DE10143048C1 - Magnet-Resonanz-Tomographiegerät mit Lärmunterdrückung durch Dämpfung von mechanischen Schwingungen - Google Patents

Abstract

Eine Lärmunterdrückung durch starke Dämpfung von mechanischen Schwingungen in MRT-Geräten, insbesondere Gradientenspulen und Magnetgefäßen, findet durch Einsatz von zusammengesetzten Materialien, die Zentren negativer Steifigkeit enthalten, statt. DOLLAR A 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 Schwingungen von Gerätekomponenten, die sich in vielen Aspekten negativ auf das Gesamtsystem auswirken, reduziert bzw. Lärmübertragungswege verringert werden. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Kernspintomographiegerät weist einen Grundfeldmagnet (1) auf, der von einer Magnethülle (12) umgeben ist, die einen Innenraum (15) umgibt und begrenzt, wobei sich in diesem Innenraum (15) ein Gradientenspulensystem (2) befindet. Auf einer den Innenraum (15) begrenzenden Innenseite der Magnethülle (12) sind zur Absorption akustischer Schwingungen, welche beim Umschalten des Gradientenspulensystems (2) erzeugt werden, Dämpfungselemente aus einem Material (14) vorgesehen, welches negative Steifigkeit aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Kernspintomographie (Synonym: Magnetresonanztomographie-MRT) wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwen­ dung findet. Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf ein Kernspintomographiegerät, bei dem Schwingungen von Gerätekomponenten, die sich in vielen Aspek­ ten negativ auf das Gesamtsystem auswirken, reduziert werden.

Die MRT basiert auf dem physikalischen Phänomen der Kernspin­ resonanz und wird als bildgebendes Verfahren seit über 15 Jahren in der Medizin und in der Biophysik erfolgreich einge­ setzt. Bei dieser Untersuchungsmethode wird das Objekt einem starken, konstantem Magnetfeld ausgesetzt. Dadurch richten sich die Kernspins der Atome in dem Objekt, welche vorher re­ gellos 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 aufge­ nommen wird. Durch den Einsatz inhomogener Magnetfelder, er­ zeugt durch Gradientenspulen, kann dabei das Messobjekt in alle drei Raumrichtungen räumlich kodiert werden. Das Verfah­ ren erlaubt eine freie Wahl der abzubildenden Schicht, wo­ durch Schnittbilder des menschlichen Körpers in alle Richtun­ gen aufgenommen werden können. Die MRT als Schnittbildverfah­ ren in der medizinischen Diagnostik, zeichnet sich in erster Linie als "nichtinvasive" Untersuchungsmethode durch ein vielseitiges Kontrastvermögen aus. Aufgrund der hervorragen­ den Darstellbarkeit des Weichgewebes hat sich die MRT zu ei­ nem der Röntgen-Computertomographie (CT) vielfach überlegenen Verfahren entwickelt. Die MRT basiert heute auf der Anwendung von Spinecho- und Gradientenecho-Sequenzen, die bei Messzeiten im Bereich von Sekunden bis Minuten eine exzel­ lente Bildqualität ermöglichen.

Die ständige technische Weiterentwicklung der Komponenten von MRT-Geräten, und die Einführung schneller Bildgebungssequen­ zen eröffnete der MRT immer mehr Einsatzgebiete in der Medi­ zin. Echtzeitbildgebung zur Unterstützung der minimalinvasi­ ven Chirurgie, funktionelle Bildgebung in der Neurologie und Perfussionsmessung in der Kardiologie sind nur einige wenige Beispiele.

