DE102012221918B3

DE102012221918B3 - Anordnung zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes und des Gradientenmagnetfeldes einer Magnetresonanztomografieanlage, Magnetresonanztomografieanlage und Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanztomografieanlage

Info

Publication number: DE102012221918B3
Application number: DE201210221918
Authority: DE
Inventors: Stefan Nowak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: US20140145721A1; US9581666B2

Abstract

Die Erfindung gibt eine Anordnung und ein zugehöriges Verfahren zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes und eines Gradientenmagnetfeldes einer Magnetresonanztomografieanlage an. Die Anordnung umfasst: – mindestens einen Hauptelektromagneten (1) ohne Eisenkern, durch den das Hauptmagnetfeld erzeugbar ist und – mindestens drei Gradientenfeldelektromagnete (2), durch die das Gradientenmagnetfeld erzeugbar ist, – wobei der Hauptelektromagnet (1) derart innerhalb der Gradientenfeldelektromagnete (2) angeordnet ist, dass der Hauptelektromagnet (1) sich bei einer Tomografieaufnahme einer Probe (5) näher als die Gradientenfeldelektromagnete (2) an der Probe (5) befindet. Liegt der Hauptelektromagnet innerhalb der Gradientenfeldelektromagnete kann auf eine aktive Schirmung der Gradientenfeldelektromagnete verzichtet werden. Da der Hauptelektromagnet nahe an der Probe liegt, kann er als wassergekühlte Luftspule ausgeführt sein, wodurch die Betriebskosten im Vergleich zu supraleitenden Elektromagneten verringert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes und des Gradientenmagnetfeldes einer Magnetresonanztomografieanlage, eine Magnetresonanztomografieanlage mit einer derartigen Anordnung und ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanztomografieanlage mit einer derartigen Anordnung.
Hintergrund der Erfindung
Die Kernspintomographie (KST), oder auch als Magnetresonanztomographie (MRT) bezeichnet, ist ein medizinisches Diagnoseverfahren mit der Möglichkeit, überlagerungsfreie Schnittbilder des menschlichen Körpers in beliebiger räumlicher Orientierung zu erstellen. Durch die hohe Auflösung und den großen Gewebekontrast gelingt eine bessere Darstellung der anatomischen Strukturen als mit den meisten anderen bildgebenden Verfahren. Insbesondere können unterschiedliche Weichteilstrukturen besser differenziert werden.
Im Unterschied zur Computertomographie (CT) werden keine Röntgenstrahlen benutzt, sondern die Bilder werden aus empfangenen elektromagnetischen Signalen berechnet, die aus der Wechselwirkung von Wasserstoffprotonen mit einem starken Magnetfeld resultieren. Die Wasserstoffprotonen kommen im menschlichen Körper sehr häufig vor. Aus dem Verhalten der Wasserstoffprotonen bei Einstrahlung von Hochfrequenzimpulsen (Radiowellen im UKW-Bereich) und wechselnden Magnetfeldern lassen sich Rückschlüsse auf die chemische Zusammensetzung, die Form, die Durchblutung und auf krankhafte Veränderungen der untersuchten Gewebe gewinnen.
Eine bildgebende Magnetresonanztomografieanlage besteht in der Regel aus vier Hauptkomponenten:

– Ein Feldmagnet erzeugt ein statisches homogenes Hauptmagnetfeld über das Messvolumen. Derartige Magnete sind als Permanentmagnete, als Elektromagnete oder als stromdurchflossene supraleitende Spulen ausgeführt. Die Richtung des stationären Magnetfeldes wird im Allgemeinen als die z-Komponente in einem orthogonalen Koordinatensystem bezeichnet. Die anderen Komponenten werden als x und y bezeichnet.
– Eine Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung erzeugt ein hochfrequentes, rotierendes Magnetfeld um die Probe und kann so durch geeignete Frequenzwahl die Probe anregen. Ebenso kann diese Einrichtung die von der Probe erzeugten rotierenden Magnetfelder detektieren.
– Ein Gradientenspulensystem erzeugt ein schaltbares Magnetfeld, dessen Richtung der dem statischen Magnetfeld entspricht. Die Stärke des geschalteten Magnetfeldes variiert über das Messvolumen. Diese Änderung ist im Regelfall eine lineare Änderung über den Ort entlang einer Raumachse. Das Gradientenspulensystem dient zum Erzeugen von Hauptmagnetfeldgradientenfeldern. Die unabhängige Kombination von drei Gradienten, die entlang von drei orthogonalen Raumachsen die Stärke ändern, erlaubt als Kombination eine beliebige Gradientenrichtung zu erzeugen. Mit Hilfe dieser Gradienten erfolgt eine räumliche Zuordnung des mit der Hochfrequenz-Sende-Empfangseinrichtung empfangenen Signals.
– Eine zentrale Steuereinheit regelt den zeitlichen Verlauf der Messungen und verarbeitet die empfangenen Signale.

