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Die
Erfindung betrifft einen Erzeuger zeitvariabler Magnetfelder mit
einer primären
Gradientenspuleneinheit zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfeldes
in einem Untersuchungsbereich eines Magnetresonanzgeräts. Des
Weiteren betrifft die Erfindung ein Magnetresonanzgerät mit mindestens
einem derartigen Erzeuger zeitvariabler Magnetfelder.
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Die
Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik unter anderem zum
Gewinnen von Bildern eines Körperinneren
eines Untersuchungsobjekts. Dabei werden in einem Untersuchungsbereich
des Magnetresonanzgeräts
(MR-Geräts)
einem vorliegenden statischen Grundmagnetfeld B0, das von einem
Grundfeldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete magnetische
Gradientenfelder überlagert, welche
mittels Gradientenspulen erzeugt werden. Zum Auslösen von
Magnetresonanzsignalen umfasst das Magnetresonanzgerät ferner
eine Hochfrequenzantenne (HF-Antenne), die HF-Signale, das so genannte
B1-Feld, in das Untersuchungsobjekt einstrahlt. Mithilfe dieser
Antenne oder weiterer Lokalantennen können die ausgelösten Magnetresonanzsignale
aufgenommen werden und anschließend
zu Magnetresonanzbildern verarbeitet werden. Das B1-Feld wird allgemein
von Ströme
durch einen Leiter erzeugt.
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Beispielsweise
aus der
US 6,433,550 ist
ein offenes Magnetresonanzgerät
mit einem C-förmigen Grundfeldmagneten
bekannt. In der Öffnung
des C-förmigen
Grundfeldmagneten ist ein Patientenaufnahmeraum des Magnetresonanzgeräts angeordnet, in
dem das Grundmagnetfeld des Magnetresonanzgeräts möglichst homogen erzeugt wird.
Des Weiteren sind zwei Polplatten an den beiden Enden der C-Struktur
angeordnet, an denen in Richtung hin zum Patientenaufnahmeraum im
Wesentlichen planar ausgebildete Teile eines Gradientenspulensystems und
daran anschließend
ebenfalls im Wesentlichen planar ausgebildete Teile eines Antennensystems des
Magnetresonanzgeräts
angeordnet sind. Gradientenspulen für vorgenanntes Gradientenspulensystem
sind beispielsweise in der
DE
40 37 894 A1 und
DE
19544779A1 näher
beschrieben. Aktiv geschirmte Gradientenspulen für MR-Geräte sind z.B. aus
DE 44 22 781 C1 und
DE 44 22 782 C1 bekannt.
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Ferner
ist aus der
DE 42 32
884 A1 eine Antennenanordnung für ein Kernspinresonanzgerät bekannt,
bei dem ein Grundmagnetfeld zwischen zwei Polplatten aufgebaut wird.
An jeder Polplatte ist eine Teilantenne angeordnet, in die ein Hochfrequenzstrom
eingespeist wird. Die Teilantennen bestehen aus einem geschlossenen,
geerdeten, der jeweiligen Polplatte zugewandten Schirm und einer
flächenhaften,
in Abstand zum Schirm und im Wesentlichen parallel zu diesem angeordneten
Leiterstruktur. Weiterhin ist aus der
DE 42 32 884 A1 bekannt, dass man bei Polplattengrundfeldmagneten
bestrebt ist, den Polplattenabstand möglichst klein zu halten, damit das
Gewicht des Grundfeldmagneten klein bleibt und eine bessere Grundmagnetfeldhomogenität erzielt wird.
Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, alle Einbauten zwischen den
Polplatten, wie das Gradientenspulensystem, der Hochfrequenzschirm
und die Antennenanordnung, so flach wie möglich zu halten. Andererseits
ist für
einen hohen Wirkungsgrad der beschriebenen Antennenanordnung ein
möglichst
großer
Abstand der Antennenanordnung zum Hochfrequenzschirm vorteilhaft.
Dies gilt insbesondere bei der Nutzung der Antennenanordnung zum
Empfangen von Magnetresonanzsignalen.
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Aus
DE 101 24 737 A1 ist
eine zirkulare planare Hochfrequenzantenne für offene Magnetresonanzgeräte bekannt.
Sie weist zwei beabstandete Systeme aus ebenen auf einer Tragplatte
angeordneten Leitern für
einander kreuzende Ströme
auf. Die Leiter sind zur Abstimmung auf die gewünschte Resonanzfrequenz durch
auf Masse gelegte Abstimmkondensatoren an wenigs tens einem Ende
kapazitiv verkürzt.
Auf jeder Tragplatte ist nur eine flächige Metallschicht angeordnet,
in die um 90° versetzt
die beiden wiederum um 90° phasenversetzten
Ströme
eingespeist werden. An der Einspeisungsstelle und der gegenüberliegenden
Seite sind Abstimmkondensatoren angeordnet.
