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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung zur Lagefixierung
einer Gradientenspulenbaugruppe in einer Grundfeldmagnetbaugruppe
eines Kernspintomographen. Die Erfindung bezieht sich auch auf Vorrichtungen
mit Komponenten, die den genannten vergleichbar sind. Beispielsweise
ist die Erfindung auch prinzipiell anwendbar, wenn es sich bei einer
Gradientenspulenbaugruppe um eine Baugruppe handelt, die aus mehreren
rohrförmigen
Teilabschnitten besteht.
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Insbesondere
ist die Erfindung nicht beschränkt
auf Vorrichtungen, deren relevante Komponenten die genannten Bezeichnungen "Gradientenspulenbaugruppe" und "Grundfeldmagnetbaugruppe" bzw. "Kernspintomograph" führen. So
betrifft die Erfindung beispielsweise selbstverständlich auch
einen "Magnetresonanztomographen". Außerdem bezieht
sich die Erfindung auf die Verwendung der beschriebenen Verbindungsvorrichtung.
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Eine
Domäne
der Kernspintomographie ist die Diagnostik von Erkrankungen des
zentralen Nervensystems. Besonders Hirninfarkte und Anfangsstadien
der multiplen Sklerose lassen sich mit dieser Methode früher erkennen
als mit der Computertompgraphie. Dabei arbeitet die Kernspintomographie ohne
Anwendung ionisierender Strahlung. So ist trotz der hohen Kosten
die Kernspintomographie heute in vielen großen Krankenhäusern und
Praxen ein Standardinstrument.
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Die
Kernspintomographie nutzt die sogenannte Kernspinresonanz von Atomkernen
in einem magnetischen Feld unter Einstrahlung elektromagnetischer
Wellen. Die zur Anregung der Atomkerne erforderlichen elektromagnetischen
Wellen werden von Hochfrequenzspulen erzeugt, die gepulste Wellen aussenden.
In den Pausen empfangen sie die von den angeregten Atomkernen ausgesandte
Kernspinresonanz.
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Um
mehrdimensionale Körperschnitte
bildlich darstellen zu können,
muss der Ort des Ursprungs der ausgesandten Welle bestimmt werden. Dazu
addiert man zu dem bestehenden konstanten Magnetfeld, dem „Grund(magnet)feld" ein weiteres Magnetfeld,
das „Gradient-(Magnet)feld", das an jedem Ort
eine andere Größe besitzt.
Dieses Gradient-Magnetfeld wird von den Gradientenspulen erzeugt.
Strahlt man gleichzeitig Wellen verschiedener Energien ein, so besitzen
auch die ausgesandten Wellen unterschiedliche Energien. Weil jede
Energie der ausgesandten Wellen abhängig vom Magnetfeld ist und
dieses Magnetfeld an jedem Ort im Körper verschieden ist, kann
die ausgesandte Welle so einem bestimmten Ort im Körper zugeordnet
werden.
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Beim
Betrieb eines Kernspintomographen erzeugt die Grundfeldmagnetbaugruppe
ein statisches Grundfeld in der Größenordnung von etwa 0,25 bis
3 Tesla (T). Die Gradientenspulenbaugruppe weist üblicherweise
mehrere Spulen auf, um drei senkrecht zueinander stehende Magnetfeldgradienten
zu erzeugen. Typische Werte für
die von den Gradientenspulen erzeugten Feldstärken liegen bei bis zu circa
60 Millitesla pro Meter (mT/m).
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Jede
Gradientenspule wird typischerweise von einem impulsförmigen Strom
in einer Größenordnung
von bis zu 300 Ampere (A) mit Anstiegszeiten von weniger als einer
Millisekunde (ms) durchflossen. Dabei wirken im magnetischen Grundfeld
auf die Leiter der Gradientenspulen Lorentz-Kräfte, die sich entsprechend
dem Stromfluss durch die Gradientenspulen zyklisch ändern. Diese
Kräfte
regen die Gradientenspulenbaugruppe zu Schwingungen an. Die dabei
auftretenden Kräfte
sind so groß,
dass bei der Messung auch erhebliche Geräuschbelastungen von bis zu über 100
dezibel (dB) für
einen Menschen im Kernspintomographen entstehen.
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Ein
Kernspintomograph weist üblicherweise eine
zylinderförmige Öffnung auf,
die im Wesentlichen von der Grundfeldmagnetbaugruppe begrenzt ist.
