DE102005044635A1

DE102005044635A1 - Einrichtung zur Magnetfelderzeugung

Info

Publication number: DE102005044635A1
Application number: DE102005044635A
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Kimmlingen; Andreas Dr. Krug
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2005-09-19
Filing date: 2005-09-19
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2025-09-20
Also published as: CN101063708B; GB0618433D0; DE102005044635B4; GB2433600A; CN101063708A; US20070069730A1; US7403003B2; GB2433600B

Abstract

Einrichtung (1) zur Magnetfelderzeugung in der Magnetresonanztomographie mit einer Vorrichtung (2) zur Erzeugung eines magnetischen Grundfeldes, einem die Grundfeldvorrichtung (2) umgebenden Vakuumgefäß (4) und einer Vorrichtung zur Erzeugung wenigstens eines magnetischen Gradientenfeldes (8), wobei die Einrichtung (1) in einem Bereich zwischen Windungen wenigstens einer supraleitenden Spule der Grundfeldvorrichtung (2) und einer nichtleitfähigen Wand des Vakuumgefäßes (4) ein Volumen mit einer reduzierten Magnetfeldstärke aufweist, in dem wenigstens teilweise die supraleitend ausgebildete Gradientenfeldvorrichtung (8) aufgenommen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Magnetfelderzeugung in der Magnetresonanztomographie mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Grundfeldes, einem die Grundfeldvorrichtung umgebenden Vakuumgefäß und einer Vorrichtung zur Erzeugung wenigstens eines magnetischen Gradientenfeldes.
Bei heutigen Magnetresonanzanlagen weist die Öffnung zur Aufnahme der Patientenliege typischerweise einen Durchmesser von 60 cm auf, wobei die Öffnung des Grundfeldmagneten selbst, also der Magnetinnendurchmesser, bei 90 cm liegt. Diese Abmessungen stellen einen Kompromiss für die Nutz- und Störfeldgrößen sowie hinsichtlich des Platzbedarfs und des Leistungsbedarfs der an der Felderzeugung beteiligten Komponenten wie dem Grundfeldmagneten und den Spulen zur Erzeugung des Gradientenfeldes dar.
Seitens der Ärzte und Patienten wird jedoch eine größere Offenheit der Anlagen bevorzugt, wie sie z. B. von Computertomographieanlagen bekannt ist, die Durchmesser für die Aufnahme des Patienten im Bereich von über 80 cm bei einer Systemlänge unter einem Meter realisieren. Eine größere Öffnung zur Aufnahme des Patienten bietet den Vorteil, dass das oft in Magnetresonanztomographen auftretende Beklemmungsgefühl zum Vorteil für den Patienten reduziert werden kann und damit negative Einflüsse auf die entstehende Bildqualität vermieden werden, etwa dadurch, dass der Patient sich aufgrund des Engegefühls bewegt bzw. die Untersuchung deshalb abgebrochen oder verkürzt werden muss.

Es wurden bereits Versuche unternommen, die Öffnung zur Aufnahme der Patientenliege zu vergrößern, so dass neuere Magnetfeldresonanzgeräte bei einem Durchmesser von 70 cm zur Aufnahme des Patienten eine Systemlänge von etwa 1,2 m auf weisen. Verbunden mit dieser größeren Öffnung durch die größeren und damit für die Felderzeugung nachteiligen Radien ist ein Abstrich bei den Nutz- bzw. Störfeldgrößen bzw. hinsichtlich des Leistungsbedarfs der Gradientenvorrichtung und des Systems hochfrequenzter Sende- und Empfangsspulen, die in der Regel in räumlicher Nähe zur Gradientenvorrichtung verwendet werden, da für beide Komponenten aus den geometrischen Anforderungen für eine optimale Felderzeugung ein Kompromiss zu wählen ist. Die Gradientenstärke für ein System mit einer 70 cm großen Bohrung reduziert sich beispielsweise maximal und nominell um 30 bis 50 %.

Des Weiteren wurde versucht, die Gradientenspule und eine hochfrequente Sendespule in einen gemeinsamen Formkörper zu integrieren. Dies ist bis zu einem Durchmesser von 70 cm für die Patientenöffnung möglich, wobei jedoch die Anforderungen an das Material und die Fertigung hoch sind. Zudem wird die Verlustleistung erhöht und das Auftreten störender Lärmgeräusche muss in Kauf genommen werden. Die spezifische Absorption (SAR) ist bei einem solchen Aufbau durch prinzipbedingte lokaler Feldstärkeüberhöhungen ungünstiger als bei einem konventionellen konzentrischen Aufbau.

