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