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Die
Erfindung betrifft eine Magnetresonanzeinrichtung umfassend eine
zylindrische Gradientenspule, deren x- und y-Spulen asymmetrisch
bezüglich
einer längs
einer Patientenaufnahme verlaufenden z-Richtung eines übergeordneten
Koordinatensystems geführt
sind, sowie mehrere Shimspulen zur Erzeugung von der Homogenisierung
eines mittels eines zylindrischen Grundfeldmagneten erzeugten Grundmagnetfelds
dienenden Magnetfeldern.
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Eine
Magnetresonanzeinrichtung dient zur hochauflösenden Aufnahme von Bildern
eines Untersuchungsobjekts unter Verwendung magnetischer Felder.
Hierzu werden verschiedene magnetische Felder erzeugt. Zum einen
ein statisches Grundmagnetfeld unter Verwendung eines in der Regel
zylindrischen Grundfeldmagneten, wobei die Feldstärke in der
Regel zwischen 0,2–10T
liegt. Weiterhin wird unter Verwendung einer Hochfrequenzspule ein
hochfrequentes Anregungsfeld (B1-Feld) zur
Anregung der Kernspins erzeugt. Zur Ortsauflösung wird ferner unter Verwendung
einer Gradientenspule ein Gradientenfeld mit drei separaten Feldkomponenten
in den drei Raumachsen erzeugt. Nachdem das Grundmagnetfeld nicht
vollständig
homogen ist, sondern Störungen
aufweist beziehungsweise unterworfen ist, kommen ferner so genannte
Shimspulen zum Einsatz, die jeweils Korrekturmagnetfelder erzeugen, über welche
die Homogenität
des Grundmagnetfelds eingestellt wird. Üblicherweise werden fünf Shimspulen
verwendet, die jeweils ein Magnetfeld erzeugen, das einen bestimmten
Term einer Kugelfunktionsentwicklung in zweiter Ordnung des Grundmagnetfelds
entspricht. Diese fünf
Terme oder Feldterme werden üblicherweise
durch eine Magnetfeldmessung explizit bestimmt, so dass jede Shimspule
entsprechend eingestellt werden kann, also das über sie erzeugte Shim-Magnetfeld
die jeweilige termbezogene Inhomogenität korrigierend erzeugt wird.
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Üblicherweise
sind die Gradientenspulen, also die x-, die y- und die z-Spule, umfangssymmetrisch
und in z-Richtung symmetrisch angeordnet beziehungsweise gewickelt
oder geführt.
Entsprechend sind zur Vermeidung von Kopplungen zwischen den Shimspulen
und den Gradientenspulen aufgrund der jeweils erzeugten Felder auch
die jeweiligen Shimspulen symmetrisch ausgeführt. Bei speziellen Gradientenspulen,
beispielsweise für
die Kopfbildgebung, ist aufgrund der spezifischen Formgebung solcher
Gradientenspulen, die im Hinblick auf den aufzunehmenden Patientenkörper stirnseitig
Verbreiterungen oder Ausnehmungen aufweisen, die Symmetrie der x-
und y-Gradientenspulen
bezüglich
der z-Richtung aufgehoben, das heißt, diese sind asymmetrisch
zur z-Richtung geführt.
Die zugeordneten Shimspulen jedoch sind nach wie vor symmetrisch ausgeführt, was,
wie sich nun herausgestellt hat, zu beachtlichen Koppelinduktivitäten von
bis zu ca. 40 μH führt. Diese
Kopplungsinduktivität
führt bei
einer Anstiegsrate von beispielsweise 4 MA/s zu einer induzierten Spannung
von ca. 160 V in der gekoppelten Shimspule, das heißt, es wird
eine beachtliche Wechselspannung in die Shimspule eingekoppelt.
Dies stellt eine erhebliche Belastung für den Shimverstärker dar,
der bei dieser eingekoppelten Wechselspannung noch stabil den konstanten
Shimstrom für
die jeweilige Spule liefern muss.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Magnetresonanzeinrichtung
anzugeben, die demgegenüber
verbessert ist.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einer Magnetresonanzeinrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass auch zumindest ein Teil der Shimspulen bezüglich der z-Richtung derart asymmetrisch
geführt
ist, dass die Koppelinduktivität
zwischen den asymmetrischen x- und y-Spulen und den asymmetrischen
Shimspulen minimiert ist.
