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Die Erfindung betrifft einen supraleitenden aktiv geschirmten Magneten mit einer ersten und einer zweiten supraleitenden Spulenbaugruppe zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds in einer ersten Richtung in einem Arbeitsvolumen des Magneten und zur Reduzierung eines Streumagnetfelds in einer Umgebung des Magneten.
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Generell besteht ein aktiv geschirmter Magnet aus zwei Spulenbaugruppen, die so dimensioniert sind und betrieben werden, dass sie zusammen in dem Arbeitsvolumen ein starkes Magnetfeld erzeugen und gleichzeitig ein Streufeld in der Umgebung des Magneten stark verringert ist.
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Aktiv geschirmte supraleitende Magnete finden eine breite Anwendung in der medizinischen Magnetresonanztechnik. Sie werden benötigt, um in dem Arbeitsvolumen ein starkes und homogenes Magnetfeld zur Polarisation von bestimmten Atomkernen bereit zu stellen. Wegen der großen Häufigkeit von Wasserstoff in lebendem Gewebe werden in der medizinischen Magnetresonanztechnik polarisierte Protonen zur Magnetresonanz angeregt. Nach einer Konditionierung der von den angeregten Atomkernen erzeugten Magnetresonanzsignale werden die empfangenen Signale für eine anatomische oder funktionelle Bildgebung rekonstruiert. Auch spektroskopische Untersuchungen werden mit der Magnetresonanztechnik durchgeführt. Dabei kommen ebenfalls supraleitende Magnete zur Polarisation von Atomkernen zum Einsatz.
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Weit verbreitet in der medizinischen Magnetresonanztechnik sind zylindrische Magnetbauformen. Die erste Spulenbaugruppe erzeugt ein Primärmagnetfeld im Arbeitsvolumen, während die zweite Spulenbaugruppe ein Sekundärmagnetfeld erzeugt, das das von der ersten Spulenbaugruppe in der Umgebung des Magneten erzeugte Streufeld stark reduzieren und im Idealfall sogar kompensieren soll. Die beiden Spulenbaugruppen sind koaxial angeordnet, wobei die zweite Spulenbaugruppe oder die Abschirmspule dabei die erste Spulenbaugruppe oder die Primärspule umschließt. Das eigentliche Arbeitsvolumen ist innerhalb der inneren Spulenbaugruppe angeordnet. Die beiden Spulenbaugruppen sind elektrisch entgegengesetzt in Reihe geschaltet, so dass die von den beiden Spulenbaugruppen erzeugten Magnetfelder im Arbeitsvolumen sowie in der Umgebung entgegen gesetzt ausgerichtet sind. So ergibt beispielsweise eine Kombination der ersten Spulenbaugruppe, die ein Magnetfeld von 2,25 Tesla im Arbeitsvolumen erzeugt, mit einer zweiten Spulenbaugruppe, ein Feld von 0,75 Tesla im Arbeitsvolumen erzeugt, ein effektives Magnetfeld von 1,5 Tesla im Arbeitsvolumen. Zwar wird durch die aktive Abschirmung auch die Nutzfeldstärke im Arbeitsvolumen reduziert, die Reduzierungswirkung auf das Streufeld in der Umgebung ist jedoch größer. Ein derartiger aktiv geschirmter supraleitender Magnet ist beispielsweise in der
EP 0 144 171 A beschrieben.
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Dieser grundlegende Aufbau des aktiv geschirmten Magneten hat jedoch die nachteilige Eigenschaft, dass im Vergleich mit einem nicht aktiv geschirmten supraleitenden Magneten der intrinsische Abschirmeffekt gegen externe magnetische Störfelder im Arbeitsvolumen stark vermindert ist. Das Arbeitsvolumen ist so nicht mehr gegen externe magnetische Störfelder abgeschirmt.
