NL8900205A - Magnetisch resonantie-apparaat met selekteerbare voorversterker-instelling. - Google Patents

Description

N.V. Philis' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven

Magnetisch resonantie-apparaat met selekteerbare voorversterker- instelling.

De uitvinding heeft betrekking op een magnetisch resonantie-inrichting voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een objekt welke inrichting bevat a) middelen voor het opwekken van het stationair homogeen magneetveld, b) middelen voor het opwekken van hoogfrequent elektromagnetische straling voor het opwekken van magnetische resonantiesignalen, c) middelen voor het opwekken van ten minste een gradiêntmagneetveld met een instelbare gradiëntrichting voor het beïnvloeden van de magnetische resonantiesignalen, d) een detektieketen met een versterker voor het detekteren, versterken en bemonsteren van de resonantiesignalen gedurende een meettijd, en een daarop aangesloten analoog digitaal omzetter, e) verwerkingsmiddelen voor het verwerken van de bemonsterde resonantiesignalen en f) besturingsmiddelen voor het besturen van ten minste de voorgaande onder b) tot en met e) genoemde middelen, waarbij resonantiesignalen in een voor de meettijd voorafgaande voorbereidingstijd wordt gekonditioneerd, waarbij de besturingsmiddelen aan onder c) genoemde middelen stuursignalen toevoeren voor het instellen van de sterkte en/of de tijdsduur van ten minste een gradiëntmagneetveld zodanig dat voor elk gekonditioneerd en te bemonsteren resonantiesignaal de integraal van de sterkte van het gradiëntmagneetveld over de voorbereidingstijd verschillend is.

Een dergelijke inrichting is bekend uit de Europese octrooiaanvrage pulbikatienummer 0 155 052 (PHN 10.970). In een dergelijke magnetische resonantie-inrichting wordt een N-dimensionale dataset opgenomen, welke na een N-dimensionale Fouriertransformatie het gewenste beeld of spektrum oplevert. Na een excitatiepuls kunnen met behulp van 180°-echopulsen of door het steeds omschakelen van het meetgradiëntveld na elke meettijd verscheidene zogenaamde kernspinecho's worden opgeroepen die elk bemonsterd worden en elk een set data levert voor de eerdergenoemde N-dimensionale dataset.

Tengevolge van in een voorbereidingstijd aangelegde gradiëntmagneetvelden en van T2-relaxaties en/of veldinhomogeniteiten zullen de verschillende resonantiesignalen verschillend in sterkte zijn. Hoe sterker de invloed van de magneetgradiëntvelden, veldinhomogeniteiten en hoe langer de tijd waarin de T2-relaxaties kunnen optreden, des te zwakker zullen de magnetische resonantiesignalen zijn. In een konventioneel magnetisch resonantiesysteem waarin een kernspindichtheidsverdeling wordt bepaald, worden door bemonstering van een door een voorbereidend gradiëntmagneetveld gedurende een voorbereidingstijd beïnvloed resonantiesignaal een set data met een door de tijdsintegraal over het voorbereidend gradiëntmagneetveld bepaalde index n verkregen. In de opeenvolgende meetcycli dient deze integraal verschillende waarden te hebben, die een rekenkundige reeks vormen: n.A. De waarde van n loopt daarbij bijvoorbeeld van -127 via 0 naar +128 indien een beeld in een door de gradiënt van het voorbereidend gradiëntmagneetveld bepaalde richting 256 beeldpunten kent. Nu zal het te bemonsteren signaal voor de data set 0 (geen beïnvloeding door een voorbereidend gradiëntmagneetveld) de grootste amplitude kennen. De signaalamplituden van de te bemonsteren signalen zullen vooral in het hier aangehaalde voorbeeld als funktie van de data set index n (zeker bij n > 2) zeer snel afnemen. Zo zijn de sterkste signalen bij de te rekonstrueren beelden gekoncentreerd in de middelste vijf data sets (-2 < n < 2) en is het signaalniveau bij de resterende data sets zeker een faktor tien lager.

