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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspulenlage.
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Magnetresonanzgeräte (MRTs) zur Untersuchung von Objekten oder Patienten durch Magnetresonanztomographie sind beispielsweise aus der
DE10314215B4 bekannt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung einer Gradientenspulenlage zu optimieren. Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
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Weitere Merkmale und Vorteile von möglichen Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
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1 einen Querschnitt durch eine vorgerollte Sattelspule (mit Isolierplatte und Kupferdraht), eine Vergussmasse und eine innere und äußere Schale einer Vergussvorrichtung während der Herstellung einer Gradientenspulenanordnung,
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2 im Querschnitt eine gemäß 1 hergestellte, vergossene Sattelspule mit sehr genau erreichtem Soll-Radius,
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3 perspektivisch eine Sattelspule wie z.B. in 2 mit einer Isolierplatte und Kupferdraht,
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4 perspektivisch eine Gradientenspulenanordnung mit u.a. Sattelspulen,
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5 schematisch ein MRT-System.
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5 zeigt (nicht nur aber u.a. auch zum technischen Hintergrund) ein (in einem geschirmten Raum oder Faraday-Käfig F befindliches) bildgebendes Magnetresonanzgerät MRT 101 mit einer Ganzkörperspule 102 mit einem hier röhrenförmigen Raum 103 in welchen eine Patientenliege 104 mit einem Körper z.B. eines Untersuchungsobjektes (z.B. eines Patienten) 105 (mit oder ohne Lokalspulenanordnung 106) in Richtung des Pfeils z gefahren werden kann, um durch ein bildgebendes Verfahren Aufnahmen des Patienten 105 zu generieren. Auf dem Patienten ist hier eine Lokalspulenanordnung 106 angeordnet, mit welcher in einem lokalen Bereich (auch field of view oder FOV genannt) des MRT Aufnahmen von einem Teilbereich des Körpers 105 im FOV generiert werden können. Signale der Lokalspulenanordnung 106 können von einer z.B. über Koaxialkabel oder per Funk (167) etc an die Lokalspulenanordnung 106 anschließbaren Auswerteeinrichtung (168, 115, 117, 119, 120, 121 usw.) des MRT 101 ausgewertet (z.B. in Bilder umgesetzt, gespeichert oder angezeigt) werden.
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Um mit einem Magnetresonanzgerät MRT 101 einen Körper 105 (ein Untersuchungsobjekt oder einen Patienten) mittels einer Magnet-Resonanz-Bildgebung zu untersuchen, werden verschiedene, in ihrer zeitlichen und räumlichen Charakteristik genauestens aufeinander abgestimmte Magnetfelder auf den Körper 105 eingestrahlt. Ein starker Magnet (oft ein Kryomagnet 107) in einer Messkabine mit einer hier tunnelförmigen Öffnung 103, erzeugt ein statisches starkes Hauptmagnetfeld B0, das z.B. 0,2 Tesla bis 3 Tesla oder auch mehr beträgt. Ein zu untersuchender Körper 105 wird auf einer Patientenliege 104 gelagert in einen im Betrachtungsbereich FoV („field of view“) etwa homogenen Bereich des Hauptmagnetfeldes B0 gefahren. Eine Anregung der Kernspins von Atomkernen des Körpers 105 erfolgt über magnetische Hochfrequenz-Anregungspulse B1(x, y, z, t) die über eine hier als (z.B. mehrteilige = 108a, 108b, 108c) Körperspule 108 sehr vereinfacht dargestellte Hochfrequenzantenne (und/oder ggf. eine Lokalspulenanordnung) eingestrahlt werden. Hochfrequenz-Anregungspulse werden z.B. von einer Pulserzeugungseinheit 109 erzeugt, die von einer Pulssequenz-Steuerungseinheit 110 gesteuert wird. Nach einer Verstärkung durch einen Hochfrequenzverstärker 111 werden sie zur Hochfrequenzantenne 108 geleitet. Das hier gezeigte Hochfrequenzsystem ist lediglich schematisch angedeutet. Oft werden mehr als eine Pulserzeugungseinheit 109, mehr als ein Hochfrequenzverstärker 111 und mehrere Hochfrequenzantennen 108 a, b, c in einem Magnet-Resonanz-Gerät 101 eingesetzt.
