DE102022210218A1

DE102022210218A1 - Gradientenspuleneinheit mit separat ansteuerbaren Leiterstrukturpaaren

Info

Publication number: DE102022210218A1
Application number: DE102022210218.5A
Authority: DE
Inventors: Simon Bauer; Peter Dietz; Andreas Krug; Stefan Stocker
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2022-09-27
Publication date: 2024-03-28
Also published as: US20240103108A1; CN115902731A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gradientenspuleneinheit umfassend eine hohlzylindrische Primärspule umgebend eine Zylinderachse in Längsrichtung und ausgebildet zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine erste Raumrichtung, welche Primärspule zwei primäre Leiterstrukturpaare umfasst, wobei jedes primäre Leiterstrukturpaar der zwei primären Leiterstrukturpaare- separat ansteuerbar ist,- jeweils eine Hälfte der Primärspule umspannt,- zwei spiralförmige Leiterstrukturen umfasst,- welche von einem als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiter gebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gradientenspuleneinheit umfassend eine Primärspule mit zwei separat ansteuerbaren Leiterstrukturpaaren, ein Gradientensystem und ein Magnetresonanzgerät.
In einem Magnetresonanzgerät wird üblicherweise der zu untersuchende Körper eines Untersuchungsobjektes, insbesondere eines Patienten, mit Hilfe eines Hauptmagneten einem relativ hohen Hauptmagnetfeld, beispielsweise von 1,5 oder 3 Tesla, ausgesetzt. Im Rahmen einer Magnetresonanzbildgebung (MR-Bildgebung) werden mit Hilfe einer Gradientenspuleneinheit Gradientenpulse ausgespielt. Zusätzlich werden über eine Hochfrequenzantenneneinheit dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen hochfrequente Hochfrequenz-Pulse (HF-Pulse), insbesondere Anregungspulse, ausgesendet, was dazu führt, dass die Kernspins bestimmter, durch diese HF-Pulse resonant angeregter Atome um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Hauptmagnetfelds verkippt werden. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenz-Signale, so genannte Magnetresonanz-Signale, abgestrahlt, die mittels geeigneter Hochfrequenzantennen empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Aus den so akquirierten Rohdaten können schließlich die gewünschten Bilddaten rekonstruiert werden.
Für eine bestimmte Messung ist daher eine bestimmte Magnetresonanz-Steuerungssequenz (MR-Steuerungssequenz), auch Pulssequenz genannt, auszusenden, welche aus einer Folge von Hochfrequenz-Pulsen, beispielsweise Anregungspulsen und Refokussierungspulsen, sowie passend dazu koordiniert auszusendenden Gradientenpulsen in verschiedenen Gradientenachsen entlang verschiedener Raumrichtungen besteht. Zeitlich passend hierzu werden Auslesefenster gesetzt, welche die Zeiträume vorgeben, in denen die induzierten Magnetresonanz-Signale erfasst werden.
Eine Gradientenspuleneinheit umfasst herkömmlich drei Primärspulen und drei dazu korrespondierende Sekundärspulen. Die drei Primärspulen werden typischerweise von einer Primärspuleneinheit umfasst. Die drei Sekundärspulen werden typischerweise von einer Sekundärspuleneinheit umfasst. Eine Primärspule ist typischerweise zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine Raumrichtung ausgelegt, insbesondere innerhalb eines Patientenaufnahmebereiches. Ein Magnetfeldgradient ist typischerweise ein Magnetfeld erster Ordnung und/oder linearer Ordnung, insbesondere ein Magnetfeld, dessen Amplitude entlang einer Raumrichtung linear ansteigt. Außerhalb des Patientenaufnahmebereiches wird die Wirkung einer Primärspule durch eine der Primärspule zugeordnete Sekundärspule weitgehend unterdrückt. Die Sekundärspule umgibt typischerweise die entsprechende Primärspule und ist mit dieser elektrisch in Serie geschaltet. Die typischerweise drei von der Gradientenspuleneinheit umfassten Primärspulen sind dazu ausgebildet, Magnetfeldgradienten in drei zueinander senkrechte Raumrichtungen zu erzeugen.
Ein Magnetfeldgradient wird erzeugt durch Ansteuerung der Primärspule mit elektrischen Strömen, deren Amplituden mehrere 100 A erreichen und die häufigen und raschen Wechseln der Stromrichtung mit Anstiegs- und Abfallraten von mehreren 100 kAIs unterliegen. Ein Magnetfeldgradient ist somit ein zeitlich veränderliches Magnetfeld.
Stärkere Magnetfeldgradienten und/oder Anstiegs- und Abfallraten ermöglichen typischerweise größere Gradientenmomente und damit eine schnellere Aufnahme von Rohdaten und/oder eine höhere Auflösung von Bilddaten. Insbesondere bei diffusionsgewichteten Aufnahmen und/oder bei einer Verwendung eines Magnetresonanzgerätes mit einem Hauptmagnetfeld von mehr als 3 Tesla, sind besonders starke Magnetfeldgradienten von bis zu 250 mT/m mit Anstiegs- und Abfallraten von bis zu 150 T/s/m, in besonderen Fällen bis 200 T/s/m, wünschenswert. Insbesondere für Ganzkörperuntersuchungen, welche sich über einen längeren Zeitraum erstrecken und erfordern, dass die Größe des Patientenaufnahmebereiches, insbesondere des Untersuchungsbereiches, derart ausgestaltet ist, dass nicht nur der Kopfbereich, sondern auch das Abdomen eines Patienten innerhalb des Patientenaufnahmebereiches lagerbar ist, sind derart leistungsfähige Gradientenspuleneinheiten bislang nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gradientenspuleneinheit zur Erzeugung eines besonders hohen Magnetfeldgradienten mit starken Anstiegs- und Abfallraten anzugeben. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Gradientenspuleneinheit umfasst eine hohlzylindrische Primärspule umgebend eine Zylinderachse in Längsrichtung und ausgebildet zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine erste Raumrichtung, welche Primärspule zwei primäre Leiterstrukturpaare umfasst, wobei jedes primäre Leiterstrukturpaar der zwei primären Leiterstrukturpaare

- separat ansteuerbar ist,
- jeweils eine Hälfte der Primärspule, insbesondere zwei Quadranten der Primärspule und/oder der Gradientenspuleneinheit, umspannt, und
- zwei spiralförmige Leiterstrukturen umfasst. Jedes primäre Leiterstrukturpaar der zwei primären Leiterstrukturpaare umfasst einen als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiter und/oder wird von einem als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiter gebildet.

Die erste Raumrichtung ist vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung und entspricht der x-Richtung oder der y-Richtung. Die Gradientenspuleneinheit ist typischerweise hohlzylinderförmig umgebend die Zylinderachse in Längsrichtung ausgebildet. Die Gradientenspuleneinheit und/oder die Primärspule ist typischerweise in vier Quadranten unterteilbar und/oder die Gradientenspuleneinheit umfasst vier Quadranten, wobei diese vier Quadranten typischerweise lediglich vier disjunkte geometrische Bereiche der Gradientenspuleneinheit definieren. Die vier Quadranten bezeichnen typischerweise Bereiche der Gradientenspuleneinheit, wobei ein Übergang zwischen zwei Quadranten jeweils frei von einer physischen und/oder sichtbaren Trennung ist. Die Gradientenspuleneinheit und/oder die Primärspule ist typischerweise in zwei Hälften unterteilbar und/oder die Gradientenspuleneinheit umfasst zwei Hälften, wobei diese zwei Hälften typischerweise lediglich zwei disjunkte geometrische Bereiche der Gradientenspuleneinheit definieren. Die zwei Hälften bezeichnen typischerweise Bereiche der Gradientenspuleneinheit, wobei ein Übergang zwischen den zwei Hälften jeweils frei von einer physischen und/oder sichtbaren Trennung ist. Die Hälften der Gradientenspuleneinheit sind typischerweise durch eine Ebene parallel zur Längsrichtung, insbesondere durch eine Ebene umfassend die Zylinderachse, oder durch eine Ebene senkrecht zur Längsrichtung voneinander getrennt.
Ein primäres Leiterstrukturpaar umfasst typischerweise den elektrischen Leiter mit einer definierten geometrischen Anordnung. Ein primäres Leiterstrukturpaar ist typischerweise auf einer Mantelfläche eines Zylinders angeordnet und/oder sattelförmig ausgestaltet. Die zwei primären Leiterstrukturpaare sind vorzugsweise auf der gleichen Mantelfläche eines Zylinders angeordnet und/oder sind sattelförmig mit gleicher Krümmung ausgestaltet und/oder weisen den gleichen radialen Abstand zur Zylinderachse auf. Die zwei primären Leiterstrukturpaare unterscheiden sich vorzugsweise durch deren Position in Umfangsrichtung des Zylinders, welche sich beispielsweise um 180° unterscheiden kann, oder in Längsrichtung, wobei ein primäres Leiterstrukturpaar eine Hälfte des Zylinders in Längsrichtung in Umfangsrichtung vollständig umschließt. Ein primäres Leiterstrukturpaar wird räumlich typischerweise von zwei Quadranten der Gradientenspuleneinheit begrenzt und/oder ist innerhalb von zwei Quadranten angeordnet, wobei die zwei Quadranten zumindest eine gemeinsame Kante und/oder Fläche aufweisen.
Eine spiralförmige Leiterstruktur umfasst typischerweise einen Anteil des dem primäre Leiterstrukturpaar zuzuordnenden elektrischen Leiters mit einer definierten geometrischen Anordnung auf einer Mantelfläche eines Zylinders innerhalb eines Quadranten. Die spiralförmige Leiterstruktur ist typischerweise sattelförmig ausgestaltet. Die spiralförmige Leiterstruktur ist vorzugsweise zumindest teilweise spiralförmig, aufweisend Windungen mit unterschiedlichem Radius relativ zu einem Fixpunkt, geformt. Die spiralförmige Leiterstruktur umgibt zumindest einen Fixpunkt und/oder ein Auge zumindest teilweise spiralförmig.
