DE10217384C1 - Gradientenspulensystem - Google Patents

Abstract

Ein Gradientenspulensystem mit wenigstens einem Shimaufnahmeraum (2) für passive Shimelemente umfasst eine Entkopplungsvorrichtung, mit der eine temperaturänderungsbedingte Volumenänderung von Teilen des Gradientenspulensystems derart vom Shimaufnahmeraum (2) mechanisch entkoppelbar ist und die derart im Gradientenspulensystem angeordnet ist, dass der Shimaufnahmeraum (2) bezüglich eines vorgebbaren Punktes (9) eines zu shimmenden Volumens (8) positionsunverändert bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gradientenspulensystem mit wenigs­ tens einem Shimaufnahmeraum für passive Shimelemente.

Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik, unter anderem zum Gewinnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsobjekts. Dabei werden in einem Magnetresonanzge­ rät einem statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grund­ feldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfel­ der überlagert, die von einem Gradientenspulensystem erzeugt werden. Ferner umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfre­ quenzsystem, das zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die ausgelösten Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder erstellt werden.

Dabei ist eine hohe Homogenität des Grundmagnetfeldes ein entscheidender Faktor für die Qualität der Magnetresonanzbil­ der. Inhomogenitäten des Grundmagnetfeldes innerhalb eines Homogenitätsvolumens des Magnetresonanzgeräts verursachen geometrische Verzerrungen des Magnetresonanzbildes, die den Inhomogenitäten proportional sind. Zum Verbessern der Grund­ magnetfeldhomogenität innerhalb des Homogenitätsvolumens wer­ den sogenannte Shimsysteme eingesetzt. Dabei unterscheidet man passive und aktive Shimsysteme. Bei einem passiven Shim­ system wird eine Anzahl von Plättchen aus einem magnetischen Material, insbesondere einer ferromagnetischen Eisenlegie­ rung, im Untersuchungsraum des Magnetresonanzgeräts in einer geeigneten Anordnung angebracht. Dazu wird das Grundmagnet­ feld innerhalb des Homogenitätsvolumens vor dem Anbringen der Plättchen vermessen. Aus den gemessenen Werten ermittelt ein Rechenprogramm die geeignete Anzahl und Anordnung der Plätt­ chen.

Während des Betriebs einer Gradientenspule des Gradientenspu­ lensystems betragen die Amplituden der erforderlichen Ströme im Leiter der Spule mehrere 100 A. Die Stromanstiegs- und -abfallraten betragen mehrere 100 kA/s. Die treibende Spannung für den Spulenstrom beträgt bis zu mehreren kV. Zur Beherr­ schung vorgenannter hoher elektrischer Leistungen wird die Gradientenspule oftmals gekühlt. Dazu ist beispielsweise aus der DE 197 21 985 A1 und/oder der DE 197 22 211 A1 eine Kühl­ einrichtung zur indirekten Kühlung von Leitern der Gradien­ tenspule bekannt. Dabei ist in einer zylindermantelförmigen Ebene eines hohlzylinderförmigen, gießharzvergossenen Gra­ dientenspulensystems eine dicht an dicht verlegte flexible Kühlleitung eingebracht, durch die zum Kühlen der Gradienten­ spule ein Kühlmedium geleitet wird.

Aus der DE 100 20 264 C1 ist beispielsweise bekannt, dass für eine gleichbleibende Genauigkeit einer Shimwirkung eine gleichbleibende Temperatur eines passiven Shimsystems wichtig ist. Die Wärmeentwicklung im stromdurchflossenen Leiter der Gradientenspule führt ohne gegensteuernde Maßnahmen zu einer Temperaturveränderung und damit zu einer Volumenänderung des benachbarten, passiven Shimsystems, so dass die Shimwirkung nicht mehr optimal ist, somit die Homogenität des Grundmag­ netfeldes und damit die Qualität von Magnetresonanzbildern beeinträchtigt wird. Um vorgenannte Temperaturschwankungen des passiven Shimsystems zu verhindern, ist in vorgenannter Patentschrift vorgeschlagen, die Leiter der Gradientenspule kühlbar zu gestalten und gleichzeitig die Leiter gegenüber einer Trägerstruktur des Gradientenspulensystems mit einer Wärmedämmung zu versehen, so dass für das, in der Träger­ struktur angeordnete passive Shimsystem eine hohe Temperatur­ stabilität erzielt wird.

