Reduction of the effects of magnetic field instability in magnetic resonance imaging

TEKNILLINEN KORKEAKOULU Tietotekniikan osasto

DIPLOMITYÖ

Teknillisen fysiikan laitos _24.11.1987

MAGNEETTIKENTTÄHÄIRIÖIDEN VAIKUTUSTEN VÄHENTÄMINEN MAGNEETTIKUVAUKSESSA

TEKNILLINEN KORKEAKOULU

TEKNILLISEN FYSIIKAN lAfTOS KIRJASTO

RAKENTAJANAUK» 2 C 02160 ESPOO

Heli Räty

Valvoja: apulaisprofessori Toivo Katila

Ohjaaja: TkL Jaakko Pohjonen,

Instrumentarium Oy/ PALOMEX

Heli Räty¡~

Tekijä ja työn nimi : Magneettikenttähäiriöiden vaikutusten vähentäminen magneettikuvauksessa

Title in English: Reduction of the effects of magnetic field instability in magnetic resonance imaging

Päivämäärä : 24.11.1987 Sivumäärä : gg

Osasto : Professuuri :

Tietotekniikan osasto Tfy-44

Teknillisen fysiikan laitos Materiaalifysiikka Työn vaivoja : Apulaisprofessori Toivo Katila

Työn ohjaaja : TkL Jaakko Pohj onen

Työn tarkoituksena oli kehittää magneettikuvauslaittee­

seen magneettikenttähäiriöiden aktiivinen kompensointi- laitteisto. Magneettikuvaus vaatii hyvin vakaan mag­

neettikentän. Ulkopuoliset magneettikentän muutokset huonontavat kuvien laatua. Kompensointilaitteisto mittaa ulkoisia kentän muutoksia ja kumoaa ne vastakkaissuuntai­

sella kentällä.

Työssä rakennettiin kolme kompensointilaitteistoa, jotka poikkesivat toisistaan magneettikentän mittaustavan ja anturin sijoituspaikan suhteen. Kompensointikenttä saatiin aikaan Helmholtzin kelalla.

Ensimmäinen laitteisto on tarkoitettu raitiovaunulinj an virransyöttöj ohdon aiheuttamien magneettikenttähäiriöiden kompensoimiseen. Kenttä mitataan Hall—anturilla virta johdon läheisyydestä. Toisessa rakennetuista laitteis­

toista magneettikenttä mitataan induktiivisella anturil­

la, joka on sijoitettu kuvauslaitteen magneetin sisäpuo­

lelle. Kenttä pidetään vakiona takaisinkytkennän avulla.

Kolmannessa ratkaisussa kentän mittaukseen käytetään kuvauslaitteen läheisyyteen sijoitettua fluxgatemagneto—

metriä.

Fluxgatemagnetometri11ä mittaava laitteisto osoittautui käyttökelpoisimmaksi. Anturi on riittävän herkkä ja stabiili. Laitteiston käyttökelpoisuus testattiin ympä­

ristössä , jossa on voimakkaat ulkoiset magneettikenttä häiriöt.

ALKUSANAT

Diplomityö on tehty Instrumentarium Oy:n Palomex-yksikön tuotekehitysosastolla. Työnantajaani kiitän mahdollisuudesta työskennellä mielenkiintoisen aiheen parissa.

Työn valvojalle apulaisprofessori Toivo Katilalle Teknillisen fysiikan laitoksen materiaalifysiikan laboratoriosta haluan esittää parhaat kiitokseni saamistani hyvistä neuvoista. Työn ohjaajalle TkL Jaakko Pohjoselle olen kiitollinen opastuk­

sesta työn kaikissa vaiheissa.

Saamastani avusta haluan kiittää esimiestäni TkT Raimo Sepposta, piirtäjä Irja Maristoa, röntgenhoitaja Eeva Kalliota sekä Kirsi Ojalaa ja Marc Girodia ja muita työn eri vaiheissa auttaneita henkilöitä. Kaikkia työtovereitani kiitän mielenkiinnosta työtäni kohtaan ja saamastani tuesta.

Helsingissä 24.11.1987

KUVAUKSESSA

Sisällysluettelo

1 JOHDANTO !

2 MAGNEETTIKUVAUKSEN PERUSTEET 3

2.1 Ydinmagneettinen resonanssi-ilmiö 3

2.2 Kuvan muodostaminen 4

2.3 Kuvaussekvenssit ц

2.4 Magneettikuvauslaitteen ominaisuudet 15

3 MAGNEETTIKENTTÄHÄIRIÖIDEN VAIKUTUS MAGNEETTIKUVAUKSEEN 17

3.1 Häiriöiden synty 17

3.2 Magneettikenttähäiriöiden kytkeytyminen kuvaukseen 19 3.2.1 Magneettikenttähäiriöiden kytkeytyminen eri koodaus-

suuntiin 2 0

3.2.2 Magneettikenttämodulaation vaikutus kuvaan 22 3.2.3 Magneettikenttähäiriöiden vaikutus kuvaussekvensseihin 26 4 MAGNEETTIKENTTÄHÄIRIÖIDEN VAIMENNUSMENETELMIÄ 30

4.1 Asennuspaikan valitseminen 30

4.2 Passiivinen häiriönsuojaus 3 0

4.3 Kuvauksen keskeyttäminen magneettikenttähäiriöiden

esiintymisajaksi 31

4.4 Magneettikenttähäiriöiden vaikutusten poistaminen

laskennallisesti 32

4.5 Magneettikenttähäiriöiden kompensointi vastakkais­

suuntaisella kentällä 33

5 TUNNETUN MAGNEETTIKENTTÄHÄIRIÖLÄHTEEN VAIKUTUSTEN

POISTAMINEN 34

5.1 Häiriölähteen ominaisuudet 34

5.2 Laitteisto 37

5.3 Käyttökokemuksia 39

6 41

6.1 Menetelmän periaate 41

6.2 Laitteiston rakenne 42

6.3 Kokeilutuloksia 45

7 MAGNETOMETRIIN PERUSTUVA HÄIRIÖNKOMPENSOINTILAITTEISTO 47

7.1 Menetelmä- ja laitteistokuvaus 47

7.1.1 Magnetometrin toimintaperiaate 47

7.1.2 Laitteiston rakenne 48

7.2 Laitteiston toiminta 53

7.3 Laitteiston jatkokehitys 56

8 MENETELMIEN VERTAILU 58

8.1 Tehokkuus 58

8.2 Virhelähteet 59

9 YHTEENVETO 60

KIRJALLISUUSVIITTEET <-0

KELA-ANTURILLA MITTAAVA TAKAISINKYTKENTÄLAITTEISTO

1 JOHDANTO

Magneettikuvaus on lääketieteellinen kuvausmenetelmä, joka perustuu magneettisten atomiydinten käyttäytymiseen magneet­

tikentässä. Ilmiötä kutsutaan nimellä ydinmagneettinen resonanssi, josta käytetään usein lyhennettä NMR (nuclear magnetic resonance). Ydinmagneettinen resonanssi-ilmiö havaittiin 1940-luvulla ja ensimmäiset julkaisut aiheesta ilmestyivät 1946 (Bloch, Purcell). 1970-luvulla julkaistiin menetelmä, jolla voitiin muodostaa NMR-kuvia (Lauterbur 1973). Ensimmäiset kaupalliset magneettikuvauslaitteet tulivat markkinoille 1980-luvun alussa.

Kuvauslaitteiden magneettikenttävoimakkuudet vaihtelevat välillä 0,02 ... 2,0 T. Magneettikuvauslaitteissa käytetään suprajohtavia magneetteja, resistiivisiä magneetteja tai kestomagneetteja. Suprajohtavuuden vuoksi ulkoiset häiriöt eivät merkittävästi kytkeydy suprajohtavia magneetteja käyttävien kuvauslaitteisiin. Resistiivisillä magneeteilla ei sen sijaan ole ulkoisen magneettikentän muutoksilta suojaavaa ominaisuutta. Tästä syystä ympäristön magneettikenttähäiriöt kytkeytyvät resistiivisiä magneetteja käyttävien kuvaus­

laitteiden päämagneettikenttään, mikä huonontaa kuvan laatua.

Magneettikenttähäiriöiden vaikutuksia voidaan vähentää erilaisilla menetelmillä. Passiivisissa menetelmissä koko kuvaustila ympäröidään sopivalla materiaalilla, kuten raudal­

la, magneettikenttähäiriöiden vaimentamiseksi. Aktiivisissa kompensointimenetelmissä häiriön vaikutus poistetaan synnyt­

tämällä häiriökentän kanssa vastakkaissuuntainen magneetti­

kenttä. Laskennallisissa menetelmissä magneettikenttähäiriöi­

den aiheuttamat virheet korjataan kuvien laskennan yhtey­

dessä. Yksinkertainen magneettikenttähäiriöiden vaikutusten vähentämismenetelmä on kuvauksen keskeyttäminen häiriön esiintymisaj aksi.