Die von einem primären Leiterstrukturpaar umfassten spiralförmigen Leiterstrukturen werden typischerweise aus einem, insbesondere dem gleichen, elektrischen Leiter gebildet, welcher elektrische Leiter derart geformt ist, dass dieser konsekutiv eine erste spiralförmige Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen in einem ersten Quadranten und eine zweite spiralförmige Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen in einem zweiten Quadranten bildet. Bei Ansteuerung des primären Leiterstrukturpaares wird demnach ein elektrischer Strom durch das primäre Leiterstrukturpaar geleitet, insbesondere mittels des elektrischen Leiters, wobei zunächst eine erste spiralförmige Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen und anschließend eine zweite spiralförmige Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen durchflossen wird. Jeweils ein primäres Leiterstrukturpaar wird typischerweise durch jeweils eine Gradientenverstärkereinheit angesteuert.
Die beiden primären Leiterstrukturpaare sind vorzugsweise symmetrisch zueinander angeordnet, insbesondere symmetrisch zur Zylinderachse und/oder zu einer Achse senkrecht zur Zylinderachse. Jedes der beiden primären Leiterstrukturpaare wird vorzugsweise durch jeweils einen elektrischen Leiter, insbesondere genau einen elektrischen Leiter, insbesondere einen als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiter, gebildet. Die zwei spiralförmigen Leiterstrukturen eines primären Leiterstrukturpaares sind vorzugsweise symmetrisch zueinander.
Der Hohlleiter kann monolithisch ausgebildet sein. Der Hohlleiter umfasst elektrisch leitfähiges Material, das im inneren einen Hohlbereich aufweist, welcher Hohlbereich sich über die Länge des Hohlleiters erstreckt. Das elektrisch leitfähige Material ist dazu ausgebildet, einen elektrischen Strom entsprechend der spiralförmigen Leiterstrukturen zu leiten. Der Hohlbereich ist zur Aufnahme eines Kühlmediums, insbesondere eines Fluids, ausgebildet. Zwischen dem Hohlbereich und dem elektrischen Material kann eine Lage und/oder Schicht umfassend ein weiteres Material angeordnet sein. Die Lage und/oder Schicht kann als Rohr ausgebildet sein. Das weitere Material kann beispielsweise Edelstahl umfassen.
Die Querschnittsfläche des Hohlbereiches kann kreisförmig und/oder rechteckig und/oder elliptisch ausgestaltet sein. Die Querschnittsfläche des Hohlleiters kann auf der dem Hohlbereich angewandten Seite eine rechteckige und/oder ovale und/oder kreisförmige Form aufweisen und/oder abgeschrägte Ecken aufweisen. Der Hohlleiter ist typischerweise derart ausgebildet, dass von diesem ein Fluid umschlossen werden kann, oder innerhalb des Hohlbereiches ein Kühlmedium, insbesondere ein Fluid, strömen kann, insbesondere entlang der Länge des Hohlleiters. Der Hohlleiter ist vorzugsweise von einem Kühlmedium durchströmbar. Die Gradientenspuleneinheit kann einen Kühlkreislauf umfassend ein Kühlmedium umfassen. Der Hohlleiter kann zur Aufnahme des Kühlmediums ausgebildet sein. Der Kühlkreislauf kann eine Pumpe zur Erzeugung eines Flusses des Kühlmediums, insbesondere durch den Hohlleiter, umfassen. Der Kühlkreislauf umfasst vorzugsweise eine Kühleinheit ausgebildet zur Senkung der Temperatur des Kühlmediums. Die Kühleinheit und/oder die Pumpe ist typischerweise außerhalb der hohlzylindrischen Form der Gradientenspuleneinheit angeordnet.
Die Gradientenspuleneinheit ist typischerweise hohlzylindrisch ausgestaltet. Die Gradientenspuleneinheit ist typischerweise derart ausgestaltet, dass der Durchmesser der Innenseite der Primärspule zumindest 55cm, bevorzugt zumindest 60 cm, besonders bevorzugt zumindest 70 cm beträgt. Die Gradientenspuleneinheit ist typischerweise derart ausgestaltet, dass innerhalb eines von der Gradientenspuleneinheit umgebenen und/oder umschlossenen Hohlbereiches ein Patient, insbesondere ein Abdomen eines Patienten, angeordnet werden kann. Die Gradientenspuleneinheit kann auch als lokale Kopfgradientenspule ausgebildet sein, wobei innerhalb eines von der Gradientenspuleneinheit umgebenen und/oder umschlossenen Hohlbereiches ein Kopf eines Patienten, angeordnet werden kann. Ist die Gradientenspuleneinheit als lokale Kopfgradientenspule ausgebildet, beträgt der Durchmesser der Innenseite der Primärspule bevorzugt zwischen 35 cm und 55cm, besonders bevorzugt zwischen 40 cm und 50 cm.
Die Gradientenspuleneinheit umfasst erfindungsgemäß zwei primäre Leiterstrukturpaare und vier spiralförmige Leiterstrukturen, wobei die vier spiralförmigen Leiterstrukturen in jeweils voneinander verschiedenen Quadranten angeordnet sind. Die Gradientenspuleneinheit umfasst vorzugsweise eine zusätzliche Primärspule, welche analog zu der erfindungsgemäß umfassten Primärspule ausgebildet, jedoch in Umfangsrichtung um 90° gedreht ist. Diese zusätzliche Primärspule ist zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine dritte Raumrichtung ausgebildet, welche senkrecht zur ersten Raumrichtung und senkrecht zur Längsrichtung ist.
Es wurde erkannt, dass die Amplitude eines Magnetfeldgradienten (G) proportional zu einer Sensitivität (S) und einer Stromstärke (I) der Primärspule ist. Zudem gilt für die Slew Rate (SR), also für eine maximale Anstiegs- und Abfallrate: SR = S · dI / dt. Unter Berücksichtigung der Induktivität (L) der Primärspule und des elektrischen Widerstandes (R) der Primärspule, gilt für die Spannung (U) zudem U = L · dI / dt + R · I. Die Induktivität dominiert typischerweise den Widerstand. Eine Erhöhung der Spannung (U) ermöglicht sowohl eine Erhöhung der Slew Rate, als auch der Stromstärke, also des Magnetfeldgradienten. Die Verwendung von zwei separat ansteuerbaren primären Leiterstrukturpaare ermöglicht die Verwendung besonders hoher Spannungen zur Ansteuerung der Primärspule. Eine sich dadurch erhöhende Verlustleistung P = I² · R in Form von Wärme kann insbesondere durch die Verwendung durch Hohlleiter besonders gut abgeführt werden. Analoges gilt für die Gradientenspule umfassend die Primärspule.
Die erfindungsgemäße Kombination von Hohlleitern mit zwei separat ansteuerbaren primären Leiterstrukturpaaren ermöglicht demnach eine besonders hohe Amplitude eines Magnetfeldgradienten bei gleichzeitig hohen Anstiegs- und Abfallraten. Insbesondere die Unterteilung der Primärspule in zwei primäre Leiterstrukturpaare, welche vorzugsweise gleichen Durchmesser und/oder radialen Abstand zu Zylinderachse aufweisen, insbesondere eine einlagige Bauweise der Primärspule, ermöglicht insbesondere eine kompakte Bauweise der Gradientenspuleneinheit. Zusätzlich kann bei Verwendung von Hohlleitern auf Kühlungslagen verzichtet werden. Herkömmlich wird die Verlustleistung einer Gradientenspuleneinheit mittels separater Kühlungslagen, die bis zu einigen Zentimetern vom elektrischen Leiter entfernt sein können, abgeführt. Die Effizienz der Kühlung und damit die Dauer, während der Magnetfeldgradienten besonders hoher Amplitude erzeugbar sind, ist bestimmt durch den Übergang von der Wärmequelle, d.h. dem elektrischen Leiter zum Kühlmedium, und damit bestimmt durch Übergangswiderstand, Wärmeleitfähigkeit und Kapazität des Materials, und vom Kühlmedium und der Menge der abführbaren Energie. Eine direkte Kühlung mittels Hohlleiter kann die Verluste des Übergangs, insbesondere durch Minimierung des Übergangswiderstands und der Wärmekapazität zwischen Wärmequelle und Kühlmedium, minimieren und die Effizienz der Kühlung verbessern. Bei entsprechender Auslegung der Hohlleiter, insbesondere hinsichtlich Querschnitts und Länge, kann mit einer direkten Kühlung die Verlustleistung schnell vom Leiter abgeführt werden. Es entfällt die Trägheit aufgrund der Erwärmung der Wärmekapazität zwischen elektrischem Leiter und Kühlmedium. Die erfindungsgemäße Gradientenspuleneinheit ist vorzugsweise frei von zusätzlichen Kühlungslagen. Dies ermöglicht insbesondere einen besonders großen Innendurchmesser der Gradientenspuleneinheit und damit einen besonders großen Untersuchungsbereich, der vorzugsweise einen Oberkörper und/oder den Kopf eines Patienten vollständig umgeben und/oder umschließen kann. Insbesondere bei Ausbildung der Gradientenspuleneinheit als lokale Kopfgradientenspule, ausgebildet zur Aufnahme eines Kopfbereiches eines Untersuchungsobjektes, kann zumindest ein primäres Leiterstrukturpaar der zwei primären Leiterstrukturpaare asymmetrisch ausgebildet sein. So können beispielsweise die von dem Leiterstrukturpaar umfassten zwei spiralförmigen Leiterstrukturen eine unterschiedliche räumliche Ausdehnung in Längsrichtung aufweisen.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht vor, dass ein Anteil des elektrischen Leiters eines primären Leiterstrukturpaares, welcher einer spiralförmigen Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen zuzuordnen ist, in zwei seriell miteinander verbundene Abschnitte, insbesondere in zwei elektrisch seriell miteinander verbundene Abschnitte, unterteilbar ist, und der Anteil des elektrischen Leiters derart spiralförmig in Windungen angeordnet ist, dass zwei benachbarte Windungen des elektrischen Leiters den beiden voneinander verschiedenen Abschnitten zuzuordnen sind.
