteuerungsfrequenz (-frequenzen) geschwächt, insbesondere für den angegebenen typischen Wert von 700 Hz. Eine derartige faktische Schwächung reduziert die Übertragung der dynamischen Kräfte, die durch den Gradientenspulenträger auf den Rahmen des MRI-Geräts ausgeübt würden. Auf diese Weise wird eine Bewegungskompensation angewendet, um eine Eliminierung der Übertragung von Kräften von der Gradientenspule auf den Rahmen zu erreichen.
Um die (elektronische) Steuerung mit den gewünschten Eigenschaften zu realisieren, das heißt Kraftneutralisierung bei niedrigen Frequenzen (mit dem Ergebnis, dass makroskopische Bewegungen eliminiert werden) und/oder Bewegungskompensation bei höheren Frequenzen (mit dem Ergebnis, dass die Kraftübertragung verhindert wird), ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRI-Geräts mit einer Gradientensteuerungsschaltung ausgestattet, um das Gradientensignal zu erzeugen, wobei die Ansteuerungsschaltung in dem genannten Gerät mit einer Vorwärtskopplungsschaltung ausgestattet ist, die zwischen die Gradientensteuerungsschaltung und das aktive ansteuerbare Element geschaltet ist. Diese Ausführungsform nutzt vorteilhafterweise das a priori-Wissen bezüglich des Vibrationszustands des Gradientenspulenträgers. Dieses Wissen wird von den Gradientenströmen (dem Steuersignal für die Gradientenströme) auf derartige Weise abgeleitet, dass ein Ansteuerungssignal für das aktive ansteuerbare Element dergestalt erzeugt wird, dass die gewünschte Kraftneutralisierung bei niedrigen Frequenzen und/oder die gewünschte Bewegungskompensation bei höheren Frequenzen erreicht wird.
Die Ansteuerungsschaltung in einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts umfasst eine Rückkopplungsschaltung, die zwischen einem Vibrationssensor, der im Bereich des relevanten Befestigungspunktes des Gradientenspulenträgers vorgesehen ist, und dem aktiven ansteuerbaren Element angeordnet ist. Obwohl theoretisch die unerwünschte Vibration von einer gegebenen Frequenz mit Hilfe der Vorwärtskopplungssteuerung auf Null eingestellt werden kann, ist das Ergebnis unter praktischen Umständen eventuell unzureichend, zum Beispiel weil die Übertragung der relevanten Komponenten nicht genau bekannt ist oder weil sie sich im Laufe der Zeit verändert hat. In derartigen Fällen kann die unerwünschte Vibration vorteilhafterweise mit Hilfe eines Vibrationssensors gemessen werden, um zu versuchen, sie mit Hilfe einer Rückkopplungsschaltung auf Null einzustellen. In der Praxis liefert diese Vorgehensweise eventuell ein Ergebnis, das dem der Vorwärtskopplungssteuerung gleichwertig oder sogar überlegen ist. In diesem Zusammenhang ist unter einem Vibrationssensor ein Sensor zu verstehen, der eine charakteristische Vibrationsgröße erfasst, zum Beispiel ein Kraftsensor oder ein Bewegungssensor.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlicher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung der allgemeinen Konstruktion eines bekannten Magnetresonanzgeräts;
2 eine schematische Darstellung eines Trägers für ein Gradientenspulensystem, der durch Aufhängungselemente mit einem aktiven ansteuerbaren Element getragen wird;
die 3a und 3b schematisch das Vibrationsverhalten des Gradientenspulenträgers;
4 ein Blockschaltbild, das das Steuerungsverhalten der Ansteuerung eines aktiven ansteuerbaren Elements bei niedrigen Frequenzen veranschaulicht;
5 ein Blockschaltbild, das das Steuerungsverhalten der Ansteuerung eines aktiven ansteuerbaren Elements bei hohen Frequenzen veranschaulicht;
6 eine grafische Darstellung des niederfrequenten Vibrationsverhaltens des Gradientenspulenträgers mit und ohne Nutzung der Erfindung.