Tässä työssä tarkastellaan häiriöiden vaikutuksia sekä teoreettisesti että käytännössä. Aluksi esitellään kuvan­

muodostuksen yleistä teoriaa, perehdytään häiriöiden alku­

perään ja tutkitaan niiden vaikutusta kuvaukseen. Tämän

2 jälkeen esitellään magneettikenttähäiriöiden vaikutusten vähentämismenetelmiä. Työn kuluessa rakennettiin kolme erilaista häiriönkompensointilaitteistoa, joiden toiminta­

periaatteet ja kokeilun tulokset selostetaan. Tavoitteena laitteistojen osalta oli vähentää häiriöiden vaikutukset yhteen kymmenesosaan.

Työhön liittyvä tutkimus- ja kehitystyö on tehty suomalai­

sella Acutscan M110 magneettikuvauslaitteella, jonka kenttä- voimakkuus on 0,02 T. Kenttä synnytetään resistiivisellä magneetilla. Tämä erittäin matalan kentän laite on suunni­

teltu helposti ja vähin kustannuksin asennettavaksi, jolloin tarvitaan tehokas aktiivinen häiriönsuoj ausmenetelmä. Tämän työn tarkoituksena oli kehittää häiriönkompensointilaitteis- to, jolla kuvauslaitteen häiriönsietokykyä parannetaan.

2 MAGNEETTIKUVAUKSEN PERUSTEET

2.1 Ydinmagneettinen resonanssi-ilmiö

Ydinmagneettinen resonanssi-ilmiö esiintyy ytimillä, joilla on pariton määrä protoneja, neutroneja tai molempia. Tällai­

sia ytimiä ovat esimerkiksi 1H, 13C, 23Na ja 31P /1/. Mag­

neettikuvaus perustuu yleensä protonien eli vety-ydinten käyttäytymiseen magneettikentässä, koska vety on yleisin kudoksissa esiintyvä alkuaine.

Magneettikentässä BQ vety-ytimet kääntyvät BQ:n suuntaisiksi, joko saman- tai vastakkaissuuntaisiksi. Vety-ytimen spin on S, jolloin sillä on kaksi energiatilaa /2/,/3/

E+ = ±*7ЙВ0 (1)

missä у = vedyn gyromagneettinen suhde = 42,58 MHz/T

Jos magneettikentässä olevaan ytimeen kohdistetaan sähkö­

magneettista säteilyä, joka on ytimen resonanssitaajuudella, ytimen energiatila voi muuttua. Palautuessaan takaisin perustilaansa ydin emittoi saman taajuista säteilyä. Ytimen resonanssitaaj uutta kutsutaan Larmor-taajuudeksi. Larmor- taajuus määräytyy ytimen kulmataajuuden yhtälöstä /2/

6) = (E+ - EJ/fi = yBQ (2)

Magneettikuvauksessa resonanssitaajuus on radiotaajuus- eli rf-alueella 0,5 ... 100 MHz. Larmor-taaj uinen sähkömagneet-

kenttä saadaan aikaan kohdistamalla magneettikentässä B0 olevaan ytimeen BQ: aa vastaan kohtisuorassa oleva magneet­

tikenttä B1# joka pyörii Larmor-taajuudella. Tällöin ydinten nettomagnetisaatio poikkeutuu BQ: n suunnasta. Kuvauksessa kenttää B^ kutsutaan rf-pulssiksi. Poikkeutuskulma riippuu rf—pulssin kestoajasta ja voimakkuudesta. Magneettikuvauk­

sessa käytetään yleensä 90°:n ja 180°:n poikkeutuskulmia.

4 Ydinten pyörimisliikettä magneettikentässä kutsutaan preses- sioksi. Rf-pulssin jälkeen kohteen magnetisaatiovektorin presessoidessa syntyy resonanssitaajuinen signaali, josta käytetään nimitystä FID (free induction decay). FIDin aikana ydinten nettomagnetisaatio vähenee Blochin yhtälön mukaisesti /4/

dt = YMXB0 - (iMx + jMy)/T2 - k(Mz-M0)/T1 (3)

Yhtälössä ristitulo kuvaa magnetisaation M presessiota magneettikentän ympäri. Relaksaatioajat ja T2 määräävät magnetisaation palautumisnopeuden, FIDin muodon ja amplitu­

din. Spinhilarelaksaatioaika eli pitkittäinen relaksaatioaika on aikavakio, jonka mukaan magnetisaatio palautuu termi­

seen tasapainoon ympäristön kanssa rf-pulssin jälkeen. T2, poikittainen eli spin-spinrelaksaatioaika, määrää ajan, jonka kuluessa magnetisaatio vähenee xy-tasossa spinien menettäessä vaihekoherenssinsa. T2 riippuu spinien vuorovaikutuksesta hilan kanssa.

Lääketieteellisessä kuvantamisessa magneettikuvaus antaa tietoa kudosten vesi- ja rasvatiheydestä sekä veden sitoutu­

misesta kudoksessa. Veden sitoutuminen kudoksessa vaikuttaa relaksaatioaikoihin. Sairaan kudoksen relaksaatioajat ja T2 poikkeavat yleensä ympäröivän terveen kudoksen relak- saatioajöistä, koska sairaassa kudoksessa vesipitoisuus ja veden sitoutumistapa muuttuvat. Magneettikuvauksella voidaan erottaa kudostyypit toisistaan.

2.2 Kuvan muodostaminen

Magneettikuva voidaan muodostaa erilaisilla menetelmillä, kuten proj ektiomenetelmällä tai kaksiulotteisella Fourier- kuvausmenetelmällä /5/. Tässä esitellään yleisimmin käytetty Fourier—kuvausmenetelmä.

Magneettikuvaus perustuu magneettikentän ohjattuihin epähomo- geenisuuksiin eli gradienttikenttiin, jotka saadaan aikaan gradienttikelastolla. Kolmella toisiaan vastaan kohtisuoraan

olevalla gradientilla tehdään kuvan paikkakoodaus. Kuvattavan leikkeen valinta tehdään z-suuntaisella gradientilla, joka kytketään päälle samanaikaisesti rf-pulssin kanssa. Viritetty leike paikkakoodataan x- ja y-gradienteilla. Signaali kerä­

tään spin-kaiun aikana vastaanottokelalla ja kuva lasketaan kerätystä signaaliaineistosta kaksiulotteisen Fourier-muun- noksen avulla.

Tarkastellaan aluksi kuvattavassa kohteessa vaikuttavaa magneettikenttää. Kohdassa r kentän voimakkuus on /6/

В (r) = BQ + G • r ₍₄₎

missä G = VI ВI = gradienttikenttävektori BQ = päämagneettikenttä

Koska Bq on paikasta riippumaton, saadaan kuvan muodostami­

seen tarvittava paikkainformaatio gradienttikentän G aiheut­

tamasta presessiotaajuuden muutoksesta. Kulmataajuus on kohdassa r

6)(r) = yBq + yG*r ₍₅₎

Heti virittävän 90°:n rf-pulssin jälkeen koko kohteessa on sama presession vaihe, minkä jälkeen gradientti alkaa aiheut­

taa epävaiheistusta. 90 °: n pulssin jälkeen spinien vaihe on

t

(6) 0

Tällöin kohteen magneettinen momentti, joka määrää signaalin voimakkuuden, on

(7) V

missä p(r) = spintiheys kohdassa r dV = tilavuusalkio

Å

Kun yhtälö (6) sijoitetaan yhtälöön (7), saadaan

6

t

iyB0t r _ iyfdt'G(t')*r

M=e Jp(r)e ¿ dV

V

(8)

Määritellään seuraavaksi niin kutsuttu к-avaruus, jossa näytteenkeruu tapahtuu. k-vektori on gradientin aikainte- graali rf-pulssin jälkeen eli /7/

t

k = yJdt'G(t') 0

jolloin

t

V yJdt'Gy(t') 0

ja

t

kx= yJdt'Gx(t') 0

(9)

(10)

(11)

Nyt yhtälö (8) voidaan lausua muodossa

iyBQt » _ ik(t)*r

M(t) = e J p (r)e dV (12)

V

Tästä nähdään, että magneettinen momentti on verrannollinen spintiheyden p(r) Fourier-muunnokseen.

Käytännön kuvaussekvensseissä rf-pulssilla ja z-gradientilla tehtävän leikkeenvalinnan jälkeen kytketään ensin päälle x- suuntainen vaiheistusgradientti ja у-suuntainen vaihekoodaus-

gradientti. Tämän jälkeen kytketään päälle x-lukugradientti.

Spinkaiku voidaan aikaansaada joko gradientinkääntöteknii- kalla tai 180°:n rf-pulssin avulla /8/, jolloin käytetään vastaavasti nimityksiä gradienttikaiku ja pulssikaiku.

Gradienttikaiku syntyy, kun x-suuntaisten gradienttien aikaintegraali on nolla eli

t

Jdt'Gx(t') = 0 0

(13)

Pulssikaikumenetelmässä spinkaiku saadaan aikaan palautta­

malla xy-tasossa presessoivien spinien vaihekoherenssi 180°:n rf-pulssin avulla. Kuvassa 1 on esitetty gradientti- ja pulssikaikujen syntyminen yksinkertaistetun pulssikaavion avulla. Kuvauksessa näitä jaksoja toistetaan useita kertoja eri suuruisilla y-gradientin arvoilla.

