DE102004005278B4

DE102004005278B4 - Verfahren zur Herstellung transversaler nichtzylindrischer Gradientenspulen mit zumindest einem divergenten Abschnitt

Info

Publication number: DE102004005278B4
Application number: DE102004005278A
Authority: DE
Inventors: Johann Schuster; Stefan Stocker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2024-02-04
Also published as: DE102004005278A1; GB2411237B; GB2411237A; GB0502173D0; US7343670B2; CN1672634A; US20050198812A1; CN100438824C

Abstract

Verfahren zur Herstellung nichtzylindrischer transversaler Gradientenspulen und/oder Gradiententeilspulen mit konischem axialen Verlauf für ein Kernspintomographiegerät, aufweisend die folgenden Schritte:
– Herstellen einer planaren Fingerprint-Spule und/oder einer planaren Fingerprint-Teilspule,
– Aufbringen und Fixieren der planaren Fingerprint-Spule und/oder der planaren Fingerprint-Teilspule auf einer Trägerplatte,
– Bilden einer konischen Sattelspule (51) und/oder einer konischen Teilsattelspule (45) durch Rollen der Trägerplatte zu einer konischen Fläche (50, 46).

Description

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 auf eine transversale nichtzylindrische Gradientenspule, die zumindest einen divergenten Abschnitt aufweist, sowie auf Herstellungsverfahren derartiger nichtzylindrischer, zumindest einen divergenten Abschnitt aufweisender Gradientenspulen.
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, konstanten 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 inhomogener 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. Die MRT verwendet heute Anwendungen mit hoher Gradientenleistung, die bei Meßzeiten in der Größenordnung von Sekunden und Minuten eine exzellente Bildqualität ermöglichen. 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 Perfusionsmessung in der Kardiologie sind nur einige wenige Beispiele.
1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein MRT Gerät nach dem Stand der Technik. Der Schnitt zeigt weitere Komponenten eines Innenraums 21 den ein Grundfeldmagnet 1 umschließt. Der Grundfeldmagnet 1 enthält supraleitende Magnetspulen die sich in flüssigem Helium befinden und ist von einer Magnethülle 12 in Form eines zweischaligen Kessels umgeben. In dem von der Magnethülle 12 (auch Magnetgefäß genannt) umschlossenen Innenraum ist über Tragelemente 7 die Gradientenspule 2 konzentrisch eingehängt. Die Gradientenspule 2 besteht aus drei Teilspulen die im Innenraum 21 drei orthogonale Gradientenfelder erzeugen: eine Maxwellspule die ein zylindrisches Gradientenfeld in Patientenlängsachse (z-Achse) erzeugt und daher als axiale (Gradienten-)Spule bezeichnet wird sowie zwei zueinander um 90° gedrehte Sattelspulenpaare die auf der Zylindermantelfläche der Gradientenspule 2 angeordnet sind und daher als transversale zylindrische (Gradienten-)Spule bezeichnet werden. Im Inneren der Gradientenspule 2 ist ein Tragrohr mit der darauf aufgebrachten Hochfrequenzantenne ebenfalls konzentrisch eingebracht. Tragrohr und HF-Antenne werden