In een publikatie van R. Ernst in het Journal of Magnetic Resonance, volume 4, 1971 pagina's 280-296 is beschreven dat de invloed van de quantisatieruis (de ruis die aan een signaal wordt toegevoegd bij het omzetten ervan van een analoge naar een digitale vorm) verwaarloosbaar is als het ruisniveau van het signaal op de ingang van de analoog digitaal omzetter effektief ten minste gelijk is aan het minst signifikante bit (= quantiseringsstap). Indien een analoog signaal te sterk is, zal diens amplitude aan het bereik van een analoog digitaal omzetter moeten worden aangepast, hetgeen een verzwakking van het signaal inhoudt. Het gevolg is dat de analoog digitaal omzetter ruis in de vorm van quantiseringsruis aan het signaal toevoegt. Het voorgaande is te vermijden door het toepassen van maatregelen, die de signaaldynamiek beperken, die echter extra hardware of extra signaalbewerkingen vragen, hetgeen nadelig is. In een magnetisch resonantie-apparaat wordt de ontvanger bij acquisities van opeenvolgende echo's omgeschakeld naar een lagere versterking of hogere versterking ten einde de uitsturing van de analoog-digitaalomzetters maximaal te houden. De ruisfaktor van de totale ontvanger zal toenemen bij afnemende ontvangerversterkingsfaktor. De signaalruisverhouding van de beelden zal dan een funktie zijn van de instelling van de ontvangerversterking. In het voorgaande geval zal de signaalruisverhouding verre van optimaal zijn.

Bij een lage versterkingsfaktor van de ontvanger die vooral geselekteerd zal worden in het geval in 3-dimensionale afbeelding wordt gevormd en/of bij het afbeelden van dikke plakken zal de ruisfaktor met meerdere dB's omhoog gaan zodat in de signaalruisverhouding een verlies van tientallen procenten optreedt. Het voorgaande is een vrij universeel probleem dat relatief steeds groter wordt gezien het toenemen van de sterkte van de te verwerken signalen ten gevolge van verbeteringen in de magnetische resonantie-ontvangstspoelen.

Het is het doel van de uitvinding om in een magnetisch resonantie-apparaat te voorzien waarin maatregelen zijn genomen om de verslechtering van de beeldkwaliteit vanwege de slechtere signaalruisverhouding bij ontvangst van de in sterkten zeer verschillende resonantiesignalen tot een minimum te beperken.

Een magentisch resonantie-inrichting volgens de uitvinding heeft tot kenmerk, dat in instelmiddelen is voorzien voor het instellen van een versterking van de versterker zodanig dat de versterking wordt verhoogd bij afnemend signaalniveau van het resonantiesignaal, totdat de ruisfaktor van de detektieketen en de daarop aangesloten analoog digitaal omzetter onafhankelijk is geworden van de versterking.

Bij een zodanige magnetische resonantie-inrichting wordt slechts een beperkt aantal van het totaal te meten resonantiesignalen met een relatief slechte ruisfaktor gemeten en verwerkt, terwijl de meeste resonantiesignalen met een goede ruisfaktor worden gemeten en verwerkt. Uiteraard moeten de resonantiesignalen die met een relatief lage versterkingsfaktor zijn gemeten voordat' zij verder verwerkt worden tot een beeldvormend signaal qua versterking en fase eerst worden gekorrigeerd. Deze korrektie voor amplitude en fase kan zowel voor als na de Fouriertransforaatie van de gemeten resonantiesignalen plaatsvinden. Een nadeel van de voorgestelde magnetische resonantie-inrichting zou kunnen zijn dat het ruiskarakter van de beelden in het beeld in de pseudo tijd richting niet meer uniform is. Dit is gevolg van het feit dat de magnetische resonantiesignalen die een slecht ruiskarakter hebben zich vooral bevinden in het gebied van de beter zichtbare lage beeldfrequenties en juist niet in het gebied van de hogere beeldfrequenties.

In een uitvoeringsvorm van een magnetische resonantie-inrichting volgens de uitvinding is het voorgenoemd probleem grotendeels opgevangen, en heeft daartoe tot kenmerk, dat de verwerkings-en besturingseenheid zodanig zijn voorgeprogrammeerd dat meetcycli die bij een lagere versterking worden uitgevoerd, worden herhaald en dat de analoog digitaal omzetter gepasseerde resonantiesignalen van die meetcycli worden uitgemiddeld.

Bij de hiervoor beschreven magnetische resonantie-inrichting verkrijgt men door het relatief vaker meten van de signalen met een slechte ruisfaktor en door het middelen ervan een gelijk ruisvermogen per gemiddeld resonantiesignaal. Het resultaat is een meer uniform ruiskarakter van de beelden.