In dieser Öffnung
ist eine Gradientenspulenbaugruppe zu positionieren und in ihrer
Lage zu fixieren. Dabei spielt eine möglichst präzise Lagefixierung eine wichtige
Rolle im Hinblick auf die Ortsauflösung bei der Messung mit einem
Kernspintomographen. Diese steht wiederum in unmittelbarem Zusammenhang
mit der Qualität
des Messergebnisses.
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Die
Gradientenspulenbaugruppe weist üblicherweise
eine im Wesentlichen zylinderförmige
Gestalt auf. Im Inneren befindet sich dabei die Liege für einen
zu untersuchenden Menschen.
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Aus
den oben angeführten
Gründen
ist man bestrebt, die Gradientenspulenbaugruppe möglichst präzise gegenüber der
Grundfeldmagnetbaugruppe zu positionieren und in dieser Lage zu
fixieren.
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Aus
der
DE 197 22 481
C2 ist ein Kernspintomograph bekannt, der eine Geräuschminderungseinrichtung
zum Dämpfen
der Schwingungen der Gradientenspulenbaugruppe aufweist. In einer
Ausgestaltung dieser Erfindung wird die Gradientenspulenbaugruppe
durch mehrere diskrete Keile gegenüber der Grundfeldmagnetbaugruppe
fixiert.
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Durch
die Anwendung mehrerer Keile ist die Positionierung und die Montage
der Gradientenspulenbaugruppe dabei relativ aufwendig und zeitintensiv.
Außerdem
entstehen durch die Anwendung der Keile diskrete Kräfte, die
quasi-punktuell an der entsprechenden Stirnseite der Gradientenspulenbaugruppe
angreifen. Dies kann Verformungen der Gradientenspulenbaugruppe
hervorrufen und Quelle für Messungsgenauigkeiten
sein.
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Alternativ
wird nach dem Stand der Technik die Gradientenspulenbaugruppe mittels
Schraubverbindungen gegenüber
der Grundfeldmagnetbaugruppe fixiert. Eine entsprechende Vorrichtung
ist beispielsweise in dem
US-Patent
5 345 177 A beschrieben. Dabei sind die Schraubverbindungen
durch Gehäuse
unterteilt, die mit einem Granulat gefüllt sind; dieses Granulat absorbiert
die Vibrationsenergie der Gradientenspulenbaugruppe. Auch hierbei
kann jedoch der letztgenannte Nachteil auftreten, da die Kräfte diskret
an der Gradientenspulenbaugruppe angreifen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindungsvorrichtung zur
Lagefixierung einer Gradientenspulenbaugruppe in einer Grundfeldmagnetbaugruppe
eines Kernspintomographen bereitzustellen, mit der die Gradientenspulenbaugruppe
gegenüber
dem Grundfeldmagneten derart fixiert wird, dass die Gradientenspulenbaugruppe
einfach und dennoch in dem Grundfeldmagneten positioniert und fixiert
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des unabhängigen
Anspruchs gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Gemäß der Erfindung
erfolgt die Lagefixierung der Gradientenspulenbaugruppe mittels
eines Klemmelementes, das ringförmig
ausgestaltet ist und auf einer Stirnseite der Gradientenspulenbaugruppe in
den Zwischenraum zwischen der Gradientenspulenbaugruppe und die
Grundfeldmagnetbaugruppe geklemmt ist, wobei die Gradientenspulenbaugruppe an
der Stirnseite, die dem Klemmelement zugewandt ist, eine kegelabschnittförmige Außenfläche aufweist,
die zu der kegelanschnittförmigen
Innenfläche des
Klemmelementes derart kongruent ist, dass das Klemmelement mit seiner
Innenfläche
und die Gradientenspulenbaugruppe mit der genannten Außenfläche eine
gemeinsame formschlüssige
Kontaktfläche bilden.
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Das
Klemmelement weist dabei eine kegelabschnittsförmige beziehungsweise konische
Innenfläche
auf. Diese Innenfläche
ist so gestaltet, dass sich ihr größter Durchmesser entweder direkt
an der zur Gradientenspulenbaugruppe weisenden Stirnseite oder jedenfalls
sehr nahe dieser Stirnseite befindet.
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Der
kleinste Durchmesser der konischen Innenfläche befindet sich weiter von
der zur Gradientenspulenbaugruppe weisenden Stirnseite entfernt, beispielsweise
etwa im mittleren Abschnitt zwischen den beiden Stirnseiten des
Klemmelementes. Auf jeden Fall ist die Innenfläche so gestaltet, dass sie
in den Zwischenraum zwischen der Gradientenspulenbaugruppe und der
Grundfeldmagnetbaugruppe eingeführt
werden kann.
