DE19818292A1 - Verfahren zur Steuerung der Pulssequenz für eine Kernspintomographieanlage und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Verfahren zur Steuerung der Pulssequenz für eine Kernspinto­ mographieanlage und Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens.

Zum Meßablauf bei einer Kernspintomographieanlage sind im we­ sentlichen der Zeitverlauf von Gradientenströmen, Hochfre­ quenz-Sendepulse und Samplingperioden für das gewonnene MR- Signal zu steuern. Die entsprechenden Steuerdatensätze werden bei den heute üblichen Steuerungen im wesentlichen vor dem Sequenzstart vorberechnet. Dabei greift man auf abgespeicher­ te Zeitverläufe, z. B. für die Anstiegs- und Abfallflanken, von Gradientenströmen zurück. Während des Sequenzablaufs wird dann der Meßvorgang in Form einer Liste "abgespielt". Eine derartige Steuerung ist z. B. aus der US-Patentschrift 5,349,296 bekannt.

Da der gesamte Sequenzablauf bei Sequenzstart bereits festge­ legt ist, kann man nach dem Sequenzstart nur noch schwer und sehr eingeschränkt auf den weiteren Sequenzablauf Einfluß nehmen. Im wesentlichen ist nur ein eingeplantes Anhalten und Warten auf ein externes Triggersignal möglich. Es muß ein großes Datenvolumen abgespeichert werden. Um dieses Datenvo­ lumen einigermaßen in Grenzen zu halten, werden typischerwei­ se Teile der Sequenztopologie in Form einer Schleifenstruktur abgebildet. Im Datensatz sind also z. B. Schleifenanweisungen enthalten. Damit wird die Beschreibungs- "Sprache" für den Da­ tensatz komplex und unflexibel.

Aus der US-Patentschrift 5,144,242 ist eine Steuereinrichtung für MR-Geräte bekannt, bei der ein Speicher für Steuerbefehle kontinuierlich aus einem Massenspeicher nachgeladen wird, während die Sequenz abgearbeitet wird. Damit wird der Spei­ cher für Steuerbefehle entlastet. Eine ähnliche Steuerein­ richtung ist auch aus der US-Patentschrift 5,606,258 bekannt.

In der US-Patentschrift 5,512,825 ist ein Verfahren beschrie­ ben, zur Minimierung von Totzeiten für die Gradienten An­ fangs- und Endwerte sowie ein Moment für den Gradientenver­ lauf anzugeben.

