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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwerfen einer Gradientenspule, ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule, eine Gradientenspule, ein Magnetresonanzgerät und ein kombiniertes PET-MR-System.
WO 2006/003 580 A1 und
DE 10 2006 062 317 A1 beschreiben Gradientenspulen. Bekannte medizinische Bildgebungstechniken umfassen einerseits nuklearmedizinische Techniken, die in erster Linie funktionelle Vorgänge in einem Untersuchungsobjekt abbilden, und andererseits Techniken, die vorrangig eine untersuchte Anatomie abbilden, wie zum Beispiel Magnetresonanztechniken oder Computertomographietechniken. Zu den nuklearmedizinischen Bildgebungstechniken gehört die PET-Technik (PET: Positronen-Emissions-Tomographie). PET erzeugt Bilder von lebenden Organismen, indem es die Verteilung einer vorher verabreichten schwach radioaktiv markierten Substanz (Radiopharmakon) im Organismus sichtbar macht, die derart im Organismus angereichert wurde, dass biochemische und physiologische Vorgänge abgebildet werden können.
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Als Radiopharmakon eignen sich hierbei Radionukleide, die beim Zerfall Positronen aussenden. Die Positronen treten nach kurzer Distanz (ca. 2–3 mm) in Wechselwirkung mit einem Elektron und es kommt zur so genannten Annihilation. Dabei werden beide Teilchen, Positron und Elektron, vernichtet, und es entstehen zwei hochenergetische Photonen (Gammastrahlung) mit je 511 keV, die sich in einem Winkel von ca. 180° voneinander entfernen. Die dabei gebildete Linie wird auch als „line of response” (LOR) bezeichnet. Die beiden Photonen (Vernichtungsstrahlung) werden z. B. an einem Detektorring gemessen, wo sie gleichzeitig an zwei Stellen eintreffen. Durch die Koinzidenz der beiden Messergebnisse sind ein Nachweis der Positronenemission und eine Schätzung des Ortes der Annihilation möglich.
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Die Magnetresonanztechnik (im Folgenden steht die Abkürzung MR für Magnet-Resonanz) ist eine bekannte Technik, mit der Bilder vom Inneren eines Untersuchungsobjektes erzeugt werden können. Vereinfacht ausgedrückt wird hierzu das Untersuchungsobjekt in einem MR-Gerät in einem vergleichsweise starken statischen, homogenen Grundmagnetfeld (Feldstärken von 0,2 Tesla bis 7 Tesla und mehr) positioniert, so dass sich dessen Kernspins entlang des Grundmagnetfeldes orientieren. Zum Auslösen von Kernspinresonanzen werden hochfrequente Anregungspulse in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt, die ausgelösten Kernspinresonanzen gemessen und auf deren Basis MR-Bilder rekonstruiert. Zur Ortskodierung der Messdaten werden dem Grundmagnetfeld schnell geschaltete magnetische Gradientenfelder in drei Raumrichtungen überlagert. Die aufgezeichneten Messdaten werden digitalisiert und als komplexe Zahlenwerte in einer k-Raum-Matrix abgelegt. Aus der mit Werten belegten k-Raum-Matrix ist mittels einer mehrdimensionalen Fourier-Transformation ein zugehöriges MR-Bild rekonstruierbar. Diese Technik erlaubt eine hervorragende Darstellung insbesondere von Weichteilen mit wählbaren Kontrasten.
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Um die Vorteile beider Techniken synergetisch nutzen zu können sind Bestrebungen vorhanden, MR- und PET-Systeme zu kombinieren. Ein Beispiel für ein kombiniertes PET/MR-System mit einem für MR geeigneten PET-Detektor ist in der Offenlegungsschrift
US 2007/0102641 A1 beschrieben.
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Es besteht weiterhin Bedarf an verbesserten Komponenten für kombinierte PET-MR-Geräte sowie für Magnetresonanzgeräte. Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Entwerfen und ein Verfahren zum Herstellen einer verbesserten Gradientenspule, sowie eine verbesserte Gradientenspule anzugeben, mit der Fehlfunktionen in den Geräten, in denen die Gradientenspule eingesetzt wird, vermieden werden.
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Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Magnetresonanzgerät mit verbesserten Messeigenschaften sowie ein kombiniertes PET-MR-System mit verbesserten Messeigenschaften anzugeben.
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Die Aufgaben werden jeweils durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei der Entwicklung von Gradientenspulen, bei der bislang nur die Qualität des erzielten magnetischen Feldes im Messvolumen Innerhalb der Gradientenspule, und gegebenenfalls eine möglichst gute Unterdrückung des magnetischen Feldes im Außenbereich der Gradientenspule beachtet wurden, bisher ungenutzte freie Parameter für weitere Optimierungen verwendet werden können.
