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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle eines Hochfrequenz-Leistungsverstärkers, eine entsprechende Hochfrequenzeinrichtung, eine entsprechende Hochfrequenzkontrolleinrichtung 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 eines Kernspintomographiesystems ausgegebenen Hochfrequenzpulse werden 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 abgestrahlte Leistung der Hochfrequenzpulse repräsentieren. Auf der Basis mehrerer Messwerte werden Kontrollwerte gebildet. Diese Kontrollwerte werden dann bisher mit einem durch eine Norm vorgegebenen starren Schwellwert (Grenz-Kontrollwert) verglichen und der Hochfrequenz-Leistungsverstärker automatisch in seiner Funktion eingeschränkt, i. d. R. deaktiviert, wenn ein Kontrollwert den vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Ein Beispiel für ein solches Leistungskontrollverfahren und eine entsprechende Kontrolleinrichtung wird in der
DE 101 53 320 A1 beschrieben. Dabei werden bei der Bestimmung der aktuellen SAR-Werte abgespeicherte Daten einbezogen, die einen zeitlichen Verlauf einer vorangegangenen HF-Belastung eines Patienten beinhalten. Die so ermittelten SAR-Werte werden dann mit einem fasten SAR-Grenzwert verglichen.
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Ungünstigerweise ist jedoch die maximale Hochfrequenzleistung, die der Patient sicher – ohne Gesundheitsbeeinträchtigungen befürchten zu müssen – verträgt, unter anderem von verschiedenen Umgebungsparametern abhängig. Insbesondere besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der maximalen Hochfrequenzleistung und den Klimawerten, beispielsweise der Temperatur und/oder der Luftfeuchtigkeit der direkten Umgebung des Patienten. Aus diesem Grund fordern neue Richtlinien für die SAR-Überwachung eine Anpassung der zu überwachenden SAR-Grenzwerte an die Klimawerte der Umgebung des Patienten. Da sich die Temperaturen im Untersuchungsbereich jedoch permanent ändern, müssten dementsprechend während einer laufenden Messung ständig die Grenzwerte angepasst werden.
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Bei den bisherigen Verfahren wird üblicherweise basierend auf der Summe einer Vielzahl von in einem vorhergehenden Zeitfenster gemessenen Werten ein Mittelwert der in dem betreffenden Zeitfenster ausgestrahlten Hochfrequenzleistung ermittelt. Solch ein Wert ist insbesondere im Zusammenhang mit Magnetresonanztomographiesystemen ein gutes Maß für die gesamte Strahlenbelastung, welcher eine bestrahlte Person in dem zurückliegenden Zeitfenster ausgesetzt war. Dieser Leistungsmittelwert wurde dann mit einem für das betreffende, rückwirkende Zeitfenster feststehenden Grenzwert verglichen. Auf diese Weise war eine einfache Kontrolle der Einhaltung der Grenzwerte möglich.
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Bei Grenzwerten, die sich ständig ändern, funktioniert jedoch ein solch starres Überwachungskonzept nicht mehr. Das Problem liegt hierbei darin, dass, sobald ein neuer Grenzwert beispielsweise auf Basis einer Temperatur- und/oder Luftfeuchtigkeitsmessung im Untersuchungsraum ermittelt wird, dieser Grenzwert zwangsläufig für ein zurückliegendes Zeitfenster gelten muss, um die volle Sicherheit gewährleisten zu können. Dies würde in der Praxis mit den bisherigen Verfahren dazu führen, dass zumindest immer dann, wenn beispielsweise wegen einer Temperaturerhöhung der Grenzwert abgesenkt wird, der Hochfrequenz-Leistungsverstärker abgeschaltet werden müsste. Dies lässt sich an einem einfachen Beispiel verdeutlichen:
Hierzu wird angenommen, dass zu einem ersten Zeitpunkt t1 bei einer Temperatur von 25°C und 60% Luftfeuchtigkeit der maximale Grenzwert für die Hochfrequenzleistung bei 4 W/kg Körpergewicht des Patienten liegt. Es wird dann weiterhin davon ausgegangen, dass für die darauf folgende Zeit von diesem Leistungsgrenzwert ausgegangen wird und dementsprechend im Extremfall bis zu 4 W/kg die Leistung abgestrahlt wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass es grundsätzlich sinnvoll ist, innerhalb der zulässigen Sicherheits-Grenzwerte das System mit einer möglichst hohen Hochfrequenzleistung zu betreiben, da dies zu einem höheren Dynamikbereich und folglich zu einer Qualitätsverbesserung der erzeugten Aufnahmen führt. Zu einem darauf folgenden Messzeitpunkt t2 wird dann festgestellt, dass bei 60° Luftfeuchtigkeit eine Temperatur von 33°C vorliegt. Der maximal zulässige Leistungswert liegt dann nur noch bei 2 W/kg. Da jedoch im Zeitraum zwischen der ersten Messung zum Zeitpunkt t1 und dem zweiten Messzeitpunkt t2 von einem Grenzwert von 4 W/kg ausgegangen wurde, ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass zum Zeitpunkt t2 bei der Ermittlung des neuen Grenzwerts dieser neue Grenzwert bereits überschritten ist. Daher müsste das Gerät wegen der rückwirkenden Betrachtung sofort abschalten. Es ist folglich mit den heutigen Messverfahren nur unzureichend möglich, mehrere Messungen hintereinander mit sich ständig z. B. aufgrund wechselnder Umgebungsparameter verändernden Grenzwerten zu überwachen.