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Weiterhin verfügt das Magnet-Resonanz-Gerät 101 über eine Gradientenspulenanordnung 112 mit z.B. drei (z.B. mit Wasserdurchflossenen Kühlebenen voneinander getrennten) Lagen von Gradientenspulen (Gradientenspulenlagen) 112x, 112y, 112z (sowie ggf. Sekundärspulenlagen und ggf. einem aktiven Shimsystem), mit denen bei einer Messung magnetische Gradientenfelder BG(x, y, z, t) zur selektiven Schichtanregung und zur Ortskodierung des Messsignals eingestrahlt werden. Die Gradientenspulen 112x, 112y, 112z werden von einer Gradientenspulen-Steuerungseinheit 114 (und ggf. über Verstärker Vx, Vy, Vz) gesteuert, die ebenso wie die Pulserzeugungseinheit 109 mit der Pulssequenz-Steuerungseinheit 110 in Verbindung steht.
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Von den angeregten Kernspins (der Atomkerne im Untersuchungsobjekt) ausgesendete Signale werden von der Körperspule 108 und/oder mindestens einer Lokalspulenanordnung 106 empfangen, durch zugeordnete Hochfrequenzvorverstärker 116 verstärkt und von einer Empfangseinheit 117 weiterverarbeitet und digitalisiert. 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.
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Für eine Spule, die sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben werden kann, wie z.B. die Körperspule 108 oder eine Lokalspule 106, wird die korrekte Signalweiterleitung durch eine vorgeschaltete Sende-Empfangs-Weiche 118 geregelt. Eine Bildverarbeitungseinheit 119 erzeugt aus den Messdaten ein Bild, das über eine Bedienkonsole 120 einem Anwender dargestellt und/oder in einer Speichereinheit 121 gespeichert wird. Eine zentrale Rechnereinheit 122 steuert die einzelnen Anlagekomponenten.
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In der MR-Tomographie werden Bilder mit hohem Signal/Rauschverhältnis (SNR) heute in der Regel mit so genannten Lokalspulenanordnungen (Coils, Local Coils) aufgenommen. Dies sind Antennensysteme, die in unmittelbarer Nähe auf (anterior) oder unter (posterior) oder an oder in dem Körper 105 angebracht werden. Bei einer MR-Messung induzieren die angeregten Kerne in den einzelnen Antennen der Lokalspule eine Spannung, die dann mit einem rauscharmen Vorverstärker (z.B. LNA, Preamp) verstärkt und schließlich an die Empfangselektronik weitergeleitet wird. Zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses auch bei hochaufgelösten Bildern werden so genannte Hochfeldanlagen eingesetzt (1.5T–12T oder mehr). Wenn an ein MR Empfangssystem mehr Einzelantennen angeschlossen werden können, als Empfänger vorhanden sind, wird zwischen Empfangsantennen und Empfänger z.B. eine Schaltmatrix (auch RCCS genannt) eingebaut. Diese routet die momentan aktiven Empfangskanäle (meist die, die gerade im Field of View des Magneten liegen) auf die vorhandenen Empfänger. Dadurch ist es möglich, mehr Spulenelemente anzuschließen, als Empfänger vorhanden sind, da bei einer Ganzkörperabdeckung nur die Spulen ausgelesen werden müssen, die sich im FoV (Field of View) bzw. im Homogenitätsvolumen des Magneten befinden.
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Als Lokalspulenanordnung 106 wird z.B. allgemein ein Antennensystem bezeichnet, das z.B. aus einem oder als Array-Spule aus mehreren Antennenelementen (insb. Spulenelementen) bestehen kann. Diese einzelnen Antennenelemente sind z.B. als Loopantennen (Loops), Butterfly, Flexspulen oder Sattelspulen ausgeführt. Eine Lokalspulenanordnung umfasst z.B. Spulenelemente, einen Vorverstärker, weitere Elektronik (Mantelwellensperren etc), ein Gehäuse, Auflagen und meistens ein Kabel mit Stecker, durch den sie an die MRT-Anlage angeschlossen wird. Ein anlagenseitig angebrachte Empfänger 168 filtert und digitalisiert ein von einer Lokalspule 106 z.B. per Funk etc empfangenes Signal und übergibt die Daten einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung die aus den durch eine Messung gewonnenen Daten meist ein Bild oder ein Spektrum ableitet und dem Nutzer z.B. zur nachfolgenden Diagnose durch ihn und/ oder Speicherung zur Verfügung stellt.