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Daher werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Entwerfen einer Gradientenspule, welche mehrere Teilspulen umfasst, folgende Schritte durchgeführt:
- – Variieren von Parametern der Struktur der Gradientenspule,
- – Bestimmen des von den Variationen der Struktur der Gradientenspule erzeugten elektrischen Feldes,
- – Wählen der Parameter der Variation der Struktur mit einem optimalen elektrischen Feld.
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Die Optimierung kann nach verschiedenen Gesichtspunkten erfolgen. Beispielsweise kann ein insgesamt möglichst homogenes elektrisches Feld angestrebt werden, oder ein Auftreten von lokalen Überhöhungen möglichst unterdrückt werden. Eine weitere Möglichkeit einer Optimierung ist eine Unterdrückung bzw. Schwächung des erzeugten elektrischen Feldes in bestimmten Bereichen der Gradientenspule.
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Entsprechend umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule die Schritte Entwerfen einer Gradientenspule gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren und Herstellen der entworfenen Gradientenspule.
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Die resultierende Gradientenspule besitzt somit eine Struktur, die ein von der Gradientenspule erzeugtes elektrisches Feld, z. B. hinsichtlich einer Verteilung des Feldes, optimiert.
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Durch die Optimierung des von der Gradientenspule erzeugten elektrischen Feldes kann der Anwendungsbereich der Gradientenspule z. B. für neue Anwendungen, wie etwa kombinierte PET-MR-Systeme, erweitert werden, die eine Empfindlichkeit gegen elektrische Felder aufweisen. Daneben können auch bei reinen MR-Anwendungen die Leistungsmöglichkeiten verbessert werden. Beipielsweise kann durch die Optimierung des elektrischen Feldes eine Bildung von Spannungsspitzen in der Gradientenspule vermieden werden. Spannungspitzen begünstigen das Entstehen von Teilentladungen zwischen Leitern und anderen leitfähigen Strukturen der Gradientenspule. Aufgrund von Teilentladungen können sogenannte „Spikes” entstehen, die je nach verwendeter Messsequenz, zu störenden Bildartefakten bis hin zur Unbrauchbarkeit der Aufnahmen führen.
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Vorteilhaft haben die zu variierenden Parameter der Struktur der Gradientenspule keinen Einfluss auf ein durch die Gradientenspule erzeugtes magnetisches Feld. Somit kann die Optimierung des von der Gradientenspule erzeugten magnetischen Feldes unabhängig von der Optimierung des erzeugten elektrischen Feldes erfolgen.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfassen die zu variierenden Parameter der Struktur der Gradientenspule eine Wickelrichtung der Teilspulen und/oder eine Verschaltungsreihenfolge der Teilspulen der Gradientenspule. Diese Parameter sind ohne großen Aufwand variierbar.
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Die zweitgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch ein Magnetresonanzgerät mit einer vorbeschriebenen Gradientenspule bzw. ein kombiniertes PET-MR-System mit einer vorbeschriebenen Gradientenspule. Dabei sind jeweils die oben genannten Vorteile sinngemäß zu übertragen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Die aufgeführten Beispiele stellen keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
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1 ein schematisches Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahren,
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2 eine schematische Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Gradientenspule,
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3 eine dreidimensionale schematische Darstellung von Teilspulen einer Gradientenspule,
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4 ein medizinisches Gerät mit einer Gradientenspule.
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1 zeigt schematisch ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahren, nämlich eines Verfahrens 200 zum Entwerfen einer Gradientenspule 3 und eines Verfahrens 300 zur Herstellung einer Gradientenspule 3 in einer Zusammenschau. Dabei umfasst die Gradientenspule 3 Teilspulen. Die Teilspulen werden in der Regel in Reihe verschaltet, um zumindest für niedrige Frequenzen der Gradientenströme einen gleichen Strom in allen Teilspulen zu erhalten und dadurch ein von der Gradientenspule 3 erzeugtes magnetisches Feld zu idealisieren.
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Bei dem Verfahren 200 zum Entwerfen einer Gradientenspule 3 werden in abwechselnden Schritten 201 und 202 Parameter der Struktur der Gradientenspule 3 variiert (201) und ein von einer Gradientenspule 3 mit einer Struktur gemäß einer momentanen Variation der Parameter erzeugtes elektrisches Feld bestimmt (202). Abschließend wird eine Struktur mit den Parametern, die das elektrische Feld der Gradientenspule 3 optimieren als Entwurf ausgewählt (Schritt 203).