Alternativ kann das verfügbare Volumen für die Gradientenspule und die so genannte „Body Coil" in Körpernähe reduziert werden, wodurch wiederum Durchmesser bis zu 70 cm erreicht werden können. Aber auch hier entsteht das Problem einer erhöhten Verlustleistung und einer vermehrten Lärmbildung.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine diesbezüglich verbesserte Einrichtung anzugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Einrichtung zur Magnetfelderzeugung der eingangs genannten Art vorgesehen, die in einem Bereich zwischen Windungen wenigstens einer supraleitenden Spule der Grundfeldvorrichtung und einer nichtleitfähigen Wand des Vakuumgefäßes ein Volumen mit einer reduzierten Magnetfeldstärke aufweist, in dem wenigstens teilweise die supraleitend ausgebildete Gradientenfeldvorrichtung aufgenommen ist.

Somit wird zwischen den Hauptwindungen des Grundfeldmagneten und der Außenwand eines nichtleitfähigen Vakuumgefäßes, eines sogenannten OVC (Outer Vacuum Chamber) ein freier Volumenbereich geschaffen, der eine reduzierte Flussdichte aufweist, die niedrig genug ist, dass eine supraleitende Gradientenspule in diesem Bereich angeordnet und betrieben werden kann. Insbesondere ist das flussdichtereduzierte Volumen so zu wählen, dass das notwendige schnellen Schalten der Gradientenspule oder -spulen nicht beeinträchtigt wird. Zweckmäßigerweise wird die Gradientenfeldvorrichtung vollständig in diesem freien, flussdichtereduzierten Volumenbereich aufgenommen. Es ist jedoch auch möglich, dass Teile der Gradientenfeldvorrichtung, die dann gegebenenfalls nicht supraleitend ausgebildet sind, anderweitig angeordnet sind, beispielsweise wie bei herkömmlichen Magnetresonanzanlagen in einem Bereich außerhalb des Vakuumbehälters in Richtung auf die für die Patientenliege vorgesehene Öffnung. Ist jedoch die supraleitende Gradientenfeldvorrichtung vollständig in dem Volumen reduzierter Magnetfeldstärke angeordnet, so wird die Größe des zur Aufnahme des Patienten vorgesehenen Innenbereichs nicht mehr durch in diesem Bereich anzuordnende Gradientenspulen beschränkt, so dass sich Durchmesser von 80 cm oder mehr realisieren lassen und damit eine größere Offenheit erreicht wird.

Derartige Magnetresonanzsysteme mit supraleitenden Gradientenspulen sind bisher nicht verfügbar. Sofern über die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern im Zusammenhang mit Gradientenspulen nachgedacht wurde, war bisher unklar, wie diese angesichts der bisherigen Anordnung von Gradientenspulen in starken äußeren Grundmagnetfeldern geschaltet werden sollten. Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Magnetfelderzeugung ist der Betrieb der Gradientenspulen als Hochtemperatursupraleiter problemlos möglich, da durch das fluss dichtereduzierte Volumen die Schalteigenschaften nicht beeinträchtigt werden.

Erfindungsgemäß kann sich das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke durch einen entsprechenden Aufbau wenigstens einer Spule der Grundfeldvorrichtung und/oder wenigstens eine zusätzliche Kompensationsspule, insbesondere eine supraleitende Kompensationsspule, ergeben.

Es ist somit möglich, den Grundfeldmagneten bei der Designgebung von vornherein so auszubilden, dass sich beim Betrieb feldschwache Bereiche ergeben, die zur Anordnung von Gradientenspulen geeignet sind. Hierzu wird zweckmäßigerweise die entsprechende Vorgabe zur Schaffung des flussdichtereduzierten Volumens in das für den Aufbau des Grundfeldmagneten vorgesehene Target-Field-Verfahren integriert, ergänzend zu bisher bereits bestehenden Vorgaben wie einer zu erreichenden Feldschwäche an Lötstellen und dergleichen.

