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Dokumentenidentifikation DE102006027417A1 20.12.2007
Titel Sensorvorrichtung zum Betrieb in einem zeitveränderlichen Magnetfeld und Verfahren
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Ladebeck, Ralf, 91052 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 13.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006027417
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse A61B 5/055(2006.01)A, F, I, 20060613, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01R 33/28(2006.01)A, L, I, 20060613, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, insbesondere einen PET-Detektor (1) zum Betrieb im zeitveränderlichen Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen. Dieser umfasst eine Sensorschaltung (4) zum Erzeugen eines Sensorsignals (10) und zusätzlich eine Induktionsschaltung (8), in der ein Kompensationssignal (14) induziert wird. Diese Signale werden derart miteinander kombiniert, dass Störsignale im Sensorsignal kompensiert werden, welche durch das zeitveränderliche Magnetfeld in der Sensorschaltung induziert werden. Ferner ist die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Kompensation derartiger Störsignale gerichtet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zum Betrieb im zeitveränderlichen Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen, sowie ein Verfahren zur Kompensation von Störsignalen.

Die Magnetresonanztomographie (MR oder MRT) ist ein bildgebendes Verfahren zur Darstellung von Gewebe im menschlichen oder tierischen Körper. Die MRT beruht auf dem Prinzip der Kernspinresonanz, wonach Atomkerne, beispielsweise die im Körper zahlreich vorhandenen Wasserstoffkerne, ein magnetisches Moment aufweisen. Dadurch können sie in einem angelegten externen Magnetfeld mit elektromagnetischer Strahlung einer bestimmten Frequenz (Resonanzfrequenz) angeregt werden und geben diese Strahlung kurz darauf ab. Beim MRT wird diese elektromagnetische Strahlung als Signal detektiert. Die Resonanzfrequenz der Atomkerne ist direkt proportional zum angelegten äußeren Magnetfeld. Daher wird die Ortskodierung innerhalb eines Bildvolumens dadurch erreicht, dass während der Messung zusätzlich zum Grundmagnetfeld sogenannte Gradientenfelder angelegt werden; dieses sind kurzzeitig angelegte Magnetfelder mit einem möglichst linearen Gradienten in X-, Y- oder Z-Richtung. Die Gradientenfelder werden meist von bestimmten Gradientenspulen erzeugt, die innerhalb eines supraleitenden Magneten angeordnet sind, welcher das Grundmagnetfeld erzeugt.

Ein weiteres medizinisches Bildgebungsverfahren ist die Positronenemissionstomographie (PET). Die PET wird insbesondere zur Darstellung von physiologischen und biochemischen Prozessen innerhalb des Körpers verwendet. Dem Patienten wird dabei ein Tracer mit einem Radionuklid verabreicht, welches sich im Körper verteilt und dabei radioaktive Strahlung abgibt. Beim PET werden Positronenstrahler als Tracer verwendet, welche Positronen emittieren, die im Körper in zwei entgegengesetzte Gamma-Quanten zerfallen. Diese Gamma-Quanten werden mit geeigneten Detektoren gemessen, welche um den Körper herum verteilt angeordnet sind. Beispielsweise werden die Photonen von einer Matrix aus Szintillationskristallen aufgefangen, in der ein Auftreffen jedes Photons einen Lichtblitz erzeugt. Dieser wird wiederum durch Photodetektoren, z.B. von Photomultiplyer Tubes oder Avalanche Photodioden aufgefangen und verstärkt. Hinter jedem Detektor folgt eine Vorverstärkung der Signale.

In neuester Zeit besteht Interesse, MRT und PET in einem Gerät miteinander zu kombinieren. Dabei sollen die PET-Detektoren innerhalb eines MR-Magnetens angeordnet werden. Beispiele hierfür sind z.B. in dem Artikel von Markus Schwaiger et al „MR-PET: Combining Function, Anatomy, and More" Medical Solutions/Special Molecular Imaging, Siemens AG, September 2005, beschrieben.

