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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers, eine entsprechende Hochfrequenzeinrichtung, eine entsprechende Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung und ein entsprechendes Magnetresonanztomographiesystem.
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Als bildgebendes Verfahren hat sich in den letzten Jahren im medizinischen Bereich ein Verfahren etabliert, das auf den Kernspins von Protonen einer Körperregion basiert. Das Verfahren läuft im Wesentlichen in drei Schritten ab: Zunächst wird um die Körperregion ein starkes, stabiles, homogenes Magnetfeld und damit eine stabile Ausrichtung der Protonen in der betreffenden Körperregion erzeugt. Dann wird diese stabile Ausrichtung verändert, indem man elektromagnetisch Hochfrequenzenergie zuführt. Drittens wird diese energetische Stimulation wieder beendet und die im Körper entstehenden Kernresonanzsignale mit Hilfe geeigneter Empfangsspulen gemessen, um so Rückschlüsse auf das Gewebe in dieser Körperregion zu ziehen. Ein System zur Durchführung eines derartigen bildgebenden Verfahrens wird auch Magnetresonanztomographiesystem oder Kernspintomographiesystem genannt.
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Ein Kernspintomographiesystem umfasst eine Vielzahl zusammenwirkender Bestandteile, von denen ein jedes den Einsatz moderner und aufwändiger Technologien erfordert. Ein zentrales Element eines Kernspintomographiesystems, das auch von der Erfindung betroffen ist, ist die Hochfrequenzeinrichtung. Diese ist insbesondere für die Erzeugung der in eine Körperregion einzustrahlenden Hochfrequenzpulse zuständig. Die von einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker der Hochfrequenzeinrichtung eines Kernspintomographiesystems ausgegebenen Hochfrequenzpulse werden dabei über ein Messgerät zu einer Sendespule geleitet, welche die Hochfrequenzpulse in eine Körperregion einstrahlt. Unter dem Begriff ”Sendespule” ist dabei eine beliebige Antenneneinrichtung zu verstehen, mit der die Hochfrequenzpulse abgestrahlt werden können.
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Mit der Entwicklung und Etablierung von Kernspintomographiesystemen sind zur Gewährleistung der Patientensicherheit Grenzwerte normiert worden, welche die maximale Hochfrequenz-Einstrahlung in einen menschlichen Körper reglementieren. Ein typischer Grenzwert hierfür ist der maximal zulässige SAR-Wert (SAR = specific absorption rate).
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Zur Einhaltung dieser Grenzwerte werden durch das oben genannte Messgerät Messwerte erfasst, welche die von der Sendespule ausgesendete Leistung der Hochfrequenzpulse repräsentieren. Auf der Basis mehrerer Messwerte werden Kontrollwerte gebildet. Diese Kontrollwerte werden dann mit einem durch eine Norm vorgegebenen Schwellwert (Grenz-Kontrollwert) verglichen und der Hochfrequenz-Leistungsverstärker automatisch deaktiviert, wenn ein Kontrollwert den Schwellwert überschreitet.
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Zur Berücksichtigung systembedingter Messfehler ist es bekannt, von dem vorgegebenen Schwellwert einen Systemfehler abzuziehen und zur Kontrolle des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers den so erhaltenen Effektiv-Schwellwert mit den Kontrollwerten zu vergleichen.
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Aufwändige der Erfindung vorausgehende Experimente ergaben, dass jede einzelne Messung mit zumindest folgenden drei verschiedenartigen Messfehlern behaftet ist:
- – Fehler durch Direktivität der Richtkoppler,
- – Kalibrierfehler und
- – Linearitätsfehler.
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Der Direktivitätsfehler hängt vom Grad der Reflexion ab und ist von der Belastung der Sendespule abhängig, d. h. er ist davon abhängig, wie viel Masse sich momentan in der Sendespule befindet. Der Grad der Reflexion wird vor einer Messperiode durch eine Justagemessung bestimmt. Die beiden zuletzt genannten Fehler sind abhängig von der Größe des Messwertes, wobei sich der Fehlerverlauf regelmäßig so darstellt, dass bei kleinen Messwerten der relative Messfehler größer ist als bei großen Messwerten. Insgesamt ergibt sich regelmäßig ein vom Messwert abhängiger Messfehler.