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Auf
seiner Außenseite
kann das Klemmelement zylindrisch geformt sein, so dass es im Wesentlichen
formschlüssig
mit der Innenseite der Öffnung in
Verbindung steht.
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Wird
das Klemmelement nun in den Zwischenraum zwischen der Gradientenspulenbaugruppe
und die Grundfeldmagnetbaugruppe geklemmt, wird durch die beiden
genannten Flächen
eine Keilwirkung hervorgerufen. Diese führt zu einer Versteifung der
Gradientenspulenbaugruppe. Eine Schwingungsminderung der Gradientenspulenbaugruppe
ist die Folge und außerdem
eine damit verbundene Lärmreduktion.
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Das
Klemmelement stellt im Wesentlichen einen zusammenhängenden,
einstückigen
Körper dar,
der allerdings Bohrungen aufweisen kann. Diese Bohrungen können beispielsweise
für Stromanschlüsse oder
Anschlüsse
für Kühlvorrichtungen vorgesehen
sein.
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Das
Klemmelement kann für
derlei Zwecke auch einen Spalt aufweisen. In diesem Fall stellt
das Klemmelement eine Art "Spange" dar.
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Selbstverständlich kann
diese Kontaktfläche auch
nur Teile der Innenfläche
des Klemmelementes und/oder der Außenfläche der Gradientenspulenbaugruppe
umfassen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Innenfläche des
Klemmelementes in den Zwischenraum zwischen Gradientenspulenbaugruppe
und Grundfeldmagnetbaugruppe übersteht.
Dies kann beispielsweise fertigungstechnische Vorteile bieten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kontaktfläche zwischen dem
Klemmelement und der Gradientenspulenbaugruppe achsensymmetrisch.
Insbesondere ist der Fall hervorzuheben, das die Gradientenspulenbaugruppe
und die Kontaktfläche
eine gemeinsame Symmetrieachse aufweisen.
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Hierdurch
wird der Vorteil erzielt, dass bei der Montage der Gradientenspulenbaugruppe
eine Kraft entsteht, die selbstzentrierend auf die Gradientenspulenbaugruppe
wirkt.
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Vorteilhaft
wird in diesem Fall von der Kontaktfläche und der Symmetrieachse
ein Winkel zwischen 5 und 15 Grad eingeschlossen. Dieser Gradbereich
hat sich bisher als zweckdienlich erwiesen. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf Flächen
dieses Winkelintervalls beschränkt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Gradientenspulenbaugruppe
und die Grundfeldmagnetbaugruppe an der Stirnseite der Gradientenspulenbaugruppe,
die dem Klemmelement abgewandt ist, direkt über eine zweite Kontaktfläche formschlüssig verbunden.
Diese Kontaktfläche
kann ebenfalls kegelabschnittsförmig sein.
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Auch
diese zweite Kontaktfläche
kann achsensymmetrisch ausgestaltet sein. Insbesondere kann sie
mit der Gradientenspulenbaugruppe eine gemeinsame Symmetrieachse
aufweisen. Dies bietet wiederum Vorteile im Hinblick auf eine selbstzentrierende
Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe beim Einbau derselben.
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Auch
die zweite Kontaktfläche
kann vorteilhaft mit der Symmetrieachse einen Winkel zwischen 5
und 15 Grad einschließen.
Die Erfindung ist wiederum nicht auf Flächen dieses Winkelintervalls
beschränkt.
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Bei
der Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe wird für die Verklemmung
des Klemmelementes zwischen den beiden Baugruppen eine Kraft auf
das Klemmelement ausgeübt,
durch die sich das Klemmelement in dem Spalt zwischen der Gradientenspulenbaugruppe
und der Grundfeldmagnetbaugruppe in einer Endposition verkeilt.
Dies bewirkt die oben genannte Versteifung der Gradientenspulenbaugruppe.
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Vorteilhaft
wird das Klemmelement in dieser Position mittels Bolzen und/oder
Schraubbolzen oder dergleichen gehalten. Diese Bolzen können beispielsweise
an der Grundfeldmagnetbaugruppe angebracht sein, und – bei symmetrischer
Ausgestaltung – auf
das Klemmelement die Kraft parallel zur Symmetrieachse in Richtung
auf die Gradientenspulenbaugruppe bewirken.
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Vorteilhaft
ist das Klemmelement aus einem elektrisch nicht leitfähigem Material
gefertigt.
