DE102009022074B4

DE102009022074B4 - Magnetfelderzeugungsvorrichtung und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102009022074B4
Application number: DE102009022074A
Authority: DE
Inventors: Robert Hahn; Andreas Ziegler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-05-21
Also published as: US20100295642A1; CN101893692A; CN101893692B; US8487730B2; DE102009022074A1

Abstract

Magnetfelderzeugungsvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen, mit wenigstens einer durch ein Kühlmittel kühlbaren supraleitenden Magnetspule, die in einem Gehäuse aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) wenigstens eine durch Tieflochbohren hergestellte, von dem Kühlmittel durchflossene Bohrung (10) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen, mit wenigstens einer durch ein Kühlmittel kühlbaren supraleitenden Magnetspule, die in einem Gehäuse aufgenommen ist, sowie das zugehörige Herstellungsverfahren.
Eine gattungsgemäße Magnetfelderzeugungsvorrichtung ist aus der DE 10 2004 061 869 A1 bekannt. Die Magnetfelderzeugungsvorrichtung weist eine durch ein Kühlmittel gekühlte supraleitende Magnetspule auf, die in einem Vakuumgefäß aufgenommen ist.
Zur Durchführung von Magnetresonanztomographie (Kernspintomographie) werden in einem Magnetresonanztomographen sehr starke Magnetfelder und elektromagnetische Wechselfelder erzeugt, um Wasserstoffkerne anzuregen. Anhand der empfangenen elektromagnetischen Felder können Schnittbilder eines Patientenkörpers erzeugt werden. Zu den wesentlichen Komponenten eines Magnetresonanztomographen gehört ein starker Magnet, der ein stationäres Magnetfeld erzeugt, Gradientenspulen in X-, Y- und Z-Richtung mit Verstärkern, ein Hochfrequenzsender und ein Hochfrequenzempfänger, der ein MR-Signal erfasst und verstärkt. Zur Steuerung und Auswertung werden verschiedene Computer verwendet.
Zur Erzeugung des stationären Magnetfelds wird ein supraleitender Magnet verwendet, dessen elektrischer Widerstand durch Kühlung auf ca. 4 K praktisch auf Null gesenkt wird, sodass die Magnetspule supraleitend wird. In der Praxis wird flüssiges Helium als Kühlmittel verwendet, das in einem Kryostaten enthalten ist. Herkömmliche Magnetresonanztomographen weisen daher einen z. B. ringförmigen Hohlraum auf, der nahezu voll ständig mit flüssigem Helium gefüllt ist, um die Magnetspulen in dem supraleitenden Zustand zu halten. Nachteilig ist dabei allerdings, dass für die Befüllung des Hohlraums eine sehr große Menge an Helium benötigt wird, beispielsweise 1 m³. Da Helium zum Verdunsten neigt, muss es regelmäßig nachgefüllt werden, wodurch beachtliche Kosten entstehen, zudem ist die Versorgung mit Helium in der benötigten Menge in manchen Ländern schwierig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen, anzugeben, bei der der Kühlmittelbedarf verringert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse wenigstens eine durch Tieflochbohren hergestellte, von dem Kühlmittel durchflossene Bohrung aufweist.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Kühlmittel, beispielsweise Helium, lediglich dort einzusetzen, wo es tatsächlich zur Kühlung benötigt wird. Anders als bei herkömmlichen Magnetresonanztomographen wird nicht der verhältnismäßig große gesamte ringförmige Innenraum des Gehäuses, in dem die Magnetspulen aufgenommen sind, mit dem Kühlmittel befüllt, sondern lediglich eine oder mehrere Bohrungen des Gehäuses. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die benötigte Menge des Kühlmittels ganz erheblich verringert werden kann, wodurch die Herstellungs- und Betriebskosten ebenfalls reduziert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Magnetfelderzeugungsvorrichtung wird es bevorzugt, dass das Gehäuse eine Mehrzahl durch Tieflochbohren hergestellter Bohrungen aufweist. Auf diese Weise können gezielt diejenigen Bereiche des Gehäuses gekühlt werden, in denen eine Magnetspule in den supraleitenden Zustand gebracht und gehalten werden muss. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn mehrere oder alle Bohrungen unter Bildung eines Leitungssystems miteinander verbunden sind.
