DE10048340A1 - Magnetresonanzapparatur - Google Patents

Abstract

Ein Kernspintomograph oder eine bildgebende Magnetresonanzapparatur (1) weist einen Magneten (3) auf, der mittels eines Isolationssystems (17) von einer umgebenden Struktur, insbesondere von einem Gebäudeboden (15), schwingungsisoliert ist. Das Isolationssystem (17) weist ein aktiv gesteuertes Isolationsmodul (23) auf, das vorzugsweise zur Dämpfung von nicht-akustischen Schwingungen, insbesondere von Schwingungen mit einer Frequenz von weniger als 50 Hz, ausgelegt ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist außerdem ein passives Isolationsmodul (21) mit einem schwingungsdämpfenden Material (D) vorhanden. Mit dem Isolationssystem (17) ist eine besonders starke Isolation des Magneten (3) von der umgebenden Struktur erzielbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine bildgebende Magnetresonanzappara­ tur mit einem Magneten.

Bildgebende Magnetresonanzapparaturen oder Kernspintomo­ graphen weisen einen Magneten auf zur Erzeugung eines kon­ stanten Magnetfelds, beispielsweise eine Elektromagnetspule. Zur Anregung der Atomkerne erforderliche elektromagnetische Wellen werden von Hochfrequenzspulen erzeugt, die gepulste Wellen aussenden. In den Pausen empfangen sie ein von den an­ geregten Atomkernen ausgesandtes Kernspinresonanzsignal. Um mehrdimensionale Körperschnitte bildlich darstellen zu kön­ nen, muss der Ort des Ursprungs der ausgesandten Welle be­ stimmt werden. Dazu erzeugt man zusätzlich zu dem konstanten Magnetfeld ein weiteres Magnetfeld, das an jedem Ort eine an­ dere Größe besitzt. Dieses weitere Magnetfeld wird von einer sog. Gradientenspule erzeugt. Die empfangenen Kernspinreso­ nanzsignale werden einem Computer zugeführt, in dem die Daten zu einem Bild zusammengefügt werden.

Die Anforderungen an die zeitliche Stabilität des räumlich konstanten Magnetfelds sind sehr hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bildgebende Magnetresonanzapparatur mit einem Magneten anzugeben, bei der das von dem Magneten erzeugte konstante Magnetfeld zeitlich besonders stabil ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die Magnetresonanzapparatur ein Isolationssystem zur Schwin­ gungsisolation des Magneten von einer umgebenden Struktur, insbesondere von einem Gebäudeboden, aufweist, wobei das Iso­ lationssystem ein aktiv gesteuertes Isolationsmodul aufweist.

Dabei geht die Erfindung von folgender Überlegung aus:
Der Magnet ist bei einer bestimmten Resonanzfrequenz zu einer Eigenschwingung anregbar. Die Resonanzfrequenz liegt übli­ cherweise unter 100 Hz, z. B. bei 16 Hz bei einem C-förmigen Permanent-Magneten mit einer stimmgabelförmigen Struktur. Be­ reits eine Störschwingung, z. B. eine Gebäudeschwingung, von 65 bis 75 dB unter der Erdbeschleunigung (g) würde diese Re­ sonanz so stark anregen, dass die Untersuchungen gestört wür­ den. Hierbei ist primär die vertikale Komponente der Schwin­ gung störend.

Die Erfindung geht weiterhin von der Überlegung aus, dass al­ lein eine passive Schwingungsisolation für eine bildgebende Magnetresonanzapparatur nicht ausreicht. Dies liegt daran, dass eine passive Schwingungsisolation nur für einen be­ stimmten, unveränderlichen Frequenzbereich ausgeführt werden kann, indem die Resonanzfrequenz des passiven Schwingungsiso­ lationssystems entsprechend weit von dem gewünschten Bereich entfernt gewählt wird. Beispielsweise müsste ein passives Schwingungsisolationssystem auf eine sehr kleine Resonanz­ frequenz von ca. < 4 Hz abgestimmt werden, um im Bereich der Eigenschwingung von 16 Hz des Magneten hinreichend zu isolie­ ren. Dies würde aber dazu führen, dass das passive Schwin­ gungsisolationssystem z. B. durch die Lagerung des Patienten in der Magnetresonanzapparatur zum Schwingen gebracht würde. Diese Schwingungen würden ebenfalls zu einer Störung des Mag­ netfeldes führen, insbesondere wenn Eisen in der Umgebung vorhanden ist.