im Folgenden als HF-Resonator oder als "Körperspule" (englisch: Body Coil, BC) 13 bezeichnet. Gradientenspule 2 und Körperspule 13 stellen somit zwei ineinander geschobene Zylinder dar, die entweder eine Passung aufweisen oder einen maximalen radialen Abstand – in Form eines Luftspalts – von etwa 3 cm zueinander haben. Die HF-Antenne hat die Aufgabe, die von einem Leistungssender abgegebenen HF-Impulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Atomkerne des Patienten 18 umzusetzen und anschließend das Kernresonanzsignal zu empfangen, d. h. das von dem präsidierenden Kernmoment ausgehenden Wechselfeld in eine dem Empfangszweig zugeführte Spannung zu wandeln. Der obere Teil der Körperspule 13 ist über eine aus Designtechnischen Gründen trichterförmige Verkleidung 29 mit der Magnethülle 12 me chanisch verbunden. Im unteren Teil des Innenraums 21 sind sogenannte Zungen 30 montiert. Der Patient 18 wird auf einer Patientenliege 19 über Gleitschienen 17 in die Öffnung bzw. in den Innenraum des Systems eingefahren. Die Patientenliege ist auf einem vertikal verstellbaren Tragrahmen 26 gelagert.
In einer möglichen Ausgestaltung des MRT Gerätes – bei dem neuartigen IFG Konzept (integrierter Feld-Erzeuger, englisch: Integrated Field Generator, IFG) – bestehen die transversalen Sattelspulenpaare aus zwei Teilhälften, also zwei kürzeren Rohren, die jeweils Gradientenspulenanteile beinhalten und durch Verschaltung die Funktionalität einer einzigen Gradientenspule erzeugen.
Dieses neuartige Konzept des Gradientenspulendesigns zeigt deutliche Vorteile bezüglich der Leistungsfähigkeit (system performance) von MR Gradientensystemen.
DE 49 22 782 A1 offenbart eine Vielzahl transversaler Sattelspulen die weitaus komplexere Formen aufweisen als einstückig zylindrische Sattelspulen konventioneller Bauart. Derartige Sattelspulen weisen zum Teil mehrere konische bzw. divergente (Teil-)Abschnitte auf. Das Verbinden bzw. Verdrahten solcher unterschiedlich ausgebildeten Teilsattelspulen beispielsweise entlang kegelstumpfförmiger oder radialer Ringsegmente ist in den Druckschriften DE 696 08 196 T2 , DE 195 45 222 A1 sowie in DE 42 30 145 A1 offenbart. Dabei offenbart der Stand der Technik lediglich Verfahren zur Herstellung konventioneller zylindrischer Sattelspulen, wobei neuere Verfahren – beispielsweise das in DE 40 17 260 A1 offenbarte Verfahren – von bekannten Biegeverfahren absehen und das Einlegen des Leiters in Nuten vorgefertigter zylindrischer Halbschalen propagieren, was allerdings ein ausgesprochen aufwendiges und mit einer Vielzahl von Problemen behaftetes Verfahren darstellt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von trans versalen Gradientenspulen mit konischem axialen Verlauf vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Beansprucht wird ein Verfahren zur Herstellung nichtzylindrischer transversaler Gradientenspulen und/die Gradiententeilspulen mit konischem axialen Verlauf für ein Kernspintomographiegerät, aufweisend die folgenden Schritte:

– Herstellen einer planaren Fingerprint-Spule und/oder einer planaren Fingerprint-Teilspule,
– Aufbringen und Fixieren der planaren Spule und/oder der planaren Teilspule auf eine Trägerplatte,
– Bilden einer konischen Sattelspule und/oder einer konischen Teilsattelspule durch Rollen der Trägerplatte zu einer konischen Fläche.

Dabei erfolgt das Herstellen einer planaren Fingerprint-Spule bzw. einer planaren Fingerprint-Teilspule durch bekannt Formgebungsverfahren wie Stanzen, Fräsen, Gießen usw. bzw. durch Einlegen des Leiters in eine planare Einlegeform.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren beansprucht zur Herstellung nicht-zylindrischer Gradientenspulen mit konischem Endabschnitt für ein Kernspintomographiegerät, aufweisend die folgenden Schritte:

– Herstellen einer konischen Teilsattelspule nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
– Herstellen einer zylinderförmigen Teilsattelspule,
– Verbinden der jeweils zugehörigen offenen Enden der beiden Teilsattelspulen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein MRT-Gerät mit zylindrischer einteiliger Gradientenspule nach dem Stand der Technik.
2A zeigt die Draufsicht auf die obere Hälfte einer transversalen Sattelspule die zweiunterschiedliche Zylinderradien aufweist.
2B zeigt im Querschnitt die verbundenen Teilsattelspulen mit rechtwinkligem Übergang.
2C zeigt perspektivisch die obere Hälfte einer transversalen Sattelspule gemäß 2A.
Einzelheit A.1 bis A.3 zeigt den vergrößerten Abschnitt des Übergangs beider Teilsattelspulen.
3A zeigt in der Draufsicht die obere Hälfte einer transversalen Sattelspule die zwei unterschiedliche Zylinderradien aufweist bei konischem Übergang.
3B zeigt die transversale Sattelspule mit konischem Übergang gemäß 3A im Querschnitt.
3C zeigt perspektivisch die obere Hälfte einer transversalen Sattelspule gemäß 3A.
Einzelheit B.1 bis B.3 zeigt den vergrößerten Abschnitt des konischen Übergangs.
4A zeigt in der Draufsicht die obere Hälfte einer transversalen Sattelspule mit einem zylinderförmigen Abschnitt und einem konischen Endabschnitt.
4B zeigt im Querschnitt die verbundenen Teilsattelspulen mit stumpfwinkligem Übergang.
4C zeigt die obere Hälfte der Sattelspule gemäß 4A perspektivisch.
Einzelheit C.1 bis C.3 zeigt den stumpfwinkligen Übergang vergrößert.
5A zeigt in der Draufsicht die obere Hälfte einer transversalen Sattelspule mit konischem Verlauf.
5B zeigt die obere Hälfte der konischen transversalen Sattelspule nach 5A im Querschnitt.
5C zeigt die obere Hälfte der konischen transversalen Sattelspule perspektivisch.
Der obere Teil einer einfachen modifizierten Ausbildung einer Gradientenspule nach dem EFG Konzept (nicht einstückig zylindrisch mit zumindest einem divergenten Abschnitt) ist in den 2A, 2B und 2C dargestellt. Er besteht in der Anordnung zweier sattelförmiger Teilsattelspulen 31, 32 auf jeweils zwei Halbschalen 33, 34 mit jeweils unterschiedlichen Zylinderradien und rechtwinkligem Übergang 36 zwischen den beiden Halbschalen 33, 34 und damit den Teilsattelspulen 31, 32. Der rechtwinklige Übergang stellt somit einen divergenten Abschnitt der Gradientenspule dar, durch den die gesamte Gradientenspule ihre Zylinderform verliert. In 2A ist eine solche Spule in der Draufsicht dargestellt. Der rechtwinklige Übergang 36 wird anhand 2B deutlich: durch den unterschiedlichen Radius beider aneinandergefügten oberen Halbschalen 33, 34 entsteht ein senkrecht zur Zylinderachse stufenförmiger divergenter Abschnitt 36, über den beide (offenen) Teilsattelspulen 31, 32 nicht direkt aneinandergefügt werden können. Die Teilsattelspulen in Form sattelförmiger (Fingerprint) Spulen 31, 32 werden demnach geteilt hergestellt, wobei die Teilung in einer Ebene 36 senkrecht zur Zylinderachse erfolgt. Das Verbinden beider einzeln gefertigten Teilsattelspulen 31, 32 erfolgt gemäß Einzelheit A durch Löten, Schweißen, Crimpen oder weiteren Klemmverbindungen von Verbindungsleitern 35 (bzw. Verbindungsleiterabschnitten) mit den offenen jeweils zugehörigen Leiterenden der Teilsattelspulen 31, 32.