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Anders
als bei bisher allen bekannten Gradientenspulen ist hier sowohl
eine Asymmetrie seitens der Gradientenspulen als auch zumindest
eines Teils der Shimspulen, primär
derjenigen, die mit einer asymmetrischen Gradientenspule koppeln
können,
vorgesehen. Es wird also erfindungsgemäß die Symmetrie auch der Shimspulen
bezüglich
der z-Richtung aufgehoben. Dabei ist die Führung der Spulenleiter nicht
beliebig asymmetrisch, vielmehr sind die Spulenleiter so geführt, dass
die aufgrund der Asymmetrie der x- und y-Gradientenspulen möglich gewordene
Kopplung zu den Shimspulen minimiert wird. Das Design der Shimspulen
orientiert sich also am Design der asymmetrischen Gradientenspulen
derart, dass sich eine minimierte Koppelinduktivität ergibt,
so dass etwaige aufgrund einer Restkopplung induzierte Spannungen
weitgehend vernachlässigbar
sind, in jedem Fall aber keine Belastung für den Shimverstärker darstellen.
Nachdem die Geometrie der asymmetrischen x- und y-Gradientenspulen
bekannt ist, und nachdem die Geometrie des zur Verfügung stehenden
Raumes, innerhalb welchen die Shimspule geführt werden, bekannt ist, kann
die optimale Spulenleiterführung
unter Berücksichtigung
der Gradientenspulen- und
Bauraumgeometrie bestimmt werden. Das asymmetrische Design bietet
auch mehr Freiheit in der Wahl der Leiterpositionen, so dass es
möglich
ist, die Koppelinduktivität
zwischen Gradientenspule und Shimspule zu minimieren, ohne Abstriche
in der Genauigkeit des Feldverlaufs in Kauf nehmen zu müssen.
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Bei
der eingangs beschriebenen Magnetresonanzeinrichtung ist die Symmetrie
der Gradientenspule lediglich in z-Richtung aufgehoben, das heißt, die
x- und y-Spulen sind lediglich asymmetrisch zur z-Richtung geführt. Die
Symmetrie bezüglich
der x- und y-Richtung, also in Umfangsrichtung, hingegen ist beibehalten. Dies
führt dazu,
dass im Betrieb aufgrund dieser Asymmetrie nur die x-Gradientenspule
mit der A(2,1)-Shimspule und die y-Gradientenspule mit der B(2,1)-Shimspule
koppeln kann. Andere Kopplungen sind aufgrund der nach wie vor gegebenen
Umfangsgeometrie nicht möglich.
Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, aber auch
ausreichend, wenn lediglich die beiden Shimspulen, die die dem A(2,1)-Feldterm
und dem B(2,1)-Feldterm
einer Kugelfunktionsentwicklung in zweiter Ordnung entsprechenden
Magnetfelder erzeugen, asymmetrisch geführt sind. Eine Kugelfunktionsentwicklung
dient zur Beschreibung des in der Patientenaufnahme erzeugten Magnetfelds.
Für die
Felderzeugung beziehungsweise Kompensation ist lediglich die B
z-Komponente in den drei Raumrichtungen zu
beachten. Diese kann in der Kugelfunktionsentwicklung wie folgt
dargestellt werden:
wobei r, θ, φ die Raumrichtungen definieren
und a, b Entwicklungskoeffizienten sind. A und B stellen die jeweiligen
Feldterme dar, die über
die jeweils zugeordnete Shimspule erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß ist wie
ausgeführt
nunmehr zum einen die A(2,1)-Shimspule asymmetrisch, bezogen auf
obige Kugelfunktionsentwicklung wäre hier n = 2 (zweite Ordnung)
und m = 1. Entsprechendes gilt bezüglich der zweiten Shimspule,
nämlich
der B(2,1)-Shimspule, auch hier ist n = 2 und m = 1. Die Kugelfunktionsentwicklung
sowie die Zuordnung der Shimspulen zu den jeweiligen Termen und
deren jeweils erzeugte Magnetfelder sind dem Fachmann hinreichend
bekannt, eine nähere
Erläuterung
diesbezüglich
ist nicht erforderlich. Zentral ist jedoch, dass erfindungsgemäß lediglich
die Shimspulen asymmetrisch geführt
werden, die bei in z-Richtung aufgehobener Symmetrie überhaupt
koppeln können,
nämlich
die beiden oben genannten Shimspulen. Bleibt die Umfangssymmetrie
erhalten, kommt es zu keinen weiteren Kopplungen mit Gradientenspulen.