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Beispielsweise
kann das Klemmelement aus einem Glashartgewebe auf Epoxidbasis angefertigt sein,
beispielsweise aus Hartgewebe 2372 („HGW 2372").
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Die
Erfindung bezieht sich darüber
hinaus auf einen Kernspintomographen, der eine Verbindungsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist und auf eine Verwendung einer solchen Verbindungsvorrichtung.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Eigenschaften sollen nunmehr anhand einer
detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und bezugnehmend
auf die Figuren der beigefügten
Zeichnungen erläutert
werden.
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1 zeigt
die Teile eines Kernspintomographen im Längsschnitt, und
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2 zeigt
die entsprechenden Teile eines Kernspintomographen im Querschnitt.
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1 zeigt
die für
die Erfindung wesentlichen Komponenten eines Kernspintomographen
im Längsschnitt, 2 diese
Komponenten im Querschnitt. Die Gradientenspulenbaugruppe 2 wird
in der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 durch die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung
lagefixiert gehalten. An einer Stirnseite 21 der Gradientenspulenbaugruppe 2 steht
die Gradientenspulenbaugruppe 2 über ein Klemmelement 3 mit
der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 in Kontakt. Auf der gegenüberliegenden
Stirnseite 22 der Gradientenspulenbaugruppe 2 steht
die Gradientenspulenbaugruppe 2 mit der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 direkt
in Kontakt.
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Das
Klemmelement 3 ist ringförmig ausgebildet, wobei der
Außendurchmesser 40 des
Klemmelementes 3 dem Innendurchmesser 40 der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 entspricht.
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Auf
seiner Außenseite
ist das Klemmelement 3 zylinderförmig geformt, so dass es in
die Öffnung 15 der
Grundfeldmagnetbaugruppe 1 geschoben werden kann.
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An
seiner Innenseite weist das Klemmelement 3 eine kegelstumpfförmige, also
konische Innenfläche
auf. Diese erstreckt sich von derjenigen Stirnseite 31 des
Klemmelementes 3, die der Gradientenspulenbaugruppe 2 zugewandt
ist bis zu einer Höhe
im Bereich zwischen den beiden Stirnseiten 31, 32 des
Klemmelementes 3. Es ist aber auch möglich, dass sich diese Innenfläche bis
zur gegenüberliegenden
Stirnseite 32 erstreckt.
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Der
größte Durchmesser
dieser Innenfläche ist
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
etwas kleiner als der Außendurchmesser 40 des
Klemmelementes. Ein typischer Wert für den Abstand in dem Zwischenraum 12 zwischen
der Außenfläche 20 der
Gradientenspulenbaugruppe 2 und der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 liegt
beispielsweise im Bereich von etwa fünf bis zehn Millimeter (mm).
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Zwischen
der Höhe
des kleinsten Durchmessers 41 der konischen Innenfläche des
Klemmelementes 3 und der gegenüberliegenden Stirnseite 32 des
Klemmelementes 3 ist die Innenseite des Klemmelementes 3 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
in Form einer zweiten Innenfläche 7 zylindrisch
gestaltet, wobei der Innendurchmesser dieser zweiten Innenfläche 7 dem
kleinsten Durchmesser 41 der konischen Innenfläche entspricht.
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Die
Gradientenspulenbaugruppe 2 ist im Wesentlichen rohrförmig gestaltet. 2 zeigt
ihren Innendurchmesser 43. Dieser ist so groß, dass
die Liege für
einen zu untersuchenden Menschen im Inneren der Gradientenspulenbaugruppe 2 Platz
findet.
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Die
Gradientenspulenbaugruppe 2 weist auf ihrer dem Klemmelement 3 zugewandten
Stirnseite 21 eine konische Außenfläche auf, die zur konischen Innenfläche des
Klemmelementes 3 derart kongruent gestaltet ist, dass sich
nach Verkeilung des Klemmelementes 3 zwischen die Gradientenspulenbaugruppe 2 und
die Grundfeldmagnetbaugruppe 1 eine flächige formschlüssige Verbindung 4 entsteht.
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Damit
eine Verkeilung des Klemmelementes 3 möglich ist, ist der größte Durchmesser
der konischen Innenfläche
des Klemmelementes 3 größer als der
kleinste Durchmesser der konischen Außenfläche der Gradientenspulenbaugruppe 2.
