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Die Erfindung betrifft eine magnetische Abschirmung für einen Feldmagneten eines Magnetresonanz-Systems sowie eine Magnetvorrichtung mit einem Feldmagneten für ein Magnetresonanz-System mit aktiver Schirmung und einer magnetischen Abschirmung, wobei die magnetische Abschirmung einen Hohlkörper bildet, welcher den Feldmagneten aufnimmt.
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Aus dem Stand der Technik ist die Magnetresonanz-Tomographie als bildgebendes Verfahren bekannt, bei dem die Wasserstoff-Dichte und -Bindungsverhältnisse in einem Untersuchungsobjekt anhand einer Anregung der Kernspins der Protonen im Kern des Wasserstoffs in einem äußeren Magnetfeld B0 mittels eines äußeren Hochfrequenzsignals und eines daraufhin von dem Untersuchungsobjekt emittierten Hochfrequenz-Messsignals ermittelt und in eine bildliche Darstellung des Untersuchungsobjekts umgesetzt wird. Dabei können alle wasserhaltigen Gewebe erfasst werden.
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Die Qualität des Hochfrequenz-Messsignals und der daraus erzeugten Bilder steigt dabei mit der Stärke des angelegten statischen äußeren Magnetfelds B0, da mit zunehmendem Feld B0 der Energieabstand der Zustände des Protons im Magnetfeld zunimmt. Dies führt dazu, dass sich im thermischen Gleichgewicht ein Besetzungsunterschied und damit die Signalstärke vergrößert. Typische Feldmagneten für Magnetresonanz-Tomographie weisen heute Magnetfelder zwischen 0,3 T und 1,5 T auf, Geräte mit 3 T sind auch schon verfügbar.
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Dem entgegen stehen regulatorische Beschränkungen für Magnetfelder, um die Magnetfeldstärken zu begrenzen, denen Personen dauerhaft ausgesetzt sind. Dies betrifft insbesondere das Bedienpersonal, das im Gegensatz zum Patienten sich Tag für Tag im Umfeld des Feldmagneten aufhält. Ein typischer gesetzlicher Grenzwert beträgt 0,5 mT, kann aber je nach Land variieren.
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Zu Einhaltung dieser Grenzwerte ist seit langem die Verwendung von Abschirmungen aus ferromagnetischen Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität üblich, wie beispielsweise Weicheisen. Dabei kann der Grenzwert einerseits durch große Materialstärken der Abschirmung oder einen größeren Abstand zum Feldmagneten eingehalten werden. Insbesondere beim mobilen Einsatz von Magnetresonanz-Tomographen, wie er in der Offenlegungsschrift
US 2006/0 186 884 A1 beschrieben ist, sind aber sowohl vom zulässigen Gesamtgewicht als auch von den äußeren Abmessungen her Grenzen gesetzt.
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Als Gewicht und Raum sparendes Verfahren zur aktiven Schirmung eines supraleitenden Feldmagneten ist es aus der Offenlegungsschrift
DE 33 01 630 A1 bekannt, den Feldmagneten mit supraleitenden Spulen außenumfänglich zu umgeben, die ein entgegengesetztes Magnetfeld erzeugen und dadurch das resultierende Magnetfeld in einem Außenraum der Magnetvorrichtung reduzieren, sodass die ferromagnetische Abschirmung dünner ausgeführt werden kann.
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Aus der Druckschrift
US 4 612 505 A ist eine Magnetresonanzvorrichtung bekannt, bei der eine Abschirmung aus magnetischem Material unmittelbar um die Spule eines Feldmagneten angeordnet ist. Alternativ ist auch eine Abschirmung mittels weiter vom Feldmagneten beabstandeter Stangen oder Helmholtz-Spulen möglich.