Een uitvoeringsvorm van een magnetische resonantie-inrichting volgens de uitvinding heeft daartoe tot kenmerk, dat de verwerkingseenheid van een versterkerinstellingsregister is voorzien, waarin versterkerinstellingen zijn opgeslagen, die worden bepaald aan de hand van ten minste een tijdens een voor een meting uitgevoerde proefmeetcyclus opgewekt resonantiesignaal.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van een magnetische resonantie-inrichting heeft tot kenmerk, dat de versterker slechts twee versterkininstellingen heeft.

De uitvinding zal verder worden toegelicht aan de hand van in een tekening weergegeven voorbeelden, in welke tekening figuur 1 een kernspinresonantie-apparaat volgens de uitvinding weergeeft; figuur 2 is een op zichzelf bekende meetcyclus uit te voren door het apparaat uit figuur 1, en figuren 3a en 3b versterkingsfaktordiagrammen weergeven als funktie van de index van een te meten data set in een meetcyclus.

Een kernspinresonantie-apparaat zoals weergegeven in figuur 1 bevat een magneetstelsel 2 voor het opwekken van een stationair magneetveld HO, een magneetstelsel 4 voor het opwekken van magnetische gradiëntmagneetvelden en voedingsbronnen 6 en 8 respektievelijk voor het magneetstelsel 2 en het magneetstelsel 4. Een radiofrequent magneetspoel 10 dient voor het opwekken voor een radiofrequent magnetisch wisselveld en is daartoe aangesloten op een radiofrequent bron 12. Voor detektie van het door het radiofrequent zendveld opgewekte resonantiesignaal in een te onderzoeken objekt wordt gebruik gemaakt van een ontvangstspoel 13, waartoe deze is verbonden met een signaalversterker 14. De signaalversterker 14 is verbonden met een fasegevoelige gelijkrichter 16, die met een centrale verwerkingseenheid 18 is verbonden. De centrale Verwerkingseenheid 18 verwerkt de door de fasegevoelige gelijkrichter 16 geleverde signalen en berekent daaruit een beeld van een deel van het objekt dat in een onderzoeksruimte 28 is te plaatsen. Dergelijke beelden kunnen op een monitor 22 worden weergegeven. De centrale verwerkingsinrichting 18 bevat een centrale stuureenheid 18B die een modulator 20 voor de radiofrequente bron 12, en de voedingsbron 8 voor de gradiëntmagneetspoelen 4 stuurt en die de versterkingsfaktor van de signaalversterker 14 instelt. De versterker 14 kan aktief geregeld zijn of een vaste versterker zijn met een instelbare verzwakker op de uitgang. Een hoogfrequent oscillator 24 stuurt zowel de modulator 20 als de meetsignaalverwerkende fasegevoelige gelijkrichter 16. De binnen de magneetstelsels 2 en 4 geplaatse zendspoel 12 omsluit een onderzoeksruimte 28 die bij een magnetische resonantie-inrichting voor metingen voor medisch-diagnostische doeleinden ruim genoeg is voor het bevatten van een te onderzoeken patiënt. In de onderzoeksruimte 28 zijn dus een stationair magneetveld B0, een objektdoorsnedeselekterende gradiëntmagneetveld en een ruimtelijk homogeen radiofrequent wisselveld op te wekken. De radiofrequent spoel 10 zal na het opwekken van een radiofrequent magneetveld snel uitgeschakeld worden omdat daarna het opgewekte resonantiesignaal met bijvoorbeeld de detektiespoel 12 gededekteerd moet worden.