Der elektrische Leiter ist typischerweise in zwei Anteile zu unterteilen, wobei ein erster Anteil der zwei Anteile eine erste spiralförmige Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen und ein zweiter Anteil der zwei Anteile eine zweite spiralförmige Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen bildet. Die beiden Anteile sind typischerweise seriell miteinander verbunden, insbesondere elektrisch seriell miteinander verbunden. Jeder Anteil der beiden Anteile ist gemäß dieser Ausführungsform in zwei seriell miteinander verbundene Abschnitte untergliedert und/oder kann aus den zwei Abschnitten bestehen. Die beiden Abschnitte gehen vorzugsweise an genau einer Position kontinuierlich ineinander über, sind demnach insbesondere an dieser Position zusammenhängend. Die Länge der beiden Abschnitte unterscheidet sich vorzugsweise um weniger als 5%. Die beiden Abschnitte können demnach als Hälften eines Anteils bezeichnet werden.
Die geometrische Anordnung des elektrischen Leiters ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass dieser spiralförmig in Windungen um zumindest einen Fixpunkt verläuft, insbesondere auf einer Sattelform. Der elektrische Leiter, insbesondere der Anteil, ist derart angeordnet, dass auf einer Verbindungslinie zwischen dem Fixpunkt und einem Rand des Quadranten mehrere Windungen verlaufen, wobei die Verbindungslinie zumindest teilweise abwechselnd eine einem ersten Abschnitt der beiden Abschnitte zugeordnete Windung und eine dem zweiten Abschnitt der beiden Abschnitte zugeordnete Windung kreuzt. Eine Windung ist dem ersten Abschnitt zuzuordnen, wenn der elektrische Leiter, der diese Windung bildet, dem ersten Abschnitt des Anteils des elektrischen Leiters entspricht. Eine Windung ist dem zweiten Abschnitt zuzuordnen, wenn der elektrische Leiter, der diese Windung bildet, dem zweiten Abschnitt des Anteils des elektrischen Leiters entspricht.
Die Windungen sind vorzugsweise derart angeordnet, dass bei Ansteuerung der Primärspule, insbesondere bei Ansteuerung des primären Leiterstrukturpaares, ein elektrischer Strom in zwei benachbarten Windungen gleich und/oder parallel ausgerichtet ist.
Diese Anordnung des elektrischen Leiters gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht, dass sich ein vom Hohlleiter umschlossenes Kühlmedium gleichmäßiger über die verschiedenen Windungen hinweg verteilen kann. Insbesondere weisen benachbarte Windungen folgend der spiralförmigen Anordnung einen Abstand der Länge eines Abschnitts auf. Das Kühlmedium erwärmt sich typischerweise entlang der spiralförmigen Anordnung und durchströmt zunächst den ersten Abschnitt und anschließend den zweiten Abschnitt, weshalb die Kühlfähigkeit des Kühlmediums im ersten Abschnitt größer ist als im zweiten Abschnitt. Gemäß dieser Ausführungsform kann die Primärspule besonders gut gekühlt werden, da sich das Kühlmedium innerhalb des Hohlleiters gleichmäßig verteilen und wirken kann.
Die Sensitivität einer Gradientenspuleneinheit wird typischerweise durch die Stromdichte, insbesondere durch eine räumliche Dichte des elektrischen Leiters, insbesondere der spiralförmigen Leiterstruktur, bestimmt. Eine höhere Anzahl an Windungen bewirkt typischerweise einen geringeren Abstand zwischen zwei benachbarten Windungen, was typischerweise eine Erhöhung der Stromdichte bei Ansteuerung der Primärspule bewirkt.
Die Gradientenspuleneinheit gemäß dieser Ausführungsform kann aufgrund ihrer Anordnung im Vergleich zu einer herkömmlichen Gradientenspuleneinheit eine höhere Leiterdichte aufweisen und dadurch eine höhere Amplitude des Magnetfeldgradienten erzeugen. Eine höhere Leiterdichte kann die Induktivität L erhöhen, ein längerer elektrischer Leiter kann den Widerstand R und damit die Verlustleistung P erhöhen. Die verbesserte Kühlung aufgrund der Anordnung der Windungen und die Verwendung des Hohlleiters kann insbesondere eine aufgrund der Verlustleistung entstehende Wärme besonders gut abführen. Die Gliederung der Primärspule in zwei primäre Leiterstrukturpaare ermöglicht die Verwendung höherer Spannungen und damit einen Ausgleich für die höhere Induktivität. Diese Ausführungsform ermöglicht demnach besonders starke Magnetfeldgradienten bei gleichzeitig hoher Slew Rate.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit umfasst einen ersten Kühlkreislauf mit einem ersten Kühlmedium und einen zweiten Kühlkreislauf mit einem zweiten Kühlmedium, wobei der elektrische Leiter in einem ersten Abschnitt der zwei seriell miteinander verbundenen Abschnitte als Hohlleiter das erste Kühlmedium und der elektrische Leiter in einem zweiten Abschnitt der zwei seriell miteinander verbundenen Abschnitte als Hohlleiter das zweite Kühlmedium umschließt.
Die Gradientenspuleneinheit ist gemäß dieser Ausführungsform derart ausgebildet, dass einer spiralförmigen Leiterstruktur zwei Kühlkreislauf zugeordnet sind. Der erste Kühlkreislauf ist gemäß dieser Ausführungsform zur Kühlung des ersten Abschnittes ausgebildet. Der erste Kühlkreislauf ist gemäß dieser Ausführungsform dazu ausgebildet, den ersten Abschnitt, insbesondere den Hohlbereich des Hohlleiters des ersten Abschnittes, mit dem ersten Kühlmedium zu durchströmen. Der zweite Kühlkreislauf ist gemäß dieser Ausführungsform dazu ausgebildet, den zweiten Abschnitt, insbesondere den Hohlbereich des Hohlleiters des zweiten Abschnittes, mit dem zweiten Kühlmedium zu durchströmen.
Jeder in dieser Beschreibung offenbarte Kühlkreislauf, insbesondere auch der erste, der zweite und jeder im weiteren Verlauf dieser Beschreibung beschriebene oder beanspruchte Kühlkreislauf, kann eine Pumpe zur Erzeugung eines Flusses und/oder Stromes des entsprechenden Kühlmediums, insbesondere durch einen Hohlleiter, umfassen. Jeder Kühlkreislauf umfasst vorzugsweise eine Kühleinheit ausgebildet zur Senkung der Temperatur des Kühlmediums. Die Kühleinheit und/oder die Pumpe ist typischerweise außerhalb der hohlzylindrischen Form der Gradientenspuleneinheit angeordnet.
Der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf sind vorzugsweise voneinander getrennt. Das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium umfassen vorzugsweise ein Fluid. Das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium weisen typischerweise die gleichen chemischen und/oder physikalischen Eigenschaften auf und/oder umfassen das gleiche Material. Das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium unterscheiden sich typischerweise lediglich darin, dass sie jeweils unterschiedlichen Kühlkreisläufen zugeordnet sind. Das erste Kühlmedium kann dem zweite Kühlmedium entsprechen.
Der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf können parallel durchflossen werden und/oder von einem gleichen Reservoir umfassend das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium gespeist werden und/oder das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium können gemeinsam durch eine Pumpe in Strömung und/oder Fluss versetzt werden und/oder das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium können durch eine gemeinsame und/oder einzige Kühleinheit gekühlt werden.
Diese Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht demnach vor, dass die Temperatur jeweils einer spiralförmigen Leiterstruktur durch zwei Kühlkreisläufe reguliert werden kann und/oder die Verlustleistung einer spiralförmigen Leiterstruktur mittels zweier Kühlkreisläufe abgeleitet werden kann. Im Vergleich zur Kühlung mit nur einem Kühlkreislauf ist bei Verwendung der zwei Kühlkreisläufe die Länge jedes Kühlkreislaufes vorzugsweise reduziert und/oder halbiert, wodurch die Effizienz der Kühlung verbessert werden kann. Die Länge des ersten Kühlkreislaufes und des zweiten Kühlkreislaufes unterscheiden sich typischerweise um weniger als 5%.
Diese Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht demnach vor, dass

- jeweils eine spiralförmige Leiterstruktur durch jeweils zwei Kühlkreisläufe,
- jeweils ein primäres Leiterstrukturpaar durch jeweils vier Kühlkreisläufe, und
- die Primärspule insgesamt durch zumindest acht Kühlkreisläufe,

Diese Ausführungsform verbessert die Kühlleistung für die Gradientenspuleneinheit. Insbesondere die Verwendung von Hohlleitern, innerhalb wessen Hohlbereich ein Kühlmedium strömt, ermöglicht insbesondere im Vergleich zu Kühlungslagen einen besonders effizienten Wärmeabtransport. Die zusätzliche Verwendung mehrerer Kühlkreisläufe ermöglicht eine besonders wirksame Kühlung, da mit steigender Anzahl der Kühlkreisläufe die Länge der einzelnen Kühlkreisläufe verringert und so die durchschnittliche Temperatur der Kühlmedien reduziert werden kann. Dies ermöglicht insbesondere auch eine kontinuierliche Erzeugung von Magnetfeldgradienten mit überdurchschnittlicher Amplitude, beispielsweise mit zumindest 35 mT/m über einen Zeitraum von zumindest einer halben Stunde, also einen typischerweise maximalen Zeitraum einer Untersuchung eines Untersuchungsobjektes mit einem Magnetresonanzgerät.
Es wurde erkannt, dass die Amplitude eines Magnetfeldgradienten (G) proportional zu der Stromdichte ist, zu welcher Stromdichte die Sensitivität (S) der Gradientenspuleneinheit proportional ist. Eine Erhöhung der Leiterzahl, insbesondere der Windungen, erhöht typischerweise die Stromdichte. Bei einer Verdopplung der Windungen mit einem halb so dicken elektrischen Leiter, wird typischerweise die Sensitivität (S) verdoppelt und der elektrische Widerstand (R) vervierfacht sich. Die Induktivität (L) vervierfacht sich typischerweise, wodurch sich die Slewrate (SR) ohne weitere Maßnahmen gemäß U=L dI/dt +RI und SR = U/L · S halbiert, wobei der ohmsche Anteil gegenüber dem induktiven Anteil vernachlässigt werden kann. Die Slew Rate kann durch eine Verdopplung der Spannung, wie beispielsweise erfindungsgemäß durch eine Verwendung von zwei separat ansteuerbaren primären Leiterstrukturpaaren, konstant gehalten werden. Die Verlustleistung P = I² · R = (G / S)² · R ändert sich gemäß diesem Beispiel nicht, sofern keine höhere Amplitude des Magnetfeldgradienten (G) erzeugt wird.