Bei der Definition von Gradienten ist zu unterscheiden zwi­ schen den sogenannten "logischen" Gradienten und den "physi­ kalischen" Gradienten. Diese Unterscheidung wird dadurch not­ wendig, daß mit Kernspintomographiegeräten beliebig schräge Schichten abgebildet werden können. Diese schrägen Schichten werden durch Vorgabe von logischen Gradienten definiert, die in einem kartesischen Koordinatensystem entsprechend schräg liegen. Jede Gradientenspule kann natürlich nur einen Gra­ dienten in einer festgelegten Richtung, nämlich nur in einer Achse eines physikalischen kartesischen Koordinatensystems liefern. Diese Gradienten werden als physikalische Gradienten bezeichnet. Die schrägen logischen Gradienten werden daher durch Überlagerung von physikalischen Gradienten erzeugt, ma­ thematisch gesehen durch eine Vektoraddition. Damit entsteht jedoch folgendes Problem: Bei herkömmlichen Anlagen werden die logischen Gradienten typischerweise in Form von Trapez- Pulsen definiert. Bei einer Überlagerung mehrerer logischer Gradienten sind die physikalischen Gradienten dann typischer­ weise nicht mehr trapezförmig, sondern weisen einen komplexen Strom-Zeit-Verlauf auf, der vom Gradientenverstärker be­ herrscht werden muß. Der maximale Anstieg der Gradientenflan­ ken der physikalischen ist bei jedem Gradientensystem durch die sogenannte Slewrate begrenzt. Ferner ist natürlich auch die Gradienten-Amplitude begrenzt. Bei der Definition der lo­ gischen Gradienten wird nicht vorherbestimmt, welche An­ stiegszeiten und welche Amplituden sich bei den physikali­ schen Gradienten ergeben, da diese erst bei Sequenzablauf aus den logischen Gradienten berechnet werden. Andererseits muß aber bei der Definition von vorbereiteten Datensätzen für die logischen Gradienten die Begrenzung der Anstiegszeit und der Amplituden der physikalischen Gradienten berücksichtigt wer­ den. Es muß z. B. immer vom ungünstigsten Fall ausgegangen werden, daß alle Gradientenanstiege auf einen physikalischen Gradienten treffen. Damit ist nur eine schlechte Ausnutzung der Gradienten-Hardware möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung ei­ ner Pulssequenz bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, daß die obengenannten Nachteile vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Hierbei wird aus Sequenzdaten, die im k-Raum vorgegeben sind, während der Laufzeit der Pulssequenz ein Steuerdatensatz für Gradientenverstärker und einen Hochfrequenz-Sende- und Emp­ fangskanal berechnet. Damit ist ein Eingriff in die laufende Sequenz, also eine Änderung der Sequenzparameter möglich. Durch eine geringe Latenzzeit von maximal einer Zeitscheibe ergibt sich ein geringer Speicherplatzbedarf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen angegeben. Ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 11 näher er­ läutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Kernspintomographiege­ räts,

Fig. 2 etwas detaillierter den Aufbau der Anlagensteuerung,

Fig. 3 einen Teil einer typischen Pulssequenz,

Fig. 4 die Belegung einer Rohdatenmatrix im k-Raum

Fig. 5 ein Flußdiagramm einer herkömmlichen Steuerung,

Fig. 6 die herkömmliche Einteilung einer Pulssequenz in einzelne Zeitscheiben,

Fig. 7 die herkömmliche Definition einer Gradientenan­ stiegsflanke,

Fig. 8 das generelle Konzept der erfindungsgemäßen Steue­ rung,

Fig. 9 die Aufteilung der Sequenzsteuerung,

Fig. 10 ein Flußdiagramm einer Ausführungsbeispiels der neu­ en Steuerung,

Fig. 11 ein Gradientendiagramm.

In Fig. 1 ist stark schematisiert der übliche Aufbau eines Kernspintomographiegeräts dargestellt. Dieses besteht aus ei­ nem ein homogenes Grundfeld erzeugenden Magnetsystem 1 bis 4, das von einer Stromversorgung 11 gespeist wird. Im Magnetsy­ stem sind Gradientenspulensysteme 7, 8 vorgesehen, die von einem Gradientenverstärker 12 angesteuert werden. Die Gra­ dientenspulensysteme sind zur Erzeugung von Magnetfeldgra­ dienten in drei Raumrichtungen x, y, z eines Koordinatensy­ stems 6 ausgeführt. Das Untersuchungsobjekt 5 ist von einer Hochfrequenzantenne 9 umgeben, die mit einer Hochfrequenz- Sendeeinheit 14 sowie mit einer Hochfrequenz-Empfangseinheit 15 verbunden ist. Die Hochfrequenz-Sendeeinheit 14 und die Hochfrequenz-Empfangseinheit 15 sind Bestandteil eines Hoch­ frequenzsystems 16, in dem unter anderem die empfangenen Si­ gnale abgetastet und phasenempfindlich demoduliert werden. Aus den demodulierten Signalen wird mit einem Bildrekonstruk­ tionsrechner 17 ein Bild erstellt, an einen Hostrechner 20 weitergegeben und auf einem Monitor 18 abgebildet. Die gesam­ te Einheit wird von einem Steuerrechner 20 angesteuert. Die Hardware-Steuerung übernimmt ein Steuerungsrechner 21, der an den Hostrechner 20 angeschlossen ist. Die gesamte Anlagen­ steuerung ist in Fig. 2 noch etwas genauer dargestellt. Der Steuerungsrechner 21 enthält eine Standard-CPU, auf der die eigentliche Meßsequenz abläuft. An diese CPU sind mindestens eine Hochfrequenz-Sendeeinheit 14, mindestens eine Hochfre­ quenz-Empfangseinheit 15 und drei digitale Signalprozessoren (DSP) 22, 23 und 24 gekoppelt. Die Gradienten-DSPs können via Interrupts Daten von der Steuerungs-CPU anfordern, sobald ihr lokaler Puffer leergelaufen ist. Weiter besteht eine digitale Verbindung zum Bildrekonstruktionsrechner 17, um die Datener­ fassung mit der Bildrekonstruktion zu synchronisieren. Ein Bus zum Hostrechner 20 erhält eine Echtzeit-Verbindung zwi­ schen dem Host und der Steuerungs-CPU aufrecht, um dem Benut­ zer die Möglichkeit zu geben, auch während der Messung auf den Meßablauf einzuwirken.

