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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf die Kernspintomographie (Synonym: Magnetresonanztomographie;
MRT) wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung
findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere
auf ein Kernspintomographiegerät,
bei dem die Homogenität
des magnetischen Grundfeldes über
die Steuerung der Temperatur von sogenannten Shimeisenblechen stabilisiert
bzw. geregelt werden kann.
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Die MRT basiert auf dem physikalischen Phänomen der
Kernspinresonanz und wird als bildgebendes Verfahren seit über 15 Jahren
in der Medizin und in der Biophysik erfolgreich eingesetzt. Bei dieser
Untersuchungsmethode wird das Objekt einem starken, konstantem Magnetfeld
ausgesetzt. Dadurch richten sich die Kernspins der Atome in dem Objekt,
welche vorher regellos orientiert waren, aus. Hochfrequenzwellen
können
nun diese „geordneten" Kernspins
zu einer bestimmten Schwingung anregen. Diese Schwingung erzeugt
in der MRT das eigentliche Messsignal, welches mittels geeigneter Empfangsspulen
aufgenommen wird. Durch den Einsatz ortsabhängiger Magnetfelder, erzeugt
durch Gradientenspulen, kann dabei das Messobjekt in alle drei Raumrichtungen
räumlich
kodiert werden. Das Verfahren erlaubt eine freie Wahl der abzubildenden Schicht,
wodurch Schnittbilder des menschlichen Körpers in allen Richtungen aufgenommen
werden können.
Die MRT als Schnittbildverfahren in der medizinischen Diagnostik,
zeichnet sich in erster Linie als „nicht-invasive" Untersuchungsmethode
durch ein vielseitiges Kontrastvermögen aus. Aufgrund der hervorragenden
Darstellbarkeit des Weichgewebes hat sich die MRT zu einem der Röntgen-Computertomographie
(CT) vielfach überlegenen
Verfahren entwickelt. Die MRT basiert heute auf der Anwendung von
Spinecho- und Gradientenecho-Sequenzen, die bei Messzeiten in der
Größenordnung
einiger Sekunden eine exzellente Bildqualität ermöglichen.
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Die ständige technische Weiterentwicklung der
Komponenten von MRT-Geräten,
und die Einführung
schneller Bildgebungssequenzen eröffnete der MRT immer mehr Einsatzgebiete
in der Medizin. Echtzeitbildgebung zur Unterstützung der minimalinvasiven
Chirurgie, funktionelle Bildgebung in der Neurologie und Perfussionsmessung
in der Kardiologie sind nur einige wenige Beispiele.
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Der grundsätzliche Aufbau eines der zentralen
Teile eines solchen MRT-Gerätes
ist in 6 dargestellt.
Sie zeigt einen Grundfeldmagneten 1 (z.B. einen axialen
supraleitenden Luftspulenmagneten mit aktiver Streufeldabschirmung)
der in einem Innenraum ein homogenes magnetisches Grundfeld erzeugt.
Der supraleitende Grundfeldmagnet 1 besteht im Inneren
aus supraleitenden Spulen die sich in flüssigem Helium befinden. Der
Grundfeldmagnet 1 ist von einem zweischaligen Kessel, der
in der Regel aus Edelstahl ist, umgeben. Der innere Kessel, der
das flüssige
Helium beinhaltet und zum Teil auch als Windungskörper für die Magnetspulen
dient, ist über
schwach wärmeleitende
Gfk-Stäbe
(Rods) an dem äußeren Kessel,
der Raumtemperatur hat, aufgehängt.
Zwischen innerem und äußerem Kessel herrscht
Vakuum.
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Mittels Tragelementen 7 ist
die zylinderförmige
Gradientenspule 2 in den Innenraum des Grundfeldmagneten 1 in
das Innere eines Tragrohrs konzentrisch eingesetzt. Das Tragrohr
ist nach Außen durch
eine äußere Schale 8,
nach Innen durch eine innere Schale 9 abgegrenzt.
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Die Gradientenspule 2 besitzt
drei Teilwicklungen, die ein dem jeweils eingeprägten Strom proportionales,
räumlich
jeweils zueinander senkrechtes Gradientenfeld erzeugen. Wie in 7 dargestellt umfaßt die Gradientenspule 2 eine
x- Spule 3,
eine y-Spule 4 und eine z-Spule 5, die jeweils um den Spulenkern 6 gewickelt
sind und so ein Gradientenfeld zweckmäßigerweise in Richtung der
kartesischen Koordinaten x, y und z erzeugen. Jede dieser Spulen
ist mit einer eigenen Stromversorgung ausgestattet um unabhängige Strompulse
entsprechend der in der Pulssequenzsteuerung programmierten Folge
amplituden- und zeitgenau zu erzeugen. Die erforderlichen Ströme liegen
bei etwa 250 A. Da die Gradientenschaltzeiten so kurz wie möglich sein
sollen, sind Stromanstiegsraten in der Größenordnung von 250 kA/s nötig.
