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Dokumentenidentifikation DE69829029T2 20.10.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000919825
Titel Kernspintomograph mit planarer Gradientenspulenanordnung
Anmelder Koninklijke Philips Electronics N.V., Eindhoven, NL
Erfinder Sementchenko, Mikhail G., St. Petersburg, RU
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69829029
Vertragsstaaten DE, FR, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.11.1998
EP-Aktenzeichen 983098062
EP-Offenlegungsdatum 02.06.1999
EP date of grant 16.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.10.2005
IPC-Hauptklasse G01R 33/385
IPC-Nebenklasse G01R 33/421   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz. Sie findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit Gradientenspulen für die Benutzung darin.

Die Magnetresonanzbildgebung (MRI) ist ein häufig eingesetztes Verfahren zur diagnostischen Bildgebung. Eine MRI-Vorrichtung enthält ein magnetisches Gerät zur Erzeugung eines sehr starken homogenen, statischen Magnetfelds. Eine so genannte „offene" Magnetanordnung enthält ein Paar Polschuhe, die auf gegenüberliegenden Seiten eines Bildgebungsbereichs angeordnet sind. Da es erforderlich ist, dem statischen Magnetfeld eine Reihe sich schnell ändernder Gradientenmagnetfelder aufzuerlegen, enthalten MRI-Systeme üblicherweise eine Gruppe von Gradientenspulen, die zwischen den Polschuhen und dem Bildgebungsbereich angeordnet sind, um die erforderlichen Gradienten normalerweise in orthogonaler x-, y- und z-Richtung zu erzeugen.

Leider induzieren die zeitvariablen Gradientenfelder Wirbelströme in elektrisch leitfähigen Materialien in der Nähe der Gradientenspulen, wie beispielsweise die Magnetpolschuhe. Diese Wirbelströme haben verschiedene schädliche Effekte, die vor allem schnellen Veränderungen in den Gradientenmagnetfeldern entgegenwirken. Die Wechselwirkungen zwischen dem Gradientenmagnetfluss und den Eisenpolschuhen kann während einer Änderung der Gradienten Feldtransienten verursachen. Außerdem erzeugen die Wirbelströme ein nicht homogenes Magnetfeld, das mit einer relativ langen Zeitkonstante abklingt, beispielsweise in einer Größenordnung von Hunderten von Millisekunden. Diese Effekte führen zu einer schlechteren Bildqualität und können die Bildgebung mittels relativ schneller Sequenzen schwierig, wenn nicht unmöglich machen.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um diese Effekte zu überwinden. Bei einem so genannten passiven Abschirmungsverfahren wurden Materialien mit wünschenswerten magnetischen Eigenschaften auf der Oberfläche der Polschuhe platziert, um dadurch den mit der Eisenmasse der Polschuhe gekoppelten Magnetfluss abzuschwächen. Es ist jedoch schwierig, Materialien mit geeigneten Eigenschaften zu finden, insbesondere bei höheren Feldstärken. Da der von den Gradienten erzeugte Magnetfluss dazu neigt, tief in die Polschuhe einzudringen, muss das Material relativ dick sein. Zudem werden die unerwünschten Effekte durch diesen Ansatz zwar verringert, aber nicht vollständig beseitigt.

Ein weiteres Verfahren bezieht sich auf die elektronische Kompensation der Wirbelstromeffekte. Aufgrund der Komplexität der verschiedenen Wechselwirkungen zwischen den Gradientenfeldern und den Polschuhen ist eine effiziente Kompensation schwierig. Außerdem berücksichtigt dieses Verfahren nicht die durch Gradienten induzierte Aufheizung der Polschuhe.

Ein wiederum anderes Verfahren wird in unserer US-amerikanischen Patentschrift 5.555.251 mit dem Titel Arrangement to Minimize Eddy Currents in MR Imagers beschrieben. Das dargelegte Verfahren beinhaltet die Verwendung einer Reihe elektrisch isolierter Schichten. Durch eine Reihe von Schlitzen werden die Wirbelströme in den Schichten weiter reduziert. Obwohl sich dieses Verfahren bei der Reduzierung von Wirbelstromeffekten als effizient erwiesen hat, sind weitere Verbesserungen nichtsdestoweniger wünschenswert.

Eine Lösung für die oben besprochenen Probleme wird mit einem Gerät wie in Anspruch 1 erzielt. Die Merkmale in der Einleitung zu Anspruch 1 sind in Kombination mit der Patentschrift US-A-5.581.187 bekannt.

Wege zur Ausführung der Erfindung werden nun anhand von Beispielen sowie unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Gerät für die Magnetresonanzbildgebung gemäß vorliegender Erfindung;

2 eine Seitenansicht, die die verschiedenen Schichten einer Gradientenspulenbaugruppe darstellt;

3 eine Einzelteilansicht einer Abschirmungsspule in der z-Achse;

4 eine Einzelteilansicht einer aktiven Spule in der z-Achse;

5 eine Einzelteilansicht einer Abschirmungsspule in der x-Achse;

6 eine Einzelteilansicht einer aktiven Spule in der x-Achse;

7 ist eine Seitenansicht, die den Zwischenraum zwischen den Schichten einer Gradientenspulenbaugruppe darstellt; und

8 die vertikalen Verbindungen zwischen den aktiven und den abschirmenden Schichten einer Gradientenspule in der x-Achse.