Für eine harte Ausführung eines passiven Schwingungsisola­ tionssystems spräche nicht nur die gewünschte Vermeidung der von Patienten erzeugten Schwingungen. Außerdem würde für eine harte Ausführung auch sprechen, dass die z. B. von einer Ex­ pansionskältemaschine zur Kühlung von supraleitenden Magneten (sog. "Kaltkopf") erzeugten Impulse im Hertz- oder Subhertz­ bereich in den Boden eingeleitet werden sollen, um den Magneten nicht zu stören. Bei der Expansionskältemaschine bildet der Verdrängerkolben eine beschleunigte Masse von ca. 1,5 kg, die sich etwa alle 0,5 Sekunden ca. 10 cm hin und her bewegt. Auch die von der Gradientenspule nach dem Lautsprecherprinzip verursachten Schwingungen sollten unterdrückt werden. Die hierzu erforderliche harte Ausführung eines passiven Schwin­ gungsisolationssystems würde jedoch der Forderung nach aus­ reichender Schwingungsisolation im Resonanzbereich des Magne­ ten zuwiderlaufen.

Zur Lösung dieses Konflikts ist gemäß der Erfindung ein aktiv gesteuertes Isolationsmodul vorhanden. Dieses ist flexibel bei Schwingungen unterschiedlicher Frequenz betreibbar.

Vorzugsweise ist das Isolationssystem in einem zum Abstützen des Magneten auf der umgebenden Struktur vorhandenen Fuß in­ tegriert oder an dem Fuß anbringbar ausgeführt. Durch eine derartige Integration bzw. Anbringung ist der Fertigungsauf­ wand für das Isolationssystem gering und es ist eine beson­ ders effiziente Schwingungsisolation erreicht.

Nach einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung. umfasst das Isolationssystem ein passives Isolationsmodul, das vor­ zugsweise ein schwingungsdämpfendes Material, insbesondere Gummi, und/oder ein Federelement aufweist.

Die Kombination eines aktiv gesteuerten Isolationsmoduls mit einem passiven Isolationsmodul ist besonders vorteilhaft zur Schwingungsunterdrückung bei einer Magnetresonanzapparatur, da hierbei Störschwingungen in einem sehr weiten Frequenz­ bereich auftreten, der bereits unter 1 Hz beginnt und bis in den Kilohertzbereich reicht. Schwingungen im Kilohertzbe­ reich, die zu störendem Lärm führen, werden auch von der Gra­ dientenspule erzeugt.

Der von der Gradientenspule erzeugte hörbare Lärm sollte nicht in die umgebende Struktur oder das Gebäude eingekoppelt werden. Hierzu ist das passive Isolationsmodul vorzugsweise zur Dämpfung von akustischen Schwingungen, insbesondere von Schwingungen mit einer Frequenz von mehr als 50 Hz, ausge­ legt.

Besonders bevorzugt ist das aktiv gesteuerte Isolationsmodul zur Dämpfung von nicht-akustischen Schwingungen, insbesondere von Schwingungen mit einer Frequenz von weniger als 50 Hz ausgelegt.

Es ist also möglich, dass passive Isolationsmodul und das ak­ tiv gesteuerte Isolationsmodul zur Schwingungsisolation in unterschiedlichen Frequenzbereichen zu optimieren. Beispiels­ weise ist das passive Isolationssystem dahingehend optimiert, Schwingungen des Magneten im hörbaren Frequenzbereichen nicht in die umgebende Struktur oder das Gebäude einzukoppeln. Das aktiv gesteuerte Isolationsmodul ist beispielsweise dahin­ gehend optimiert, den Magneten gegen die Schwingungen der um­ gebenden Struktur oder des Gebäudes im niederen Frequenz­ bereich zu isolieren.