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Da die Gradientenspule in aller Regel
von leitfähigen
Strukturen umgeben ist (z.B. Magnetgefäß aus Edelstahl), werden in
diesen durch die gepulsten Felder Wirbelströme angeworfen, die wiederum
in Wechselwirkung mit dem Grundmagnetfeld treten und dieses verändern.
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In der Magnetresonanztomographie
ist jedoch die Homogenität
des Grundmagnetfeldes im Meßvolumen
von elementarer Bedeutung.
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Da die Magnetresonanz-Frequenz direkt
abhängig
ist von der Magnetfeldstärke,
sollte im definierten Meßvolumen
an jedem Punkt in diesem Volumen die gleiche Feldstärke vorherrschen.
Dies ist maßgeblich
für die
Ortsauflösung
bzw. Bildgebung und für
die Reproduzierbarkeit von Frequenzspektren in der spektroskopen
Bildgebung, in der durch die Suszeptibilität des Meßobjektes verursachte Feldverzerrungen
nachkorrigiert werden müssen.
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Zur Homogenisierung des Grundmagnetfeldes
(im folgenden als Shim bezeichnet) sind drei unterschiedliche Techniken
bekannt:
- 1. Die drei zueinander orthogonalen Spulen in der Gradientenspule 2 (5, 7) zur Erzeugung der Gradientenfelder
bzw. zur Kodierung des Meßvolumens
werden mit Offsetströmen beaufschlagt,
um Feldinhomogenitäten
erster Ordnung zu kompensieren.
- 2. Innerhalb dieser Gradientenspule 2 befindet sich ein
weiteres, stromdurchflossenes orthogonales Spulensystem mit dem
es ebenfalls möglich
ist das Grundmagnetfeld zu homogenisieren. Diese zusätzlichen
Korrekturspulen 10 (Shimspulen) (5) dienen dazu Feldinhomogenitäten höherer Ordnung auszugleichen
und sind daher sehr kompliziert aufgebaut.
- 3. Zur Homogenisierung des Grundmagnetfeldes wird mit Hilfe
eines Feldberechnungsprogramms eine geeignete Anordnung von in der
Magnetbohrung – das
heißt
innerhalb der Gradientenspule oder zwischen Gradientenspule und
Grundfeldmagnet – anzubringenden
Eisenbleche 11 (Shimeisenbleche) (5) berechnet. Als Vorgabe für die Berechnung dient
eine Vorabmessung der Feldverteilung. Nach der Montage wird noch
eine Kontrollmessung durchgeführt.
Dieser Vorgang muß mehrfach
wiederholt werden, bevor ein befriedigendes Shimergebnis erreicht
ist.
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Während
die Techniken unter Punkt 1 und 2 einen aktiven
Shim darstellen, wird die Technik unter Punkt 3 als Passiv-Shim
bezeichnet. In der Regel ist ein Kühlwassersystem zur Kühlung der
Shimspulen und -eisenbleche vorhanden.
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Nichtsdestotrotz ist aufgrund von Änderungen
verschiedener physikalischer Parameter der Shimzustand unterschiedlichen
Schwankungen ausgesetzt, was immer noch zu zeitlichen und örtlichen Inhomogenitäten des
Grundmagnetfeldes führt.
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Aus der
JP 08 215 168 A ist ein
MRT-Gerät mit
einem hohlzylinderförmigen
Grundfeldmagneten bekannt, wobei am inneren Zylindermantel des Hohlzylinders
longitudinal ausgedehnte Shimträgerplatten
befestigbar sind. Dabei sind auf den Shimträgerplatten Shimelemente zusammen
mit einer Heizung und mit einem Temperatursensor angeordnet. Die Heizung
und der Temperatursensor sind dabei mit einer Regelvorrichtung vor bunden,
wobei die Regelvorrichtung die Heizung zum Heizen mit einem entsprechenden
elektrischen Strom versorgt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, die örtliche
und zeitliche Stabilisierung der Grundfeldhomogenität beim Betrieb
eines MRT-Gerätes weiter
zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Es wird also eine Vorrichtung zum
Betrieb eines Magnetresonanzgerätes
vorgeschlagen das einen Grundfeldmagneten zur Bereitstellung eines
homogenen magnetischen Grundfeldes, ein Gradientenspulensystem zur
Kodierung des Grundfeldes sowie ein zur Homogenisierung des magnetischen Grundfeldes
dienendes passives Shim-System aufweist. Dieses passive Shim-System
umfaßt
Shimeisenbleche die im magnetischen Grundfeld platziert sind. Die
Erfindung besteht darin, daß eine
Einrichtung vorhanden ist, durch die die Temperatur dieser Shimeisenbleche
gesteuert werden kann.