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Die magnetische Abschirmung durch eine ferromagnetische umgebende Konstruktion steht jedoch in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld B0. Je stärker die Magnetfeldlinien im Außenraum des Feldmagneten in dem ferromagnetischen Material verlaufen, desto besser ist zwar die Abschirmwirkung. Gleichzeitig nimmt aber auch die Kopplung der Abschirmung an das Magnetfeld zu. Dies führt dazu, dass Veränderungen in der magnetischen Abschirmung auch das Magnetfeld 30 insbesondere im Innenraum des Feldmagneten verändern, an das die Anforderung hoher Konstanz in räumlicher und zeitlicher Hinsicht gestellt wird, um das Messsignal nicht zu stören und ein optimales Messergebnis bzw. eine optimale Bildqualität zu erreichen. Veränderungen können beispielsweise durch eine räumliche Verschiebung oder Verformung der ferromagnetischen Abschirmung verursacht werden, die von einer mechanische Belastung oder einer Temperaturveränderung herrühren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, eine magnetische Abschirmung sowie eine Magnetvorrichtung für ein Magnetresonanz-System bereitzustellen, die eine Störung des statischen Magnetfeldes B0 verringert.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Magnetvorrichtung für ein Magnetresonanz-System mit einem Feldmagneten mit aktiver Schirmung und einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung gelöst. Dabei umfasst der Begriff Magnetresonanz-System sowohl bildgebende Magnetresonanz-Systeme wie Magnetresonanz-Tomographen als auch Magnetresonanz-Spektroskope.
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Die erfindungsgemäße magnetische Abschirmung bildet einen Hohlkörper, welcher sich entlang einer Achse erstreckt und dazu ausgelegt ist, den Feldmagneten aufzunehmen. Eine Wand des Hohlkörpers weist einen ersten, einen zweiten und einen dritten Bereich auf, die entlang der Achse angeordnet sind. Dabei trennt der zweite Bereich den ersten Bereich und den dritten Bereich voneinander und weist eine geringere Wandstärke auf als der erste und der dritte Bereich.
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Die erfindungsgemäße magnetische Abschirmung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Die geringere Wandstärke in dem zweiten Bereich reduziert das Gewicht der Abschirmung in diesem zweiten Bereich und damit auch das Gesamtgewicht der magnetischen Abschirmung. Darüber hinaus koppelt die dünnere Wandstärke geringer an das Magnetfeld an, was umgekehrt dazu führt, dass eine Veränderung der Position oder Form in dem zweiten Bereich eine geringere Auswirkung auf das statische Magnetfeld B0 im Inneren des Feldmagneten hat und damit weniger Störungen bei der Bilderfassung verursacht.
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Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung für ein Magnetresonanz-System weist einen Feldmagneten mit aktiver Schirmung und eine magnetische Abschirmung nach einem der vorangehenden Ansprüche auf. Ein magnetisches Feld des aktiv geschirmten Feldmagneten ohne magnetische Abschirmung weist in einem Außenbereich in einer Umgebung des Feldmagneten einen vierten Bereich auf, in dem der Betrag des magnetischen Feldes als Funktion des Ortes entlang der Achse ein lokales Minimum hat. Die erfindungsgemäße magnetische Abschirmung ist derart angeordnet, dass der vierte Bereich und der zweite Bereich der magnetischen Abschirmung in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zu der Achse liegen.
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Die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung für ein Magnetresonanz-System weist ebenfalls eine Reihe von Vorteilen auf. Indem das Magnetfeld des aktiv geschirmten Feldmagneten entlang der Achse ein lokales Minimum im Betrag der Feldstärke des Magnetfelds aufweist und der zweite Bereich der magnetischen Abschirmung in einer Ebene zu der Achse mit dem lokalen Minimum angeordnet ist, ist das Magnetfeld im zweiten Bereich mit der dünneren Wandstärke geringer, sodass auch mit dieser dünneren Wandstärke eine ausreichende Abschirmung des Magnetfelds möglich ist. Denn durch die Wirkung der magnetischen Abschirmung verschieben sich die Feldlinien hin zu der Abschirmung, sodass auch die Minima in der magnetischen Abschirmung angeordnet sind und das Magnetfeld im Vergleich zu einem Feldmagneten ohne Minima reduziert ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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In einer Ausführungsform ist eine dem Innenraum des Hohlkörpers zugewandte innere Oberfläche des zweiten Bereichs gegenüber den dem Innenraum des Hohlkörpers zugewandten inneren Oberflächen des ersten und des dritten Bereichs vertieft.