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Da
allgemein bei Magnetresonanzanlagen der Platz innerhalb des homogenen
Grundmagnetfeldes B0, d.h. der Polplattenabstand, kostspielig und deswegen
begrenzt ist, ist jeder Ansatz, den verfügbaren Raum minimal durch Einbauten
zu belegen bzw. maximal für
den Patienten zur komfortablen Untersuchung zu nutzen, von Vorteil.
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Erzeuger zeitvariabler Magnetfelder
und ein Magnetresonanzgerät
mit einem derartigen Erzeuger anzugeben, die bei einer hohen Effizienz
einen möglichst kompakten
Aufbau, insbesondere von Gradientenspuleneinheit und Hochfrequenzantenne,
aufweisen.
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Die
erstgenannte Aufgabe bezogen auf den eingangs erwähnten Erzeuger
mit einer primären Gradientenspuleneinheit
wird dadurch gelöst,
dass die primäre
Gradientenspuleneinheit zur Aufnahme mindestens eines Gradientenspulenleiters
einen Zentralbereich, einen Außenbereich
und mindestens einen die beiden Bereiche verbindenden Verbindungsbereich
aufweist, wobei der Außenbereich
den Zentralbereich umgibt und wobei zwischen dem Zentralbereich
und dem Außenbereich
mindestens ein Zwischenraum angeordnet ist, der frei vom Gradientenspulenleiter
der primären
Gradientenspule ist und in dem ein Hochfrequenzantennenelement angeordnet
ist.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt darin, dass z.B. die Leiterführung der
primären
Gradientenspuleneinheit nicht zwangsweise geschlossen als Spulenwindung
im Zentralbereich stattfinden muss, sondern dass über den
Verbindungsbereich auch außerhalb des
Zentralbereichs eine Schließung
von Spulenwindungen erfolgen kann. Dadurch wird die Erzeugung von
Gradien tenmagnetfeldern effizienter, da eine Rückführung des Leiters in größerer Entfernung
erfolgen kann und somit in einem Untersuchungsbereich die Erzeugung
von Magnetfeldern, die dem Gradientenmagnetfeld entgegenwirken,
verringert wird. Je größer der
Verbindungsbereich ist, desto mehr Spulenwindungen können außerhalb
des Zentralbereichs geschlossen werden und desto effizienter ist
die Erzeugung des Gradientenmagnetfeldes. Ein weiterer Vorteil liegt
darin, dass der Zwischenraum zur Bildung einer HF-Antenne mittels
der HF-Antennenelemente genutzt wird. Dies ermöglicht einen sehr kompakten
Aufbau von Gradientenspuleneinheit und HF-Antenne. Ein derartig
als Gradientenspulen-Hochfrequenzantenneneinheit aufgebauter Erzeuger
weist einen hohen Integrationsgrad von Gradientenspuleneinheit und
Hochfrequenzantenneneinheit auf. Mithilfe eines oder mehrerer Verbindungsbereiche
lassen sich höhere
Anforderungen an das Gradientenfeld erfüllen. Die Effizienz der HF-Antenne, insbesondere
der Verlauf des HF-Feldes, wird durch die Beschränkung der Antennenelemente
auf die Zwischenräume
beeinträchtigt.
Letzteres kann z.B. durch stärkere
HF-Sender und kontrastverbesserte MR-Messsequenzen kompensiert werden.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird durch ein Magnetresonanzgerät mit mindestens
einem derartigen Erzeuger gelöst.
Bei der Verwendung derartiger Erzeuger, insbesondere bei offenen
MR-Geräten, steht
dem Patienten ein großer
Untersuchungsbereich zur Verfügung.
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Beispielsweise
basiert das Magnetresonanzgerät
auf einem C-förmigen Permanentmagneten
mit z.B. vertikalem Grundmagnetfeld. Das Grundmagnetfeld liegt zwischen
zwei gegenüberliegenden
Polplatten und ist im Untersuchungsbereich des Magnetresonanzgeräts möglichst
homogen. Ist an jeder Polplatte ein erfindungsgemäßer Erzeuger
angeordnet, kann ein Gradientenmagnetfeld effizient im Untersuchungsbereich
erzeugt werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausbildungsform des Erzeugers ergänzen sich
die Bereiche der primären
Gradientenspu leneinheit im Wesentlichen plattenartig, d.h. die Bereiche
liegen in der gleichen Ebene. Die Ebene kann dabei planar oder auch
beispielsweise gebogen an den Untersuchungsbereich angepasst sein.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erzeugers ist
der Zentralbereich kreisrund, der Außenbereich kreisringartig und
der Verbindungsbereich speichenartig ausgebildet. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die Geometrie der Gradientenspuleneinheit
besonders günstig
an zylindersymmetrische Grundmagnetfelder von C-bogenförmigen Magnetresonanzgeräten angepasst
ist. Alternativ könnten
die Bereiche z.B. auch viereckig ausgebildet sein.