Bezug nehmend auf 1 enthält ein MRI-Gerät, das Bilder von der Anatomie eines Patienten 1 erzeugt, im Allgemeinen einen C-förmigen Magnetkörper. Der Patient 1 befindet sich im Bildgebungsbereich zwischen einem Paar sich gegenüberliegender Polschuhe 23. Eine Hauptmagnetfeldsteuerung 5 führt den mit jedem Pol verbundenen Treiberspulen 2 einen Erregerstrom zu, um so ein Hauptmagnetfeld Bo in der z-Richtung zu erzeugen. Hälse 4 verbinden die Polschuhe 23 mit dem Magnetkörper 3 und schaffen dadurch einen Rückweg durch den Magnetkörper.

Zwischen jedem Polschuh 23 und dem Bildgebungsbereich befindliche Gradientenspulenbaugruppen 6 erzeugen zeitvariable Gradientenmagnetfelder, vorzugsweise in drei orthogonalen Richtungen (z.B. x, y, z). Obwohl in 1 nur die untere Gradientenspulenbaugruppe gezeigt wird, ist anzumerken, dass eine zweite Gradientenspulenbaugruppe ähnlich im Verhältnis zum oberen Polschuh angeordnet ist, so dass die Spulen in Bezug auf das Bildgebungsvolumen symmetrisch positioniert sind. Anders ausgedrückt sind die obere und die untere Spulenbaugruppe symmetrisch in Bezug auf die Reflexion in der Ebene z = 0 angeordnet.

Die Gradientenspulenbaugruppen 6 sind im Wesentlichen planar und so positioniert, dass sie in der xy-Ebene liegen (z.B. senkrecht zum Hauptmagnetfeld Bo). Die jeweiligen Gradientenspulen werden durch eine Gradientenfeldsteuereinheit 9 erregt, die einen zu jeder Spule gehörenden Gradientenfeldverstärker enthält. Die Gradientenfeldsteuereinheit 9 wird wiederum durch einen Computer 11 gesteuert, um zeitvariable Gradientensequenzen zu erzeugen, die zur Ausführung einer gewünschten Magnetresonanzerregungs- und -detektionssequenz erforderlich sind.

Ferner enthält das Gerät ein HF-Spulensystem 7 mit einer Sende- und einer Empfangsspulenanordnung. Obwohl nur das untere HF-System 7 gezeigt wird, versteht es sich, dass ein zweiter Satz von HF-Spulen ähnlich im Verhältnis zum oberen Polschuh angeordnet ist, so dass die Spulen in Bezug auf das Bildgebungsvolumen symmetrisch positioniert sind. Die Spule 7 wird durch einen vom Computer 11 gesteuerten HF-Sender 15 erregt, um ein Hochfrequenzfeld anzulegen. Ferner enthält das HF-Spulensystem 7 eine HF-Empfangsspulenanordnung für den Empfang von Hochfrequenzsignalen, die von der im Körper des Patienten 1 erregten magnetischen Resonanz herrühren. Die erkannten Signale werden über einen Empfänger 19 an einen Bildgeber 21 weitergeleitet, der unter der Steuerung des Computers 11 das Signal verarbeitet, um ein Bild vom Körper des Patienten zu erstellen. Diese Signale werden wiederum an eine Anzeigevorrichtung 23 weitergeleitet, um eine visuell lesbare Anzeige des Bildes zu schaffen.

Bei Betrieb des Gerätes definiert das vom Magneten erzeugte starke Magnetfeld im Körper des Patienten 1 eine Gleichgewichtsachse magnetischer Ausrichtung. Um ein Bild des ausgewählten Bereichs zu erhalten, beispielsweise einer Querschnittschicht des Körpers, wird zunächst mit Hilfe des Spulensystems 7 ein HF-Feldimpuls an den Patienten angelegt, um im ausgewählten Bereich magnetische Resonanz zu erregen. Zu diesem Zweck erzeugt das Spulensystem 7 ein Feld orthogonal zur Richtung des statischen Felds, um die Spins der Kerne im ausgewählten Bereich aus der Richtung des statischen Felds zu kippen. Um die Erregung auf einen gewünschten Bereich zu begrenzen, wird der HF-Feldimpuls in Verbindung mit durch die Spulenanordnung 6 auferlegten Magnetfeldgradienten zugeführt, wobei die Frequenz des HF-Feldimpulses in Verbindung mit der Größe und der Richtung der auferlegten Gradienten gewählt wird, so dass die Larmorfrequenz von Protonen im Körper, z.B. Wasserstoffprotonen, nur im gewünschten Bereich der HF-Feldfrequenz entspricht.

