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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Magnetfelderzeugung in der
Magnetresonanztomographie,
- – mit einer Grundfeldvorrichtung
zur Erzeugung eines magnetischen Grundfeldes,
- – mit
einem die Grundfeldvorrichtung umgebenden Vakuumgefäß,
- – mit
einer supraleitend ausgebildeten Gradientenfeldvorrichtung zur Erzeugung
wenigstens eines magnetischen Gradientenfeldes,
- – mit
einem Bereich, der zwischen Windungen wenigstens einer supraleitenden
Spule der Grundfeldvorrichtung und einer nichtleitfähigen Wand
des Vakuumgefäßes vorgesehen
ist,
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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.
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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.
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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 aufweisen.
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%.
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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.
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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.
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Aus
der
US 5 661 445 A ist
ein so genanntes „superconductive
magnet assembly” bekannt,
bei dem ein Primärmagnet
durch eine supraleitende Spule gebildet ist. Mit Hilfe von Gradientenspulen
aus supraleitendem Material wird ein Gradientenfeld gebildet. Die
Primärspule
und die Gradientenspulen sind in einem Gehäuse-Schild angeordnet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine bezüglich des Durchmesers verbesserte
Einrichtung zur Magnetfelderzeugung anzugeben.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Einrichtung
zur Magnetfelderzeugung der eingangs genannten Art vorgesehen, die
sich dadurch auszeichnet,
- – dass der Bereich ein Volumen
mit einer reduzierten Magnetfeldstärke aufweist, wobei das Volumen
durch einen Aufbau wenigstens einer Spule der Grundfeldvorrichtung
und wenigstens einer zusätzlichen
Kompensationsspule gebildet wird,
- – dass
im Volumen wenigstens teilweise die supraleitend ausgebildete Gradientenfeldvorrichtung
aufgenommen ist, und
- – dass
die Kompensationsspule und die Gradientenfeldvorrichtung als modulare
Einheit ausgebildet sind.
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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.
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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 flussdichtereduzierte Volumen die Schalteigenschaften
nicht beeinträchtigt
werden.
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Erfindungsgemäß ergibt
sich das Volumen mit reduzierter Magnetfeldstärke durch einen entsprechenden
Aufbau wenigstens einer Spule der Grundfeldvorrichtung und wenigstens
eine zusätzliche
Kompensationsspule, insbesondere eine supraleitende Kompensationsspule.
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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.
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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.
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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.
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Für die schnelle
Schaltbarkeit der Ströme
ist es erforderlich, dass die magnetische Flussdichte des verwendeten
Supraleiters einen frequenzabhängigen
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.
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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.
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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 felderzeugenden
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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Kompensationsspule und die Gradientenfeldvorrichtung sind als modulare
Einheit ausgebildet. 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden
Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung
zur Magnetfelderzeugung,
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2 die
axialen Verbindungen einer Gradientenfeldvorrichtung einer erfindungsgemäßen Einrichtung
zur Magnetfelderzeugung,
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3A–3D die
Konstruktion eines Volumens mit reduzierter Magnetfeldstärke, und
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4 eine
erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage.
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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 „Guter
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Heliumgefüßes geführt werden,
um zu erreichen, dass konventionelle Supraleiter für die Wicklungen
verwendet werden können,
die eine höhere
Stromtragfähigkeit
bei geringeren Kosten aufweisen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.