Insbesondere ist das aktiv gesteuerte Isolationsmodul zur Dämpfung von Schwingungen im Bereich einer Resonanzfrequenz des Magneten hergerichtet. Zur Realisierung dieser Dämpfung kann das aktiv gesteuerte Schwingungssystem besonders gut op­ timiert werden, falls gleichzeitig ein passives Isolations­ modul vorhanden ist. Mit dem aktiv gesteuerten Isolations­ modul ist eine besonders hohe Dämpfung bei der Resonanzfre­ quenz des Magneten erreichbar, so dass eine besonders hohe zeitliche Stabilität des von dem Magneten erzeugten konstan­ ten Magnetfelds erreicht ist.

Nach einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform ist das aktiv gesteuerte Isolationsmodul als Stellglied in einen Regelkreis integriert, der einen Sensor aufweist. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, Störschwingungen mit vari­ ierender Frequenz und Amplitude zuverlässig zu unterdrücken.

Vorzugsweise ist der Sensor als Beschleunigungsaufnehmer und/oder als Detektor zur Messung mechanischer Spannung und/oder als Detektor zur Messung einer mechanischen Auslen­ kung ausgebildet.

Mit besonderem Vorteil ist der Sensor am Magneten oder in seiner Nähe angebracht. Damit ist das aktiv gesteuerte Isola­ tionsmodul gezielt auf die am Magneten ankommenden Stör­ schwingungen einstellbar.

Vorzugsweise sind das aktiv gesteuerte Isolationsmodul und das gegebenenfalls vorhandene passive Isolationsmodul stapel­ artig übereinander angeordnet und/oder in den Fuß integriert.

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist ein weite­ res passives Isolationsmodul, z. B. ein Federelement, vorhan­ den, das parallel zum aktiv gesteuerten Isolationsmodul und/oder zum passiven Isolationsmodul wirkt. Dadurch ist in vorteilhafter Weise ein Teil einer statischen Last, z. B. be­ dingt durch die Masse des Magneten, aufnehmbar oder tragbar.

Vorzugsweise ist der Sensor am Stellglied oder in seiner Nähe angebracht. Insbesondere bei der genannten stapelartigen An­ ordnung der beiden Isolationsmodule ergibt sich dabei der Vorteil, dass der Einfluss des passiven Isolationsmoduls auf den Regelkreis direkt erkennbar ist.

Das als Stellglied fungierende aktiv gesteuerte Isolationsmo­ dul weist vorzugsweise einen piezoelektrischen Aktuator auf. Damit ist das aktiv gesteuerte Isolationsmodul über einen weiten Frequenzbereich bis hin zu Kilohertz betreibbar.

Ein Ausführungsbeispiel einer Magnetresonanzapparatur nach der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 2 nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Magnetresonanzapparatur nach der Erfindung in einer schematischen Gesamtdarstellung und

Fig. 2 einen Fuß der Magnetresonanzapparatur der Fig. 1 in einer vergrößerten Darstellung.

In stark vereinfachter Weise zeigt Fig. 1 eine Magnetreso­ nanzapparatur 1 mit einem Magneten 3 zur Erzeugung eines zeitlich und räumlich konstanten Magnetfelds und mit einer Gradientenspule 5 zur Erzeugung eines Magnetfelds räumlich variierender Stärke. Der Magnet 3 und die Gradientenspule 5 schließen einen Patientenraum 7 ein, in welchem eine Kern­ spintomographenuntersuchung durchführbar ist.

Die Magnetresonanzapparatur 1 weist eine Expansionskältema­ schine 9 ("Kaltkopf") zur Kühlung des supraleitenden Magneten 3 auf. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine weitere Expansionskältemaschine 11 vorhanden sein, die unter 30° be­ züglich einer Vertikalen ausgerichtet ist. In den Expansions­ kältemaschinen 9, 11 bewegt sich ein Verdrängerkolben als be­ schleunigte Masse von ca. 1,5 kg etwa alle 0,5 Sekunden ca. 10 cm - vertikal bzw. bezüglich einer Vertikalen geneigt - hin und her. Der dabei entstehende Rückstoß (Impuls) wird auf den Magneten 3 übertragen.

Von der Gradientenspule 5 werden gemäß dem Lautsprecher­ prinzip sehr komplexe Schwingungen verursacht. Diese Schwin­ gungen variieren je nach Untersuchungsmethode in ihrer Fre­ quenz und reichen bis in den Kilohertzbereich. Auch die Schwingungsrichtungen sind nicht auf die Vertikale be­ schränkt, sondern es werden auch Schwingungen parallel zum Gebäudeboden 15 angeregt. Vor allem bei dem dargestellten zy­ linderförmigen Magneten 3 treten diese Schwingungen besonders stark auf, da hierbei die Gradientenspule 5 besonders schwer ist.