Ein Beispiel für eine Pulssequenz ist in Fig. 3 dargestellt. Jede Pulssequenz läßt sich einteilen in eine Sendephase, in der - unter Umständen unter gleichzeitiger Einwirkung eines definierten Gradienten (Gs in Fig. 3) - ein Hochfrequenzpuls eingestrahlt wird. Schließlich gibt es den "WARP"-Zustand, in dem z. B. durch ein definiertes Gradientenzeitintegral eine Phasencodierung der Kernspins erfolgt oder auch eine speziel­ le Flußcodierung, eine bestimmte Diffusionscodierung usw. . Der WARP-Zustand dient ferner dazu, die Kontinuität und Ste­ tigkeit der Gradientenströme zwischen den angrenzenden Zeit­ scheiben herzustellen. Während des WARP-Zustands sei keine Hochfrequenzaktivität erlaubt.

Weiter gibt es den Empfangszustand (in Fig. 3 mit ADC be­ zeichnet), in dem mit einem Analog/Digital-Konverter das ent­ stehende Signal abgetastet wird. Dabei ist die Möglichkeit eines gleichzeitig definierten Feldgradienten (GR in Fig. 3) vorgesehen.

Schließlich gibt es Wartezustände, in denen keine Gradienten­ felder aktiv sind und weder gesendet noch empfangen wird. Diese können als Sonderfall des WARP-Zustands gesehen werden.

Die Pulssequenz nach Fig. 3 wird N mal mit unterschiedlichen Amplituden-Zeitintegralen des Phasencodiergradienten GP wie­ derholt, so daß man N unterschiedlich phasencodierte Signale S erhält. Jedes Signal wird m mal abgetastet und die einzel­ nen Meßwerte in eine Zeile einer in Fig. 4 schematisch dar­ gestellten Rohdatenmatrix RD eingetragen. Diese Rohdatenma­ trix kann man als Meßdatenraum betrachten, der im allgemeinen als k-Raum bezeichnet wird. Für den k-Raum gilt folgende De­ finition:

Dabei ist γ die Larmorkonstante und G_x, G_y, G_z ein Magnetfeld­ gradient in der Richtung x, y bzw. z eines kartesischen Koor­ dinatensystems. Auf die Pulssequenz nach Fig. 3 übertragen, könnte z. B. der Schichtselektionsgradient GS in z-Richtung, der Phasencodiergradient GP in y-Richtung und der Auslesegra­ dient GR in x-Richtung liegen, so daß für diesen Fall also gilt:

G_z = GS, G_y = GP, G_x = GR.