Die aus der Erregung resultierenden HF-Signale werden dann räumlich codiert, indem ein oder mehrere weitere Gradientenmagnetfelder auf bekannte Weise angewendet werden, durch das HF-Spulensystem 7 erfasst werden und verarbeitet werden, um ein visuell lesbares Bild beispielsweise auf einem Monitor 24 zu erzeugen. Normalerweise ist eine Anzahl von Erregungs- und Signalerfassungssequenzen erforderlich, um genügend Daten für die Erzeugung eines zufrieden stellenden Bildes zu sammeln.

Jede Gradientenspulenbaugruppe 6 enthält Spulen zur Erzeugung von Gradienten in der x-, y- und z-Richtung. Bezug nehmend auf 2 liegt eine y-Achsen-Abschirmungsspule 30 dem Polschuh am nächsten, gefolgt von einer x-Achsen-Abschirmungsspule 32, einer z-Achsen-Abschirmungsspule 34, einer aktiven y-Achsen-Spule 36, einer aktiven x-Achsen-Spule 38 und einer aktiven z-Achsen-Spule 40. Die Spulenschichten sind durch eine Reihe elektrisch isolierender, dielektrischer Schichten (nicht gezeigt) voneinander getrennt.

Verschiedene Leiter der x-Achsen-Abschirmungsspule 32 sind durch vertikale elektrische Verbindungen, schematisch bei 44 dargestellt, mit Leitern der aktiven x-Achsen-Spule 40 verbunden, um eine Käfigstruktur zu bilden. Ähnlich sind verschiedene Leiter der y-Achsen-Abschirmungsspule 30 durch vertikale elektrische Verbindungen, schematisch bei 42 dargestellt, mit Leitern der aktiven y-Achsen-Spule 40 verbunden. Zwischen der z-Achsen-Abschirmungsspule 34 und der aktiven z-Achsen-Spule 36 befindet sich eine Kühlungsschicht 45, um die Gradientenspulenbaugruppe 6 zu kühlen. Die z-Achsen-Abschirmungsspule 34 und die aktive z-Achsen-Spule 36 sind mit der Baugruppe 6 in Reihe geschaltet, so dass sie durch den Gradientenverstärker in Reihe angesteuert werden.

Bezug nehmend auf die 3 und 4 enthalten die z-Achsen-Abschirmungsspule 34 und die aktive z-Achsen-Spule 36 jeweils zwei Schichten 46, 48 bzw. 60, 62. Jede Schicht besteht aus einer Kupferplatte und hat eine Stärke von 2 mm. Die Platten sind jeweils mit einer spiralförmigen Aussparung 35 versehen, so dass jede Schicht eine flache spiralförmige Windung bildet. Ferner haben die Platten Schlitze 37 mit einer Breite von etwa 1 mm durch die Kupferplatte. Die Schlitze erstrecken sich in Richtung des Stromflusses, um in der Spule durch Magnetfluss, der eine Komponente senkrecht zur Ebene der Spule hat, erzeugte Wirbelströme zu reduzieren.

Bezug nehmend auf 3 enthält die z-Achsen-Abschirmungsspule 34 eine erste und eine zweite Schicht 46 und 48, wobei die erste Schicht 46 näher am Polschuh liegt. Die Spulenschichten 46, 48 sind durch nicht leitende, dielektrische Schichten 50 voneinander getrennt. Das innere Ende 52 der ersten spiralförmigen Spulenschicht 46 ist durch eine Öffnung in der isolierenden Schicht mit dem inneren Ende 54 der zweiten spiralförmigen Spulenschicht 48 verschweißt, so dass die Schichten 46, 48 eine kontinuierliche spiralförmige Spule bilden. Die z-Achsen-Abschirmungsspule wird über elektrische Verbindungen an den Anschlüssen 56, 58 angesteuert.

Die erste Schicht 46 und die zweite Schicht 48 sind im Wesentlichen identisch, wobei die zweite abschirmende Schicht 48 in Bezug auf die erste Schicht 46 um die x-Achse „gekippt" ist, so dass die Schichten Spiegelbilder voneinander sind. Ein besonderer Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass unerwünschte radiale Stromkomponenten im Wesentlichen aufgehoben werden. Der Strom wird beispielsweise am äußeren Rand der ersten Schicht 46 am Anschlusspunkt 56 angelegt.

Aus der Perspektive der 3 gesehen fließt dieser Strom gegen den Uhrzeigersinn zur Mitte der ersten Schicht 46, wo die Spule mit der zweiten Schicht 48 verbunden ist. Dort fließt der Strom weiterhin gegen den Uhrzeigersinn, aber zum äußeren Rand der zweiten Schicht 48 und zum Anschlusspunkt 58. Da die radialen Komponenten der Ströme in der ersten Schicht 46 und der zweiten Schicht 48 gleich groß und entgegengesetzt sind, wird die unerwünschte radiale Stromkomponente wirksam aufgehoben.

