DE4020213C2 - Stromversorgung für eine Gradientenspule eines Kernresonanz-Abbildungssystems - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung für eine Gradientenspule eines Kernresonanz-Abbildungssystems zur Erzeugung eines magnetischen Gradientenfeldes, wobei die Stromversorgung einen Regler umfaßt, der als Feldregler in Abhängigkeit von einem Sollwert die Flußdichte des magnetischen Gradientenfeldes regelt, und wobei eine Istwerterfassung Änderungen der Flußdichte des magnetischen Gradientenfeldes erfaßt und daraus mittels einer Integrationsschaltung einen Istwert der Flußdichte des magnetischen Gradientenfeldes bildet.

In der Kernspintomographie (NMR) werden bei einem magnetischen Kernresonanz-Abbildungsgerät im Meßvolumen in allen drei kar­ tesischen Raumkoordinaten Gradienten der magnetischen Flußdichte benötigt, die einer zeitlich vorgegebenen Kurvenform exakt fol­ gen sollen. Das wird dadurch erreicht, daß ein jeweils einer Raumkoordiante zugeordnetes Spulensystem von einem Leistungsver­ stärker entsprechend erregt wird. Da jedoch die Gradienten der magnetischen Flußdichte, nicht zuletzt wegen der überragenden Höhe des Grundfeldes im MR-Magneten, nicht mit der erforder­ lichen Genauigkeit in der zur Regelung notwendigen Geschwin­ digkeit gemessen werden können, ist eine direkte Regelung der magnetischen Flußdichte des Gradientenfeldes kaum durchführbar. Bisher wird daher der durch das Gradientenspulensystem fließende Strom geregelt. Die Stromregelung ist jedoch relativ ungenau, da die Stromform und der Verlauf des Gradienten infolge von Wirbel­ strömen im Meßaufbau voneinander abweichen. Wirbelströme fließen bei Änderungen des Magnetfeldes z. B. in der Kupferfolie der Hoch­ frequenzabschirmung, in dem Metallschild eines supraleitenden Magneten und in der Gradientenspule selbst.

Eine Möglichkeit, die Genauigkeit trotz der auftretenden Wirbelströme zu erhöhen, ist aus der EP 164 199 A1 bekannt. Dort wird beschrieben, wie durch Eingriffe auf den Stromsollwert und den Stromistwert der Gradientenstrom so verzerrt wird, daß dadurch die Einflüsse von Wirbelströmen auf das Gradientenfeld ausgeglichen werden können.

Die Einstellung der Wirbelstromkompensation, also die Einstellung der Eingriffe auf den Stromsollwert und den Stromistwert, muß an dem installierten Kernspinresonanz-Abbildungssystem er­ folgen. Sie ist je nach Erfahrung des Service-Technikers mehr oder weniger zeitaufwendig. Außerdem ist eine vollständige Kom­ pensation kaum möglich, da die Wirbelströme mit sehr unter­ schiedlichen Zeitkonstanten abklingen. Ebenfalls werden Ver­ änderungen im Meßaufbau, insbesondere Temperaturänderungen, nicht kompensiert.