Bei der erfindungsgemäßen Magnetfelderzeugungsvorrichtung kann es vorgesehen sein, dass das Leitungssystem über wenigstens einen Zulauf und wenigstens einen Ablauf mit einem Kühlmittelvorrat verbunden ist.
Gemäß einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Magnetfelderzeugungsvorrichtung kann es vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Bohrung parallel zu der Magnetspule oder parallel zu einem Abschnitt der oder einer Magnetspule angeordnet ist. Auf diese Weise wird die benötigte Kühlleistung lediglich dort bereitgestellt, wo sie tatsächlich benötigt wird, nämlich unmittelbar an einer Magnetspule. Dadurch verringert sich sowohl die Menge des benötigten Kühlmittels als auch die zur Kühlung benötigte Energie.
Eine besonders fertigungsgünstige Magnetfelderzeugungsvorrichtung ergibt sich, wenn das Gehäuse und die wenigstens eine Magnetspule über eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Schweißstellen miteinander verbunden sind. Die Schweißpunkte oder Schweißstellen dienen als Kontaktbrücken für die Kühlung der Magnetspule durch das Kühlmittel.
Wenn sich bei der erfindungsgemäßen Magnetfelderzeugungsvorrichtung das Kühlmittel lediglich in der wenigstens einen Bohrung, in einem Zulauf und in einem Ablauf befindet, verringert sich die Menge des benötigten Kühlmittels beträchtlich im Vergleich zu herkömmlichen Magnetfelderzeugungsvorrichtungen, die Menge des Kühlmittels kann dabei um den Faktor 50 gesenkt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Magnetfelderzeugungsvorrichtung beträgt die Gesamtmenge des Kühlmittels 0,01 m³ bis 0,05 m³, vorzugsweise 0,02 m³.
Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen, mit wenigstens einer durch ein Kühlmittel kühlbaren supraleitenden Magnetspule, die in einem Gehäuse aufgenommen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass in das Gehäuse wenigstens eine Bohrung für das Kühlmittel durch Tieflochbohren eingebracht wird. Tieflochbohren ist ein spezielles Bohrverfahren, bei dem – anders als beim konventionellen Bohren mit langen Spiralbohrern – Spezialbohrer eingesetzt werden, bei denen der Bohrkopf an der Bohrung geführt wird. Durch diese Führung des Tiefbohrwerkzeugs an der zylindrischen Mantelfläche der Bohrung können große Bohrtiefen erreicht werden, ohne dass die Bohrung verläuft.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung der Magnetfelderzeugungsvorrichtung wird es bevorzugt, dass die wenigstens eine Bohrung in einer Platte angebracht wird, die anschließend zu einem rohrförmigen Gehäuse gerollt wird. Dementsprechend wird eine Bohrung oder vorzugsweise mehrere Bohrungen in dem Gehäuse erzeugt, das dann zu dem rohrförmigen Gehäuse umgeformt wird. Diese Herstellungsweise ist besonders effizient und damit kostengünstig.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann es auch vorgesehen sein, dass der Stoß der zu einem rohrförmigen Gehäuse gerollten Platte mit einer Schweißnaht versehen wird. Das Schweißen dieser Längsnaht kann dabei automatisiert erfolgen.
Ein Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass eine Platte aus rostfreiem Stahl (Edelstahl) oder aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung, verwendet wird. Mit diesem Material lässt sich eine besonders gute Abkühlung der Magnetspulen erzielen.
Eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die wenigstens eine Bohrung an einem oder beiden Enden mit einem Verschlussstopfen versehen wird. Der bzw. die Verschlussstopfen werden vor dem Rollen und Verschweißen der Platte eingesetzt, sodass an den Enden der Bohrung kein Kühlmittel austreten kann.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 einen Schnitt durch eine herkömmliche Magnetfelderzeugungsvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen;
2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Magnetfelderzeugungsvorrichtung;
3 eine geschnittene Seitenansicht der Magnetfelderzeugungsvorrichtung von 2; und
4 eine vergrößerte geschnittene Ansicht des Gehäuses der Magnetfelderzeugungsvorrichtung im Bereich der Schweißnaht.
1 zeigt eine herkömmliche Magnetfelderzeugungsvorrichtung 1 in einer geschnittenen Ansicht, die aus einem äußeren, ringförmigen Magnetkörper 2 und einem inneren ringförmigen Magnetkörper 3 besteht, die einen rohrförmigen Ringraum 4 begrenzen, der mit flüssigem Helium als Kühlmittel gefüllt ist. Die beiden Magnetkörper 2, 3 sind Bestandteile einer Magnetspule eines supraleitenden Magneten, der ein stationäres Magnetfeld erzeugt. Das Helium wird der Magnetfelderzeugungsvorrichtung über einen Zulauf 5 zugeführt und über einen Ablauf 6 abgeführt. Da die benötigte Menge an Helium ca. 1 m³ beträgt, sind Herstellung und Betrieb der in 1 gezeigten Magnetfelderzeugungsvorrichtung 1 aufwändig und teuer.
Die in 2 gezeigte Magnetfelderzeugungsvorrichtung 7 besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen, als Magnetspule 8 dienenden Magnetkörper und einem die Magnetspule 8 umgebenden Gehäuse 9, das zylinderförmig ausgebildet ist und in dem die Magnetspule 8 aufgenommen ist. Das Gehäuse 9 weist eine Mehrzahl von parallelen Bohrungen 10 auf, die sich über den gesamten Umfang des Gehäuses 9 erstrecken. Das die Magnetspulen 8 enthaltende Gehäuse 9 wird auch als Former bezeichnet. Wie in 2 gezeigt ist, ist die Bohrung 10 mit einem Zulauf 11 verbunden, durch den Helium als Kühlmittel zugeführt wird. An der Mündung des Zulaufs 11 in die Bohrung 10 teilt sich der Heliumfluss in zwei Teilströme auf, die am in Umfangsrichtung entgegengesetzten Ende wieder vereinigt werden und in einen Ablauf 12 münden. Zulauf 11 und Ablauf 12 sind mit einer in 2 nicht gezeigten Kühleinrichtung verbunden, durch die das Kühlmittel auf ca. 4 K abgekühlt wird.
Das Gehäuse 9 besteht aus Aluminium, zur Herstellung wird eine Aluminiumplatte mittels Tieflochbohren mit mehreren parallelen Bohrungen 10 versehen, anschließend wird die Aluminiumplatte zu der Ringform gerollt und mit einer Längsschweißnaht versehen, sodass das Gehäuse 9 entsteht.
Über in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Schweißstellen 13 ist das Gehäuse 9 mit der Magnetspule 8 bzw. mehreren Magnetspulen derart verbunden, dass die Magnetspulen 8 in dem Gehäuse 9 aufgenommen sind. Über die Schweißstellen 13 erfolgt die gewünschte Kühlung der Magnetspule 8, sodass diese in den supraleitenden Zustand gebracht wird. Die Schweißstellen 13 stellen Kontaktbrücken dar, über die die Abkühlung des Kühlmittels erfolgt.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Magnetfelderzeugungsvorrichtung von 2. Daraus ist ersichtlich, dass die Magnetfelderzeugungsvorrichtung 7 mehrere parallel zueinander angeordnete Magnetspulen 8 aufweist, die jeweils von einer Bohrung 10 in dem Gehäuse 9 umgeben sind. Die Bohrungen 10 sind über außerhalb des Gehäuses 9 angeordnete, in Längsrichtung verlaufende Sammelrohre 14 miteinander verbunden und bilden ein Leitungssystem.