Der grundsätzliche Aufbau eines der zentralen Teile eines solchen MRT-Gerätes ist in Fig. 2 dargestellt. Sie zeigt ei­ nen supraleitenden Grundfeldmagneten 1 (z. B. ein axialer su­ praleitender Luftspulenmagnet mit aktiver Streufeldabschir­ mung) der in einem Innenraum ein homogenes magnetisches Grundfeld erzeugt. Der supraleitende Grundfeldmagnet 1 be­ steht im Inneren aus Spulen die sich in flüssigem Helium be­ finden. Der Grundfeldmagnet ist von einem zweischaligen Kes­ sel, 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. Den inneren und äußeren Kes­ sel bezeichnet man als Magnethülle.

Mittels Tragelementen 7 ist die zylinderförmige Gradienten­ spule 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. Die Funktion der Schale 10 wird später erläutert.

Die Gradientenspule 2 besitzt drei Teilwicklungen, die ein dem jeweils eingeprägten Strom proportionales, räumlich je­ weils zueinander senkrechtes Gradientenfeld erzeugen. Wie in Fig. 3 dargestellt umfaßt die Gradientenspule 2 eine x-Spule 3, eine y-Spule 4 und eine z-Spule 5, die jeweils um den Spu­ lenkern 6 gewickelt sind und so ein Gradientenfeld zweckmäßi­ gerweise in Richtung der kartesischen Koordinaten x, y und z erzeugen. Jede dieser Spulen ist mit einer eigenen Stromver­ sorgung ausgestattet um unabhängige Strompulse entsprechend der in der Pulssequenzsteuerung programmierten Folge amplitu­ den- und zeitgenau zu erzeugen. Die erforderlichen Ströme liegen im Bereich bis etwa 250 A.

Innerhalb der Gradientenspule befindet sich die Hochfrequenz­ spule (HF-Resonator oder Antenne). Sie hat die Aufgabe die von einem Leistungssender abgegebenen HF-Pulse in ein elek­ tro-magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Atomkerne umzu­ setzen und anschließend das von dem präzedierenden Kernmoment ausgehende Wechselfeld in eine dem Empfangszweig zugeführte Spannung zu wandeln.

Da die Gradientenschaltzeiten so kurz wie möglich sein sol­ len, sind Stromanstiegsraten in der Größenordnung von 250 kA/s nötig. In einem außerordentlich starken Magnetfeld, wie es der Grundfeldmagnet 1 erzeugt (typischerweise zwischen 0,2 bis 1,5 Tesla), sind mit derartigen Schaltvorgängen auf­ grund der dabei auftretenden Lorentzkräfte starke mechanische Schwingungen verbunden. Alle mechanisch an das Gradientensy­ stem angekoppelten Systemkomponenten (Gehäuse, Abdeckungen, Kessel des Grundfeldmagneten bzw. Magnethülle, HF-Körperspule usw.) werden zu erzwungenen Schwingungen angeregt.

Da die Gradientenspule in aller Regel von leitfähigen Struk­ turen umgeben ist (z. B. Magnethülle aus Edelstahl), werden in diesen durch die gepulsten Felder Wirbelströme angeworfen, die durch Wechselwirkung mit dem Grundmagnetfeld Kraftwirkun­ gen auf diese Strukturen ausüben und diese ebenfalls zu Schwingungen anregen:

Diese Schwingungen der verschiedenen MRT-Geräte-Komponenten wirken sich in vielen Aspekten negativ auf das MRT-System aus:

• 1. Es wird starker Luftschall erzeugt (Lärm) der sich als Belästigung des Patienten, des Bedienpersonals und ande­ ren Personen in der Nähe der MRT-Anlage darstellt.
• 2. Die Vibrationen der Gradientenspule sowie des Grundfeld­ magneten und deren Übertragung auf den HF-Resonator und die Patientenliege im Innenraum des Grundfeldmagneten bzw. der Gradientenspule äußern sich in unzureichender klinischer Bildqualität, die sogar zu Fehldiagnosen füh­ ren kann (z. B. bei funktioneller Bildgebung, fMRI).
• 3. Wenn sich die Schwingungen des äußeren Kessels über die Gfk-Stäbe auf den inneren Kessel übertragen, bzw. der Su­ praleiter selbst zu Schwingungen angeregt wird, erfolgt - ähnlich wie bei einem Ultraschall-Zerstäuber - im Inneren des Kessels eine erhöhte Heliumabdampfung, so daß eine entsprechend größere Menge flüssigen Heliums nachgeführt werden muß, was höhere Kosten nach sich zieht.
• 4. Hohe Kosten entstehen auch durch die Notwendigkeit einer schwingungsdämpfenden Systemaufstellung - ähnlich wie ein optischer Tisch - um eine Übertragung der Schwingungen auf den Boden bzw. umgekehrt zu unterbinden.

