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Die Erfindung betrifft ein Kabel zum Betrieb einer Gradientenspule einer Magnetresonanzvorrichtung sowie eine Magnetresonanzvorrichtung und ein Herstellungsverfahren eines Kabels zum Betrieb einer Gradientenspule einer Magnetresonanzvorrichtung.
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Die Magnetresonanztomographie (MRT; engl. Magnetic Resonance Imaging, MRI) ist eine bekannte Technik zum Erzeugen von Abbildungen eines Körperinneren eines Untersuchungsobjekts, die auf dem physikalischen Phänomen der Magnetresonanz (MR) beruht. Typischerweise werden dazu während einer Magnetresonanzuntersuchung in einer Magnetresonanzvorrichtung einem statischen Hauptmagnetfeld Gradientenpulse überlagert, welche mit Hilfe von Gradientenspulen erzeugt werden. Für den Betrieb einer Gradientenspule in einer Magnetresonanzvorrichtung sind üblicherweise schnell geschaltete elektrische Ströme von mehreren hundert Ampere notwendig.
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Die Stromzuleitungen zu den Gradientenspulen verlaufen in der Regel im Streufeld des Hauptmagnetfelds und erfahren somit Lorentzkräfte. Ohne gesonderte Maßnahmen zum Auffangen und/oder Minimieren dieser Kräfte würden diese Gradientenanschlusskabel stark schwingen und möglicherweise einen Wechselbiegebruch erleiden.
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Gemäß dem Stand der Technik wird eine Platte aus Hartgewebe oder Aluminium mit einer Führungsnut versehen, in welche ein oder mehrere elektrische Leiter eingelegt werden. Die Nuten werden mit Epoxydharz ausgegossen, um den Leiter mit der Platte zu verbinden. Diese Herstellungsweise ist jedoch recht aufwändig, so dass ein Bedarf nach einem einfacher und kostengünstiger zu fertigenden Kabel besteht, das aber dennoch der Dauer-Wechselbiegebelastung standhält.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Demnach wird ein Kabel zum Betrieb einer Gradientenspule einer Magnetresonanzvorrichtung vorgeschlagen, das zumindest einen elektrischen Leiter und eine Stabilisierungsummantelung umfasst, die den zumindest einen elektrischen Leiter zumindest abschnittsweise umgibt.
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Vorteilhafterweise ist die Stabilisierungsummantelung ausgebildet, den auftretenden Kräften entgegen zu wirken. Die üblicherweise in wechselnder Richtung auf den elektrischen Leiter wirkenden Lorentzkräfte werden durch eine mechanisch ausreichend stabile Stabilisierungsummantelung des Kabels aufgefangen und/oder unterdrücken starke Vibrationen.
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Der elektrische Leiter ist vorzugsweise ausgebildet einen Stromfluss zwischen der Gradientenspule und einer Stromquelle der Gradientenspule zu ermöglichen. Der elektrische Leiter umfasst vorzugsweise ein Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium, um einen Transport hoher elektrischer Ströme zu ermöglichen.
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Vorzugsweise weist das Kabel, insbesondere an seinen Enden, zumindest eine Anschlusseinheit auf, insbesondere zu einer elektrischen Kontaktierung des Kabels an eine Gradientenspule und/oder eine Stromquelle der Gradientenspule. Diese Stromkontakte können beispielsweise als, insbesondere geschraubte, Kabelschuhe und/oder Schraubverbindungen ausgebildet sein.
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Der elektrische Leiter kann ein Isolationsmaterial umfassen, das ein elektrisch leitfähiges Material umgibt. Damit ist es beispielsweise möglich, mehrere unabhängige, insbesondere nicht kurzgeschlossene, Zuleitungen in das Kabel zu integrieren.
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Üblicherweise weist ein Kabel eine Längsrichtung parallel zu einer Kabellängsachse und eine Umfangsrichtung auf, die um die Kabellängsachse orientiert ist. Die Längsrichtung kann also auch als eine axiale Richtung des Kabels angesehen werden.
