DE10252813B3

DE10252813B3 - Flusspumpensystem für HTS-Grundfeldmagneten von Kernspintomographen und Kernspintomograph mit einem HTS-Grundfeldmagneten und einem Flusspumpensystem

Info

Publication number: DE10252813B3
Application number: DE2002152813
Authority: DE
Inventors: Rainer Kuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2022-11-14

Abstract

Zum Betrieb eines Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten (2) eines Kernspintomographen (1) wird ein Flusspumpensystem vorgeschlagen, das mit dem Grundfeldmagneten magnetisch gekoppelt ist und zumindest die Verluste im magnetischen Fluss des Grundfeldes (B¶0¶), hervorgerufen von der endlichen Leitfähigkeit der hochtemperatursupraleitenden Grundfeldmagnetspule des Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten (2), ausgleicht; das Flusspumpensystem weist eine erste Flusspumpe (31) auf, die in einem Betriebszustand periodisch eine magnetische Flussmenge nachfüllt, die im zeitlichen Mittel im Wesentlichen die Verluste im magnetischen Fluss des Grundfeldes (B¶0¶), hervorgerufen von der endlichen Leitfähigkeit der hochtemperatursupraleitenden Grundfeldmagnetspule, ausgleicht, und das Flusspumpensystem weist eine zweite Flusspumpe (32) zum definierten Nachfüllen einer magnetischen Restflussmenge auf, welche den vom periodischen Nachfüllen einer Flussmenge durch die erste Flusspumpe resultierenden Wechselfeldanteil des magnetischen Grundfeldes (B¶0¶) glättet.

Description

Flusspumpensystem für HTS-Grundfeldmagneten von Kernspintomographen und Kernspintomograph mit einem HTS-Grundfeldmagneten und einem Flusspumpensystem.
Die Erfindung betrifft den Betrieb von Kernspintomographen mit einem Grundfeldmagneten aus hochtemperatur-supraleitendem Material.
Moderne Kernspintomographen, die sowohl für die Bildgebung als auch für spektroskopische und neurofunktionelle Untersuchungen verwendet werden, besitzen ein statisches Magnetfeld (B₀-Feld), auch magnetisches Grundfeld genannt, mit einer Feldstärke von ca. 1,5 T. In Einzelfällen, insbesondere bei spektroskopischen Anwendungen, werden sogar magnetische Feldstärken bis etwa 4 T eingesetzt.
Magnetfelder in dieser Größenordnung können nur mit supraleitenden Magneten erzeugt werden. Bei Widerstandsmagneten und Permanentmagneten ist die erzielbare magnetische Feldstärke auf Werte um etwa 0,3 T beschränkt.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung supraleitender Magnete als Grundfeldmagnete in Kernspintomographen, auch Magnetresonanztomographen oder kurz MR-Tomographen genannt, bildet die gegenüber Widerstands- bzw. Permanentmagneten große erzielbare Homogenität des magnetischen Grundfeldes.
Ein supraleitender Magnet muss jedoch ständig gekühlt werden um den stromdurchflossenen Leiter auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu halten. Steigt die Temperatur zu stark an, so kann der Widerstand des stromdurchflossenen Leiters an manchen Stellen einen kritischen Wert überschreiten. In der Folge kommt es zu lokalen Erhitzungen des Leiters. Die hierdurch erzeugten Dampfblasen im als Kühlmedium verwendeten flüssigen Helium verschlechtern die Kühlung weiterhin.
Um die Leitertemperaturen des Magneten auf den erforderlichen niedrigen Temperaturen und gleichzeitig das Zentrum des Magneten, in dem sich der Patient befindet, auf Raumtemperatur zu halten, ist ein Kühlen der Leiter mit flüssigem Helium in einem Kryostaten, der zur Wärmeisolierung in einem Hochvakuumtank mit Strahlenschildern und Isolationsfolien angeordnet ist, erforderlich. Bei einer Feldstärke von ca. 1,5 T verdampfen etwa 0,5 1 Helium in der Stunde, das im Kühlkreislauf außerhalb des Magneten verflüssigt und dem Kryostaten erneut zugeführt wird. Die oben beschriebenen Vorteile eines supraleitenden Magneten werden daher mit einem hohen technischen Aufwand und hohen Gestehungs- und Unterhaltskosten erkauft.
Für künftige MR-Tomographen sind daher Grundfeldmagnete gefordert, die ein den supraleitenden Magneten vergleichbares Magnetfeld erzeugen, jedoch günstiger hergestellt werden können und niedrigere Unterhaltskosten verursachen.
Eine sich diesbezüglich für die Zukunft abzeichnende Technologie basiert auf der Verwendung sogenannter Hochtemperatursupraleiter (HTS) als Feldspulenmaterial für einen Grundfeldmagneten. Entsprechende Feldspulenmaterialien, wie z.B. YBCO (Yttrium Barium Copper Oxide) oder Bi-2223 weisen bereits oberhalb von 20 K supraleitende Eigenschaften auf, sodass eine Trockenkühlung der Feldspule möglich ist und auf eine kostenintensive Flüssig-Heliumkühlung verzichtet werden kann. Darüber hinaus können entsprechende HTS-Grundfeldmagneten mit einfacheren Schirmmaßnahmen realisiert werden.
Im Gegensatz zu klassischen supraleitenden Materialien, wie beispielsweise Niob-Titan-Legierungen besitzen Hochtemperatursupraleiter auch im supraleitenden Zustand noch eine nicht zu vernachlässigende endliche Leitfähigkeit. Die dadurch verursachten resistiven Verluste im Feldspulenstrom bewirken eine Abnahme des erzeugten magnetischen Flusses und somit der Magnetfeldstärke B₀ über der Zeit.
Zum Ausgleich dieser resistiv bedingten Magnetfeldverluste sind sogenannte Flusspumpen bekannt, die mittels Nachfüllen von magnetischem Fluss der Abnahme des statischen Magnetfelds B₀ entgegenwirken. Die Flusspumpen sind i.A. mit dem HTS-Grundfeldmagneten magnetisch gekoppelte HTS-Magnetspulen. Die Menge des eingekoppelten magnetischen Flusses wird hierbei durch Schalten des Spulenstroms der Flusspumpe gesteuert.