Wie in 4 gezeigt, enthält die aktive z-Achsen-Spule 36 eine erste und eine zweite Schicht 60 und 62, wobei die erste Schicht 60 näher am Polschuh liegt. Wie bei der Abschirmungsspule 34 sind die erste und die zweite aktive Schicht 60 und 62 im Wesentlichen identisch. Die zweite aktive Schicht 62 ist in Bezug auf die erste Schicht 60 um die x-Achse „gekippt", so dass die Schichten Spiegelbilder voneinander sind. Die Spulenschichten 60, 62 sind durch nicht leitende, dielektrische Schichten 64 voneinander getrennt. Der Abgriff 66 im Inneren der spiralförmigen Spulenschicht 60 ist durch eine Öffnung in der isolierenden Schicht mit dem Abgriff 68 im Inneren der spiralförmigen Spulenschicht 62 verschweißt, so dass die Schichten 60, 62 eine kontinuierliche spiralförmige Spule bilden. Die z-Achsen-Abschirmungsspule 36 wird über elektrische Verbindungen an den Abgriffen 70, 72 angesteuert. Wie bei der z-Achsen-Abschirmungsspule 34 werden unerwünschte radiale Stromkomponenten im Wesentlichen aufgehoben.

Wie in 5 gezeigt, enthält die x-Achsen-Abschirmungsspule 32 eine erste und eine zweite Spulenschicht 74 und 76, wobei die erste Schicht 74 näher am Polschuh liegt. Jede Spulenschicht besteht aus einer Kupferplatte mit einer Stärke von 2 mm und bildet eine Vielzahl von Leitern. Ferner haben die Leiter Schlitze 33 durch die Kupferplatte, die etwa 1 mm breit sind und sich in Richtung des Stromflusses erstrecken. Die Schlitze befinden sich in Bereichen mit einer relativ vertikalen Flusskomponente, um in der Spule durch Magnetfluss, der eine Komponente senkrecht zur Ebene der Spule hat, erzeugte Wirbelströme zu reduzieren.

Die Spulenschichten 74, 76 sind durch nicht leitende, dielektrische Schichten 78 voneinander getrennt. Die zweite abschirmende Schicht 76 ist in Bezug auf die erste Schicht 74 um die x-Achse „gekippt", so dass die Schichten Spiegelbilder voneinander sind. Der Abgriff 80 auf der ersten Schicht 74 ist durch eine Öffnung in der isolierenden Schicht 78 mit dem Abgriff 82 auf der zweiten Schicht 76 verschweißt. In gleicher Weise ist der Abgriff 84 auf der ersten Schicht 74 mit dem Abgriff 86 auf der zweiten Schicht 76 verschweißt.

Ein Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass unerwünschte Stromkomponenten, insbesondere in Richtung senkrecht zum gewünschten Stromfluss, im Wesentlichen aufgehoben werden können. Der Strom wird beispielsweise an einen Leiter in einem spiralförmigen Bereich der ersten Abschirmungsspule 74 am Anschlusspunkt 79 angelegt. Aus der Perspektive der 5 gesehen fließt dieser Strom im Uhrzeigersinn zur Mitte des ersten spiralförmigen Bereichs und zum Anschlusspunkt 80, wo der Leiter in der ersten abschirmenden Schicht 74 mit einem Leiter in der zweiten abschirmenden Schicht 76 am Anschlusspunkt 82 verbunden ist. Dort fließt der Strom weiterhin im Uhrzeigersinn, aber zum äußeren Rand der zweiten Schicht 76 und zum Anschlusspunkt 81. Da die unerwünschten Stromkomponenten in der ersten Schicht 74 und der zweiten Schicht 76 gleich groß und entgegengesetzt sind, werden diese Komponenten wirksam aufgehoben. Diese Verbindungen ermöglichen es auch, die vier Schichten der x-Achsen-Gradientenspule als Käfig mit einem Eingangs- und einem Ausgangsanschluss zu konfigurieren.

Am äußeren Umfang der ersten und der zweiten Schicht 74 und 78 sind mehrere elektrische Anschlüsse 88 wie Abgriffe oder Finger angeordnet. Wie nachfolgend noch ausführlicher beschrieben, ermöglichen es diese Anschlüsse 88, die Leiter in den verschiedenen Schichten der x-Achsen-Spule in Reihe zu schalten.

Wie in 6 gezeigt, enthält die aktive x-Achsen-Spule 40 eine erste und eine zweite Schicht 90 und 92, wobei die erste Schicht 90 näher am Polschuh liegt. Jede Schicht besteht aus einer Kupferplatte mit einer Stärke von 2 mm und bildet eine Vielzahl von Leitern. Ferner haben die Platten Schlitze 33 mit einer Breite von etwa 1 mm durch die Leiter. Die Schlitze erstrecken sich in Richtung des Stromflusses, um in der Spule durch Magnetfluss, der eine Komponente senkrecht zur Ebene der Spule hat, erzeugte Wirbelströme zu reduzieren.