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Zur Wiederherstellung der Abschirmwirkung gegen externe Störfelder werden zusätzliche, elektrisch kurzgeschlossene Abschirmspulen verwendet, die als „External Interference Shield” oder auch als „EIS” bezeichnet werden. Sie sind so ausgebildet und angeordnet, dass sie ein homogenes Kompensationsfeld erzeugen und im Zusammenwirken mit den ersten und zweiten Spulenbaugruppen die Wirkung von externen Störfeldern im Arbeitsvolumen verringern und gleichzeitig das homogene Magnetfeld im Arbeitsvolumen nur geringfügig beeinträchtigen. Die Technik der zusätzlichen EIS- Abschirmspulen ist in der
US 5 329 266 und in der
GB 23 95 793 A ausführlich beschrieben.
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Die zusätzlichen Abschirmspulen besitzen jedoch nur eine geringe Abschirmwirkung gegen externe magnetische Störfelder von Störfelderzeugern in der Nähe des Magneten. Derartige Störfelder werden z. B. durch vorbeifahrende PKW und LKW oder durch fahrende Gebäudeaufzüge verursacht. In der Praxis musste bisher in diesen Fällen eine zusätzliche magnetische Abschirmung, z. B. aus Transformatorblechen, vorgesehen werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen supraleitenden aktiv geschirmten Magneten anzugeben, dessen Abschirmeigenschaften gegen externe magnetische Störfelder, insbesondere gegen Störfelder, die in der Umgebung der Magneten erzeugt werden, im Arbeitsvolumen verbessert sind.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist bei einem supraleitenden aktiv geschirmten Magneten mit einer ersten und einer zweiten supraleitenden Spulenbaugruppe zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds in einer ersten Richtung in einem Arbeitsvolumen des Magneten und zur Reduzierung eines Streumagnetfelds in einer Umgebung und mit einer zusätzlichen supraleitenden Spulenbaugruppe zur Kompensation von überwiegend homogenen Magnetfeldkomponent im Arbeitsvolumen eine dritte supraleitende Spulenbaugruppe in der Nähe der ersten und zweiten Spulenbaugruppe angeordnet. Die dritte Spulenbaugruppe ist ausgebildet, bei Auftreten eines Störgradientenfelds in der Umgebung ein Kompensationsgradientenfeld im Arbeitsvolumen zu erzeugen, so dass die. Wirkung des Störgradientenfelds im Arbeitsvolumen reduziert ist, wobei die dritte supraleitende Spulenbaugruppe auf Wicklungen der ersten und zweiten supraleitenden Spulenbaugruppe angeordnet ist, wobei die dritte Spulenbaugruppe ausgebildet ist, ein Magnetfeld in der ersten Richtung mit einem linearen Magnetfeldgradienten in der ersten Richtung zu erzugen. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass in der Nähe des Magneten erzeugte Störfelder einen großen Feldanteil mit ei ner Ortsabhängigkeit der Feldstärke besitzen. Dieser ortsabhängige Feldanteilgradient wird durch entsprechende Schirmspulen, die ein entsprechend ortsabhängiges Kompensationsgradientenfeld im Arbeitsvolumen erzeugen, stark verringert. In diesem ortsabhängigen Feldanteil wiederum gibt es wesentlich linear ortsabhängige Anteile, die mit entsprechend aufgebauten Schirmspulen kompensiert werden.
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Einen großen Einfluss auf die Bildgebung haben die magnetischen Feldanteile in Richtung des Hauptmagnetfeldes, also in der ersten Richtung. Komponenten von Störfeldern in dieser ersten Richtung wirken sich besonders nachteilig auf die Bildgebungsqualität aus. Die dritte Spulenbaugruppe ist entsprechend aufgebaut, Störgradientenfelder mit Feldkomponenten in der Richtung des Hauptmagnetfeldes, also der ersten Richtung zu kompensieren. Damit können Störfelder, die die Bildqualität besonders beinträchtigen, im Arbeitsvolumen kompensiert werden. Die baulichen Anforderungen für einen störungsfreien Betrieb des Magnetresonanzgeräts sind reduziert und aufwändige Zusatzabschirmmaßnahmen können so vermieden werden.