Da die höhere Sensitivität (S) typischerweise eine höhere Amplitude des Magnetfeldgradienten (G) ermöglicht, steigt mit dieser auch die Verlustleistung und es besteht ein erhöhter Kühlungsbedarf. Insbesondere die Erzeugung hoher Gradientenmomente kombiniert mit der Möglichkeit des schnellen Schaltens der Gradientenspuleneinheit, also einer hohen Slew Rate, erfordert neue Kühlungsmöglichkeiten.
Die Verwendung von Hohlleitern in Verbindung mit mehreren Kühlkreisläufe gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht eine effiziente Kühlung und Abführung der Verlustleistung über einen längeren Zeitraum hinweg. Diese Ausführungsform ermöglicht die Erzeugung einer maximalen Amplitude des Magnetfeldgradienten von zumindest 180 mT/m, vorzugsweise von zumindest 200 mT/m bei einer Slew Rate von zumindest 180 mT/m/ms, vorzugsweise von zumindest 200 mT/m/ms, insbesondere bei Ansteuerung der beiden Gradientenverstärkereinheiten mit jeweils einer Spannung zwischen 2200V und 2300V und/oder mit jeweils einer Stromstärke zwischen 1100A und 1300A. Dabei kann der ohmsche Widerstand der Primärspule und/oder der Gradientenspuleneinheit zwischen 400 mΩ und 500 mΩ und die Induktivität zwischen 1350 µH und 3500 µH, insbesondere zwischen 2000 µH und 3000 µH betragen.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht vor, dass der Anteil des elektrischen Leiters derart angeordnet ist, dass die zwei benachbarten Windungen jeweils paarweise verlaufen und/oder jeweils eine Windung zu einer ersten benachbarten Windung einen geringeren Abstand aufweist als zu einer zweiten benachbarten Windung. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders gleichmäßige Kühlung der Primärspule. Zudem ist eine derartige Gradientenspuleneinheit besonders robust zu fertigen.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht vor, dass der elektrische Leiter derart spiralförmig in Windungen angeordnet ist, dass jede der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen zumindest 35 Windungen aufweist.
Der elektrische Leiter ist gemäß dieser Ausführungsform derart ausgestaltet, dass dieser innerhalb eines Quadranten zumindest einen Fixpunkt in zumindest 35, bevorzugt zumindest 39, besonders bevorzugt zumindest 45 Windungen zumindest teilweise spiralförmig umgibt. Die Windungen können dabei dem ersten Abschnitt oder dem zweiten Abschnitt zugeordnet werden. Der elektrische Leiter weist innerhalb eines Quadranten typischerweise weniger als 65, bevorzugt weniger als 55, besonders bevorzugt weniger als 50 Windungen auf. Eine derart hohe Windungszahl ermöglicht eine besonders hohe Stromdichte und damit eine besonders hohe maximale Gradientenamplitude.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht vor, dass der elektrische Leiter eine Querschnittsfläche von weniger als 35 mm², bevorzugt von weniger als 32 mm², besonders bevorzugt von weniger als 30 mm² aufweist. Die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters umfasst typischerweise die Querschnittsfläche des leitfähigen Materials des elektrischen Leiters, insbesondere des Hohlleiters. Die Querschnittsfläche des Hohlbereiches des elektrischen Leiters, insbesondere des Hohlleiters, welcher Hohlbereich zur Aufnahme eines Kühlmediums ausgebildet sein kann, beträgt typischerweise zwischen 9 mm² und 16 mm², bevorzugt zwischen 11 mm² und 14 mm², besonders bevorzugt zwischen 12 mm² und 13 mm². Ein derartig ausgestalteter Hohlleiter kann einen elektrischen Strom mit einer Stärke zwischen 800 A und 1500 A, insbesondere mit 1200 A besonders gut mit möglichst geringer Verlustleistung bei gleichzeitig direkter Kühlung durch das Kühlmedium leiten.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht vor, dass jede der spiralförmigen Leiterstrukturen derart ausgestaltet ist, dass sie zwei Fixpunkte spiralförmig umgibt, insbesondere innerhalb eines Quadranten. Die zwei Fixpunkte unterscheiden sich vorzugsweise durch ihre Position in Längsrichtung. Ein erster Fixpunkt der beiden Fixpunkte liegt typischerweise näher an einer Mitte der Gradientenspuleneinheit in Längsrichtung als ein zweiter Fixpunkt der beiden Fixpunkte. Der erste Fixpunkt und der zweite Fixpunkt weisen vorzugsweise eine gleiche Position in Umfangsrichtung auf. Die Anzahl der den ersten Fixpunkt umgebenden Windungen des elektrischen Leiters ist typischerweise zumindest dreimal, vorzugsweise zumindest fünfmal so groß wie die Anzahl der den zweiten Fixpunkt umgebenden Windungen des elektrischen Leiters. Die spiralförmige Leiterstruktur ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass die den zweiten Fixpunkt umgebenden Windungen den den ersten Fixpunkt umgebenden Windungen entgegengerichtet sind und/oder ein elektrischer Strom in Windungen umgebend den ersten Fixpunkt einem elektrischen Strom in Windungen umgebend den zweiten Fixpunkt entgegengerichtet ist. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Reduktion der auf die Gradientenspuleneinheit wirkenden Kraft. Zudem wird ein von der Primärspule und/oder Gradientenspuleneinheit erzeugtes Streufeld reduziert.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht vor, dass die beiden primären Leiterstrukturpaare durch eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse voneinander getrennt sind. Die beiden primären Leiterstrukturpaare sind vorzugsweise symmetrisch zu einer Ebene senkrecht zur Zylinderachse, insbesondere die Mittelebene der Gradientenspuleneinheit in Längsrichtung. Ein primäres Leiterstrukturpaar umspannt gemäß dieser Ausführungsform eine halbe Länge der Gradientenspuleneinheit in voller Umfangsrichtung. Diese Ausführungsform ermöglicht eine robuste Fertigung und ermöglicht gut eine separate Ansteuerung der beiden primären Leiterstrukturpaare.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit umfasst eine weitere Primärspule ausgebildet zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine zweite Raumrichtung entsprechend der Längsrichtung, wobei die weitere Primärspule zwei schraubenförmige Leiterstrukturen umgebend die Zylinderachse umfasst, welche zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen durch eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse räumlich voneinander getrennt sind und separat ansteuerbar sind, und jede der zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen einen als Hohlleiter ausgebildeten weiteren elektrischen Leiter umfasst.
Jede der zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen umfasst vorzugsweise genau einen weiteren elektrischen Leiter und/oder ist innerhalb zwei Quadranten, welche eine gemeinsame Kante aufweisen, angeordnet. Eine erste schraubenförmige Leiterstruktur der beiden schraubenförmigen Leiterstrukturen ist vorzugsweise innerhalb der gleichen Quadranten wie das erste primäre Leiterstrukturpaar angeordnet. Eine zweite schraubenförmige Leiterstruktur der beiden schraubenförmigen Leiterstrukturen ist vorzugsweise innerhalb der gleichen Quadranten wie das zweite primäre Leiterstrukturpaar angeordnet.
Die schraubenförmige Leiterstrukturen sind jeweils auf einer Mantelfläche eines Zylinders angeordnet und/oder umgeben diesen Zylinder schraubenförmig. Die beiden schraubenförmigen Leiterstrukturen weisen typsicherweise den gleichen Durchmesser auf und/oder sind koaxial mit der Primärspule und/oder der Zylinderachse angeordnet.
Diese Ausführungsform, insbesondere die weitere Primärspule, ermöglicht die Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in Längsrichtung mit den gleichen Spezifikationen, insbesondere gleicher Amplitude und Slew Rate wie die Primärspule in die erste Raumrichtung. Diese Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit ist demnach universell verwendbar.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht vor, dass wobei der weitere elektrische Leiter einer schraubenförmigen Leiterstruktur der zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen in zumindest zwei seriell miteinander verbundene weitere Abschnitte unterteilbar ist, und der weitere elektrische Leiter derart schraubenförmig in weiteren Windungen angeordnet ist, dass zwei benachbarte weitere Windungen des weiteren elektrischen Leiters den zumindest zwei voneinander verschiedenen weiteren Abschnitten zuzuordnen sind.
Die beiden weiteren Abschnitte gehen vorzugsweise an genau einer Position kontinuierlich ineinander über, sind demnach insbesondere an dieser Position zusammenhängend. Die Länge der beiden weiteren Abschnitte unterscheidet sich vorzugsweise um weniger als 5%. Die weiteren Windungen sind vorzugsweise derart angeordnet, dass bei Ansteuerung der weiteren Primärspule, insbesondere bei Ansteuerung der schraubenförmigen Leiterstruktur, ein elektrischer Strom in zwei benachbarten weiteren Windungen gleich und/oder parallel ausgerichtet ist. Die zwei weiteren Abschnitte weisen vorzugsweise den gleichen radialen Abstand zur Zylinderachse auf und/oder sind in Längsrichtung benachbart und/oder parallel angeordnet. Die zwei weiteren Abschnitte können auch in radialer Richtung zueinander benachbart angeordnet sein.
Die Gradientenspuleneinheit gemäß dieser Ausführungsform kann aufgrund ihrer Anordnung im Vergleich zu einer herkömmlichen Gradientenspuleneinheit eine höhere Leiterdichte aufweisen und dadurch eine höhere Amplitude des Magnetfeldgradienten in Längsrichtung erzeugen bei gleichbleibend hoher Slew Rate. Die verbesserte Kühlung aufgrund der Anordnung der weiteren Windungen und die Verwendung des Hohlleiters kann insbesondere eine aufgrund der Verlustleistung entstehende Wärme besonders gut abführen.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit umfasst einen vierten Kühlkreislauf mit einem vierten Kühlmedium und einen fünften Kühlkreislauf mit einem fünften Kühlmedium, wobei der elektrische Leiter in einem ersten weiteren Abschnitt der zwei seriell miteinander verbundenen weiteren Abschnitte als Hohlleiter das vierte Kühlmedium und der elektrische Leiter in einem zweiten weiteren Abschnitt der zwei seriell miteinander verbundenen weiteren Abschnitte als Hohlleiter das fünfte Kühlmedium umschließt.