Daneben ist es möglich, supraleitende Solenoidspulen als Kompensationsspulen vorzusehen, die als bei Temperaturen bis zu 80 K betreibbare Hochtemperatursupraleiter ausgebildet sind und damit nahe des Vakuumgefäßes angeordnet werden können. Bei solchen Kompensationsspulen hängt die maximale Flussdichte und damit die maximal mögliche Windungszahl von der Temperatur ab, so dass ein entsprechender Kompromiss zu wählen ist. Eine supraleitende Gradientenspule erzeugt dynamische Streufelder, welche durch die Windungen der Kompensationsspule bzw. -spulen und das Vakuumgefäß hindurchgreifen. Zudem sind Verlustmechanismen wie Fehlstellen und Hysterese bei Hochtemperatursupraleitern für die Wahl der Betriebstemperatur der Kompensationsspule zu berücksichtigen. Bei verfügbaren Hochtemperatursupraleitern ergibt sich bei einer Betriebstemperatur von 30 K ein robustes, also quenchfreies, Verhalten.

Für die schnelle Schaltbarkeit der Ströme ist es erforderlich, dass die magnetische Flussdichte des verwendeten Supra leiters einen fequenzabhängigen Grenzwert nicht überschreitet. So sind beispielsweise bei erhältlichen Hochtemperatursupraleitern bei einer Temperatur von 80 K und einem Magnetfeld von 10 mT Schaltfrequenzen bis zu 2 kHz möglich. Mit alternativen Steuerungsmodellen für das Gradientensystem kann das Auftreten höherer Frequenzanteile vermieden werden. Die Verlustleistung von supraleitenden Windungen ist im Frequenzband von 0 bis 2 kHz im Vergleich zu Kupferwindungen um den Faktor 100 bis 1000 geringer, so dass sich die Verlustleistung im so genannten „Duty cycle" von etwa 25 kW auf 25–250 W reduziert.

Des Weiteren kann ein Kryostat zum Ableiten einer Verlustleistung der Gradientenfeldvorrichtung vorgesehen sein, insbesondere ein Kryoschild und/oder Kaltkopf. Die Verlustleistung von supraleitenden Windungen ist im Vergleich zu Kupferwindungen deutlich geringer. Die bei 30 K–80 K entstehende Verlustleistung der Gradientenspulen kann in einer Höhe von 50–100 W mit heute verfügbaren Kaltköpfen abgeführt werden. Ein Kryoschild in unmittelbarer Umgebung der Gradientenspule bzw. -spulen dient dazu, deren Verluste im Bereich von etwa 100 W abzuführen und damit die Temperatur in einem Bereich unterhalb von 80 K zu halten. In der Regel werden somit ein Kryoschild und ein Kaltkopf kombiniert verwendet. Es ist allerdings auch möglich, andere Kryogeräte zu verwenden, um die Verlustleistung der Supraleiter abzuführen. Insbesondere können Kryostaten verwendet werden, die bereits zum Ableiten der Verlustleistungen der übrigen Komponenten wie der supraleitenden Windungen beispielsweise der Grundfeldvorrichtung vorgesehen sind. Diese sind mit einer entsprechend höheren Kapazität auszustatten, um die Verlustleistung der Gradientenspulen ebenfalls abzuleiten, die jedoch gegenüber herkömmlichen Kupferleitungen deutlich reduziert ist.

Da die Verlustleistung der supraleitenden Gradientenspulen und der Raumbedarf der Windungen geringer ist als bei bisherigen Anordnungen, ist es möglich, eine große Öffnung zur Aufnahme des Patienten mit einem kleinen Bauvolumen der feld erzeugenden Einheit zu erreichen. So liegt die Stromdichte bei Hochtemperatursupraleitern bei 80 A/mm² im Unterschied zu den bisherigen 15 A/mm². Da die Gradientenfeldvorrichtung erfindungsgemäß innerhalb des Vakuumgefäßes eingebaut wird, ist zudem keine direkte Schallübertragung von der vibrierenden Oberfläche der Gradientenspule in den Innenbereich mehr möglich, so dass sich eine wesentliche Lärmreduktion ergibt.

Wie bereits ausgeführt, kann der Kryostat in räumlicher Nähe zur Gradientenfeldvorrichtung angeordnet sein, insbesondere auf der vorrichtungszugewandten Seite des Vakuumgefäßes. So wird zweckmäßigerweise zwischen der Wand des Vakuumgefäßes, die der Gradientenfeldvorrichtung zugewandt ist, und der Gradientenfeldvorrichtung selbst ein Kryoschild angeordnet, um die Temperatur des Supraleiters unter 80 K zu halten.