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Für eine Kompensation von Störgradientenfeldern mit einem Gradienten in der ersten Richtung können vorteilhaft Anti-Helmholtz-Spulenpaare oder Maxwell-Spulenpaare verwendet werden. Dabei handelt es sich um zwei identische Spulen mit kreisförmigen Wicklungen, die symmetrisch entlang der ersten Richtung mit einem Abstand angeordnet sind, der dem √3-fachen Radius der Spulen entspricht. Die Spulen sind elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sie vom Betrag her vom gleichen Strom durchflossen werden, die Richtung der Ströme in den beiden Spulen ist jedoch entgegengesetzt. Durch die Symmetrie der Anordnung sind die geraden Terme in der Reihenentwicklung des Kompensationsgradientenfelds Null. Durch den speziellen Abstand ist auch der z3-Term der Reihenentwicklung Null, so dass der führende, nicht-konstante Term der Reihenentwicklung von der Ordnung z5 ist.
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Zur Erzeugung der Kompensationsgradientenfelder mit Feldgradienten in weiteren, auf der ersten Richtung senkrecht stehenden Richtungen werden weitere Spulenbaugruppen mit Sattelspulen-Konstruktionen eingesetzt, wie sie auch schon in der Magnetresonanztechnik bei Gradientenspulen zur Ortskodierung der Magnetresonanzsignale zum Einsatz kommen.
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Bei dem Aufbau und der Anordnung der Spulenbaugruppen in einem Magnetresonanzgerät zur Erzeugung der Kompensationsgradientenfelder ist zu beachten, dass sie von den zur Ortskodierung vorgesehenen Gradientenspulen im Magnetresonanzgerät entkoppelt sind. Das kann sichergestellt werden durch die Verwendung von aktiv geschirmten Gradientenspulen und/oder einem genügenden räumlichen Abstand der Spulenbaugruppen von den Gradientenspulen, die zur Ortskodierung der Magnetresonanzsignale verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von vier Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 in einer Schnittdarstellung eine Anordnung und einen Aufbau von Spulenbaugruppen zur Kompensation von Störgradientenfeldern in einem supraleitenden aktiv geschirmten Magneten,
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2 in einer schematischen Ansicht eine grundsätzliche Anordnung einer Spulenbaugruppe zur Kompensation von externen linearen Störgradientenfeldern mit Störfeldkomponenten in z-Richtung und mit einer linearen räumlichen Abhängigkeit der Feldstärke in z-Richtung,
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3 eine Darstellung des Verlaufs eines Störgradientenfelds und eines Kompensationsgradientenfelds im Arbeitsvolumen des Magneten,
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4 schematisch den Aufbau einer Spulenbaugruppe zur Kompensation eines Gradientenfelds in y-Richtung und
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5 in einer schematischen Ansicht einen elektrischen Schaltkreis eines supraleitenden aktiv geschirmten Magneten mit Schirmspulen für homogene und für ortsabhängige externe magnetische Störfelder mit einem Gradienten in z-Richtung.
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1 illustriert am Beispiel eines supraleitenden aktiv geschirmten Magneten 2 für ein medizinisches Magnetresonanzgerät in einer Schnittdarstellung den prinzipiellen konstruktiven Aufbau der verschiedenen Spulenbaugruppen. Ein Arbeitsvolumen 4 des Magnetresonanzgeräts befindet sich in einer zylinderförmigen Bohrung 6, die durch eine Innenwandung 8 eines Gehäuses 10 des Magneten 2 begrenzt wird. Das Gehäuse 10 wird weiterhin gebildet durch eine koaxial zur Innenwandung 8 angeordnete Außenwandung 12 und stirnseitig angeordnete kreisringförmige Front- und Rückwandungen 14. Der Magnet 2 ist rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse, hier die z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems 15, aufgebaut.
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Ein durch die Wandungen 8, 12, 14 gebildeter Innenraum 16 dient der Aufnahme von verschiedenen supraleitenden Spulenbaugruppen zur Erzeugung des homogenen Magnetfeldes und zur Abschirmung gegen externe magnetische Störfelder. Der Innenraum 16 ist zur Kühlung der Spulenbaugruppen mit flüssigem Helium gefüllt. Wärmestrahlungsschilder 17 verhindern eine übermäßige Wärmeaufnahme der im Heliumbad angeordneten supraleitenden Spulenbaugruppen.