Die zweite aktive Schicht 92 ist in Bezug auf die erste Schicht 90 um die x-Achse „gekippt", so dass die Schichten Spiegelbilder voneinander sind. Die Spulenschichten 90, 92 sind durch nicht leitende, dielektrische Schichten 94 voneinander getrennt. Der Abgriff 96 auf der ersten Schicht 90 ist durch eine Öffnung in der isolierenden Schicht 94 mit dem Abgriff 98 auf der zweiten Schicht 92 verschweißt. Ähnlich ist der Abgriff 100 auf der ersten Schicht 90 mit dem Abgriff 102 auf der zweiten Schicht 92 verschweißt. Wie bei den ähnlichen Verbindungen auf der Abschirmungsspule machen es diese Verbindungen möglich, unerwünschte Stromkomponenten wirksam aufzuheben.

Am äußeren Umfang der ersten und der zweiten Schicht 90 und 92 sind mehrere elektrische Anschlüsse 104 wie Finger oder Abgriffe angeordnet.

Die Finger 104 und 88 an den Schichten der x-Achsen-Abschirmungsspule 32 bzw. an der aktiven x-Achsen-Spule 40 schaffen die vertikalen elektrischen Verbindungen, wie sie in 2 schematisch bei 44 dargestellt sind. Die Finger sind so angeordnet, dass sich nach Montage der Gradientenspule entsprechende Finger in derselben Winkelposition um den Spulenumfang herum befinden. Vorzugsweise sind die Finger umgebogen und zusammengeschweißt, um die erforderlichen Verbindungen zwischen den Schichten zu schaffen. Andere geeignete Verfahren wie einzelne Drähte, Leiter oder dergleichen können ebenfalls benutzt werden. Vorzugsweise ist der mittlere Strom in der xy-Richtung um den Umfang der Spulen herum im Wesentlichen Null.

In 8 sind die verschiedenen Verbindungen zwischen den verschiedenen Schichten der aktiven x-Achsen-Spule 40 und der x-Achsen-Abschirmungsspule 32 dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Spulen separat in Form einer Einzelteilansicht abgebildet. Über die bei 106 und 107 dargestellten elektrischen Anschlüsse wird Strom an die x-Achsen-Abschirmungsspule angelegt. Wie oben angemerkt, sind die Schichten miteinander verbunden, um eine Käfigstruktur mit einem einzelnen Paar elektrischer Anschlüsse 106, 107 zu bilden. Es ist zu beachten ist, dass das Anschlussschema auch auf Spulen mit einer beliebigen Anzahl von Leitern angewendet werden kann.

Zurückkehrend zu den 5 und 6 werden die bevorzugten Verbindungen zwischen der darin gezeigten x-Achsen-Abschirmung 32 und der aktiven Schicht 40 ausführlicher beschreiben. Die verschiedenen Anschlusspunkte sind mit unterstrichenen Bezugszeichen bezeichnet (z.B. 1, 2, 3, 4 ...). Anschlusspunkte mit den gleichen Bezugszeichen sind miteinander verbunden. So ist beispielsweise der Anschlusspunkt 2 auf der zweiten abschirmenden Schicht 76 elektrisch mit dem Anschlusspunkt 2 auf der aktiven Schicht 90 verbunden, der Anschlusspunkt 118 auf der aktiven Schicht 92 ist elektrisch mit dem Anschlusspunkt 118 auf der ersten abschirmenden Schicht 74 verbunden, und so weiter.

Elektrische Verbindungen zur Gradientenstromquelle können vorteilhafterweise an den Anschlusspunkten 0 und 129 auf der zweiten aktiven Schicht 92 vorhanden sein, wobei es sich versteht, dass eine Unterbrechung in der Spule eine direkte elektrische Verbindung zwischen diesen beiden Punkten verhindert. Ein an Punkt 0 in die Spule fließender Strom lässt sich bildlich als durch die Spule zum Punkt 1, dann zum Punkt 2, dann zum Punkt 3 und so fortlaufend weiter bis zum Punkt 129 fließend darstellen.

Anzumerken ist, dass innerhalb jeder Schicht 74, 76, 90, 92 der Strom in den zentralen Leitern in derselben Richtung fließt. Ähnlich fließt der Strom in den zentralen Leitern der aktiven Schichten 90, 92 in derselben Richtung. Desgleichen fließt der Strom in den zentralen Leitern der abschirmenden Schichten 74, 76 in derselben Richtung, obwohl diese Richtung entgegengesetzt zu der in den aktiven Schichten 90, 92 ist.

Es ist außerdem zu beachten, dass die Käfigverbindungen in jeder der aktiven Schichten über vertikale Verbindungen mit den Käfigverbindungen in einer entsprechenden abschirmenden Schicht verbunden sind. So ist zum Beispiel die erste aktive Schicht 90 an den Punkten 2 bis 62 mit der zweiten abschirmenden Schicht 76 verbunden.

Auf ähnliche Weise ist die zweite aktive Schicht 92 an den Punkten 64 bis 126 mit der ersten abschirmenden Schicht 74 verbunden.