Die Herstellung der Teilsattelspulen kann nach herkömmlichem Stand der Technik erfolgen, indem der elektrische Leiter beispielsweise in eine Wickelform eingelegt oder auf eine Wickelvorrichtung aufgewickelt wird und anschließend mit einem Trägermaterial (typischerweise einer 1 mm glasfaserverstärkten Epoxydplatte) verklebt und auf den entsprechenden Radius gebogen oder geformt wird. Das Trägermaterial bildet die entsprechende Halbschale 33, 34, die eine mechanische (Lage) Fixierung der Teilsattelspule 31, 32 ermöglicht. Die Lagefixierung der Teilsattelspule 31, 32 erfolgt erfindungsgemäß auf einem Montagedorn, dessen Geometrie die Form der späteren Gradientenspule bestimmt. In einem letzten Abschnitt der Gradientenspulen-Herstellung werden die jeweils zugehörigen offenen Leiterenden der Teilsattelspulen 31, 32 durch Löten, Schweißen, Crimpen ect. mit Verbindungsleitern 35 (Leiterstücke) elektrisch so verbunden, dass eine durchgehende Transversalspulenwicklung über beide Halbschalen bzw. Teilsattelspulen hinweg entsteht. In 2C ist die obere Hälfte einer solchen transversalen nichtzylindrischen Gradientenspule perspektivisch dargestellt. Zu sehen sind beide aneinandergefügten Halbschalen 33, 34 (als formgebende Trägersättel) mit den entsprechenden Teilsattelspulen 31, 32, die im Bereich der Divergenz 36 durch radial angeordnete Verbindungsleiter 35 zu einer durchgehenden oberen Transversalspulenwicklung verbunden sind.
Die gesamte transversale Gradientenspule zur Erzeugung eines Gradientenfeldes in definierter transversaler (X- bzw. Y-) Richtung (nicht dargestellt) wird durch die Kombination der Spulen 31, 32 und Halbschalen 33, 34 gemäß 2B mit einer komplementären unteren Anordnung gebildet.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung einer transversalen nichtzylindrischen Gradientenspule wird der divergente Abschnitt 37 zwischen den beiden Halbschalen 40, 41 feldwirksam genutzt, indem die Verbindungsleiter 42 relativ zur Spulenachse (zur Symmetrieachse) konisch verlaufend angeordnet werden. In 3A ist eine solche Spule in der Draufsicht dargestellt. Der konische kegelstumpfförmige Übergang 37 wird auch anhand der 3B und 3C deutlich. Gemäß Einzelheit 3.1 können die Verbindungsleiter 42 geradlinig zwischen den offenen Leiterenden der entsprechenden Teilsattelspulen 38, 39 erfindungsgemäß auf einem ebenso konischen Abschnitt 37 (Unterlage) des erwähnten Montagedorns verlegt werden. Nach dem Ausführen der Verbindung 43 gemäß des beschriebenen Verfahrens (Löten, Schweißen, Crimpen etc.) sind die Verbindungsleiter 42 dann gleichzeitig in ihrer Lage fixiert.
Alternativ zu einer genauen Positionierung der Verbindungsleiter 42 auf einem konischen Abschnitt des Montagedorns können die Verbindungsleiter 42 in eine ebene Wickelform eingelegt oder auf eine ebene Trägerplatte fixiert und in beiden Fällen zu konischen (Kegelmantel-Flächen) gerollt werden. In einem weiteren Schritt wird dann die Verbindung zwischen den beiden Halbschalen 40, 41 und letztendlich zwischen den offenen Leiterenden der beiden Teilsattelspulen 38, 39 geschaffen.
Genauso ist es möglich erfindungsgemäß bei der Fertigung der Teilsattelspulen die offenen Leiterenden entweder der ersten 39 oder der zweiten Teilsattelspule 38 derart verlängert auszubilden, dass allein durch Verbiegen der Verlängerungen eine konisch verlaufende Verbindung beider Teilsattelspulen erfolgt und nur eine Schweiß-Löt-Crimp-Verbindung etc. 43 pro offenes Ende geschaffen werden muss (B.2, B.3). Auf die Fertigung geeignet langer Verbindungs-Leiterstücke 42 kann dann verzichtet werden. Dieses eben beschriebene Verfahren kann im übrigen auch bei einem rechtwinkligen divergenten Abschnitt zwischen den Teilsattelspulen angewendet werden (siehe Einzelheit A.2, A.3).