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Auf einem ersten Spulenteilträger 18A ist eine erste supraleitende Spulenbaugruppe 19 angeordnet. Die erste supraleitende Spulenbaugruppe 19 umfasst mehrere Teilspulen, die in entsprechende Nuten des Spulenteilträgers 18A gewickelt und mechanisch fest fixiert sind. Auf einem koaxial zum ersten Spulenteilträger 18A angeordneten zweiten Spulenteilträger 18B ist eine zweite supraleitende Spulenbaugruppe 22 angeordnet. Der zweite Spulenteilträger 18B stützt sich über Abstandshalter 23 auf dem ersten Spulenteilträger 18A ab. Der erste und der zweite Spulenteilträger 18A, 18B bilden zusammen mit den Abstandshaltern 23 den Spulenträger für die Spulenbaugruppen.
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Die zweite Spulenbaugruppe 22 besteht ebenfalls aus mehreren Teilspulen, die in Nuten des zweiten Spulenteilträgers 18B gewickelt und mechanisch fest fixiert sind. In üblichen Konstruktionen der ersten und zweiten Spulenbaugruppe umfasst die erste Spulenbaugruppe 19 eine höhere Anzahl von Teilspulen als die zweite Spulenbaugruppe 22.
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Die erste supraleitende Spulenbaugruppe 19 wird als Primärspule bezeichnet und erzeugt ein erstes homogenes Magnetfeld im Arbeitsvolumen 4. Die zweite supraleitende Spulenbaugruppe 22 wird als Sekundär- oder Schirmspule bezeichnet und erzeugt ein zweites homogenes Magnetfeld im Arbeitsvolumen 4, das zum ersten homogenen Magnetfeld entgegengesetzt ausgerichtet ist. Die zweite supraleitende Spulenbaugruppe 22 soll das von der ersten Spulenbaugruppe 19 erzeugte Magnetfeld in der Umgebung des Magneten 2 stark reduzieren. Um beispielsweise im Arbeitsvolumen ein homogenes Magnetfeld von 1,5 Tesla zu erzeugen, wird die erste supraleitende Spulenbaugruppe so dimensioniert, dass sie im Arbeitsvolumen 4 ein Magnetfeld von 2,2 Tesla erzeugt. Die zweite supraleitende Spulenbaugruppe 22 wird dagegen so dimensioniert, dass sie in entgegen gesetzter Richtung ein Magnetfeld von 0,7 Tesla erzeugt.
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Eine zusätzliche supraleitende Spulenbaugruppe 24 ist auf der ersten Spulenbaugruppe 19 angeordnet. Teile der zusätzlichen Spulenbaugruppe 24 können auch noch auf Wicklungen der zweiten Spulenbaugruppe 22 angeordnet sein. Die zusätzliche Spulenbaugruppe 24 ist so dimensioniert, dass sie Störungen aus der ferneren Umgebung des Magneten im Arbeitsvolumen 4 kompensiert. Störungen aus der ferneren Umgebung weisen überwiegend homogene Magnetfeldkomponenten auf. Die zusätzliche Spulenbaugruppe wird auch als „external interference shield” oder „EIS” bezeichnet.
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Zur Kompensation von Störungen aus der Nähe des Magneten 2 ist eine dritte Spulenbaugruppe 26 vorgesehen, die ebenfalls auf Wicklungen der ersten und zweiten Spulenbaugruppe 19 und 22 angeordnet ist. Störungen aus der Nähe des Magneten 2 besitzen im Gegensatz zu Störungen aus der ferneren Umgebung überwiegend linear ortsabhängige Komponenten und zusätzlich auch Komponenten höherer Ordnung. Die dritte Spulenbaugruppe 26 ist so dimensioniert, dass ein als lineares Gradientenfeld vorhandenes Störfeld in z-Richtung im Arbeitsvolumen 4 kompensiert wird.