Kohteen magneettinen momentti indusoi vastaanottokelaan magneettivuon

i(t) = M(t)ce10O (14)

missä c = geometriatekijä

ФQ = kelan asennosta riippuva signaalin vaihe

Tällöin kelaan syntyvän sähkömotorisen voiman (smv) eli signaalin suuruus on

s(t) = d_

dt *(t) =

iii) t» _ ik-r Ce p(r)e dV

V

(15)

missä C = vakio

8

Merkitään yhdestä näytteestä saatavaa signaalia s :11a ja vastaavaa k-vektoria k^^rlla, missä p viittaa virityksen numeroon ja q näytteen numeroon. Tällöin

s (t)

pq ' ' = Ce

iyB0tf _ ik (t)T

Jp(r)e pq dV (16)

ja

Sq(t) = Tg'YpV Tg‘XiV q ""f" X2ïïx (17) s

missä TG = vaihekoodausgradientin päälläoloaika

Yp = vaihekoodausgradientti virityksen p aikana Xx = vaiheistusgradientti

fs = näytteenkeruutaaj uus X2 = lukugradientti

Signaali kerätään spinkaiun aikana. Kuvassa 2 on havainnol­

listettu к-avaruudessa tapahtuvaa signaalin keruuta. Kerä­

tystä signaaliaineistosta muodostetaan kuva kaksiulotteisen Fourier-muunnoksen avulla. Kuvassa 3 on esitetty kuvan muodostaminen kaksiulotteisella Fourier-muunnoksella.

Magneettikuva muodostuu kuva-alkioista. Yksi kuva-alkio on kolmiulotteisen tilavuusalkion kaksiulotteinen esitys. Kunkin kuva-alkion intensiteetti riippuu vastaavan tilavuusalkion protonitiheydestä ja relaksaatioajoista. Tyypillisesti kuvassa on 128 x 256 tai 256 x 256 kuva-alkiota. Ensimmäinen luku ilmoittaa viritysten määrän ja toinen yhdestä virityk­

sestä kerättävien näytteiden määrän.

Magneettikuvauksessa x-suuntaa kutsutaan taajuussuunnaksi, koska kuva-alkion sijainti x-akselilla määrää sen lähettämän resonanssisignaalin taajuuden. Vastaavasti у-suuntaa sanotaan vaihesuunnaksi, koska kuva-alkion sijainti у-akselilla määrää sen lähettämän resonanssisignaalin vaihemuutoksen peräkkäi­

sissä virityksissä.

90e spinkaiku

Те

by

180е

spinkaiku

Tr

Kuva 1. a) gradienttikaiun ja b) pulssikaiun syntyminen.

Kuvaan on merkitty x-suuntaiset gradientit, rf-pulssit ja seuraavat aj oitusparametrit: TQ = vaiheistusgradientin päälläoloaika, TE = kaikuaika ja Tp = 90°:n ja 180°:n puls­

sien välinen aikaero.

10

Kuva 2. Signaalin keruu к-avaruudessa. Kuvassa on kaksi virityskertaa (yhtenäinen viiva ja katkoviiva) kahdella eri y-gradientin arvolla, jolloin on mitattu kaksi k-avaruuden pistettä./9/

Kuva 3. Kaksiulotteinen Fourier-muunnos. on signaali aika-avaruudessa (k-avaruudessa), SQ on signaali keski­

pisteessä (0,0). Ensimmäinen Fourier-muunnos tehdään y- suunnassa ja toinen x-suunnassa. Kaksiulotteisen Fourier- muunnoksen jälkeen saadaan aikaan protonitiheyteen verrannol­

linen kuva. /5/

2.3 Kuvaussekvenssit

Magneettikuvauksessa käytetään monia erilaisia kuvaussek—

venssejä. Näistä kolme yleisintä ovat osittaiskyllästymis- sekvenssi (partial saturation), josta käytetään nimitystä PS- sekvenssi, spinkaikusekvenssi (spin echo) eli SE-sekvenssi sekä käänteispalautumissekvenssi (inversion recovery) eli IR- sekvenssi. Sekvenssin lyhennyksen perään merkitään toisto- ja kaikuajät millisekunteina sekä IR-sekvenssillä sulkuihin inversioaika, esimerkiksi PS1000/40, SE2000/150 ja IR1500(600)/40.

12

PS-sekvenssissä näytteeseen kohdistetaan peräkkäisiä 90°:n rf-virityspulsseja. Spinkaiku muodostetaan gradientinkääntö- tekniikalla. Kuvassa 4 on esitetty PS-sekvenssin pulssi- kaavio. 90 °: n pulssien välistä aikaa kutsutaan sekvenssin toistoajaksi (TR), jonka aikana syntyy yksi spinkaikusig- naali. PS-sekvenssin relaksaatioaikapainotus riippuu käyte­

tyistä toisto- ja kaikuajoista. Pitkillä toistoajoilla otetuilla kuvilla, joilla on lyhyt kaikuaikä, ei ole merkit­

tävää T1-relaksaatioaikariippuvuutta. Sen sijaan lyhyillä toistoajoilla saadaan Työpainotteisia kuvia. PS-kuvilla on hyvä resoluutio, joten niitä käytetään lähinnä anatomian tutkimiseen. /8/

SE-sekvenssissä annetaan yhdellä toistokerralla ensin 90":n rf—pulssi ja sen jälkeen 180":n rf-pulssi kuvassa 5 olevan sekvenssikäavion mukaisesti. 90 °: n pulssin jälkeen syntyvä resonanssisignaali heikkenee nopeasti päämagneettikentän epätasaisuuksien vuoksi. 180":n pulssilla palautetaan spinien samanvaiheisuus, jolloin saadaan aikaan spinkaiku. SE-kuvat ovat T2~painotteisia, koska signaali riippuu xy-tasossa tapahtuvasta spinien kokonaismagnetisaation vähenemisestä.

Voimakkaan T2-painotteisuuden vuoksi SE-kuvilla on parempi kudoskontrasti, mutta huonompi paikkaerotuskyky kuin PS- kuvilla. /8/

Kuvassa 6 on IR-sekvenssin pulssikaavio. IR-sekvenssissä spinien magnetisaatio käännetään aluksi 180°:n pulssilla päämagneettikentän suuntaiseksi ja sitten 90°:n pulssilla pääkenttää vastaan kohtisuoraan, minkä jälkeen spinien magnetisaatio alkaa presessoida. Kaiku synnytetään gradien- teilla samalla tavalla kuin SR—sekvenssissä. IR—kuvat ovat voimakkaasti Työpainotteisia. /8/

Myös muita sekvenssejä käytetään potilaskuvauksissa. Täl­

laisia sekvenssejä ovat esimerkiksi kaksoiskaikusekvenssi (DE, dual echo) ja T^-sekvenssi. Kaksoiskaikusekvenssillä saadaan kaksi kaikua yhdellä toistokerralla. Sekvenssin alku on samanlainen kuin PS-sekvenssillä, jolloin saadaan ensim­

mäinen kaiku. Toinen kaiku saadaan PS-sekvenssiä seuraavan

180°:n pulssin avulla. /8/ T^-sekvenssillä mitataan relak- saatioilmiöitä pyörivässä lukituskentässä, jolloin saadaan näkyviin kudoksen relaksaatioaikoj en taajuusriippuvuus /10/.

T^-mitttaukset vaativat suuremman rf-tehon vuoksi erikois- laitteiston, joten niitä ei vielä tehdä rutiinitutkimuksissa.

Tyypillisessä potilaskuvauksessa kuvataan useilla eri sek­

vensseillä ja ajoituksilla, jotta saadaan näkyviin erilaiset relaksaatioaikariippuvuudet. Sekvenssien valinta riippuu epäillyn sairauden laadusta. Yleensä ensin otetaan yksi nopea sagittaalisuuntainen (kuva 8) PS-kuva, jonka avulla valitaan jatkossa kuvattavien transaksiaali- ja koronaalisuuntaisten

(kuva 8) monileikesekvenssien leikkeiden paikat.

Kuvissa 4, 5 ja 6 pulssikaaviot on piirretty yhden leikkeen sekvensseille. Käytännössä yhdellä toistoajalla ehditään virittää useita eri leikkeitä peräkkäin. Tällaista sekvenssiä kutsutaan monileikesekvenssiksi. PS- ja SE-kuvauksissa käytetään enimmäkseen monileikesekvenssej ä

ff/2 PULSE SELECTIVE

EXCITATION PULSE

Z GRADIENT

PROGRAMMABLE

Y GRADIENT

X GRADIENT

NMR SIGNAL

Kuva 4. PS-sekvenssin pulssikaavio /8/

ТГ/2 PULSE TT PULSE lj/2 PULSE EXCITATION

PULSE

Z-GRAOIENT

Y-G RADI ENT

X-GRAOIENT

SIGNAL

Kuva 5. SE-sekvenssin pulssikaavio /8/

TT PULSE SELECTIVE TT PULSE

PULSE

Z-GRAOIENT

PROGRAMMABLE Y-GRAOIENT Gy

X-GRAOIENT

NMR SIGNAL

Kuva 6. IR-sekvenssin pulssikaavio /8/

2.4 Magneettikuvauslaitteen ominaisuudet

Magneettikuvauslaitteen tärkeimmät osat ovat magneetti (yleensä suprajohtava tai resistiivinen), teholähde, lämmön- vaihdin, gradienttikelasto ja -virtalähteet, korjauskelasto, potilasvuode, elektroniikkayksikkö, lähetin- ja vastaanotto- kelat, tietojenkeruujärjestelmä sekä tietojenkäsittely- ja tulostuslaitteisto. Kuvassa 7 on tyypillisen magneettikuvaus­

laitteen lohkokaavio.