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Es ist eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine technische Lehre zur Kontrolle eines Hochfrequenzleistungsverstärkers anzugeben, welcher sicher ein Überschreiten der abgestrahlten Hochfrequenzleistung über einen sich zeitlich verändernden Schwellenwert verhindert und andererseits eine fortlaufende Messung ohne ständiges Abschalten des Leistungsverstärkers ermöglicht.
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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. Daher können die Vorrichtungsansprüche auch entsprechend den abhängigen Ansprüchen des Verfahrensanspruchs weitergebildet sein.
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Die Erfindung beruht dabei u. a. 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 bisher üblichen rückwirkenden Betrachtung, bei der ein über ein vergangenes Zeitfenster ermittelter Leistungsmittelwert mit dem für das zurückliegende Zeitfenster geltenden Leistungs-Grenzwert verglichen wird.
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Unter Ausnutzung dieser Erkenntnis wird nun vorgeschlagen, wiederholt Messwerte zu messen, welche die Leistung der von einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker über eine Sendespule ausgesendeten Hochfrequenzpulse repräsentieren. Außerdem werden in zeitlichen Abständen die zeitlich veränderlichen Leistungs-Grenzwerte ermittelt. Basierend auf einer Vielzahl von in einem vorangegangenen Zeitfenster gemessenen Messwerten wird dann ein die in dem betreffenden Zeitfenster ausgesendete Hochfrequenzdosis repräsentierender Kontrollwert ermittelt. Ebenso wird basierend auf einer Vielzahl von in dem vorgegebenen Zeitfenster ermittelten Leistungs-Grenzwerten ein Grenz-Kontrollwert ermittelt, welcher entsprechend einen in dem betreffenden Zeitfenster erlaubten Dosis-Grenzwert repräsentiert. Schließlich wird dann der Hochfrequenz-Leistungsverstärker in seiner Funktion eingeschränkt, wenn der Kontrollwert den Grenz-Kontrollwert erreicht oder überschreitet.
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Es werden also parallel innerhalb eines Zeitfensters sowohl die Messwerte als auch die innerhalb dieses Zeitfensters ermittelten Leistungs-Grenzwerte betrachtet, wobei für die betreffenden Werte jeweils ein der Dosis entsprechender Kontrollwert ermittelt wird, welcher dann zum Vergleich zur Verfügung steht. Der auf Basis der Messwerte gewonnene Kontrollwert kommt dabei z. B. einer Integration der Messwerte und der Grenz-Kontrollwert der Integration der Leistungs-Grenzwerte in dem betreffenden Zeitfenster gleich. Auf diese Weise ist es möglich, neben dem Messwert-Verlauf auch gleichzeitig den Leistungs-Grenzwert-Verlauf zu beobachten. Dabei erfolgt auch bei beliebigen Änderungen des Leistungs-Grenzwertes innerhalb eines Zeitfensters eine exakte Kontrolle des Verlaufs der anteiligen Erreichung des jeweils zulässigen Grenzwertes durch die Messgröße. Das heißt, am Ende eines jeden betrachteten Zeitfensters ist – im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren – dafür gesorgt, dass die im zurückliegenden Zeitfenster abgestrahlte Leistung nicht bereits den in dem betreffenden Zeitfenster an sich zugelassenen Leistungs-Grenzwert überschritten hat und somit das Gerät sofort abgeschaltet werden müsste.