Das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke kann sich erfindungsgemäß in radialer Richtung über 1 cm bis 10 cm erstrecken, insbesondere über 6 cm. Ein solcher Bereich von 6 cm Dicke reicht aus, um in Anlagen mit einer üblichen Auslegung die erforderlichen aktiv geschirmten Gradientenspulen anzuordnen. Damit lässt sich eine innere Bohrung zur Aufnahme des Patienten auf der Patientenliege mit einem Durchmesser gleich oder über 80 cm realisieren. Gegebenenfalls können, falls beispielsweise Gradientenspulen mit mehr Windungen bzw. weniger Windungen erforderlich sind, flussreduzierte Volumina realisiert werden, deren Dicke größer bzw. kleiner ist.

Das Vakuumgefäß ist hinsichtlich seines zylindrischen Teils „innerhalb" des Magneten in Richtung der Patientenöffnung mit einem elektrisch gering bzw. nichtleitenden Material bzw. nichtleitenden Materialien ausgebildet. Damit können die dynamischen Gradientenfelder mit vernachlässigbar kleinen bzw. ohne Wechselwirkungen aus dem Vakuumgefäß in das Bildgebungsvolumen eindringen.

Bei Verwendung wenigstens einer Kompensationsspule für das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke können die Kompensa tionsspule und die Gradientenfeldvorrichtung als modulare Einheit ausgebildet sein. So können beispielsweise eine Gradientenschicht und eine Kompensationsschicht in ihrer Ausbildung und Anordnung so einander angepasst sein, dass die Schichten quasi ineinander greifen und sich so eine modulare Einheit bzw. ein gemeinsamer Formkörper ergibt. Dadurch können die einen oder mehreren Kompensationsspulen und Gradientenspulen optimal platzsparend angeordnet werden. Gegebenenfalls können sie bereits als Einheit bzw. zusammen hergestellt werden und/oder mit einem Verbundmaterial oder dergleichen miteinander verbunden bzw. umgeben werden, um so ein gemeinsames Bauteil auszubilden.

Darüber hinaus können bei Verwendung wenigstens einer Kompensationsspule für das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke und wenigstens eines Kryostaten die Kompensationsspule, der Kryostat und die Gradientenfeldvorrichtung als modulare Einheit ausgebildet sein. Dabei ist es möglich, den Kryoschild oder einen anderen Kryostaten praktisch dreidimensional aufzubauen, indem Verstrebungen als Kühlrippen vorgesehen sind, die in eine weitere Raumrichtung hineinragen. Die so gebildete modulare Einheit bzw. ein gemeinsamer Formkörper der Komponenten weist eine erhöhte Steifigkeit auf, so dass Vibrationen und sekundäre Wirbelfelder, die zu Artefakten bei der Bildgebung führen können, minimiert werden. Derartige sekundäre Wirbelfelder können durch mechanische Schwingungen der leitfähigen Strukturen im Grundmagnetfeld induziert werden. Durch einen geschlitzten Kryoschild oder dergleichen ist es möglich, Wirbelstrompfade, die sich nicht vermeiden lassen, so zu gestalten, dass die Rückwirkungen auf das Bildgebungsvolumen minimiert werden. So können eine Kryoschildfunktionalität, Vorrichtungen zur statischen Kompensationsfelderzeugung und für die dynamische Gradientenfelderzeugung in eine gemeinsame Tragstruktur integriert werden.

Die modulare Einheit aus Kompensationsspule, Kryostat und Gradientenfeldvorrichtung kann als zylindrisches Rohr ausgebildet sein, beispielsweise mit einer Wandstärke von 70 mm (diese Dicke entspricht dem Stand der Technik bei konventionellen Gradientenspulen). Bei einer Wandstärke von 70 mm bzw. in einem ähnlichen Bereich für ein solches zylindrisches Rohr können mechanische Verhältnisse ähnlich zu herkömmlichen Gradientenspulen realisiert werden, insofern Kräfte, Schwingungsamplituden und Resonanzen betroffen sind.