Eine Stromversorgung der eingangs genannten Art mit einer Istwerterfassung, die Änderungen der Flußdichte eines magnetischen Gradientenfeldes erfaßt und durch Integration dieser Änderungsgrößen einen Istwert bildet, ist aus der DE 37 12 033 A1 bekannt. Weiterhin ist in dieser Veröffentlichtung erwähnt, daß der Istwert nach einem Vergleich mit einem Sollwert dazu benutzt werden kann, das Gradientenfeld automatisch einzustellen. Jedoch können in Abhängigkeit von der Dauer der Meßsequenzen wegen Offsetströungen mehr oder weniger starke Abweichungen im Istwert auftreten.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgung für eine Gradientenfeld eines Kernresonanz-Abbildungs­ systems mit einer Regelung für das magnetische Gradientenfeld anzugeben, mit der die magnetische Flußdichte des Gradientenfeldes schnell und auch bei langen Meßsequenzen genau geregelt werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zusätzlich eine Stromistwerterfassung im Stromkreis der Gradientenspule angeordnet ist, daß die Istwerterfassung eine für Änderungen der magnetischen Flußdichte des Gradientenfeldes wirkende Integrationsschaltung umfaßt, daß der Istwert des die Gradientenspule speisenden Stromes der Istwerterfassung zugeführt ist, daß die Integrationsschaltung sowohl für den Istwert der Flußdichteänderung als auch für den Stromistwert als Verzögerungsglied erster Ordnung (P-T₁-Glied) wirkt, daß die Bewertungen für die beiden Istwerte unterschiedlich gewählt sind, daß das Ausgangssignal der Integrationsschaltung aus der Summe der beiden verzögerten und bewerteten Istwerte gebildet ist, wobei die Bewertungen für die Istwerte so gewählt sind, daß bei einer Änderung der Flußdichte des magnetischen Gradientenfeldes das Ausgangssignal im wesentlichen vom Istwert der Flußdichteänderung und bei einer konstanten Flußdichteänderung das Ausgangssignal im wesentlichen von dem Stromistwert bestimmt ist, und daß das Ausgangssignal am Ende jeder Änderung der Flußdichte gleich dem vom Stromistwert bestimmten stationären Ausgangssignal ist. Damit ist sichergestellt, daß der Integrierer auch bei langen Meßsequenzen stabil ist. Es tritt keine Offsetabweichung auf, die sonst in Abhängigkeit von der Dauer der Meßsequenz mehr oder weniger stark sein könnte. Mit diesem Schaltungsprinzip läßt sich die Istwerterfassung besonders einfach aufbauen, insbesondere kann die stabilisierte Integrationsschaltung mit einem einzigen Operationsverstärker realisiert werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung umfaßt die Istwerterfassung mindestens eine im Gradientenfeld angeordnete Meßspule. Die in der Spule induzierte Spannung ist ein Maß für die Änderung des magnetischen Gradientenfeldes.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Stromistwerterfassung über ein Tiefpaßglied mit der Integrationsschaltung verbunden. Das Tiefpaßglied verzögert den an die Integra­ tionsschaltung gelieferten Stromistwert solange, bis die durch die Änderung des Magnetfeldes hervorgerufenen Wirbelströme abge­ klungen sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zum Abgleich der Bewertungen der Istwerte ein Schalter im Rückkopplungszweig in Reihe zum Kondensator, mit dem der Kondensator abgetrennt werden kann, und ein Schalter zwischen dem invertierenden Ein­ gang und dem Verbindungspunkt des Rückkopplungswiderstandes mit dem Stromkoppelwiderstand, mit dem der Rückkoppelwiderstand und der Stromkoppelwiderstand abgetrennt werden kann, angeordnet. Diese Schalter erlauben es, die Verstärkungen der Istwerte unab­ hängig voneinander so zu ändern, daß das Ausgangssignal der Ist­ werterfassung nach einer Änderung gleich dem stationären Signal ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfaßt die Ist­ werterfassung mindestens zwei Meßspulen, die symmetrisch zu der Ebene, in der die Gradientenflußdichte Null ist, angeordnet sind. Durch die Wahl von mehreren Meßspulen werden Meßfehler, die durch Unsymmetrien beim Einbau der Gradientenspulen oder durch Bewegung der Gradientenspule auftreten, weitgehend ver­ mieden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Meßspulen außerhalb einer Hochfrequenzabschir­ mung des Meßvolumens angeordnet sind. Die in der Hochfrequenz­ abschirmung bei einer Gradientenstromänderung fließenden Wir­ belströme bewirken zunächst eine Schwächung und Verdrängung der Flußänderung in dem Raum zwischen der Gradientenspule und dem Schirm. Der dadurch verursachte Meßfehler wird zumindest stark verringert, wenn der Abstand zwischen der Hochfrequenz­ abschirmung und der Meßspule klein gehalten ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Soll­ wertfilter zwischen dem Sollwertgeber und dem Solleingang des Feldreglers geschaltet. Dieses Filter ist in mehrerer Hinsicht vor­ teilhaft: Es erlaubt zusätzlich eine geringfügige Wirbelstrom­ kompensation; die Zeitkonstante der Meßspule, die durch ihre Induktivität, ihren Innenwiderstand und den Eingangswiderstand der Integrationsschaltung bestimmt ist, kann damit kompensiert werden; hauptsächlich dient es jedoch der Glättung des in der Regel von einem Digital-Analog-Wandler kommenden Sollwert­ signals.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß dem Feldregler ein Stromregler nachgeschaltet ist, wo­ bei der Feldregler den Sollwert für den Stromregler liefert. Durch die beiden hintereinander geschalteten Regler wird die Regelung des Gradientenfeldes bei hoher Regelgeschwindigkeit sehr stabil.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß drei Stromversorgungen zur Speisung von drei Gradien­ tenspulen vorgesehen sind, die zueinander senkrecht ausgerich­ tete Gradientenfelder erzeugen, wobei eine Stromversorgung je­ weils einen Feldregler mit mindestens einer im jeweiligen Gra­ dientenfeld angeordneten Meßspule umfaßt, daß die Istwerter­ fassung eines jeden Reglers über jeweils einen Hochpaß mit dem Ausgang der Istwerterfassung der anderen Gradientenfelder ver­ bunden ist, und daß jedem Regler als Istwert die Summe aus dem Signal von der zugeordneten Istwerterfassung und den hochpaßge­ filterten Istwerten der anderen Istwerterfassungen zugeführt ist. Die Meßspulen müssen entsprechend den aufeinander senkrecht stehenden Gradienten sehr genau im Gradientenfeld ausgerichtet sein, damit nur der gewünschte Gradient im Meßsignal erscheint. Die durch Toleranzen verbleibende Restkopplung ist nun durch vorzeichenrichtiges Einspeisen der betreffenden Gradienten über die oben genannten Hochpässe auf elektronischem Wege verringert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von 8 Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen prinzipiellen Aufbau einer Istwerterfassung;