Das in 1 schematisch dargestellte Magnetresonanzgerät umfasst ein erstes Magnetsystem 1 zum Erzeugen eines stationären Magnetfelds B, ein zweites Magnetsystem 2 (das Gradientenspulensystem) zum Erzeugen magnetischer Gradientenfelder, einen Leistungsverstärker 3 für das Gradientenspulensystem 2 und eine Stromversorgungsquelle 4 für das erste Magnetsystem 1. Eine HF-Spule 5 dient zum Erzeugen eines magnetischen HF-Wechselfeldes; zu diesem Zweck ist sie mit einer HF-Sendeeinrichtung verbunden, die eine HF-Quelle 6 umfasst. Die HF-Spule 5 kann auch zum Erkennen von Spinresonanzsignalen verwendet werden, die in dem zu untersuchenden Objekt (nicht abgebildet) durch das HF-Sendefeld erzeugt werden; zu diesem Zweck ist die HF-Spule mit einer HF-Empfangseinrichtung verbunden, die einen Signalverstärker 7 umfasst. Der Ausgang des Signalverstärkers 7 ist mit einer Detektorschaltung 9 verbunden, die mit einer zentralen Steuereinrichtung 10 verbunden ist. Die zentrale Steuereinrichtung 10 steuert auch einen Modulator 11 für die die HF-Quelle 6, den Leistungsverstärker 3 und einen Monitor 12 zur Anzeige. Ein HF-Oszillator 13 steuert den Modulator 11 sowie den Detektor 9, der Messsignale verarbeitet. Eine Kühleinrichtung 14 mit Kühlkanälen 15 ist vorgesehen, um die Magnetspulen des ersten Magnetsystems 1 zu kühlen. Die HF-Spule 5, die innerhalb der Magnetsysteme 1 und 2 angeordnet ist, umschließt einen Messraum 16, der im Fall eines Geräts für medizinische Diagnosemessungen groß genug ist, um einen zu untersuchenden Patienten oder einen Teil eines zu untersuchenden Patienten, zum Beispiel den Kopf und den Hals, aufzunehmen. Auf diese Weise können in dem Messraum ein stationäres Magnetfeld B, Gradientenfelder, die Objektschichten auswählen, und ein räumlich gleichmäßiges HF-Wechselfeld erzeugt werden. Die HF-Spule 5 kann die Funktionen der Sendespule und der Messspule vereinen; in diesem Fall ist eine Trennschaltung 8 vorgesehen, um den Signalverkehr in Vorwärtsrichtung von dem Signalverkehr in Rückwärtsrichtung zu trennen. Alternativ ist es möglich, verschiedene Spulen für die beiden Funktionen einzusetzen; zum Beispiel können dann Oberflächenspulen als Messspulen genutzt werden. Auf Wunsch kann die Spule 5 von einem Faraday-Käfig 17 umschlossen sein, der HF-Felder abschirmt.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Trägers für ein Gradientenspulensystem, der durch Aufhängungselemente getragen wird, welche mit einem aktiven ansteuerbaren Element ausgestattet sind. Der Gradientenspulenträger 18 hat üblicherweise die Form eines Zylinders, obwohl auch andere Formen möglich sind. Der Gradientenspulenträger 18 ist in Frontansicht abgebildet, das heißt, die Symmetrieachse des Zylinders verläuft senkrecht zur Zeichnungsebene. Der Gradientenspulenträger 18 wird durch eine Anzahl von Aufhängungselementen 19 getragen, von denen in der Figur zwei dargestellt sind. Die Aufhängungselemente liegen direkt oder indirekt auf dem Rahmen des MRI-Geräts auf, von dem angenommen wird, dass es sich im Ruhezustand befindet. Falls das MRI-Gerät ein supraleitendes erstes Magnetsystem 1 mit einem Kryostaten beinhaltet, liegen die Aufhängungselemente auf dem Kryostatgehäuse 20 auf.