Die Gradientenfeldvorrichtung kann zur Vereinfachung eines Temperverfahrens für die supraleitenden Eigenschaften und zur Minimierung von Verbindungsstellen wenigstens teilweise aus Spulen aus Runddraht ausgebildet sein. Die verfügbaren Hochtemperatursupraleiter sind entweder vergleichsweise spröde keramische Bänder oder aber Runddrähte. Die Verwendung von keramischen Bändern bietet sich an, um eine leichte Realisierung der z-Gradientenachse zu erreichen, wobei jedoch hinsichtlich der transversalen Achsen eine Vielzahl von Verbindungsstellen nötig wird, um die Strukturen beispielsweise einer Sattelspule aufzubauen. Ein Runddraht ist im Vergleich dazu im Rohzustand, also vor dem Temperprozess, durch den die Supraleitfähigkeit erreicht wird, relativ flexibel. Aufgrund der geringeren Stromdichte, die bei Gradientenspulen im Vergleich zum Grundmagnetfeld erforderlich ist, genügen eine oder wenige Lagen übereinander. Dadurch wird der Temperprozess einfacher, der bei hoher Windungs- und Lagenzahl problematisch sein kann. So treten auch durch die verfügbaren Drahtlängen von wenigen 100 m für eine Verwendung bei Gradientenfeldvorrichtungen keine Probleme auf. Die Kosten für ein solches Runddrahtmaterial liegen ebenfalls in einem akzeptablen Bereich.

Die im Inneren des Vakuumgefäßes verlaufenden Zuleitungen zu der Gradientenfeldvorrichtung sollten ferner derart verlaufen, dass sie kein das erzeugte Gradientenfeld beeinflussendes Magnetfeld erzeugen, d. h. sie sollten feldfrei geführt sein bzw. das Leiterlayout entsprechend gewählt werden.

Zur Schirmung oder Verbesserung der Linearität, also allgemein zur Optimierung der Feldqualität im Field of View können ferner eine oder mehrere extern zum Vakuumgefäß verlaufende, bei Bestromung felderzeugende Leitestrukturen vorgesehen sein.

Daneben betrifft die Erfindung eine Magnetresonanzanlage, die mit einer Einrichtung zur Magnetfelderzeugung wie vorstehend geschildert ausgebildet ist. Die Magnetresonanzanlage weist in einem Bereich zwischen Hauptwindungen eines Grundfeldmagneten und der Außenwand eines nichtleitfähigen Vakuumgefäßes ein Volumen reduzierter Flussdichte auf, in dem supraleitende Windungen einer Gradientenfeldvorrichtung untergebracht sind. Im Hinblick auf diese platzsparende Anordnung der Gradientenspule kann eine Öffnung zur Aufnahme des Patienten auf der Patientenliege realisiert werden, die einen Durchmesser von 80 cm oder mehr aufweist. Hierzu trägt zudem bei, dass die Gradientenfeldvorrichtung als Supraleiter ausgebildet ist, da die supraleitenden Windungen durch die niedrigere Verlustleistung und die höhere Stromdichte bereits an sich einen geringeren Raumbedarf haben.

Zudem ist durch den Einbau der Gradientenfeldvorrichtung innerhalb des Vakuumgefäßes der Vorteil gegeben, dass eine direkte Schallübertragung von der Oberfläche der Gradientenspulen nicht mehr möglich ist, wodurch die Lärmentwicklung beim Betrieb der Anlage wesentlich herabgesetzt wird. Der Grundfeldmagnet der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage wird bereits bei der Stellung der Optimierungsaufgabe hinsichtlich der Anordnung der Wicklungen mit der Vorgabe entworfen, dass ein entsprechender flussreduzierter Bereich für die Aufnahme der Gradientenspulen geschaffen werden soll.