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Diese Vertiefung vergrößert auf vorteilhafte Weise einen Abstand des zweiten Bereichs zu einem Feldmagneten, der in dem Innenraum des von der Abschirmung gebildeten Hohlkörpers anordenbar ist. Daher ist die Feldstärke des Feldmagneten, die mit dem Abstand abnimmt, in dem zweiten Bereich auf vorteilhafte Weise geringer, weshalb die Abschirmung dünner ausgelegt werden kann, um die gleiche Abschirmwirkung zu erzielen.
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In einer Ausführungsform ist die magnetische Abschirmung als ein Prisma, beispielsweise ein Rohr oder als Hohlquader ausgeführt. Bei prismatischen Formen ist es von Vorteil, dass diese einfach und kostengünstig aus ebenen Flächen durch Falzen, Biegen oder Verbinden geformt werden können.
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In einer Ausführungsform ist es auch denkbar, dass eine Wand der magnetischen Abschirmung in dem zweiten Bereich ein Material mit höherer magnetischer Permeabilität als Wände des ersten oder des dritten Bereichs aufweist. Der Vorteil eines Materials mit höherer magnetischer Permeabilität ist es, dass es auch bei geringerer Dicke bereits eine vergleichbare Schirmwirkung aufweist und daher dünner und leichter ausgeführt werden kann als eine Abschirmung mit vergleichbarer Wirkung aus einem Material mit niedrigerer magnetischer Permeabilität.
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Es ist auch möglich, dass in einer Ausführungsform die Wand der magnetischen Abschirmung in dem zweiten Bereich in einer ersten Richtung senkrecht zu der Achse eine geringere Wandstärke aufweist als in einer zweiten Richtung senkrecht zu der Achse, wobei die erste und die zweite Richtung nicht parallel zueinander sind und einen Winkel einschließen. Es ist so in vorteilhafter Weise möglich, die Abschirmwirkung der magnetischen Abschirmung in verschiedene Raumrichtungen unterschiedlich auszuführen. Bei einem Magnetresonanz-System gibt es Bereiche, in denen sich keine Personen oder Geräte befinden können, beispielsweise der Bereich oberhalb eines Trailers, der im Freien steht. Es kann daher die Abschirmung in diese Richtungen reduziert werden und so Gewicht und Kosten gespart werden, ohne Grenzwerte zu überschreiten oder Störungen der Bilderfassung durch dort positionierte Geräte zu verursachen.
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Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetvorrichtung ist es auch denkbar, dass der Feldmagnet einen Innenraum zur Aufnahme eines Untersuchungsobjektes aufweist, wobei das magnetische Feld in dem Innenraum homogen und parallel zu der Achse ausgerichtet ist und wobei der vierte Bereich gemeinsam in einer Ebene senkrecht zu der Achse mit dem Innenraum liegt. Der Innenraum mit dem im Rahmen des für die Bilderfassung erforderlichen homogenen und parallel ausgerichteten Feld B0 erlaubt eine optimale Bilderfassung ohne störende Artefakte in diesem Volumen. Indem dieser Innenraum querab und im geringsten Abstand zu dem vierten Bereich mit dem Feldminimum im Außenraum des Feldmagneten und des zweiten Bereichs der Abschirmung angeordnet ist, ist die magnetische Abschirmung um diesen Innenraum herum dünner ausgeführt. Dies führt auf vorteilhafte Weise auch dazu, dass die Rückwirkung der Abschirmung auf das magnetische Feld B0 im Innenraum geringer ausfällt und so Veränderungen in der Abschirmung bezüglich Position, Form, Temperatur oder anderem einen geringsten möglichen negativen Effekt auf das Ergebnis der Magnetresonanz-Untersuchung hat.