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In
einer vorteilhaften Ausbildungsform des Erzeugers umfasst die Gradientenspuleneinheit mehrere
Gradientenspulenleiter, die einzeln oder gemeinsam bestrombar sind.
Vorteilhafterweise verläuft einer
der Gradientenspulenleiter vom Außenbereich über einen ersten der Verbindungsbereiche
zum Zentralbereich und über
einen zweiten der Verbindungsbereiche wieder zurück zum Außenbereich. Bei der Schließung von
Gradientenspulenwindungen kann auf diese Weise ein einen Rückstrom
führenden Abschnitt
eines Gradientenleiters beispielsweise radial nach außen in den
Außenbereich
verlegt werden.
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Alternativ
kann ein einen Rückstrom
führender
Abschnitt eines Gradientenleiters z.B. als Shim-Leiter zur Abschirmung
von Magnetfeldern der ersten Gradientenspuleneinheit außerhalb
des Untersuchungsbereichs verwendet werden. Dazu wird beispielsweise
einer der Gradientenspulenleiter an einer Position den Außenbereich
in Richtung der dem Untersuchungsbereich abgewandten Seite verlassen und
anschließend
insbesondere auf der dem Untersuchungsbereich abgewandten Seite
der primären Gradientenspuleneinheit,
zu einer anderen Position des Außenbereichs verlaufen und dort
wieder in diesen eintreten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Erzeugers umfasst dieser einen Feldrückflussraum, der auf der dem
Untersuchungsbereich abgewandten Seite der primären Gradientenspuleneinheit
angeordnet ist, und wobei der Zwischenraum den Feldrückflussraum
und den Untersuchungsbereich miteinander derart verbindet, dass
die zeitvariablen Magnetfelder im Zwischenraum, im Feldrückflussraum
und im Untersuchungsbereich verlaufen. Vorzugsweise sind der Zwischenraum,
der Feldrückflussraum
und der Untersuchungsbereich derart ausgebildet, dass sie eine Schließung von
Gradientenmagnetfeldern und Hochfrequenzmagnetfeldern ermöglichen.
Die Verwendung eines derartigen Feldrückflussraumes ermöglicht einen
sehr kompakten Aufbau einer mit einer Hochfrequenzantenne kombinierten
Gradientenspuleneinheit bei hoher Effizienz.
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Vorzugsweise
sind die Bereiche der primären
Gradientenspuleneinheit jeweils einzeln von Abschnitten eines als
Hochfrequenzschirm wirkenden elektrischen Leiters umschlossen. Eine
derartige Hochfrequenzabschirmung reduziert Verluste durch Vermeidung
des Eindringens des Hochfrequenzfeldes in die Gradientenspulen.
Vorzugsweise ist der elektrische Leiter derart durchbrochen und
mit Kondensatoren verschaltet, dass er im Frequenzbereich der Gradientensignale
keine signifikanten Wirbelströme
entwickelt, jedoch im Bereich der Magnetresonanzfrequenzen im Wesentlichen
als eine zusammenhängende
Leiterfläche
wirkt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Erzeugers ist der elektrische Leiter oder ein Teilbereich des
elektrischen Leiters Teil eines Hochfrequenzantennenresonanzkreises,
der zusätzlich
mindestens eines der HF-Antennenelemente umfasst, das insbesondere
den Abschnitt des elektrischen Leiters um den Außenbereich mit dem Abschnitt
des elektrischen Leiters um den Zentralbereich hochfrequenzmäßig verbindet.
Vorzugsweise dient dabei der elektrische Leiter als eine Art Rückstromleiter
des HF-Antennen-Resonanzkreises. Zusätzlich ist es vorteilhaft,
wenn der elektrische Leiter den Feldrück flussraum bis auf den Bereich,
an den der Zwischenraum angrenzt, umschließt, und so den vom HF-Feld einnehmbaren
Bereich innerhalb des Erzeugers begrenzt.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erzeugers weist
das Antennenelement Mittel zur Einspeisung eines Hochfrequenzsignals
zur Erzeugung eines Hochfrequenz-Magnetfeldes und/oder zum Auslesen
eines Magnetresonanzsignals auf.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erzeugers sind
vier symmetrisch angeordnete Verbindungsbereiche derart ausgebildet, dass
sich vier Zwischenräume
ausbilden, in denen jeweils mindestens ein Antennenelement angeordnet ist.