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Die variierten Parameter der Struktur sind insbesondere eine Wickelrichtung von Teilspulen der Gradientenspule 3 und/oder eine Verschaltungsreihenfolge der Teilspulen der Gradientenspule 3. Für das zu erzeugende Magnetfeld kann die Wickelrichtung beliebig gewählt werden. Dasselbe gilt für die Verschaltungsreihenfolge. Bei der Wahl der beiden Parameter ist lediglich darauf zu achten, dass die Flussrichtung des Stromes in jeder Teilspule der Gradientenspule gemäß dem angestrebten Magnetfeld verläuft. D. h. wird die Anschlusspolarität einer Teilspule invertiert, so muss auch die Wickelrichtung invertiert werden. Darüber hinaus sind die Verschaltungsreihenfolge und die Wickelrichtung frei variierbar.
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Ein von der Gradientenspule 3 erzeugtes elektrisches Feld kann außerdem durch die zu variierenden Parameter der Struktur der Gradientenspule 3 beeinflusst werden.
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Für das Verfahren 300 zur Herstellung einer Gradientenspule 3 wird zunächst wie oben beschrieben mittels des Verfahrens 200 eine Gradientenspule 3 entworfen. Das Ergebnis des Entwurfs 203 des Verfahrens 200 zum Entwerfen einer Gradientenspule 3 wird sodann hergestellt.
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Dabei werden insbesondere Teilspulen der Gradientenspule 3 in einer vorbestimmten Wickelrichtung gewickelt (Block 301) und/oder die Teilspulen der Gradientenspule gemäß einer vorbestimmten Verschaltungsreihenfolge verschalten (Block 302). Dabei ist die Wickelrichtung der Teilspulen bzw. die Verschaltungsreihenfolge derart gewählt, dass ein durch die Gradientenspule 3 erzeugtes elektrisches Feld optimiert ist. Die vorbestimmte Wickelrichtung bzw. die vorbestimmte Verschaltungsreihenfolge wurde dabei bereits im Verfahren 200 zum Entwerfen einer Gradientenspule 3 gewählt. Das Ergebnis des Verfahrens 300 zur Herstellung einer Gradientenspule 3 ist die Gradientenspule 3 mit einer, z. B. hinsichtlich einer Verteilung, eines durch die Gradientenspule erzeugten elektrischen Feldes optimierten Struktur.
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Weitere Schritte, wie ein Vergießen der Teilspulen in Harz, sind bekannt und daher hier nicht beschrieben.
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In 2 ist schematisch eine „aufgefächerte” Gradientenspule 3 dargestellt, wobei lediglich die für die Transversalgradienten die eine Primärspule 3.1 und eine Sekundärspule 3.2 umfasst. Dabei erzeugt die Primärspule 3.1 das gewünschte magnetische Feld und die Sekundärspule 3.2, auch Schirmspule genannt, schirmt das magnetische Feld nach außen hin ab.
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Die Primärspule 3.1 umfasst zwei Sattelspulen 3.11 und 3.12, die je zwei Teilspulen 3.111, 3.112 und 3.121, 3.122 umfassen, um das gewünschte magnetische Feld durch einen Strom durch die Primärspule erzeugen zu können. Desgleichen umfasst die Sekundärspule 3.2 zwei Sattelspulen 3.21 und 3.22, die je zwei Teilspulen 3.111, 3.112 und 3.121, 3.122 umfassen.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die hier als rechtwinklig dargestellten Teilspulen stark vereinfacht sind. Die tatsächliche Geometrie der Teilspulen wird in bekannter Weise derart gewählt, dass ein erzeugtes magnetisches Feld optimiert wird.
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In der in 2 gewählten Darstellung sind die einzelnen Teilspulen 3.111, 3.112 und 3.121, 3.122 und 3.111, 3.112 und 3.121, 3.122 zur besseren Veranschaulichung nebeneinander dargestellt. Tatsächlich werden jeweils die beiden Sattelspulen 3.11 und 3.12 sowie 3.21 und 3.22 gebogen und zu einer zylindrischen Primärspule 3.1 bzw. Sekundärspule 3.2 zusammengesetzt.
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Dies ist beispielhaft für die Primärspule 3.1 in 3 gezeigt, in der die Sattelspulen 3.11 und 3.12 auf einen Träger 9 gewickelt dargestellt sind. Die Sekundärspule 3.2 wird analog auf einen Träger mit größerem Durchmesser als der Träger 9 der Primärspule gewickelt, um später einen Umfang aufzuweisen, der geeignet ist, die Primärspule 3.1 innerhalb der Sekundärspule 3.2 anzuordnen. Dabei ist die Sekundärspule 3.2 weiterhin um mindestens einige Zentimeter von der Primärspule 3.1 beabstandet.