Im Stand der Technik wird der Übertragung von Schwingungs­ energie zwischen Gradientenspule und den weiteren Komponenten des Tomographen (Magnethülle, Patientenliege, etc.) durch den Einsatz von mechanischen und/oder elektromechanischen Schwin­ gungsdämpfern entgegengewirkt. Üblicherweise kommen passiv wirkende z. B. Gummilager zum Einsatz, oder aber z. B. in die Gradientenspule integrierte Piezo-Aktuatoren, die im geregel­ ten Betrieb ein aktives Gegensteuern ermöglichen und so die Schwingungsamplitude der Gradientenspule vermindern. Schwin­ gungen der Magnethülle werden üblicherweise durch Kissen gegenüber der Gradientenspule mechanisch gedämpft.

Zur Reduktion der Schwingungen werden üblicherweise auch fol­ gende passive Maßnahmen vorgenommen:

• - Kapselung der Vibrationsquelle
• - Einsatz dicker und schwerer Materialien
• - von "Außen" aufgebrachte Dämpfungsschichten (z. B. Teer)

Insbesondere der Lärm-Entstehungsweg über das Innere des MRT- Gerätes, d. h. Produktion von Lärm durch Vibration der Gra­ dientenspule und Übertragen des Lärms auf das in der Gradien­ tenspule befindliche Tragrohr (8, 9 Fig. 2), welches diesen nach Innen an den Patienten und den Innenraum abstrahlt, wird gemäß dem US-Patent 4 954 781 durch eine dämpfende visko­ elastische Schicht 10 (Fig. 2) in dem doppellagigen Inneren des Tragrohrs blockiert.

Weiterhin ist es bekannt die oben genannte Blockierung des Lärm-Entstehungswegs durch Einbringen schallabsorbierender so­ genannter akustischer Schäume in den Bereich zwischen Tragrohr und Gradientenspule zu erreichen.

So offenbart die Offenlegungsschrift DE 197 22 481 A1 ein Kernspintomographiegerät bei dem zwischen dem Gradientenspulensystem und der Innenseite der Magnethülle Dämpfungselemente vorgesehen sind, welche in Form schaumstoff­ gefüllter Kissen Geräuschminderungselemente darstellen.

Bei der Offenlegungsschrift DE 197 34 138 A1 liegen entsprechende Dämpfungselemente in Form einer dämpfenden Befestigungseinrichtung vor, bestehend aus einer Federdämpfungsbefestigung und einem Befestigungsflansch, mit welchen das Gradientenspulensystem an der Innenseite der Magnethülle angebracht wird.

Nichtsdestotrotz ist die akustische Abstrahlung eines heute üblichen MRT-Gerätes immer noch sehr hoch.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Lärmübertragung beim Betrieb eines MRT-Gerätes weiter zu ver­ ringern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche bil­ den den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vor­ teilhafter Weise weiter.

Es wird also ein Kernspin-Tomographiegerät vorgeschlagen, das einen Magnetkörper aufweist, umgeben von einer Magnethülle, die einen Innenraum umgibt und begrenzt, wobei sich in diesem Innenraum ein Gradientenspulensystem befindet. Auf einer den Innenraum begrenzenden Innenseite der Magnethülle sind Dämpfungselemente zur Absorption akustischer Schwingungen, welche beim Umschalten des Gradientenspulensystems erzeugt werden, vorgesehen, wobei die Dämpfungselemente erfindungsgemäß ein Material umfassen, welches negative Steifigkeit aufweist.