De uitvinding kan het beste worden toegelicht aan de hand van een veel voorkomende eenvoudige meetcyclus die op schematische wijze in figuur 2 is weergegeven. In figuur 2 zijn verschillende in deze meetcyclus voorkomende signalen als funktie van de tijd uitgezet. De onderlinge aaplitudeverhouding van deze signalen zijn in amplituderichting niet proportioneel weergegeven. De meetcyclus begint met een 90°-puls P1 op het tijdstip tO en wordt op het tijdstip t1 gevolgd door een tweede hoogfrequent puls P2 een 180°-pulsf waardoor een spinechosignaal E wordt opgewekt waarvan het centrum op het tijdstip t3 zal liggen. De tijdsperiode tussen tO en t1 is gelijk aan de tijdsperiode tussen t1 en t3. Tussen de hoogfrequent pulsen P1 en P2 worden veelal twee gradiëntvelden Gx respektievelijk Gyl aangelegd en na de hoogfrequent puls P2 wordt gedurende een bemonsteringsperiode een meetgradiëntmagneetveld Gy2 aangelegd. De gradiëntmagneetvelden Gy1 en Gy2 zijn voor elke meetcyclus konstant. De integraal over de tijd tO tot t1 van het gradiëntveld Gx heeft zoals bekend voor elke meetcyclus een andere waarde. Bij die echosignalen waarvoor die integraal een waarde nul heeft of een relatief lage waarde zal het echosignaal E een relatief hoge amplitude laten zien. De integraal van het gradiëntveld Gx over de tijd tO tot t1 in de opeenvolgende meetcycli wordt stapsgewijs veranderd waarbij de stapgrootte van de genoemde integraal tussen de verschillende meetcycli steeds even groot is. Indien de integraal de waarde nul heeft, wordt data set met index 0 gemeten. Heeft de integraal de waarde van een eerste stap die dan negatief of positief kan zijn zoals in figuur 2 is weergegeven, dan wordt de dataset met een index 1 of -1 gemeten. Heeft de genoemde integraal over het gradiëntveld Gx de grootte van n stappen dan wordt de dataset met een index n gemeten. Bij de magnetische resonantie-inrichting volgens de uitvinding wordt in een uitvoeringsvorm onder besturing van de besturingseenheid 18B de versterking van de signaalversterker 14 in afhankelijkheid van de absolute waarde van het indexnummer n stapsgewijs veranderd zoals in figuur 3 is weergegeven. De versterking A heeft bij de index 0 de kleinste versterking, voor de index |1| en |2J een steeds grotere versterking en heeft voor de indices met |n|>3 steeds eenzelfde konstante versterkingsfaktor. In het voorbeeld is namelijk bij het indexnuramer 3 een instelling van de signaalversterker 14 bereikt waarbij het signaalruis van het gemeten signaal vrijwel onafhankelijk is geworden van de invloed van de quantisering van het gemeten signaal bij omzetting door de ADC in de ontvangerketen. Het indexafhankelijk instellen van de signaalversterker 14 kan op verschillende wijzen geïmplementeerd worden. Zo zijn er verschillende versterkerinstellingen van de signaalversterker 14 in een tabel op te slaan waarbij de type meting zoals 3-dimensionaal multiple slice of single slice, de bij het type meting toe te passen set parameters van hoogfrequent pulsen aan te leggen gradiëntvelden, enzovoorts en als parameter een afschatting van het objekt in de onderzoeksruimte worden gebruikt om voor de verschillende te meten data sets de versterkingsfaktor te selekteren, die onder besturing van de besturingseenheid 18B wordt ingesteld.

Een tweede meer praktische implementatie is de volgende.

Er worden enkele proefmetingen gedaan met het te onderzoeken objekt in de onderzoeksruimte 28 waarbij die data sets worden gemeten waarbij de signaalsterkten van het op te wekken resonantiesignaal het grootste zijn. In afhankelijkheid daarvan kunnen versterkingsfaktoren worden bepaald op basis van die gemeten data set die dan in een tabel worden opgeslagen en zodra de werkelijke meting begint, bij het uitvoeren van een meetcyclus met het bewuste data set indexnummer de bijbehorende versterkersfaktor uit de tabel wordt gelezen waarmee dan de signaalversterker 14 wordt ingesteld.

Een verdere mogelijkheid om de tijdens de opeenvolgende metingen van resonantiesignalen te verwachten amplituden af te schatten tijdens een enkele proefmeting, waarbij geen voorbereidend gradiëntmagneetveld wordt aangelegd. Het resonantiesignaal wordt bijvoorbeeld opgewekt met een spin-echomethode en bemonsterd bij aanwezigheid van een meetgradiëntmagneetveld. Indien het object in de gradiëntrichting van het meetgradiëntmagneetveld eenzelfde soort eigenschappen (materiesoort(en) en verdelingen ervan) heeft als in de voorbereidingsgradiëntmagneetveldrichting dan geeft het signaalmonster behorende bij de beeldfrequentie |kx| = 1; |kx| =2; etcetera een goede schatting van te verwachten amplituden voor de data sets met het indexnummer 1 en -1; 2 en -2; etcetera.