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Dass die Stabilisierungsummantelung den zumindest einen elektrischen Leiter zumindest abschnittsweise umgibt, kann beispielsweise bedeuten, dass es parallel zur Kabellängsachse einen oder mehrere erste Abschnitte gibt, in denen die Stabilisierungsummantelung den zumindest einen elektrischen Leiter, insbesondere in Umfangsrichtung, umgibt und/oder einen oder mehrere zweite Abschnitte gibt, in denen die Stabilisierungsummantelung den zumindest einen elektrischen Leiter nicht umgibt. Bevorzugt umgibt die Stabilisierungsummantelung in den ersten Abschnitten den elektrischen Leiter in Umfangsrichtung zumindest teilweise, insbesondere vollständig.
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Vorzugsweise weist die Stabilisierungsummantelung ein Material auf mit einem Elastizitätsmodul bei einer Temperatur von 20°C von mehr als 1 GPa, bevorzugt mehr als 3 GPa, besonders bevorzugt mehr als 10 GPa. Insbesondere ist es denkbar, dass die Stabilisierungsummantelung gänzlich aus einem oder mehreren Materialien besteht, die ein derartiges Elastizitätsmodul aufweisen.
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Die Stabilisierungsummantelung weist vorzugsweise eine deutlich höhere Steifigkeit auf als Materialien herkömmlicher Kabelmäntel. Im Gegensatz zur vorgeschlagenen Stabilisierungsummantelung sind herkömmliche Kabelmäntel meist besonders flexibel, um geringe Biegeradien zu ermöglichen. Eine hohe Steifigkeit ist hier also gar nicht erwünscht.
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Der Elastizitätsmodul kann auch als Zugmodul, Elastizitätskoeffizient, Dehnungsmodul, E-Modul und/oder Youngscher Modul bezeichnet werden und wird üblicherweise in der Einheit Pascal oder N/m2 angegeben. Ein Bauteil aus einem Material mit hohem Elastizitätsmodul ist normaler steifer als ein Bauteil gleicher Konstruktion, welches aus einem Material mit niedrigem Elastizitätsmodul besteht. Daher eignet sich als Material für die Stabilisierungsummantelung insbesondere ein Material mit einem hohen Elastizitätsmodul.
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Bevorzugt weist die Stabilisierungsummantelung Kupfer und/oder nichtmagnetischen Stahl und/oder Aluminium und/oder Kunststoff auf. Insbesondere ist es denkbar, dass die Stabilisierungsummantelung gänzlich aus einem oder mehreren der genannten Materialien besteht. Derartige Materialien sind besonders geeignet, um etwaige Vibrationen der Gradientenspulen aufzunehmen.
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Im Falle von Kunststoff wird insbesondere ein thermoplastischer Kunststoff vorgeschlagen, da dieser besonders geeignet ist, mit dem elektrischen Leiter eine stabilisierende Verbindung einzugehen.
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Die Stabilisierungsummantelung ist vorzugsweise rohrförmig ausgebildet, so dass es auch als stabilisierendes Stützrohr und/oder Trägerrohr für den zumindest einen elektrischen Leiter aufgefasst werden kann. Eine derartige Geometrie ermöglicht eine einfache Herstellung, da der elektrische Leiter leicht in ein Rohr eingefädelt und/oder eingebracht werden kann.
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Vorzugsweise weist die Stabilisierungsummantelung eine Wandstärke zwischen 0,2 bis 5 mm, insbesondere 0,5 bis 3 mm, auf. Solche Wandstärken stellen einen vorteilhaften Kompromiss dar zwischen einer ausreichenden Steifigkeit und einem akzeptablen Gewicht und/oder Materialverbrauch.