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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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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 von 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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Der zeitliche Abstand zwischen den Hochfrequenzpulsen und der zeitliche Abstand zwischen den Messungen kann im Übrigen gleich oder verschieden sein.
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Grundsätzlich ist es möglich, bei der Messung jedes einzelnen Messwerts einen zu diesem Zeitpunkt geltenden Leistungs-Grenzwert zu ermitteln. Hierzu können z. B. sowohl die Messwerte als auch die Leistungs-Grenzwerte im gleichen Zeitraster ermittelt werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Kontrollwert einfach aus der Summe der einzelnen Messwerte und der Grenz-Kontrollwert auf der Summe der entsprechenden Leistungsgrenzwerte in dem jeweils zu beobachtenden Zeitfenster gebildet werden können. Das heißt, es können die Summen der Messwerte und der Leistungs-Grenzwerte direkt verglichen werden.
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Die Leistungs-Grenzwerte müssen aber nicht notwendigerweise im gleichen Zeitraster wie die Messwerte genommen werden. Beide Zeitraster können grundsätzlich auch unabhängig voneinander sein. So können beispielsweise die Messwerte sehr viel häufiger gemessen werden, als dass neue Leistungs-Grenzwerte ermittelt werden. Insbesondere ist es auch nicht notwendig, dass die zeitlichen Abstände, in welchen die Leistungsgrenzwerte ermittelt und die Messwerte gemessen werden, jeweils konstant sind. D. h. die Messung der Messwerte bzw. Ermittlung der Leistungs-Grenzwerte muss nicht in einem festen Zeitraster erfolgen.
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Um unabhängig von jedem Zeitraster arbeiten zu können, bietet es sich an, den Kontrollwert auf der Summe einer Vielzahl von Messwerten zu erzeugen, welche jeweils mit einer Intervall-Länge zwischen der Messung zweier aufeinanderfolgender Messwerte gewichtet werden. D. h. es wird beispielsweise ein Messwert mit der Intervall-Länge zwischen der vorherigen Messung und der betreffenden Messung multipliziert. Auf diese Weise werden die Messwerte in dem zu beobachtenden Zeitfenster flächenmäßig aufintegriert. In gleicher Weise sollte dann vorzugsweise auch der Grenz-Kontrollwert auf der Summe einer Vielzahl von Leistungs-Grenzwerten jeweils gewichtet mit einer Intervall-Länge zwischen der Ermittlung zweier aufeinanderfolgender Leistungs-Grenzwerte basieren, so dass auch hier ein entsprechendes Flächenintegral gebildet wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass es für eine Betrachtung der Integrale unerheblich ist, wie grob oder feingranular die Messwerte beziehungsweise die Leistungs-Grenzwerte erhoben werden. Der mit Hilfe der Integration ermittelte Kontrollwert bzw. Grenz-Kontrollwert ist immer korrekt und der in dem betreffenden Zeitfenster ermittelte Grenz-Kontrollwert kann unmittelbar mit dem betreffenden Kontrollwert verglichen werden.
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Insbesondere bei der Anwendung der Erfindung im Rahmen eines Magnetresonanztomographiesystems, d. h. bei Verwendung der Hochfrequenzpulse zur Magnetresonanzuntersuchung eines Untersuchungsobjekts werden die Leistungsgrenzwerte bevorzugt in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur in der Nähe des Untersuchungsobjekts ermittelt. Hierzu wird an einer entsprechenden Position in der Nähe des Untersuchungsobjekts, beispielsweise am oder im Tomographen, ein Temperatursensor benötigt. Es kann dann der Leistungs-Grenzwert beispielsweise mittels einer Geradengleichung in Abhängigkeit von dieser Umgebungstemperatur ermittelt werden. Dabei kann die gewählte Geradengleichung auch von weiteren Umweltparametern wie z. B. der aktuellen Luftfeuchtigkeit abhängen. Ebenso ist es aber auch möglich, innerhalb einer Tabelle (Look-up-Table) bestimmte Leistungs-Grenzwerte für bestimmte Umgebungstemperaturen und/oder bestimmte Luftfeuchtigkeitswerte und/oder andere Umgebungsparameter zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren ist es nicht zwingend notwendig, dass die Leistungs-Grenzwerte linear mit den Umgebungsparametern zusammenhängen oder ständig mit den Veränderungen der Umgebungsparameter variieren, sondern es ist auch eine Abstufung von Leistungs-Grenzwerten in Abhängigkeit von den Umgebungsparametern möglich.