Diese Ausführungsform ermöglicht, analog zur Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit umfassend den ersten Kühlkreislauf und den zweiten Kühlkreislauf für die Primärspule, aufgrund der verbesserten Kühlung, die Verwendung eines Magnetfeldgradienten in zweiter Raumrichtung mit hoher Amplitude, wie beispielsweise zumindest 35 mT/m über einen Zeitraum von zumindest 30 Minuten.
Es ist auch denkbar, dass der elektrische Leiter einer schraubenförmigen Leiterstruktur in zumindest vier seriell miteinander verbundene weitere Abschnitte unterteilbar ist, und der weitere elektrische Leiter derart schraubenförmig in weiteren Windungen angeordnet ist, dass vier benachbarte weitere Windungen des weiteren elektrischen Leiters den zumindest vier voneinander verschiedenen weiteren Abschnitten zuzuordnen sind. In diesem Fall umfasst die Gradientenspuleneinheit vorzugsweise zusätzlich zum vierten Kühlkreislauf und fünften Kühlkreislauf zwei weitere Kühlkreisläufe, sodass jeder Abschnitt des Hohlleiters durch einen anderen der vier Kühlkreisläufe gekühlt wird, insbesondere von den entsprechenden Kühlmedien durchströmt wird. Dies ermöglicht den Anschluss von acht Kühlkreisläufen an die weitere Primärspule, wodurch diese vorzugsweise mit einer vergleichbaren Leistung kühlbar ist wie die Primärspule.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit umfasst eine Sekundärspule, ausgebildet zur Schirmung des von der Primärspule erzeugten Magnetfeldgradienten in einer Peripherie der Gradientenspuleneinheit umfassend zwei sekundäre Leiterstrukturpaare, wobei jeweils eines der zwei sekundären Leiterstrukturpaare

- in der gleichen Hälfte wie jeweils eines der zwei primären Leiterstrukturpaare angeordnet und mit diesem primären Leiterstrukturpaar in Serie geschalten ist, und
- einen spiralförmig angeordneten elektrischen Leiter umfasst.

Der spiralförmig angeordnete elektrische Leiter eines sekundären Leiterstrukturpaares entspricht typischerweise dem elektrischen Leiter des entsprechenden primären Leiterstrukturpaares. Die Hälfte umfasst typischerweise zwei Quadranten. Der spiralförmig angeordnete elektrische Leiter eines sekundären Leiterstrukturpaares umgibt typischerweise innerhalb jedes Quadranten der zwei Quadranten jeweils einen Fixpunkt zumindest teilweise spiralförmig. Jedes sekundäre Leiterstrukturpaar der zwei sekundären Leiterstrukturpaare umfasst vorzugsweise zwei sekundäre spiralförmige Leiterstrukturen, wobei jeweils eine sekundäre spiralförmige Leiterstruktur innerhalb eines Quadranten angeordnet ist. Der spiralförmig angeordnete elektrische Leiter eines sekundären Leiterstrukturpaares kann als Hohlleiter oder als Massivleiter ausgebildet sein. Die Sekundärspule weist typischerweise einen größeren Abstand zur Zylinderachse auf als die Primärspule.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit sieht vor, dass das sekundäre Leiterstrukturpaar weniger als 60% der Windungen des primären Leiterstrukturpaares aufweist. Die Sekundärspule ist typischerweise lockerer gewickelt und/oder Windungen des sekundären Leiterstrukturpaares weisen einen größeren Abstand zueinander auf als Windungen einer spiralförmigen Leiterstruktur eines primären Leiterstrukturpaares. Dies ermöglicht eine effiziente Schirmung bei gleichzeitig geringem Materialverbrauch.
Eine Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit umfasst einen dritten Kühlkreislauf mit einem dritten Kühlmedium, wobei der von einem sekundären Leiterstrukturpaar umfasste elektrische Leiter als Hohlleiter ausgebildet ist und das dritte Kühlmedium umschließt. Gemäß dieser Ausführungsform wird die Sekundärspule vorzugsweise durch zumindest zwei verschiedene Kühlkreisläufe gekühlt. Die Gradientenspuleneinheit umfasst vorzugsweise einen achten Kühlkreislauf mit einem achten Kühlmedium. Der dritte Kühlkreislauf und der achte Kühlkreislauf sind vorzugsweise gemeinsam dazu ausgebildet, ein sekundäres Leiterstrukturpaar zu kühlen. Insbesondere kann der dritte Kühlkreislauf dazu ausgebildet sein, einen in einem ersten Quadranten der Hälfte angeordneten Teil des sekundären Leiterstrukturpaares zu kühlen. Der achte Kühlkreislauf kann dazu ausgebildet sein, einen in einem zweiten Quadranten der Hälfte angeordneten Teil des sekundären Leiterstrukturpaares zu kühlen. Zudem erfolgt die Kühlung vorzugsweise direkt durch Durchströmung des Hohlleiters mit dem dritten Kühlmedium und dem achten Kühlmedium. Dies ermöglicht eine effiziente Kühlung des sekundären Leiterstrukturpaares und damit der Sekundärspule.
Des Weiteren geht die Erfindung aus von einem Gradientensystem umfassend eine erfindungsgemäße Gradientenspuleneinheit und zumindest zwei Gradientenverstärkereinheiten, wobei jeweils eine der zwei Gradientenverstärkereinheiten mit jeweils einem der zwei primären Leiterstrukturpaare verbunden ist.
Eine mit einem primären Leiterstrukturpaar verbundene Gradientenverstärkereinheit ist dazu ausgebildet, in dem primären Leiterstrukturpaar eine definierte elektrische Spannung und/oder einen definierten elektrischen Strom zu erzeugen, typischerweise vorgegeben durch eine Gradientensteuereinheit und/oder eine MR-Steuerungssequenz. Eine Ansteuerung der zwei Gradientenverstärkereinheiten verbunden mit zwei primären Leiterstrukturpaaren, welche einer Primärspule zuzuordnen sind, insbesondere von einer Primärspule umfasst werden, erfolgt typischerweise synchron und/oder gleichzeitig und/oder mit gleicher Amplitude. Die von diesen zwei Gradientenverstärkereinheiten erzeugten elektrischen Ströme und/oder elektrischen Spannungen unterscheiden sich typischerweise um weniger als 1%, bevorzugt um weniger als 0,5%, insbesondere zu jedem Zeitpunkt des Ausspielens einer MR-Steuerungssequenz.
Das Gradientensystem umfasst vorzugsweise vier Gradientenverstärkereinheiten und zwei weitere Gradientenverstärkereinheiten, insbesondere insgesamt sechs Gradientenverstärkereinheiten. Die Gradientenspuleneinheit umfasst vorzugsweise zwei Primärspulen und eine weitere Primärspule, insbesondere vier primäre Leiterstrukturpaare und zwei schraubenförmige Leiterstrukturen. Jeweils ein primäres Leiterstrukturpaar der vier primären Leiterstrukturpaare ist typischerweise durch jeweils eine der vier Gradientenverstärkereinheiten ansteuerbar. Jeweils eine schraubenförmige Leiterstruktur der zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen ist typischerweise durch jeweils eine der zwei weiteren Gradientenverstärkereinheiten ansteuerbar.
Jede der zwei Primärspulen und der weiteren Primärspule ist zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in jeweils eine Raumrichtung ausgebildet, wobei die drei Raumrichtungen voneinander verschieden, insbesondere zueinander orthogonal, sind.
Ein derartiges Gradientensystems ist aufgrund der hohen Anzahl an Gradientenverstärkereinheiten und der speziellen Verschaltung dazu ausgebildet, besonders hohe elektrische Spannungen in den einzelnen primären Leiterstrukturpaaren und/oder schraubenförmigen Leiterstrukturen zu erzeugen. Dies ermöglicht eine besonders hohe Amplitude der Magnetfeldgradienten, insbesondere in die erste Richtung, und zugleich hohe Anstiegs- und Abfallraten trotz einer hohen Induktivität der Primärspule.
Des Weiteren geht die Erfindung aus von einem Magnetresonanzgerät umfassend einen Hauptmagneten, eine Hochfrequenzantenneneinheit, ein erfindungsgemäßes Gradientensystem und eine mit dem Gradientensystem verbundene Gradientensteuereinheit ausgebildet zur Ansteuerung des Gradientensystems zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in die erste Raumrichtung. Die Gradientensteuereinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, Informationen gemäß einer MR-Steuerungssequenz, insbesondere Gradientenpulse, an die vom Gradientensystem umfassten Gradientenverstärkereinheiten weiterzuleiten.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetresonanzgerätes und des erfindungsgemäßen Gradientensystems sind analog zu den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit ausgebildet. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Magnetresonanzgeräts und des erfindungsgemäßen Gradientensystems entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit, welche vorab im Detail ausgeführt sind. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen können ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände übertragen werden und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform einer Primärspule einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung,
2 eine zweite Ausführungsform einer Primärspule einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung,
3 eine dritte Ausführungsform einer Primärspule einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung,
4 eine Ausführungsform einer weiteren Primärspule einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung,
5 eine erste Ausführungsform einer Sekundärspule einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung,
6 eine zweite Ausführungsform einer Sekundärspule einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung,
7 eine erste Ausführungsform eines als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiters eines primären Leiterstrukturpaares,
8 eine erste Ausführungsform einer Anordnung eines als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiters eines primären Leiterstrukturpaares,
9 eine zweite Ausführungsform einer Anordnung eines als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiters eines primären Leiterstrukturpaares oder einer schraubenförmigen Leiterstruktur,
10 eine erste Ausführungsform eines als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiters eines sekundären Leiterstrukturpaares,
11 ein erfindungsgemäßes Gradientensystem in einer schematischen Darstellung, und
12 ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät in einer schematischen Darstellung.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Primärspule 30 einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit 19 in einer schematischen Darstellung. Die Primärspule 30, welche eine Zylinderachse in Längsrichtung z hohlzylindrisch umgibt, ist dabei in Umfangrichtung dφ in abgerollter Form dargestellt.
