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Die
Erfindung betrifft ein Gradientenspulensystem für ein Magnetresonanzgerät mit einem
Bereich, in dem sich ein zu untersuchendes Objekt erstrecken kann.
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Die
Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zum Gewinnen von
Bildern eines Körperinneren
eines Untersuchungsobjekts. Dabei werden in einem Magnetresonanzgerät einem
statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagnetsystem
erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert,
die von einem Gradientensystem erzeugt werden. Ferner umfasst das
Magnetresonanzgerät
ein Hochfrequenzsystem, das zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen
Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die erzeugten
Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder
erstellt werden.
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Das
Gradientensystem umfasst ein Gradientenspulensystem mit Gradientenspulen
und gesteuerte Gradientenverstärker.
Eine der Gradientenspulen erzeugt für eine bestimmte Raumrichtung
ein Gradientenfeld, das im wünschenswerten
Idealfall wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens ausschließlich eine
Hauptfeldkomponente, die kollinear zum Grundmagnetfeld ist, aufweist.
Die Hauptfeldkomponente weist dabei einen vorgebbaren Hauptgradienten
auf, der zu jedem beliebigen Zeitpunkt zumindest innerhalb des Abbildungsvolumens ortsunabhängig näherungsweise
gleich groß ist.
Da es sich bei dem Gradientenfeld um ein zeitlich variables Magnetfeld
handelt, gilt Vorgenanntes zwar für jeden Zeitpunkt, aber von
einem Zeitpunkt zu einem anderen Zeitpunkt ist eine Stärke des
Hauptgradienten variabel. Die Richtung des Hauptgradienten ist in der
Regel durch das Design der Gradientenspule fest vorgegeben.
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Aufgrund
der Maxwellschen Grundgleichungen sind aber entgegen dem wünschenswerten
Idealfall keine Gradientenspulen ausbildbar, die über das
Abbildungsvolumen ausschließlich
vorgenannte Hauptfeldkomponente aufweisen. Dabei geht mit der Hauptfeldkomponente
wenigstens eine Begleitfeldkomponente einher, die senkrecht zur
Hauptfeldkomponente gerichtet ist.
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Zum
Erzeugen des Gradientenfeldes sind in der Gradientenspule entsprechende
Ströme
einzustellen. Dabei betragen die Amplituden der erforderlichen Ströme mehrere
100 A. Die Stromanstiegs- und -abfallraten (Slewrate) betragen mehrere
100 kA/s. Zur Stromversorgung ist die Gradientenspule an einen gesteuerten
Gradientenverstärker
angeschlossen.
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Durch
das Schalten der Gradientenfelder können bei Magnetresonanzbildaufnahmen
in einem lebenden Untersuchungsobjekt Stimulationen ausgelöst werden.
Die dabei auf das Untersuchungsobjekt einwirkenden Gradientenfelder
sind durch eine sich zeitlich verändernde, magnetische Flussdichte
gekennzeichnet, die im Untersuchungsobjekt Wirbel- und Induktionsströme erzeugt.
Die Stärke
vorgenannter elektrischer Ströme
hängt unter
anderem von der Querschnittsfläche,
die das Gradientenfeld durchsetzt, sowie von der zeitlichen Veränderung des
Gradientenfeldes ab. Vorgenannte Ströme durchfließen dabei
Bereiche des Untersuchungsobjekts mit unterschiedlicher elektrischer
Leitfähigkeit und
bewirken dabei entsprechende elektrische Spannungen. Überschreitet
dabei die Spannung eine bestimmte Schwelle, so führt dies zur Auslösung von Stimulationen
des Untersuchungsobjekts. Aus der
DE 42 25 592 A1 ist dazu beispielsweise bekannt, dass
bei geschalteten Gradientenfeldern die höchsten Strom- bzw. Spannungswerte
am Rande bzw. außerhalb
des Abbildungsvolumens induziert werden, wo der Feldhub der magnetischen
Flussdichte des Gradientenfeldes maximal ist, so dass dort die Gefahr
von Stimulationen am größten ist.