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Vorzugsweise wird jeweils ein Zeitfenster betrachtet, das im Zeitbereich über die mit Messfehlern beaufschlagten Messwerte gleitet. Die für den Vergleich mit einem Schwellwert herangezogenen Kontrollwerte, welche ja jeweils auf einer Vielzahl von Messwerten in dem jeweils betrachteten Zeitfenster basieren, spiegeln dadurch beispielsweise in einem Magnetresonanztomographiesystem die tatsächliche in dem zurückliegenden Zeitraum aufgetretene Strahlenbelastung für einen Patienten sehr zeitnah wider.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt eine Überwachung der Hochfrequenzleistung über verschiedene, ineinander verschachtelte Zeitfenster, d. h. es wird beispielsweise eine Kurzzeitüberwachung und eine Langzeitüberwachung durchgeführt. Dabei werden gleichzeitig für mehrere unterschiedlich lange Zeitfenster, vorzugsweise für zwei Zeitfenster von 10 s und 360 s, jeweils Kontrollwerte und zugehörige Grenz-Kontrollwerte ermittelt. Der Hochfrequenz-Leistungsverstärker wird dann in seiner Funktion eingeschränkt, wenn nur einer der Kontrollwerte den zugehörigen Grenz-Kontrollwert überschreitet. Bei der Langzeitüberwachung sind die Leistungs-Grenzwerte, aus denen der Grenz-Kontrollwert für das längere Zeitfenster ermittelt wird, in der Regel niedriger als die in der Kurzzeitüberwachung geltenden Leistungs-Grenzwerte, auf deren Basis der Grenz-Kontrollwert für das kürzere Zeitfenster ermittelt wird. Insgesamt ist jedoch in der Regel der Grenz-Kontrollwert für das längere Zeitfenster höher als der Grenz-Kontrollwert für das kürzere Zeitfenster. Dieses Verfahren dient dazu, um über ein längeres Zeitfenster die Einstrahlung einer bestimmten höheren Dosis zu überwachen und gleichzeitig dafür zu sorgen, dass nicht innerhalb eines kurzen Zeitfensters die gesamte innerhalb des zu überwachenden langen Zeitfensters zulässige Leistung auf den Patienten eingestrahlt wird und somit durch die kurzzeitige Leistungsüberhöhung eine Gefahr für den Patienten besteht.
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Die Erfindung umfasst auch eine Hochfrequenzeinrichtung mit einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker zum Aussenden von Hochfrequenzpulsen über eine Sendespule, 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 in zeitlichen Abständen zeitlich veränderliche, vorgegebene Leistungs-Grenzwerte ermittelt werden. Jeweils basierend auf einer Vielzahl von in einem Zeitfenster gemessenen Messwerten wird ein die in dem Zeitfenster ausgesendete Hochfrequenzdosis repräsentierender Kontrollwert ermittelt. Ebenso wird von der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung basierend auf einer Vielzahl von in dem betreffenden Zeitfenster ermittelten Leistungs-Grenzwerten ein einen in dem betreffenden Zeitfenster erlaubten Dosis-Grenzwert repräsentierender Grenz-Kontrollwert ermittelt. Der Hochfrequenz-Leistungsverstärker wird in seiner Funktion eingeschränkt, wenn ein Kontrollwert den zugehörigen 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 in zeitlichen Abständen zeitlich veränderliche, vorgegebene Leistungs-Grenzwerte ermittelt werden. Außerdem wird von der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung basierend auf einer Vielzahl von in einem Zeitfenster gemessenen Messwerten, welche eine Leistung der von einem Hochfrequenz-Leistungsverstärker ausgesendeten Hochfrequenzpulse repräsentieren, ein die in dem betreffenden Zeitfenster ausgesendete Hochfrequenzdosis repräsentierender Kontrollwert ermittelt und basierend auf einer Vielzahl von in dem betreffenden Zeitfenster ermittelten Leistungs-Grenzwerten ein einen in dem betreffenden Zeitfenster erlaubten Dosis-Grenzwert repräsentierender Grenz-Kontrollwert ermittelt. 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, 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 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzeinrichtung für ein Magnetresonanztomographiesystem,
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2 eine Gegenüberstellung der in einem bestimmten Zeitfenster gemessenen Messwerte und der in diesem Zeitfenster ermittelten Leistungs-Grenzwerte zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 eine Gegenüberstellung der gemessenen Messwerte und der ermittelten Leistungs-Grenzwerte ähnlich 2, jedoch für zwei ineinander verschachtelte unterschiedlich lange Zeitfenster,
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4 eine Darstellung der Funktion des zulässigen Leistungsgrenzwertes in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur eines Magnetresonanztomographiesystems bei normaler Betriebsart,
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5 eine Darstellung der Funktion des zulässigen Leistungsgrenzwertes in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur in der Betriebsart erster Stufe.