Aus einem Rohdatensatz im k-Raum, also der Rohdatenmatrix RD nach Fig. 4, kann man nun ein Bild rekonstruieren, da zwi­ schen dem Ortsraum (also dem Bild) und dem k-Raum mathema­ tisch der Zusammenhang über folgende mehrdimensionale Fou­ rier-Transformation besteht:

Dabei ist ρ(x,y,z) die Spindichteverteilung und S das erhal­ tene Signal. Da die Meßwerte als diskrete numerische Werte vorliegen, wird die Fourier-Transformation als diskrete Fou­ rier-Transformation mittels FFT (Fast Fourier Transform)- Verfahren durchgeführt.

Wie bereits oben erwähnt, belegt jedes Signal S eine Zeile der Rohdatenmatrix. Die Zeilenposition ist dabei entsprechend den obigen Ausführungen durch den Wert k_y, also durch das Zeitintegral über den vorausgehenden Phasencodiergradienten GP festgelegt.

Aufgabe der Pulssequenzsteuerung ist es nun, Hochfrequenzsen­ der, Empfangskanal und Gradientenverstärker so zu steuern, daß genau die gewünschte Pulssequenz erzielt wird. Dabei gibt es eine Reihe von unterschiedlichen Sequenztypen, die man auch als Sequenztopologie bezeichnen kann. In einer groben Einteilung sind dies z. B. Gradientenechosequenzen und Spi­ nechosequenzen. Diese Gruppen von Pulssequenzen lassen sich wiederum feiner unterteilen, z. B. in FLASH-Sequenzen, FISP- Sequenzen, Turbospinechosequenzen und EPI-Sequenzen, um nur einige Beispiele zu nennen. Um die Bedienung so einfach wie möglich zu machen, stellt man in einem Menü verschiedene ana­ tomische Bereiche (z. B. lumbale Wirbelsäule) mit jeweils op­ timierten Pulssequenzen zur Verfügung. Der Benutzer soll je­ doch andererseits die Möglichkeit haben, die Pulssequenzen auf seine speziellen Bedürfnisse zuzuschneiden.

Ein Flußdiagramm für den Ablauf einer herkömmlichen Sequenz­ steuerung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Benutzer kann zu­ nächst ein Meßprotokoll (z. B. lumbale Wirbelsäule) aus einem Menü auswählen. Ein HOST-Computer selektiert daraufhin einen Standard für eine Pulssequenz, die für diesen anatomischen Bereich in der Regel die optimalen Ergebnisse liefert, und zeigt diese an. Der Benutzer hat aber noch die Möglichkeit, diese Pulssequenz nach seinen eigenen Bedürfnissen zu modifi­ zieren. Zu jeder Pulssequenz gehören noch verschiedene Para­ meter, z. B. die Repetitionszeit, die Echozeit, das Field of View, die Schichtdicke, die Matrixgröße und der Flipwinkel. Der HOST-Computer wählt aufgrund der Anatomie-Selektion auch für diese Parameter einen Standard aus und zeigt diesen an. Der Benutzer hat auch hier die Möglichkeit, selektierte Para­ meter zu modifizieren und nicht standardmäßig vorgegebene Pa­ rameter, z. B. den Schichtwinkel, zu selektieren.

Aufgrund des ausgewählten Meßprotokolls sowie aufgrund der vom Benutzer eingestellten Parameter und Sequenz-Modifika­ tionen wird nun aus einer "Bibliothek" eine Sequenzdatei ge­ laden und Berechnungen in bezug auf Sequenzparameter (z. B. Schichtdicke) werden durchgeführt. Das Sequenzprogramm setzt die Meßparameter in eine Folge von "logischen" Gradientenpul­ sen um. Aus der Überlagerung dieser Pulse entstehen drei lo­ gische Gradientenstrom-Zeitfunktionen im logischen Koordina­ tensystem PRS (Phasencodier-, Readout- und Schichtrichtung) Diese werden dann zeitäquidistant diskretisiert in einem Gra­ dientenverlaufsspeicher zusammengestellt. Um Schichten reali­ sieren zu können, die in einem vom Gradientenspulensystem vorgegebenen physikalischen bzw. kartesischen Koordinatensy­ stem (x,y,z) schräg liegen, werden die im logischen Koordina­ tensystem gegebenen Stromsollwerte punktweise in das physika­ lische Koordinatensystem abgebildet. Hierzu kann man z. B. ei­ ne Matrix-Vektor-Multipliziereinheit einsetzen, wie sie im US-Patent 5,349,296 beschrieben ist.