Jedes der Aufhängungselemente 19 umfasst ein federndes Element 22, das als eine Metallfeder oder eine Luftfeder konstruiert sein kann. Die Steifigkeit des federnden Elements 22 wird so gering wie möglich gewählt, damit die Eigenfrequenz des durch den Gradientenspulenträger und den Gummiblock gebildeten Systems wesentlich geringer ist als die Frequenzen der zu isolierenden Vibrationen, die typischerweise in der Größenordnung von 700 Hz liegen. Die Vibrationen einer Frequenz, welche wesentlich höher ist als die genannte Eigenfrequenz, werden bekanntlich nur in gedämpfter Form an den Rahmen übertragen. Mit dem federnden Element 22 ist ein aktives ansteuerbares Element 21 in Reihe geschaltet. Für das genannte ansteuerbare Element 21 kann jede bekannte Konstruktion verwendet werden, zum Beispiel ein magnetoresistives Stellglied. Bevorzugt wird jedoch ein Piezo-Stellglied, weil es eine einfache und kompakte Konstruktion aufweist. Außerdem hat das Piezo-Stellglied praktisch keine Auswirkung auf die Magnetfelder, die durch das MRI-Gerät in dem Gradientenspulenträger erzeugt werden.
Als Ergebnis der Wahl einer geringen Steifigkeit des federnden Elements 22 kann der Gradientenspulenträger 18 makroskopische Bewegungen ausführen, die sich nachteilig auf die Bildgebungsqualität des MRI-Geräts auswirken. Die Erfindung bietet eine Lösung für dieses Problem, indem die Nettokräfte, die auf den Gradientenspulenträger wirken und die makroskopische Bewegung bewirken, kompensiert werden, das heißt, indem das Piezo-Stellglied auf derartige Weise angesteuert wird, dass die resultierende Nettokraft auf den Gradientenspulenträger Null wird und somit die genannten Bewegungen nicht mehr auftreten. Der beschriebene Effekt wird erreicht, indem das Piezo-Stellglied die Feder, mit der es in Reihe geschaltet ist, komprimiert und entspannt; durch derartiges Verkürzen und Verlängern wird eine Kraft auf den Gradientenspulenträger ausgeübt, die die ursprünglich auf den Gradientenspulenträger wirkenden (Lorentz-)Kräfte kompensiert.
Die 3a und 3b zeigen schematisch das Vibrationsverhalten des Gradientenspulenträgers. Beide Figuren zeigen (in einer zweidimensionalen Darstellung) den Gradientenspulenträger 18 in einer Seitenelevationsansicht, das heißt, die Symmetrieachse 21 des zylindrischen Gradientenspulenträgers liegt in der Zeichnungsebene. In dieser zweidimensionalen Darstellung liegt der Gradientenspulenträger 18 auf zwei vertikal angeordneten Aufhängungselementen 19 auf, die daher einen Winkel von 90 Grad relativ zur Zylinderachse 21 einschließen.
3a zeigt den niederfrequenten Vibrationsmodus des Gradientenspulenträgers 18. Unter dem Einfluss der auf den Gradientenspulenträger wirkenden Nettokräfte kann der Gradientenspulenträger einer vibrierenden Bewegung als ein starrer Körper unterliegen, das heißt ohne dass eine Verformung stattfindet. Im vorliegenden Beispiel wird der Gradientenspulenträger hauptsächlich in vertikaler Richtung bewegt, während sich die Aufhängungselemente 19 relativ zu ihrem Auflagepunkt 20 zusammenziehen und entspannen. Da die Frequenz dieses Vibrationsmodus typischerweise in der Größenordnung von 10 Hz liegt, wird dieser Modus als niederfrequente Vibration bezeichnet. Die Bewegung, die auf die genannte niederfrequente Vibration zurückzuführen ist, ist in 3a mit einer gestrichelten Linie 18a angegeben. Das Auftreten einer Bewegung dieser Art während der Erfassung eines MRI-Bildes hat eine nachteilige Wirkung auf die Bildgebungsqualität des MRI-Geräts. Die Erfindung bietet eine Lösung für dieses Problem. Unter Bezugnahme auf 4 wird ein Steuerungsdiagramm für die Ansteuerung des Piezo-Stellglieds beschrieben, mit der derartigen niederfrequenten Vibrationen entgegengewirkt wird.