In der US 5,786,695 A ist ein Magnetresonanzgerät mit einem im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Gradientenspulensystem be­ schrieben. Dabei weist das Gradientenspulensystem zwischen den Gradientenspulen auf der einen Seite und den zugehörigen Abschirmspulen auf der anderen Seite einen im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Aufnahmeraum für mit Shimelementen bestückbare Trägervorrichtungen auf. Die Trägervorrichtungen weisen in etwa eine Längsausdehnung des Gradientenspulensys­ tems auf und sind in Umfangsrichtung des Gradientenspulensys­ tems gleichverteilt am abschirmspulenseitigen Teil des Gra­ dientenspulensystems befestigt. Die Trägervorrichtungen wei­ sen zum abschirmspulenseitigen Teil der Gradientenspule hin zwei in Längsrichtung durchlaufende Stege auf, so dass, be­ grenzt durch die Stege, den abschirmspulenseitigen Teil des Gradientenspulensystems und der eigentlichen Trägervorrich­ tung, sich in Längsrichtung erstreckend, zylinderförmige Hohlräume ergeben. Durch diese Hohlräume kann für Kühlzwecke Luft geblasen werden.

Schließlich ist in der DE 195 19 933 A1 ein Vergussverfahren für eine Gradientenspule eines Magnetresonanzgeräts beschrie­ ben, bei dem der Aufbau der Gradientenspule unter anderem Spannbänder aus Polyamid bzw. Polyester und eine Außenbandage aus mehrlagig überlappend gewickeltem Glasseidengewebe um­ fasst.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbes­ sertes Gradientenspulensystem zu schaffen, das unabhängig von einem Betriebszustand des Gradientenspulensystems für ein im Gradientenspulensystem anordenbares passives Shimsystem eine gleichbleibend gute Shimwirkung gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Gemäß Anspruch 1 umfasst ein Gradientenspulensystem mit we­ nigstens einem Shimaufnahmeraum für passive Shimelemente, eine Entkopplungsvorrichtung, mit der eine temperaturände­ rungsbedingte Volumenänderung von Teilen des Gradientenspu­ lensystems derart vom Shimaufnahmeraum mechanisch entkoppel­ bar ist und die derart im Gradientenspulensystem angeordnet ist, dass der Shimaufnahmeraum bezüglich eines vorgebbaren Punktes eines zu shimmenden Volumens positionsunverändert bleibt.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass eine Positionsveränderung eines im Gradientenspulensystem angeord­ neten passiven Shimsystems bezüglich eines vorgebbaren Punk­ tes eines zu shimmenden Volumens infolge einer Temperaturver­ änderung und einer damit einhergehender Volumenänderung von Teilen des Gradientenspulensystems ebenso zu einer Beein­ trächtigung der Shimwirkung führt, wie bekanntlich auch eine Temperaturveränderung des passiven Shimsystems selbst dazu führt. Dabei vermag auch eine Kühlung von Gradienten- und/oder Abschirmspulen des Gradientenspulensystems vorge­ nannte Volumenänderung nicht vollends zu verhindern, da sich Volumenänderungen über mechanisch Spannungen über Bereiche von Kühleinrichtungen hinweg im Trägermaterial des Gradien­ tenspulensystems ausbreiten, so dass sich das gesamte Gra­ dientenspulensystem beispielsweise dehnt. Dadurch, dass die Entkopplungsvorrichtung temperaturänderungsbedingte Dehnungs- und Stauchungsbestrebungen von Teilen des Gradientenspulen­ systems, insbesondere von Bereichen, in denen Leiter von Gra­ dienten- und/oder Abschirmspulen verlaufen, von Shimaufnahme­ räumen des Gradientenspulensystems mechanisch entkoppelt, wird vorgenannte Positionsveränderung des in den Shimaufnah­ meräumen angeordneten passiven Shimsystems verhindert.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbei­ spielen der Erfindung anhand der Figur.