Die Primärspule 30 umfasst zwei primäre Leiterstrukturpaare 31, 32. Jedes primäre Leiterstrukturpaar 31, 32 ist separat ansteuerbar. Hierfür ist jeweils ein primäres Leiterstrukturpaar 31, 32 mit jeweils einer Gradientenverstärkereinheit 85, 87 verbunden. Die Gradientenverstärkereinheit 85, 87 wird dabei von dem die Gradientenspuleneinheit 19 umfassenden Gradientensystem umfasst und/oder ist vorzugsweise nicht als Teil der Gradientenspuleneinheit 19 ausgebildet. Jedes primäre Leiterstrukturpaar 31, 32 umspannt jeweils zwei Quadranten der Primärspule 30. Ein Quadrant der Primärspule 30 ist typischerweise durch z = [0; +/- zmax] und dφ = [0; +/-180°] definiert. +/- zmax definiert typischerweise jeweils ein Längsende der Gradientenspuleneinheit 19 in Längsrichtung z. Zudem umfasst jedes primäre Leiterstrukturpaar 31, 32 zwei spiralförmige Leiterstrukturen 41, 42, 43, 44, wobei in jeweils einem der zwei Quadranten jeweils eine der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen 41, 42, 43, 44 angeordnet ist. Jeder spiralförmige Leiterstruktur 41, 42, 43, 44 ist demnach auf einen Quadranten begrenzt.
Das erste primäre Leiterstrukturpaar 31 der zwei primären Leiterstrukturpaare 31, 32 kann beispielsweise die beiden spiralförmigen Leiterstrukturen 41, 42 umfassen, wobei eine erste Leiterstruktur 41 der beiden spiralförmigen Leiterstrukturen 41, 42 im Quadranten definiert durch z = [0; + zmax] und dφ = [0; + 180°] und eine zweite Leiterstruktur 42 der beiden spiralförmigen Leiterstrukturen 41, 42 im Quadranten definiert durch z = [0; + zmax] und dφ = [+ 180°; 360°] angeordnet sein kann. Jedes primäre Leiterstrukturpaar 31, 32 umfasst einen als Hohlleiter 80 ausgebildeten elektrischen Leiter 86, 88 und/oder ist eine definierte geometrische Anordnung des entsprechenden elektrischen Leiters 86, 88. Eine spiralförmige Leiterstruktur 41, 42, 43, 44 umgibt typischerweise jeweils zumindest einen ersten Fixpunkt 38 zumindest teilweise spiralförmig, welcher in 1 lediglich für die erste Leiterstruktur 41 der spiralförmigen Leiterstrukturen 41, 42, 43, 44 dargestellt ist.
Die Primärspule 30 ist ausgebildet zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine erste Raumrichtung, insbesondere in x-Richtung oder in y-Richtung. Insbesondere sind die beiden primären Leiterstrukturpaar 31, 32 gemeinsam zur Erzeugung des Magnetfeldgradienten in die erste Raumrichtung ausgebildet. Die auf den Leiterstrukturen 41, 42, 43, 44 eingezeichneten Pfeile geben eine Richtung eines Stromflusses zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in die erste Raumrichtung an. In der dargestellten Ausführungsform sind die beiden primären Leiterstrukturpaare durch eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse, also durch eine Ebene senkrecht zur Längsrichtung z bei z = 0 voneinander getrennt.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Primärspule einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform darin, dass ein Anteil des elektrischen Leiters 86, 88 eines primären Leiterstrukturpaares 31, 32, welcher einer spiralförmigen Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen 41, 42, 43, 44 zuzuordnen ist, in zwei seriell miteinander verbundene Abschnitte 41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a, 44b unterteilbar ist. Dabei ist der Anteil des elektrischen Leiters 86, 88 derart spiralförmig in Windungen angeordnet, dass zwei benachbarte Windungen des elektrischen Leiters 86, 88 den beiden voneinander verschiedenen Abschnitten 41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a, 44b zuzuordnen sind.
Ein erstes primäres Leiterstrukturpaar 31 der beiden primären Leiterstrukturpaare 31, 32 umfasst die beiden Leiterstrukturen 41, 42. Jede dieser beiden Leiterstrukturen 41, 42 umfasst zwei seriell miteinander verbundene Abschnitte 41a, 41b, 42a, 42b des elektrischen Leiters 86, wobei eine erste Leiterstruktur 41 der beiden Leiterstrukturen 41, 42 die beiden verbundenen Abschnitte 41a, 41b des elektrischen Leiters 86 umfasst. Die beiden Abschnitte 41a, 41b des elektrischen Leiters 86 sind derart spiralförmig in Windungen umgebend den ersten Fixpunkt 38 angeordnet, dass jeweils zwei benachbarte Windungen den unterschiedlichen Abschnitten 41a, 41b zuzuordnen sind.
Die Windungen und/oder die beiden Abschnitte 41a, 41b des Anteils des elektrischen Leiters 86 sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die zwei benachbarten Windungen jeweils paarweise verlaufen und jeweils eine Windung eines ersten Abschnittes 41a zu einer ersten benachbarten Windung 41b einen geringeren Abstand aufweist als zu einer zweiten benachbarten Windung 41b. Der elektrische Leiter 86, 88 ist vorzugsweise derart spiralförmig in Windungen angeordnet, dass jede spiralförmige Leiterstruktur 41, 42, 43, 44 zumindest 35 Windungen aufweist.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Primärspule einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich insbesondere von der in 2 dargestellten zweiten Ausführungsform darin, dass jede der spiralförmigen Leiterstrukturen 41, 42, 43, 44 derart ausgestaltet ist, dass sie zwei Augen 38, 39 spiralförmig umgibt. Die beiden Augen 38, 39 unterscheiden sich vorzugsweise in Längsrichtung z und/oder sind innerhalb eines Quadranten angeordnet.
4 zeigt eine Ausführungsform einer weiteren Primärspule 50. Die weitere Primärspule 50 ist zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine zweite Raumrichtung entsprechend der Längsrichtung z ausgebildet. Die weitere Primärspule 50 umfasst zwei schraubenförmige Leiterstrukturen 51, 52 umgebend die Zylinderachse. Die zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen 51, 52 sind durch eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse, insbesondere senkrecht zur Längsrichtung z bei z = 0, räumlich voneinander getrennt.
Jede der zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen 51, 52 umfasst einen als Hohlleiter 80 ausgebildeten weiteren elektrischen Leiter 91, 92. Jede der zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen 51, 52 ist separat ansteuerbar. Hierfür ist jeweils eine schraubenförmige Leiterstruktur 51, 52 mit jeweils einer weiteren Gradientenverstärkereinheit 89, 90 verbunden, typischerweise durch den weiteren elektrischen Leiter 91, 92. Die weitere Gradientenverstärkereinheit 89, 90 wird dabei von dem die Gradientenspuleneinheit 19 umfassenden Gradientensystem umfasst und/oder ist vorzugsweise nicht als Teil der Gradientenspuleneinheit 19 ausgebildet.
Jeder weitere elektrische Leiter 91, 92 einer schraubenförmigen Leiterstruktur 51, 52 ist in zumindest zwei seriell miteinander verbundene weitere Abschnitte 51a, 51b, 52a, 52b unterteilbar. Der weitere elektrische Leiter 91, 92 ist derart schraubenförmig in weiteren Windungen angeordnet, dass zwei benachbarte weitere Windungen des weiteren elektrischen Leiters 91, 92 den zumindest zwei voneinander verschiedenen weiteren Abschnitten 51a, 51b, 52a, 52b zuzuordnen sind.
5 zeigt eine erste Ausführungsform einer Sekundärspule 60 einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung. Die Sekundärspule 60 ist zur Schirmung des von der Primärspule 30 erzeugten Magnetfeldgradienten in einer Peripherie der Gradientenspuleneinheit 19 ausgebildet. Die Sekundärspule 60 umfasst zwei sekundäre Leiterstrukturpaare 61, 62, wobei jeweils eines der zwei sekundären Leiterstrukturpaare 61, 62 in den zwei gleichen Quadranten, insbesondere in jeweils der gleichen Hälfte der Gradientenspuleneinheit, wie jeweils eines der zwei primären Leiterstrukturpaare 31, 32 angeordnet und mit diesem in Serie geschalten ist. Dies kann bedeuten, dass ein sekundäres Leiterstrukturpaar 61, 62 aus dem gleichen elektrischen Leiter 86, 88 gebildet wird wie ein mit dem entsprechenden sekundären Leiterstrukturpaar 61, 62 in Serie geschaltenen primären Leiterstrukturpaar 31, 32. Jedes sekundäre Leiterstrukturpaare 61, 62 umfasst vorzugsweise zwei sekundäre spiralförmige Leiterstrukturen 61a, 61b, 62a, 62b, welche jeweils in voneinander verschiedenen Quadranten angeordnet sind. Die primären Leiterstrukturpaare 31, 32 und die Gradientenverstärkereinheiten 85, 87 sind typischerweise nicht Teil der Sekundärspule 60 und in 5 schematisch zur Visualisierung der Verschaltung dargestellt.
Zudem umfasst jedes der zwei sekundären Leiterstrukturpaare 61, 62 einen zumindest teilweise spiralförmig angeordneten elektrischen Leiter 86, 88. Der elektrische Leiter 86, 88 eines sekundären Leiterstrukturpaares 61, 62 ist jeweils vorzugsweise derart ausgestaltet, dass dieser innerhalb eines Quadranten zumindest einen Fixpunkt 38 zumindest teilweise spiralförmig umgibt. Ein sekundäres Leiterstrukturpaar 61, 62 weist weniger als 60% der Windungen des entsprechenden primären Leiterstrukturpaares 31, 32 auf.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Sekundärspule 60 einer erfindungsgemäßen Gradientenspuleneinheit in einer schematischen Darstellung. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in 5 dargestellten ersten Ausführungsform darin, dass der elektrische Leiter 86, 88 eines sekundären Leiterstrukturpaares 61, 62 innerhalb eines Quadranten zumindest zwei Fixpunkte 38, 39 zumindest teilweise spiralförmig umgibt. Die Anzahl der von einem sekundären Leiterstrukturpaar 61, 62 innerhalb eines Quadranten umgebenen Fixpunkte 38, 39 entspricht vorzugsweise der Anzahl der von einer spiralförmigen Leiterstruktur 41, 42, 43, 44 innerhalb eines Quadranten umgebenen Fixpunkte 38, 39. Die Anzahl der von einem primären Leiterstrukturpaar 31, 32 zumindest teilweise spiralförmig umgebenen Fixpunkte 38, 39 entspricht vorzugsweise der Anzahl der von einem sekundären Leiterstrukturpaar 61, 62 zumindest teilweise spiralförmig umgebenen Fixpunkte 38, 39.