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Die
Anordnung der Shimspulen kann beispielsweise unmittelbar am Grundfeldmagneten,
beziehungsweise an der Innenwandung der zylindrischen Magnetbohrung
oder einer vergleichbaren Stelle sein, also extern zur Gradientenspule.
Alternativ und erfindungsgemäß bevorzugt
ist es aber auch möglich,
die Shimspulen an der Gradientenspule zwischen den x-, y- und z-Spulen
und radial weiter außen
liegenden, der Abschirmung der x-, y- und z-Spulen dienenden Abschirmspulen
anzuordnen. Eine Gradien tenspule besitzt neben den eigentlichen
Feld erzeugenden x-, y- und z-Spulen, die die primär Spulen
genannt werden, so genannte Abschirm- oder Sekundärspulen,
die radial gesehen weiter außen
und zu den Primärspulen
beabstandet angeordnet sind. Diese dienen der Schirmung des Gradientenfelds
nach außen.
Eine radiale Beabstandung ist erforderlich, da vermieden werden
muss, dass das Abschirmfeld in irgendeiner Weise auf das über die
Primärspulen
erzeugte Gradientenfeld einwirkt und dieses beeinflusst. Zweckmäßig ist
es nun, wenn dieser gegebene Bauraum zur Integration der Shimspulen,
also sowohl der nach wie vor symmetrischen also auch der asymmetrischen
Shimspulen genutzt wird. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Shimspulen
radial gesehen näher,
bevorzugt unmittelbar nachfolgend zu den x-, y- und z-Spulen angeordnet
sind, die Shimspulen sind also möglichst
nah zum Zentrum der Patientenaufnahme angeordnet, liegen also möglichst
nahe zum Homogenitätsfeld beziehungsweise
Bildgebungsvolumen und weisen somit eine größere Sensitivität auf.
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Neben
der Magnetresonanzeinrichtung betrifft die Erfindung ferner eine
zylindrische Gradientenspule für
eine Magnetresonanzeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend
x-, y- und z-Spulen, wobei die x- und y-Spulen asymmetrisch bezüglich der
längs einer
Patientenaufnahme verlaufenden z-Richtung eines übergeordneten Koordinatensystems
geführt
sind, sowie mehrere Shimspulen, die zwischen den x-, y- und z-Spulen und
radial weiter außen
liegenden, der Abschirmung der x-, y- und z-Spulen dienenden Abschirmspulen
angeordnet sind. Diese zylindrische Gradientenspule, die integraler
Bestandteil einer Magnetresonanzeinrichtung sein kann, oder bei
Bedarf in diese eingesetzt werden kann, zeichnet sich nun dadurch aus,
dass zumindest ein Teil der Shimspulen bezüglich der z-Richtung derart
asymmetrisch geführt
ist, dass die Koppelinduktivität
zwischen den asymmetrischen x- und
y-Spulen und den asymmetrischen Shimspulen minimiert ist. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gradientenspule ergeben
sich aus den abhängigen
Unteransprüchen.
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Weitere
Vorteile, Merkmal und Einzelheiten der Erfindung sind in dem nachfolgenden
Ausführungsbeispiel
sowie den Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipskizze einer Magnetresonanzeinrichtung,
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2 eine
Schnittansicht durch eine Gradientenspule,
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3 eine
Prinzipdarstellung einer x-Spule in zweidimensionaler abgewickelter
Darstellung,
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4 eine
Prinzipdarstellung einer hinsichtlich der Leiterführung in
Abhängigkeit
der x-Spule gemäß 3 ausgeführten Shimspule
in zweidimensionaler, abgewickelter Darstellung,
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5 eine
Prinzipdarstellung einer Abschirmspule, deren Leiterführung in
Abhängigkeit
der x-Spule gewählt
ist, in zweidimensionaler abgewickelter Darstellung, und
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6 eine
Schnittdarstellung einer Gradientenspule für Kopfaufnahmen mit randseitigen
Verbreiterungen.