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Bislang vorgeschlagene Verfahren berücksichtigen – wie oben beschrieben – die genannten Fehler dadurch, dass unabhängig von den einzelnen Messwerten erst in einer späteren Verarbeitungsstufe ein pauschalierter System-Fehler von dem Schwellwert abgezogen wird. Bei der Ermittlung dieses System-Fehlers sind die Messfehler der einzelnen Messungen und die Messwerte der einzelnen Messungen nicht bekannt. Daher müssen bei der Ermittlung des System-Fehlers sicherheitshalber zumindest teilweise größere Messfehler angenommen werden als tatsächlich vorliegen. Dies führt zur Annahme eines größeren System-Fehlers als tatsächlich vorliegt. Daraus ergibt sich die Annahme eines unnötig kleinen Effektiv-Schwellwerts, was im Ergebnis zu einem unnötigen verfrühten Abschalten des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers führen kann.
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Die in den Effektiv-Schwellwert einfließenden System-Fehler sind also derart pauschaliert, dass eine Deaktivierung des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers häufig auch schon dann erfolgt, wenn die tatsächliche Hochfrequenz-Einstrahlung in eine Körperregion noch weit von dem gesetzlichen Schwellwert entfernt ist. Eine geringere Hochfrequenzleistung bei der Messung geht aber unmittelbar mit einem reduzierten Dynamikbereich einher und führt folglich zu einer Qualitätseinbuße bei den erzeugten Aufnahmen.
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Aus den Dokumenten
DE 101 53 320 A1 und
DE 101 50 138 A1 sind Verfahren und Vorrichtungen zur Kontrolle eines Leistungsverstärkers bekannt, mit denen das Überschreiten einer abgestrahlten Hochfrequenzleistung über einen Schwellwert hinaus verhindert wird.
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Es ist eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, eine technische Lehre zur Kontrolle eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers anzugeben, welche einerseits ein Überschreiten der abgestrahlten Hochfrequenzleistung über einen Schwellwert verhindert und andererseits ermöglicht, dass die tatsächlich abgestrahlte Hochfrequenzleistung nahe an den Schwellwert herankommt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche bestimmt. Hierbei können auch die Vorrichtungsansprüche entsprechend den abhängigen Ansprüchen des Verfahrensanspruchs weitergebildet sein.
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Die Erfindung beruht dabei zunächst auf der Erkenntnis, dass das oben beschriebene Verfahren zur Kontrolle eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers häufig unnötigerweise zu einer Deaktivierung des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers führt. Dies liegt – wie oben erläutert – an der Ermittlung und Verwendung eines Effektiv-Schwellwertes, der wiederum auf der Ermittlung und Verwendung eines pauschalierten System-Fehlers basiert.
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Unter Ausnützung dieser Erkenntnis schlägt nun die Erfindung vor, wiederholt Messwerte zu messen, welche eine Leistung von einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker über eine Sendespule wiederholt ausgesendeter Hochfrequenzpulse repräsentieren. Die einzelnen Messwerte werden jeweils mit einem Messfehler beaufschlagt. Basierend auf der Summe einer Vielzahl von mit Messfehlern beaufschlagten Messwerten werden Kontrollwerte gebildet und der Hochfrequenz-Leistungsverstärker in seiner Funktion eingeschränkt, wenn ein Kontrollwert einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert erreicht oder überschreitet.
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Die einzelnen Messwerte werden also bereits mit einem Messfehler beaufschlagt, ehe sie zu einem Kontrollwert weiterverarbeitet werden, in welchem die einzelnen Messwerte ”verschwinden”. Eine Fehlerberücksichtigung in einer späteren Verarbeitungsstufe, beispielsweise durch die Ermittlung eines Effektiv-Schwellwertes, ist nicht mehr erforderlich.
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Dies ermöglicht insbesondere beim Vorliegen messwertabhängiger Messfehler eine exaktere Berücksichtigung von Messfehlern, welche im Ergebnis dazu führt, dass eine unnötige Funktionseinschränkung des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers vermieden wird oder zumindest verglichen mit dem Stand der Technik seltener erfolgt.
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Liegen beispielsweise Informationen über die Abhängigkeit zwischen Messwert und erwartetem Messfehler vor, so kann der einzelne Messwert mit dem ihm zugeordneten erwarteten Messfehler beaufschlagt werden. Hierzu sind vorzugsweise die Informationen über die Abhängigkeit zwischen Messwert und erwartetem Messfehler, beispielsweise in Form einer Fehlerkurve, abgespeichert. Die Fehlerkurve kann von Zeit zu Zeit an die aktuellen Messbedingungen angepasst werden.