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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 die 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 5 zu einem Messgerät 4 geleitet. Vom Messgerät M werden die Hochfrequenzpulse zu einer Sendespule 7 geleitet, welche die Hochfrequenzpulse in eine Körperregion eines Patienten O einstrahlt.
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Das Messgerät 4 ist hier als Sensor, insbesondere als Transmit Antenna Level Sensor (TALES), ausgeführt und weist Richtkoppler zum Auskoppeln eines geringen Teils der von dem Hochfrequenzverstärker 3 an die Sendespule 7 abgegebenen Vorwärtsleistung und der von der Sendespule 7 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 gemessenen Werte werden vom Messgerät 4 gegebenenfalls nach einer Analog/Digital-Wandlung und/oder sonstiger Vorverarbeitung über einen Messwert-Eingang 12 einer Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 2 zugeführt. Die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 2 weist eine Prozessoreinrichtung 9 samt digitalem Signalprozessor auf.
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In bestimmten Zeitabständen, beispielsweise im Abstand von 20 μs, werden die gemessenen Spannungswerte in die in der Sendespule 7 des Magnetresonanztomographen verbleibende, resultierende Leistung umgerechnet, indem von der eingehenden Leistung, d. h. der Vorwärtsleistung, die rücklaufende Leistung wieder abgezogen wird. D. h. es wird in festen Zeitabständen von 20 μs ein Messwert M für die Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 2 erfasst. Diese Vorverarbeitung der Spannungswerte in die eigentlich erwünschten Messwerte M kann z. B. im Messgerät 4, am Messwert-Eingang 12 oder auch erst in der Prozessoreinrichtung 9 erfolgen.
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Die Prozessoreinrichtung 9 ist programmtechnisch dazu eingerichtet, auf Basis der Messwerte M Kontrollwerte K zu bilden und mit Grenz-Kontrollwerten GK, GK1, GK2 zu vergleichen. Überschreitet ein Kontrollwert K einen zugehörigen Grenz-Kontrollwert GK, GK1, GK2, so wird an einem Kontrollsignal-Ausgang 11 der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 2 ein Kontrollsignal KS ausgegeben, das eine zumindest vorläufige Abschaltung des Hochfrequenz-Leistungsverstärkers 3 bewirkt.
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Zur Ermittlung der Grenz-Kontrollwerte GK, GK1, GK2 erhält die Prozessoreinrichtung 9 auf einem zweiten Eingang in bestimmten zeitlichen Abständen jeweils aktuelle Leistungsgrenzwerte G, G1, G2, die sich zeitlich ändern können. Diese Leistungsgrenzwerte G, G1, G2 hängen hier von der Umgebungstemperatur TU in der Nähe des Patienten O im Magnetresonanztomographen ab. Daher befindet sich in der Nähe des Patienten O ein Temperatursensor 6, welcher die aktuelle Temperatur TU misst und auf einen Temperatureingang 8 der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 2 gibt. Die aktuelle Temperatur TU wird dann innerhalb einer Grenzwertermittlungseinheit 10 in den aktuellen geltenden Leistungs-Grenzwert G, G1, G2 umgerechnet. Sobald der Grenzwert G, G1, G2 sich um ein bestimmtes Maß geändert hat, wird dementsprechend ein neuer Grenzwert G, G1, G2 an die Prozessoreinrichtung 9 übergeben.
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Die Grenzwertermittlungseinheit 10 kann dabei den jeweils gültigen Leistungs-Grenzwert G, G1, G2 mit Hilfe einer einfachen Geradengleichung auf Basis der Temperatur TU ermitteln.