Eine derartige Gradientenspuleneinheit setzt sich z.B. aus vier
gleichartigen 90°-Winkelsegmenten
zusammen. Jeweils zwei gegenüberliegende
Verbindungsbereiche nehmen dabei vorzugsweise von Gradientenspulenleiter
zur Gradientenfelderzeugung für
eine transversale Richtung auf. Wird ein hochwertiges Gradientenfeld
in nur einer transversalen Richtung benötigt, könnte der Erzeuger auf nur zwei
Verbindungsbereiche und entsprechend zwei Zwischenräume reduziert
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Erzeugers ist zusätzlich
eine sekundäre
Gradientenspuleneinheit vorhanden, die insbesondere auf der dem
Untersuchungsbereich abgewandten Seite der Grenzfläche des
Feldrückflussraums
angeordnet und zur Abschirmung der primären Gradientenspuleneinheit
ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass Verfälschungen des gewünschten
raum-zeitlichen Gradientenmagnetfeldes durch Wirbelströme oder
Hysterese-Effekte vermieden werden können.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Es
folgt die Erläuterung
von mehreren Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der 1 bis 6. Es zeigen:
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1 schematisch
ein Magnetresonanzgerät
mit einem C-förmigen Grundfeldmagneten
und zwei Gradientenspuleneinheiten,
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2 einen
Schnitt durch eine beispielhafte erfindungsgemäße Gradientenspuleneinheit
mit einer Primär- und einer Sekundärgradientenspuleneinheit
mit mehreren Primär-
und Sekundärgradientenspulen
sowie mit integrierter Hochfrequenzantenne,
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3 eine
primärgradientenspulenseitige Aufsicht
auf die Gradientenspuleneinheit aus 2 zur Verdeutlichung
von möglichen
Leiteranordnungen von primären
Gradientenspulen,
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4 eine
schematische Darstellung zur Erzeugung eines Gradientenfeldes in
X-Richtung,
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5 eine
schematische Darstellung zur Erzeugung eines B1-Feldes und
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6 eine
Skizze zum B1-Feldverlauf.
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1 zeigt
schematisch ein offenes Magnetresonanzgerät 1 zur medizinischen
Untersuchung von Patienten z.B. mittels MR-Tomographie oder MR-Spektroskopie in
einem Grundmagnetfeld B0, welches mit einem C-förmigen Grundfeldmagneten 3 erzeugt
wird. Das zeitlich konstante B0-Feld wird entsprechend des angegebenen
Koordinatensystems in Y-Richtung erzeugt und liegt z.B. in der Größenordnung
von 0,3 T. Schematisch dargestellt ist weiterhin eine Patientenliege 5 mit
der ein Patient 7 in den Untersuchungsbereich 9 eingebracht
werden kann.
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Zwei
an Polelemente 11A, 11B des Grundfeldmagneten 3 angepasste
Erzeuger zeitvariabler Magnetfelder 13A, 13B erzeugen
im Untersuchungsbereich 9 einerseits Gradientenfelder und
andererseits B1-Hochfrequenzfelder, welche senkrecht zum Grund magnetfeld
B0 ausgerichtet sind. Die Erzeuger 13A, 13B stellen
somit Gradientenspuleneinheiten mit integrierten HF-Antenneneinheiten
(Gradientenspulen-Hochfrequenzantennen-Einheiten) dar und ermöglichen
z.B. eine ortsaufgelöste
MR-Bildaufnahme. Die Erzeuger 13A, 13B weisen
die erfindungsgemäßen Merkmale
auf. Je nach Aufbau des MR-Geräts 1 kann
es erforderlich sein nur eine (üblicherweise
die vertikale) oder mehrere Raumrichtungen aktiv zu schirmen. Moderne
Gradientenspuleneinheiten umfassen üblicherweise drei primäre Gradientenspulen
zur Erzeugung von Gradientenmagnetfeldern in drei orthogonalen Raumrichtungen
sowie drei entsprechende sekundäre
Gradientenspulen zur Erzeugung von Magnetfeldern, die den primären Gradientenfeldern
außerhalb
des Untersuchungsbereichs 9 aktiv entgegenwirken.
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Eine
Gradientenspule weist üblicherweise eine
oder mehrere als Gradientenspulenwicklungen ausgebildete Gradientenspulenleiter
auf. Dieser bzw. diese werden zur Magnetfelderzeugung entsprechend
bestromt. Die Gradientenspulenwicklung umfasst üblicherweise Bereiche, die
das gewünschte Gradientenmagnetfeld
im Wesentlichen erzeugen, sowie Bereiche mit rückführenden Leitern, die zur Wicklung
des Leiters benötigt
werden. Je weiter letztere von den das gewünschte Gradientenmagnetfeld erzeugenden
Leiterbereiche entfernt angeordnet werden können, desto weniger beeinflusst
das Magnetfeld der rückführenden
Leiter im Untersuchungsbereich 9 das gewünschte Magnetfeld
und desto effizienter können
die Gradientenmagnetfelder erzeugt werden. Beispiele für verschiedene
Gradientenspulenwicklungen für
verschiedene Raumrichtungen sind z.B. aus den eingangs genannten
Patentschriften bekannt. Dabei sind auch Verschaltungen von primären und
sekundären
Gradientenspulen möglich.