Fig. 2 einen Regelkreis für eine Regelung des magnetischen Gradi­ entenfeldes einschließlich der Istwerterfasssung;

Fig. 3 ein Diagramm des zeitlich trapezförmigen Verlaufs des magnetischen Gradientenfeldes;

Fig. 4 ein Diagramm der in der Meßspule induzierten Spannung, wenn sich das magnetische Gradientenfeld entsprechend wie in Fig. 3 angegeben ändert;

Fig. 5 ein Diagramm der an einem im Stromkreis der Gradienten­ spule angeordneten Strommeßwiderstand auftretenden Span­ nung, wenn sich das magnetische Gradientenfeld ent­ sprechend wie in Fig. 3 angegeben ändert;

Fig. 6 ein Diagramm des von der Istwerterfassung gebildeten Ist­ wertes des Gradientenfeldes, wenn sich das Gradientenfeld entsprechend wie in Fig. 3 angegeben ändert;

Fig. 7 eine Anordnung von zwei Meßspulen, die zur Messung des Gradientenfeldes in z-Richtung (Längsrichtung) vorgesehen sind; und

Fig. 8 eine Schnittdarstellung quer durch eine direkt auf einer Hochfrequenzabschirmung angeordneten Meßspule.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Istwerterfassung 2, die zur Messung des magnetischen Gradientenfeldes in einem Kern­ resonanz-Abbildungssystem geeignet ist. Das Gradientenfeld wird zur Ortsauflösung einem räumlich konstanten magnetischen Grund­ feld in Richtung der kartesischen des Raumkoordinatensystems x, y und z überlagert, wobei die Raumkoordinaten x, y und z so definiert sind, daß das Grundfeld in z-Richtung ausgerichtet ist. Diese Überlagerung kann sowohl gleichzeitig als auch zeit­ lich hintereinander erfolgen. Zur Erfassung der Änderungen der zu messenden Gradientenflußdichte BGrad sind eine oder mehrere Meßspulen 4 an geeigneter Stelle im Meßaufbau angeordnet. In Fig. 7 ist eine geeignete Anordnung von zwei Meßspulen 4 dargestellt, mit denen Änderungen des Gradientenfeldes in z-Richtung gemessen werden können. In Fig. 1 ist zur Erläuterung des Prinzips der Istwerterfassung 2 nur eine Meßspule 4 darstellt.