Aufgrund dieser Berechnungen hält man einen Datenstrom von Stromsollwerten, die punktweise an Digital-Analog-Konverter zur Ansteuerung der Gradientenverstärker weitergegeben wer­ den.

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird für die Ansteuerung die gesamte Pulssequenz in einzelne Zeitscheiben zerlegt, in denen je­ weils eine Aktion ausgelöst wird. Diese Aktion kann z. B. ein Konstanthalten aller Gradienten, eine Anstiegsflanke eines bestimmten Gradienten und eine Abfallflanke eines bestimmten Gradienten sein. Die Gradientenflanken selbst werden defi­ niert durch einen Startwert und eine Änderung Δ innerhalb der Zeitscheibe. Der Verlauf der Gradientenflanke ist in einer Tabelle abgelegt, auf die die Pulssequenzsteuerung zugreift. Diese Tabelle kann - wie in Fig. 6 dargestellt - eine linea­ re Gradientenanstiegsflanke definieren. Es können aber auch noch andere Tabellen für Gradientenflanken, z. B. eine sinus­ förmige Flanke, vorliegen.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist dieses Verfahren, bei dem der Verlauf der Gradienten, Hochfrequenzaktivitäten und der Empfangsaktivitäten im wesentlichen vor dem Start der Messung berechnet werden, wenig flexibel, da es keine Änderung der Parameter in der laufenden Sequenz ermöglicht. Ferner weist es, da alle vorberechneten Werte abgespeichert werden müssen, einen hohen Speicherplatzbedarf auf. Schließlich wird aus den eingangs erläuterten Gründen die mögliche Performance der Gradientenverstärker wegen der notwendigen Worst-Case-Dimen­ sionierung nicht optimal ausgenutzt. Die punktweise Abbildung vom logischen in das physikalische Koordinatensystem ist äu­ ßerst rechenintensiv.

Gemäß der Erfindung geschieht die Rotation der logischen in die physikalisch realisierten Gradienten-Zeitfunktionen durch Abbildung der Gradienten-Zeit-Integrale (GT-Momente) vom lo­ gischen in das physikalische Koordinatensystem vor dem Ent­ wurf der Gradientenstrom-Zeitfunktionen. Die Gradientenstrom- Zeitfunktionen werden danach zeitscheibenweise in Echtzeit aus den Amplituden der angrenzenden Zeitscheiben und den zu realisierenden Gradienten-Zeit-Integralen für jede physikali­ sche Gradientenachse berechnet und in Form von Gradienten­ amplituden-Zeitpunkt-Tupeln an die digitalen Signalprozesso­ ren für die Gradienten übergeben. Dadurch wird die rechenin­ tensive und zeitkritische Abbildung der Stützstellen- Datenströme vermieden. Die Drehung der Gradientenzeit- Integrale vom logischen in das physikalische Koordinatensy­ stem sowie die Berechnung der Gradientenamplituden- Zeitfunktion geschieht in der Steuerungs-CPU 21 nach Fig. 2.