DE 100 65 400 A1 offenbart die Kombination einer hochtemperatursupraleitenden (Hoch Temperatur Supraleitende – HTS-) Flusspumpe mit einem HTS-Grundfeldmagneten von Kernspintomographiegeräten (insbesondere 1 und 3). Es werden Maßnahmen angegeben mit denen die entsprechenden Vorrichtungen mit HTS-Material in vorteilhafter Weise realisiert werden können.

DE 101 04.365 C1 offenbart eine Einrichtung und ein Verfahren (insbesondere 1) zur Stabilisierung des Grundmagnetfeldes eines Magnetresonanz-Spektrometers, die mittels außerhalb des HTS-Grundfeldmagneten und auf höherem Temperaturniveau angeordneten HTS-Driftkompensationsspulen dazu geeignet sind, in ihrer Gesamtheit Felddriften der supraleitend kurzgeschlossenen Hauptspule im Messvolumen weitgehend auszugleichen.

DE 101 56 234 C1 offenbart ein supraleitfähige Leiterstrukturen umfassendes Kernspinresonanz-Magnetspulensystem, in welchem die Stromdrift und damit auch die Magnetfelddrift des HTS-Grundfeldmagneten durch separates supraleitendes Kurzschließen geeigneter Teilbereiche des Magnetspulensystems im Wesentlichen ausgeglichen wird, ohne zusätzliche Driftkompensationsspulen zu verwenden.

Durch den Schaltvorgang entsteht eine als Ripple bezeichnete Welligkeit des magnetischen Grundfeldes B₀. Der Anteil des Ripple am magnetischen Grundfeld B₀ kann mit einer Erhöhung der Schaltfrequenz verringert werden. Diesem Verfahren sind jedoch durch die Erholungszeiten der als Schalter eingesetzten Halbleiterbauelemente Grenzen gesetzt. Eine Reduktion des Ripple auf etwa 10 ppm der Grundfeldstärke B₀ wird bei einer Schaltfrequenz von 50 Hz als möglich angesehen.

Mit der zeitlichen Änderung der Grundfeldstärke B₀(t) geht eine zeitliche Änderung der Larmorfrequenz ω₀(t) gemäß der folgenden Gleichung (1) einher: ω0(t) = γB0(t); (1)wobei γ das vom durchdrungenen Material abhängige gyromagnetische Verhältnis darstellt.

