DE19859489A1

DE19859489A1 - Verfahren zur Shimmung eines Magnetsystems eines MR-Tomographiegeräts und MR-Tomographiegerät zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19859489A1
Application number: DE19859489A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1998-12-22
Publication date: 2000-07-06
Anticipated expiration: 2018-12-23
Also published as: DE19859489C2; JP2000185028A; US6545476B1; JP4331363B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Shimmung eines Magnetsystems eines MR-Tomographiegeräts mit mindestens einem mit einem Shimstrom beaufschlagten Shimkanal, wobei jeder Shimstrom während der Lebensdauer eines k-Raumpfades geändert wird.

Description

Bei MR-Tomographiegeräten ist die Homogenität des Grundma gnetfeldes ein entscheidender Faktor. Durch ein entsprechen des Magnetdesign und stationäre Shim-Maßnahmen (z. B. mit an geeigneter Stelle angebrachten ferromagnetischen Materialien) wird in einem definierten Volumen eine spezifizierte Magnet feldhomogenität erreicht. Dieses Volumen, das im folgenden als Meßvolumen bezeichnet wird, ist typischerweise eine Kugel mit einem Durchmesser zwischen 50 und 60 cm. Daneben sind bei MR-Tomographiegeräten normalerweise Shimspulen vorhanden, mit denen unmittelbar vor der Bilddatenmessung eine nochmals ver besserte Shimmung des Magnetfeldes erreicht werden kann. Üb licherweise wird dabei zur Messung der vorhandenen Inhomoge nität das gesamte Kernresonanzsignal benutzt, das nach einer nicht lokalisierten Anregung von der Antenne eines Kernreso nanzgeräts empfangen wird. Eine derartige Shimmung wird im folgenden auch als "globale" Shimmung bezeichnet.

Aus der US-Patentschrift 4,700,136 ist es bekannt, daß die Homogenität lokal noch weiter verbessert werden kann, wenn zur Einstellung der Homogenität nur das Signal aus der Region benutzt wird, in der später auch die eigentliche Messung stattfindet. Diese Region wird im folgenden als Zielvolumen bezeichnet. Ein Verfahren, das zur lokalen Shimmung des Grundmagnetfeldes geeignet ist, ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 5,614,827 bekannt. Ziel der Shimmung war es bisher, während der gesamten Bilddatenmessung Inhomogenitäten im Grundmagnetfeld durch die von den Shimspulen erzeugten Ma gnetfelder zu kompensieren. Die lokale Shimmung wirkt jedoch nur auf bestimmte Regionen, d. h., eine bestimmte Shimstrom einstellung kann die Inhomogenität des Grundmagnetfeldes nur in einer bestimmten Region kompensieren, in anderen dagegen nicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei mehreren gleichzeitig vor handenen k-Raumpfaden den Einfluß von Inhomogenitäten des Grundfeldes auf die gemessenen Kernresonanzsignale zu verrin gern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Durch die Änderungsmöglichkeit des Shim stroms während der Lebensdauer eines k-Raumpfades ergibt sich die Möglichkeit, verschiedene gleichzeitig existierende k- Raumpfade individueller zu beeinflussen, sofern sich Anre gungs- oder Auslesezeitpunkte oder die k-Raumpfade unter scheiden. Unter k-Raumpfad versteht man dabei den zeitlichen Verlauf der Signalposition im k-Raum, der wie folgt definiert ist:

k_x = γ ∫Gx.x.dt
k_y = γ∫Gy.y.dt
k_z = γ∫Gz.z.dt

Hierbei stehen Gx, Gy, Gz nicht nur für die vom Gradientensy stem erzeugten (gewünschten) Gradienten, sondern schließen auch Feldinhomogenitäten mit ein. x, y, z stehen für die Koor dinaten in einem kartesischen Koordinatensystem und y ist die gyromagnetische Konstante. Die Erfindung geht aus von der Er kenntnis, daß die Grundfeldhomogenität nur während der Anre gungs- und Auslesephasen einer MR-Sequenz wichtig ist. In den Zeitintervallen ohne Anregung und Auslesen ist es irrelevant, in welcher zeitlichen Entwicklung die Spindephasierung beein flußt wird. Es muß nur allgemein dafür gesorgt werden, daß zum Auslesezeitpunkt durch die Shimfelder die durch die Grundfeldinhomogenität verursachte Dephasierung als Zeitinte gral über das Zeitintervall zwischen Anregung und Auslesen kompensiert ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch die an sich bekannte Anordnung der Shimkanäle für den Grundfeldmagneten ei nes MR-Tomographiegeräts,