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In einer Ausführungsform ist es dabei denkbar, dass der zweite Bereich der magnetischen Abschirmung zwischen dem vierten Bereich und dem Feldmagneten angeordnet ist. Denn durch die Wirkung der magnetischen Abschirmung verschieben sich die Feldlinien hin zu der Abschirmung, sodass auch die Minima in der magnetischen Abschirmung angeordnet sind und das Magnetfeld im Vergleich zu einem Feldmagneten ohne Minima reduziert ist. Gleichzeitig verringern sich die Abmessungen der magnetischen Abschirmungen.
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Es ist in einer anderen Ausführungsform aber auch denkbar, dass der vierte Bereich in dem zweiten Bereich der magnetischen Abschirmung angeordnet ist. Auf diese Weise ist die Abhängigkeit des Magnetfeldes B0 von Veränderungen der Abschirmung am geringsten.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung;
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2 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung;
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3 einen horizontalen Querschnitt einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung;
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4 eine schematische Ansicht der Spulen eines Feldmagneten mit aktiver Schirmung;
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5 eine Darstellung der magnetischen Feldstärke eines Feldmagneten und die Anordnung einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung und
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6 eine schematische Darstellung im Querschnitt eines Magnetresonanz-Tomographen mit einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung.
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1 und 2 zeigen perspektivische Ansichten zweier möglicher Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung. Die Abschirmung hat die Form eines Hohlkörpers, der sich entlang der Achse 24 erstreckt. Üblicherweise sind die Wände 25 des Hohlkörpers parallel zueinander, sodass der Hohlkörper die Form eines Prismas annimmt. Als Grundfläche sind beliebige Vielecke möglich, wie zum Beispiel Quadrat oder Sechseck. Auch runde Grundflächen sind denkbar, sodass die magnetische Abschirmung beispielsweise Zylinderform annimmt.
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Der Hohlkörper der magnetischen Abschirmung 20 ist bevorzugter Weise an beiden Enden entlang der Achse 24 offen, was es ermöglicht, beispielsweise einen Patienten von einer Seite in einen Magnetresonanz-Tomographen 1 mit einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung 20 in einen Innenraum 13 einzuführen, in dem die Bilderfassung stattfindet. Indem der Patient entlang der Achse 24 durch den Innenraum 13 bewegt wird, kann der Körper des Patienten in seiner ganzen Länge erfasst werden, wobei der Patient an einer entlang der Achse 24 entgegen liegenden Seite den Magnetresonanz-Tomographen 1 wieder verlässt. Es ist aber auch denkbar, dass Magnetresonanz-Tomographen 1, die nur zur Untersuchung eines Körperteils vorgesehen sind, der vollständig von dem Innenraum 13 aufgenommen werden kann, an einer Seite entlang der Achse 24 abgeschlossen sind.
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3 zeigt einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen magnetischen Abschirmung. Dabei zeigt die Darstellung einen horizontalen Querschnitt entlang der Achse 24 bzw. Linie A-A in 1 und 2. In 3 ist erkennbar, dass sich die erfindungsgemäße magnetische Abschirmung 20 entlang der Achse 24 in drei Bereiche 21, 22, 23 gliedert. Die Bereiche 21, 23 sind jeweils an den gegenüberliegenden Enden des Hohlkörpers entlang der Achse 24 angeordnet. Zwischen den Bereichen 21, 23 befindet sich der Bereich 22, der sich in Umfangsrichtung bezüglich der Achse 24 um den ganzen Hohlkörper herum erstreckt, sodass die Bereiche 21, 23 voneinander getrennt sind und keine direkten Berührungspunkte haben. Dabei ist, wie auch in 3 ersichtlich, die Wand 25 des Hohlkörpers in dem Bereich 22 mit einer geringeren Wandstärke ausgeführt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der magnetischen Abschirmung 20 ist dabei die innere Oberfläche 26 des Hohlkörpers, die der Achse 24 zugewandt ist, in dem Bereich 22 gegenüber der inneren Oberfläche 26 in den Bereichen 21, 23 zurück versetzt, sodass die innere Oberfläche 26 des Bereichs 22 einen größeren Abstand von der Achse 24 aufweist als die innere Oberfläche 26 in den Bereichen 21, 23.