Alternativ oder in Ergänzung dazu können Kompensationsspulen vorgesehen sein, die beispielsweise direkt unter den Windungen der Gradientenspule einen Feldverlauf erzeugen, der so gestaltet ist, dass das Magnetfeld im Bereich der supraleitenden Gradientenspule ausgelöscht und im Bereich vor der Kompensationsspule zum Bildgebungsvolumen hin verstärkt wird. Dies kann beispielsweise mit einer oder mehreren kurzen Sole noidspulen erreicht werden. Diese können so angeordnet und betrieben werden, dass in den Minima des Grundmagnetfeldes das Feld ausgelöscht wird und Platz für die z-Windungen einer supraleitenden Gradientenspule oder segmentartige Transversalspulen geschaffen wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Magnetfelderzeugung,
2 die axialen Verbindungen einer Gradientenfeldvorrichtung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Magnetfelderzeugung,
3A–3D die Konstruktion eines Volumens mit reduzierter Magnetfeldstärke, und
4 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage.
1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung 1 zur Magnetfelderzeugung. Dargestellt ist ein Längsschnitt eines oberen Teils einer solchen Einrichtung, wobei sich unterhalb davon eine hier nicht dargestellte Öffnung zur Aufnahme des Patienten anschließen würde. Unterhalb der Patientenöffnung würde sich im Wesentlichen spiegelverkehrt wieder die hier dargestellte Schnittskizze anschließen. Die Einrichtung 1 zur Magnetfelderzeugung verfügt über eine Grundfeldvorrichtung 2, die aus supraleitenden Magnetspulen innerhalb eines Heliumgefäßes 3 ausgebildet ist. Das Heliumgefäß 3 ist mit flüssigem Helium mit einer Temperatur von 4 K gefüllt. Für die thermische Isolierung gegenüber der Umgebung ist zudem ein Vakuumgefäß 4 als „Outer Vacuum Chamber" vorgesehen, in dem das Heliumgefäß 3 aufgenommen ist. Zwischen dem Heliumgefäß 3 und dem Vakuumgefäß 4 ist ein Kryoschild 5 angeordnet, der thermisch leitend mit einer Kühlstufe eines Kaltkopfes 6 verbunden ist. Eine weitere Stufe des Kaltkopfes 6 ist mit dem Heliumgefäß 3 direkt verbunden, um so die konstante Temperatur von 4 K gegenüber der Umgebung zu gewährleisten. Möglich sind auch Ausführungen mit mehr als einem Strahlungsschild bzw. Kryoschild 5, um die Temperatur unter 80 K zu halten.
In einem Volumen 7 zwischen der Grundfeldvorrichtung 2 und dem Vakuumgefäß 4 ist eine supraleitende Gradientenfeldvorrichtung 8 angeordnet. Die Gradientenfeldvorrichtung 8 besteht aus einer Maxwellspule für die z-Achse der Gradientenspule, während die Transversalachsen x und y hier als Golayspulen ausgebildet sind. Alternativ ist eine Ausbildung als Segmentspulen möglich. Das flussdichtereduzierte Volumen 7 befindet sich im Außenbereich des Heliumgefäßes 3 und im Innenbereich des Kryoschildes 5. In Richtung auf die hier nicht dargestellte Öffnung zur Aufnahme des Patienten sind Kompensationsspulen 9 vorgesehen, bei denen es sich ebenfalls um Hochtemperatursupraleiter handelt. Die als Solenoidspulen ausgebildeten Kompensationsspule 9 bewirken eine Minimierung des Betrages des Grundmagnetfeldes an der Position der Gradientenfeldvorrichtung 8. Darüber hinaus sind Schirmspulen 10 vorgesehen, die zur Abschirmung dienen und ebenfalls supraleitend ausgebildet sind.
Über das flussdichtereduzierte Volumen 7 wird somit bei der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 zur Magnetfelderzeugung ein radialer Raum mit einer Dicke von einigen cm zur Anordnung der supraleitenden Gradientenfeldvorrichtung 8 zur Verfügung gestellt. Dadurch können im Vergleich zu bisherigen Anordnungen größere Öffnungen zur Aufnahme des Patienten realisiert werden, wobei zudem die Verlustleistung der supraleitenden Spulen und der Raumbedarf geringer ist, während gleichzeitig eine Lärmreduktion erreicht werden kann.
In der 2 sind die axialen Verbindungen einer Gradientenfeldvorrichtung bei einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Magnetfelderzeugung dargestellt. Die Leiter der Gradienten feldvorrichtung können in zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich in die azimutalen Leiter und die axialen Leiter. Die azimutalen Leiter dienen der Felderzeugung. An ihrer Position wird die Feldminimierung durch die Solenoidspulen erzwungen. Die axialen Leiter hingegen sind Verbindungs- oder Zuleiter.
Solche axialen Leiter 11 sind in der 2 dargestellt. Die axialen Leiter 11 werden in einem Hochtemperatursupraleiter-Zylinder 12 geführt, um dadurch die Feldfreiheit in diesem Bereich zu gewährleisten. Alternativ ist eine Führung der axialen Leiter 11 in Hochtemperatursupraleiter-Zylinderspulen möglich, die hier nicht dargestellt ist.