Fig. 3 zur Erläuterung der Vorteile der Erfindung ein Beispiel für eine ebenfalls an sich be kannte Mehrschichtanregung,

Fig. 4 ein Beispiel für den Ablauf einer Meßsequenz mit impulsförmiger Steuerung der Shimströme.

Die schematische Darstellung nach Fig. 1 zeigt die Anordnung von Gradientenspulen für die Erzeugung eines Magnetfeldgra dienten Gy in y-Richtung nach dem ebenfalls eingezeichneten Koordinatenkreuz x, y, z, das die Richtung der jeweiligen Gradienten darstellen soll. Die Gradientenspulen sind als Sattelspulen ausgeführt, die auf einem Tragrohr 1 befestigt sind. Durch Leiterabschnitte 2a wird innerhalb eine kugelför migen Untersuchungsvolumens 11 ein weitgehend konstanter Ma gnetfeldgradient Gy in y-Richtung erzeugt. Die Rückleiter er zeugen aufgrund ihrer größeren Entfernung vom Untersuchungs volumen 11 dort lediglich vernachlässigbare Komponenten. Die Gradientenspulen für den x-Magnetfeldgradienten sind iden tisch zu den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgradien ten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in azi mutaler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen sind sie daher in Fig. 1 nicht dargestellt.

In Fig. 1 sind ferner schematisch Shimspulen 4 bis 6 darge stellt, die ebenfalls als Sattelspulen ausgeführt sind. Aus führungen über das Design von Shimspulen finden sich bei spielsweise im US-Patent 3,569,823. Jeder Shimspule 4 bis 6 ist jeweils eine Stromversorgung SH1 bis SH3 zugeordnet, die die jeweiligen Shimspulen 4 bis 6 mit Strömen I1 bis I3 ver sorgt. Die Ströme I1 bis I3 sind über eine Recheneinheit C steuerbar.

Die Gradientenspulen 3 für den Magnetfeldgradienten in z- Richtung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Spulen sind ringförmig ausgeführt und symmetrisch zum Mittelpunkt des Untersuchungsvolumens 11 angeordnet. Da die beiden Ein zelspulen 3a und 3b in der in Fig. 2 dargestellten Weise in entgegengesetzter Richtung stromdurchflossen sind, verursa chen sie einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung. Ferner sind in Fig. 2 - wiederum nur schematisch - weitere, in die sem Fall ringförmige Shimspulen 7 bis 9 dargestellt, die ebenfalls über Stromversorgungen SH4 bis SH6 mit Strömen 14 bis 16 beaufschlagt werden. Die Ströme 14 bis 16 sind wieder durch die Recheneinheit C steuerbar.

In den Fig. 1 und 2 ist ferner schematisch die Stromver sorgung V für die Gradientenspulen 2, 3 dargestellt. Der Strom I durch die jeweilige Gradientenspule 2, 3 wird durch einen eine Meßsequenz vorgebenden Pulsgenerator P und einen Geber 0 für einen Strom bestimmt, wobei die Ausgangssignale des Pulsgenerators P und des Gebers 0 zum Aufschalten von Offset-Strömen addiert werden. Der Geber 0 wird ebenfalls von der Recheneinheit C gesteuert.