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In der in 3 dargestellten Ausführungsform bildet sich dabei eine Stufe an der inneren Oberfläche 26 am Übergang zwischen dem Bereich 22 und den Bereichen 21, 23. Es ist in anderen Ausführungsformen aber auch denkbar, dass der Übergang in einer stetigen Form erfolgt, beispielsweise in einer Krümmung oder einer konischen Form. Ebenso ist es möglich, dass der Hohlkörper keine Rotationssymmetrie wie in 2 aufweist, sodass an einigen Orten entlang des Umfangs der Abstand der inneren Oberfläche 26 von der Achse 24 im Bereich 22 auch kleiner sein kann, als in den Bereichen 21, 23 an anderen Orten in Umfangsrichtung. Gemeinsam ist diesen Ausführungsformen jedoch, dass bei in einer Richtung parallel zur Achse 24 benachbartem Punkte auf der inneren Oberfläche 26 im Bereich 22 und den Bereichen 21, 23 jeweils der Punkt im Bereich 22 den größeren Abstand zur Achse 24 aufweist.
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4 zeigt eine schematische Ansicht der Spulen 11, 12 einer beispielhaften Magnetvorrichtung 10. Die Magnetvorrichtung 10 weist einen Feldmagneten 11 auf, der sich aus einer Vielzahl von Spulen 11 zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes zusammensetzt. Um das magnetische Streufeld außerhalb des Feldmagneten 11 zu reduzieren, ist eine aktive Schirmung 12 in Form von Spulen 12 außerhalb angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform sind diese Spulen 12 in Richtung der Achse 24 benachbart zu den Enden des Feldmagneten 11 angeordnet. Dabei ist die Stromrichtung in den Spulen der aktiven Abschirmung 12 der Stromrichtung in den Spulen des Feldmagneten 11 entgegengesetzt, sodass in dem Außenbereich der Magnetvorrichtung 10 die Magnetfelder der Spulen 11 und Spulen 12 entgegengesetzt sind und die resultierende Feldstärke des Magnetfelds in dem Außenbereich reduziert wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen 11 und 12 aus supraleitenden Materialien und stromdurchflossen. In der 4 sind die dafür notwendigen Stromzuführungen, Stromversorgung, thermische Isolation, Kühlmittel ebenso wie konstruktive Mittel zur räumlichen Anordnung der Spulen 11, 12 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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In 5 ist eine typische Verteilung der magnetischen Feldstärke eines Feldmagneten mit aktiver Schirmung aus 4 dargestellt. Das Feld reicht entlang der Achse 24 besonders weit in den Raum, da in dieser Richtung die magnetischen Pole des Feldmagneten orientiert sind. In einer Richtung senkrecht zu der Achse 24 von dem im Mittelpunkt angeordneten Feldmagneten 10 weg fällt die Feldstärke wesentlich schneller ab. Dies liegt zum einen an der natürlichen Feldverteilung einer stromdurchflossenen Spule. Zum anderen wird dieser Effekt noch durch das entgegengesetzte Magnetfeld der aktiven Schirmung 12 verstärkt, sodass die Linien gleicher Feldstärke in dieser Richtung verdichtet sind.