Der Strom in den vertikalen Verbindungen zwischen der ersten aktiven Schicht 90 und der zweiten abschirmenden Schicht 76 sowie zwischen der zweiten aktiven Schicht 92 und der ersten abschirmenden Schicht 74 fließt in derselben Richtung. Daher ist es nicht notwendig, die vertikale Komponente des Stroms zu neutralisieren. Gleichzeitig haben die horizontalen Komponenten des Stroms in den vertikalen Verbindungen zwischen der ersten aktiven Schicht 90 und der zweiten abschirmenden Schicht 76 sowie zwischen der zweiten aktiven Schicht 92 und der ersten abschirmenden Schicht 74 eine entgegengesetzte Richtung. Deshalb werden die horizontalen Komponenten des Stroms aufgehoben.

Die vorhergehende Erläuterung konzentrierte sich zwar auf die x-Spule, sie ist aber in gleicher Weise auch auf die y-Spule anwendbar.

Die vertikalen Verbindungen verhindern, dass sich der Rückfluss über die Ränder der Spule hinaus erstreckt. Insbesondere verbinden die vertikalen Drähte jeweilige Drähte in der aktiven Spule und der Abschirmungsspule auf eine solche Weise, dass die Summe des Stroms in der x- und y-Ebene (d.h. die horizontale Komponente des Stroms) an jeder Position x, y entlang des äußeren Umfangs der Spulen so nahe wie möglich bei Null

wobei p die Gesamtanzahl der aktiven und abschirmenden x-Schichten ist.

Die Betriebseigenschaften des Gradientenspulensystems hängen von einer Reihe voneinander abhängiger Variablen ab. Insbesondere ist es wünschenswert, dass die Steigung des Magnetfeldgradienten über den gesamten Bildgebungsbereich konstant ist.

Beispielsweise muss das x-Gradientenfeld dem Verhältnis folgen:

wobei k eine Konstante ist, die gleich der erwünschten Gradientenfeldstärke ist.

Um die Stromversorgungsanforderungen des Gradientenverstärkers zu minimieren und die Gradientenanstiegsgeschwindigkeit zu maximieren, ist es ferner wünschenswert, dass die in den Gradientenspulen gespeicherte Energie so gering wie möglich ist. Anders ausgedrückt ist es wünschenswert, dass die Induktivität der Gradientenspulen so gering wie möglich ist.

Eine maximale Abschirmungsleistung erfordert, dass die gestreute Flussdichte Bs, die mit dem Eisen des Polschuhs gekoppelt ist, so gering wie möglich ist. Daher gilt Bs → 0

Es ist jedoch anzumerken, dass eine praktische Spule einen Kompromiss zwischen diesen Anforderungen darstellt. Beispielsweise ist die Abschirmungsspule so konfiguriert, dass sie den Rückfluss zwischen der aktiven Spule und der Abschirmungsspule laufen lässt. Natürlich beeinflusst der Strom in den Leitern der Abschirmungsspule das Gradientenfeld im Bildgebungsvolumen. Dieser Effekt kann durch die Konfiguration der Leiter in der aktiven Schicht korrigiert werden. Diese Korrekturen wiederum verursachen ein Streuen des Flusses in die Polschuhe. Um diesen Streufluss zu kompensieren, muss die Konfiguration der Abschirmungsspule geändert werden, und so weiter.

Auf ähnliche Weise verursacht eine Erhöhung der Abschirmungswirkung einen Anstieg der Flussdichte in bestimmten Bereichen sowohl zwischen den Schichten als auch auf Seiten des Bildgebungsvolumens der Spule. Dies erhöht die Spuleninduktivität. Um die Linearität des Gradientenfelds innerhalb des Bildgebungsvolumens zu verbessern, muss die Form der Leiter (insbesondere in den aktiven Schichten) so verändert werden, dass sich die Spuleninduktivität erhöht.

Daher wird die Konfiguration der Spule vorzugsweise mit Hilfe eines numerischen Optimierungsverfahrens optimiert. Um die Komplexität der Optimierung zu reduzieren und unerwünschte sphärische Oberwellen aus der Gradientenfeldzerlegung zu entfernen, wird die Form aller Leiter in den aktiven oder abschirmenden Schichten durch eine Stromverteilungsfunktion V(r) ausgedrückt, wobei r der Radius eines Punkts auf einer Schicht ist.

Die Funktion V(r) beschreibt die Leiter wie folgt. Die Grenze zwischen zwei benachbarten Leitern ist die Vielzahl von Punkten, die den Ausdruck U(r,&phgr;) = V(r) cos(m&phgr;) erfüllt, wobei m = 0 für die z-Spule und m = 1 für die x-Spule gilt, und &phgr; die Winkelposition zur xy-Ebene ist.

Eine numerische Optimierung wird verwendet, um die Funktion V(r) mit Hilfe der Kostenfunktion zu bestimmen: C(Va,Vs) = aLCL(Va,Vs) + aSCS(Va,Vs) + aEE(Va,Vs) wobei Va die Stromverteilungsfunktion in der aktiven Schicht ist, und Vs die Stromverteilungsfunktion in der abschirmenden Schicht ist.