4 zeigt eine geschnittene Ansicht des Gehäuses 9 im Bereich der Schweißnaht. Vor dem Rollen der Aluminiumplatte zu dem rohrförmigen Gehäuse 9 wurden beide offenen Enden der Bohrung 10 mit zylinderförmigen Verschlussstopfen 15, 16 verschlossen, sodass der Austritt von Helium an dieser Stelle verhindert wird. Der Stoß der gerollten Aluminiumplatte wird mit einer in Längsrichtung verlaufenden Schweißnaht 17 verschlossen, der Schweißprozess erfolgt dabei automatisch. An beiden Seiten der Schweißnaht 17 sind Rohrstutzen 18, 19 angebracht, mit denen die Befüllung der Bohrung 10 mit einem Kühlmittel wie Helium erfolgen kann. Für die in den 2 bis 4 gezeigte Magnetfelderzeugungsvorrichtung 7 wird lediglich eine Kühlmittelmenge von ca. 0,02 m³ benötigt.
Bezugszeichenliste

1: Magnetfelderzeugungsvorrichtung
2: Magnetkörper
3: Magnetkörper
4: Ringraum
5: Zulauf
6: Ablauf
7: Magnetfelderzeugungsvorrichtug
8: Magnetspule
9: Gehäuse
10: Bohrung
11: Zulauf
12: Ablauf
13: Schweißstelle
14: Sammelrohr
15: Verschlussstopfen
16: Verschlussstopfen
17: Schweißnaht
18: Rohrstutzen
19: Rohrstutzen

Claims

Magnetfelderzeugungsvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen, mit wenigstens einer durch ein Kühlmittel kühlbaren supraleitenden Magnetspule, die in einem Gehäuse aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) wenigstens eine durch Tieflochbohren hergestellte, von dem Kühlmittel durchflossene Bohrung (10) aufweist.
Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) eine Mehrzahl durch Tieflochbohren hergestellter Bohrungen (10) aufweist.
Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere oder alle Bohrungen (10) unter Bildung eines Leitungssystems miteinander verbunden sind.
Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungssystem über wenigstens einen Zulauf (11) und wenigstens einen Ablauf (12) mit einem Kühlmittelvorrat verbunden ist.
Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bohrung (10) parallel zu der oder einer Magnetspule (8) oder parallel zu einem Abschnitt der oder einer Magnetspule (8) angeordnet ist.
Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (9) und die wenigstens eine Magnetspule (8) über eine Mehrzahl voneinander beabstandeter Schweißstellen (13) miteinander verbunden sind.
Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kühlmittel lediglich in der wenigstens einen Bohrung (10), einem Zulauf (11) und einem Ablauf (12) befindet.
Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtmenge des Kühlmittels 0,01 m³ bis 0,05 m³, vorzugsweise 0,02 m³, beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung für einen Magnetresonanztomographen, mit wenigstens einer durch ein Kühlmittel kühlbaren supraleitenden Magnetspule, die in einem Gehäuse aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in das Gehäuse wenigstens eine Bohrung für das Kühlmittel durch Tieflochbohren eingebracht wird.
Verfahren zur Herstellung einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bohrung in einer Platte angebracht wird, die anschließend zu einem rohrförmigen Gehäuse gerollt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoß der zu einem rohrförmigen Gehäuse gerollten Platte mit einer Schweißnaht versehen wird.
Verfahren zur Herstellung einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte aus rostfreiem Stahl oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere einer Aluminiumlegierung, verwendet wird.
Verfahren zur Herstellung einer Magnetfelderzeugungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Bohrung in der Platte an einem oder beiden Enden mit einem Verschlussstopfen versehen wird.