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1–4 zeigen nach Ausgestaltungen der Erfindung Herstellung und Aufbau eine Sattelspule.
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Nach zumindest intern bekanntem Aufbau kann ein Gradientenspulensystem (112x + 112y + 112z) eines MRI-Scanners 101 drei Primär-Spulenlagen 112x, 112y, 112z aufweisen, die in der Lage sind, elektromagnetische Felder in den drei Raumrichtungen x, y, z zu erzeugen. Diese Spulenlagen 112x, 112y, 112z sind beispielsweise konzentrisch auf einer Zylinderoberfläche eines Zylinders angeordnet. In radialem Abstand befinden sich z.B. drei weitere Sekundär-Spulenlagen, welche die Aufgabe haben, ein Gegenfeld zu erzeugen und so die nach außen gerichtete Feldkomponente soweit als möglich zu kompensieren. Zwischen diesen Spulenlagen befinden sich wasserdurchflossene Kühlebenen, um die im Spulensystem deponierte Verlustleistung abzuführen. Zwischen Primär- und Sekundärspulen befindet sich optional ein aktives Shimsystem, welches dazu dient, die Homogenität des Grundmagnetfeldes zu verbessern. Der komplett fertig gestellte Gradientenspulenaufbau wird dann üblicherweise unter Vakuum mit einem Vergussharz imprägniert und dieses ausgehärtet. Während der Fertigung einer Gradientenspule muss besonderes Augenmerk auf die Positionierung der Gradientenleiter (Spulen) gelegt werden. Bereits kleine globale als auch lokale Positionsabweichungen in Z-Richtung, in tangentialer Richtung oder in radialer Richtung können zu bildwirksamen Feldfehlern (Verzeichnung, Störungen durch Wirbelströme, erhöhte Vibrationen durch schlechtere Kraftkompensation) führen.
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Aus Flach-/Litzenleitern gewickelte Leiter-Strukturen (SSP, KU), welche mit einer Trägerplatte ISP verklebt werden, stellen gleichzeitig auch die Isolation zur benachbarten Leiterstruktur (also z.B. zur nach radial innen oder außen nächsten Gradientenspulenlage 112x, 112y, 112z) dar. Aus fertigungstechnischen Gründen entsteht auf diese Weise erst eine ebene Platte, welche anschließend in die Form eines Halbzylinders (z.B. gemäß 2) gebracht wird. Dies geschieht beispielsweise mit Hilfe einer Rollapparatur, welche in ähnlicher Form auch zur Formgebung von Blechen verwendet wird. Bei diesem Umformprozess kann es zu Formabweichungen von der gewünschten Geometrie kommen. Der sich ergebende Radius R wird über Variationen der Einstellparameter des MRT empirisch dem Sollradius angenähert. Eine nachträgliche Korrektur ist vor allem bei dichter Kupferwicklung schwierig zu realisieren.
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Folgende Effekte können auftreten:
- – Abweichungen von der Halbzylinderform
- – Abweichungen vom Sollradius
- – Rückfederung von Leiterschleifen führen aufgrund der Elastizität des Verbundes mit der Trägerplatte zu lokalen Formabweichungen.
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Alle maßlichen Abweichungen führen dazu, dass das von dieser Spule erzeugte elektromagnetische Feld Abweichungen von der vorberechneten räumlichen Verteilung aufweist. Weiterhin führen alle beschriebenen Maß- und Formabweichungen dazu, dass die nachfolgenden Lagen auf einem größeren Radius zu liegen kommen als vorberechnet. Um dies verträglich zu gestalten wird zwischen den Lagen ein entsprechend großer Abstand im Design vorgesehen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung können halbzylinderförmige Transversalspulenlagen mit vergleichsweise exakterer Form und Radius R folgendermaßen hergestellt werden:
- 1. Einlegen einer z.B. nach dem Stand der Technik vorgeformten Spule SSP in ein Werkzeug (in Form einer Vergussvorrichtung VV).