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Dies hat zum Vorteil, daß Temperaturschwankungen
im System – beispielsweise
durch sich verändernde
Verlustleistung innerhalb der Gradientenspule, der Wirbelströme innerhalb
der Shimeisenbleche oder der Kühlwassertemperatur – kompensiert
werden können.
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Durch eine solche Einrichtung kann
also zum einen die Temperatur der einzelnen Shimeisenbleche stabilisiert
werden, was sich ebenso stabilisierend auf das magnetische Grundfeld
auswirkt.
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Genauso aber macht eine derartige
Einrichtung ein gezieltes Temperieren der Shimeisenbleche und damit
eine Fein-Optimierung des magnetischen Grundfeldes möglich.
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Die Temperaturregelung der Shimeisenbleche
erfolgt mittels Peltierelementen.
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Im Falle daß Heizspulen zur Temperaturregelung
verwendet werden, müssen
diese so gestaltet sein, daß die
Entstehung eines Magnetfeldes durch eine parallele Führung der
Hin- und Rückleiter,
sowie durch geeignete Stromzuführung,
vermieden wird.
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Die Shimeisenbleche sind dabei auf nicht-magnetischem
wärmeleitenden
Material montiert, auf deren Gegenseite sich Heizspule oder Peltierelement
befinden.
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Im Falle, daß Peltierelemente zur Temperaturregelung
verwendet werden besteht die Temperaturregelung aus einer Brückenschaltung,
die vier Transistoren, zwei Operationsverstärker und das Peltierelement
aufweist. Angesteuert wird diesel'-` Temperaturregelung über eine
herkömmliche
Temperaturregelschaltung.
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Die Ansteuerung der Temperaturregelschaltung
kann vorteilhafterweise auch über
einen Datenbus mittels einem Digital-Analog-Wandler erfolgen.
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Die Transistoren der Temperaturregelung werden
erfindungsgemäß plaziert,
daß sie
die thermische Wirkung der Peltierelemente unterstützen.
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Das heißt, daß die beiden Transistoren,
die beim Beheizen der Shimeisenbleche mit Strom beaufschlagt werden,
so montiert sind, daß sie
in thermischem Kontakt mit den zu beheizenden Shimeisenblechen sind.
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Es kann dabei von Vorteil sein, daß die Einrichtung
zur Temperaturregelung derart ausgestaltet ist, daß die Temperatur
jedes Shimeisenblechs individuell gesteuert werden kann.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften
der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen
bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
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1a zeigt
eine temperaturgeregelte mechanisch-elektrische Einheit eines Shimeisenbleches und
deren Implementierungen in eine thermisch- und elektrisch nichtleitende
Trägerschiene,
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1b zeigt
zwei mögliche
Ausführungsformen
der Heizspulen in der Aufsicht,
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1c zeigt
eine mögliche
Ausführung
der Temperaturregelung des Heizleiters mittels Temperatursensor,
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2a zeigt
die erfindungsgemäße Ausführung der
Temperaturregelung mittels Peltierelement,
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2b und 3b zeigen eine temperaturgeregelte
mechanisch-elektrische Einheit eines Shimeisenbleches,
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3a zeigt
die erfindungsgemäße Ausführung der
Temperaturregelung mittels Peltierelement über einen Digital-Analog-Wandler,
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4 zeigt
die magnetische Sättigungsinduktion
in Abhängigkeit
von der Temperatur,
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5 zeigt
schematisch ein Gradientenspulensystem für zylinderförmige Grundfeldmagnete mit integrierten
Shimspulen und geometrisch verteilten Shimeisenblechen,
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6 zeigt
eine perspektivische Darstellung des Grundfeldmagneten,
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7 zeigt
eine perspektivische Darstellung der Gradientenspule mit den drei
Teilwicklungen.
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1a zeigt
eine temperaturgeregelte mechanisch-elektrische Einheit eines Shimeisenbleches 11.