In der Magnetresonanztomographie werden dem statischen Grundfeld B₀ orthogonale magnetische Gradientenfelder G^x,y,z zur Schichtauswahl und zur Ortskodierung so überlagert, dass die Larmorfrequenz wo linear von der jeweiligen Ortkoordinate abhängt. Für die Larmorfrequenz ω^x,y,z einer Volumenzelle am Ort (x, y, z) gilt daher im statischen Fall die folgende Beziehung (2) ωx,y,z = γ(B0 + Gx,y,z); (2)

Innerhalb eines Volumenelements zwischen den Koordinaten (x₁, y₁, z₁) und (x₂, y₂, z₂) variiert die Larmorfrequenz ω^x,y,z zwischen den Werten

Strahlt man nun einen HF-Impuls ein, dessen Frequenzspektrum mit diesem Intervall übereinstimmt, so werden nur Kerne innerhalb des Volumenelements angeregt.

Die von einem, mit einer Flusspumpe gekoppelten HTS-Grundfeldmagneten erzeugte wellige Feldstärke B₀(t) kann als Linearkombination eines statischen Magnetfelds B₀ mit einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld ΔB₀(t) angesehen werden. Gilt

so sind deutliche Artefakte in einer Magnetresonanz-Bildrekonstruktion zu erwarten. Erfahrungsgemäß führt bereits ein Ripple von um 1 ppm der Grundfeldstärke B₀ zu deutlichen Artefakten in der Bildrekonstruktion. Ein, mit dem oben angesprochenen Flusspumpenverfahren erzeugter Ripple ΔB₀(t) größer als 10 ppm ist diagnostisch als inakzeptabel anzusehen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Flusspumpensystem anzugeben bzw. einen Kernspintomographen mit einem solchen Flusspumpensystem, das eine praktisch artefaktfreie Magnetresonanz-Bildrekonstruktion in der Magnetresonanztomographie unter Verwendung von HTS-Grundfeldmagneten gestattet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Erfindung wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert ist.

Im Einzelnen wird ein Flusspumpensystem für einen Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten eines Kernspintomographen vorgeschlagen, wobei das Flusspumpensystem mit dem Grundfeldmagneten magnetisch gekoppelt ist und zumindest die Verluste im magnetischen Fluss des Grundfeldes, hervorgerufen von der endlichen Leitfähigkeit der hochtemperatursupraleitenden Grundfeldmagnetspule des Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten ausgleicht, und das Flusspumpensystem eine erste Flusspumpe mit einem Betriebszustand zum periodischen Nachfüllen einer magnetischen Flussmenge, die in ihrem zeitlichen Mittel im Wesentlichen die Verluste im magnetischen Fluss des Grundfeldes, hervorgerufen von der endlichen Leitfähigkeit der hochtemperatursupraleitenden Grundfeldmagnetspulen ausgleicht, und eine zweite Flusspumpe zum definierten Nachfüllen einer magnetischen Restflussmenge, die den vom periodischen Nachfüllen einer Flussmenge durch die erste Flusspumpe resultierenden Wechselfeldanteil des magnetischen Grundfeldes glättet, aufweist.

Weiterhin wird Kernspintomograph mit einem Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten und einem entsprechen Flusspumpensystem zur Lösung obiger Aufgabe vorgeschlagen.

Das erfindungsgemäße Flusspumpensystem zum Ausgleich der resistiv bedingten Magnetfeldverluste eines Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten ergänzt vorteilhaft das von einer ersten Flusspumpe bewirkte periodische Nachfüllen magnetischen Flusses um eine Kompensation hierdurch verursachter Schwankungen in der magnetischen Grundfeldstärke B₀. Da die von der ersten Flusspumpe bewirkten Schwankungen der magnetischen Grundfeldstärke B₀ nur einen Bruchteil des nachgefüllten magnetischen Flusses ausmachen, kann die zweite Flusspumpe mit wesentlich geringeren Spulenströmen betrieben werden als die erste und kann daher mit konventionellen Mitteln gesteuert bzw. geregelt werden.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

Zweckmäßigerweise wird die erste Flusspumpe des erfindungsgemäßen Flusspumpensystems auch zum Aufladen des Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten verwendet. Bei zu erzeu genden magnetischen Grundfeldern von ca. 1,5 T und darüber muss die Flusspumpe dabei mit Spulenströmen von mehreren hundert Ampere über mehrere Tage betrieben werden. Auch im stationären Betrieb des HTS-Grundfeldmagneten erreicht der Spulenstrom der ersten Flusspumpe noch Stromstärken von mehreren zehn bis hundert Ampere. Um die resistiven Verluste in der Spule der ersten Flusspumpe möglichst gering zu halten und trotzdem eine Trockenkühlung der Spule über Wärmeleiter zu ermöglichen, bildet eine Hochtemperatursupraleitende-Flusspumpe die erste Flusspumpe.