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Bevorzugt umfasst der zumindest eine elektrische Leiter eine Litze, d.h. einem aus Einzeldrähten geflochtenen Draht. Litzen weisen üblicherweise eine hohe Flexibilität auf, um insbesondere Vibrationen an den Kontaktstellen mit der Gradientenspule und/oder einer Anschlussplatte ausgleichen zu können.
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Eine Ausführungsform des Kabels sieht vor, dass das Kabel mehrere elektrische Leiter aufweist. Beispielsweise können ein Hin- und ein Rückleiter paarweise zusammengefasst werden. Diese Anordnung ist kräftemäßig von Vorteil, da sich die Lorentzkräfte zumindest teilweise aufheben.
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Die mehreren elektrischen Leiter können insbesondere verdrillt und/oder koaxial angeordnet sein. Durch eine verdrillte Anordnung kann die resultierende Lorentzkraft minimiert werden.
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Vorzugsweise weist die Stabilisierungsummantelung parallel zur Kabellängsachse zumindest einen Verbindungsabschnitt auf. Durch den zumindest einen Verbindungsabschnitt kann eine stabile Verbindung zwischen dem zumindest einen elektrischen Leiter und der Stabilisierungsummantelung hergestellt werden.
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Bevorzugt weist der zumindest eine Verbindungsabschnitt eine formschlüssige Verbindung, insbesondere eine Krimpverbindung und/oder Schrumpfverbindung, zwischen dem zumindest einen elektrischen Leiter und der Stabilisierungsummantelung auf.
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Eine Krimpverbindung ist üblicherweise eine Verbindung, die durch Krimpen (auch Crimpen genannt, engl. to crimp) erzeugt wird. In diesem Fall versteht man unter Krimpen üblicherweise ein Zusammenfügen des zumindest einen elektrischen Leiters mit der Stabilisierungsummantelung durch plastische Verformung der Stabilisierungsummantelung, beispielsweise durch Bördeln, Quetschen, Kräuseln oder Falten.
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Eine mögliche thermoplastische Stabilisierungsummantelung kann durch Warmverformen einen Formschluss zwischen dem zumindest einen elektrischen Leiter und der Stabilisierungsummantelung herbeiführen. So kann beispielsweise auch eine Schrumpfverbindung erzeugt werden.
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Der zumindest eine Verbindungsabschnitt kann sich über die gesamte Länge des Kabels erstrecken oder auch nur über einen Teil davon. Insbesondere kann der zumindest eine Verbindungsabschnitt parallel zur Kabellängsachse eine Länge aufweisen, die zwischen dem 0,1- bis 10-fachen, bevorzugt zwischen dem 0,2- bis 2-fachen, des Durchmessers des Kabels liegt. Dadurch können stabile Verbindungen zwischen dem zumindest einen elektrischen Leiter und der Stabilisierungsummantelung erzeugt werden.
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Vorzugsweise weist die Stabilisierungsummantelung parallel zur Kabellängsachse zwei oder mehr Verbindungsabschnitte auf, die um eine Länge beabstandet sind, die zwischen dem 0,5- bis 10-fachen, bevorzugt zwischen dem 1- bis 5-fachen, des Durchmessers des Kabels liegt. Durch eine derartige Auslegung kann eine ausreichend stabile Verbindungen zwischen dem zumindest einen elektrischen Leiter und der Stabilisierungsummantelung erzeugt werden.
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Eine Ausführungsform des Kabels sieht vor, dass das Kabel parallel zur Kabellängsachse zumindest einen ummantelungsfreien Abschnitt aufweist, in dem keine Stabilisierungsummantelung angeordnet ist. Der Verzicht auf die Stabilisierungsummantelung in diesem zumindest einen ummantelungsfreien Abschnitt führt vorteilhafterweise zu einer höheren Flexibilität in diesem Bereich.
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Vorzugsweise ist zumindest einer des zumindest einen ummantelungsfreien Abschnitts kabelendseitig angeordnet. Insbesondere ist einem Übergangsbereich eines Anschlusses zur schwingenden Gradientenspule eine höhere Flexibilität von Vorteil, um mechanische Toleranzen auszugleichen und/oder Vibrationen auf nachfolgende Komponenten abzuleiten, ohne beispielsweise einen Wechselbiegebruch zu erleiden.