CL(Va,Vs) ist eine Kostenfunktionskomponente, die mit der Nichtlinearität des Gradientenfelds im Bildgebungsvolumen zusammenhängt, CS(Va,Vs) ist eine Kostenfunktionskomponente, die mit dem den Polschuh berührenden Streufluss zusammenhängt, und E(Va,Vs) ist die gesamte magnetische Energie. Die Koeffizienten aL, aS und aE definieren die relative Bedeutung von jedem der Terme in der Kostenfunktion.

Die Kostenfunktionskomponente CL(Va,Vs) ist wie folgt definiert:

wobei

Bl = Gz R sin(&agr;i) für den z-Gradienten steht,

Bl = GxRcos(&agr;i) für den x-Gradienten steht,

Gz und Gx die erforderlichen Gradientenstärken sind,

R der Radius des Bildgebungsvolumens ist, und

&agr;i eine Reihe gleichmäßig oder fast gleichmäßig verteilter m Winkel zwischen 0 und &pgr;/2 ist.

Die Kostenfunktionskomponente CS(Va,Vs) ist wie folgt definiert:

wobei &rgr;i eine Reihe von n Punkten ist, die sich auf der Oberfläche des Polschuhs entlang der x-Achse befinden. Diese Punkte sind gleichmäßig oder fast gleichmäßig verteilt.

Die Berechnung kann unter Verwendung herkömmlicher Finite-Elemente-Software oder anderer ähnlicher Berechnungsverfahren erfolgen. Dieselbe Software kann auch zur Berechnung der gesamten magnetischen Energie benutzt werden. Die Werte von CL(Va,Vs) und CS(Va,Vs) werden durch direkte Berechnung der Flussdichten an n + m Punkten ermittelt, die durch die in den Funktionen Va und Vs beschriebene Stromverteilung erzeugt werden. Geeignete Werte für die Koeffizienten aL, aS und aE sind beispielsweise wie folgt:

Die obige Erläuterung konzentrierte sich auf die Gradientenspulen für die x-Richtung. Es ist anzumerken, dass die Abschirmungsspulen 30 und aktiven Spulen 38 in der y-Achse im Wesentlichen identisch mit der Konstruktion der entsprechenden x-Achsenspulen sind, obwohl sie um neunzig Grad (90°) um die z-Achse gedreht sind, um einen Gradienten in der y-Richtung zu schaffen.

7 zeigt eine Seitenansicht, die den Abstand in Millimetern zwischen den verschiedenen Schichten der mit dem oberen Polschuh und der Magnetmitte zusammenhängenden Gradientenbaugruppe 6 darstellt, wobei anzumerken ist, dass diese Abstände gleichermaßen auch für die Abstände der unteren Gradientenbaugruppe gelten.

Ein besonderer Vorteil der in 7 dargestellten Spulenanordnung besteht darin, dass die Empfindlichkeiten der verschiedenen Spulen ungefähr gleich sind, so dass bei gleichem Ansteuerungsstrom jede Spule ein ungefähr gleiches Gradientenfeld erzeugt. Bei einem gegebenen Abstand zwischen den aktiven und den abschirmenden Schichten hätten die z-Achsenspulen eine größere Empfindlichkeit als die x-Achsen- und y-Achsenspulen. Daher ist es vorteilhaft, dass die z-Achsenschichten innerhalb der x-Achsen- und y-Achsenschichten angeordnet sind. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen der x-Achse und der y-Achse relativ größer als der Abstand zwischen den z-Achsenschichten. Auf ähnliche Weise haben die x-Achsenspule und die y-Achsenspule einen gleichen Abstand, so dass jede im Wesentlichen den gleichen Wirkungsgrad hat.

Ein Gradientenspulensystem, wie es hier beschrieben ist, hat gezeigt, dass es Gradientenfelder in einem System liefern kann, bei dem der Gesamtabstand zwischen den Polen 500 mm beträgt und das Bildgebungsvolumen eine Kugel mit einem Radius von 360 mm ist. Der Gesamtdurchmesser des Gradientensatzes beträgt 890 mm, und die Dicke jeder Gradientenbaugruppe 6 beträgt 50 mm. Weitere hervorstechende Eigenschaften sind nachstehend aufgeführt:

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist offensichtlich, dass dem Fachmann nach der Lektüre und dem Verstehen der vorhergehenden Beschreibung Abwandlungen und Abänderungen einfallen werden. Die Erfindung ist daher so auszulegen, dass sie alle derartigen Abwandlungen und Abänderungen insofern beinhaltet, als sie im Rahmen der angefügten Ansprüche oder Entsprechungen davon liegen. Text in den Figuren Figur 1 Main magnetic field control Hauptmagnetfeldsteuerung Gradient field control Gradientenfeldsteuerung RF transmitter HF-Sender Imager Bildgeber Receiver Empfänger Control computer Steuerungscomputer
Figur 7 shield Abschirmung Cooling system Kühlsystem active aktiv