Verbundwerkstoffe die den Effekt der negativen Steifigkeit offenbaren, wurden erstmals in der Zeitschrift "NATURE, March 2001, Vol. 410, S. 565-567" unter dem Titel "Extreme damping in composite materials with negative-stiffness" von R. S. LAKES u. a. veröffentlicht und beschrieben.

Aus der Entgegenhaltung DE 34 10 473 A1 ist eine solche stabile Realisierung durch ein magneto-mechanisches Federungssystem für Kraftfahrzeuge offenbart, bei dem einer Tragfeder eine Korrekturfeder parallel geschaltet ist, wobei letztere eine negative Steifigkeit aufweist.

Das zur Dämpfung vorgeschlagene Material benötigt, um dämp­ fend zu wirken, vorteilhafterweise keine Information über die Deformation, der entgegengewirkt werden soll - im Gegensatz wie z. B. bei aktiver Schwingungsunterdrückung insbesondere mit Piezo-Aktuatoren. Das vorgeschlagene Material wirkt rein passiv, indem die entsprechende Materialeigenschaft und nicht eine sich per Konstruktion ergebende Eigenschaft eines tech­ nisch realisierten Dämpfungsgliedes ausgenutzt wird.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Möglichkeit der Herstellung des vorgeschlagenen Materials in räumlich-mecha­ nisch passender Form. Dies erlaubt den Einsatz des Materiales auch in höchstintegrierten Baugruppen, wie z. B. im Gradien­ tensystem. Da die Dämpfung mit dem vorgeschlagenen Material ohne weitere Steuerelektronik arbeitet, ist - im Gegensatz zu aktiver Schwingungsunterdrückung nach dem Stand der Technik - eine Störung des Bilderzeugungsvorgangs ausgeschlossen.

Vorteilhafterweise wird so die Übertragung von Schwingungen der Gradientenspule auf die Magnethülle sowie auf den HF-Re­ sonator und die Patientenliege (was die oben genannten Nach­ teile nach sich zieht) unterdrückt.

Ebenfalls zur Absorption akustischer Schwingungen sind derar­ tige Dämpfungselemente vorteilhafterweise zwischen Verklei­ dungsteilen und der Magnethülle sowie zwischen der Magnethülle und dem Boden angeordnet.

Vorteilhafterweise bestehen die Dämpfungselemente aus zusam­ mengesetzten Lagermaterialien.

Insbesondere können dabei die Lagermaterialien Einschließun­ gen negativer Steifigkeit besitzen.

Das Material, aus dem die Dämpfungselemente bestehen, wird in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Dämpfung der Schwingungen innerhalb der Gradientenspule selbst verwendet.

Die Ausführungsform der Dämpfungselemente kann durch unter­ schiedliche geometrische Formen gebildet sein. Denkbar sind Platten, Ringe oder Ringsegmente usw.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen bezug­ nehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Grundfeldmagneten und den Komponenten des Innenraumss, die er umschließt.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Darstellung des Grundfeldmagneten.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung der Gra­ dientenspule mit den drei Teilwicklungen.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch den Grund­ feldmagneten 1 eines MRT-Gerätes. Im Innenraum 15, den dieser umschließt, befindet sich die Gradientenspule 2. Außerdem zeigt Fig. 1 exemplarisch einige Verkleidungsteile 11 sowie den Boden 13, auf dem das MRT-Gerät steht. Der Grundfeldmagnet 1 enthält supraleitende Magnetspulen die sich in flüssigem Helium befinden und ist von einem zweischaligen Kessel 12, auch Magnethülle genannt, umgeben.