Die Istwerterfassung 2 umfaßt eine Integrationsschaltung 5 mit einem Operationsverstärker OP. Die Integrationsschaltung 5 weist zwei Eingänge 6 und 8 auf. Der Ausgang der Integrationsschaltung 5 ist mit 10 bezeichnet. Jeweils ein Anschluß der Eingänge 6, 8 und des Ausgangs 10 ist mit dem Bezugspotential verbunden. Der andere Anschluß des Eingangs 6 ist über einen Widerstand R1 und der andere Anschluß des Eingangs 8 ist über R3 mit dem invertie­ renden Eingang eines Operationsverstärkers OP verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers OP ist mit dem anderen An­ schluß des Ausgangs 10 verbunden, an ihm wird der indirekt er­ mittelte Istwert der Flußdichte des magnetischen Gradientenfel­ des UGrad ausgegeben. Zwischen dem invertierenden Eingang und dem Ausgang des Operationsverstärkers OP ist eine Parallelschal­ tung eines Kondensators C1 mit einem Widerstand R2 geschaltet. Der Eingang 6 der Integrationsschaltung 5 ist mit der Meßspule 4 verbunden. Damit ist dem Eingang 6 der Istwert der Änderung des Gradientenfeldes UInd zugeführt. Dem Eingang 8 ist der Stromist­ wert UStrom des die Gradientenspule erregenden Stromes zugeführt. Die Integrationsschaltung 5 verhält sich für beide Istwerte Uind und UStrom wie eine Verzögerung erster Ordnung. Jedoch sind die Bewertungen der Istwerte UInd und UStrom unterschiedlich ge­ wählt, so daß bei einer Änderung der Flußdichte BGrad das Aus­ gangssignal UGrad im wesentlichen vom Istwert der Flußdichteän­ derung UInd und bei konstanter Flußdichte BGrad das Ausgangs­ signal im wesentlichen vom Stromistwert UStrom bestimmt ist.

Die Istwerterfassung 2 bildet den Istwert des Gradientenfeldes UGrad in der im folgenden beschriebenen Weise. In der Meßspule 4 wird bei Änderungen der magnetischen Flußdichte BGrad eine Span­ nung UInd induziert, die der zeitlichen Änderung der Amplitude der magnetischen Flußdichte an dem Ort entspricht, an dem sich die Meßspule 4 befindet. Durch Integrieren der induzierten Span­ nung UInd erhält man am Ausgang 10 ein Abbild des Flußdichte­ gradienten. Um ein Wegdriften des integrierten Istwertes UGrad zu verhindern, ist über den Eingang 8 der Stromistwert UStrom des die Gradientenspule erregenden Stromes zugeführt. Damit sich die Integrationsschaltung 5 nach Fig. 1 für den Istwert UInd wie ein Integrierer verhält muß die durch den Kondensator C1 und den Widerstand R2 bestimmte Zeitkonstante T sehr viel größer sein, als die Signaldauer des Istwertes UInd, die im Bereich von Millisekunden liegt. Andererseits ist nach dem Abklingen der Wir­ belströme der die Gradientenspule erregende Strom ein Maß für die Flußdichte des Gradientenfeldes, so daß nach mehreren Zeit­ konstanten T der Stromistwert UStrom mit dem Proportionalbeiwert R2/R3 das Ausgangssignal UGrad der Integrationsschaltung 5 be­ stimmt.

Die folgenden Zusammenhänge sind bei der Dimensionierung der Istwerterfassung 2 zu beachten. Für die in der Meßspule 4 induzierte Spannung gilt der Zusammenhang

UInd=(-) ndΦ/dt,

dabei ist n die Windungszahl der Meßspule 4 und Φ der Fluß durch die Meßspule.

Der Fluß Φ durch die Meßspule 4 ist bestimmt durch die Fluß­ dichte BGrad des Gradienten am Ort der Meßspule 4 und der Quer­ schnittsfläche A der Meßspule 4. Mit UStrom ist der Stromistwert des die Gradientenspule erregenden Stromes bezeichnet. Dann gilt für das Ausgangssignal UGrad der Istwerterfassung 2 der Zusam­ menhang

UGrad=-R2 (UInd/R1+UStrom/R3)/(1+jωR2 C1)

dabei ist ω die Kreisfrequenz und j die Einheit der imaginären Zahlen.

Der maximale Gradient Gmax, z. B. 10 mT/m, ist durch die Emp­ findlichkeit der Gradientenspule und durch den maximalen Strom durch die Gradientenspule festgelegt. Bei dem maximalen Gra­ dienten Gmax soll die Ausgangsspannung UGradmax am Ausgang er­ reicht werden. Die Flußdichte BGradmax ist vom Abstand x ab­ hängig, der die Entfernung der Meßspule 4 von der Ebene mit BGrad=0 festlegt. Die Flußdichte BGrad max durch die Meßspule 4 beträgt somit

BGrad max =x Gmax

Der Fluß Φ durch die Meßspule 4 ergibt sich aus dem Produkt der Flußdichte BGrad multipliziert mit der Querschnittsfläche A der Meßspule 4. Die Flußdichte BGrad wird von Null aus beim schnell­ sten Anstieg in der Zeit t erreicht. Somit ergibt sich für die höchstmögliche induzierte Spannung

UIndmax=nΦ/t.