Anspruch[de]
  1. Gerät für die Benutzung in der Magnetresonanzbildgebung, das Folgendes umfasst:

    ein Paar gegenüberliegender Polschuhmagneten mit einem ersten und einem zweiten Polschuh (23), die an gegenüberliegenden Seiten eines Untersuchungsbereichs angeordnet sind, um ein Hauptmagnetfeld innerhalb des Untersuchungsbereichs zu erzeugen,

    und weiter umfassend eine erste, im Allgemeinen planare Gradientenspulenanordnung (40, 32),

    wobei die erste Gradientenspulenanordnung einen Außenumfang hat und zwischen dem ersten Polschuh und dem Untersuchungsbereich angeordnet ist,

    die erste Gradientenspulenanordnung eine aktive Spule (40) und eine Abschirmungsspule (32) umfasst, die in jeweiligen Ebenen senkrecht zum genannten Hauptmagnetfeld liegen, wobei die Abschirmungsspule zwischen der aktiven Spule und dem ersten Polschuh angeordnet ist, und die aktive Spule und die Abschirmungsspule an einer Vielzahl von Stellen entlang des äußeren Umfangs der Gradientenspulenanordnung elektrisch verbunden sind (42, 44),

    dadurch gekennzeichnet, dass

    die aktive Spule (40) und die Abschirmungsspule (32) weiterhin eine jeweilige erste Schicht (90, 74) und eine jeweilige zweite Schicht (92, 76) umfassen, die jeweils Spiegelbilder voneinander an einer Achse senkrecht zu dem von den Polschuhmagneten erzeugten Hauptmagnetfeld sind.
  2. Gerät für die Benutzung in der Magnetresonanzbildgebung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gradientenspulenanordnung ein erstes Gradientenmagnetfeld in einer Richtung orthogonal zum Hauptmagnetfeld erzeugt, und

    dass es eine weitere im Allgemeinen planare Gradientenspulenanordnung (38, 30) zur Erzeugung eines zweiten Gradientenmagnetfelds in einer Richtung orthogonal zum Hauptmagnetfeld gibt,

    wobei die weitere Gradientenspulenanordnung einen Außenumfang hat und zwischen dem ersten Polschuh und dem Untersuchungsbereich angeordnet ist,

    die weitere Gradientenspulenanordnung eine aktive Spule (38) und eine Abschirmungsspule (30) umfasst, die in jeweiligen Ebenen senkrecht zum genannten Hauptmagnetfeld liegen, wobei die Abschirmungsspule (30) zwischen der aktiven Spule (38) und dem ersten Polschuh angeordnet ist, und die aktive Spule (38) und die Abschirmungsspule (30) an einer Vielzahl von Stellen entlang des äußeren Umfangs der Gradientenspulenanordnung elektrisch verbunden sind,

    die aktive Spule und die Abschirmungsspule der weiteren Gradientenspulenanordnung weiterhin beide eine jeweilige erste Schicht und eine jeweilige zweite Schicht umfassen, die jeweils Spiegelbilder voneinander an einer Achse senkrecht zu dem von den Polschuhmagneten erzeugten Hauptmagnetfeld sind.
  3. Gerät für die Benutzung in der Magnetresonanzbildgebung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Spule (38) der weiteren Gradientenspulenanordnung zwischen der aktiven Spule (40) der ersten Gradientenspulenanordnung und dem ersten Polschuh angeordnet ist.
  4. Gerät für die Benutzung in der Magnetresonanzbildgebung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmungsspule (30) der weiteren Gradientenspulenanordnung zwischen der Abschirmungsspule (32) der ersten Gradientenspulenanordnung und dem ersten Polschuh angeordnet ist.
  5. Gerät für die Benutzung in der Magnetresonanzbildgebung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin ein dritte Gradientenspulenanordnung (36, 34) zur Erzeugung eines dritten Gradientenmagnetfelds in einer Richtung parallel zu dem von dem ersten und dem zweiten Polschuh erzeugten Hauptmagnetfeld, wobei die dritte Gradientenspulenanordnung zwischen der aktiven Spule (38) der weiteren Gradientenspulenanordnung und der Abschirmungsspule (32) der ersten Gradientenspulenanordnung angeordnet ist.
  6. Gerät für die Benutzung in der Magnetresonanzbildgebung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

    die dritte Gradientenspulenanordnung eine aktive Spule (36) und eine Abschirmungsspule (34) umfasst, wobei die Abschirmungsspule (34) zwischen der aktiven Spule (36) und dem ersten Polschuh angeordnet ist,

    die aktive Spule und die Abschirmungsspule weiterhin eine jeweilige erste Schicht (46, 60) und eine jeweilige zweite Schicht (48, 62) umfassen, die jeweils Spiegelbilder voneinander an einer Achse senkrecht zu dem von den Polschuhmagneten erzeugten Hauptmagnetfeld sind.
  7. Gerät für die Benutzung in der Magnetresonanzbildgebung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen ersten und zweiten Schichten (90, 92, 74, 76, 46, 48, 60, 62) planare Leiter mit hierdurch verlaufenden Schlitzen sind, wodurch durch Magnetfluss, der eine Komponente senkrecht zur Ebene der Gradientenspule hat, erzeugte Wirbelströme reduziert werden.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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