Das schematisch in Fig. 1 dargestellte System hat die Gra­ dientenspule 2 als Vibrations-Quelle.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es die Lärmübertragung durch den Einsatz von speziellen Dämpfungselementen 14 an be­ stimmten strategischen Stellen zu vermindern.

Die strategischen Stellen sind die Schnittstellen zwischen Gradientenspule 2 und der Magnethülle 12 bzw. zwischen der Magnethülle 12 und dem Boden 13 sowie zwischen der Magnethülle 12 und den Verkleidungsteilen 11.

Es wird vorgeschlagen eine ungeregelte mechanische Dämpfung zwischen der Gradientenspule 2 und der Magnethülle 12 bzw. zwischen der Magnethülle 12 und dem Boden 13 sowie den Ver­ kleidungsteilen 11 durch Verwendung von Materialien die nega­ tive Steifigkeit aufweisen zu realisieren.

Ebenfalls wird vorgeschlagen, dieses Material zur Dämpfung der Schwingungen innerhalb der Gradientenspule 2 selbst zu verwenden. Vorteilhafterweise wird das Material dabei so an­ geordnet, daß es an dem Ort der Schwingungsbäuche angeordnet ist, um die Schwingungsamplitude zu verringern.

Negative Steifigkeit bedeutet, daß ein Material auf eine de­ formierende Kraft mit einer Verschiebung in Gegenrichtung reagiert. Dieser Effekt ist verschieden von der Eigenschaft mancher kompressibler Schäume, sich bei Dehnung in einer Richtung unerwarteterweise senkrecht dazu zu spreizen. Ein mechanisches Beispiel für negative Steifigkeit ist eine kom­ primiert eingespannte Spiralfeder, mit der in Kompressions­ richtung sodann ein Druck auf ein anderes Material ausgeübt wird.

Wesentlich für die technische Verwendbarkeit ist, daß diese Eigenschaft stabil realisiert werden muß.

Die vorgeschlagene Dämpfung eignet sich aufgrund ihres rein passiven und mechanisch stabilen Funktionsprinzips besonders gut für den Einsatz in MRT-Geräten, insbesondere in Gradien­ tenspulen und Magnethülle. Ihre sehr hohe Dämpfungswirkung erlaubt eine effiziente Unterdrückung der mechanischen Schwingungen und trägt damit zur Unterdrückung der uner­ wünschten Lärmentstehung bzw. Lärmübertragung bei.

Claims (7)

1. Kernspin-Tomographiegerät, aufweisend, einen Grundfeldma­ gneten (1), umgeben von einer Magnethülle (12), die einen Innenraum (15) umgibt und begrenzt, wobei sich in diesem Innenraum (15) ein Gradientenspulensystem (2) befindet, wobei auf einer den Innenraum (15) begrenzenden Innenseite der Magnethülle (12) Dämpfungselemente (14) zur Absorption akustischer Schwingungen, welche beim Umschalten des Gradientenspulensystems (2) erzeugt werden, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (14) ein Material umfassen, welches negative Steifigkeit aufweist.

2. Kernspin-Tomographiegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absorption akustischer Schwingungen Dämpfungsele­ mente (14) zwischen Verkleidungsteilen (11) und der Magnethülle (12) angeordnet sind.

3. Kernspin-Tomographiegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Absorption akustischer Schwingungen Dämpfungsele­ mente (14) zwischen der Magnethülle (12) und dem Boden (13) angeordnet sind.

4. Kernspin-Tomographiegerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungselemente (14) aus zusammengesetzten Lager­ materialien bestehen.

5. Kernspin-Tomographiegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagermaterialien Einschließungen negativer Steifig­ keit besitzen.

6. Kernspin-Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspule (2) weitere Dämpfungselemente aus Ma­ terial mit negativer Steifigkeit aufweist.

7. Kernspin-Tomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausführungsform der Dämpfungselemente durch unter­ schiedliche geometrische Formen, wie Platten, Ringe oder Ringsegmente usw., gebildet ist.