In Fig. 2 sind ferner schematisch die Elemente zur Signalge winnung dargestellt, die in Fig. 1 der Übersichtlichkeit we gen weggelassen sind. Mit einer Antenne 15 werden sowohl Hochfrequenzsignale auf ein Untersuchungsobjekt eingestrahlt als auch Kernresonanzsignale von diesem empfangen. In einer Sende-Empfangseinheit 16 werden die Sendesignale erzeugt und die empfangenen Kernresonanzsignale phasenempfindlich demodu liert. Die demodulierten Kernresonanzsignale werden in einer Auswerteschaltung 17 ausgewertet, und zwar zum einen für Bild informationen, die auf einem Monitor 18 dargestellt werden, zum anderen für Informationen über die erforderliche Shim mung, die in der Recheneinheit C in Shimströme umgesetzt wer den.

Magnetfelder lassen sich aufgrund von sphärischen harmoni schen Funktionen darstellen. Für die hier ausschließlich in teressierende axiale Komponente B_z des Magnetfeldes gilt:

Dabei sind r, Θ und ϕ die sphärischen Koordinaten des Vektors , R ist der Radius des abzubildenden Volumens, P(n,m) sind die entsprechenden Legendre-Polynome vom Grad n und der Ord nung m und A(n,m) und B(n,m) sind die Koeffizienten der sphä rischen harmonischen Funktionen. Der Koeffizient A(0,0) cha rakterisiert das homogene Grundfeld, alle anderen Koeffizien ten beschreiben Homogenitätsabweichungen. Wie in dem bereits zitierten US-Patent 3,569,823 erläutert, kann man Shimspulen derart gestalten, daß sie im wesentlichen einen dieser Koeffizienten beeinflussen, also die diesen Koeffizienten entsprechende Feldstörung kompensieren.

Die linearen Terme der Homogenitätsabweichung werden dadurch kompensiert, daß man in der jeweiligen Richtung des Linear terms einen Offset-Strom zum vorgegebenen Gradientenstrom ad diert, der dazu geeignet ist, den jeweiligen Linearterm zu kompensieren. Höhere Terme der Homogenitätsabweichung bis zu einer gewissen Ordnung werden durch die speziellen Shimspulen kompensiert.

Zur Shimmung ist es natürlich erforderlich, den vorhandenen Feldverlauf festzustellen. Verfahren hierzu sind in der be reits oben genannten US-Patentschrift 5,614,827 beschrieben.

Bisher wurde die Shimmung stets so durchgeführt, daß für ein betrachtetes Volumen vor Beginn einer Messung oder einer ge samten Meßreihe die Feldinhomogenität bestimmt und durch ent sprechende Einstellung der Shimströme (die auch die Offset ströme für die Gradientenspulen einschließen) kompensiert werden. Dabei tritt allerdings das Problem auf, daß eine ex akte Shimmung nur für einen Teil des gesamten Meßvolumens möglich ist. Wenn man daher in einem Meßvorgang mehrere, von einander getrennte Schichten nacheinander anregt, kann man den Shim nur für eine der betrachteten Schichten exakt ein stellen. Bei den anderen Schichten bleibt aufgrund des man gelnden Shims eine unter Umständen störende Inhomogenität des Grundmagnetfelds. Auch innerhalb einer Schicht ist eine ge naue Shimmung nur für einen Teilbereich möglich.