Durch die maximale induzierte Spannung UIndmax und dem maximal möglichen Ausgangsstrom des Operationsverstärkers OP erhält man den kleinsten möglichen Wert für den Widerstand R1. Die Zeitkon­ stante der Meßspule 4, die aus ihrer Induktivität L und dem Widerstand R1 bestimmt ist, muß genügend klein sein, damit sie die Messung nicht verfälscht und die Regelung nicht verzögert. Diese Zeitkonstante sollte deutlich kleiner sein als die An­ stiegszeit t des Gradienten. Der Kondensator C1 ergibt sich aus dem folgenden Zusammenhang

UGradmax=UIndmax t/R1C1

Dabei muß beachtet werden, daß der Kondensator C1 einen hohen Isolationswiderstand aufweist, da sonst der parallel geschaltete Widerstand R2 verfälscht werden kann. Bei mehreren in Reihe ge­ schalteten Meßspulen 4 werden die Induktivitäten L und die in­ duzierten Spannungen UInd addiert.

Für die Dimensionierung von R2 gilt die Überlegung, daß die Zeitkonstante R2C2 wesentlich größer sein muß als die längste zu erwartende Wirbelstromzeitkonstante. Für den stationären Zustand gilt, daß die induzierte Spannung UInd Null ist und gleichzeitig die maximale Flußdichte BGradmax bei dem Stromist­ wert UStrommax erreicht ist. Der Widerstand R3 wird so gewählt, daß

| UGradmax/UStrommax |=R2/R3 gilt.

Eine Analyse des Frequenzverhaltens der Schaltung nach Fig. 1 zeigt, daß die Istwerterfassung 2 aus den Änderungen der magne­ tischen Flußdichte den Wert der Flußdichte bildet. Bei hohen Frequenzen ω wird ωR2C1 » 1. Daher gilt für hohe Frequenzen

UGrad=-(UInd/R1+UStrom/R3) R2/jω R2C1.

Da zusätzlich der Anteil der induzierten Spannung UInd an UGrad mit steigender Freqenz ω immer mehr im Vergleich zum Anteil des Stromistwertes UStrom überwiegt, läßt sich die Gleichung für UGrad weiter vereinfachen zu

UGrad=-UInd/jωR1C1.

Das entspricht der Formel eines reinen Integrierers.

Bei der Frequenz ω=0 sind Strom, Gradient und magnetischer Fluß konstant. Da keine Flußänderung mehr auftritt ist die in­ duzierte Spannung UInd Null. Die Gleichung für UGrad vereinfacht sich im stationären Fall zu

UGrad=-UStrom R2/R3.

Der vollständige Regelkreis zur Regelung des Gradientenfeldes ist in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellt. Zwischen einem Eingang 20 des Regelkreises, der mit einem Sollwertgeber ver­ bunden ist, und dem Sollwerteingang 22 eines Feldreglers 24 ist ein Filter 26 angeordnet. Das Filter 26 dient hauptsächlich der Glättung des in der Regel von einem Digital-Analog-Wandler kommenden Sollwertsignales. Gleichzeitig kann mit dem Filter 26 auch eine geringfügige Wirbelstromkorrektur der Sollwertvorgabe durchgeführt werden und die Zeitkonstante der Meßspule 4 kom­ pensiert werden. Dem Feldregler 24 ist ein Stromregler 28 nach­ geschaltet, dessen Ausgang mit einer Endstufe 30 verbunden ist. Die Endstufe 30 ist mit einer Gradientenspule 32 verbunden. Eine Stromistwerterfassung besteht aus einem Stromerfassungswider­ stand 34 und einem Differenzverstärker 36. Der Stromerfassungs­ widerstand 34 ist im Stromkreis der Gradientenspule angeordnet. Zur Aufbereitung der am Stromerfassungswiderstand 34 auftre­ tenden Spannung dient der Differenzverstärker 36, der den Strom­ istwert UStrom für den Stromregler 28 und die Istwerterfassung 2 liefert. Die im Gradientenfeld angeordnete Meßspule 4 ist über einen Widerstand 38 mit negativen Temperaturkoeffizenten mit dem Eingang 6 der Istwerterfassung 2 verbunden. Der Widerstand 38 kompensiert temperaturabhängige Widerstandsänderungen der Meß­ spule 4. Der Ausgang 10 der Stromistwerterfassung 2 ist über einen weiteren Summierer 40, der der Pegelanpassung dient, mit dem Istwerteingang 42 des Feldreglers 24 verbunden.