Tässä työssä käytetty magneettikuvauslaite on Instrumentarium Oy:n Palomex-yksikön valmistama Acutscan M110 MRI SYSTEM, jossa on 0,02 T:n resistiivinen magneetti. Acutscanin rf- kenttätaajuus on 833 ± 5 kHz. Laitteella voidaan ottaa poikkileikkauskuvia kolmessa toisiaan vastaan kohtisuorassa olevassa tasossa (kuva 8). Laitteessa on erilaisia keloja eri ruumiinosien kuvaamista varten, esimerkiksi pääkela, vartalo- kela ja selkärankakela. Leikepaksuuksia on kaksi kussakin kelassa, esimerkiksi pääkelassa 10 mm ja 15 mm. Monileike- sekvensseillä voidaan samanaikaisesti kuvata 4-16 leikettä.

RF TRANSMITTER

RF POWER AMPLIFIER

GRADIENT COIL

GRADIENT COIL

GRADIENT COIL

TRANSMITTER COIL

RECEIVER COIL RECEIVER

PREAMP

GRADIENT POWER SUPPLY

GRADIENT POWER SUPPLY GRADIENT

POWER SUPPLY SIGNAL

AVERAGER

MAGNET COMPUTER

INTERFACE

STORAGE

Kuva 7. Magneettikuvauslaitteen lohkokaavio. /1/

16

CORONAL

SAGITTAL TRANSAXIAL

Kuva 8. Magneettikuvauslaitteen kuvaustasot. /11/

3 MAGNEETTIKENTTÄHÄIRIÖIDEN VAIKUTUS MAGNEETTIKUVAUKSEEN

3.1 Häiriöiden synty

Magneettikuvauksessa magneettikentän on pysyttävä stabiilina.

Jo yhden miljoonasosan muutos magneettikentässä saattaa aiheuttaa kuvausvirheitä. Magneettikenttämuutoksia aiheut­

tavat pääasiassa virtasilmukat ja liikkuvat metalliesineet.

Tavallisessa kaupunkiympäristössä on lukuisia magneetti- kenttähäiriöiden lähteitä, kuten autot, raitiovaunuliikenne, sähköverkosto ja erilaiset koneet. Lisäksi sairaaloissa hissit, laitteet ja käytävillä kuljetettavat potilasvuoteet saattavat aiheuttaa kenttähäiriöitä.

Magneettikentän tasaisuutta ja stabiilisuutta mitattaessa yksikkönä on usein miljoonasosa eli ppm (parts per million) kyseessä olevasta kentänvoimakkuudesta. Acutscanin 0,02 T:n kentässä yksi ppm on 20 nT. Tässä työssä käytetyt ppm-yksiköt on aina laskettu Acutscanin kentästä.

Ympäristön magneettikenttähäiriöiden syntyä voidaan tutkia yksinkertaisten magneettikenttälähteiden avulla. Pitkiä virtajohtoja voidaan käsitellä äärettömän pitkinä suorina johtimina ja sähköverkostoa virtasilmukkana. Näin saadaan tietoa magneettikenttähäiriöiden vaimenemisesta.

Suora äärettömän pitkä virtajohdin synnyttää ympärilleen kuvan 9 mukaisen käänteisesti etäisyyteen vaimenevan magneet­

tikentän /12/

- jV -

B 2ttR ue (18)

missä м-q = tyhjön permeabiliteetti = 4тг* 10-7 Vs/Am I = johdossa kulkeva virta

R = etäisyys johdosta

uQ = magneettikentän suuntavektori

18 Esimerkiksi virtajohdin, jossa kulkee 1000 A:n virta, synnyt­

tää 100 metrin päähän 2 p,T:n suuruisen häiriökentän. 0.02 T:n magneettikuvauslaitteen kenttään tämä merkitsee 100 ppm:n suuruista häiriötä, mikä aiheuttaa kuvauksen epäonnistumisen.

Tällaisen häiriön tyypillinen aiheuttaja on raitiovaunulinjan syöttöjohdin, jonka paluuvirta kulkee eri reittiä kuin syöttövirta.

S

u

Kuva 9. Suoran virtajohtimen synnyttämä magneettikenttä /12/.

Virtasilmukan aiheuttama kenttä on muotoa /12/

(19)

missä N = johdinkierrosten lukumäärä

Kaavassa esiintyvät etäisyydet ja vektorien suunnat selviävät kuvasta 10. Silmukan akselilla kentän suuruus on /13/

(20)

missä a = silmukan säde

P = etäisyys silmukan keskipisteestä

Koska virtasilmukan aiheuttama kenttä on kääntäen verrannol­

linen etäisyyden kolmanteen potenssiin, kenttä vaimenee nopeasti.

Kuva 10. Virtasilmukan aiheuttama magneettikenttä /12/.

3.2 Magneettikenttähäiriöiden kytkeytyminen kuvaukseen

Matalataajuiset magneettikenttähäiriöt aiheuttavat kuvaan muutoksen, jota kutsutaan kuvan leviämiseksi. Leviäminen tapahtuu kuvan vaihekoodausakselin suunnassa. Voimakkaasti levinneessä kuvassa voidaan usein erottaa selvät haamukuvat, jotka ovat alkuperäisen kuvan molemmille puolille monistu—

neet, yleensä intensiteetiltään alkuperäistä kuvaa heikommat kuvat. /14/

20 3.2.1 Magneettikenttähäiriöiden kytkeytyminen eri koodaus-

suuntiin

Magneettikuvauksessa leikkeen valinta tehdään z—suunnassa kytkemällä päälle virityspulssi ja leikkeenvalintagradientti.

Gradientin suuruus määrää leikkeen sijainnin seuraavan ehdon mukaisesti.

27rfrf = Y(B0 + AB + Gzz) (21)

missä frf = viritystaaj uus

У = gyromagneettinen suhde BQ = päämagneettikenttä AB = magneettikenttähäiriö Gz = leikkeenvalintagradientti z = leikkeen paikka z-akselilla

Virityksen aikana vaikuttava magneettikenttähäiriö AB aiheut­

taa leikkeen paikan muutoksen Az = AB/G

2 (22)

JOS Gz:n suuruus on 1 M-T/m, aiheutuu 1 ppm:n eli 20 nT:n suuruisesta magneettikenttähäiriöstä 0,02 mm:n virhe leikkeen paikassa. Virhe on mitätön verrattuna leikepaksuuksiin, jotka vaihtelevat välillä 5 - 20 mm. Magneettikenttähäiriöt eivät siis merkittävästi kytkeydy leikevalintasuuntaan.

Taajuussuunnassa eli x-suunnassa jokaista kuva-alkiota vastaa taajuus fx, joka määräytyy ehdosta

27rfx = у (Bq + AB + Gxx) (23) missä Gx = taaj uuskoodausgradientti

x = kuva-alkion paikka taajuuskoodausakselilla

Tällöin x-koodauksen aikana esiintynyt magneettikenttähäiriö aiheuttaa kuva-alkion paikassa muutoksen

Ax = AB/Gx (24)

Taajuuskoodaus- eli lukugradientin Gx arvo on tyypillisesti yli 0,1 M-T/m. Tällöin kuva-alkion paikan muutos on pienempi kuin 0,2 mm yhden ppm:n magneettikenttähäiriöllä. Taajuus- suunnassa paikkaerotuskyky on parhaimmillaan noin 2 mm, joten yhden ppm:n magneettikenttähäiriötä ei voida havaita kuvassa.

Vaihekoodaussuunnassa magneettikenttähäiriön vaikutuksesta tapahtuvaa kuvan leviämistä voi verrata tapahtumaan, jossa kuvauskohde liikkuu kuvauksen aikana. Liikkeen aiheuttama vaihevirhe on

Д0 = YGyTGAy (25)

missä Gy = liikkeen aikainen y-gradientti

TG = vaihekoodausgradientin päälläoloaika

Ay = liikkeen suuruus у-suunnassa (vaihekoodaus­

suunnassa)

Jos samassa kuvausvaiheessa liikkeen sijasta tapahtuu ДВ:п suuruinen magneettikenttähäiriö, sen aiheuttama vaihevirhe on

Дф = уДВТЕ (26)

missä TE = kaikuaika

Kun yhtälöiden (25) ja (26) vaihevirheet merkitään yhtä suuriksi, saadaan kuvauskohteen liikkeen ja magneettikenttä- häiriön välille yhteys

Ay

ДВТ

G T У G (27)

Tästä nähdään, että magneettikenttähäiriö ДВ aiheuttaa kuvassa saman suuruisen leviämisen vaihekoodausakselilla kuin Ay:n suuruinen kuvauskohteen liike kuvauksen aikana. Häiriön vaikutus on voimakkain pienillä y-gradientin Gy arvoilla.