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Die
Polelemente 11A, 11B und damit auch die Erzeuger 13A, 13B haben
beispielsweise einen Durchmesser in der Größenordnung des Untersuchungsbereichs 9.
Um einen möglichst
großen
Patientenkomfort durch ein möglichst
offenes MR-Gerät 1 zu
ge währleisten,
weisen die Erzeuger 13A und 13B einen möglichst
hohen baulichen Integrationsgrad von Gradientenspule(n) und HF-Antenne
auf.
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2 zeigt
als ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Schnitt durch eine perspektivisch dargestellte
Hälfte
eines erfindungsgemäßen Erzeugers 13C.
Eine derartige Gradientenspulen-HF-Antenneneinheit 13C kann
besonders vorteilhaft bei einem offenen MR-Gerät, wie es in 1 skizziert
ist, verwendet werden. Beispielsweise kann die dargestellte Gradientenspulen-HF-Antenneneinheit 13C an
dem unteren Polelement 11B des C-förmigen Grundfeldmagneten 3 des
Magnetresonanzgeräts 1 aus 1 und
eine weitere um 180° gedrehte,
identische Gradientenspulen-HF-Antenneneinheit an dem oberen Polelement 11A eingesetzt
werden.
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Die
dargestellte Gradientenspulen-HF-Antenneneinheit 13C umfasst
einen scheibenförmigen Zentralbereich 14A,
einen den Zentralbereich 14A ringförmigen umgebenden Außenbereich 14B und mehrere
Verbindungsbereiche 14C, 14F. Gemeinsam bilden
diese Bereiche eine plattenförmige
primäre
Gradientenspuleneinheit 15. In den verschiedenen Bereichen
verlaufen Gradientenspulenleiter für die Gradientenfelderzeugung
in drei Raumrichtungen. Im Bereich 14A sind elektrische
Leiterbereiche 15A, ...15C und im Bereich 14B sind
elektrische Leiterbereiche 15A',...15C' der primären Gradientenspuleneinheit 15 für drei Raumrichtungen
angeordnet (X-,Y-,Z-Gradientenspulen). Die Verbindungsbereiche 14C, 14F stellen
eine Gradientenleiter führende Verbindung
zwischen dem Zentralbereich 14A und dem Außenbereich 14B dar.
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Parallel
zur primären
Gradientenspuleneinheit 15 ist auf der einem Untersuchungsbereich 9A abgewandten
Seite eine sekundäre,
ebenfalls scheibenförmige
Gradientenspuleneinheit 18 angeordnet. Das durch Leiter
der sekundären
Gradientenspuleneinheit 18 erzeugte Magnetfeld schirmt
das primäre Gradientenmagnetfeld
z.B. im Bereich eines Metallgehäuses
einer Pol platte ab, um ungewollte Wirbelströme und damit verbundene störende Magnetfelder zu
verhindern. Die Dicken der primären
und sekundären
Gradientenspuleneinheiten 15, 18 liegen z.B. in der
Größenordnung
von 2 cm.
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Des
Weiteren ist es vorteilhaft, einen Bereich im Erzeuger 13C zur
Aufnahme von Teilen eines passiven Shim-Systems und/oder eines Kühlsystems vorzusehen.
Insbesondere ein stielartiger, die Zentren der Gradientenspuleneinheiten 15, 18 verbindender
Bereich 25 ermöglicht
eine elektrische Verbindung mit im Zentralbereich 14A angeordneten Leitern
oder die Versorgung eines darin angeordneten Kühlsystems zur Kühlung der
Gradientenleiter. Dies ist aufgrund der ummantelnden Ausbildung
eines, im Folgenden beschriebenen, HF-abschirmenden elektrischen
Leiters 19 ohne die Notwendigkeit von Hochfrequenzdurchführungen
möglich.
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Symmetrielinien 33A, 33B unterteilen
den Erzeuger 13C in vier gleichartige Winkelsegmente I, ...IV.
Jedes der Winkelelemente I, ... weist einen Zwischenraum 16A,
... auf, der sich über
einen Winkel α zwischen
dem Zentralbereich 14A und dem Außenbereich 14B erstreckt.
Die vier Zwischenräume 16A, ...
sind ringförmig
um den Zentralbereich 14A angeordnet, wobei der Ring durch
die Verbindungsbereiche 14C, ... unterbrochen ist. Die
Zwischenräume 16A,
... fungieren als Öffnung
und Zugang für
einen, auf der dem Untersuchungsbereich 9A abgewandten Seite
liegenden, bezüglich
der Zwischenräume 16A, ...
eine Hinterschneidung ausbildenden, Feldrückflussraum 17. In
den Zwischenräumen 16A,
... sind Hochfrequenzantennenelemente 21A, ... angeordnet,
die Teil eines HF-Antennenschwingkreises sind, der zur Erzeugung
von HF-Magnetfeldern und zum Empfang von MR-Signalen verwendet wird.