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Zur
Vermeidung derartiger Stimulationen ist aus der
DE 42 25 592 A1 bekannt,
stimulationsempfindliche Bereiche außerhalb des Abbildungsvolumens
mit einer geschlossenen Leiterschleife zu überdecken. Daraus resultiert
eine Verringerung der im überdeckten
Bereich induzierten Ströme.
Vorgenannte Überdeckungen
sind allerdings nur außerhalb des
Abbildungsvolumens und auch nicht in Randbereichen des Abbildungsvolumens
möglich,
weil ansonsten die für
die Bildqualität
wichtige Linearität
der Gradientenfelder im Abbildungsvolumen und die Homogenität des Grundmagnetfeldes
beeinträchtigt werden.
Ferner ist nachteilig, dass bei einer Änderung eines abzubildenden
Bereichs des Untersuchungsobjekts in der Regel auch die Lage der
Leiterschleifen angepasst werden muss.
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In
der
DE 195 27 020
C1 ist im Rahmen eines hohlzylinderförmigen Gradientenspulensystems für eine transversale
Gradientenspule eine Kombination aus einer Segment-Gradientenspule
und einer aus sattelförmigen
Teilspulen aufgebauten Gradientenspule beschrieben. Dabei sollen
durch die Kombination die Vorteile beider Typen von Gradientenspulen
aufrechterhalten werden und gleichzeitig deren Nachteile verringert
werden. Als ein Nachteil der aus sattelförmigen Teilspulen aufgebauten
Gradientenspule ist angeführt,
dass sie eine starke Begleitfeldkomponente aufweist, die stärker als
die nutzbare Hauptfeldkomponente ist. Durch die Kombination soll unter
anderem die Begleitfeldkomponente und damit die Gefahr von Stimulationen
durch schnell geschaltete Gradienten deutlich verringert werden.
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Des
Weiteren ist aus der
GB
2 265 986 A für ein
hohlzylinderförmiges
Gradientenspulensystem eine aktiv geschirmte Gradientenspule beschrieben. Dabei
sind auf einem inneren Zylindermantel des Gradientenspulensystems
spiral- und hufeisenförmige
Leiterabschnitte einer Gradientenspule angeordnet und hufeneisenförmige Leiterabschnitte
einer zur Gradientenspule zugehörigen
Abschirmspule sind auf einem äußeren Zylindermantel
angeordnet, wobei die Leiterabschnitte zwischen den bei den Mänteln über eine
Stirnfläche
des Hohlzylinders hinweg miteinander verbunden sind.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Gradientenspulensystem
zu schaffen, mit dem unter anderem hohe Stärken eines schnell geschalteten
Gradientenfeldes ohne Stimulationen eines lebenden Untersuchungsobjekts
erzielbar sind.
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Die
Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß Anspruch
1 beinhaltet ein Gradientenspulensystem für ein Magnetresonanzgerät mit einem
Bereich, in dem sich ein zu untersuchendes Objekt erstrecken kann,
folgende Merkmale:
- – Wenigstens eine Gradientenspule,
mit der wenigstens in Teilen des Bereichs ein magnetisches Gradientenfeld
erzeugbar ist, das eine Hauptfeldkomponente kollinear zu einem Grundmagnetfeld und
wenigstens eine zur Hauptfeldkomponente senkrechte Begleitfeldkomponente
aufweist, und
- – wenigstens
eine Leiteranordnung
- – mit
ersten Leiterabschnitten, die ersten Leiterabschnitten der Gradientenspule,
die bei Stromfluss im Wesentlichen zur Begleitfeldkomponente beitragen, ähnlich verlaufend
zugeordnet sind und die bezüglich
einer Richtung des Stromflusses entgegengesetzt bestrombar sind,
so dass in dem Bereich die Begleitfeldkomponente verringerbar ist,
und
- – mit übrigen Leiterabschnitten,
die bezüglich
den übrigen
Leiterabschnitten der Gradientenspule derart beabstandet angeordnet
sind, dass gegenüber
dem Verringern der Begleitfeldkomponente die Hauptfeldkomponente
zumindest weniger stark verringert wird.