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Bevorzugt weist der zumindest eine ummantelungsfreie Abschnitt parallel zur Kabellängsachse eine Länge auf, die mindestens so groß, bevorzugt mindestens doppelt so groß, wie der Durchmesser des Kabels ist. Eine so dimensionierte Länge gewährleistet insbesondere eine vorteilhafte Flexibilität an den Kabelenden.
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Ferner wird eine Magnetresonanzvorrichtung mit zumindest einem Kabel zum Betrieb einer Gradientenspule vorgeschlagen, wie es vorab beschrieben wurde. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kabels zum Betrieb einer Gradientenspule entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Magnetresonanzvorrichtung.
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Vorzugsweise weist die Magnetresonanzvorrichtung eine Systemmasse auf, wobei die Stabilisierungsummantelung elektrisch leitfähig ist und mit der Systemmasse elektrisch verbunden ist. Dazu kann die Stabilisierungsummantelung zumindest eine Anschlusseinheit zur Kontaktierung der Stabilisierungsummantelung mit der Systemmasse der Magnetresonanzvorrichtung aufweisen.
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Die Stabilisierungsummantelung kann somit zusätzlich als Abschirmung dienen, so dass beispielsweise etwaige elektrostatische Aufladungen gegen die Systemmasse abgeführt werden können. Das vermindert das Risiko von Störsignalen, wie z.B. Spikes, die insbesondere durch von der Magnetresonanzvorrichtung empfangene Entladungen verursacht werden können. Mögliche Bildartefakte können somit minimiert werden.
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Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels zum Betrieb einer Gradientenspule einer Magnetresonanzvorrichtung vorgeschlagen, das folgende Schritte aufweist: Zumindest ein elektrischer Leiter wird in Stabilisierungsummantelung, beispielsweise ein Rohr, eingeführt. Zwischen der Stabilisierungsummantelung und dem zumindest einen elektrischen Leiter wird dann eine formschlüssige Verbindung hergestellt. Die formschlüssige Verbindung kann insbesondere mittels Krimpen und/oder Warmverformen, beispielsweise mittels eines geheizten Krimpwerkzeugs, erfolgen. Die Enden des zumindest einen elektrischen Leiters können beispielsweise mit jeweils einem Kabelschuh versehen werden.
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Die gegenüber dem Stand der Technik minimierte Anzahl der Bauteile und kurze Verfahrenszeit bei der Herstellung reduzieren die Herstellungskosten.
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Im Übrigen sei für das Verfahren auf die Merkmale und Vorteile verwiesen, die bereits im Rahmen der Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsformen des Kabels beschrieben wurden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Magnetresonanzvorrichtung mit einem Kabel zum Betrieb einer Gradientenspule in einer schematischen Darstellung,
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2 eine schematische Darstellung eines Kabels zum Betrieb einer Gradientenspule,
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3 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Kabels zum Betrieb einer Gradientenspule.
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In 1 ist eine Magnetresonanzvorrichtung 10 schematisch dargestellt. Die Magnetresonanzvorrichtung 10 umfasst eine Magneteinheit 11, die einen supraleitenden Hauptmagneten 12 zu einem Erzeugen eines starken und insbesondere zeitlich konstanten Hauptmagnetfelds 13 aufweist. Zudem umfasst die Magnetresonanzvorrichtung 10 einen Patientenaufnahmebereich 14 zu einer Aufnahme eines Patienten 15. Der Patientenaufnahmebereich 14 im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zylinderförmig ausgebildet und in einer Umfangsrichtung von der Magneteinheit 11 zylinderförmig umgeben. Grundsätzlich ist jedoch eine davon abweichende Ausbildung des Patientenaufnahmebereichs 14 jederzeit denkbar. Der Patient 15 kann mittels einer Patientenlagerungsvorrichtung 16 der Magnetresonanzvorrichtung 10 in den Patientenaufnahmebereich 14 geschoben werden. Die Patientenlagerungsvorrichtung 16 weist hierzu einen innerhalb des Patientenaufnahmebereichs 14 bewegbar ausgestalteten Patiententisch 17 auf.