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Die in 2 angegebene Verschaltungsreihenfolge der Teilspulen ist: 3.111 – 3.112 – 3.121 – 3.122 – 3.211 – 3.212 – 3.221 – 3.222. Durch diese Verschaltungsreihenfolge und die dargestellten Wickelrichtungen der Teilspulen 3.111 bis 3.222 wird einfach erreicht, dass in benachbarten Leitern der Gradientenspule keine gegenläufigen Stromrichtungen vorliegen. Dies ist insbesondere in Bezug auf die äußeren Windungen benachbarter Teilspulen von Bedeutung. Durch die Optimierung können große Spannungsdifferenzen zwischen benachbarten Leitern, und damit Überhöhungen des elektrischen Feldes an diesen Punkten vermieden werden. Ordnete man zwei benachbarte Teilspulen, z. B. die Teilspulen 3.111 und 3.121, derart nah beieinander an, dass die äußeren Windungen der Teilspulen sich beinahe berühren, kann das, je nach Verschaltung, zu einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitern bis zur maximalen Spannung eines Verstärkers der Gradientenspule 3 führen. Damit hätte man eine extreme Überhöhung des elektrischen Feldes an diesem Ort.
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Die gezeigte Gradientenspule 3 ist somit derart optimiert, dass insbesondere in ihrem zentralen Bereich keine Überhöhungen des elektrischen Feldes auftreten. Durch die Verschaltungsreihenfolge fließt ein Strom gemäß den mit „A” bis „P” bezeichneten Anschlusspunkten der Teilspulen 3.111 bis 3.222 durch die Gradientenspule. Die Führung der Verbindungen (nicht dargestellt) zwischen den Anschlusspunkten „A” bis „P” der Teilspulen 3.111 bis 3.222 kann dabei beliebig geführt werden, da ein magnetisches Feld, das von einer solchen Verbindung erzeugt wird gegenüber dem durch die Teilspulen erzeugten Feld vernachlässigbar ist. In der Regel werden die Verbindungen daher so geführt werden, dass ein vorhandener Raum in der Gradientenspule bestmöglich genutzt wird.
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Hingegen kann es sinnvoll sein die Führung der Verbindungsleiter hinsichtlich eines zwischen Verbindungsleiter und Spule 3 oder zwischen zwei Verbindungsleitern erzeugten elektrischen Feldes zur Vermeidung von Spikes zu optimieren.
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4 zeigt ein Magnetresonanzgerät 100 mit einer Gradientenspule 3, die eine Primärspule 3.1 und eine Sekundärspule 3.2 umfasst, die von einer Magneteinheit 1 umgeben sind. Die Gradientenspule 3 umgibt einen Patiententunnel T, in dem ein Patient auf einem Patientenlagerungstisch 7 eingebracht werden kann, um einer Untersuchung unterzogen zu werden. Weitere Teile, wie Steuereinheiten und Hochfrequenzeinheiten, des Magnetresonanzgeräts 100 sind bekannt und der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Die Gradientenspule 3 ist beispielsweise durch oben beschriebene Verfahren derart hergestellt, dass Teilentladungen zwischen Teilspulen 3.111 bis 3.222 der Gradientenspule 3 durch eine geeignete Verteilung des durch die Gradientenspule 3 erzeugten elektrischen Feldes vermieden werden. Wie bereits oben erwähnt, kann so die Bildung von „Spikes” vermieden werden.
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Weiterhin kann das Magnetresonanzgerät 100 ein kombiniertes PET-MR-System sein, und zusätzlich eine PET-Detektionsvorrichtung 5 umfassen. Die PET-Detektionsvorrichtung 5 ist dabei ebenfalls in dem Patiententunnel T in einem zentralen Bereich der Gradientenspule 3 angeordnet und ist von der Gradientenspule 3 umgeben. Die Elektronik der PET-Detektionsvorrichtung 5 ist dabei auf umgebende elektrische Felder empfindlich und kann, z. B. durch lokal überhöhte elektrische Felder gestört werden. Durch geschickte Wahl der Verschaltungsreihenfolge und der Wickelrichtung von Teilspulen 3.111 bis 3.222 der Gradientenspule 3 kann aber ein von der Gradientenspule 3 erzeugtes elektrisches Feld derart optimiert werden, dass es im Bereich der PET-Detektionsvorrichtung 5 des kombinierten PET-MR-Systems 100 minimiert ist und/oder keine Überhöhungen des elektrischen Feldes entstehen, die die Elektronik der PET-Detektionsvorrichtung 5 stören können.