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Die
konische Innenflächen
des Klemmelementes 3 und die konische Außenfläche der
Gradientenspulenbaugruppe 2 sind derart achsensymmetrisch
gestaltet, dass sie mit der Gradientenspulenbaugruppe 2 die
Symmetrieachse 10 gemeinsam haben. Dadurch wirken bei der
Verkeilung des Klemmelementes 3 bei der Montage der Gradientenspulenbaugruppe 2 selbstzentrierende
Kräfte.
Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine zeitsparende Montage
und präzise
Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe 2.
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Die
Neigung der Kontaktfläche 4 bezüglich der
Symmetrieachse 10 kann dabei in einem Winkelbereich zwischen
5 und 15 Grad liegen.
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Das
Klemmelement besteht bevorzugt aus einem elektrisch nicht leitendem
Material mit einer hohen mechanischen Festigkeit wie zum Beispiel HGW
2372.
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Nicht
dargestellt in 1 und 2 sind etwaige
Löcher
in dem Klemmelement 3, durch die beispielsweise Stromanschlüsse oder
Anschlüsse
für Kühlvorrichtungen,
so wie sie für
Gradientenspulen typischerweise nötig sind, vorgesehen sind.
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Auch
ist es denkbar, dass für
derlei Anschlüsse
das Klemmelement nicht in Form eines geschlossenen Ringes vorliegt,
sondern eines Ringes der einen Spalt aufweist, durch den diese Anschlüsse gelegt
werden können.
In diesem Fall bildet das Klemmelement 3 keinen geschlossenen
Ring, sondern stellt eine Art Spange dar.
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Im
gezeigten Beispiel steht – wie
oben erwähnt – die Gradientenspulenbaugruppe 2 und
die Grundfeldmagnetbaugruppe 1 auf der Stirnseite 22 der
Gradientenspulenbaugruppe 2, die dem Klemmelement 3 abgewandt
ist, direkt über
eine formschlüssige
Kontaktfläche 6 miteinander
in Kontakt. Diese Kontaktfläche
kann ebenfalls kegelabschnittförmig
und insbesondere achsensymmetrisch geformt sein, wobei die Gradientenspulenbaugruppe 2 und
diese Kontaktfläche 6 eine
gemeinsame Symmetrieachse 10 aufweisen.
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Im
gezeigten Beispiel weist auch diese Kontaktfläche 6 mit der Symmetrieachse 10 einen
Winkelbereich von etwa 5 bis 15 Grad auf, wobei die Erfindung nicht
auf Kontaktflächen
beschränkt
ist, die durch diesen Winkelbereich ausgezeichnet sind. Durch eine
achsensymmetrische Form der Kontaktfläche 6 wird eine exakte
Positionierung bei der Verbindungsherstellung zwischen der Gradientenspulenbaugruppe 2 und
der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 wesentlich durch ein selbstzentrierendes
Moment erleichtert.
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Bei
der Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe 2 wird
diese zunächst
in die Öffnung 15 der
Grundfeldmagnetbaugruppe 1 eingeführt und die Kontaktfläche 6 hergestellt.
Anschließend
wird dann das Klemmelement gegen die Gradientenspulenbaugruppe 2 mit
einer Kraft F in Richtung 11 gedrückt, bis die Gradientenspulenbaugruppe 2 aufgrund
der Form der Kontaktflächen 4 und 6 sich selbst
zentrierend positioniert hat.
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Vorteilhaft
kann das Klemmelement 3 in dieser Position durch Bolzen
beispielsweise Schraubenbolzen gehalten werden, die beispielsweise
an der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 angebracht sein können.
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Die
Vorteile der Erfindung können
wie folgt zusammengefasst werden:
- • Durch die
im Wesentlichen ringförmige
Verspannung der rohrförmigen
Gradientenspulenbaugruppe erfolgt eine Versteifung der Gradientenspulenbaugruppe.
- • Die
Versteifung der Gradientenspulenbaugruppe führt zu einer Schwingungsminderung
und zu einer Lärmreduktion
- • Verglichen
mit herkömmlichen
Methoden wird durch die Erfindung eine erhebliche Zeitersparnis bei
der Montage der Gradientenspulenbaugruppe in der Grundfeldmagnetbaugruppe
ermöglicht.
Es sind aufgrund der einstückigen
Ausbildung des Ringkeils nur vergleichsweise wenige Arbeitsschritte
zur Fixierung nötig.
- • Durch
die Erfindung kann eine zeitaufwändige Positionierung
der Gradientenspulenbaugruppe nach dem Stand der Technik entfallen,
da die Vorrichtung selbstzentrierend gestaltet werden kann.