- 2. Schließen des Werkzeuges VV mit der zweiten Formhälfte SVG1 unter Druck. Dabei nimmt die Spulenlage sehr genau die gewünschte Form an, also auch bereits sehr genau den Radius R den sie fertig eingebaut im MRT 101 haben soll.
- 3. Verguss der Leiterzwischenräume mit einer Reaktionsharzmasse VGM ggf unter Vakuum und/oder bei erhöhter Temperatur
- 4. Aushärtung der Reaktionsharzmasse bei geschlossenem Werkzeug VV ggf. unter Temperaturerhöhung.
- 5. Öffnen des Werkzeugs VV.
- 6. Entformen der vorvergossenen Spulenlage 112x.
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Durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Verfahren können sich folgende Vorteile ergeben:
- – Erhalt der Spulenform nach dem Entformen bei Wahl einer geeigneten Reaktionsharzmasse,
- – Minimale Maß- und Formabweichung der halbzylinderförmigen Sattelspulen,
- – Minimierte Aufbautoleranzen bei der Montage mehrerer Spulenlagen übereinander; d.h. auch die äußerste Spulenlage befindet sich exakt auf dem vorberechneten Radius,
- – Minimierung der zwischen den einzelnen Spulenlagen erforderlichen Abstände;
d.h. die Sensitivität vor allem der auf größerem Radius befindlichen Lagen wird verbessert.
- – Es kann eine Minimierung der zwischen den einzelnen Spulenlagen aufgrund von Fertigungstoleranzen vorzusehenden Minimalabstände erfolgen, so dass die Sekundärspulen weiter nach innen rücken können und somit eine höhere Sensitivität der Sekundärlagen erreichbar ist.
- – Auch bei radial sehr nahe beieinander liegender Primär- und Sekundärspule können aufgrund der geringen radialen Fertigungstoleranzen reproduzierbar minimierte Verzeichnungsfehler und eine reproduzierbar gute Schirmung der Gradientenspule im Fertigungsprozess erzielt werden.
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1 zeigt im Querschnitt eine hier (vor dem dargestellten Zustand um z.B. einen Dorn etc herum in die dargestellte halbkreisförmige Anordnung gerollte) vor- gerollte Sattelspule SSP (die auf mindestens einer Seite eine Isolierplatte ISP und darauf angeordnet als Kupferdraht eine Spule einer Gradientenspulenlage 112x umfasst) zwischen einer inneren Schale SVG1 und einer äußeren Schale SVG2 einer Vergussvorrichtung VV,
wobei in den zwischen der inneren Schale SVG1 und der äußeren Schale SVG2 gebildeten (hier bis auf die Sattelspule SSP teilweise leeren) Raum eine Vergussmasse VGM (hier ein Reaktionsharz) eingefüllt wurde.
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2 zeigt im Querschnitt eine gemäß 1 hergestellte, vergossene, ausgehärtete und aus der Vergussvorrichtung VV (also den Schalen SVG1, SVG2) entnommene Sattelspule SSP mit sehr genau erreichtem Soll- Radius R, den sie später als Gradientenspulenlage (z.B. 112x) -oder als Teil einer Gradientenspulenlage (z.B. 112x) umfassend mehrere Sattelspulen SSP- im MRT 101 eingebaut aufweisen soll.
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3 zeigt perspektivisch eine Sattelspule SSP wie z.B. die in 2 mit einer (z.B. elektrisch isolierenden) Isolierplatte ISP und Kupferdraht (Cu-Draht) KU.
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4 zeigt vereinfachend perspektivisch in einer Gradientenspulenanordnung 112 drei Gradientenspulenlagen für drei Richtungen, mit u.a. links zwei halbkreisförmigen Sattelspulen SSP und rechts zwei halbkreisförmigen Sattelspulen SSP, welche (hier z.B. vier SSP) hier die Gradientenspulenlage 112y für das Gradientenfeld in die y-Richtung bilden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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