Bei der Integration eines PET-Scanners in einem MR-Gerät wird derzeit geplant, als PET-Detektoren Halbleiterlichtsensoren zu verwenden, die gemeinsam mit einem Vorverstärker innerhalb des Magneten angeordnet sind. Das vorverstärkte Signal wird dann zur Weiterverarbeitung aus dem Magneten hinausgeführt. Dabei ergibt sich jedoch das Problem, dass die im Magneten angeordneten elektrischen Schaltungen nicht nur dem konstanten Magnetfeld, sondern auch den zeitveränderlichen magnetischen Felder, z.B. den oben beschriebenen Gradientenfeldern, ausgesetzt sind. Dadurch wird in den zum Sensor und ggf. Vorverstärker gehörenden Schaltungen eine Spannung induziert, welche Störsignale erzeugt. Insbesondere die Eingangsschaltung für den Vorverstärker ist hierbei kritisch, da alle hier aufgenommenen Störsignale mitverstärkt werden.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, welche zum Betrieb im zeitveränderlichen Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen geeignet ist; sowie ein entsprechendes Verfahren zur Kompensation von dadurch erzeugten Störsignalen bereitzustellen.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung enthält eine elektrische Sensorschaltung zum Erzeugen eines Sensorsignals und zusätzlich mindestens eine Induktionsschaltung, in der beim Betrieb des Magnetresonanztomographen durch das zeitveränderliche Magnetfeld eine Spannung induziert wird, welche im folgenden mit „Kompensationssignal" bezeichnet wird. Ferner ist eine Schaltungsanordnung vorgesehen, mit welcher das Kompensationssignal mit dem Sensorsignal zur Bildung eines Ausgangssignals kombiniert werden kann, um Störsignale zu kompensieren, welche durch das zeitveränderliche Magnetfeld in der Sensorschaltung induziert werden. Es wird also vorgeschlagen, die in der Sensorschaltung, also der Nutzschaltung, induzierten Spannungen in einer weiteren Induktionsschaltung nachzubilden, um die von dieser Schaltung aufgefangenen Signale dann vom Nutzsignal zu subtrahieren oder auf andere geeignete Weise das durch die Gradientenfelder induzierte Störsignal zu minimieren. Vorzugsweise sollte diese zusätzlichen Induktionsschaltung beim Schalten der Gradientenfelder die gleiche Flussdichte umschließen wie die Nutzschaltung bzw. die Sensorschaltung.

Besonders bevorzugt ist eine derartige Sensorvorrichtung ein Teil eines PET-Detektors. Besonders bevorzugt enthält die Sensorvorrichtung auch zumindest einen Vorverstärker zum Verstärken des Sensorsignals und des Kompensationssignals. Der Vorverstärker kann, ebenso wie die Sensorschaltung, innerhalb des Magneten des MR-Gerätes angeordnet sein, eine Anordnung außerhalb des Magnetens ist jedoch auch denkbar.

Die Schaltungsanordnung, welche Sensorsignal und Kompensationssignal miteinander kombiniert, ist vorzugsweise eine Additionsschaltung oder Subtraktionsschaltung. Besonders bevorzugt ist die Schaltungsanordnung hinter dem Vorverstärker angeordnet. Alternativ können jedoch Sensorsignal und Kompensationssignal auch bereits vor dem Vorverstärker miteinander kombiniert werden.

Die Induktionsschaltung enthält vorzugsweise zumindest eine Leiterschleife, auch Induktionsschleife genannt.

Da das zeitveränderliche Magnetfeld Vektorcharakter hat, werden vorzugsweise drei zueinander orthogonale Induktionsschleifen innerhalb der Induktionsschaltung verwendet, die durch eine individuelle Anpassung der Position, Ausrichtung, Verstärkung und durch anschließende Addition der drei Einzelsignale an jede ungewollte Induktion in einer Sensorschaltung angepasst werden können.

Die Erfindung ist dann besonders vorteilhaft, wenn das Störungen verursachende Feld der Gradientenspulen im Bereich der Sensorschaltung homogen ist. Daher ist die Induktionsschaltung vorzugsweise in räumlicher Nähe der dazugehörigen Sensorschaltung angeordnet.

Wie für einen PET-Detektor erforderlich, sind vorzugsweise mehrere Sensorschaltungen vorhanden, wobei für jede Sensorschaltung eine Induktionsschaltung vorgesehen ist.

Alternativ kann jedoch auch eine Induktionsschaltung zur Korrektur der Signale von mehreren Sensorschaltungen verwendet werden. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn bekannt ist, dass die Gradientenfelder am Ort der Induktionsspule jeweils um einen bestimmten Faktor größer oder kleiner sind oder eine andere Richtung haben als an den Orten der Sensorschaltungen. In diesem Fall kann das Kompensationssignal jeweils mit einem geeigneten Faktor multipliziert und erst dann mit den Sensorsignalen durch Additional oder Subtraktion verrechnet werden. Auf diese Weise kann eine Grundeinstellung der Kompensation je nach Einbauort der Sensorschaltung in der Gradientenspule individuell angepasst werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des PET-Detektors ist vorgesehen, die Signale von N Photosensoren derart gewichtet zu summieren, dass nur M < N Ausgangssignale erzeugt werden. Dies wird Multiplexing genannt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, im Layout die ungewollten Induktionsspannungen so miteinander zu addieren, dass sich die Störsignale aufheben. Dadurch werden zusätzliche Induktionsschaltungen und somit Platz auf der Leiterplatte, Verstärker und Schaltungsanordnungen für die Gewichtungsschaltungen eingespart.