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Dadurch
ist die an sich unerwünschte
Begleitkomponente wenigstens in einem Bereich kompensierbar, in
dem sich ein mittels der Magnetresonanztechnik zu untersuchendes
lebendes Objekt erstreckt. Dadurch kann das das Untersuchungsobjekt durchflutende
Gradientenfeld auf die magnetresonanzbildwirksame Hauptfeldkomponente
verringert und somit eine Stimulationswahrscheinlichkeit des Untersuchungsobjekts
verkleinert bzw. eine gefahrlos nutzbare Stärke des Gradientenfeldes erhöht werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Dabei zeigen:
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1 ein
Magnetresonanzgerät,
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2 eine
Schicht eines hohlzylinderförmigen
Gradientenspulensystems des Magnetresonanzgeräts,
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3 sattelförmig ausgebildete
Teilspulen einer Gradientenspule sowie einer zugehörigen Abschirmspule,
deren longitudinale Leiterabschnitte entsprechend einem Koaxialleiter
angeordnet sind,
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4 sattelförmig ausgebildete
Teilspulen einer Gradientenspulen sowie einer zugehörigen Abschirmspule,
deren longitudinale Leiterabschnitte eng benachbart angeordnet sind,
und
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5 sattelförmig ausgebildete
Teilspulen einer Gradientenspule sowie einer zugehörigen Abschirmspule,
deren longitudinale Leiterabschnitte verschränkt angeordnet sind.
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Die 1 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht ein Magnetresonanzgerät. Dabei
umfasst das Magnetresonanzgerät
zum Erzeugen eines wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens 120 möglichst
homogenen statischen Grundmagnetfeldes B0 ein
Grundfeldmagnetsystem 110. Des weiteren umfasst das Magnetresonanzgerät zum Erzeugen
von Gradientenfeldern ein Gradientenspulensystem 200. Eine
verfahrbare Lagerungsvorrichtung 130 des Geräts dient
unter anderem dazu, einen abzubildenden Bereich eines auf der Lagerungsvorrichtung 130 gelagerten
Untersuchungsobjekts im Abbildungsvolumen 120 zu positionieren.
Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
sind weitere Komponenten des Geräts, beispielsweise
ein Antennensystem, nicht dargestellt.
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Das
Gradientenspulensystem 200 ist im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet
und beinhaltet unter anderem eine longitudinale Gradientenspule
zum Erzeugen eines magnetischen Gradientenfeldes mit einem Hauptgradienten
in Richtung des Grundmagnetfeldes B0, zwei
transversale Gradientenspulen zum Erzeugen von magnetischen Gradientenfeldern
mit Hauptgradienten senkrecht zum Grundmagnetfeld B0,
Kühleinrichtungen,
Shim-Einrichtungen und den jeweiligen Gradientenspulen zugehörige Abschirmspulen.
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Die 2 zeigt
eine hohlzylinderförmige Schicht 205 des
Gradientenspulensystems 200, innerhalb derer eine der transversalen
Gradientenspulen angeordnet ist. Die transversale Gradientenspule umfasst
vier sattelförmig
ausgebildete Teilspulen 211 bis 214, beispielsweise
in einer Ausführungs form
als sogenannte Fingerprint-Spulen. Ein Verlauf eines Leiters einer
der Teilspulen 211, 212, 213 bzw. 214 ist für die vier
Teilspulen 211 bis 214 lediglich skizzenhaft umrissen
und mit exemplarisch wenigen Windungen dargestellt. Das hohlzylinderförmige Gradientenspulensystem 200 weist
eine Hohlzylinderhauptachse 201 auf, die einem Richtungsvektor
des Grundmagnetfeldes B0 parallel ist.