Keskimmäisen virityksen eli niin sanotun keskikaiun aikana y-

22 gradientti on nolla, jolloin häiriön aiheuttama vaihevirhe vastaa kuvauskohteen äärettömän suurta liikettä. Reunimmais­

ten viritysten aikana tulleet häiriöt vaikuttavat siksi huomattavasti vähemmän kuin keskimmäisten aikana.

3.2.2 Magneettikenttämodulaation vaikutus kuvaan

Magneettikentän epästabiilisuutta aiheuttavien matalataajuis- ten häiriöiden vaikutusta tutkitaan tässä luvussa sinimuotoi­

sen magneettikenttämodulaation avulla. Tuloksia johdettaessa käytetään hyväksi Fourier-muunnoksen konvoluutio-ominaisuutta /15/

F(fi(t)f2(t)) = F(f1(t))*F(f2(t)) (28) Kaavassa F merkitsee Fourier-muunnosoperaattoria ja * konvo­

luutio-operaattoria. Käytännössä kaava merkitsee sitä, että häiriön vaikutusta laskettaessa voidaan ilman häiriötä lasketun signaalin ja häiriön aiheuttama vaihetermi Fourier- muuntaa erikseen ja konvoloida muunnetut termit.

Kun magneettikenttää moduloidaan sinimuotoisella kentällä В , jonka kulmataajuus on wm, vaikuttaa kuvattavassa kohteessa magneettikenttä

B = B0 + Bmcosíút (29)

Kun merkitään ilman häiriökenttää saatua signaalia sQ(t):llä, voidaan signaali häiriökentän vaikuttaessa kirjoittaa

s(t) = sQ(t) e

iyB T.j.COSid t ' m E m

(30)

Kun häiriön amplitudi on pieni, häiriön aiheuttama vaihetermi voidaan kirjoittaa muotoon

iyßJ cos6) t

e « 1 + iyB T„costo t m £, m

i<d t -iti t

= 1 + iYBmTEl(e + e m ) (31)

Kun nyt signaalin lausekkeelle (30) tehdään Fourier-muunnos, saadaan

S(u) - S0(a)*[s(0) + UBmTE(8(am) + t(-an))] , (32)

joka voidaan kirjoittaa myös muotoon

S(«> = so[5(<eo) + + 5(“o"<0m))] (33)

Tässä tapauksessa alkuperäisen kuvan kummallekin puolelle syntyy haamukuva. Haamukuvien vaihe on siirtynyt 90"alku­

peräiseen kuvaan nähden. Kuvassa 11 a) on piirrettynä haamu- kuvien sijainnit.

Yhtälöstä 33 voidaan laskea PS-sekvenssin herkkyys magneetti- kenttähäiriöille vaihesuunnassa. Yhden ppm:n (20 nT) sini­

muotoinen häiriö aiheuttaa sekvenssille PS1000/80 haamukuvat, joiden intensiteetti on

2YBmTESo = * *2ir*42.58 MHz/T *20 nT-80 ms SQ = 0,21*S0

Haamukuvien intensiteetti on siis 21 % alkuperäisen kuvan intensiteetistä.

24 Lasketaan seuraavaksi isoamplitudisen sinimuotoisen mag- neettikenttähäiriön vaikutus. Häiriö on samanmuotoinen kuin pienen häiriön tapauksessa (yhtälö (29)). Käytetään hyväksi Besselin funtioiden Jacobi-Angerin laajennusta /16/

iXQCOS6)t

V Vkjk,xo,eikMt

k=-oo (34)

Nyt voidaan magneettikenttähäiriön aiheuttama vaihetermi kirjoittaa muotoon

iyB T_,cosíi) t ' m E m ^oo

= 2 k=-co

ikJ, (УвтТЕ)е

ikä) t

m (35)

Fourier-muunnoksen ja konvoluutioteorian käytön jälkeen tulokseksi saadaan Besselin funktioilla painotettuja delta- funktioita eli

(36)

Kuvaan 11 b) on piirretty syntyvien haamukuvien sijainnit.

Kuvassa 12 on kokeellisesti havainnollistettu sinimuotoista kenttämodulaatiota. Kokeessa kuvauslaitteen magneettikenttää moduloitiin sinimuotoisella kaavan (29) mukaisella magneetti­

kentällä, jonka amplitudi oli 124 nT ja taajuus 62,5 mHz.

Tämä tapaus vastaa edellä käsiteltyä isoamplitudisen kenttä- modulaatiota. Kokeessa kuvattiin pistemäistä näytettä (koeputki, jossa noin 5 ml vettä) PS-sekvenssillä, jonka toistoaika oli 1000 ms ja kaikuaika 60 ms. Kenttämodulaatio aiheutti useita haamukuvia. Näistä kaksi alkuperäisen kuvan kummallakin puolella oli tarpeeksi voimakkaita mitattavaksi.

Tapaus vastaa kuvan 11 b) tuloksia, mutta eroaa sikäli, että intensiteettipiikit ovat positiivisia. Tämä johtuu siitä, että kuvauslaitteessa rekonstruoidusta kompleksisesta kuvasta esitetään itseisarvo.

1

J,(YB T„) 0 v ' m E'

+ 2 ii)

Kuva 11. Sinimuotoisen magneettikenttämodulaation vaikutus kuvaan, a) pieniamplitudinen modulaatio, b) isoamplitudinen modulaatio.

26

Kuva 12. Isoamplitudisen modulaatiokoe.

sinimuotoisen magneettikentän

3.2.3 Magneettikenttähäiriöiden vaikutus kuvaussekvensseihin Eri sekvensseillä on erilainen häiriönsietokyky. Sekvenssin valinnalla voidaan vaikuttaa kuvauksen onnistumiseen häiriöl- lisessä ympäristössä. Käytännön potilaskuvauksissa tarvitaan kuitenkin useita erilaisia sekvenssejä riippuen tutkittavasta / joten laitteen normaalikäytössä ei sekvenssejä valita häiriötaustan mukaan.

PS- ja IR-sekvenssien kaiku muodostetaan gradientinkääntö- tekniikalla (kuva la)). Sekvenssien häiriöherkkyyttä voidaan tutkia kirjoittamalla signaalin vaihe kaiun hetkellä

0G = yBTE (37)

missä TE = kaikuaika

Signaalinkeruuhetkellä magneettikenttähäiriö AB aiheuttaa vaihevirheen

Aøg = yABTE (38)

Tästä nähdään kaikuajan Tp vaikutus sekvenssin häiriöherk­

kyyteen . Magneettikenttähäiriöllä AB on sitä suurempi vaiku­

tus kuvaan, mitä pitempää kaikuaikaa käytetään.

PS- ja IR-sekvenssit ovat herkkiä jo muutaman ppm:n suu­

ruisille magneettikenttähäiriöille. Esimerkiksi sekvenssiä SR1000/80, jonka kaikuaika on 80 ms, ei voida käyttää kai­

kissa asennuspaikoissa kuvien leviämisen vuoksi.

SE-sekvenssin häiriönsietokykyä voidaan vastaavasti tutkia kaiun aikaisella signaalin vaiheella. SE-sekvenssissä käyte­

tyn pulssikaiun (kuva 2 b)) vuoksi häiriöt vaikuttavat sekvenssiin eri tavalla kuin PS- ja IR-sekvensseillä. Juuri ennen 180°:n rf-pulssia signaalin vaihe on

ФР- = УВТр (39)

missä Tp = 90°:n ja 180°:n rf-pulssien välinen aikaero Heti 180 °: n rf—pulssin jälkeen vaihe on

Фр+ - -YBTp (40)

Kaiun syntyhetkellä Tp vaihe on muotoa

0TE = "YBTp + YB(Tp - Tp) = yB(TE - 2Tp) (41) Tällöin magneettikenttähäiriö AB aiheuttaa vaihevirheen

Aøp = YAB(Tp - 2Tp) (42)

28 Kun kuvaussekvenssissä valitaan gradienttiohjaus siten, että

magneettikenttähäiriö ei aiheuta vaihevirhettä. Edellä olevaa ehtoa ei voida aina toteuttaa, mutta mitä lähempänä sitä ollaan, sitä parempi häiriönsietokyky on pulssikaikua käyttä­

villä SE-sekvensseillä. Sekvenssiä, jossa yhtälön (43) ehto toteutuu, kutsutaan symmetriseksi sekvenssiksi. Acutscan- kuvauslaitteessa sekvenssi SE2000/150 on symmetrinen, mutta sen sijaan SE1000/100 ei ole.

Kuvassa 13 on esitetty sinimuotoisen magneettikenttämodulaa- tion aikana PS1000/80- ja SE1000/150-sekvensseillä otetut kuvat. PS-sekvenssillä otetun kuvan kuvausaikana modulaatio- amplitudi oli 100 nT ja SE-sekvenssillä 300 nT. Kummassakin tapauksessa modulaatiotaajuus oli 0,25 Hz. PS-kuvassa on selvät haamukuvat. Vaikka SE-sekvenssillä kuvattaessa modu- laatioamplitudi oli kolme kertaa voimakkaampi, SE-kuvassa leviäminen on hyvin heikkoa, koska käytetty SE1000/150- sekvenssi on symmetrinen.

b)

Kuva 13.

otetut a)

Sinimuotoisen magneettikenttämodulaation PS- ja b) SE-kuvat.

aikana

30 4 MAGNEETTIKENTTÄHÄIRIÖIDEN VAIMENNUSMENETELMIÄ

4.1 Asennuspaikan valitseminen

Magneettikuvauslaitteen asennusta suunniteltaessa valitaan ensimmäisenä sairaalasta sopivat asennuspaikkavaihtoehdot.