3b zeigt den hochfrequenten Vibrationsmodus des Gradientenspulenträgers 18. Unter dem Einfluss der innerhalb des Gradientenspulenträgers wirkenden Lorentz-Kräfte unterliegt der Gradientenspulenträger verformenden Vibrationen; diese Vibrationen bewirken keine makroskopische Bewegung, sondern eine Verformung des Gradientenspulenträgers. Die Frequenz des hauptsächlichen Vibrationsmodus für derartige verformende Vibrationen liegt typischerweise in der Größenordnung von 700 Hz; daher wird dieser Vibrationsmodus als hochfrequente Vibration bezeichnet. Die Verformung, die auf eine derartige hochfrequente Vibration zurückzuführen ist, ist in 3b mit einer gestrichelten Linie 18b angegeben; aufgrund seiner Form ist dieser Vibrationsmodus als „Bananenmodus" bekannt. Wenn keine weiteren Schritte unternommen werden, bewirkt dieser Vibrationsmodus Vibrationen im Rahmen 1 des MRI-Geräts, die störende Geräusche erzeugen. Die Erfindung wirkt der Übertragung derartiger Vibrationen entgegen, indem Bewegungen mit Hilfe des Piezo-Stellglieds 21 auf derartige Weise realisiert werden, dass die Bewegungen des Befestigungspunktes des Aufhängungselements 19 kompensiert werden, das heißt, durch gleich große Kontraktionen und Expansionen des Piezo-Stellglieds. Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Steuerungsdiagramm für die Ansteuerung des Piezo-Stellglieds beschrieben, mit der derartigen hochfrequenten Vibrationen entgegengewirkt wird.
4 zeigt ein Blockschaltbild, dass das Steuerungsverhalten der Ansteuerung eines aktiven ansteuerbaren Elements bei niedrigen Frequenzen veranschaulicht, das heißt bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 Hz. Eine derartige Ansteuerung nutzt sowohl eine Vorwärtskopplungs- als auch eine Rückkopplungssteuerung. In diesem Fall ist unter der Vorwärtskopplungssteuerung eine Form der Ansteuerung zu verstehen, bei der das Vibrationsverhalten des Gradientenspulenträgers auf derartige Weise vorhergesagt wird, dass die Summe der auf den Gradientenspulenträger wirkenden Nettokräfte Null wird. Eine derartige Vorhersage ist möglich, weil das Signal, das die Gradientenspulen ansteuert und somit ihre Vibration bewirkt, im Voraus bekannt ist. In diesem Fall ist unter der Rückkopplungssteuerung eine Form der Ansteuerung zu verstehen, bei der das Vibrationsverhalten des Gradientenspulenträgers mit Hilfe eines Vibrationssensors gemessen wird, der im Bereich des Befestigungspunkts des Gradientenspulenträgers angeordnet ist, so dass die dergestalt gemessenen Vibrationen so gesteuert werden können, dass sie praktisch Null sind.
Das Blockschaltbild aus 4 enthält einen Controllerblock 25, der den kombinierten Effekt der Vorwärtskopplungs- und Rückkopplungssteuerung darstellt, und einen Prozessorblock 29, der den Prozess darstellt, auf den die Steuerungsgrößen einen Einfluss haben. Der Controllerblock 25 umfasst einen Vorwärtskopplungscontroller 26 und einen Rückkopplungscontroller 27. Die Ausgangssignale der beiden Controller 26 und 27 werden in einem Addierer 28 addiert und das Ergebnis wird an einen Eingang des Prozessorblocks 29 weitergeleitet.
Der Prozessorblock 29 umfasst zwei Blöcke 30 und 31; der Block 30 stellt die Reaktion des Gradientenspulenträgers 18 auf das Gradientensignal dar und der Block 31 stellt die Reaktion des Piezo-Stellglieds 21 auf die daran angelegte Spannung dar. Die Ausgangssignale der beiden Controller 30 und 31 werden in einem Addierer 32 addiert und das Ergebnis wird an den Eingang des Rückkopplungscontrollers 27 zurückgeführt. Die Inhalte des Rückkopplungscontrollers 27 sind in hohem Maße von dem Prozess abhängig, in dem der Controller agiert, das heißt, von dem eigentlichen Aussehen des MRI-Geräts, in dem der Controller verwendet wird. Der Entwurf eines derartigen Controllers auf der Basis der Spezifikationen des MRI-Geräts wird einem Fachkundigen jedoch keine übermäßigen Anstrengungen abverlangen. Die Beiträge durch die Prozessblöcke 30 und 31 können als addiert angenommen werden, so dass sich eine resultierende Vibration ergibt, die durch einen Vibrationssensor (nicht abgebildet) gemessen wird, dessen Ausgangssignal dem Prozessor 27 zugeführt wird.