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1 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Magnetresonanzeinrichtung 1, mit
dem eigentlichen Patiententeil 2, umfassend eine Gradientenspule 3, über die über eine
Steuerungseinrichtung 4 gesteuert ein Gradientenfeld erzeugt
wird, das in bekannter Weise der Ortsauflösung der empfangenen Messsignale
dient. Die Steuerungseinrichtung 4 umfasst eine Bildverarbeitungseinrichtung 5,
die anhand der empfangenen Messsignale Magnetresonanzbilder erzeugt,
die an einem Monitor 6 ausgegeben werden können. Der
grundsätzliche
Aufbau und die Funktionen und Betriebsweise einer Magnetresonanzeinrichtung
ist dem Fachmann hinlänglich
bekannt und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
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2 zeigt
in vergrößerter Schnittansicht
eine Prinzipdarstellung einer Gradientenspule 3, die zylindrisch
und rohrförmig
ist. Sie umfasst drei Einzelspulen, nämlich die x-Spule, die y-Spule und die am weitesten radial
gesehen außen
liegende z-Spule. Die x- und die z-Spule setzen sich aus zwei Spulenhälften zusammen. In
bekannter Weise sind die Spulenleiter auf halbschalenförmigen Trägern aufgebracht,
die einander gegenüberliegend
auf gleichem Radius angeordnet sind. Die z-Spule ist zylindrisch
um den Spulenverbund in z-Richtung
verlaufend gewickelt. Die Anordnung dieser Spulen, auch Primärspulen
genannt, ist dem Grunde nach bekannt. In der Figur sind die x-,
y- und z-Spulen mit xpri, ypri und
zpri gekennzeichnet.
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Weiter
außen
liegend sind Shimspulen 7 angeordnet, die in 2 nicht
im einzelnen dargestellt sind. Auch die Shimspulen, die der Erzeugung
von das bildgebende Magnetfeldvolumen homogenisierenden Feldern
dienen, sind wie bekannt auf entsprechenden halbschalenförmigen Trägern angeordnet.
In der Regel sind fünf
Shimspulen vorgesehen, die Felder entsprechend den fünf Feldtermen
einer Kugelfunktionsentwicklung in zweiter Ordnung erzeugen.
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Gezeigt
sind ferner die radial am weitesten außen liegenden Abschirmspulen
oder Sekundärspulen, die
der Abschirmung der über
die Primärspulen
erzeugten Felder nach außen
dienen. Auch diese Abschirmspulen, in 2 mit xsek, ysek und zsek gekennzeichnet, sind vom grundsätzlichen
Aufbau her entsprechend wie die Primärspulen ausgeführt. Die
x- und y-Sekundärspulen
sind ebenfalls auf entsprechenden halbschalenförmigen Trägern angeordnet, während die
z-Abschirmspule wiederum um den Spulenverbund gewickelt ist. Der grundsätzliche
Aufbau einer solchen Gradientenspule ist hinlänglich bekannt und muss nicht
näher erläutert werden.
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Anders
als bei bisher bekannten Gradientenspulen ist bei der erfindungsgemäßen Gradientenspule
jedoch die Wicklungs- oder Leitersymmetrie in z-Richtung aufgehoben.
Die z-Richtung läuft
axial durch die zylindrische Gradientenspule 3, siehe 1.