Die Figur zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ausschnittsweise einen Querschnitt durch ein Gradientenspu­ lensystem, das in etwa entsprechend einem Hohlzylinder ges­ taltet ist. Dabei ist das hohlzylinderförmige Gradientenspu­ lensystem in zueinander konzentrische, hohlzylinderförmige Teilbereiche 10 bis 52 untergliedert. In einem zentralen, ersten der Teilbereiche 10 sind in einem temperierten Spulen­ körper in axialer Richtung durchlaufende Shimaufnahmeräume 2 mit einem kreisringsegmentartigen Querschnitt angeordnet. Dabei können zum Shimmen eines Abbildungsvolumens 8 mit einem Mittelpunkt 9 in die Shimaufnahmeräume 2 Elemente magneti­ schen Materials, beispielsweise in einem entsprechend ausge­ bildeten Shimkasten angeordnet, eingebracht werden.

An den ersten Teilbereich 10 unmittelbar angrenzend schließen sich zweite Teilbereiche 21 und 22 an, in denen als Bestand­ teil einer Entkopplungsvorrichtung eine Stützeinheit angeord­ net ist, die eine Vielzahl ringförmiger Glasfaserbänder 6 umfasst. Dabei sind die Glasfaserbänder 6 in axialer Richtung verteilt angeordnet, wobei jedes der Glasfaserbänder 6 in radialer Richtung umlaufend ausgebildet ist. Die Glasfaser­ bänder 6 weisen dabei einen größeren Elastizitätsmodul als das übrige Gradientenspulensystem auf.

An die zweiten Teilbereiche 21 und 22 unmittelbar angrenzend sind zwei dritte Teilbereiche 31 und 32 angeordnet, die als weiteren Bestandteil der Entkopplungsvorrichtung eine Aus­ gleichseinheit umfassen, die mit einem vergleichsweise gerin­ gen Elastizitätsmodul ausgebildet ist. An den dritten Teilbe­ reich 32 schließen sich weitere Teilbereiche 41 bis 43 an, wobei in dem Teilbereich 43 eine longitudinale Gradientenspu­ le, in dem Teilbereich 41 zwei transversale Gradientenspulen und in dem Teilbereich 42 Kühlkanäle 4 einer Kühleinheit zum Kühlen der Gradientenspulen angeordnet sind. An den dritten Teilbereich 31 angrenzend sind weitere Teilbereiche 52 und 51 angeordnet, wobei in dem Teilbereich 51 zu den Gradientenspu­ len zugehörige Abschirmspulen angeordnet sind und in dem Teilbereich 52 zum Kühlen der Abschirmspulen Kühlkanäle 4 einer weiteren Kühleinrichtung angeordnet sind.

Ein Stromfluss in Leitern der Gradienten- und/oder Abschirm­ spulen bedingt bei Betrieb des Gradientenspulensystems insbe­ sondere eine Erwärmung der weiteren Teilbereiche 41 bis 52, so dass vorgenannte Bereiche sich insbesondere radial nach außen dehnen. Dabei wird die Dehnung der Teilbereiche 41 bis 43 durch die Teilbereiche 22 und 32 derart kompensiert, dass die Ausgleichseinheit des Teilbereichs 32 eine gewisse Deh­ nung ermöglicht und gleichzeitig die Stützeinheit des Teilbe­ reichs 22 die Dehnung in umfangsgerichtete Zug- und Druck­ spannungen umwandelt, die von den Glasfaserbändern 6 entspre­ chend aufgenommen werden, so dass die Shimaufnahmeräume 2 bezüglich dem Mittelpunkt 9 positionsunverändert bleiben und damit eine Shimwirkung von in den Shimaufnahmeräume 2 einge­ brachten Shimelementen unverändert bleibt. Beim Abkühlen der Leiter läuft vorausgehend Beschriebenes in entsprechend umge­ kehrter Richtung ab, so dass auch dabei die Shimaufnahmeräume 2 bezüglich dem Mittelpunkt 9 positionsunverändert bleiben.

Die Wirkungsweise der Teilbereiche 21 und 31 entspricht denen der Teilbereiche 22 und 32, wobei die Teilbereiche 21 und 31 eine Positionsbeibehaltung der Shimaufnahmeräume 2 hinsicht­ lich einer temperaturveränderungsbedingten Volumenänderung der weiteren Teilbereiche 51 und 52 bewerkstelligen.