Dem Eingang des Vorwärtskopplungscontrollers 26 und auch dem Eingang von Block 30 wird ein Signal zugeführt, das den Gradientenstrom I_g darstellt. Die Ausgabe von Block 30 stellt die Bewegung des relevanten Punktes des Gradientenspulenträgers unter dem Einfluss des Eingangssignals I_g dar. Der Vorwärtskopplungscontroller 26 sagt auf der Basis des Eingangssignals I_g die spätere Bewegung (den negativen Wert der späteren Bewegung) voraus und setzt ihn in eine Spannung U_f um, die das Piezo-Stellglied die genannte Bewegung herbeiführen lässt. Diese Vorhersage ist unter praktischen Bedingungen eventuell nicht vollständig korrekt. Die an dem Gradientenspulenträger gemessene makroskopische Bewegung d_g wird an den Eingang des Rückkopplungscontrollers 27 zurückgeführt, der diesen Bewegungsfehler in eine geeignete Steuerspannung U_b für das Piezo-Stellglied umwandelt. Die Signale U_f und U_b werden in dem Addierer 28 addiert, um ein Signal U_p zu bilden, und diese Summe wird dem Stellglied zugeführt, wie durch Block 31 dargestellt. Die Bewegung d_p durch das Piezo-Stellglied 21, wie am Ausgang von Block 31 dargestellt, und die Bewegung d_gg des nicht-gesteuerten Gradientenspulenträgers 18, wie am Ausgang von Block 30 dargestellt, werden in dem Addierer 32 addiert, um die letztendliche niederfrequente Bewegung d_g des Gradientenspulenträgers zu bilden, die so gesteuert wird, dass sie unter idealen Umständen Null ist.
In 5 ist ein Blockschaltbild dargestellt, das das Steuerverhalten der Ansteuerung eines aktiven ansteuerbaren Elements bei hohen Frequenzen veranschaulicht, das heißt bei Frequenzen in der Größenordnung von 700 Hz. Die Konfiguration des in 5 abgebildeten Blockschaltbildes entspricht der des Blockschaltbildes aus 4. Seine Funktionalität weicht insofern von der Funktionalität des Blockschaltbildes auf 4 ab, dass in Block 40, der dem Block 30 entspricht, das Gradientensignal I_g in eine Kraft F_gg umgewandelt wird, während in Block 41, der dem Block 31 entspricht, die Steuerspannung U_p für das Piezo-Stellglied 21 ebenfalls in eine Kraft F_p umgewandelt wird. Da die Funktionalität des in 5 dargestellten Blockschaltbildes der des in 4 dargestellten Blockschaltbildes in hohem Maße entspricht, wird das Funktionsprinzip von 5 nicht im Detail beschrieben, außer dass die Bewegungen an den Ausgängen der Blöcke 30 und 31 von 4 in 5 durch die Kräfte F_gg und F ersetzt wurden und ein Signal, welches ein Maß für die durch den Gradientenspulenträger auf den Rahmen 20 ausgeübte Restkraft F_g ist, zum Eingang des Rückkopplungscontrollers 27 zurückgeführt wird. Die letztendliche hochfrequente Nettokraft F_g, die auf den Gradientenspulenträger ausgeübt wird, erscheint dann am Ausgang des Addierers 42; dies ist eine Kraft, die so gesteuert wird, dass sie unter idealen Umständen Null ist.
6 zeigt eine grafische Darstellung des niederfrequenten Vibrationsverhaltens des Gradientenspulenträgers, das heißt mit und ohne Nutzung der Erfindung. Die Übertragung der niederfrequenten Vibrationen ist auf der vertikalen Achse aufgetragen (das heißt die Beschleunigung a_g des Gradientenspulenträgers pro Einheit der Nettokraft, die auf den Gradientenspulenträger ausgeübt wird) und die Frequenz der Vibrationen ist auf der horizontalen Achse aufgetragen. Die Grafik zeigt vier Kurven, das heißt die Kurven 50, 52, 54 und 56.