Zum Glätten der Welligkeit des Grundmagnetfeldes wird die zweite Flusspumpe mit geringen Magnetspulenströmen betrieben, so dass in einer bevorzugten Ausführungsform eine resistive Flusspumpe als zweite Flusspumpe eingesetzt wird.

Bedingt durch die sich üblicherweise im zeitlichen Verlauf nicht verändernden Betriebsparametern eines HTS-Grundfeldmagneten, wie beispielsweise dem Widerstandsbeiwert seiner Magnetspule und den Betriebsparametern der ihn versorgenden ersten Flusspumpe, kann i.A. ein stationärer zeitlicher Verlauf des magnetischen Grundfeldes B₀ angenommen werden. Bevorzugt wird daher zunächst ein geeigneter zeitlicher Verlauf der Ansteuerung der zweiten Flusspumpe experimentell bestimmt und anschließend wird die zweite Flusspumpe entsprechend der ermittelten Ansteuerung betrieben.

Alternativ hierzu kann als Eingangsgröße für eine Steuerung der ersten Flusspumpe auch vorteilhaft ein zuvor ermittelter Verlaufs des von der ersten Flusspumpe bewirkten Wechselfeldanteils des magnetischen Grundfeldes verwendet werden.

Ferner kann ein mit der Ansteuerung der ersten Flusspumpe verknüpftes Signal und/oder ein Ausgangssignal eines induktiv mit dem Magnetkreis des Grundfeldmagneten gekoppelten Messgebers vorteilhaft eine Eingangsgröße des Steuerschaltkreises zur Ansteuerung der zweiten Flusspumpe bilden. Vorzugweise kann der Steuerschaltkreis zur Ansteuerung der zweiten Flusspumpe als Eingangsgröße ein Ausgangssignal eines Magnetfeldsensors verarbeiten.