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3 zeigt
ein Beispiel für
eine asymmetrische x-Spule. Aufgetragen ist längs der Abszisse der Winkel
von 0–π (zwei solcher
Halbschalen ergeben wie ausgeführt
eine Gesamtspule, die um 360° um
das Zentrum umläuft),
und längs
der Ordinate die z-Richtung aufgetragen ist. Im gezeigten Beispiel
wäre die
Gradientenspule rund 65 cm lang, es handelt sich also beispielsweise
um eine separat in die Magnetresonanzeinrichtung aus 1 einsetzbare
Gradientenspule, wie sie in 6 gezeigt
ist. Diese Gradientenspule, die beispielsweise zu Kopfaufnahmen
dient, ist in z-Richtung nicht symmetrisch, nachdem zur Aufnahme
des Schulterbereichs entsprechende Ausnehmungen oder Eintiefungen
vorgesehen sein müssen.
Ziel derartiger Spulen ist es, den Kopf des Patienten relativ eng
zu umschließen,
um optimale Bilder aufnehmen zu können. Die einen engen Umschluss
nicht zulassenden Schulterpartien werden über die entsprechende Formgebung
der Spule wie ausgeführt
berücksichtigt.
Mit „Null" ist dabei das Isozentrum
in z-Richtung angegeben.
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Ersichtlich
ist die in 3 in abgewickelter, zweidimensionaler
Darstellung gezeigte x-Spule zur z-Richtung nicht symmetrisch gewickelt,
die Leiterführung
variiert deutlich und ohne jede Symmetrie in z-Richtung.
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Um
aufgrund der Auflösung
der z-Symmetrie etwaige Kopplungen zwischen der x-Spule und einer
zugeordneten Shim-Spule zu minimieren oder zu vermeiden, ist auch
die Shim-Spule, die mit der x-Spule koppeln könnte, asymmetrisch gewickelt.
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4 zeigt
hierfür
ein Beispiel, wobei das Leitermuster derart unter Berücksichtigung
des Leitermusters der x-Spule aus 3 gewählt ist,
dass sich eine minimale Kopplung ergibt. Bei der in 4 gezeigte
Spule handelt es sich um die A(2,1)-Shimspule, die als einzige mit
der asymmetrischen x-Spule
aus 3 koppeln kann. Von den fünf Feldtermen der Kugelfunktionsentwicklung
zweiter Ordnung A(2,0), A(2,1), A(2,2), B(2,1) und B(2,2) kann aufgrund
der gegebenen Symmetrie in x- und y-Richtung nur die A(2,1)-Shimspule
mit der x-Shimpule
koppeln. Im Falle einer asymmetrischen y-Spule (die in den Figuren
nicht näher
dargestellt ist, für die
jedoch Entsprechendes wie bezüglich
der x-Spule ausgeführt
gilt) ist ausschließlich
eine Kopplung mit der B(2,1)-Shimspule möglich, nachdem auch hier wie
bei der x-Spule die Umfangssymmetrie nach wie vor beibehalten ist.
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In
jedem Fall kann durch entsprechende asymmetrische Leiterführung auch
der Shimspule die Kopplung minimiert werden, so dass sich die eingangs
genannten Schwierigkeiten insbesondere im Hinblick auf die Beanspruchung
des Shimverstärkers,
resultierend aus kopplungsinduzierten Spannungsspitzen, reduziert
beziehungsweise vermieden werden.
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In
entsprechender Weise besteht auch die Möglichkeit, die Abschirm- oder
Sekundärspulen
unter Berücksichtigung
des Leiterbildes der asymmetrischen Primärspulen zu führen. 5 zeigt
ein Beispiel für
eine x-Abschirm- oder Sekundärspule.
Ersichtlich ist auch hier die Asymmetrie in z-Richtung, während die
Symmetrie in Umfangsrichtung wie auch bei den Spulen gemäß 3 und 4 aufrechterhalten
bleibt.
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6 zeigt
schließlich
noch einen Schnitt durch eine zylindrische Gradientenspule, die
zur Kopfaufnahme dient, und die beispielsweise als separate Spule
in eine Magnetresonanzanlage eingebracht werden kann. Gezeigt ist
mit der gestrichelten Linie das im Isozentrum erzeugte Homogenitätsvolumen.
Zu Referenzzwecken ist die z-Achse aufgetragen. Rechtsseitig sind
die zur Aufnahme der Schulterpartie erforderlichen Vertiefungen
oder Verbreiterungen zu sehen.