Das Shimeisenblech 11 ist auf eine nicht-magnetische wärmeleitende
Platte 13 (Thermal Spread, z.B. Aluminium) montiert, auf
deren Gegenseite eine elektrisch heizbare Spule 14 aufgebracht
ist. Auf der gleichen Seite wie die Spule befindet sich ein Temperatursensor 12 in
thermischem Kontakt mit der wärmeleitenden
Platte 13. Auf einer weiteren von der wärmeleitenden Platte 13 thermisch
isolierten Platte 17 ist die Regelelektronik 15 für die Heizspulenansteuerung
aufgebracht. Platte 13 und Platte 17 können beispielsweise
mittels Stehbolzen, Steckstiften oder Verguß auf thermisch isolierender
Distanz gehalten werden.
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Die in 1a dargestellte
mechanisch-elektrische Einheit stellt ein einzelnes beheizbares Shimeisenblech
dar. Zur Homogenisierung des magnetischen Grundfeldes werden nun
mehrere dieser Einheiten in eine thermisch- und elektrisch nichtleitende
Trägerschiene 16 (in
der Regel ein Spritzgußteil,
z.B aus Gfk) eingebracht. Die gezielte Einbringung einer Vielzahl
dieser Einheiten auf einer Vielzahl von Trägerschienen 16 , bildet
die passive Shimmung (vgl. 5).
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In 1b sind
zwei Ausführungsformen
der Heizspule 14 dargestellt. Wichtig ist, daß die einzelnen
Heizspulen so gestaltet sind, daß die Entstehung eines externen
Magnetfeldes durch paralleles Führen
der Hin- und. Rückleiter
vermieden wird. Dies gilt ebenso für die Stromzuführung. In
der Ausführung auf
der linken Seite der 1b besteht
der Heizdraht somit aus zwei Drähten,
der Stromzu- und der Stromabführung.
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1c zeigt
eine mögliche
Ausführung
der Regelelektronik 15. Die Temperaturdifferenz wird einem
Operationsverstärker 18 über den
der aktuellen Temperatur entsprechenden Spannungswert eines Temperatursensors 12 und
eines durch eine Referenzspannung 20 gegebenen Sollwertes
zugeführt. Sie
wird am Ausgang des Operationsverstärkers 18 verstärkt und
schaltet den Transistor T ab einer Mindestdifferenzspannung durch.
Die Heizspule 14 wird dadurch solange bestromt, bis die
Temperaturdifferenz in Form einer Spannungsdifferenz zwischen 12 und
20 einen Mindestwert unterschreitet. Da diese Regelschaltung den
Hochfrequenzfeldern im Inneren des Magnetresonanztomographen ausgesetzt
sind, muß sie
beispielsweise durch einen Elektrolyt-Kondensator 21 gedämpft werden.
Der Kondensator 22 ist ein Stützkondensator und dient zur
Stabilisierung der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers.
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2a zeigt
die erfindungsgemäße Ausführung der
Temperaturregelung mittels einem Peltierelement 23. Der
Vorteil gegenüber
der Temperaturregelung mittels Heizspulen besteht darin, daß die Shimeisenbleche
mit Peltierelementen sowohl gekühlt
als auch beheizt werden können.
Die Temperaturstablisierung erfordert weniger Energie und reagiert
wesentlich schneller, im allgemeinen im Sekundenbereich. Die Peltierelemente
werden durch das Grundmagnetfeld auch nicht beeinträchtigt.
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Die Peltierelementansteuerung erfolgt über eine
Brückenschaltung,
bestehend aus zwei Operationsverstärkern 24,25,
zwei pnp-Transistoren T1,T3 sowie zwei npn-Transistoren T2,T4. Den
Regelwert URegel erhält die Brückenschaltung von dem Schaltkreis 26 der ähnlich aufgebaut
ist wie die Regelelektronik 15 in 1c. Im Unterschied zur 1c dient in 2a der Ausgabewert URegel des
Operationsverstärkers 18 als
Regelwert für
die Brückenschaltung. Je
nachdem ob der Ausgabewert des Temperatursensors 12 unterhalb
(zu kalt) oder oberhalb (zu warm) des Sollwertes der Referenzspannung 20 liegt,
ist URegel>0
bzw URegel<0.
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Im Falle daß UR
egel<0
ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 24 negativ,
T3 wird durchgeschaltet, T4 ist ge sperrt. Im Gegensatz dazu ist
die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 25 positiv,
T2 wird durchgeschaltet, T1 ist gesperrt.