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Der zeitliche Abstand zwischen den Hochfrequenzpulsen und der zeitliche Abstand zwischen den Messungen kann im übrigen gleich oder verschieden sein. In der Regel wird ein ausgesendeter Hochfrequenzpuls mehrfach abgetastet.
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Bei der Anwendung der Erfindung im Rahmen eines Magnetresonanztomographiesystems soll in erster Linie die Hochfrequenzbelastung für den Patienten überwacht werden. Daher ist es sinnvoll, Messwerte zu verwenden, welche die in der Sendespule verbleibende Leistung bzw. die von der Sendespule abgestrahlte Leistung repräsentieren. Vorzugsweise basieren daher die Messwerte jeweils auf der Differenz zwischen der von dem Hochfrequenzverstärker an die Sendespule abgegebenen Vorwärtsleistung und der von der Sendespule zurückkommenden Rückwärtsleistung.
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Da aber auch Messwerte, welche direkt die Leistung der vom Hochfrequenzverstärker abgegebenen Hochfrequenzpulse repräsentieren, mittelbar auch die resultierende in der Sendespule verbleibende Leistung repräsentieren, könnte beispielsweise grundsätzlich in einem einfacheren Ausführungsbeispiel auch nur die vom Hochfrequenzverstärker abgegebene Leistung oder ein entsprechender Messwert verwendet werden.
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Eine Einschränkung eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers in seiner Funktion kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise durch ein Ausschalten des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers, ein zeitweises Deaktivieren des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers oder eine Reduzierung der Sendeleistung des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers erfolgen.
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Basierend auf der Summe einer Vielzahl von mit Messfehlern beaufschlagten Messwerten wird als Kontrollwert vorzugsweise der Mittelwert der mit den erwarteten Messfehlern beaufschlagten Messwerte gebildet. Insbesondere im Zusammenhang mit Magnetresonanztomographiesystemen ist ein solcher Mittelwert ein gutes Maß für die Strahlenbelastung, welcher ein Patient ausgesetzt ist.
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Vorzugsweise wird die Vielzahl von mit Messfehlern beaufschlagten Messwerten durch ein Zeitfenster, das im Zeitbereich über die mit Messfehlern beaufschlagten Messwerte gleitet, aus den mit Messfehlern beaufschlagten Messwerten ausgewählt. Die für den Vergleich mit einem Schwellwert herangezogenen Kontrollwerte, welche ja jeweils auf einer Vielzahl von mit Messfehlern beaufschlagten Messwerten basieren, spiegeln dadurch beispielsweise in einem Magnetresonanztomographiesystem die tatsächliche Strahlenbelastung für einen Patienten sehr zeitnah wider.
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Die Erfindung umfasst auch eine Hochfrequenzeinrichtung mit einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker zum Aussenden von Hochfrequenzpulsen, mit einer Messeinrichtung zum Messen von Messwerten, welche eine Leistung der Hochfrequenzpulse repräsentieren, und mit einer Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung, die mit dem Hochfrequenz-Leistungsverstärker und der Messeinrichtung gekoppelt ist.
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Die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung, die als Prozessoreinrichtung ausgeführt sein kann, ist – vorzugsweise programmtechnisch – derart eingerichtet, dass die Messwerte jeweils mit einem Messfehler beaufschlagt werden. Jeweils basierend auf der Summe einer Vielzahl von mit Messfehlern beaufschlagten Messwerten wird ein Kontrollwert gebildet. Der Hochfrequenz-Leistungsverstärker wird in seiner Funktion eingeschränkt, wenn ein Kontrollwert einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert erreicht oder überschreitet.
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Ebenso liegt eine Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung im Rahmen der Erfindung, welche einen Messwert-Eingang für Messwerte und einen Kontrollsignal-Ausgang für Kontrollsignale aufweist. Die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung ist derart ausgestaltet, dass von einem Messgerät eingehende Messwerte, welche eine Leistung der von einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker ausgesendeten Hochfrequenzpulse repräsentieren, jeweils mit einem Messfehler beaufschlagt werden. Jeweils basierend auf der Summe einer Vielzahl von mit Messfehlern beaufschlagten Messwerten wird ein Kontrollwert gebildet. Ein Kontrollsignal, welches die Einschränkung der Funktion eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers bewirkt, wird am Kontrollsignal-Ausgang ausgegeben, wenn ein Kontrollwert einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert erreicht oder überschreitet.