Die Antennenelemente 21A, ... sind stellvertretend für entsprechend
aufwändige
HF-Schaltungen durch Längskondensatoren
schematisch dargestellt. Die HF-Schaltungen ermöglichen z.B. ein Abstimmen
einer Resonanzfrequenz sowie ein Einspeisen und Auslesen von HF-Signalen.
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Der
schon erwähnte,
als HF-Schirm wirkende elektrischer Leiter 19 umgibt die
primäre
Gradientenspuleneinheit 15 und kleidet die Wände des Feldrückflussraums 17 von
Innen aus. Bevorzugt ist er dabei in seiner Struktur derart durchbrochen und/oder
mit Kondensatoren verschaltet, dass er im Frequenzbereich der Gradientensignale
keine signifikanten Wirbelströme
entwickelt, jedoch im Bereich der MR-Frequenzen im Wesentlichen
als eine zusammenhängende
Leiterfläche
wirkt und somit ein Eindringen der HF-Felder in die Gradientenspuleneinheiten 15, 18 verhindert.
Dazu kann der Hochfrequenzschirm 19 in bekannter Weise
beispielsweise mehrere Lagen einer elektrisch leitfähigen Folie
umfassen und mit kapazitiv überbrückten Schlitzen
ausgebildet sein. Die Dicke des Leiters 19 liegt z.B. in
der Größenordnung
von 15 μm.
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Die
Primärgradientenspuleneinheit 15 kann abweichend
von der Zylindersymmetrie eine beliebige Form aufweisen. Die Ausbildung
der Primärgradientenspuleneinheit 15 als
kreisförmige
Platte, wie in 2 dargestellt, ist besonders
vorteilhaft bei offenen MR-Systemen, bei denen die beiden Polplatten des
Magneten durch gegenüberliegende,
kreisförmige
Platten realisiert sind.
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3 zeigt
zur Verdeutlichung von möglichen
Gradientenleiteranordnungen eine primärgradientenspulenseitige Aufsicht
auf den Erzeuger 13c aus 2. Man erkennt
wieder die Unterteilung in vier gleichartige Winkelsegmente I, ...IV,
in denen sich beispielsweise die Zwischenräume 16A, ... jeweils über einen
Winkel von α =
45° erstrecken.
Dies ist im Winkelsegment I verdeutlicht. In den Zwischenräumen 16A,
... können
ein oder mehrere Antennenelemente angeordnet werden. Neben einem
einzigen Antennenelement sind Anordnungen besonders vorteilhaft,
die die Speisung eines einzigen Antennenelements 21A, ...
erlauben. Als Beispiel wurde im Zwischenraum 16A eine Anordnung
von drei HF-Antennenelementen 21E angedeutet, die aufgrund
der symmetrischen Anordnung ein Einspeisen eines HF-Signals am mittleren
der HF-Antennenelemente 21E erlaubt.
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In
den Winkelsegmenten II und III ist schematisch eine Hälfte einer
Gradientenleiteranordnung für
eine Gradientenfelderzeugung in X-Richtung angegeben. Gradientenleiter 35A verlaufen
in Z-Richtung von einer Seite des Außenbereichs 14B über den
Verbindungsbereich 14F, den Zentralbereich 14A,
den Verbindungsbereich 14D wieder zum Außenbereich 14B.
Die Gradientenfelderzeugung erfolgt hauptsächlich durch die parallel zueinander
geführten
Leiter 35A im Zentralbereich 14A.
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Aufgrund
der speichenartigen Anordnung der Verbindungsbereiche 14C,
... können
notwendige Rückleiter 35B weiter
radial nach außen
in den Außenbereich 14B verschoben
werden. Alternativ können
einige oder alle Rückführungen
der Gradientenleiter 35A als Schirmspulenleiter der sekundären Gradientenspuleneinheit 18 eingesetzt
werden. Letzteres erfolgt durch Verschaltung der Leiter am Rand des
Außenbereichs 14B mit
der Ebene unterhalb der Primärgradientenspuleneinheit 15.
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Den
Verlauf der gesamten Gradientenspulenwicklung erhält man durch
Spiegeln der Gradientenleiter 35A, ... an der Symmetrielinie 33B.
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In
einer weiteren Ausführungsform
schließen sich
Gradientenleiter auch innerhalb des Zentralbereich 14A.
Dies ist schematisch im Winkelsegment IV durch die Leiter 35C angedeutet.
Dies hat allerdings den Nachteil, dass die im Zentralbereich weiter
außen
liegenden rückführenden
Leiter der Gradientenfelderzeugung entgegenwirken. Da allerdings
aufgrund der Verbindungsbereiche nicht für alle Gradientenleiter innerhalb
des Zentralbereichs 14A die Spulenwindungen geschlossen
werden müssen,
gibt es im Zentralbereich 14A eine reduzierte Zahl von Rückleitern,
die dem zu erzielenden Gradientenfeld entgegenwirken.