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Die Magneteinheit 11 weist weiterhin eine Gradientenspuleneinheit 18 zu einer Erzeugung von Magnetfeldgradienten auf, die für eine Ortskodierung während einer Bildgebung verwendet werden. Die Gradientenspuleneinheit 18 umfasst beispielsweise drei hier nicht näher dargestellte Gradientenspulen. Die Gradientenspuleneinheit 18 wird mittels einer Gradientensteuereinheit 19 der Magnetresonanzvorrichtung 10 gesteuert. Zum Betrieb der Gradientenspulen der Gradientenspuleneinheit 18 umfasst die Magnetresonanzvorrichtung 10 zumindest ein Kabel 100. Das Kabel 100 weist einen elektrischen Leiter 110 und eine Stabilisierungsummantelung 120 auf, die den zumindest einen elektrischen Leiter zumindest abschnittsweise umgibt. Die Stabilisierungsummantelung 120 ist in diesem Beispiel elektrisch leitfähig und mit der Systemmasse M verbunden. Dadurch wirkt die Stabilisierungsummantelung 120 abschirmend gegen Störsignale von außen.
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Die Magneteinheit 11 umfasst weiterhin eine Hochfrequenzantenneneinheit 20, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als fest in die Magnetresonanzvorrichtung 10 integrierte Körperspule ausgebildet ist. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 ist zu einer Anregung von Atomkernen, die sich in dem von dem Hauptmagneten 12 erzeugten Hauptmagnetfeld 13 einstellt, ausgelegt. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 wird von einer Hochfrequenzantennensteuereinheit 21 der Magnetresonanzvorrichtung 10 gesteuert und strahlt hochfrequente Magnetresonanzsequenzen in einen Untersuchungsraum ein, der im Wesentlichen von einem Patientenaufnahmebereich 14 der Magnetresonanzvorrichtung 10 gebildet ist. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 ist weiterhin zum Empfang von Magnetresonanzsignalen ausgebildet.
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Zu einer Steuerung des Hauptmagneten 12, der Gradientensteuereinheit 19 und zur Steuerung der Hochfrequenzantennensteuereinheit 21 weist die Magnetresonanzvorrichtung 10 eine Systemsteuereinheit 22 auf. Die Systemsteuereinheit 22 steuert zentral die Magnetresonanzvorrichtung 10, wie beispielsweise das Durchführen einer vorbestimmten bildgebenden Gradientenechosequenz. Zudem umfasst die Systemsteuereinheit 22 eine nicht näher dargestellte Auswerteeinheit zu einer Auswertung von medizinischen Bilddaten, die während der Magnetresonanzuntersuchung erfasst werden. Des Weiteren umfasst die Magnetresonanzvorrichtung 10 eine Benutzerschnittstelle 23, die mit der Systemsteuereinheit 22 verbunden ist. Steuerinformationen wie beispielsweise Bildgebungsparameter, sowie rekonstruierte Magnetresonanzbilder können auf einer Anzeigeeinheit 24, beispielsweise auf zumindest einem Monitor, der Benutzerschnittstelle 23 für ein medizinisches Bedienpersonal angezeigt werden. Weiterhin weist die Benutzerschnittstelle 23 eine Eingabeeinheit 25 auf, mittels der Informationen und/oder Parameter während eines Messvorgangs von dem medizinischen Bedienpersonal eingegeben werden können.