Das erfindungsgemäße Flusspumpensystem kann in Kernspintomographen mit einem HTS-Grundfeldmagneten insbesondere zur bildgebenden medizinischen Diagnostik verwendet werden.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen erläutert, wobei
1 eine schematische Darstellung eines Kernspintomographen zeigt,
2 ein mit dem Grundfeldmagneten eines Kernspintomographen nach 1 magnetisch gekoppeltes Flusspumpensystem gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung zeigt,
3 zwei Beispiele einer von der ersten Flusspumpe verursachten Welligkeit im magnetischen Grundfeld den Schaltzuständen der Ansteuerung der ersten Flusspumpe gegenüberstellt,
4 das magnetische System nach 2 mit der Nutzung eines von der Ansteuerung der ersten Flusspumpe gelieferten Signals zur Steuerung der zweiten Flusspumpe zeigt,
5 das magnetische System nach 2 mit der Nutzung des Ausgangssignals eines induktiv mit dem Magnetkreis des Grundfeldmagneten gekoppelten Messgebers zur Regelung der zweiten Flusspumpe zeigt , und
6 das magnetische System nach 2 mit der Nutzung des Ausgangssignals eines Magnetfeldsensors zur Re gelung der zweiten Flusspumpe zeigt.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Magnetresonanz-Bildgebungsgeräts bzw. Kernspintomographen 1 zur Erzeugung eines Kernspinbildes eines Objektes gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des Kernspintomographen 1 entspricht dabei dem Aufbau eines herkömmlichen Tomographiegerätes. Ein Grundfeldmagnet 2 erzeugt ein zeitlich konstantes starkes Magnetfeld zur Polarisation bzw. Ausrichtung der Kernspins im Untersuchungsbereich eines Objektes, wie z.B. eines zu untersuchenden Teils eines menschlichen Körpers. Die für die Kernspinresonanzmessung erforderliche hohe Homogenität des Grundmagnetfeldes ist in einem z.B. kugelförmigen Messvolumen M definiert, in das die zu untersuchenden Teile des menschlichen Körpers eingebracht werden. Zur Unterstützung der Homogenitätsanforderungen und insbesondere zur Eliminierung zeitlich invariabler Einflüsse werden an geeigneter Stelle sogenannte Shim-Bleche aus ferromagnetischem Material angebracht. Zeitlich variable Einflüsse werden durch Shim-Spulen 3 eliminiert, die durch eine Shim-Stromversorgung 4 angesteuert werden.
In den Grundfeldmagneten 2 ist ein zylinderförmiges Gradientenspulensystem 5 eingesetzt, das aus drei Teilwicklungen besteht. Jede Teilwicklung wird von einem Verstärker 6 mit Strom zur Erzeugung eines linearen Gradientenfeldes in die jeweilige Richtung des kartesischen Koordinatensystems versorgt. Die erste Teilwicklung des Gradientenfeldsystems 5 erzeugt dabei einen Gradienten G_x in x-Richtung, die zweite Teilwicklung einen Gradienten G_y in y-Richtung und die dritte Teilwicklung einen Gradienten G_z in z-Richtung. Jeder Verstärker 6 umfasst einen Digital-Analog-Wandler, der von einer Sequenzsteuerung 7 zum zeitrichtigen Erzeugen von Gradientenpulsen angesteuert wird.
Innerhalb des Gradientenfeldsystems 5 befindet sich eine Hochfrequenzantenne 8, welche die von einem Hochfrequenzlei stungsverstärker abgegebenen Hochfrequenzpulse in ein magnetisches Wechselfeld zur Anregung der Kerne und Ausrichtung der Kernspins des zu untersuchenden Objektes bzw. des zu untersuchenden Bereiches des Objektes umsetzt. Die Hochfrequenzantenne 8 besteht aus einer oder mehreren HF-Sendespulen und einer oder mehreren HF-Empfangsspulen, möglicherweise bestehend aus einer Anordnung von Komponentenspulen (allgemeine Bezeichnung „Coil Arrays" oder auch „Phased Array Coils"). Von den HF-Empfangsspulen der Hochfrequenzantenne 8 wird auch das von den präzedierenden Kernspins ausgehende Wechselfeld, d.h. in der Regel die von einer Pulssequenz aus einem oder mehreren Hochfrequenzpulsen und einem oder mehreren Gradientenpulsen hervorgerufenen Kernspinechosignale, in eine Spannung umgesetzt, die über einen HF-Verstärker 9 einem Hochfrequenz-Empfangskanal 10 eines Hochfrequenzsystems 12 zugeführt wird. Das Hochfrequenzsystem 12 umfasst weiterhin einen HF-Sendekanal 11, in dem die Hochfrequenzpulse für die Anregung der magnetischen Kernresonanz erzeugt werden. Dabei werden die jeweiligen Hochfrequenzpulse aufgrund einer vom Anlagenrechner 13 vorgegebenen Pulssequenz in der Sequenzsteuerung 7 digital als Folge komplexer Zahlen dargestellt. Diese Zahlenfolge wird als Real- und als Imaginäranteil über jeweils einen Eingang 14 einem Digital-Analog-Wandler im Hochfrequenzsystem 12 und von diesem einem Sendekanal 11 zugeführt. Im Sendekanal 11 werden die Pulssequenzen einem Hochfrequenz-Trägersignal auf moduliert, dessen Basisfrequenz der Resonanzfrequenz der Kernspins im Messvolumen entspricht.