Uiteraad is het ook mogelijk de proefmetingen weg te laten en tijdens elke meting een test uit te voeren of de opgewekte araplituden te groot zijn, voor verwerking via de ADC. Indien dat wel het geval is dan wordt de meting herhaald, waarbij de voorsterker een lagere versterkerinstelling heeft of een op de voorversterker aangesloten verzwakker een hogere verzwakking. Het voorgaande is vooral dan gunstig in de praktijk, indien de versterking van het resonantiesignaal slechts twee waarden kent: A1 en A2 zoals in figuur 3b is weergegeven.

Het voorgaande betekent dat in het gegeven vorobeeld de Beetcycli net een index |n| <5 herhaald worden en alle meetcycli met |n| 2 5 niet. Verder dient een analoog digitaal omzetter (ADC) 18C behalve het in digitale vorm gebrachte resonantiesignaal via verbinding 19A ook een overflowsignaal (bij te hoge amplitude van het resonantiesignaal) via verbinding 19B aan de verwerkingsinrichting 18B te worden toegevoerd, zodat de verwerkingsinrichting 18B de versterker 14 adequaat kan instellen.

Claims (6)

1. Magnetisch resonantie-inrichting voor het bepalen van een kernmagnetisatieverdeling in een deel van een objekt, welke inrichting omvat: a) middelen voor het opwekken van een stationair homogeen magneetveld, b) middelen voor het opwekken van hoogfrequent elektromagnetische straling voor het opwekken van magnetische resonantiesignalen, c) middelen voor het opwekken van ten minste een gradiëntmagneetveld met een instelbare gradiëntrichting voor het beïnvloeden van de magnetische resonantiesignalen, d) een detektieketen met een versterker voor het detekteren, versterken en bemonsteren van de resonantiesignalen gedurende een meettijd, en een daarop aangesloten analoog digitaal omzetter bevat, e) verwerkingsmiddelen voor het verwerken van de bemonsterde resonantiesignalen en f) besturingsmiddelen voor het besturen van ten minste de voorgaande onder b) tot en met e) genoemde middelen, waarbij resonantiesignalen in een aan de meettijd voorafgaande voorbereidingstijd worden gekonditioneerd, waarbij de besturingsmiddelen aan onder c) genoemde middelen stuursignalen toevoeren voor het instellen van de sterkte en/of de tijdsduur van ten minste een gradiëntmagneetveld zodanig dat voor elk gekonditioneerd en te bemonsteren resonantiesignaal de integraal van de sterkte van het gradiëntmagneetveld over de voorbereidingstijd verschillend is, met het kenmerk, dat in instelmiddelen is voorzien voor het instellen van een versterking van de versterker zodanig dat de versterking wordt verhoogd bij afnemend signaalniveau van het resonantiesignaal, totdat de ruisfaktor van de detektieketen en de daarop aangesloten analoog digitaal omzetter onafhankelijk is geworden van de versterking.

2. Magnetische resonantie-inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de versterker slechts twee versterkingsinstellingen heeft. i

3. Magnetische resonantie-inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat voor een meetcyclus voor het bepalen van een data set met een indexnummer boven een van te voren vastgestelde waarde een grotere versterking van de versterker instelbaar is.

4. Magnetische resonantie-inrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verwerkingsinrichting voorgeprogrammeerde middelen bevat voor het herhalen van een meetcyclus en voor het instellen van een lager versterking van een versterker in de detektieketen na ontvangst van een overloopsignaal van de analoog digitaal detektor.

5. Magnetische resonantie-inrichting volgnes conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de verwerkings- en besturingseenheid zodanig zijn voorgeprogrammeerd dat meetcycli die bij een lagere versterking worden uitgevoerd, worden herhaald en dat de analoog digitaal omzetter gepasseerde resonantiesignalen van die meetcycli worden uitgemiddeld.

6. Magnetische resonantie-inrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de verwerkingseenheid van een versterkerinstellingsregister is voorzien, waarin versterkingsinstellingen zijn opgeslagen, die worden bepaald aan de hand van ten minste een tijdens een voor een meting uitgevoerde proefmeetcyclus opgewekt resonantiesignaal.