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Die Abhängigkeit des Leistungs-Grenzwerts von der Umgebungstemperatur TU ist in den 4 und 5 dargestellt, wobei 4 einen Grenzwert Ga für die normale Betriebsart des Magnetresonanztomographen zeigt und 5 einen Grenzwert Gb bei einer Betriebsart erster Stute. Angegeben ist jeweils die maximale (Dosis-)Leistung in Watt pro Kilogramm Körpergewicht des Patienten über der Umgebungstemperatur TU in °Celsius. Bei der normalen Betriebsart darf eine MTRA (medizinisch-technische Radiologieassistentin) eine Messung durchführen, ohne dass ein Arzt zugegen ist. In der Betriebsart erster Stufe sind die Grenzwerte höher. Daher ist diese Betriebsart von Gesetz wegen nur zulässig, wenn ein Arzt bei der Messung anwesend ist.
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In der Prozessoreinrichtung 9 werden einerseits die Messwerte M und andererseits die Leistungs-Grenzwerte G, G1, G2 über ein Zeitfenster Δti definierter Länge aufintegriert, wie dies in 2 dargestellt ist. Das obere Diagramm in der 2 zeigt dabei die gemessene Leistung P über der Zeit t, wobei die einzelnen Messwerte M jeweils in festen Zeitintervallen, beispielsweise in Abständen von 20 μs gemessen werden. Diese Messwerte M entsprechen jeweils den in den Zeitintervallen von 20 μs ausgestrahlten Leistungen. Es ist klar, dass diese Zeitintervalle beliebig gewählt werden können und nicht zwingend gleichmäßig sein müssen. Das Zeitfenster Δti steht dabei nicht fest, sondern gleitet mit der Zeit t über die Messwerte M, d. h. das Zeitfenster Δti wird beispielsweise mit jeder Messung eines neuen Messwerts M um einen Messwert weiter verschoben, so dass der neue Messwert davon umfasst ist.
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Wie aus dem oberen Diagramm von 2 zu ersehen ist, kann sich die ausgestrahlte Leistung sehr stark und sehr schnell ändern, in Abhängigkeit davon, ob eine Pulsfolge ausgesendet wird oder ob beispielsweise eine Messpause vorliegt. Eine solche längere Messpause ist im vorderen, nicht vom aktuellen Zeitfenster Δti erfassten Bereich des oberen Diagramms dargestellt. In dem aktuellen Zeitfenster Δti befinden sich jeweils kurzzeitige Sendepausen unter 20 μs.
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Als Kontrollwert PK wird dann von der Prozessoreinrichtung 9 das Flächenintegral über die einzelnen Messwerte M im aktuellen Zeitfenster Δti berechnet, d. h. es werden jeweils die Messwerte M mit den Intervall-Längen, hier der Intervall-Länge von 20 μs, multipliziert und aufsummiert.
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In gleicher Form werden die Leistungsgrenzwerte G, welche in dem aktuellen Zeitfenster Δti ermittelt werden, jeweils mit den Intervall-Längen zwischen der Ermittlung zweier aufeinander folgender, neuer Leistungsgrenzwerte G multipliziert und das Flächenintegral in dem zu betrachtenden Zeitfenster Δti ermittelt. Dieses Flächenintegral entspricht dem Grenz-Kontrollwert GK.
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Anders als bei der Ermittlung der Messwerte M erfolgt die Ermittlung der Leistungs-Grenzwerte G durch die Prozessoreinrichtung 9 nicht in einem festen Zeitraster, sondern immer nur dann, wenn sich der Leistungs-Grenzwert G, beispielsweise aufgrund stärkerer Temperaturveränderungen, geändert hat. Da jedoch insgesamt im Zeitfenster Δti nur die Integration der Messwerte und die Integration der Leistungs-Grenzwerte verglichen werden, spielt das verwendete Zeitraster – bzw., ob es sich um regelmäßige oder unregelmäßige Ermittlung von neuen Messwerten bzw. Leistungs-Grenzwerten handelt – keinerlei Rolle.
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In der Prozessoreinrichtung 9 wird dann nur noch der durch die Integration der Leistungsgrenzwerte ermittelte Grenz-Kontrollwert GK mit dem durch die Integration der Messwerte ermittelten Kontrollwert PK verglichen. Wenn der Kontrollwert PK den Grenz-Kontrollwert GK überschreitet, wird ein entsprechendes Kontrollsignal KS von der Prozessoreinrichtung 9 am Ausgang 11 der Hochfrequenz-Kontrolleinrichtung 2 ausgegeben und damit der Leistungsverstärker 3 vorübergehend abgeschaltet.