Kuvauslaitteen sijoituspaikan tulee olla riittävän kaukana liikkuvista metalliesineistä, kuten hisseistä. Asennuspaikan valinnalla voidaan merkittävästi vaikuttaa magneettikenttä- häiriöiden esiintymiseen. Täysin häiriötöntä sijoituspaikkaa laitteelle ei yleensä ole mahdollista löytää. Tästä syystä ympäristölle määritellään vähimmäisvaatimukset. Acutscan- magneettikuvauslaitteen asennuspaikassa magneettikentän stabiilisuuden täytyy olla parempi kuin 20 nT kuvauksen aikana./17/

Häiriötaustamittauksilla magneettikenttätausta selvitetään kolmessa toisiaan vastaan kohtisuoraan olevassa suunnassa Lisäksi mitataan rf-kenttätausta

Mittausten kestoajan täytyy olla päivittäisen kuvausajan mittainen, jotta kaikki eri aikoihin esiintyvät häiriöt saadaan näkyviin.

Kun paras mahdollinen sijoituspaikka laitteelle on löydetty, voidaan vielä magneetin suuntauksella vaikuttaa häiriö- magneettikenttien kytkeytymiseen. Häiriökenttätausta mitataan eri suunnissa, ja laitteen sijoituspaikka ja suunta valitaan siten, että päämagneettikentän suunnassa häiriötausta on mahdollisimman pieni.

4.2 Passiivinen häiriönsuojaus

Jotta heikon rf-taajuisen resonanssisignaalin vastaanottami­

nen magneettikuvauksessa olisi mahdollista, laite suojataan passiivisesti radiotaajuisilta häiriöiltä. Rf-suojaus tehdään sijoittamalla laite huoneeseen, joka on ympäröity sähköä johtavalla maadoitetulla materiaalilla, yleensä alumiinilla tai kuparilla. Kaikki ulkopuolelta suojattuun huoneeseen tulevat johdot viedään rf-suodattimien kautta.

Magneettikenttähäiriöiden passiivisissa suojausmenetelmissä joko magneetti tai koko kuvaustila ympäröidään sopivalla, magneettikenttää vaimentavalla materiaalilla. Suojausmate- riaalina käytetään korkean permeabiliteetin omaavaa materiaa­

lia, kuten rautaa tai myymetallia /18/. Samalla myös ympä­

ristö suojataan kuvauslaitteen hajamagneettikentältä.

Esimerkki magneettisesti suojatusta huoneesta on Otaniemeen Teknillisen korkeakoulun kylmälaboratorion tiloihin raken­

nettu suojattu huone. Huoneen seinissä on useita alumiini- ja myymetallikerroksia. Alumiini suojaa tilaa korkeataajuisilta häiriöiltä. Passiivisen suojauksen lisäksi on käytetty aktiivisia häiriönkompensointimenetelmiä. Saavutettu suojaus- tekijä (kenttä suojan kanssa/kenttä samassa pisteessä ilman suojaa) välillä 1 Hz... 100 Hz on 400 000 ja alemmilla taa­

juuksilla jonkin verran pienempi, joten menetelmä on hyvin tehokas. /18/

Käytännössä magneettikenttähäiriöiden passiivinen suojaus- menetelmä ei raskaan rakenteensa vuoksi sovellu Acutscanin asennuksiin, koska laite on suunniteltu helposti ja alhaisin kustannuksin asennettavaksi. Acutscan suojataan passiivisesti vain radiotaajuisia häiriöitä vastaan sijoittamalla laite alumiiniseen rf-suojattuun huoneeseen.

4.3 Kuvauksen keskeyttäminen magneettikenttähäiriöiden 4esiintymisajaksi

Yksinkertainen keino häiriöiden vaikutusten estämiseksi on kuvauksen keskeyttäminen häiriön ajaksi. Magneettikenttä mitataan magneetin läheisyydessä sellaisella etäisyydellä, että kuvausgradientit eivät häiritse mittausta. Kenttä mitataan esimerkiksi induktiivisella anturikelalla ja inte- graattorilla, joilla saadaan kenttäarvoon verrannollinen jännitesignaali. Kentän muutoksen ylittäessä säädetyn rajan kuvauslaitteelle annetaan ohjauspulssi, joka keskeyttää kuvauksen. Keskeytyksen ajan jatketaan kuitenkin rf-pulssien lähettämistä, jotta keskeytys ei vaikuttaisi relaksaatio-

32 aikoihin ja siten myös kuvan kontrastiin. Menetelmä soveltuu sellaisiin paikkoihin, joissa häiriöt ovat matalataajuisia ja lyhytkestoisia ja niitä esiintyy harvoin, korkeintaan muuta­

man kerran kuvaussekvenssin aikana.

Samanlaiseen lopputulokseen kuin edellä esitellyssä menetel­

mässä päädytään, kun kuvauksessa jätetään huomioimatta sellaiset viritykset, joiden aikana on esiintynyt magneetti- kenttähäiriö. Kuvauksen lopussa uusitaan ne viritykset, joiden aikana esiintyi häiriö. Häiriökenttä mitataan kuvauk­

sen aikana sopivalla menetelmällä, ja mikäli tiedonkeruu- aikana esiintyy häiriö, mittauslaitteisto lähettää kuvaus­

laitteelle ohj auspulssin. Mittaustaajuus voidaan tahdistaa kuvauksen kanssa, jolloin jokaisen virityksen aikana tehdään yksi kenttämittaus juuri ennen tiedonkeruun alkua.

4.4 Magneettikenttähäiriöiden vaikutusten poistaminen lasken­

nallisesti

Laskennallisessa vaiheenkorjauksessa magneettikentän voimak­

kuus mitataan kunkin virityksen aikana resonanssisignaalista.

Kenttä mitataan kuvauskohteesta joko erillisellä virityksellä tai muodostamalla signaalin keruun jälkeen ylimääräinen

^aiku. Kenttä voidaan mitata myös erillisestä kuvausalueen laidalla olevan näytteen resonanssisignaalista. Kuvan muodos­

tuksen yhteydessä tehdään vaihekorjaus sellaisille virityk­

sille, joiden aikana on esiintynyt magneettikenttähäiriö.

Ylimääräinen kentänmittaus vie sekä mittaus- että laskenta- aikaa. Mikäli kenttä mitataan erillisestä näytteestä, tarvi­

taan lisälaitteisto mittaukselle. Laskennallinen vaiheen­

kor j aus on kuitenkin tehokas menetelmä, jonka avulla voidaan korjata myös magneetin omasta epästabiilisuudesta aiheutuneet virheet.

4.5 Magneettikenttähäiriöiden kompensointi vastakkaissuuntai­

sella kentällä

Tehokas ja yksinkertainen tapa magneettikenttähäiriöiden vaimentamiseksi kuvausalueelta on häiriökentän kompensoiminen vastakkaissuuntaisella magneettikentällä. Menetelmää voidaan käyttää silloin, kun häiriöt ovat tasaisia koko kuvaustilas- sa.

Magneettikentän kompensointimenetelmässä magneettikenttä mitataan herkällä anturilla. Häiriön voimakkuuteen verrannol­

linen virta syötetään kompensointikelaan, joka synnyttää häiriökentän kanssa vastakkaissuuntaisen magneettikentän.

Tällaisia menetelmiä on käsitelty luvuissa 5, 6 ja 7.

34 5 TUNNETUN MAGNEETTIKENTTÄHÄIRIÖLÄHTEEN VAIKUTUSTEN POISTA­

MINEN

5.1 Häiriölähteen ominaisuudet

Tässä luvussa esitellään laitteisto, jolla vaimennetaan pääasiassa yhdestä tunnetusta häiriölähteestä aiheutuneita magneettikenttähäiriöitä. Acutscan-magneettikuvauslaitteen tuotekehitystilojen läheisyydessä kulkee raitiovaunuunjan virransyöttöjohto, joka on tiloissa esiintyvien magneetti- kenttähäiriöiden päälähde.

Magneettikenttähäiriöitä esiintyy päivisin raitiovaunujen kulkuaikaan, öisin paikka on lähes häiriötön. Häiriöiden kesto on tyypillisesti

s, häiriöt ovat unipolaarisia, ja niiden suuruus on laitteen asennuspaikassa rakennuksen neljännessä kerroksessa noin

ppm. Häiriölähteen aiheuttama magneettikenttä on tyypiltään luvussa 3.1 esitetyn suoran virtajohtimen aiheuttaman kentän kaltainen. Se ei kuitenkaan ole yhtä ideaalinen, koska johtoa ei voida pitää äärettömän pitkänä ja johdon kulkusuunta vaihtelee.

Kuvaan 14 on piirretty johdon sijainti laitteen asennuspaik­

kaan nähden sekä paikassa vaikuttavan häiriökentän komponen­

tit. Kuvasta nähdään, että häiriökentän komponentit ovat eri suuruisia eri korkeuksilla eli rakennuksen eri kerroksissa.