Bei Verwendung von Hochtemperatursupraleiter-Zylindern (bzw. Hochtemperatursupraleiter-Zylinderspulen) 12 ergibt sich eine lediglich lokale Störung des Grundfelds, die durch geeignet platzierte magnetisierbare Materialien wie Eisenshims kompensiert werden kann.
Zum Anschluss der Gradientenfeldvorrichtung 8 der 1 werden die Hochtemperatursupraleiter-Zylinder 12 mit den axialen Leitern 11 bis zu einer Vakuumdurchführungsbox 13 am Kryoschild 5 geführt. Die Vakuumdurchführungsbox 13 sorgt für einen gekühlten Übergang von supraleitend auf normalleitend. Die Vakuumdurchführungsbox 13 und der Kaltkopf 6 können als Einheit ausgebildet sein.
In den 3A bis 3D ist beispielhaft die Konstruktion eines Volumens mit reduzierter Magnetfeldstärke dargestellt. Hierbei soll durch eine Solenoidspule als Kompensationsspule das Feld des Grundfeldmagneten an der Position der Gradientenspulenleiter minimiert werden. Dabei wurde hier von einem bereits existierenden Grundfeldmagnetdesign mit einem Magneten mit einer magnetischen Feldstärke von 1,5 T ausgegangen. Vorzugsweise wird allerdings die Forderung nach einem feldfreien Volumen bzw. feldfreien Zonen zur Aufnahme der Gradientenfeldvorrichtung bereits im Design des Grundfeldmagneten berücksichtigt. Die Kompensationswindungen können inner halb eines Heliumgefäßes geführt werden, um zu erreichen, dass konventionelle Supraleiter für die Wicklungen verwendet werden können, die eine höhere Stromtragfähigkeit bei geringeren Kosten aufweisen.
In der 3A ist zunächst die z-Komponente des Magnetfeldes B in Tesla über der z-Achse dargestellt. Hierbei wird eine Solenoidspule 14, die hier schematisch dargestellt ist, in einem minimalen Bereich des skizzierten Grundmagnetfeldes angeordnet. Die Solenoidspule 14 weist dabei eine hier durch den Doppelpfeil 15 angedeutete axiale Länge von 14 cm auf. Selbstverständlich kann diese Länge in Abhängigkeit des tatsächlichen Designs des Grundfeldmagneten auch deutlich andere Werte aufweisen. Das Minimum der Kurve 16 für das Magnetfeld in z-Richtung, zu dem die Solenoidspule vorgesehen ist, liegt im Bereich zwischen 0,3 und 0,35 m. Das Solenoidstromvorzeichen entspricht dem Vorzeichen der Hauptspule des Grundfeldmagneten. Die Berechnung wurde im Beispiel für einen Radius von 0,445 m durchgeführt.
In der 3B ist die Kurve 17 der Radialkomponente des Magnetfeldes in Tesla über der z-Achse und somit der z-Länge der Solenoidspule 14 dargestellt. Im Ergebnis ergibt sich der in der 3C dargestellte Bereich eines minimalen Feldes entsprechend der Betragskurve 18. Im Bereich des minimalen Feldes liegt der Betrag desselben unterhalb von 100 mT, wobei dieser Bereich, der in der 3D vergrößert dargestellt ist, über die z-Achse eine Breite von etwa 5 cm aufweist, die hier durch den Doppelpfeil 19 dargestellt ist. Dieser Bereich, in dem das Grundmagnetfeld faktisch ausgelöscht ist, steht dann für die z-Windungen einer supraleitenden Gradientenspule bzw. segmentartige Transversalspulen zur Verfügung.
Analog können bei Verwendung anderer Kompensationsspulen bzw. anderen Vorgaben hinsichtlich des Grundfeldmagneten ebenfalls ein flussreduziertes Volumen bzw. mehrere flussreduzierte Volumina in einem Bereich zwischen den Windungen eines Grundfeldmagneten und einem umgebenden Vakuumgefäß erzeugt werden, in welchen Volumina die einzelnen Spulen einer Gradientenfeldvorrichtung aufgenommen werden können.
In der 4 ist eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 20 gezeigt, bei der eine Patientenöffnung 21 zur Aufnahme eines Patienten 22 auf einer Patientenliege 23 realisiert ist, die einen Durchmesser von über 80 cm aufweist.
Zudem ist eine Steuerungseinrichtung 24 in Verbindung mit einem Mittel 25 für Aus- und Eingaben seitens eines Bedieners 26 dargestellt, durch die die Steuerung der Magnetresonanzanlage 20 zur Datenaufnahme ermöglicht wird.
Der große Durchmesser der Öffnung 21 zur Aufnahme des Patienten wird dadurch erreicht, dass die hier nicht dargestellten, supraleitend ausgebildeten Gradientenspulen unter Verwendung einer vorstehend geschilderten Einrichtung zur Magnetfelderzeugung in einem flussreduzierten Volumen, also in einem oder mehreren Bereichen reduzierter Magnetfeldstärke, zwischen den Windungen des Grundfeldmagneten und einem äußeren Vakuumgefäß angeordnet werden. So kann bei der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage 21 die Untersuchung durch den Bediener 26 für diesen und für den Patienten 22 angenehmer gestaltet werden. Zum einen kann die Problematik des Engegefühls in Öffnungen mit kleinen Durchmessern umgangen werden. Andererseits kann dabei gleichzeitig eine hohe Bildqualität gewährleistet werden.