Zwischen dem Ausgang des Differenzverstärkers 36 und dem Eingang 8 der Stromistwerterfassung 2 ist ein Spannungsteiler 44 und nachgeschaltet ein Tiefpaßglied 46 angeordnet. Das Tiefpaßglied 46 besteht aus einem in Reihe angeordneten Widerstand R4 und einer im Querkreis angeordnete Reihenschaltung aus einem Konden­ sator C2 und einem Widerstand R5. Die Funktion dieses Tiefpaß­ gliedes 46 ist später anhand des Signalsverlaufs des Stromist­ wertes in Fig. 5 erläutert.

Zum Abgleich und zur Justage der Istwerterfassung 2 dienen zum einen die Schalter S1 bis S3 und zum anderen die einstellbaren Widerstände R1, R3 und der Spannungsteiler 44. Der Schalter S1 ist in Reihe zum Rückkoppelkondensator C1 geschaltet und dient der Abschaltung des Kondensators C1 aus dem Rückkoppelnetzwerk. Der Schalter S2 ist zwischen dem Verbindungspunkt des Rückkoppel­ widerstands R2 mit dem Stromkoppelwiderstand R3 und dem inver­ tierenden Eingang des Operationsverstärkers OP angeordnet. Mit ihm lassen sich die Widerstände R2 und R3 wegschalten. Der Schalter S3 ist parallel zum Kondensator C1 angeordnet mit ihm läßt sich der Kondensator C1 entladen. Die Schaltung muß abge­ glichen werden, damit ein gleitender Übergang zwischen den Am­ plituden der dynamischen Vorgänge und der stationären Vorgänge erreicht wird. So sind z. B. in einem ersten Abgleichschritt die Widerstände R2 und R3 mit Hilfe des Schalter S2 abgetrennt. Eine Änderung des Gradientenstromes von Null auf einen bestimmten Strom führt nach Abklingen der Wirbelstromeffekte zur Spannungs­ änderung von Null auf UGrad1. Im zweiten Abgleichschritt ist nun der Schalter S2 geschlossen. Damit sind die Widerstände R2 und R3 zugeschaltet. Gleichzeitig ist der Schalter S1 geöffnet, so daß der Kondensator C1 abgetrennt ist. Im stationären Zustand erhält man nun aus dem konstanten Stromistwert UStrom am Ausgang 10 die Spannung UGrad2. Durch Änderung der Widerstände R2 oder R3, hier ist der Widerstand R3 änderbar, wird nun die Spannung UGrad2 gleich der Spannung UGrad1 gesetzt. Selbstverständlich läßt sich ein Abgleich der Schaltung auch erreichen, indem der Widerstand R1 geändert wird bis UGrad1=UGrad2 ist.

Die Meßspulen 4 müssen sehr genau auf die Gradientenfelder in den Raumkoordinaten x, y und z ausgerichtet werden, damit nur der gewünschte Gradient im Meßsignal erscheint. Eine verbleibende Restkopplung ist durch vorzeichenrichtiges Einspeisen der Ist­ werte der beiden anderen Gradienten über Entkopplungsnetzwerke 50 verringert.

In Fig. 2 ist z. B. der Regelkreis für das Gradientenfeld in z- Richtung dargestellt. Zur Entkopplung - hauptsächlich, weil die Istwerterfassung 2 und die Regler 24 und 28 bei Einschalten der Gradientenfelder in x- und y-Richtung aktiv bleiben - ist der Istwert UGradx und UGrady der anderen Gradientenfelder über die beiden Entkopplungsnetzwerke 50 dem Summierer 40 zugeführt. So­ mit ist das von der nicht genau ausgerichteten Meßspule 4 für das Gradientenfeld in z-Richtung aufgenommene Signal des x- oder y-Gradientenfeldes kompensiert.

Die Istwerte UGradx und UGrady sind jeweils nach einer Hochpaß­ filterung durch den Hochpaß 52 dem Istwert UGradz hinzuaddiert. Mit Hilfe der Potentiometer 54 läßt sich die Entkopplung genau einstellen, so daß bei nicht genauer Ausrichtung der Meßspule 4 für den Istwert UGradz die Kopplung auf elektronischem Wege be­ seitigt ist.