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung einer transversalen Gradientenspule erstreckt sich der divergente Ab schnitt der Spule über einen gesamten Endabschnitt 46 der Spule. In 4A ist beispielsweise eine Gradientenspule dargestellt, deren linke Teilsattelspule 44 auf einer zylindrischen Halbschale 47 und deren rechte Teilsattelspule 45 konisch verläuft bzw. einer konischen Halbschale 46 aufgeprägt wurde. Auch hier entfallen diverse Verbindungsleiter. Linke und rechte Teilsattelspule 44,45 werden an den entsprechenden Stellen 48 nach erwähnten Verfahren verbunden 49 (Einzelheit C).
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausbildung einer transversalen Gradientenspule erstreckt sich der divergente Abschnitt der Spule über die gesamte Spulenlänge. In den 5A, 5B und 5C beispielsweise ist der obere Teil einer solchen Gradientenspule 51 dargestellt, welcher aus einer einzigen Fingerprint-Sattelspule besteht, die einer konischen kegelstumpfförmigen Halbschale 50 erfindungsgemäß aufgeprägt wurde. In diesem Falle sind keine Teilsattelspulen zu verbinden, so dass obige Verbindungstechniken nicht erforderlich sind, bzw. Verbindungsleiter entfallen.
Um Spulenwicklungen und Verbindungsleiter insbesondere Sattelspulen bzw. Teilsattelspulen gemäß 3A bis 5C konischen Flächen (Kegelmantenflächen) aufzuprägen bzw. axialkonischen Verlauf zu geben, können erfindungsgemäß konische Wickeldorne, konische (Einlege-)Wickelformen oder formbare Trägerplatten verwendet werden, die erfindungsgemäß mit bekannten Formgebungsverfahren kombiniert werden können (Stanzen, Fräsen, Gießen, ect.). So ist es beispielsweise auch möglich, die Teilsattelspulen bzw. die Verbindungsleiter aus einer Leiterfläche herauszustanzen oder herauszufräsen bzw. unter Verwendung einer entsprechenden Gußform zu gießen. Hierbei kann die konische Formgebung bereits im Rahmen dieses Herstellungsprozesses oder aber in beschriebener Weise hinterher erfolgen.
Weiterhin sei angemerkt, dass der erfinderische Gedanke weitaus komplexere Verlaufsformen von transversalen Gradienten spulen umfasst. So wäre es beispielsweise denkbar eine Gradientenspule aus mehreren divergenten Abschnitten in Kombination mit unterschiedlichen Teilsattelspulen beliebiger axialer Verläufe auszubilden (beispielsweise parabel- und/oder charlottenförmig).
Ferner ist das oben dargelegte Spulendesign nicht nur auf Gradientenspulen beschränkt sondern kann erfindungsgemäß auf Sekundärspulen (Shimspulen) erweitert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung nichtzylindrischer transversaler Gradientenspulen und/oder Gradiententeilspulen mit konischem axialen Verlauf für ein Kernspintomographiegerät, aufweisend die folgenden Schritte: – Herstellen einer planaren Fingerprint-Spule und/oder einer planaren Fingerprint-Teilspule, – Aufbringen und Fixieren der planaren Fingerprint-Spule und/oder der planaren Fingerprint-Teilspule auf einer Trägerplatte, – Bilden einer konischen Sattelspule (51) und/oder einer konischen Teilsattelspule (45) durch Rollen der Trägerplatte zu einer konischen Fläche (50, 46).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellen einer planaren Fingerprint-Spule und/oder einer planaren Fingerprint-Teilspule durch Formgebungsverfahren wie Stanzen, Fräsen, Giessen oder durch Einlegen des Leiters in eine planare Einlegeform erfolgt.
Verfahren zur Herstellung nichtzylindrischer Gradientenspulen mit konischem Endabschnitt für ein Kernspintomographiegerät, aufweisend die folgenden Schritte: – Herstellen einer konischen Teilsattelspule (45) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, – Herstellen einer zylinderförmigen Teilsattelspule (44), – Verbinden der jeweils zugehörigen offenen Enden der beiden Teilsattelspulen (44, 45).