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Die gemessenen Messwerte können dabei in ihrer ursprünglichen Form oder in einer vorverarbeiteten Form, d. h. beispielsweise nach einer Analog/Digital-Wandlung und/oder einer Umwandlung von Effektivspannungen in die Differenz aus Vorwärtsleistung und Rückwärtsleistung o. Ä., mit entsprechenden Messfehlern beaufschlagt werden.
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Zudem umfasst die Erfindung ein Magnetresonanztomographiesystem, das eine oben beschriebene Hochfrequenzeinrichtung enthält. Daneben umfasst das Magnetresonanztomographiesystem noch alle weiteren üblichen Komponenten wie z. B. ein Magnetsystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes, ein Gradientensystem mit mehreren Gradientenspulen zum Anlegen von Magnetfeldgradienten, ein Hochfrequenz-Empfangssystem mit Empfangsspulen, geeignete Empfangsverstärker und einen Bildrechner. Als Empfangsspule kann dabei beispielsweise auch die Sendespule dienen.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Prinzipschaltbild einer Hochfrequenzeinrichtung eines Magnetresonanztomographiesystems,
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2 ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Kontrolle eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers.
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Die 1 zeigt als wichtigen Bestandteil eines Magnetresonanztomographiesystems eine Hochfrequenzeinrichtung 1, wobei sich die hier gewählte Darstellung auf den Sendezweig der Hochfrequenzeinrichtung 1 konzentriert.
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Neben dem Sendezweig der Hochfrequenzeinrichtung 1 umfasst das Magnetresonanztomographiesystem ein zeichnerisch nicht dargestelltes Magnetsystem zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das einen Patienten während einer Untersuchung zumindest teilweise umgibt, sowie ebenfalls nicht dargestellte Gradientenspulen zum Anlegen von Magnetfeldgradienten. Außerdem ist ein nicht dargestelltes Hochfrequenz-Empfangssystem mit zumindest einer Empfangsspule und einem geeigneten Empfangsverstärker vorgesehen, wobei die Sendespule auch die Empfangsspule bilden kann. Ein nicht dargestellter Bildrechner sorgt für eine Rekonstruktion der Bilder aus den empfangenen Signalen, um diese z. B. auf einem Bildschirm darstellen und/oder in einem Speicher hinterlegen zu können. Zur Koordination des Zusammenwirkens der einzelnen Komponenten dient ein nicht dargestellter Steuerrechner.
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Die Hochfrequenzeinrichtung 1 enthält einen Hochfrequenz-Leistungsverstärker 3, der Hochfrequenzpulse H vorzugsweise in einem Leistungsbereich zwischen 10 W und 20 kW aussendet. Die Hochfrequenzpulse H werden über ein Sendekabel 10 zu einem Messgerät 4 zur Messung von Messwerten M geleitet. Vom Messgerät 4 werden die Hochfrequenzpulse zu einer Sendespule 5 geleitet, welche die Hochfrequenzpulse H in eine Körperregion eines Patienten O einstrahlt.
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Das Messgerät 4 ist hier als Sensor, insbesondere als Trans – mit Antenna Level Sensor (TALES), ausgeführt und weist Richtkoppler zum Auskoppeln eines geringen Teils der von dem Hochfrequenzverstärker 3 an die Sendespule 5 abgegebenen Vorwärtsleistung und der von der Sendespule 5 zurückkommenden Rückwärtsleistung auf, welche dann jeweils in eine Effektivspannung umgesetzt werden. Die so gemessene Hochfrequenzspannung kann insbesondere zwischen 0 und 1000 Volt liegen.
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Die Messwerte M werden vom Messgerät 4 gegebenenfalls nach einer Analog/Digital-Wandlung über einen Messwert-Eingang 8 zu einer Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 2 geführt. Die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 2 weist eine Prozessoreinrichtung 6 samt digitalem Signalprozessor auf, die programmtechnisch dazu eingerichtet ist, die Messwerte M oder darauf basierende Kontrollwerte K mit einem vorgegebenen Grenz-Kontrollwert GK zu vergleichen.
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Überschreitet ein Messwert M oder ein darauf basierender Kontrollwert K einen vorgegebenen Grenz-Kontrollwert GK, so wird am Kontrollsignal-Ausgang 9 ein Kontrollsignal KS ausgegeben, das eine zumindest vorläufige Abschaltung des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers 3 bewirkt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante repräsentieren die Messwerte M, welche letztlich erfindungsgemäß weiterverarbeitet werden, die von der Sendespule 5 effektiv abgestrahlte Leistung, also die Differenz zwischen Vorwärtsleistung und Rückwärtsleistung, welche beispielsweise alle 20 μs durch die Kontrolleinrichtung 2 bzw. die Prozessoreinrichtung PE auf der Basis der gemessenen Effektivspannungen ermittelt wird.