Claims

Einrichtung zur Magnetfelderzeugung in der Magnetresonanztomographie mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Grundfeldes, einem die Grundfeldvorrichtung umgebenden Vakuumgefäß und einer Vorrichtung zur Erzeugung wenigstens eines magnetischen Gradientenfeldes, da durch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) in einem Bereich zwischen Windungen wenigstens einer supraleitenden Spule der Grundfeldvorrichtung (2) und einer nichtleitfähigen Wand des Vakuumgefäßes (4) ein Volumen mit einer reduzierten Magnetfeldstärke aufweist, in dem wenigstens teilweise die supraleitend ausgebildete Gradientenfeldvorrichtung (8) aufgenommen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke durch einen entsprechenden Aufbau wenigstens einer Spule der Grundfeldvorrichtung (2) und/oder wenigstens eine zusätzliche Kompensationsspule (9), insbesondere eine supraleitende Kompensationsspule (9), ergibt.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussdichte des oder der Supraleiter derart gewählt ist, dass ein frequenzabhängiger Grenzwert eingehalten ist.
Einrichtung nach einem de vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kryostat zum Ableiten einer Verlustleistung der Gradientenfeldvorrichtung vorgesehen ist, insbesondere ein Kryoschild (5) und/oder Kaltkopf (6).
Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat in räumlicher Nähe zur Gradientenfeldvorrichtung (8) angeordnet ist, insbesondere auf der vorrichtungszugewandten Seite des Vakuumgefäßes (4).
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke in radialer Richtung über 1 cm bis 10 cm erstreckt, insbesondere über 6 cm.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung wenigstens einer Kompensationsspule (9) für das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke die Kompensationsspule (9) und die Gradientenfeldvorrichtung (8) als modulare Einheit ausgebildet sind.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung wenigstens einer Kompensationsspule (9) für das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke und wenigstens eines Kryostaten die Kompensationsspule (9), der Kryostat und die Gradientenfeldvorrichtung (8) als modulare Einheit ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die modulare Einheit als zylindrisches Rohr ausgebildet ist, insbesondere mit einer Wandstärke von 70 mm.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenfeldvorrichtung (8) zur Vereinfachung eines Temperverfahrens für die supraleitenden Eigenschaften und zur Minimierung von Verbindungsstellen wenigstens teilweise aus Spulen aus Runddraht ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vakuumgefäß (4) verlaufende, zu der Gradientenfeldvorrichtung (8) führende Leiter (11) zumindest teilweise derart verlaufen, dass sie kein das Gradientenfeld beeinflussendes Magnetfeld erzeugen.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere extern zum Vakuumgefäß (4) verlaufende felderzeugende Leitestrukturen vorgesehen sind.
Magnetresonanzanlage (20), ausgebildet mit einer Einrichtung zur Magnetfelderzeugung nach einem der vorangehenden Ansprüche.