Fig. 3 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Gradienten­ feldes. Der Verlauf ist trapezförmig wobei die Anstiegszeit in der Größenordnung von Millisekunden liegt. Aufgrund der Änderung der Flußdichte wird in der Meßspule 4 eine Spannung UInd indu­ ziert, deren Verlauf in Fig. 4 angegeben ist. Bei einem konstan­ ten Anstieg der Flußdichte des Gradientenfeldes ist die Spannung konstant. Ein Signal tritt nur dann auf, wenn sich das Gradien­ tenfeld ändert.

Der Stromistwert UStrom in Fig. 5, der ein Maß des Erregungstro­ mes der Gradientenspule ist, zeigt am Ende jeder Feldänderung eine Überhöhung. Diese zusätzliche Erregung der Gradientenspule gleicht die Schwächung des Gradientenfeldes aufgrund von Wirbel­ strömen aus. Zur Unterdrückung dieser Stromüberhöhungen im Ist­ wert UStrom ist der in Fig. 2 dargestellte Tiefpaß 46 im Signal­ fluß des Stromistwertes UStrom angeordnet. Dadurch ist der Strom­ istwert im Sinne einer Umkehrung der bekannten Wirbelstromkom­ pensation, also einer "Dekompensation", verändert. Da jedoch hier - im Gegensatz zur Wirbelstromkompensation - der Fehler bereits sehr klein ist, und ungefähr bekannt ist, mit welchen Wirbelstromzeitkonstanten und Amplituden zu rechnen ist, genügt ein festes Tiefpaßglied im Signalweg von UStrom. Auf diese Weise kann nahezu die Idealform von UGrad erreicht werden.

In Fig. 7 ist die räumliche Anordnung der Meßspulen 4 bei einem Kernresonanz-Abbildungssystem schematisch dargestellt. Im Innern eines Hochfrequenz-Rohres 60 soll das Gradientenfeld in z-Rich­ tung, also in Längsrichtung des Rohres 60, aufgebaut werden. Die Ebene, in der das Gradientenfeld BGradz=0 ist, ist durch schraffierte Fläche 61 verdeutlicht. Symmetrisch zu dieser Null­ fläche 61 ist im Abstand x jeweils eine Meßspule 4 um das Hoch­ frequenzrohr 60 gewickelt. Die Meßspulen 4 sind elektrisch in Reihe geschaltet und geben bei einer zeitlichen Änderung des Gradientenfeldes eine Spannung UInd ab, die sich aus den indu­ zierten Einzelspannungen der Spulen 4 zusammensetzt.

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine Meßspule 4, die direkt auf der Hochfrequenzabschirmung 62 des Hochfrequenzrohrs 60 ge­ wickelt ist. Im Innenraum des Rohres 60 befinden sich in der Nähe der Meßspule 4 Teile eines Hochfrequenzresonators 64. Da die Meßspulen hier außerhalb des Meßvolumens und außerhalb der Hochfrequenzabschirmung angeordnet sind, treten Meßfehler auf. Der ideale Verlauf des Gradienten ist außerhalb des Meßvolumens nicht mehr gegeben, so daß die Überlegungen zur Berechnung der induzierten Spannung nur noch zu Anhaltswerten führen. Da in der Hochfrequenzabschirmung 62 selbst Wirbelströme fließen, erfolgt bei einer Gradientenstromänderung zunächst eine Schwächung und Verdrängung der Flußänderung in dem Raum zwischen Gradienten­ spule und Schirm. Der dadurch verursachte Meßfehler wird zu­ mindest stark verringert, wenn der Abstand zwischen der Hoch­ frequenzabschirmung 62 und der Meßspule 4 klein gehalten ist, die Meßspulen 4 also am besten direkt auf dem Schirm 62 auf­ liegen. Der Einfluß der Schwächung und Verdrängung des Gradi­ entenfeldes durch Wirbelströme kann gegebenenfalls durch eine entsprechende Wirbelstromkompensation im Filter 26 nahezu aus­ geglichen werden.