Im Verlauf einer Messung erhält jeder der drei digitalen Si­ gnalprozessoren 22 bis 24 nach Fig. 2 von der Steuerungs-CPU 21 eine Kette von Gradientenamplituden-Zeitpunkt-Tupeln, die Eckpunkte im Gradienten-Zeitverlauf darstellen. Die digitalen Signalprozessoren 22 bis 24 interpolieren in Echtzeit aufein­ anderfolgende Tupel zu Gradientensollwerten auf einem diskre­ ten Gradientenabtastraster. Erreicht dabei die Systemuhr die Sollzeit des Zieltupels, so wird dieses verworfen und durch das nächste Tupel ersetzt, bis auch dessen Sollzeit erreicht ist usw. . Die jeweiligen Zielzeiten müssen nicht auf dem Ab­ tastraster liegen, so daß es möglich ist, die Gradientenram­ pen mit einer wesentlich feineren als der durch das Abtastra­ ster vorgegebenen zeitlichen Auflösung zu verschieben. Damit kann das realisierte Gradientenzeitintegral auch bei grober Diskretisierung der Gradientenamplitude präzise kontrolliert werden.

Neben dieser Interpolation errechnen die digitalen Signalpro­ zessoren 22 bis 24 eine Vorverzerrung der Gradientenströme zur Kompensation der gradienteninduzierten Wirbelströme und Frequenzoffset-Werte zur Kompensation gradienteninduzierter Verschiebungen des Grundmagnetfeldes mittels Verstimmung ei­ nes Hochfrequenzsynthesizers, der das Hochfrequenzsystem steu­ ert.

Das generelle Konzept eines solchen Vorgehens ist in Fig. 8 dargestellt. MR-Sequenzen lassen sich in mehrere Hierarchie­ stufen aufgliedern:

• - Die äußere Schicht repräsentiert die Sequenztopologie, z. B. FLASH, Spinecho, Turbospinecho usw.
• - Die darunterliegende Schicht (grobe k-Raum-Struktur) reprä­ sentiert z. B. die Segmentierungsart des k-Raums. Beispiels­ weise gibt es Sequenzen, bei denen der k-Raum nicht in zeitlich linearer Reihenfolge belegt wird oder in denen nur der halbe k-Raum erfaßt wird.
• - Die innere Schicht (feine k-Raum-Struktur) entspricht de­ taillierten Problemen, wie der Verteilung eines Phasenco­ diergradienten auf mehrere Zeitscheiben, z. B. vor und hin­ ter einem 180°-Puls bei Spinechosequenzen.
• - Die innerste Schicht (Einzelpuls-Gradientensynthese) reprä­ sentiert z. B. die Synthese der Gradientenform zwischen zwei Hochfrequenzaktivitäten.

Nur die innerste Schicht ist hardwarenah, d. h., sie benötigt eine detaillierte Kenntnis der Geräteparameter. Alle äußeren Schichten beeinflussen direkt das Kontrastverhalten und re­ präsentieren nicht maschinenspezifische Kenntnisse, bei­ spielsweise Relaxationszeiten und Entscheidungen betreffend die Sequenztopologie.

Die innerste Schicht (und nur diese) stellt eine Abstrakti­ onshülle um die Scanner-Hardware dar und bietet sich daher für eine Automatisierung an. Dementsprechend wird bei der Se­ quenzsteuerung wie folgt vorgegangen:

Die Berechnung des Steuerdatensatzes wird während der Lauf­ zeit der Sequenz vorgenommen. Dadurch kann der Sequenzablauf mit minimaler zeitlicher Latenz nicht deterministisch gesteu­ ert werden. Außerdem entfällt der Speicherplatzbedarf für den Steuerdatensatz, da nur der gerade benötigte Teil "on demand" berechnet wird.

Die Berechnung des Steuerdatensatzes wird in zwei Teile ge­ teilt, nämlich die oben erläuterte innerste Schicht und den Rest. Der der innersten Schicht entsprechende Teil wird vom Betriebssystem der Steuerung geleistet, die anderen Hierar­ chiestufen entsprechen dagegen dem eigentlichen Sequenzpro­ gramm.