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Die 3 zeigt
als ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung sattelförmig
ausgebildete Teilspulen einer Gradientenspule sowie einer zugehörigen Abschirmspule,
deren longitudinale Leiterabschnitte entsprechend einem Koaxialleiter
angeordnet sind. Dabei wird zum Erläutern beispielhaft auf die
sattelförmig
ausgebildete Teilspule 211 der transversalen Gradientenspule
aus der 2 zurückgegriffen. In der 3 ist
die Teilspule 211 idealisiert und exemplarisch mit lediglich
einer Windung dargestellt. Dabei umfasst die Windung zwei bogenartige,
in Umfangsrichtung des Hohlzylinders verlaufende Leiterabschnitte 221 und 222 sowie
zwei gerade, parallel zur Hohlzylinderhauptachse 201 verlaufende
longitudinale Leiterabschnitte 231 und 232. Zum
Einspeisen eines entsprechenden elektrischen Stromes in die Windung
weist der bogenartige Leiterabschnitt 221 eine Unterbrechung
auf, die zwei Anschlusspunkte bildet, über die die Teilspule 211 entsprechend
bestrombar ist. Ein in den bogenartigen Leiterabschnitten 221 und 222 fließender elektrischer
Strom bewirkt dabei im Wesentlichen eine gewünschte Hauptfeldkomponente
des mit der Gradientenspule erzeugbaren magnetischen Gradientenfeldes.
Dahingegen bewirkt der in den longitudinalen Leiterabschnitten 231 und 232 fließende Strom
im Wesentlichen wenigstens eine an sich unerwünschte Begleitfeldkomponente
des Gradientenfeldes.
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In
einer hohlzylinderförmigen
Schicht, die bezüglich
der Schicht 205 der Teilspule 221 weiter außen im Gradientenspulensystem 200 lokalisiert
ist, sind bogenartige Leiterabschnitte 321 und 322 einer ebenfalls
sattelförmig
ausgebilde ten Teilspule einer zur Gradientenspule zugehörigen Abschirmspule
angeordnet. Ähnlich
wie der bogenartige Leiterabschnitt 221 der Gradientenspule
ist auch der bogenartige Leiterabschnitt 321 der Abschirmspule
zum Einspeisen eines Stromes unterbrochen. Dabei ist die Abschirmspule
mit der Gradientenspule derart verschaltet, dass ein in der Teilspule 211 fließender Strom
mit einer entgegengesetzten Richtung gleichzeitig in der Teilspule
der Abschirmspule fließt.
Des weiteren umfasst die Teilspule der Abschirmspule, die ebenfalls
idealisiert mit lediglich einer Windung dargestellt ist, neben den
bogenartigen Leiterabschnitten 321 und 322 radial
ausgebildete Leiterabschnitte 341 bis 344 und
rohrartig ausgebildete longitudinale Leiterabschnitte 331 und 332.
Dabei sind der rohrartige Leiterabschnitt 331 bzw. 323 der
Abschirmspule und der longitudinale Leiterabschnitt 231 bzw. 232 der
Gradientenspule voneinander elektrisch isoliert, einen Koaxialleiter
bildend angeordnet. Bei Betrieb des Gradientenspulensystems 200 sind die
rohrartigen Leiterabschnitte 331 und 332 der Abschirmspule
bezüglich
der zugehörigen
longitudinalen Leiterabschnitte 231 und 232 der
Gradientenspule gleichzeitig von Strömen gleicher Stärke, aber
entgegengesetzter Richtung, durchflossen. Die im Wesentlichen durch
den Stromfluss in den longitudinalen Leiterabschnitten 231 und 232 der
Gradientenspule verursachte, an sich unerwünschte Begleitfeldkomponente
wird infolge der Koaxialeiteranordnung durch ein inhomogenes Magnetfeld
kompensiert, das der Stromfluss in den rohrartigen Leiterabschnitte 331 und 332 der
Abschirmspule bewirkt. Die gewünschte
Hauptfeldkomponente des magnetischen Gradientenfeldes bleibt dadurch
unverändert.