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In 2 ist ein exemplarisches Kabel 100 zum Betrieb einer Gradientenspule einer Magnetresonanzvorrichtung 10 dargestellt. Neben dem elektrischen Leiter 110 und der Stabilisierungsummantelung 120, welche den elektrischen Leiter 110 teilweise umgibt, umfasst das Kabel 100 an seinen Enden jeweils einen Kabelschuh 130, welche mit dem elektrischen Leiter 110 verbunden sind.
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Die Stabilisierungsummantelung 120 dient dazu, das Kabel 100 gezielt zu versteifen, um mögliche, insbesondere von den Gradientenspulen ausgehende, Vibrationen zu dämpfen und damit das Risiko eines Bruchs des elektrischen Leiters 110 zu reduzieren.
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Um eine effektive Versteifungswirkung zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die die Stabilisierungsummantelung 120 ein Material aufweist mit einem Elastizitätsmodul bei einer Temperatur von 20°C von mehr als 1 GPa. Ferner kann die Stabilisierungsummantelung 120 Kupfer und/oder nichtmagnetischen Stahl und/oder Aluminium und/oder, insbesondere thermoplastischen, Kunststoff aufweisen.
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In diesem Ausführungsbeispiel umfasst das Kabel 100 nur einen elektrischen Leiter 110, der beispielsweise als Litze ausgebildet sein kann. Es ist aber auch denkbar, dass das Kabel mehrere elektrische Leiter umfasst. Diese können insbesondere verdrillt und/oder koaxial angeordnet sein. Da die Kontaktierung des Außenleiters bei einer koaxialen Anordnung meist einen hohen Aufwand erfordert, kann ein Verzicht auf die koaxialen Anordnung für Systeme, die mit weniger hohen Strömen betrieben werden, eine sehr kostengünstige Alternative darstellen.
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Die Stabilisierungsummantelung 120 weist parallel zur Kabellängsachse A mehrere Verbindungsabschnitte 125 auf. Die Verbindungsabschnitte 125 sorgen für eine Verbindung zwischen dem elektrischen Leiter 110 der Stabilisierungsummantelung 120. Beispielsweise kann die Verbindung durch Krimpen herstellt werden, so dass die Verbindungsabschnitte 125 Krimpstellen sind.
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Die Stabilisierungsummantelung 120 ist rohrförmig ausgebildet, wobei das Rohr an den Krimpstellen 125 verengt ist und eine formschlüssige Verbindung mit dem elektrischen Leiter 110 eingeht. Das Rohr weist beispielsweise eine Wandstärke zwischen 0,2 bis 5 mm auf.
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Das die Verbindungsabschnitte 125 weisen vorzugsweise parallel zur Kabellängsachse A eine Länge L1 zwischen dem 0,1- bis 10-fachen des Durchmessers D des Kabels 100 auf. Vorzugsweise weisen die Verbindungsabschnitte 125 zueinander einen Abstand L2 des 0,5- bis 10-fachen des Durchmessers D des Kabels 100 auf.
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Ferner weist das Kabel 100 an den Enden zwei ummantelungsfreie Abschnitte 115 auf, in dem keine Stabilisierungsummantelung 120 angeordnet ist. Diese ummantelungsfreien Abschnitte 115 sind vorzugsweise mindestens so groß wie der Durchmesser des Kabels D, d.h. L3 ≥ D.
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In 3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels 100 zum Betrieb einer Gradientenspule einer Magnetresonanzvorrichtung 10 dargestellt. In einem Schritt 200 wird zumindest ein elektrischer Leiter 110 in eine Stabilisierungsummantelung 120 eingeführt. In einem Schritt 210 wird zwischen der Stabilisierungsummantelung 120 und dem zumindest einen elektrischen Leiter 110 eine formschlüssige Verbindung hergestellt. Schritt 210 kann beispielsweise mittels Krimpen und/oder Warmverformen erfolgen.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren sowie bei dem dargestellten Kabel und der dargestellten Magnetresonanzvorrichtung lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass die betreffenden Komponenten aus mehreren zusammenwirkenden Teil-Komponenten bestehen, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