Dieses Vorgehen ist schematisch anhand eines Blockschaltbilds nach Fig. 9 dargestellt. Es wird zunächst vom Bediener eine Sequenztopologie ausgewählt und dazugehörige Parameter, wie z. B. Repetitionszeit TR, Echozeit TE, Betrachtungsfenster FOV, Schichtdicke, Matrixgröße, Flipwinkel und Schichtwinkel. Anschließend wird das Sequenzprogramm erstellt. Dieses gibt Spezifikationen in Form von k-Raumvektoren, von Zeitangaben und vom Sende- bzw. Empfangszustand, an die sogenannte k- Raummaschine weiter, die aus diesen Größen während des Se­ quenzablaufs Steuersignale an Gradientenverstärker und Hoch­ frequenzsende- und Empfangseinheit liefert. Der Begriff "k- Raum-Maschine" wurde deshalb gewählt, weil hier nicht wie üb­ lich Gradientenamplituden, sondern direkt k-Raumwerte überge­ ben werden, was die Programmierung wesentlich vereinfacht. In einem Zustandsmodell kann man die Zustände der Steuerung wie folgt beschreiben:

Bei der Kernspintomographie hat man zwei Mittel zur Verfü­ gung, um das Kernspinkollektiv zu beeinflussen: Hochfrequenz­ pulse und Gradientenfelder. Die Steuerung dieser Mittel er­ fordert im Prinzip vier Zustände:

• - Wartezustand
• - Hochfrequenz-Sendeaktivität
• - Empfangsaktivität
• - Warp-Zustand.

Das die Anlagensteuerung treibende Sequenzprogramm liefert während des Ablaufs der Messung eine Folge von Spezifikatio­ nen von Zeitscheiben, die jeweils einem der drei Zustände an­ gehören. Die Anlagensteuerung berechnet aus diesen Angaben die in der nächsten Zeitscheibe zu realisierende Gradienten­ stromform und gegebenenfalls Hochfrequenz-Aktivität. Dadurch ergibt sich eine Latenz von maximal einer Zeitscheibe. Die Spezifikation der Zeitscheiben erfolgt abstrakt, z. B. durch direkte Angabe von k-Raumpositionen. Auf diese einzelnen Zu­ stände wurde oben bereits eingegangen. Besonderer Erläuterung bedarf noch der Warp-Zustand:

Die optimale Gradientenstromform während des Warp-Zustands kann z. B. vom Steuerungsrechner aus der vom Sequenzprogramm gelieferten Angabe der zurückzulegenden k-Raum-Distanz voll­ automatisch berechnet werden. Die vom Sequenzprogramm defi­ nierten k-Raum-Vektoren repräsentieren auch die (u. U. schrä­ gen) Schichtpositionen. Es wird zunächst eine Vektorrotation in das physikalische Koordinatensystem angewandt und erst dann die optimale Gradientenstromform berechnet. Damit ver­ meidet man das eingangs geschilderte Problem herkömmlicher Anlagen, daß bei der Umsetzung vordefinierter logischer Gra­ dienten in physikalische Gradienten komplexe Stromzeit-Ver­ läufe entstehen, die vom Gradientenverstärker nur schwer zu beherrschen sind. Außerdem kann das Gradientensystem auch bei schrägen Schichten besser ausgenutzt werden, da man nicht - wie bei herkömmlichen Anlagen - bei der Sequenzdefinition vom worst case bezüglich der Slewrate und der Amplitude ausgehen muß. Schließlich wird bei diesem Vorgehen die Programmierung der Sequenz erheblich vereinfacht. Sowohl die obengenannte Vektorrotation als auch die Berechnung der optimalen Gradien­ tenstromform erfolgt während des Sequenzablaufs.

In Fig. 10 ist ein Blockdiagramm für den Zeitablauf der Steuerung vorgesehen. Wie beim herkömmlichen Verfahren nach Fig. 5 wählt der Benutzer zunächst ein Meßprotokoll aus und der HOST-Computer selektiert dann verschiedene Standardwerte, die der Benutzer modifizieren kann. An diesem Punkt startet dann die Messung, wobei während des Sequenzablaufs der Steu­ ercomputer aufgrund der Vorgaben Sollwerte für Hochfrequenz- Sendeeinheit und Gradientenverstärker berechnet und den ADAC- Wandler steuert.