Eine solche Mehrschichtanregung ist als Beispiel in Fig. 3 dargestellt. Dabei sind die zur schichtselektiven Anregung erforderlichen Schichtselektionsgradienten der Übersichtlich keit wegen weggelassen. Bei der typischen Gradientenechose quenz wird ein Hochfrequenzpuls RF1 auf eine erste Schicht eingestrahlt, anschließend erfolgt mit einem Gradienten Gp eine Phasencodierung in einer Phasencodierrichtung und mit einem Gradientenpuls Gr^- eine Vorphasierung in negativer Aus leserichtung. Unter einem Auslesegradientenpuls Gr⁺ wird schließlich das entstehende Gradientenechosignal Sl ausgele sen. Mit einer Repetitionszeit TR wird die Sequenz mit unter schiedlichen Phasencodiergradienten Gp wiederholt, d. h., es werden weitere Hochfrequenzpulse RF1 eingestrahlt und weitere Gradientenechosignale S1 ausgelesen. Die Repetitionszeit TR kann nicht so kurz gemacht werden, daß der nächste Hochfre quenzpuls RF2 unmittelbar an die Auslesephase anschließt. Sonst würde nämlich eine Sättigung der vorhandenen Spins ein treten, d. h., es würden nicht genügend Spins in Richtung des Grundmagnetfelds zur Anregung zur Verfügung stehen und damit das gewonnene Kernresonanzsignal stark abfallen. Der Zwi schenraum zwischen zwei Anregungen wird jedoch üblicherweise dazu genutzt, weitere Schichten des Untersuchungsobjekts an zuregen. Hierzu wird nach dem Ende des Auslesegradientenpul ses Gr⁺ ein weiterer Hochfrequenzpuls RF2 eingestrahlt, wobei jedoch hier ein anderer Schichtselektionsgradient wirksam ist, so daß die Anregung nun in einer zweiten, mit der ersten nicht überlappenden Schicht erfolgt. Auch hier werden die Spins wieder mit einem Phasencodiergradienten Gp phasenco diert und unter einem Auslesegradienten Gr ausgelesen. Im allgemeinen kann man innerhalb einer Repetitionszeit sogar mehr als zwei Schichten anregen.

Beim herkömmlichen Shimverfahren tritt jedoch das obengenann te Problem auf, daß das Grundmagnetfeld nur in einer der Schichten exakt geshimmt werden kann, während der Shim in al len anderen Schichten unvollkommen ist. Gemäß der Erfindung wird dieses Problem nun dadurch gelöst, daß man die Shimströ me (einschließlich der Offsetströme) nicht vor Beginn der Messung fest einstellt, sondern sie während der Messung im pulsförmig steuert, so daß unterschiedliche k-Raumpfade un terschiedlich beeinflußt werden.

Ein entsprechendes Beispiel, angewandt auf das in Fig. 3 dargestellte Mehrschichtverfahren, wird nachfolgend anhand von Fig. 4 näher erläutert. Wie ausgeführt, besteht das Pro blem darin, daß in den unterschiedlichen Schichten unter schiedliche Magnetfeldinhomogenitäten herrschen. Im Beispiel wird angenommen, daß in der Schicht 1 die durch einen Term Ax beschriebene Inhomogenität in x-Richtung, in der zweiten Schicht die durch einen Term Az beschriebene Inhomogenität in z-Richtung herrsche. In der Praxis wird man es zwar mit un terschiedlichen Inhomogenitäten in mehreren Richtungen zu tun haben, für die Erläuterung der Wirkung genügt jedoch die ver einfachte Beschreibung für jeweils einen Term in verschiede nen Richtungen.

Während der Anregephase, d. h. während des Einstrahlens des Hochfrequenzpulses RF1, wird die Inhomogenität in dieser Schicht durch einen Strompuls Ix1 kompensiert, der über eine entsprechende Shimspule die Inhomogenität in x-Richtung aus gleicht. Damit ist sichergestellt, daß der Vektor des resul tierenden Schichtselektionsgradienten in die richtige Rich tung zeigt und den richtigen Betrag hat, so daß die ausge wählte Schicht exakt positioniert wird.

Nach Abschluß der Anregephase wird zum Zeitpunkt t2 ein Strompuls Ix2 geschaltet. Dieser ist wie folgt dimensioniert:
Vom Zeitpunkt t2 bis zum Beginn des Ausleseintervalls zum Zeitpunkt t7 ist in der angeregten Schicht eine Feldinhomoge nität Ax wirksam, die eine Dephasierung der angeregten Kern spins verursacht. Diese Dephasierung ist dem Zeitintegral über den Feldfehler proportional. Der Strompuls Ix2 wird nun so dimensioniert, daß das Feld-Zeit-Integral des durch diesen Strom Ix2 hervorgerufenen Shim-Magnetfelds entgegengesetzt gleich dem Zeitintegral über die Feldinhomogenität ist. Damit sind zum Beginn des Ausleseintervalls zum Zeitpunkt t7 die Spins genauso rephasiert wie in herkömmlicher Weise, wo die Feldinhomogenität durchgehend kompensiert ist. Im Auslesein tervall selbst zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 wird die in der ausgelesenen Schicht vorhandene Feldinhomogenität durch einen Strompuls Ix3 durchgehend kompensiert, um eine Amplitu denänderung bzw. -drehung des resultierenden Auslesegradien ten zu vermeiden.