Werden für mehrere Sensorschaltungen mehrere Induktionsschaltungen verwendet, wird vorzugsweise die Größe und Ausrichtung der jeweiligen Induktionsschleifen der Induktionsschaltungen an den Einbauort innerhalb des Magneten angepasst. Dies ist deshalb sinnvoll, weil die Position der Sensorschaltungen relativ zu den Gradientenspulen unterschiedlich ist und daher die Felder an verschiedenen Positionen andere Richtungen und andere Größe haben. Indem auch die Induktionsschaltungen in Richtung und Größe an die Position angepasst werden, wird die Kombination der Kompensationssignale mit den Sensorsignalen vereinfacht; eine Gewichtung der Kompensationssignale mit einem bestimmten Faktor vor der Addition kann ggf. vermieden werden.

Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur Kompensation von Störsignalen gerichtet, welche durch ein zeitveränderliches Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen in einer Sensorschaltung induziert werden. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen einer Induktionsschaltung, in der beim Betrieb des Magnetresonanztomographen durch das zeitveränderliche Magnetfeld ein Kompensationssignal induziert wird; Kombinieren des Kompensationssignals mit dem Sensorsignal der Sensorschaltung, so dass die Störsignale und das Kompensationssignal sich möglichst weitgehend aufheben; und Ausgeben des kombinierten Signals als Ausgangssignal. Besonders bevorzugt erfolgt die Kombination von Sensorsignal und Kompensationssignal erst, nachdem beide Signale vorverstärkt wurden.

Das Verfahren kann entsprechend den oben in Zusammenhang mit der Sensorvorrichtung beschriebenen Merkmalen ausgestaltet sein.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

1 einen schematischen Querschnitt durch eine Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

2 ein Flussdiagramm der Signalverarbeitung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

1 zeigt eine Sensorvorrichtung 1 mit einem Photosensor 2, beispielsweise einem Halbleiterdetektor wie einer Avalanche-Photodiode, welche auf einer Leiterplatte 3 angeordnet ist. Der Photosensor 2 ist über die Leiter 5 mit einem Vorverstärker 6 verbunden, welcher ebenfalls auf der Leiterplatte 3 angeordnet ist. Dadurch ergibt sich im Bereich des Photosensors 2 eine Sensorschaltung 4. Da diese Schaltung 4 eine gewisse Fläche und somit bei Schalten der Gradienten eine gewisse magnetische Flussdichte umschließt, weist sie die rechts schraffiert gezeichnete Induktionsfläche auf. Die schraffiert gezeichnete Induktionsfläche ist die Fläche, über der ein Störsignal induziert wird. Dieses wird über die Leiter 5 an den Vorverstärker übertragen und dort verstärkt.

Zur Kompensation dieser Störsignale ist innerhalb der Leiterplatte 3 eine weitere Induktionsschleife 8 vorgesehen, welche in der Zeichnung links schraffiert dargestellt ist. Diese Leiterschleife ist, wenn in erster Nährung von einem homogenen zeitveränderlichen Magnetfeld ausgegangen werden kann, vorzugsweise etwa gleich ausgerichtet und besitzt die gleiche Fläche wie die Induktionsschleife der Sensorschaltung 4. Ist das Gradientenfeld an der Stelle der Induktionsschleife 8 bekanntermaßen stets größer oder kleiner als an der Sensorschaltung 4, kann dieses durch Anpassen der Größe und Ausrichtung der Induktionsschaltung 8 berücksichtigt werden.

2 zeigt die Signalverarbeitung: Das vom Photosensor 2 erzeugte Sensorsignal 10 wird mit dem in der Induktionsschleife 4 aufgefangene Störsignal 12 überlagert und so in einen ersten Vorverstärker 6 eingespeist. Das von der Induktionsschaltung 8 aufgefangene Kompensationssignal 14 wird in einen zweiten Vorverstärker 6' eingespeist. Die Vorverstärker 6, 6' weisen jeweils eine Bandbreite = x und einen Gain auf, der beim Vorverstärker 6 beispielsweise v beträgt. Der Gain des Vorverstärkers 6' beträgt dann -1·v/&agr;, wobei &agr; den Unterschied zwischen der in der Sensorschaltung 4 und der Induktionsschaltung 8 induzierten Spannung angibt. Das Kompensationssignal 14 unterscheidet sich also ungefähr um einen Faktor &agr; vom Störsignal 12. Der Faktor &agr; charakterisiert die unterschiedlichen Positionen und unterschiedlichen Stärken und Richtungen des Gradientenfeldes zwischen der Sensorschaltung 4 und der Induktionsschaltung 8.