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Eine
Gradientenspulenwicklung zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfeldes
in Z-Richtung erhält
man durch Drehen der Anord nung um 90°. Entsprechend werden die Verbindungsbereiche 14C und 14E zur
Leiteraufnahme verwendet. Vorzugsweise befinden sich die Gradientenleiter
für X-
und Z-Richtung zumindest im Zentralbereich 14A in verschiedenen
Ebenen.
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Eine
Gradientenspulenwicklung für
ein Gradientenmagnetfeld in Y-Richtung basiert im Wesentlichen auf
einer spiralförmig
verlaufenden Leiterstruktur, die sowohl vom Zentralbereich 14A als
auch vom Außenbereich 14B aufgenommen
werden kann.
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Da
allgemein die Größe der Zwischenräume 16A,
... proportional zur Empfindlichkeit der Hochfrequenzantenne ist,
kann durch Abstimmen der Größenverhältnisse
der Zwischenräume 16A,
... zu den Verbindungsbereichen 14C, ... zwischen der Leistungsfähigkeit
der Hochfrequenzantenne und der Gradientenspulen abgewogen werden.
Dabei ist zu bedenken, dass eine reduzierte Sendeleistung durch größere HF-Verstärker ausgeglichen
werden kann, wogegen die Geometrie der Gradientenleiteranordnung
direkt in die Ortsauflösung
eingeht. Durch die Verbindungsbereiche 14C, ... können die
Anforderungen an das Gradientenspulendesign leichter erfüllt werden.
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Wird
nur eine einzige transversale Gradientenspule der oben beschriebenen
Art verwendet, werden z.B. nur zwei gegenüberliegende Verbindungsbereiche 14C,
... benötigt
und es stehen größere Zwischenräume 16A,
... für
die Hochfrequenzfelderzeugung zur Verfügung.
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Die
Gradientenspulenleiter 35A, ... der primären Gradientenspule 15 sind
in den drei Raumrichtungen X, Y und Z in 2 in parallelen
Ebenen angeordnet. Um ein Wechseln der Gradientenspulenleiter von
der primären
Gradientenspule 15 zur sekundären Gradientenspule 18 im
Außenbereich 14B zu
ermöglichen,
ist der Außenbereich 14B im
Randbereich mit der sekundären
Gradientenspule 18 verbunden. Beispielsweise weist diese
Verbindung eine Dicke von zwei Gradientenleiterlagen à 4 mm
auf.
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4 zeigt
schematisch einen räumlichen Verlauf
eines Gradientenfeldes, wie es mit einer Anordnung von Gradientenleitern
entsprechend den Winkelsegmenten II und III aus 3 erzeugt
wird. In der 4 erkennt man im Schnitt entlang
der Symmetrielinie 33A die Gradientenleiter 35A,
die im Zentralbereich 14A senkrecht zur Symmetrielinie 33A verlaufen,
die im Außenbereich 14B verlaufenden Gradientenleiter 35B und
Leiter 41 der sekundären Gradientenspuleneinheit 18.
Die für
die Gradientenleiteranordnung nicht benötigten Verbindungsbereiche 14C und 14E sind
nicht dargestellt.
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Wird
allgemein eine Gradientenspule der Primärgradientenspule 15 bestromt,
so bilden sich ein Gradientenmagnetfeld aus, das sich mit dem Grundmagnetfeld
B0 innerhalb des Untersuchungsbereichs 9A in der jeweiligen
Raumrichtung überlagert.
Wird gleichzeitig die entsprechende Gradientenspule der sekundären Gradientenspule 18 bestromt,
so kompensiert diese im Wesentlichen das Gradientenfeld der Primärgradientenspuleneinheit 15 außerhalb
des Untersuchungsbereichs 9A. Dazu fließt z.B. der Strom in den Gradientenleitern 35A im
Vergleich zum Strom in den Gradientenleitern 35B und in
den sekundären
Gradientenleitern 41 in entgegen gesetzter Richtung. Dabei
kennzeichnet das Symbol ⊙ eine
an dieser Stelle aus der Zeichenebene austretenden Strom und das
Symbol ⊗ eine
an dieser Stelle in die Zeichenebene eintretenden Strom.
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Entsprechend
den dargestellten Stromrichtungen wurde in 4 ein Gradientenmagnetfeld 43 zu
einem Zeitpunkt angedeutet. Die Magnetfeldlinien des Gradientenmagnetfelds 43 schließen sich
durch den Feldrückflussraum 17.
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Der
Amplitudenverlauf einer Y-Komponente GY des
Gradientenmagnetfeldes 43 in X-Richtung ist ebenfalls in 4 am
Beispiel eines negativen Gradienten gezeigt: Mit zunehmendem x-Wert
nimmt das Gradientenfeld Gy ab und wechselt
mittig die Richtung. Zur Erzeugung eines möglichst linearen Gradientenfeldes
Gy ist es vorteilhaft, zwei gegenüberliegende Erzeuger zu verwenden.