Die Kurve 50 stellt die genannte Übertragung in Abwesenheit einer erfindungsgemäßen Steuerung dar (in den 4 und 5 würde dies bedeuten, dass nur die Blöcke 30 bzw. 40 vorhanden waren); der Gradientenspulenträger ist jedoch mit Hilfe von sehr schwach federnden Elementen von dem Rahmen des MRI-Geräts abgehängt. Diese Figur zeigt deutlich die starke (niederfrequente) Übertragung bei ca. 13 Hz.
Die Kurve 52 stellt die genannte Übertragung in Abwesenheit einer Vorwärtskopplungssteuerung, jedoch in Anwesenheit einer Rückkopplungssteuerung gemäß der Erfindung dar. Diese Figur veranschaulicht, dass die starke niederfrequente Übertragung bei ca. 13 Hz praktisch vollkommen verschwunden ist, aber dass die Übertragung bei den anderen Frequenzen nicht wesentlich verbessert wurde.
Die Kurve 54 verschaulicht die genannte Übertragung in Anwesenheit der Vorwärtskopplungssteuerung, aber in Abwesenheit der Rückkopplungssteuerung gemäß der Erfindung. Diese Figur zeigt, dass die Vibrationsübertragung im gesamten Frequenzbereich von 0 bis 100 Hz stark reduziert wird (um einen Reduzierungsfaktor von ca. 4), und dass die starke niederfrequente Übertragung bei ca. 13 Hz reduziert wurde; eine weitere Reduzierung dieser niederfrequenten Übertragung bei ca. 13 Hz ist noch wünschenswert.
Die Kurve 56 zeigt die genannte Übertragung in Anwesenheit der Vorwärtskopplungssteuerung sowie in Anwesenheit der Rückkopplungssteuerung gemäß der Erfindung. Diese Figur zeigt, dass die Vibrationsübertragung im gesamten Frequenzbereich von 0 bis 100 Hz noch weiter reduziert wurde (um einen Reduzierungsfaktor von ca. 1,5), und dass außerdem die starke niederfrequente Übertragung bei ca. 13 Hz vollkommen verschwunden ist. Die letztgenannte Kurve zeigt deutlich die Wirksamkeit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Schritte.

Claims

Gerät zur Erzeugung von Magnetresonanzbildern, wobei das Gerät Folgendes umfasst: – ein Gradientenspulensystem (2), das einen Gradientenspulenträger (18) umfasst, auf dem Gradientenspulen angeordnet sind, wobei der genannte Gradientenspulenträger mittels Aufhängungselementen (19), die jeweils mit einem federnden Element (22) versehen sind, an einem Rahmen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass – jedes der Aufhängungselemente (19) mit einem aktiven ansteuerbaren Element (21) versehen ist, das in Reihe mit dem federnden Element (22) geschaltet ist und dazu dient, nachteiligen Vibrationseffekten des Gradientenspulenträgers entgegenzuwirken.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät mit einer Ansteuerungsschaltung ausgestattet ist, die vorgesehen ist, um die aktiven ansteuerbaren Elemente auf derartige Weise anzusteuern, dass diese Elemente die auf den Gradientenspulenträger wirkenden Nettokräfte neutralisieren.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät mit einer Ansteuerungsschaltung ausgestattet ist, die vorgesehen ist, um die aktiven ansteuerbaren Elemente auf derartige Weise anzusteuern, dass jedes der genannten Elemente die durch den Gradientenspulenträger im Bereich des Befestigungspunktes des relevanten Aufhängungselements ausgeführten Vibrationsbewegungen zu kompensieren.
Gerät nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Gerät mit einer Gradientensteuerungsschaltung ausgestattet ist, um das Gradientensignal zu erzeugen, wobei die Ansteuerungsschaltung mit einer Vorwärtskopplungsschaltung (26) ausgestattet ist, die zwischen die Gradientensteuerungsschaltung und das aktive ansteuerbare Element geschaltet ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 2, 3 und 4, wobei die Ansteuerungsschaltung eine Rückkopplungsschaltung (27) umfasst, die zwischen einem Vibrationssensor, der im Bereich des relevanten Befestigungspunktes des Gradientenspulenträgers vorgesehen ist, und dem aktiven ansteuerbaren Element angeordnet ist.
Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das aktive ansteuerbare Element (21) durch ein Piezo-Stellglied gebildet wird.