Die Umschaltung von Sende- auf Empfangsbetrieb erfolgt über eine Sende-Empfangsweiche 15. Die HF-Sendespule der Hochfrequenzantenne 8 strahlt die Hochfrequenzpulse zur Anregung der Kernspins in das Messvolumen M ein und tastet. resultierende Echosignale über die HF-Empfangsspulen ab. Die entsprechend gewonnenen Kernresonanzsignale werden im Empfangskanal 10 des Hochfrequenzsystems 12 phasenempfindlich demoduliert und über einen jeweiligen Analog-Digital-Wandler in Realteil und Imaginärteil des Messsignals umgesetzt. Durch einen Bildrechner 16 wird aus den dergestalt gewonnenen Messdaten ein Bild rekonstruiert. Die Verwaltung der Messdaten, der Bilddaten und der Steuerprogramme erfolgt über den Anlagenrechner 13. Aufgrund einer Vorgabe mit Steuerprogrammen kontrolliert die Sequenzsteuerung 7 die Erzeugung der jeweils gewünschten Pulssequenzen und das entsprechende Abtasten des k-Raumes. Insbesondere steuert die Sequenzsteuerung 7 dabei das zeitrichtige Schalten der Gradienten, das Aussenden der Hochfrequenzpulse mit definierter Phase und Amplitude sowie den Empfang der Kernresonanzsignale. Die Zeitbasis für das Hochfrequenzsystem 12 und die Sequenzsteuerung 7 wird von einem Synthesizer 19 zur Verfügung gestellt. Die Auswahl entsprechender Steuerprogramme zur Erzeugung eines Kernspinbildes sowie die Darstellung des erzeugten Kernspinbildes erfolgt über ein Terminal 17, das eine Tastatur sowie einen oder mehrere Bildschirme umfasst. Das Terminal 17 dient weiterhin zur erfindungsgemäßen Auswertung von Kernspinbildern.
Bei Verwendung einer hochtemperatur-supraleitende Magnetspule zur Realisierung des Grundfeldmagneten 2 eines Kernspintomographen 1 nimmt, wenn keine weiteren Vorkehrungen getroffen werden, der Strom durch die Magnetspule wegen der nicht zu vernachlässigenden endlichen Leitfähigkeit des Spulenmaterials mit der Zeit ab. Die Zeitkonstante des Abfalls beträgt je nach Ausführungsform des Grundfeldmagneten einige 10 bis wenige 100 Sekunden. Eine Magnetresonanztomographie ist mit einem derartig schnellen Abfall des magnetischen Grundfeldes B₀ nicht durchführbar. Daher müssen die Verluste im magnetischen Fluss des Grundfeldmagneten 2 auf einer kontinuierlichen Basis ersetzt bzw. nachgefüllt werden.
2 zeigt in einer schematischen Übersicht eine erfindungsgemäße Ladeschaltung 30 zur Aufrechterhaltung des magnetischen Grundfeldes B₀ für einen Kernspintomographen 1. In der Ladeschaltung 30 werden eine, im folgenden auch als primäre Flusspumpe bezeichnete erste 31 und eine, im folgenden auch als sekundäre Flusspumpe bezeichnete zweite 32 magne tisch mit dem Grundfeldmagneten 2 gekoppelt. Die magnetische Koppelung 33 erfolgt dabei über die Magnetfeldspulen 31a der primären Flusspumpe 31 bzw. 32a der sekundären Flusspumpe 32 zur Magnetspule 2a des Grundfeldmagneten 2. Angesteuert werden die Flusspumpen jeweils von einem Steuerschaltkreis 34 für die primäre bzw. 35 für die sekundäre Flusspumpe. Die Steuerschaltkreise regeln insbesondere den Strom durch die Magnetspulen der Flusspumpen, wobei die Steuerung von extern angelegten Signalen beeinflusst werden kann.