Anhand von Fig. 11 wird im folgenden die Berechnung eines optimalen trapezförmigen Dephasier-Gradientenpulszuges mit einem bestimmten Strom-Zeit-Integral dargestellt.

Bei konstanter Slewrate und minimaler Anzahl Gradienten­ rampen ergibt sich für einen Dephasierpuls nullter Ordnung bei einem Anfangsgradient G und einem Endgradient G₂ bei ei­ ner Gesamtzeit T und einem Gradienten-Zeitintegral (k-Raum- Distanz

der unbekannte Zwischengradient G₁.

Falls damit G₁ < max(G₀, G₂), ist G₁ tatsächlich

G₁ = max(G₀,G₂) + r (3).

Entsprechend für G₁ < min(G₀, G₂),

G₁ = min (G₀,G₂) - r (4)

mit dem Hilfsausdruck

Falls das Wurzelargument negativ ist oder G₁ das Amplituden­ limit überschreitet, ist der gesamte Gradientenpulszug inner­ halb der Spezifikationen nicht zu realisieren.

Die Rampenzeiten t₀₁ und t₁ und die Dachzeit t₁ ergeben sich aus

t₁ = T - t₀₁ - t₁₂ (8)

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der Pulssequenz für eine MR-Anlage, dadurch gekennzeichnet, daß ein Se­ quenzprogramm in Form einer k-Raum-Struktur vorgegeben wird und daß ein Steuerdatensatz im physikalischen Bereich für Gra­ dienten, Hochfrequenzpulse und Abtastung von Kernresonanzsi­ gnalen während der Laufzeit der Pulssequenz berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein die Steuerung treibendes Sequenzprogramm während der Laufzeit der Pulssequenz eine Folge von Spezifikationen von Zeitscheiben liefert, die je­ weils einem der drei Zustände

• - Wartezustand
• - Hf-Aktivität (Senden oder Empfangen), ggf. gleichzeitig mit einem definierten Gradienten
• - Warp-Zustand
  angehören und daß aus diesen Angaben während der Laufzeit der Sequenz die in der nächsten Zeitscheibe zu realisierende Gra­ dientenstromform und ggf. Hf-Aktivität ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Gradienten-Zeit- Integrale aus einem logischen in ein physikalisches Koordina­ tensystem transformiert werden und wobei dann Gradienten­ strom-Zeitfunktionen gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei Gradienten-Zeitfunktionen zeitscheibenweise in Echtzeit aus den Gradientenamplituden angrenzender Zeitscheiben und den in der betreffenden Zeit­ scheibe zu realisierenden Gradienten-Zeit-Integral berechnet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei Gradientenstromsollwerte durch eine Folge von Gradientenamplituden-Zeitpunkt-Tupeln vorgegeben werden, die Eckpunkte im Gradienten-Zeitverlauf darstellen, wobei in Echtzeit aufeinander folgende Tupel zu Gradientenstromsollwerten auf einem diskreten Gradienten- Abtastraster interpoliert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei ein Zieltupel der Inter­ polation verworfen und durch das nächste Tupel ersetzt wird, sobald eine Systemuhr der Steuerung die Sollzeit des Zieltu­ pels erreicht hat.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spezi­ fikation des Warp-Zustands für die Steuerung durch Vorgabe von k-Raumvektoren erfolgt.

8. Steuerung für eine MR-Anlage mit einem Steuerrechner, der aus einem in Form einer k-Raumstruktur vorgegebenen Pulsse­ quenzprogramm während der Laufzeit der Pulssequenz einen Steuerdatensatz für Gradientenverstärker und einen Hochfre­ quenz-Sende- und Empfangskanal berechnet.