7 zeigt eine erste Ausführungsform eines als Hohlleiter 80 ausgebildeten elektrischen Leiters 86, 88 eines primären Leiterstrukturpaares 31, 32, welcher Hohlleiter 80 ein Kühlmedium 81 umschließt, in einer Ansicht darstellend einen Querschnitt, insbesondere die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 86, 88. Der weitere elektrische Leiter 91, 92 kann analog zu dem in 7 dargestellten elektrischen Leiter 86, 88 ausgebildet sein.
8 zeigt eine erste Ausführungsform einer Anordnung eines als Hohlleiter 80 ausgebildeten elektrischen Leiters 86, 88 eines primären Leiterstrukturpaares 31, 32, insbesondere den ersten elektrischen Leiter 86 des ersten primären Leiterstrukturpaares 31. Die in 8 gezeigte Ansicht kann einen Querschnitt in radialer Richtung r senkrecht zur Längsachse z von vier benachbarten Windungen darstellen. Die vier benachbarten Windungen können dabei zwei seriell miteinander verbundenen Abschnitten 41a, 41b zugeordnet werden, wobei der elektrische Leiter 86 derart angeordnet ist, dass die zwei benachbarten Windungen jeweils paarweise verlaufen und jeweils eine Windung zu einer ersten benachbarten Windung einen geringeren Abstand aufweist als zu einer zweiten benachbarten Windung. Die beiden Abschnitte 41a, 41b werden mittels verschiedener Kühlkreisläufe 71a, 71b gekühlt: Der erste Abschnitt 41a umschließt ein erstes Kühlmedium 81a eines ersten Kühlkreislaufes 71a. Der zweite Abschnitt 41b umschließt ein zweites Kühlmedium 81b eines zweiten Kühlkreislaufes 71b.
9 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Anordnung eines als Hohlleiter 80 ausgebildeten weiteren elektrischen Leiters 91, 92 einer schraubenförmigen Leiterstruktur 51, 52, insbesondere den ersten weiteren elektrischen Leiter 91 der ersten schraubenförmigen Leiterstruktur 51. Die in 9 gezeigte Ansicht kann einen Querschnitt in radialer Richtung r parallel zur Längsachse z von vier benachbarten Windungen darstellen. Der weitere elektrische Leiter 91 der schraubenförmigen Leiterstruktur 51 ist in der dargestellten Ausführungsform in vier seriell miteinander verbundene weitere Abschnitte 51a, 51b, 51c, 51d unterteilbar. Der weitere elektrische Leiter 91 ist schraubenförmig derart in weiteren Windungen angeordnet, dass vier benachbarte weitere Windungen des weiteren elektrischen Leiters 91 den vier voneinander verschiedenen weiteren Abschnitten 51a, 51b, 51c, 51d zuzuordnen sind. Dabei können wie im dargestellten Fall jeweils zwei der vier weiteren Abschnitte 51a, 51b, 51c, 51d in radialer Richtung r und zwei der vier weiteren Abschnitte 51a, 51b, 51c, 51d in Längsrichtung z benachbart sein. Die vier weiteren Abschnitte 51a, 51b, 51c, 51d werden vorzugsweise mittels verschiedener weiterer Kühlkreisläufe gekühlt: Der erste weitere Abschnitt 51a umschließt ein viertes Kühlmedium 81d eines vierten Kühlkreislaufes 71d. Der zweite weitere Abschnitt 51b umschließt ein fünftes Kühlmedium 81e eines fünften Kühlkreislaufes 71e. Der dritte weitere Abschnitt 51c umschließt ein sechstes Kühlmedium 81f eines sechsten Kühlkreislaufes 71f. Der vierte weitere Abschnitt 51d umschließt ein siebtes Kühlmedium 81g eines siebten Kühlkreislaufes 71g.
Der elektrische Leiter 86, 88 kann analog zu dem in 8 dargestellten weiteren elektrischen Leiter 91 ausgebildet sein, insbesondere auch bei Darstellung eines Querschnittes von vier benachbarten Windungen in radialer Richtung r senkrecht zur Längsachse z.
10 zeigt eine erste Ausführungsform eines als Hohlleiter 80 ausgebildeten elektrischen Leiters 86 eines sekundären Leiterstrukturpaares 61, welcher Hohlleiter 81 ein drittes Kühlmedium 81c eines dritten Kühlkreislaufes 71c umschließt, in einer Ansicht darstellend einen Querschnitt, insbesondere die Querschnittsfläche des elektrischen Leiters 86.
11 zeigt ein erfindungsgemäßes Gradientensystem in einer schematischen Darstellung. Das Gradientensystem umfasst eine erfindungsgemäße Gradientenspuleneinheit 19 und zumindest zwei Gradientenverstärkereinheiten 85, 87, wobei jeweils eine der zwei Gradientenverstärkereinheiten 85, 87 mit jeweils einem der zwei primären Leiterstrukturpaare 31, 32 verbunden ist. Die Gradientenspuleneinheit 19 umfasst zwei primäre Leiterstrukturpaare 31, 32 als Teil einer Primärspule 30 ausgebildet zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine erste Raumrichtung. Die dargestellte Ausführungsform der Gradientenspuleneinheit 19 umfasst zwei sekundäre Leiterstrukturpaare 61, 62 als Teil einer Sekundärspule 60 ausgebildet zur Schirmung des von der Primärspule 30 erzeugten Magnetfeldgradienten in einer Peripherie der Gradientenspuleneinheit 19. Ein erstes primäres Leiterstrukturpaar 31 der zwei primären Leiterstrukturpaare 31, 32, ein erstes sekundäres Leiterstrukturpaar 61 der zwei sekundären Leiterstrukturpaare 61, 62, umfassend zwei sekundäre spiralförmige Leiterstrukturen 61a, 61b, und eine erste Gradientenverstärkereinheit 85 der zwei Gradientenverstärkereinheiten 85, 87 sind mit einem ersten elektrischen Leiter 86 der zumindest zwei elektrischen Leiter 86, 88 in Serie verbunden. Ein zweites primäres Leiterstrukturpaar 32 der zwei primären Leiterstrukturpaare 31, 32, ein zweites sekundäres Leiterstrukturpaar 62 der zwei sekundären Leiterstrukturpaare 61, 62, umfassend zwei sekundäre spiralförmige Leiterstrukturen 62a, 62b, und eine zweite Gradientenverstärkereinheit 87 der zwei Gradientenverstärkereinheiten 85, 87 sind mit einem zweiten elektrischen Leiter 86 der zumindest zwei elektrischen Leiter 86, 88 in Serie verbunden.
Die primären Leiterstrukturpaare 31, 32 umfassen die seriell miteinander verbundene Abschnitte 41a, 41b, 42a, 42b, 43a, 43b, 44a, 44b, die jeweils durch einen ersten oder zweiten Kühlkreislauf 71a, 71b, 72a, 72b, 73a, 73b, 74a, 74b umfassend ein erstes oder zweites Kühlmedium 81a, 81b, 82a, 82b, 83a, 83b, 84a, 84b gekühlt werden können. Zwei sekundäre spiralförmige Leiterstrukturen 61a, 62a der sekundären spiralförmige Leiterstrukturen 61a, 61b, 62a, 62b werden jeweils durch separate dritte Kühlkreisläufe 71c, 72c umfassend ein drittes Kühlmedium 81c, 82c gekühlt. Zwei sekundäre spiralförmige Leiterstrukturen 61b, 62b der sekundären spiralförmigen Leiterstrukturen 61a, 61b, 62a, 62b werden jeweils durch separate achte Kühlkreisläufe 71d, 72d umfassend ein achtes Kühlmedium 81d, 82d gekühlt. Das Gradientensystem umfasst gemäß dieser Ausführungsform zumindest die ersten Kühlkreisläufe 71a, 72a, 73a, 74a, zweiten Kühlkreisläufe 71b, 72b, 73b, 74b, dritten Kühlkreisläufe 71c, 72c, und achten Kühlkreisläufe 71d, 72d.
Das Gradientensystem umfasst vorzugsweise auch die weitere Primärspule 50 und die zur Ansteuerung weiterer elektrischer Leiter 91, 92 erforderlichen weiteren Gradientenverstärkereinheiten 89, 90, welche in dieser 11 nicht näher dargestellt wird. Das Gradientensystem kann eine zusätzliche Primärspule umfassen, welche dazu ausgebildet ist, einen Magnetfeldgradienten in eine dritte Raumrichtung zu erzeugen. Die zusätzliche Primärspule wird typischerweise durch zwei zusätzliche Gradientenverstärkereinheiten angesteuert, welche vom Gradientensystem umfasst werden und ist analog zur Primärspule 30 ausgebildet.
12 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzgerät 11. Das Magnetresonanzgerät 11 umfasst eine Detektoreinheit 13 mit einem Hauptmagneten 17 zu einem Erzeugen eines starken und insbesondere konstanten Hauptmagnetfelds 18 parallel zur Längsrichtung. Zudem weist das Magnetresonanzgerät 11 einen zylinderförmigen Patientenaufnahmebereich 14 zu einer Aufnahme eines Patienten 15 auf, wobei der Patientenaufnahmebereich 14 in einer Umfangsrichtung von der Detektoreinheit 13 zylinderförmig umschlossen ist. Der Patient 15 kann mittels einer Patientenlagerungsvorrichtung 16 des Magnetresonanzgeräts 11 in den Patientenaufnahmebereich 14 geschoben werden. Die Patientenlagerungsvorrichtung 16 weist hierzu einen Patiententisch auf, der bewegbar innerhalb des Magnetresonanzgeräts 11 angeordnet ist. Die Detektoreinheit 13 weist weiterhin eine Hochfrequenzantenneneinheit 20, welche im gezeigten Fall als fest in das Magnetresonanzgerät 11 integrierte Körperspule ausgebildet ist, und eine Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 zu einer Anregung einer Polarisation, die sich in dem von dem Hauptmagneten 17 erzeugten Hauptmagnetfeld 18 einstellt, auf. Die Hochfrequenzantenneneinheit 20 wird von der Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 angesteuert und strahlt hochfrequente Hochfrequenz-Pulse in einen Untersuchungsraum, der im Wesentlichen von dem Patientenaufnahmebereich 14 gebildet ist, ein.