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Es ist klar, dass ein Patient über einen längeren Zeitraum im Mittel eine andere Leistung verträgt als über einen kürzeren Zeitraum. So muss beispielsweise dafür gesorgt werden, dass nicht die gesamte innerhalb eines längeren betrachteten Zeitfensters, welches beispielsweise eine ganze Messung von mehreren Minuten umfassen kann, erlaubte Maximalleistung innerhalb eines kürzeren Zeitfensters abgestrahlt wird. Daher wird bevorzugt parallel eine Kurzzeit- und eine Langzeitüberwachung durchgeführt.
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Dieses Prinzip ist in 3 dargestellt. Überwacht werden hier ein längeres Zeitfenster Δt2 von beispielsweise 6 Minuten und ein kürzeres Zeitfenster Δt1 von beispielsweise 10 Sekunden. Beide Zeitfenster Δt1, Δt2 gleiten dabei im Zeitbereich, d. h. mit der Zeit t, über die Messwerte M.
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Vom Grundsatz her funktioniert dieses Verfahren genau wie das zuvor anhand von 2 beschriebene einfache Verfahren. Im Unterschied zu diesem einfachen Verfahren wird jedoch innerhalb des betrachteten Zeitfensters nicht nur ein Leistungs-Grenzwert G regelmäßig ermittelt und beobachtet. Stattdessen werden parallel zwei Leistungs-Grenzwerte G1, G2 ermittelt, wobei der erste Leistungs-Grenzwert G1 für die Kurzzeitbeobachtung und der zweite Leistungs-Grenzwert G2 für die Langzeitbeobachtung gilt. Der Kurzzeit-Leistungs-Grenzwert G1 kann dabei das ca. Dreifache des Langzeit-Leistungs-Grenzwerts G2 betragen.
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Wie in 3 dargestellt, muss die Prozessoreinrichtung 9 nun für das längere Zeitfenster Δt2 von beispielsweise 360 s anhand der in diesem Zeitfenster Δt2 ermittelten Leistungs-Grenzwerte G2 mit Hilfe des bereits beschriebenen Integrationsverfahrens einen Langzeit-Grenz-Kontrollwert GK2 ermitteln. Außerdem muss es für das kürzere Zeitfenster Δt1 von beispielsweise 10 s anhand der gültigen Kurzzeit-Leistungs-Grenzwerte G1 in analoger Weise einen Kurzzeit-Grenz-Kontrollwert GK1 ermitteln. Parallel dazu werden wie bei dem einfachen Verfahren jeweils die Messwerte M innerhalb des gesamten längeren Zeitfensters Δt2 aufintegriert und somit ein Langzeit-Kontrollwert PK2 ermittelt. Außerdem werden die Messwerte M über das zurückliegende kürzere Zeitfenster Δt1 aufintegriert, um so den Kurzzeit-Kontrollwert PK1 zu ermitteln.
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Ein Kontrollsignal KS wird dann ausgegeben, wenn entweder der Langzeit-Kontrollwert PK2 den Langzeit-Grenz-Kontrollwert GK2 überschreitet oder wenn der Kurzzeit-Kontrollwert PK1 den Kurzzeit-Grenz-Kontrollwert GK1 überschreitet. Auf diese Weise wird dafür gesorgt, dass nicht die gesamte zulässige Dosis innerhalb einer kurzen Zeit abgegeben wird, d. h. dass die Leistung kurzzeitig zu hoch wird und zu einer Gefahr für den Patienten werden kann.
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Um auszuschließen, dass der Patient durch ultrakurze Spitzenwerte gefährdet werden kann, die ja grundsätzlich höher sein können als der zu einem ganz bestimmten, kurzen Zeitpunkt festgelegte Grenzwert, ist außerdem der Leistungsverstärker 3 so konstruiert, dass selbst ultrakurze Einzelpulse nie so hoch sein können, dass der Patient geschädigt wird. Dennoch ist es möglich, mehr als zwei Zeitfenster – beispielsweise zusätzlich zu den genannten Fenstern ein besonders kurzes Zeitfenster von 1 s – parallel zu überwachen.
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Es wird abschließend noch 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. Insbesondere kann auch die Erfassung der Leistungsmesswerte auf andere Weise als in der dargestellten Form erfolgen. Weiterhin kann auch die Ermittlung der Leistungs-Grenzwerte nicht nur in Abhängigkeit von Umgebungsparametern, sondern auch von oder sonstigen Parametern erfolgen. 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.