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2 zeigt eine Ausführungsform der dritten Spulenbaugruppe 26 zur Kompensation von linearen Störfeldern mit einem Gradientenfeld in z-Richtung. Die dritte Spulenbaugruppe 26 besteht hier aus einem Maxwell- oder Anti-Helmholz-Magnetspulenpaar mit zwei Spulen 26A und 26B, die elektrisch antiparallel in Reihe geschaltet sind. Pfeile 28 sollen die Stromflussrichtungen in der antiparallelen Reihenschaltung symbolisieren. Der Abstand D der beiden Spulen 26A und 26B beträgt das √3-fache ihres Radius R.
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Die dritte Spulenbaugruppe 26 erzeugt in ihrem Symmetriezentrum und angenähert auch im Arbeitsvolumen 4 eine räumlich lineare Feldverteilung der Feldkomponenten in z-Richtung. Dies soll 3 für die in 2 eingezeichnete Stromrichtungen qualitativ veranschaulichen. Das von der dritten Spulenbaugruppe 26 erzeugte Kompensationsgradientenfeld Bz comp kompensiert im Arbeitsvolumen 4 ein externes Störgradientenfeld Bz interference mit entgegen gesetztem Vorzeichen.
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4 zeigt in perspektivischer Ansicht schematisch den Aufbau einer vierten supraleitenden Spulenbaugruppe 30 zur Kompensation von linearen Störfeldern mit einem Gradientenfeld in y-Richtung. Die vierte Spulenbaugruppe 30 besteht aus vier Sattelspulen 30A, 30B, 30C und 30D. Die Sattelspulen 30A bis 30D sind symmetrisch bezüglich des Koordinatenursprungs angeordnet und elektrisch so in Reihe geschaltet, dass sich die durch Pfeile 32 angegebenen Stromrichtungen ergeben.
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Bei Drehung der vierten Spulenbaugruppe 30 um 90° um die z-Achse ergibt sich eine in 1 schematisch angedeutete fünfte supraleitende Spulenbaugruppe 34, womit lineare Störfelder in x-Richtung korrigiert werden können.
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Die Leiter der dritten Spulenbaugruppe 26, der vierten Spulenbaugruppe 30 und der fünften Spulenbaugruppe 34 sind zusätzlich zu den Leitern der ersten Spulenbaugruppe 19, der zweiten Spulenbaugruppe 22 und der zusätzlichen Spulenbaugruppe 24 auf dem ersten Spulenteilträger 18A und dem zweiten Spulenteilträger 18B gewickelt.
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5 zeigt den elektrischen Schaltkreis der ersten und zweiten Spulenbaugruppe 19 bzw. 22, der zusätzlichen Spulenbaugruppe 24 und der dritten Spulenbaugruppe 26. Die erste Spulenbaugruppe 19 besteht hier aus sieben einzelnen Spulen 19.1 bis 19.7. Die zweite Spulenbaugruppe 22 besteht aus vier Spulen 22.1 bis 22.4. Die zusätzliche Spulenbaugruppe 24 ist auf den einzelnen Spulen der ersten und zweiten Spulenbaugruppen 19 bzw. 22 angeordnet und besteht aus zehn einzelnen Spulen 24.1 bis 24.10. Die Spulen 26A und 26B der dritten Spulenbaugruppe 26 sind auf den schon vorhandenen Wicklungen auf dem ersten Spulenteilträger 18A gewickelt. Die Pfeile in den einzelnen Spulen 19.1 bis 19.7, 22.1 bis 22.4 und 24.1 bis 24.10 sowie 26A und 26B sollen die Stromrichtungen und damit die elektrische Zusammenschaltung der Spulen der einzelnen Spulenbaugruppen veranschaulichen. Zu erkennen ist hier, dass die Spulen der dritten Spulenbaugruppe 26 gegensinnig geschaltet sind zur Erzeugung der Kompensationsgradientenfelder Bz comp, während die Spulen der Spulenbaugruppen 19, 22 und 24 gleichsinnig in Reihe geschaltet sind.
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Angedeutet sind in 5 auch noch elektrischen Anschlüsse 36 und Schalter und Sicherheitseinrichtungen 38 zum Hoch- und Runterfahren der Magnetfeldstärke im Arbeitsvolumen 4.