Edullisin kuvauslaitteen sijoittamispaikka on samassa tasossa johdon kanssa eli käytännössä talon pohjakerroksessa, koska siellä häiriökenttä esiintyy lähes pystysuorassa. Tällöin häiriökenttä ei kytkeydy kohtisuorassa sitä vastaan olevaan kuvauslaitteen kenttään. Ylemmissä kerroksissa häiriökentän vaakakomponentti alkaa voimistua, jolloin kytkeytyminen kuvauslaitteen kenttään kasvaa. Magneetin suuntauksella voidaan vaikuttaa häiriöiden kytkeytymiseen valitsemalla sellainen suunta, jossa häiriökentän komponentti on pienin.

Kuvasta 15 a) nähdään, minkälainen magneettikenttähäiriö- taustan spektri on kuvauslaitteen asennuspaikassa rakennuksen neljännessä kerroksessa taajuusalueella 1 __ 100 Hz. Kuvassa

15 b) on vastaava spektri magneetin sisäpuolelta mitattuna.

Spektrit on mitattu magneettikenttämittarilla ja signaali- analysaattorilla. Spektrejä vertailemalla huomataan magneetin vaimentavan korkeataajuisia magneettikenttähäiriöitä. Vaimen­

nuksen rajataajuus on noin 5 Hz. Tästä syystä häiriönkompen- sointilaitteiston on tarpeen vaimentaa vain matalataajuisia magneettikenttähäiriöitä.

Kuva 14. Magneettikenttähäiriölähteen sijaintipaikka ja sen synnyttämä magneettikenttä.

36

RANGE: -7 dBV

RMS: 150

/DIV

-134

START: 0 Hz 954.85 mHz STOP: 100 Hz

b)

RANGE: -7 dBV

RMS:150

/DIV

-134 _____

START: 0 Hz 954.85 mHz STOP: 100 Hz

Kuva 15. Magneettikenttähäiriötaustan spektri kuvauslaitteen asennuspaikassa a) magneetin ulkopuolelta mitattuna b) magneetin sisäpuolelta mitattuna. Kuvien pystyakselilla on

logaritmisella asteikolla magneettikentän voimakkuus ja vaaka-akselilla lineaarisella asteikolla taajuus.

5.2 Laitteisto

Häiriöiden kompensointikentän synnyttämiseen käytetään Helmholtzin kelaa, jossa on kaksi samanlaista käämiä sarjassa niiden säteen etäisyydellä toisistaan kuvan 16 mukaisesti.

Tällainen kela synnyttää tasaisen kentän akselilleen. Kela synnyttämän magneettikentän voimakkuus on käämien puoli­

välissä keskiakselilla /13/

ВH

8^0NI

r-53/2

missä M-Q = tyhjön permeabiliteetti N = kelan kierrosmäärä

I = kelaan ajettava virta r = kelan säde

Magneettikenttähäiriöiden kompensointiin tarvittava laitteis­

to on rakenteeltaan yksinkertainen. Laitteiston osat ovat Hall-anturi, magnetometri, häiriösuodatin, virtalähde ja kompensointikela. Kuvassa 17 on laitteiston lohkokaavio.

Mittauslaitteisto on sijoitettu rakennuksen sisätiloihin noin yhden metrin päähän häiriölähteestä. Kentän mittaukseen käytetään Hall-anturiin perustuvaa magnetometriä (Bell Gaussmeter). Koska kenttä mitataan voimakkaan häiriölähteen läheltä, mittauksessa voidaan käyttää epäherkkää Hall-antu- ria. Anturista saadusta kenttäsignaalista suodatetaan korkeat taajuudet kuvassa 18 esitetyn kytkennän avulla ja suodatettu signaali viedään ohjattavan virtalähteen (Керсо ВОР 20-2OM) sisäänmenoon. Suodattimen rajataajuus on noin 3 Hz. Kompen- sointivirtajohto on vedetty virtalähteestä osaksi ulkokautta noin 100 metrin päässä olevan kuvauslaitteen luo. Johto viedään rf-suodattimen kautta suojatun kuvaushuoneen sisään magneetin ympärille käämittyyn kompensointikelaan.

Kompensointivirran vahvistus säädetään resonanssisignaalin

avulla siten, että häiriö vaikuttaa resonanssisignaalin

38 vaiheeseen mahdollisimman vähän. Säätö tehdään kuvan 18 kytkennässä olevan säätövastuksen avulla.

coil A coil C

x

Kuva 16. Helmholtzin kela ja sen synnyttämä magneettikenttä.

/13/

Helmholtzin kela Hall -

anturi

Häiriö- suodatin

RF- suodatin

Gaussmeter KEPCO -

virtalähde

Kuva 17. Kompensointilaitteiston lohkokaavio.

1k

Kuva 18. Magneettikenttäsignaalin häiriönsuodatuskytkentä.

5.3 Käyttökokemuksia

Laitteisto asennettiin ympäristöön, jossa aikaisemmin oli mahdotonta käyttää häiriöherkkää PS-sekvenssiä kuvauksissa päiväsaikaan raitiovaunujen kulkuaikoina. Kuvauslaite on suunnattu häiriöiden kannalta epäedullisesti, koska kuvaus­

laitetta asennettaessa ei häiriölähdettä vielä ollut. Häiriö- lähde eli raitiovaunun virransyöttöjohto otettiin käyttöön samoihin aikoihin kuvauslaitteen kanssa. Häiriönkompensointi- laitteiston käyttöönoton jälkeen on voitu kuvata myös häiriö- herkällä PS-sekvenssillä. Vain pitkän kaikuajan PS-sekvens- seillä kuvattaessa kuvissa näkyy lievää leviämistä. Kuvassa 19 on sekvenssillä PS500/35 otetut vertaliukuvat ilman häiriönkompensointilaitteistoa ja sen ollessa käytössä.

Kuvausaika (17 minuuttia) on valittu pitkäksi, jotta kuvauk­

sen aikana esiintyisi riittävästi häiriöitä, jolloin mittauk­

set ovat vertailukelpoisia.

Koska menetelmällä vaimennetaan vain raitiovaunujohdon aiheuttamat häiriöt, ei häiriöiden poisto ole täydellinen.

Esimerkiksi kuvauslaitteen lähistöllä oleva tavarahissi aiheuttaa jonkin verran häiriöitä.

40

Tässä esitelty laitteisto on erikoisratkaisu tunnetun häiriön korjaamiseksi. Periaatetta voidaan soveltaa myös muissa samankaltaisissa asennuspaikoissa, joissa on vain yksi merkittävä häiriölähde. Yleensä häiriötausta on kuitenkin monimutkaisempi. Tällöin tarvitaan menetelmä, joka poistaa kaikkien ympäristön häiriökenttien vaikutukset.

Kuva 19. PS500/35-sekvenssillä otetut kuvat a) ilman häiriön- kompensointilaitteistoa ja b) laitteiston ollessa käytössä.

Kuvausaika on 17 minuuttia ja kuvauskohteena on vedellä täytetty reikälevy.

6 KELA-ANTURILLA MITTAAVA TAKAISINKYTKENTÄLAITTEISTO

6.1 Menetelmän periaate

Tässä menetelmässä magneettikentän muutosta mitataan magnee­

tin sisäpuolella olevalla induktiivisella anturikelalla.

Anturin jännitesignaali viedään integraattorille, josta saadaan kenttäarvoon verrannollinen jännitesignaali. Jännit­

teellä ohjattava virtalähde ajaa virtaa magneetin ympärillä

°i®vaan kompensointikelaan. Näin syntyy takaisinkytkentä—

silmukka, joka pitää kentän vakiona. Koska kenttä mitataan magneetin sisäpuolelta, menetelmä kompensoi sekä ympäristön magneettikenttähäiriöt että magneetin mahdollisen epästabii­

lisuuden.

Koska anturi on sijoitettu magneetin sisäpuolelle, kuvaukseen liittyvät muuttuvat gradienttikentät kytkeytyvät anturiin.

Gradientit haittaavat takaisinkytkennän toimintaa, joten niiden vaikutus täytyy poistaa. Tämä tapahtuu siten, että gradientin päälle- ja poiskytkeytymisajaksi mittaus keskeyte­

tään. Gradientin päälläoloajan takaisinkytkentä voi olla käytössä, koska anturi mittaa vain kentän muutoksia, mutta ei itse kenttäarvoa. Kuvassa 20 on takaisinkytkentämenetelmän periaatekaavio.

42 Helmholtzin

Antunkela kela

Kuva 20. Induktiiviseen anturiin perustuvan kenttätakaisin- kytkentämenetelmän periaatekaavio.

6.2 Laitteiston rakenne

Laitteistossa käytettiin kentän mittaamiseen magneetin sisä­

puolelle asennettua induktiivista anturikelaa. Anturissa on 500 kierrosta ja sen halkaisija on 0,72 m. Kenttämuutos dB/dt aiheuttaa kelan päiden välille jännitteen

V = NAdB/dt (45)

missä N = kierrosmäärä

A = kelan poikkipinta-ala

Suuretta NA kutsutaan kelan herkkyydeksi. Laitteistossa käytetyn anturikelan herkkyys on 203,6 Vs/T, jolloin 1 mT/s kenttämuutos aiheuttaa 203,6 mV jännitteenmuutoksen.