Claims (11)

1. Stromversorgung für eine Gradientenspule (32) eines Kernresonanz-Abbildungssystems zur Erzeugung eines magnetischen Gradientenfeldes, wobei die Stromversorgung einen Regler umfaßt, der als Feldregler (24) in Abhängigkeit von einem Sollwert die Flußdichte des magnetischen Gradientenfeldes regelt, und wobei eine Istwerterfassung (2) Änderungen der Flußdichte des magnetischen Gradientenfeldes erfaßt und daraus mittels einer Integrationsschaltung (5) einen Istwert der Flußdichte des magnetischen Gradientenfeldes bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Stromistwerterfassung (34, 36) im Stromkreis der Gradientenspule (32) angeordnet ist, daß der Istwert (UStrom) des die Gradientenspule (32) speisenden Stromes der Istwerterfassung (2) zugeführt ist, daß die Integrationsschaltung (5) sowohl für den Istwert der Flußdichteänderung (UInd) als auch für den Stromistwert (UStrom) als Verzögerungsglied erster Ordnung wirkt, daß die Bewertungen für beide Istwerte (UInd, UStrom) unterschiedlich gewählt sind, daß das Ausgangssignal (UGrad) der Integrationsschaltung (5) aus der Summe der beiden verzögerten und bewerteten Istwerte (UInd, UStrom) gebildet ist, wobei die Bewertungen für die Istwerte (UInd, UStrom) so gewählt sind, daß bei einer Änderung der Flußdichte des magnetischen Gradientenfeldes das Ausgangssignal (UGrad) im wesentlichen vom Istwert der Flußdichteänderung (UInd) und bei einer konstanten Flußdichte das Ausgangssignal (UGrad) im wesentlichen von dem Stromistwert (UStrom) bestimmt ist und daß das Ausgangssignal (UGrad) am Ende jeder Änderung der Flußdichte gleich dem vom Stromistwert (UStrom) bestimmten stationären Ausgangssignal ist.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwerterfassung (2) mindestens eine im Gradientenfeld angeordnete Meßspule (4) umfaßt.

3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromistwerterfassung (34, 36) über ein Tiefpaßglied (46) mit der Integrationsschaltung (5) verbunden ist.

4. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stabilisierte Integrationsschaltung (5) einen Operationsverstärker (OP) umfaßt, dessen invertierender Eingang mit der oder den Meßspulen (4) sowie über einen Stromkoppelwiderstand (R3) mit der Stromistwerterfassung (34, 36) verbunden ist, und daß in dem Rückkopplungszweig eine Parallelschaltung eines Kondensators (C1) mit einem Widerstand (R2) angeordnet ist.

5. Stromversorgung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abgleich der Bewertungen der Istwerte ein Schalter (S1) im Rückkopplungszweig in Reihe zum Kondensator (C1), mit dem der Kondensator (C1) abgetrennt werden kann, und ein Schalter (S2) zwischen dem invertierenden Eingang und dem Verbindungspunkt des Rückkopplungswiderstandes (R2) mit dem Stromkoppelwiderstand (R3), mit dem der Rückkoppelwiderstand (R2) und der Stromkoppelwiderstand (R3) abgetrennt werden kann, angeordnet ist.

6. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Istwerterfassung (2) mindestens zwei Meßspulen (4) umfaßt, die symmetrisch zu der Ebene (61) , in der die Gradientenflußdichte Null ist, angeordnet sind.

7. Stromversorgung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspulen (4) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

8. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule oder die Meßspulen (4) aus Kupferdraht gewickelt sind und daß die Temperaturabhängigkeit des Kupferwiderstandes durch einen zusätzlichen Widerstand (38) mit einem negativen Temperaturkoeffizienten kompensiert ist.

9. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sollwertfilter (26) zwischen dem Sollwertgeber und dem Sollwerteingang des Feldreglers (24) geschaltet ist.

10. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Feldregler (24) ein Stromregler (28) nachgeschaltet ist, wobei der Feldregler (24) den Sollwert für den Stromregler (28) liefert.

11. Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß drei Stromversorgungen zur Speisung von drei Gradientenspulen vorgesehen sind, die zueinander senkrecht ausgerichtete Gradientenfelder erzeugen, wobei eine Stromver­ sorgung jeweils einen Feldregler (24) mit mindestens einer im jeweiligen Gradientenfeld angeordnete Meßspule (4) umfaßt, daß die Istwerterfassung (2) eines jeden Reglers (24) über einen Hochpaß (52) mit der Istwerterfassung (2) der anderen Gradien­ tenfelder verbunden ist und daß jedem Regler (24) als Istwert die Summe aus dem Signal von der zugeordneten Istwerterfassung (UGradz) und den hochpaßgefilterten Istwerten (UGradx; UGrady) von den anderen Istwerterfassungen zugeführt ist.