Beispielhaft ist eine derartige Magnetresonanztomografieanlage in der Offenlegungsschrift DE 10 2008 018 265 A1 beschrieben.
Die Patentschrift EP 0 709 690 B1 offenbart ein MR-Verfahren und eine Anordnung zur Durchführung desselben, wobei die Hauptfeldspulen zumindest teilweise innerhalb der Gradientenfeldspulen angeordnet sind.
Nachteilig an bekannten Magnetresonanztomografieanlagen sind die aufwendigen und teuren supraleitenden Hauptfeldspulen sowie das permanent wirkende Hauptmagnetfeld.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Anordnung zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanztomografieanlage anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anordnung, der Magnetresonanztomografieanlage und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die grundlegende Idee der Erfindung besteht darin, Elektromagnete (auch als resistive Magnete bezeichnet) zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes innerhalb des Gradientenspulensystems anzuordnen und die Elektromagnete zur Erzeugung des Hauptmagnetfelds ohne Eisenkern, beispielsweise als wassergekühlte Kupferspule, auszubilden. Außerdem wird das Hauptmagnetfeld nur bei der Aufnahme einer Bildsequenz eingeschaltet.
Die Erfindung beansprucht eine Anordnung zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes und eines Gradientenmagnetfeldes einer Magnetresonanztomografieanlage. Die Anordnung umfasst mindestens einen Hauptelektromagneten ohne Eisenkern, durch den das Hauptmagnetfeld erzeugbar ist und mindestens drei Gradientenfeldelektromagnete, durch die das Gradientenmagnetfeld erzeugbar ist, wobei der Hauptelektromagnet derart innerhalb der Gradientenfeldelektromagnete angeordnet ist, dass der Hauptelektromagnet sich bei einer Tomografieaufnahme einer Probe näher als die Gradientenfeldelektromagnete an der Probe befindet. Außerdem umfasst die Anordnung eine Hauptmagnetfelderzeugungseinheit, durch die nur während einer Aufnahme einer Bildsequenz das Hauptmagnetfeld erzeugt wird. Dadurch kann die Verlustleistung in dem Hauptelektromagnet verringert werden.
Liegt der Hauptelektromagnet innerhalb der Gradientenfeldelektromagnete kann auf eine aktive Schirmung der Gradientenfeldelektromagnete verzichtet werden. Es können keine Wirbelströme im ”warmbore” eines supraleitenden Magneten angeregt werden, da nicht mehr vorhanden. Ein nicht aktiv geschirmter Gradientenfeldelektromagnet arbeitet wesentlich effizienter, als ein geschirmter. Da der Hauptelektromagnet nahe an der Probe, beispielsweise am Patienten, liegt, kann er als wassergekühlte Luftspule ausgeführt sein, wodurch die Herstellungs- und Betriebskosten im Vergleich zu supraleitenden Elektromagneten verringert werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann durch die Hauptmagnetfelderzeugungseinheit zur Magnetisierung der Probe kurzzeitig, zum Beispiel 5 Sekunden lang, ein größeres Hauptmagnetfeld erzeugt werden als während der anschließenden Datenerfassung. Dadurch verbessert sich beim Datenempfang das Signal-Rausch-Verhältnis. Auch die Geräuschentwicklung verringert sich wegen einer geringeren Kraftwirkung zwischen den Elektromagneten während der Sequenzlaufzeit.
In einer Weiterbildung kann der Hauptelektromagnet eine Luftspule umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform können der Hauptelektromagnet und die Gradientenfeldelektromagneten als gemeinsam vergossene Einheit ausgebildet sein. Dadurch können Kosten vermieden werden.
Die Erfindung beansprucht auch eine Magnetresonanztomografieanlage mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Des Weiteren beansprucht die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanztomografieanlage mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei das Hauptmagnetfeld nur während einer Aufnahme einer Bildsequenz erzeugt wird.
In einer Weiterbildung kann das Verfahren ein Erzeugen eines kurzzeitig, zum Beispiel 5 Sekunden lang, größeren Hauptmagnetfelds zur Magnetisierung der Probe als während der anschließenden Datenerfassung umfassen.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: eine Anordnung zur Magnetfelderzeugung bei einer Magnetresonanztomografieanlage gemäß Stand der Technik und
2: eine erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von Magnetfeldern bei einer Magnetresonanztomografieanlage.
Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
1 zeigt im Querschnitt eine vereinfacht dargestellte Anordnung einer Magnetresonanztomografieanlage gemäß Stand der Technik. Das Hauptmagnetfeld wird von den Hauptelektromagneten 1 erzeugt. Innerhalb der Hauptelektromagnete 1 sind die Gradientenfeldmagnete 2 angeordnet. Ein Patient 5 befindet sich auf einer Patientenliege 4, die innerhalb der Anordnung verfahrbar ist. Mit Hilfe einer Hochfrequenzspule 3 wird ein rotierendes Magnetfeld über den Patienten 5 gelegt, wobei durch geeignete Frequenzwahl der Patient 5 angeregt wird.
2 zeigt im Querschnitt eine erfindungsgemäße Anordnung einer Magnetresonanztomografieanlage in vereinfachter Darstellung. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Anordnung wird die innere Lage durch Hauptelektromagnete 1 gebildet, die als Luftspulen ohne Eisenkern ausgeführt sind. Mehrere Gradientenfeldspulen 2, welche die Gradientenfeldelektromagnete bilden, sind außerhalb der Hauptelektromagnete 1 angeordnet, also weiter von einem Patienten 5 weg.
Die Luftspulen 1 erzeugen das Hauptmagnetfeld und werden von einer Hauptmagnetfelderzeugungseinheit 6 erregt bzw. angesteuert. Innerhalb der Luftspulen 1 befindet sich die Hochfrequenzspule 3. Die Luftspulen 1 und die Gradientenfeldspulen 2 können zusammen vergossen ausgebildet sein und so eine gemeinsame Einheit bilden. Der Patient 5 befindet sich auf einer Patientenliege 4, die innerhalb der Anordnung verfahrbar angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird das Hauptmagnetfeld nur während der Aufnahme einer Bildsequenz eingeschaltet. Dabei wird das Hauptmagnetfeld mit der maximalen Slew-rate (= Anstiegsrate) unterhalb der Stimulationsschwelle ein- und ausgeschaltet. Zur Magnetisierung des Patienten kann kurzzeitig, zwischen 1 und 10 Sekunden ein höheres Hauptmagnetfeld als bei der anschließenden Bilddatenerfassung angeregt werden.
Vorteilhaft ist es, den Hauptelektromagneten 1 mit der z-Gradientenfeldspule 2 zusammenzufassen.
Bezugszeichenliste