Die Magnetresonanzapparatur 1 ist mit Füßen 13, 14 auf dem Gebäudeboden 15 abgestützt.

Ein solcher Fuß 14 ist in Fig. 2 vergrößert dargestellt. Zwischen dem Fuß 14 und dem Gebäudeboden 15 ist formschlüssig mit dem Fuß 14 ein Isolationssystem 17 eingebracht. Das Iso­ lationssystem 17 ist am Fuß 14 befestigt.

Das Isolationssystem 17 zur Schwingungsisolation des Magneten 3 vom Gebäudeboden 15 weist sowohl ein aktiv gesteuertes Iso­ lationsmodul 23 als auch ein passives Isolationsmodul 21 auf.

Das passive Isolationsmodul 21 ist aus schwingungsdämpfendem Material D, insbesondere Gummi, gefertigt und mit seiner Re­ sonanzfrequenz auf ca. 15 Hz abgestimmt. Durch das passive Isolationsmodul 21 ist sichergestellt, dass Schwingungen des Magneten 3 oder der Gradientenspule 5 im hörbaren Frequenzbe­ reich nicht in das Gebäude eingekoppelt werden. Das passive Isolationsmodul 21 kann auch als Federlagerung oder als Gum­ mimatte mit einer Einfederung von ca. 2 mm ausgebildet sein. Die Härte des Gummi und somit seine Resonanzfrequenz ist der­ art gewählt, dass der Impuls der Expansionskältemaschine 9, 11 keine Artefakte verursacht.

Zur Isolation des Magneten 3 gegen Schwingungen des Gebäudes ist das aktiv gesteuerte Isolationsmodul 23 zur Dämpfung von Schwingungen in Frequenzbereich zwischen 1 und 40 Hz ausge­ legt. Das aktiv gesteuerte Isolationsmodul 23 ist als Stell­ glied in einen Regelkreis 31 integriert, der Bestandteil des Isolationssystems 17 ist. Das aktiv gesteuerte Isolationsmo­ dul 23 ist als piezoelektrischer Aktuator mit einem piezo­ elektrischen Kristall P ausgebildet.

Der Regelkreis 31 weist außerdem einen Sensor 33 auf, der als Beschleunigungssensor ausgebildet und am Fuß 14 befestigt ist. Alternativ oder zusätzlich könnte der Sensor 33 oder ein anderer Sensor 34 auch am Magneten 3 (siehe Fig. 1) oder am piezoelektrischen Aktuator des aktiv gesteuerten Isolations­ moduls 23 angeordnet sein. Im letztgenannten Fall ist es auch von Vorteil, falls der Sensor 33 zur Messung der mechanischen Spannung am Aktuator ausgebildet und am Aktuator befestigt ist. Der Sensor 33 kann dann z. B. ein Dehnungsmessstreifen sein.

Durch phasenrichtige Längenänderung des Stellglieds ist er­ reicht, dass der Sensor 33 und somit auch der Fuß 14 mit dem Isolationssystem 17, während der Magnetresonanz-Bildgebung in Ruhe ist.

Die Messung der mechanischen Spannung direkt am Aktuator hat außerdem den Vorteil, dass der Einfluss des schwingungs­ dämpfenden Materials D auf den Regelkreis 31 direkt erkennbar ist.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 33 ein Accelerometer und als Piezokristall mit aufgeklebter Masse ausgebildet.

Der Sensor 33 ist über eine Messleitung 35 mit einer Auswer­ te- und Steuereinrichtung 37 verbunden, die ihrerseits über eine Steuerleitung 39 mit dem aktiv gesteuerten Isolationsmo­ dul 23 in Verbindung steht, so dass eine geschlossene Regel­ schleife gebildet ist.