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Die 5 und 6 dienen
der Verdeutlichung der Funktion des Erzeugers 13C als HF-Antenne,
mit der ein B1-Feld erzeugt und mit dem Magnetresonanzsignale empfangen
werden können. 5 verdeutlicht
die Wirkungsweise anhand des Stromflusses bei der Erzeugung eines
B1-Feldes und 6 skizziert schematisch den
dazugehörigen B1-Feldverlauf.
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Zentraler
Bestandteil der HF-Antenne sind die HF-Antennenelemente 21A,
..., die jeweils speichenförmig
die Zwischenräume 16A,
... überbrücken. Sie
bilden zusammen mit Bereichen des als Hochfrequenzschirm wirkenden
elektrischen Leiters 19 den HF-Resonator. An jedem der HF-Antennenelemente 21A,
... wird ein HF-Signal eingespeist (oder beim Empfang ausgelesen).
In 5 wurde angenommen, dass zu diesem Zeitpunkt nur
in den HF-Antennenelementen 21A und 21C ein Strom
fließt.
Dies entspricht z.B. dem Zeitpunkt maximalen Stroms in den HF-Antennenelementen 21A und 21C und
kein Strom in den HF-Antennenelementen 21B und 21D. Dies
entspricht auch der Situation bei der Erzeugung eines linearen B1-Feldes
mit zwei gegenüberliegenden
HF-Antennenelementen.
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Zur
Erzeugung eines um die Richtung des Grundmagnetfelds B0 rotierendes
(zirkularen) B1-Feldes werden beispielsweise die HF-Antennenelemente 21A und 21C phasenversetzt
zu den HF-Antennenelemente 21B und 21D mit einem HF-Signal
gespeist.
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Der
wesentliche Strom fließt
auf den Bereichen des elektrischen Leiters 19, die die
Zwischenräume 16A,
... auskleiden. Diese Wände
bilden eine Art Rückstromleiter
im HF-Resonator. Die Stromrichtung der Einspeisung zu einem festen
Zeitpunkt und die dazugehörigen
Stromrichtungen auf den Wänden wurden
jeweils mit Pfeilen gekennzeichnet. Allerdings breitet sich der
Stromfluss zusätzlich,
falls möglich, über den
gesamten elektrischen Leiter 19 aus. Die Stromrichtungen
in den beiden Hälften
der Zwischenräume
sind spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse durch die HF-Antennenelemente 21A und 21D.
Bei einer derartigen Anregung von zwei spiegelsymmetrisch zueinander
angeordneten Erzeugern wird im Untersuchungsraum 9A, d.h.
zwischen den Erzeugern, ein Magnetfeld 51 erzeugt, dessen
Feldlinien 53 sich durch die Zwischenräume 21A, 21C und
den Feldrückflussraum 17 schließen. Dabei
kennzeichnet das Symbol ⊙ eine
an dieser Stelle aus der Zeichenebene austretende Feldlinie und
das Symbol ⊗ eine
an dieser Stelle in die Zeichenebene eintretende Feldlinie.
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Aufgrund
des Phasenbezugs der Anregung der beiden Paare von HF-Resonatoren
ergibt sich das zirkulare B1-Feld im Untersuchungsraum 9A.
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In 6 sind
zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete Erzeuger 13C, 13D im
Schnitt durch die gegenüberliegenden
HF-Antennenelemente 21A und 21C skizziert. Bei
einer Bestromung gemäß 5 bildet
sich das B1-Feld 51 aus, dessen Magnetfeldlinien zwischen
den Erzeugern 13C, 13D aus der Zeichenebene heraustreten
(Symbol ⊙)
und im Feldrückflussraum 17 in
die Zeichenebene hineintreten (Symbol ⊗) und sich somit schließt. Zusätzlich ist
in 6 ein Amplitudenverlauf des B1-Feldes in Schnittrichtung
schematisch dargestellt, wie er mittig zwischen den Erzeugern vorliegt.
Er weist im Bereich der HF-Antennenelemente 21A, 21C Maxima
auf, ist aber im Untersuchungsraum 9A im Wesentlichen konstant.
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Je
größer die
Winkel sind, die die Verbindungsbereiche 14C, ... einnehmen,
desto leistungsstärker
sind zwar die Gradientenspulen, doch die Leistungsfähigkeit
der HF-Antenne nimmt ab, da sie von der Größe der Zwischenräume abhängt. Ein
auf die Anforderungen angepasstes Verhältnis der Größen von
Zwischenraum und Verbindungsbereich wird durch ein Abwägen zwischen
der Gradientenperformance und der Hochfrequenzperformance des Erzeugers
bestimmt.