1: Hauptelektromagnet/Luftspule
2: Gradientenfeldelektromagnet/Gradientenfeldspule
3: Hochfrequenzspule
4: Patientenliege
5: Probe/Patient
6: Hauptmagnetfelderzeugungseinheit

Claims

Anordnung zur Erzeugung eines Hauptmagnetfeldes und eines Gradientenmagnetfeldes einer Magnetresonanztomografieanlage, mit – mindestens einem Hauptelektromagneten (1) ohne Eisenkern, durch den das Hauptmagnetfeld erzeugbar ist und – mindestens drei Gradientenfeldelektromagneten (2), durch die das Gradientenmagnetfeld erzeugbar ist, – wobei der Hauptelektromagnet (1) derart innerhalb der Gradientenfeldelektromagnete (2) angeordnet ist, dass der Hauptelektromagnet (1) sich bei einer Tomografieaufnahme einer Probe (5) näher als die Gradientenfeldelektromagnete (2) an der Probe (5) befindet. gekennzeichnet durch: – eine Hauptmagnetfelderzeugungseinheit (6), die derart ausgebildet ist, dass nur während einer Aufnahme einer Bildsequenz das Hauptmagnetfeld erzeugbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptmagnetfelderzeugungseinheit (6) derart ausgebildet ist, dass zur Magnetisierung der Probe (5) kurzzeitig ein größeres Hauptmagnetfeld erzeugbar ist als während einer anschließenden Datenerfassung.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptelektromagnet (1) eine Luftspule umfasst.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspule (1) wassergekühlt ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptelektromagnet (1) und die Gradientenfeldelektromagnete (2) als gemeinsam vergossene Einheit ausgebildet sind.
Magnetresonanztomografieanlage mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanztomografieanlage mit einer Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch: – Erzeugen des Hauptmagnetfelds nur während einer Aufnahme einer Bildsequenz.
Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch: – Erzeugen des Hauptmagnetfelds zur Magnetisierung der Probe (5), wobei das Hauptmagnetfeld kurzzeitig größer ist als während einer anschließenden Datenerfassung.