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Durch die Anordnung der beiden Spulen 12 der aktiven Schirmung an den jeweiligen in Richtung der Achse 24 entgegengesetzten Enden des Feldmagneten 11 ergibt sich in einer Ebene senkrecht zur Achse 24 und symmetrisch zu den Spulen 12 in einem gewissen Abstand zu der Achse 24 eine ausgeprägte Einschnürung der Linien gleicher Feldstärke, die in 5 mit dem vierten Bereich 14 gekennzeichnet ist. Dieser Bereich erstreckt sich in Umfangsrichtung symmetrisch um die Achse 24 herum. Betrachtet man den Betrag der magnetischen Feldstärke entlang einer Linie parallel zu der Achse 24 durch den vierten Bereich 14, so nimmt dieser Betrag genau in dem Bereich 14 ab und weist in der Ebene durch die Symmetrieachse des Feldmagneten ein lokales Minimum auf.
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Wegen dieses Minimums der Feldstärke ist es möglich, in dem vierten Bereich 14 eine gewünschte magnetische Abschirmwirkung mit geringerer Wandstärke der Abschirmung zu erreichen. Erfindungsgemäß wird daher die magnetische Abschirmung 20 derart positioniert, dass der zweite Bereich 22 der magnetischen Abschirmung gerade in dem vierten Bereich 14 des Magnetfeldes zu liegen kommt, in dem die magnetische Feldstärke ein Minimum annimmt, wie es in 5 und 6 schematisch dargestellt ist. In 6 ist zur Verdeutlichung auch die relative Position des Feldmagneten 11, des Magnetresonanz-Tomographen 1 und des Innenraums 13 wiedergegeben, in dem aufgrund der Homogenität des Magnetfeldes B0 eine bildgebende Erfassung vorgenommen werden kann. Dabei sind wegen des lokalen Minimums auch Änderungen in der magnetischen Abschirmung 20, beispielsweise bezüglich der Position, von minimaler Wirkung, da in erster Näherung derartige Effekte proportional zur ersten Ableitung sind, die wiederum in der Umgebung eines lokalen Minimums einer Funktion nahe dem Wert Null ist.
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Dieser positive Effekt ergibt sich auch, wenn der zweite Bereich 22 der magnetischen Abschirmung nicht wie in 5 und 6 dargestellt, sich mit dem vierten Bereich 14 überschneidet, sondern auch, wenn der zweite Bereich 22 zwischen dem vierten Bereich 14 und dem Feldmagneten 11 angeordnet ist. Die in den 5 und 6 dargestellte Feldverteilung zeigt das Feld des Feldmagneten 11 mit aktiver Schirmung 12. Durch die Permeabilität der magnetischen Abschirmung 20 verändert sich das magnetische Feld. Insbesondere werden die magnetischen Feldlinien hin zu der magnetischen Abschirmung 20 verschoben und konzentrieren sich in deren Innerem. Daher verlagert sich auch der vierte Bereich 14 mit dem Minimum der Feldstärke unter dem Einfluss der magnetischen Abschirmung 20 hin zu dem zweiten Bereich 22, sodass sich der vorteilhafte Effekt auch dann einstellt, wenn sich die magnetische Abschirmung 20 zwischen dem Minimum der magnetischen Feldstärke des Magnetfeldes ohne magnetische Abschirmung 20 und dem Feldmagneten 11 befindet.
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Die Darstellung in 5 und 6 ist nicht maßstabsgerecht, insbesondere nicht bezüglich der Wandstärken, sondern soll nur die Zusammenhänge darstellen. So ergibt sich auch ein derartiges Minimum des Betrages, wenn keine Symmetrie bezüglich der Achse 24 oder einer dazu senkrechten Ebene vorliegt, nur ändert sich dabei die Position des lokalen Minimums entsprechend. Der Bereich 22 der magnetischen Abschirmung müsste erfindungsgemäß entsprechend in diesem Minimum bzw. zwischen dem Minimum und dem Feldmagneten 11 positioniert werden.
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Außer für die dargestellten Magnetresonanz-Tomographen kann die erfindungsgemäße magnetische Abschirmung und die erfindungsgemäße Magnetvorrichtung auch Verwendung mit anderen Magnetresonanz-Systemen wie beispielsweise Magnetresonanz-Spektroskopen finden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