Anturin jännitesignaali integroidaan, jotta siitä saataisiin kentän arvoon verrannollinen jännite. Ennen integrointia signaalia vahvistetaan ja sen kaistaa rajoitetaan. Magneetti itse suojaa kuvausaluetta suuritaajuisilta kenttähäiridiltä (rajataajuus on noin 5 Hz), joten takaisinkytkentäelektronii- kan rajataajuus voi olla alhainen. Kuvassa 21 on esitetty takaisinkytkentäelektroniikan yksinkertaistettu lohkokaavio.

Integraattorin ulostulosta saadaan kenttäarvoon verrannol­

linen jännitesignaali

Vout = С Ш BW (46)

missä G = integraattoria ennen olevien vahvistimien vahvistus

R = integraattorin sisäänmenovastus C = integraattorin kapasitanssi

Virtalähteen sisäänmenojännite on eristetty muusta kytken­

nästä isolaatiovahvistimella. Eristämisellä pienennetään värähtelytaipumusta ja vältetään yhteismuotoisen häiriö- jännitteen kytkeytymistä mittaukseen.

44

di(Л

О И

Kuva 21. Takaisinkytkentälaitteiston elektroniikkaosa.

Sisäänmenosignaali saadaan anturista. Ulostulosignaali ohjaa virtalähdettä.

Häiriönkompensointi tehtiin magneetin ulkopuolelle käämityllä Helmholtzin kelalla. Aluksi kokeiltiin magneetin oman virta­

lähteen käyttämistä kompensointiin ohjaamalla sitä kompen­

sointi jännitteellä. Kokeiluissa ilmeni vaikeuksia matalataa- juisen värähtelyn kanssa, joten laitteistoon hankittiin erillinen ohjattava virtalähde, joka ajaa virtaa kompen- sointikelaan.

Laitteistoa kokeiltiin siten, että magneetin sisäpuolelle luotiin häiriökenttä magneetin ympärille käämityllä Helmholtzin kelalla. Kelaan ajettiin sinimuotoista virtaa.

Tällä tavalla voitiin tutkia, kuinka hyvin menetelmä poisti tunnetun virhekentän vaikutukset. Toinen kokeilutapa oli magneettisen metalliesineen, esimerkiksi ruuvimeisselin, liikuttaminen magneetin läheisyydessä.

Laitteisto saatiin toimimaan hyvin silloin, kun kuvaus ei ollut käynnissä. Kuvassa 22 on piirturilla piirretty kentän vaihtelu magneetin sisällä ilman takaisinkytkentälaitteistoa ja sen ollessa käytössä silloin, kun kuvaus ei ole ollut käynnissä. Piirturille tuleva jännitesignaali on laitteiston elektroniikkayksiköstä saatu testisignaali, joka on mitattu integraattorin ulostulosta. Kuvasta nähdään tehokas vaimennus takaisinkytkentälaitteiston käyttöönkytkemisen jälkeen.

Kuvauksen aikana laitteiston toiminnassa ilmeni ongelmia.

Huolimatta mittauksen keskeyttämisestä kuvausgradienttien päällekytkemisajaksi, gradientit aiheuttivat vaikeuksia takaisinkytkennässä. Gradienttipulssin päätyttyä jää melko pitkäksi ajaksi (kymmeniä millisekunteja) heikko pyörre- virroista johtuva jäännöskenttä. Tällöin laitteiston pois—

kytkentäaikaa joudutaan kasvattamaan pitkäksi ja häiriön korjaus huononee.

Toinen ongelma oli 50 Hz:n verkkohurinan kytkeytyminen laitteistoon. Sen poistamiseksi lisättiin suodatusasteita.

Monen suodattimen yhteisvaikutuksena syntyy vaihesiirto, joka huonontaa laitteiston toimintaa. Tällöin täytyy valita

46 sellainen suodatinyhdistelmä, jolla saadaan mahdollisimman suuri 50 Hz:n häiriön vaimennus mahdollisimman pienellä vaihevirheellä.

Vaikeuksien vuoksi päätettiin toistaiseksi luopua kentän mittauksesta magneetin sisäpuolelta ja siirtyä magneetin ulkopuolisen anturin käyttöön.

---

1 minuutti t

Kuva 22. Magneetin sisäpuolelta mitattu magneettikenttä, kun takaisinkytkentälaitteisto on kytketty päälle hetkellä t^

7 MAGNETOMETRIIN PERUSTUVA HÄIRIÖNKOMPENSOINTILAITTEISTO

7.1 Menetelmä- ja laitteistokuvaus 7.1.1 Magnetometrin toimintaperiaate

Tässä menetelmässä magneettikenttä mitataan magneetin ulko­

puolelta, jolloin kuvausgradientit ja päämagneettikenttä eivät kytkeydy mittaukseen. Magneettikentän mittaamiseen käytetään niin sanottua fluxgatemagnetometriä. Fluxgate- anturin etuja ovat herkkyys, matala kohinataso, stabiilisuus ja laaja mittausalue /19/. Fluxgate-anturi mittaa suoraan magneettikentän komponentteja, toisin kuin induktiivinen kela-anturi, joka mittaa kentän muutoksia.

Fluxgate-anturin toiminta perustuu anturin sydämen permea- biliteettimuutokseen, joka voidaan mitata induktiivisella sydämen päälle käämityllä mittauskelalla. Anturin sydän on magneettista ainetta oleva sauva, jonka ympärille on käämitty magnetointikela. Yleensä sauvoja on kaksi vierekkäin ja niiden magnetointikelat on käämitty vastakkaisiin suuntiin.

Sauvojen magnetointia muutetaan jaksottaisesti magnetointi- keloihin ajettavalla virralla, Tällöin sauvat ajautuvat vuorotellen hystereesikäyrän kumpaankin magnetisaatiokylläs- tymispisteeseen. Mittaus perustuu vaiheherkän vahvistimen käyttöön. Ilman ulkoista kenttää kumpikin sauva on yhtä paljon magnetoitunut. Ulkoinen kenttä saa aikaan sauvojen välille lievän epätasapainon, jonka seurauksena toinen sauva ajautuu kyllästymispisteeseen hieman ennen toista. Tämän seurauksena sauvojen ympärille käämittyyn mittauskelaan indusoituu jännite, joka on verrannollinen ulkoisen kentän arvoon. Kun vierekkäisten sauvojen magnetointikelat on käämitty vastakkaisiin suuntiin, kumoutuvat magnetointikelan aiheuttamat kentät ja saatava jännitesignaali riippuu vain ulkoisesta kentästä. /20/, /19/, /21/

Magnetometrilla (Magnetoscop 1.068, valmistaja Institut Dr.

Förster) voidaan mitata magneettikenttä alueella 1 nT ... 100

|iT. Magnetometriin on kytketty kenttäanturipari, jonka

48 anturit ovat tyypiltään Förster-antureita. Förster-anturissa on kaksi sauvan muotoista sydäntä. Kummallakin sauvalla on oma mittauskelansa, jotka on kytketty sarjaan /21/. Anturi mittaa akselinsa suuntaista kenttää. Laitteistossa käytetyn magnetometrin taajuusspektri mitattiin alueella 0__ 1 kHz.

Spektri oli tasainen koko taajuusalueella.

7.1.2 Laitteiston rakenne

Menetelmän periaate on samankaltainen kuin luvussa 6 esite­

tyssä magneettikentän takaisinkytkentämenetelmässä. Eroina ovat erilainen magneettikentän mittaustapa ja kentän mittaus magneetin ulkopuolella.

Kuvassa 23 on laitteiston lohkokaavio. Laitteiston osat ovat magnetometri, teholähde, elektroniikkayksikkö ja korjaus- kelasto. Kenttäanturi on sijoitettu magneetin läheisyyteen kahden päällekkäin käämityn Helmholtzin kelan sisään mahdol­

lisimman keskelle. Toinen kela on kenttätakaisinkytkentää varten. Toisella kumotaan maan magneettikenttä ja muut mahdolliset tasakentät mittauspisteessä.

Magneettikenttä pidetään mittauspisteessä vakiona takaisin­

kytkennän avulla ajamalla takaisinkytkentäkelaan virtaa.

Takaisinkytkentäkelan virtaan verrannollinen geometriatekijän mukaan säädetty virta ajetaan magneetin ympärille käämittyyn kompensointikelaan.

Teholähteestä (Oltronix Labpac B704DT) saadaan sekä elektro- niikkayksikön käyttöjännitteet että maan magneettikentän ja muiden tasakenttien, esimerkiksi magneetin hajakenttien, kumoamiseen tarvittava virta. Tasakenttien kumoamiseen tarvittava virta säädetään siten, että magnetometrin mittari- näyttö on nollassa. Tällöin mittari mittaa vain ulkopuolisia kenttähäiriöitä. Kun mittausjärjestelmästä on poistettu ylimääräiset muuttumattomat tasakentät, takaisinkytkennässä ja kenttäkorjauksessa tarvittavat virrat ovat mahdollisimman pieniä.