In der zweiten Schicht, die zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 durch den Hochfrequenzpuls RF2 angeregt wird, geht man wie folgt vor: Während der Anregung selbst wird die durch den Ko effizienten Az beschriebene Inhomogenität in z-Richtung durch einen negativen Strompuls Iz1 vollständig kompensiert. An schließend folgt ein Strompuls Iz2 in positiver Stromrich tung, der das entgegengesetzte Zeitintegral wie der Strompuls Iz1 aufweist. Der Strompuls Iz2 wird lediglich in Hinblick auf das Signal in der ersten Schicht geschaltet, was später anhand der Betrachtung der entsprechenden k-Raumpfade noch deutlich wird. Vor dem Ausleseintervall zwischen den Zeit punkten t8 und t9 wird ein negativer Strompuls Iz3 geschal tet. Dieser ist so dimensioniert, daß das Integral des er zeugten Shim-Magnetfeldes über die Zeit entgegengesetzt gleich dem Integral über den Feldfehler Az in der zweiten Schicht vom Zeitpunkt t5 bis zum Zeitpunkt t9 plus dem Inte gral über das durch den Strompuls Iz2 erzeugte Shim-Magnet feld. Damit ist zu Beginn des Ausleseintervalls aus der zwei ten Schicht, d. h. zum Zeitpunkt t9 die durch die Magnetfeld inhomogenität verursachte Dephasierung wieder kompensiert. Während des Ausleseintervalls zwischen den Zeitpunkten t9 und t10 wird ein Strompuls Iz4 geschaltet, wobei das dadurch er zeugte Shim-Magnetfeld die Feldinhomogenität Az kompensiert.

Die Wirkung der hier dargestellten Impuls-Shim-Vorgänge wird am deutlichsten bei Betrachtung der aus Feldinhomogenitäten und Shimfeldern resultierenden k-Raumpfade. Diese werden ge trennt für kx und kz betrachtet. Da die Feldhomogenitäten in den beiden betrachteten Schichten 1 und 2 unterschiedlich wirken, werden insgesamt vier k-Raumpfade, nämlich die k- Raumpfade kx1 und kz1, in der Schicht 1 und kx2 und kz2 in der Schicht 2 betrachtet.

In der Schicht 1 verläuft in der Anregephase sowohl der k- Raumpfad kx1 als auch der k-Raumpfad kz1 zunächst auf der Null-Linie, da die in der Schicht 1 bestehende Feldinhomoge nität Ax durch den Strompuls Ix1 vollständig kompensiert ist. Durch den Strompuls Ix2 verläuft der k-Raumpfad zunächst stark in negativer Richtung. Zwischen dem Zeitpunkt t3 und dem Zeitpunkt t7 ist die Feldinhomogenität Ax wirksam, so daß der k-Raumpfad in positiver Richtung verläuft und zum Zeit punkt t7 wieder die Null-Linie erreicht. Während des Ausle seintervalls zwischen den Zeitpunkten t7 und t8 läuft der k- Raumpfad wieder auf der Null-Linie, da in diesem Zeitinter vall die Feldhomogenität Ax durch den Strompuls Ix3 wieder vollständig kompensiert ist.

In z-Richtung herrscht in der Schicht 1 keine Inhomogenität, so daß der k-Raumpfad an sich auf der Null-Linie verlaufen würde. Allerdings wirkt das durch den Strompuls Iz1 erzeugte Shim-Magnetfeld auch auf die Schicht 1 und bewirkt somit, daß dort der k-Raumpfad in die negative z-Richtung verläuft.

Durch den positiven Strompuls Iz2 erreicht der k-Raumpfad kz1 allerdings wieder die Null-Linie. Damit sind die Spins wäh rend des Auslesefensters AQ1 der Kernspins in der Schicht 1 vollständig rephasiert.