Des Weiteren weist die Detektoreinheit 13 eine erfindungsgemäße Gradientenspuleneinheit 19 auf, die für eine Ortskodierung während einer Bildgebung verwendet werden. Die Gradientenspuleneinheit 19 umfasst eine hohlzylindrische Primärspule 30 umgebend den zylinderförmigen Patientenaufnahmebereich 14 in Längsrichtung, welche zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine erste Raumrichtung ausgebildet ist. Die Primärspule 30 umfasst zwei primäre Leiterstrukturpaare 31, 32, wobei jedes primäre Leiterstrukturpaar der zwei primären Leiterstrukturpaare 31, 32 jeweils zwei Quadranten der Primärspule 30 umspannt. Das Magnetresonanzgerät 11 umfasst zudem zwei Gradientenverstärkereinheiten 85, 87. Eine erste Gradientenverstärkereinheit 85 der zwei Gradientenverstärkereinheiten 85, 87 ist mit einem ersten primären Leiterstrukturpaar 31 der zwei primären Leiterstrukturpaare 31, 32 verbunden, insbesondere mittels eines ersten elektrischen Leiters 86, welcher auch zumindest teilweise vom ersten primären Leiterstrukturpaar 31 umfasst sein kann. Die erste Gradientenverstärkereinheit 85 ist dazu ausgebildet, das erste primäre Leiterstrukturpaar 31 individuell anzusteuern. Eine zweite Gradientenverstärkereinheit 87 der zwei Gradientenverstärkereinheiten 85, 87 ist mit einem zweiten primären Leiterstrukturpaar 32 der zwei primären Leiterstrukturpaare 31, 32 verbunden, insbesondere mittels eines zweiten elektrischen Leiters 88, welcher auch zumindest teilweise vom zweiten primären Leiterstrukturpaar 32 umfasst sein kann. Die zweite Gradientenverstärkereinheit 87 ist dazu ausgebildet, das zweite primäre Leiterstrukturpaar 32 individuell anzusteuern. Die Gradientenspuleneinheit 19, insbesondere die zwei Gradientenverstärkereinheiten 85, 87, werden mittels einer Gradientensteuereinheit 28 zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in die erste Raumrichtung angesteuert. Die Gradientensteuereinheit 28 ist typischerweise zur Ansteuerung aller vom Gradientensystem umfassten Gradientenverstärkereinheiten 85, 87 und weiteren Gradientenverstärkereinheiten 89, 90 ausgebildet. Hierzu ist die Gradientensteuereinheit 28 typischerweise mit den Gradientenverstärkereinheiten 85, 87 und weiteren Gradientenverstärkereinheiten 89, 90 verbunden, und diese sind dazu ausgebildet, eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom, insbesondere Gradientenpulse gemäß einer MR-Steuerungssequenz, wie beispielsweise durch die Gradientensteuereinheit 28 vorgegeben, in der Gradientenspuleneinheit 19 zu erzeugen. Für eine detaillierte Darstellung der Gradientenspuleneinheit 19 und/oder der Primärspule 30 sei insbesondere auf die 1 bis 9 verwiesen.
Zu einer Steuerung des Hauptmagneten 17, der Gradientensteuereinheit 28 und der Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 weist das Magnetresonanzgerät 11 eine Steuerungseinheit 24 auf. Die Steuerungseinheit 24 steuert zentral das Magnetresonanzgerät 11, wie beispielsweise das Durchführen von MR-Steuerungssequenzen. Das Magnetresonanzgerät 11 weist eine Anzeigeeinheit 25 auf. Zudem weist das Magnetresonanzgerät 11 eine Eingabeeinheit 26 auf, mittels derer Informationen und/oder Steuerungsparameter während eines Messvorgangs von einem Benutzer eingegeben werden können. Die Steuerungseinheit 24 kann die Gradientensteuereinheit 28 und/oder Hochfrequenzantennensteuereinheit 29 und/oder die Anzeigeeinheit 25 und/oder die Eingabeeinheit 26 umfassen.
Das dargestellte Magnetresonanzgerät 11 kann selbstverständlich weitere Komponenten umfassen, die Magnetresonanzgeräte 11 gewöhnlich aufweisen. Eine allgemeine Funktionsweise eines Magnetresonanzgeräts 11 ist zudem dem Fachmann bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der weiteren Komponenten verzichtet wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele 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.

Claims

Gradientenspuleneinheit umfassend eine hohlzylindrische Primärspule umgebend eine Zylinderachse in Längsrichtung und ausgebildet zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine erste Raumrichtung, welche Primärspule zwei primäre Leiterstrukturpaare umfasst, wobei jedes primäre Leiterstrukturpaar der zwei primären Leiterstrukturpaare - separat ansteuerbar ist, - jeweils eine Hälfte der Primärspule umspannt, und - zwei spiralförmige Leiterstrukturen umfasst, - welche von einem als Hohlleiter ausgebildeten elektrischen Leiter gebildet werden.
Gradientenspuleneinheit nach Anspruch 1, wobei ein Anteil des elektrischen Leiters eines primären Leiterstrukturpaares, welcher einer spiralförmigen Leiterstruktur der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen zuzuordnen ist, in zwei seriell miteinander verbundene Abschnitte unterteilbar ist, und der Anteil des elektrischen Leiters derart spiralförmig in Windungen angeordnet ist, dass zwei benachbarte Windungen des elektrischen Leiters den beiden voneinander verschiedenen Abschnitten zuzuordnen sind.
Gradientenspuleneinheit nach Anspruch 2, wobei der Anteil des elektrischen Leiters derart angeordnet ist, dass die zwei benachbarten Windungen jeweils paarweise verlaufen und/oder jeweils eine Windung zu einer ersten benachbarten Windung einen geringeren Abstand aufweist als zu einer zweiten benachbarten Windung.
Gradientenspuleneinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 3, umfassend einen ersten Kühlkreislauf mit einem ersten Kühlmedium und einen zweiten Kühlkreislauf mit einem zweiten Kühlmedium, wobei der elektrische Leiter in einem ersten Abschnitt der zwei seriell miteinander verbundenen Abschnitte als Hohlleiter das erste Kühlmedium und der elektrische Leiter in einem zweiten Abschnitt der zwei seriell miteinander verbundenen Abschnitte als Hohlleiter das zweite Kühlmedium umschließt.
Gradientenspuleneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter derart spiralförmig in Windungen angeordnet ist, dass jede der zwei spiralförmigen Leiterstrukturen zumindest 35 Windungen aufweist.
Gradientenspuleneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter eine Querschnittsfläche von weniger als 35 mm² aufweist.
Gradientenspuleneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede der spiralförmigen Leiterstrukturen derart ausgestaltet ist, dass sie zwei Fixpunkte zumindest teilweise spiralförmig umgibt.
Gradientenspuleneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die beiden primären Leiterstrukturpaare durch eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse voneinander getrennt sind.
Gradientenspuleneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine weitere Primärspule ausgebildet zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in eine zweite Raumrichtung entsprechend der Längsrichtung, wobei die weitere Primärspule zwei schraubenförmige Leiterstrukturen umgebend die Zylinderachse umfasst, welche zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen durch eine Ebene senkrecht zur Zylinderachse räumlich voneinander getrennt sind und separat ansteuerbar sind, und jede der zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen einen als Hohlleiter ausgebildeten weiteren elektrischen Leiter umfasst.
Gradientenspuleneinheit nach Anspruch 9, wobei der weitere elektrische Leiter einer schraubenförmigen Leiterstruktur der zwei schraubenförmigen Leiterstrukturen in zumindest zwei seriell miteinander verbundene weitere Abschnitte unterteilbar ist, und der weitere elektrische Leiter derart schraubenförmig in weiteren Windungen angeordnet ist, dass zwei benachbarte weitere Windungen des weiteren elektrischen Leiters den zumindest zwei voneinander verschiedenen weiteren Abschnitten zuzuordnen sind.
Gradientenspuleneinheit nach Anspruch 10, umfassend einen vierten Kühlkreislauf mit einem vierten Kühlmedium und einen fünften Kühlkreislauf mit einem fünften Kühlmedium, wobei der elektrische Leiter in einem ersten weiteren Abschnitt der zwei seriell miteinander verbundenen weiteren Abschnitte als Hohlleiter das vierte Kühlmedium und der elektrische Leiter in einem zweiten weiteren Abschnitt der zwei seriell miteinander verbundenen weiteren Abschnitte als Hohlleiter das fünfte Kühlmedium umschließt.
Gradientenspuleneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Sekundärspule ausgebildet zur Schirmung des von der Primärspule erzeugten Magnetfeldgradienten in einer Peripherie der Gradientenspuleneinheit umfassend zwei sekundäre Leiterstrukturpaare, wobei jeweils eines der zwei sekundären Leiterstrukturpaare - in der gleichen Hälfte wie jeweils eines der zwei primären Leiterstrukturpaare angeordnet und mit diesem primären Leiterstrukturpaar in Serie geschalten ist, und - einen zumindest teilweise spiralförmig angeordneten elektrischen Leiter umfasst.
Gradientenspuleneinheit nach Anspruch 12, umfassend einen dritten Kühlkreislauf mit einem dritten Kühlmedium, wobei der von einem sekundären Leiterstrukturpaar umfasste elektrische Leiter als Hohlleiter ausgebildet ist und das dritte Kühlmedium umschließt.
Gradientensystem umfassend eine Gradientenspuleneinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche und zumindest zwei Gradientenverstärkereinheiten, wobei jeweils eine der zwei Gradientenverstärkereinheiten mit jeweils einem der zwei primären Leiterstrukturpaare verbunden ist.
Magnetresonanzgerät umfassend einen Hauptmagneten, eine Hochfrequenzantenneneinheit, ein Gradientensystem nach Anspruch 14 und eine mit dem Gradientensystem verbundene Gradientensteuereinheit ausgebildet zur Ansteuerung des Gradientensystems zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in die erste Raumrichtung.