In einer anderen Ausführungsform ist das Gradientenspulensys­ tem ohne die Teilbereiche 31 und 32 ausgebildet, so dass die temperaturänderungsbedingten Volumenänderungen der weiteren Teilbereiche 41 bis 52 ausschließlich von den Teilbereichen 21 und 22 in entsprechende Zug- und Druckspannungen umgesetzt werden. Dies ist insbesondere bei Gradientenspulensystemen mit mäßiger elektrischer Leistung und damit einhergehend mit einer mäßigen temperaturänderungsbedingten Volumenänderung der Teilbereiche 41 bis 52 von Vorteil.

In einer anderen Ausführungsform kann das Gradientenspulen­ system der Figur auch als ein ungeschirmtes Gradientenspulen­ system ausgebildet sein, bei dem die Teilbereiche 21, 31, 52 und 51 nicht vorhanden sind.

In wiederum einer anderen Ausführungsform können bei dem Gra­ dientenspulensystem der Figur anstelle der Teilbereiche 42 und 52 die Leiter der Gradienten- und/oder Abschirmspulen entsprechend der eingangs genannten DE 100 20 264 C1 kühlbar ausgebildet sein.

Claims (12)

1. Gradientenspulensystem mit wenigstens einem Shimaufnahme­ raum (2) für passive Shimelemente, wobei das Gradienten­ spulensystem eine Entkopplungsvorrichtung umfasst, mit der eine temperaturänderungsbedingte Volumenänderung von Teilen des Gradientenspulensystems derart vom Shimaufnahmeraum (2) mechanisch entkoppelbar ist und die derart im Gradientenspu­ lensystem angeordnet ist, dass der Shimaufnahmeraum (2) be­ züglich eines vorgebbaren Punktes (9) eines zu shimmenden Volumens (8) positionsunverändert bleibt.

2. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1, wobei die Ent­ kopplungsvorrichtung zum Umwandeln der Volumenänderung in mechanischen Spannungen eine Stützeinheit umfasst.

3. Gradientenspulensystem nach Anspruch 2, wobei die Stützeinheit einen größeren Elastizitätsmodul als das übrige Gradientenspulensystem aufweist.

4. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Stützeinheit wenigstens ein Glasfaserband (6) umfasst.

5. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Entkopplungsvorrichtung zum Ausgleichen der Vo­ lumenänderung von Teilen des Gradientenspulensystems eine Ausgleichseinheit umfasst.

6. Gradientenspulensystem nach Anspruch 5, wobei die Aus­ gleichseinheit einen geringeren Elastizitätsmodul als das übrige Gradientenspulensystem aufweist.

7. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gradientenspulensystem in etwa entsprechend ei­ nem Hohlzylinder gestaltet ist, der in zueinander konzentri­ sche, hohlzylinderförmige Teilbereiche (10 bis 52) unterglie­ dert ist.

8. Gradientenspulensystem nach Anspruch 7, wobei ein ers­ ter der Teilbereiche (10) den Shimaufnahmeraum (2) umfasst.

9. Gradientenspulensystem nach Anspruch 8, wobei in we­ nigstens einem zweiten der Teilbereiche (21, 22), der an den Ersten unmittelbar angrenzt, die Stützeinheit angeordnet ist.

10. Gradientenspulensystem nach Anspruch 9, wobei in we­ nigstens einem dritten der Teilbereiche (31, 32), der an den Zweiten unmittelbar angrenzt, die Ausgleichseinheit angeord­ net ist.

11. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die ersten bis dritten Teilbereiche (10 bis 32) zwi­ schen zwei weiteren der Teilbereiche (41 bis 52) angeordnet sind, von denen ein erster der weiteren Teilbereiche (41, 43) wenigstens eine Gradientenspule und ein zweiter der weiteren Teilbereiche (51) wenigstens eine zur Gradientenspule zugehö­ rige Abschirmspule umfasst.

12. Gradientenspulensystem nach Anspruch 11, wobei wenigs­ tens einer der weiteren Teilbereiche (42, 52) eine Kühlein­ heit zum Kühlen einer der Spulen umfasst.