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In einer in 2 dargestellten Speichereinrichtung 7, welche mit der Prozessoreinrichtung 6 korrespondiert, sind Programmdaten, ein Grenz-Kontrollwert und Informationen über eine Abhängigkeit zwischen Messwert M und erwartetem Messfehler d abgespeichert.
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2 zeigt ein vereinfachtes Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei sind zunächst entlang einer Zeitachse t mehrere Hochfrequenzpulse H1 bis H3, die von dem Hochfrequenz-Leistungsverstärker 3 ausgegeben werden, dargestellt.
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Darunter sind ebenfalls entlang der Zeitachse t Messwerte M1 bis M6 dargestellt, welche die Leistung der Hochfrequenzpulse H repräsentieren. Dabei werden für jeden Hochfrequenzpuls H mehrere Messwerte M genommen.
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Basierend auf Informationen über die Abhängigkeit zwischen Messwert M und einem erwartetem Messfehler d (oder erwartetem maximalen Messfehler) werden die Messwerte M jeweils mit den ihnen zugeordneten Messfehlern d beaufschlagt.
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Die Informationen über die Abhängigkeit zwischen Messwert M und erwartetem Messfehler d (Fehlerkurve) können dabei in einer Speichereinrichtung 7 abgespeichert sein und von Zeit zu Zeit in Abhängigkeit vom Messumfeld aktualisiert werden.
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Durch ein im Zeitbereich über die mit einem Messfehler d beaufschlagten Messwerte M gleitendes Fenster Δt wird jeweils eine Vielzahl von mit einem Messfehler d beaufschlagten Messwerten M ausgewählt und zu einem Kontrollwert K weiterverarbeitet. So wird beispielsweise die Vielzahl von mit einem Messfehler beaufschlagten Messwerten M1 + d1, M2 + d2, M3 + d3 durch das gleitende Fenster Δt ausgewählt und zu dem Kontrollwert K1 weiterverarbeitet. Ebenso werden kurze Zeit später die mit einem Messfehler beaufschlagten Messwerte M2 + d2, M3 + d3, M4 + d4 durch das gleitende Fenster Δt ausgewählt und zu dem Kontrollwert K2 weiterverarbeitet. Die Länge des Fensters beträgt vorzugsweise 10 s oder 360 s. Besonders bevorzugt erfolgen eine Kurzzeitüberwachung z. B. mit einem 10 s-Fenster und eine Langzeit-Überwachung z. B. mit einem 360 s-Fenster.
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In diesem Beispiel wird der Kontrollwert K dadurch aus der ausgewählten Vielzahl von mit einem Messfehler d beaufschlagten Messwerten M bestimmt, dass aus der ausgewählten Vielzahl von mit einem Messfehler d beaufschlagten Messwerten M der Mittelwert gebildet wird.
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Nur der einfacheren Darstellbarkeit wegen umfasst die ausgewählte Vielzahl von mit einem Messfehler d beaufschlagten Messwerten M hier nur drei Werte. Je nach Ausgestaltung der Erfindung kann diese Vielzahl beliebig viele Werte umfassen.
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In einer nächsten Verarbeitungsstufe werden dann die Kontrollwerte K mit einem durch eine Norm vorgegebenen Grenz-Kontrollwert verglichen (K > GK?). Stellt sich dabei heraus, dass ein Kontrollwert K größer als ein Grenz-Kontrollwert GK ist (j), so wird ein Kontrollsignal KS ausgegeben, das die Deaktivierung des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers 3 veranlasst.
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Die Grenz-Kontrollwerte GK können insbesondere durch die Norm IEC 60601-2-23 ”Medical Equipment – Particular requirements for the safety of magnetic resonance equipment for medical diagnosis” in Abhängigkeit vom Körpergewicht des betroffenen Patienten bestimmt werden.
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Es wird abschließend nach einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei dem vorhergehenden, detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei dem dargestellten Hochfrequenzsystem bzw. der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Auch wenn die Erfindung vorstehend exemplarisch anhand eines Magnetresonanztomographiesystems im medizinischen Bereich beschrieben wurde, ist die Erfindung auch in anderen Anwendungsgebieten einsetzbar, wie insbesondere in wissenschaftlichen und/oder industriell genutzten Magnetresonanztomographiesystemen oder beispielsweise auch in der Mobilfunkkommunikation oder in anderen Arten der funkbasierten Kommunikation.