Wurde der Gain der Vorverstärker 6, 6' entsprechend auf die empfangenen Signale eingestellt, brauchen diese lediglich im Summierer 16 miteinander addiert zu werden, um das Ausgangssignal 18 zu liefern. Alternativ kann der Summierer 16 auch eine kompliziertere Gewichtungsschaltung sein, die der eine beliebige Kombination der Signale der Vorverstärker 6 und 6' durchführen kann, z.B. beide Signale beliebig gewichten und addieren oder subtrahieren kann.

Werden die Sensorsignale von mehreren Photosensoren gemäß der bevorzugten Ausführungsform mittels Multiplexing kombiniert, wobei die Signale von N-Photosensoren auf eine Anzahl von M < N Ausgangsleitungen übertragen werden, so kann unter Umständen bereits dadurch eine Kompensation der Störsignale erreicht werden. In diesem Fall wäre die in Anspruch 1 definierte Induktionsschaltung lediglich eine weitere Sensorschaltung, deren Sensorsignal mit dem Signal der erstgenannten Sensorschaltung derart geschickt kombiniert wird, dass die jeweiligen Störsignale sich aufheben. Die Erfindung ermöglicht daher, störungsfreie PET-Signale zu messen, obgleich währenddessen die MR-Gradienten geschaltet werden.


Anspruch[de]
Sensorvorrichtung (1) zum Betrieb im zeitveränderlichen Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen, umfassend eine elektrische Sensorschaltung (4), welche zum Erzeugen eines Sensorsignals (10) geeignet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

zusätzlich zu der Sensorschaltung (4) mindestens eine Induktionsschaltung (8) vorgesehen ist, in der beim Betrieb des Magnetresonanztomographen durch das zeitveränderliche Magnetfeld eine Spannung, Kompensationssignal (14) genannt, induziert wird,

und eine Schaltungsanordnung (16), welche dazu geeignet ist, das Kompensationssignal (14) mit dem Sensorsignal (10) zur Bildung eines Ausgangssignals (18) zu kombinieren, um Störsignale (12) zu kompensieren, welche durch das zeitveränderliche Magnetfeld in der Sensorschaltung (4) induziert werden.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil eines PET-Detektors ist. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie ferner zumindest einen Vorverstärker (6, 6') zum Verstärken des Sensorsignals (10) und des Kompensationssignals (14) enthält. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung (16) dazu ausgelegt ist, das vorverstärkte Kompensationssignals (14) von dem vorverstärkten Sensorsignal (10) zu subtrahieren oder die beiden zu addieren. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschaltung (8) drei zueinander orthogonale Induktionsschleifen umfasst. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mehrere Sensorschaltungen (4) vorhanden sind und für jede Sensorschaltung (4) eine Induktionsschaltung (8) vorgesehen ist. Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Induktionsschaltung (8) in räumlicher Nähe der zugehörigen Sensorschaltung angeordnet ist. Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil eines PET-Detektors ist und N Photosensoren (2) umfasst, deren Signale auf eine Anzahl von M < N Ausgangsleitungen übertragen werden, wobei das Sensorsignal (10) jedes Photosensors (2) auf jede Ausgangsleitung addiert und vor der Addition mit einem vorbestimmten Faktor gewichtet wird. Sensorvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsschaltung (8) eine weitere der N Sensorschaltungen (4) ist, deren Sensorsignal mit den Sensorsignalen der anderen Sensorschaltungen addiert und vor der Addition mit einem vorbestimmten Faktor derart gewichtet wird, dass sich die Störsignale auf den Sensorsignalen so weit wie möglich aufheben. Verfahren zur Kompensation von Störsignalen (12), welche durch ein zeitveränderliches Magnetfeld eines Magnetresonanztomographen in einer Sensorschaltung (4) induziert werden, umfassend die folgenden Schritte:

– Bereitstellen einer Induktionsschaltung (8), in der beim Betrieb des Magnetresonanztomographen durch das zeitveränderlichen Magnetfeld eine Spannung, Kompensationssignal (14) genannt, induziert wird;

– Kombinieren des Kompensationssignals (14) mit dem Sensorsignal (10) der Sensorschaltung (4), so dass die Störsignale (12) und das Kompensationssignal (14) sich möglichst weitgehend aufheben; und

– Ausgeben des kombinierten Signals als Ausgangssignal (18).
Verfahren nach Anspruch 10, bei welchem die Kombination von Sensorsignal (10) und Kompensationssignal (14) erst erfolgt, nachdem beide Signale vorverstärkt wurden.






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