Eine Betrachtung der Schicht 2 ergibt folgendes:

Während der Anregung durch den Hochfrequenzpuls RF2 in der Schicht 2 ist die in dieser Schicht herrschende Feldinhomoge nität vollständig kompensiert, so daß der k-Raumpfad kz2 auf der Null-Linie bleibt. Anschließend steigt der k-Raumpfad kz2 durch die Wirkung der in der Schicht 2 herrschenden Inhomoge nität Az an, bis er zum Zeitpunkt t8 durch den Strompuls Iz3 wieder auf die Null-Linie geht. Während des Ausleseintervalls AQ2 bleibt der k-Raumpfad kz2 auf der Null-Linie.

In x-Richtung herrscht den Eingangsvoraussetzungen entspre chend keine Inhomogenität, durch den Strompuls ix3 wird je doch in der zweiten Schicht ein dephasierendes Shim-Magnet feld erzeugt. Dieses bewirkt, daß der k-Raumpfad in negativer Richtung läuft. Durch den Strompuls Ix4 wird bis zu Beginn des Ausleseintervalls der k-Raumpfad jedoch wieder auf die Null-Linie zurückgeführt.

Man erkennt, daß durch die impulsartige Rephasierung der Kernspins eine gezielte Rephasierung zweier gleichzeitig exi stierender k-Raumpfade möglich ist, während beim herkömmli chen Verfahren, bei dem Shimströme für die Gesamtdauer der Messung konstant eingestellt wurden, nur einer der k-Raumpfa de auf Null geführt werden konnte. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß es letztlich nur auf die k-Raumposition beim Anregen und beim Auslesen ankommt, während die dazwischenlie genden k-Raumpositionen irrelevant sind. Das obengenannte Beispiel mit zwei gleichzeitig existierenden k-Raumpfaden kann ohne weiteres auf mehrere gleichzeitig existierende k- Raumpfade ausgedehnt werden. Allgemein gesagt kann die mit der Impulsshimmung mögliche individuelle Beeinflussung mehre rer gleichzeitig existierender k-Raumpfade immer dann genutzt werden, wenn sich die k-Raumbahnen in einer Abfolge von Gra dientenecho-, Spinecho- und stimulierten Echopfaden unter scheiden. Dies kann z. B. daher rühren, daß sich Anregungs- und/oder Auslesezeitpunkte von Kernresonanzsignalen unter scheiden.

Hardwaremäßig ist gegenüber konventionellen Anlagen nur eine geringe Modifikation erforderlich. Die Stromversorgungen SH1 bis SH6 der Shimspulen 4 bis 9 sind bei herkömmlichen Anlagen nicht für impulsförmiges Schalten mit der hier erforderlichen Geschwindigkeit ausgelegt. Sie lassen sich jedoch ohne großen Aufwand für diese Anforderung ausrüsten.

Claims

1. Verfahren zur Shimmung eines Magnetsystems eines MR-Tomo graphiegeräts mit mindestens einem mit einem Shimstrom beauf schlagten Shimkanal, wobei der Shimstrom während der Lebens dauer eines k-Raumpfades geändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei mehreren gleichzeitig existierenden k-Raumpfaden der Shimstrom so gesteuert wird, daß zum Rephasierungszeitpunkt jedes Kernresonanzsignals das Zeitintegral über die jeweils wirksamen Feldinhomogenitäten und ein durch die Shimkanäle erzeugtes Shimfeld Null wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die k-Raumpfade unterschiedlichen Orten zugeordnet sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Shimströme während der Anrege- und Ausleseintervalle der Kernresonanzsignale konstant sind.

5. MR-Tomographiegerät mit mindestens einem Satz von Shimspu len und einer zugeordneten, von einer Steuervorrichtung ge steuerten Shim-Stromversorgung, wobei die Shim-Stromversor gung derart vorgesteuert wird, daß der Shimstrom während des Ablaufs einer Meßsequenz zwischen Anregen und Auslesen von Kernresonanzsignalen geändert wird.