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Wie in den 2b und 3b dargestellt,
ist das Peltierelement 23 nun so angeordnet, daß es die wärmeleitende
Platte 13 und damit das Shimeisenblech 11 kühlt, wenn
die Transistoren 1 T1,T4 gesperrt und die Transistoren
T3,T2 durchgängig
sind.
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Im Falle daß URegel>0 ist die Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers 24 positiv,
T4 wird durchgeschaltet, T3 ist gesperrt. Im Gegensatz dazu ist
die Ausgangsspannung des Ope rationsverstärkers 25 negativ,
T1 wird durchgeschaltet, T2 ist gesperrt.
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In diesem Fall heizt das Peltierelement
die wärmeleitende
Platte 13 und damit das Shimeisenblech. Wie man aus 2b erkennen kann, sind die beim
Heizen stromführenden
Transistoren T1 und T4 erfindungsgemäß auf die wärmeleitende Platte 13 montiert
und unterstützen
so durch ihre eigene Wärmeentwicklung
die thermische Wirkung des Peltierelements.
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3a zeigt
die erfindungsgemäße Ausführung der
Temperaturregelung mittels Peltierelement welches über einen
Digital-Analog-Wandler separat angesteuert werden kann. Die dargestellte
Brückenschaltung
in 3a ist mit der in 2a identisch. Auch der Schaltkreis 19 ist ähnlich aufgebaut
wie die Regelelektronik 15 in 1c bzw. der Schaltkreis 26. in 2a mit dem Unterschied,
daß der
Sollwert der Temperatur der wärmeleitenden
Platte 13 und damit des Shimeisenblechs 11 einem
Digital-Analog-Wandler 28 (DAC) über einen Bus 27 digital
vorgegeben werden kann. Ausreichend ist ein 4 bis 8 bit DAC als integraler
Bestandteil der einzelnen Ansteuerschaltungen. Somit können vorteilhafterweise
die mechanisch-elektrischen Einheiten separat angesteuert und so
die Vielzahl der Shimeisenbleche 11 individuell temperiert
werden. Dadurch ist eine Feineinstellung des Shimzustandes möglich wie
im folgenden näher
erläutert
werden soll.
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4 zeigt
die magnetische Sättigungsinduktion
in Abhängigkeit
von der Temperatur. Die Induktion eines ferromagnetischen Materials
(z.B. NiFeCuFerrit) erreicht in einem Magnetfeld H einen Sättigungswert
(Kurve B). Dieser ist abhängig
von der Temperatur. Bei höherer
Temperatur nimmt der Sättigungswert
ab (Kurve C), bei niedrigerer Temperatur nimmt er zu (Kurve A).
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Dies bedeutet, daß bei einer Temperaturänderung
des Materials, insbesondere der Shimeisenbleche, die Sättigungsinduk tion
einer Drift unterworfen ist, die eine Veränderung des Shimzustandes und damit
eine Verschlechterung der Homogenität des magnetischen Grundfeldes
nach sich zieht.
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Derartige Temperaturänderungen
können beispielsweise,
wie oben bereits erwähnt,
durch Schwankungen im Kühlwasserkreislauf
entstehen.
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Eine Temperaturstabilisierung mittels
Heizspule oder Peltier- element gemäß der vorliegenden Erfindung,
verhindert eine Änderung
der Sättigungsinduktion – vorausgesetzt
die Regeltemperatur des Shimeisenbleches liegt unterhalb der Curie-Temperatur, ab der
die magnetische Eigenschaft eines Ferromagneten zum Erliegen kommt.
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Die Temperaturabhängigkeit der Sättigungsinduktion
des Shimeisenblechs nach 4 hat
einen weiteren Vorteil:
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Durch gezieltes individuelles Temperieren (Kühlen bzw.
Heizen) der einzelnen Shimeisenbleche kann die Temperaturabhängigkeit
der Sättigungsinduktion
dazu genutzt werden, um nach iterativem Optimieren der Homogenität des magnetischen
Grundfeldes (passiv-Shim, siehe oben) eine weitere Fein-Optimierung
(Fine-Tuning) vorzunehmen. Letzteres ist sogar während des Betriebes möglich.
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Die Vorteile sind:
- – deutlich
bessere Bildqualität,
insbesondere bei der funktionsgebenden MRT sowie der Spektroskopie,
- – wesentlich
geringere Anforderungen an den Kühlkreislauf
(Reduktion der Durchfiußmenge, Kostenersparnis),
- – Selektives
Optimieren der Homogenität
des magnetischen Grundfeldes im interessierenden Untersuchungsvolumen,
- – weniger
Iterationen beim Passiv-Shim, d.h. kürzere Installationszeiten.