Das aktiv gesteuerte Isolationsmodul 23 und der Regelkreis 31 sind besonders zur Dämpfung von Schwingungen im Bereich einer Resonanzfrequenz des Magneten 3 hergerichtet. Die Resonanz­ frequenz kann gemäß einem anderen Beispiel für einen C-förmi­ gen Magneten etwa 16 Hz betragen. Durch die hierauf optimier­ te Ausrichtung des aktiv gesteuerten Isolationsmoduls 23 und des Regelkreises 31 ist eine sowohl flexible als auch starke und zuverlässige Schwingungsisolation des Magneten 3, insbe­ sondere gegen Schwingungen des Gebäudes, gewährleistet. Ande­ rerseits ist durch das passive Isolationsmodul 21 sicherge­ stellt, dass hörbarer Lärm nicht in das Gebäude eingekoppelt wird.

Durch die Kombination des aktiven Isolationsmoduls 23 mit dem passiven Isolationsmodul 21 ist außerdem bewirkt, dass die Magnetresonanzapparatur 1 durch die Lagerung eines Patienten im Patientenraum 7 nicht zum Schwingen angeregt und hierdurch der Magnet 3 gestört würde. Außerdem ist sichergestellt, dass der von der Expansionskältemaschine 9, 11 erzeugte Impuls si­ cher in den Boden geleitet wird. Das Isolationssystem 17 ist außerdem derart ausreichend hart ausführbar, dass die von der Gradientenspule 5 erzeugten Schwingungen unter Vermeidung ei­ ner Störung des Magneten 3 gedämpft sind.

Insgesamt sind durch die erfindungsgemäße Magnetresonanzappa­ ratur drei Schwingungstypen beherrschbar:

• a) Schwingungen aus dem Gebäude
• b) hörbarer Lärm aus der Apparatur
• c) niederfrequente Schwingungen in der Apparatur
• d) 

Claims (14)

1. Bildgebende Magnetresonanzapparatur (1) mit einem Magneten (3)' gekennzeichnet durch ein Isolationssystem (17) zur Schwingungsisolation des Magneten (3) von einer um­ gebenden Struktur, insbesondere von einem Gebäudeboden (15), wobei das Isolationssystem (17) ein aktiv gesteuertes Isola­ tionsmodul (23) aufweist.

2. Magnetresonanzapparatur (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isola­ tionssystem (17) in einen zum Abstützen des Magneten (3) auf der umgebenden Struktur vorhandenen Fuß (13, 14) integriert oder an dem Fuß (13, 14) anbringbar ist.

3. Magnetresonanzapparatur (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Isola­ tionssystem (17) ein passives Isolationsmodul (21) umfasst, das vorzugsweise ein schwingungsdämpfendes Material (D), ins­ besondere Gummi, und/oder ein Federelement aufweist.

4. Magnetresonanzapparatur (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Isolationsmodul (21) zur Dämpfung von akustischen Schwin­ gungen, insbesondere von Schwingungen mit einer Frequenz von mehr als 50 Hz, ausgelegt ist.

5. Magnetresonanzapparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein weiteres passi­ ves Isolationsmodul, das parallel zum aktiv gesteuerten Iso­ lationsmodul (23) und/oder zum passiven Isolationsmodul (21) wirkt.

6. Magnetresonanzapparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv gesteuerte Isolationsmodul (23) zur Dämpfung von nicht- akustischen Schwingungen, insbesondere von Schwingungen mit einer Frequenz von weniger als 50 Hz, ausgelegt ist.

7. Magnetresonanzapparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv gesteuerte Isolationsmodul (23) zur Dämpfung von Schwingungen im Bereich einer Resonanzfrequenz des Magneten (3) hergerichtet ist.

8. Magnetresonanzapparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv gesteuerte Isolationsmodul (23) als Stellglied in einen Regelkreis (31) integriert ist, der einen Sensor (33) auf­ weist.

9. Magnetresonanzapparatur (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (33) als Beschleunigungsaufnehmer ausgebildet ist.

10. Magnetresonanzapparatur (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (33) als Detektor zur Messung mechanischer Spannung ausge­ bildet ist.

11. Magnetresonanzapparatur (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (33) als Detektor zu Messung einer mechanischen Aus­ lenkung ausgebildet ist.

12. Magnetresonanzapparatur (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (33) am Magneten (5) oder in seiner Nähe angebracht ist.

13. Magnetresonanzapparatur (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (33) am Stellglied oder in seiner Nähe angebracht ist.

14. Magnetresonanzapparatur (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv gesteuerte Isolationsmodul (23) einen piezoelektrischen Aktuator aufweist.