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Die 4 zeigt
als ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung sattelförmig
ausgebildete Teilspulen einer Gradientenspule sowie einer zugehörigen Abschirmspule,
deren longitudinalen Leiterabschnitte eng benachbart angeordnet
sind. Die in der 4 dargestellte Leiteranordnung
unterscheidet sich von der in der 3 beschriebenen
im Wesentlichen durch eine andere Ausführung und Gestaltung der longitudina len
Leiterabschnitte sowohl der Gradientenspule als auch der zugehörigen Abschirmspule.
Betriebs- und Wirkungsweise hinsichtlich der Kompensation der Begleitfeldkomponente sind
aber entsprechend. Die sattelförmig
ausgebildete Teilspule der Gradientenspule umfasst neben den bogenartigen
Leiterabschnitten 221 und 222 radial ausgebildete
Leiterabschnitte 251 bis 254 sowie longitudinale
Leiterabschnitte 233 und 234. Dabei liegen die
longitudinalen Leiterabschnitte 233 und 234 in
einer hohlzylinderförmigen
Schicht des Gradientenspulensystems 200, die bezüglich einer
hohlzylinderförmigen
Schicht der bogenartigen Leiterabschnitte 221 und 222 beabstandet
und weiter außen
innerhalb des Gradientenspulensystems 200 angeordnet ist. Die
Teilspule der Abschirmspule umfasst neben den bogenartigen Leiterabschnitten 321 und 322 radial ausgebildete
Leiterabschnitte 351 bis 354 sowie longitudinale
Leiterabschnitte 333 und 334. Dabei sind die longitudinalen
Leiterabschnitte 333 und 334 der Abschirmspule
von den longitudinalen Leiterabschnitten 233 und 234 elektrisch
isoliert, in einer hohlzylinderförmigen
Schicht angeordnet, die die Schicht der longitudinalen Leiterabschnitte 233 und 234 der
Gradientenspule unmittelbar angrenzend umschließt. Bezüglich der Schicht der longitudinalen Leiterabschnitte 333 und 334 der
Abschirmspule sind die bogenartigen Leiterabschnitte 321 und 322 der Abschirmspule
in einer hohlzylinderförmigen
Schicht gelegen, die weiter außen
im Gradientenspulensystem 200 angeordnet ist.
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Die 5 zeigt
als ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung sattelförmig
ausgebildete Teilspulen einer Gradientenspule sowie einer zugehörigen Abschirmspule,
deren longitudinale Leiterabschnitte verschränkt angeordnet sind. Gegenüber der
Leiteranordnung der 4 sind in der 5 longitudinale
Leiterabschnitte 235 und 236 sowie radial ausgebildete
Leiterabschnitte 261 bis 264 der Gradientenspule
sowie longitudinale Leiterabschnitte 335 und 336 und
radial ausgebildete Leiterabschnitte 361 bis 364 der
Abschirmspule derart angeordnet und ausgebildet, dass der longitudinale Leiterabschnitt 235 bzw. 236 der
Gradientenspule bezüglich
dem longitudinalen Leiterabschnitt 335 bzw. 336 der
Abschirmspule eine Verschränkung
aufweist. Bei vorgenannter Verschränkung sind die longitudinalen
Leiterabschnitte 235 und 236 der Gradientenspule
in einer hohlzylinderförmigen
Schicht des Gradientenspulensystems 200 angeordnet, die
weiter außen
im Gradientenspulensystem 200 liegt, als eine hohlzylinderförmige Schicht,
in der die longitudinalen Leiterabschnitte 335 und 336 der
Abschirmspule angeordnet sind. Dadurch wird aufgrund einer in der
Regel größeren Windungsanzahl
der Gradientenspule gegenüber
der Abschirmspule, insbesondere für einen Bereich im Hohlzylinderinneren,
in dem sich ein Untersuchungsobjekt erstrecken kann, eine gute Kompensation
der Begleitfeldkomponente erreicht.