Aufgabe der primären Flusspumpe 31 ist es, die resistiv, d.h. von der endlichen Leitfähigkeit des Spulenmaterials des Grundfeldmagneten 2 bedingten Verluste an magnetischem Fluss des Grundfeldmagneten zu ersetzen. Durch die magnetische Koppelung 33 der Magnetspule 31a mit der Magnetfeldspule 2a bildet die Flusspumpe 31 zusammen mit dem Grundfeldmagneten 2 eine transformatorgleiche Ladeschaltung. Die Magnetspule 31a ist hierbei als Primärwindung und die Magnetspule 2a als Sekundärwindung des Transformators anzusehen. Zur Energieübertragung von der Flusspumpe 31 auf den Grundfeldmagneten 2 wird ein geeignet ausgebildeter Ladestrom in der Magnetspule 31a der primären Flusspumpe 31 erzeugt. Prinzipiell können für den Ladevorgang Magnetspulenströme mit beliebigem Zeitverlauf verwendet werden, doch da im allgemeinen Ladeströme um einige 100 A benötigt werden, wird der Magnetspulenstrom zweckmäßig geschaltet. Man erhält so einen näherungsweise rechteckförmigen Zeitverlauf des Ladestroms. Hierzu verwendet man bevorzugt elektronische Schalter, insbesondere CMOS Leistungstransistoren, da diese auch bei den für eine Hochtemperatursupraleitung erforderlichen tiefen Temperaturen einen geringen ohmschen Widerstand aufweisen. Durchschalten und Sperren eines CMOS Leistungstransistors erfolgt durch Anlegen bzw. Ändern einer geeigneten Gatespannung. Um einen gleichmäßigeren magnetischen Ladefluss zu erhalten, kann die Magnetfeldspule 31a vorteilhaft aus einer oder mehreren Teilspulen aufgebaut werden. Die Ströme durch die Teilspulen werden hierzu zweckmäßig aufeinander abgestimmt geschaltet.
Das Diagramm der 3 zeigt den zeitlichen Verlauf der Gatespannungen 43 und 44 die an den als Schalter eingesetzten CMOS Leistungstransistoren einer primären Flusspumpe 31 mit zwei getrennt gesteuerten Magnetspulenkreisen 31a anliegen. Bei einer Gatespannung von etwa -5V ist der vom CMOS Leistungstransistor gebildete Schalter geschlossen, so dass ein Ladestrom durch den entsprechenden Magnetspulenkreis 31a der Flusspumpe fließen kann. Das Anlegen einer Gatespannung von +5V sperrt den CMOS Transistor und unterbricht damit den Stromfluss durch den Magnetspulenkreis 31a. Als aktive Phase der Flusspumpe bezeichnet man den, von einen Stromfluss durch ihre Magnetspule 31a gekennzeichneten Zustand. Ist dieser Stromfluss unterbrochen, so liegt eine passive Phase der Flusspumpe vor.
Bedingt durch die transformatorgleiche Ladeschaltung 30 erhöht sich die Feldstärke des magnetischen Grundfelds während der aktiven Phase der Flusspumpe. In der passiven Phase nimmt es dagegen aufgrund der resistiven Verluste in der Feldspule 2 des HTS-Grundfeldmagneten ab. Die passiven Phasen der Flusspumpe können jedoch nicht unbeschränkt verkürzt werden, da sie zur Kommutierung des Ladestroms erforderlich sind. Als Folge erhält das magnetische Grundfeld B₀ durch den Ladevorgang eine als Ripple bezeichnete Welligkeit. Bei einer zweikreisigen primären Flusspumpe, wie sie dem Diagramm 40 der 3 zugrunde liegt, entspricht die Frequenz des Ripple dem doppelten der Schaltfrequenz eines CMOS Leistungstransistors. Die Kurven 41 bzw. 42 des Diagramms 40 der 3 zeigen jeweils einen Verlauf der Welligkeit für zwei unterschiedliche Grundfeldmagnetstärken B₀ in Relation zu den Schaltzuständen der beiden CMOS Schalter einer zweikreisigen primären Flusspumpe 31.
Eine Messung des magnetischen Grundfeldes B₀ erfolgt bevorzugt "offline", d.h. bei abgeschalteten Gradientenfeldern am Kernspintomograph 1. Zur Messung von B₀ kann beispielsweise ein Kernspin- oder Elektronenspin-Magnetometer wie es beispielsweise in der Patentschrift DE 100 25 273 C2 beschrieben ist, verwendet werden. Den zeitlichen Verlauf des magnetischen Grundfeldes B₀ kann man alternativ hierzu auch direkt aus einer Abfolge von Magnetresonanzmessung bei abgeschalteten Gradientenfeldern ermitteln. Aus der Furietransformation eines jeweils akquirierten Datensatzes wird das Maximum bestimmt. Da das Maximum proportional dem magnetischen Grundfeld B₀ ist erhält man hieraus die Feldstärke des magnetischen Grundfeldes zum jeweiligen Zeitpunkt der Messung. Bei wiederholt vorgenommener Messung im Sinne einer Messsequenz erhält man den zeitlichen Verlauf von B₀.
Der Ripple 41 bzw. 42 weist bei stationärem Betrieb des Grundfeldmagneten 2 eine sich periodisch wiederholende Wellenform auf. Der Ripple des magnetischen Grundfeldes ist somit reproduzierbar, sodass aus einer Bestimmung der Wellenform für zumindest eine Periode auf den späteren Verlauf des magnetischen Grundfeldes B₀ geschlossen werden kann. Daraus ergibt sich die Möglichkeit den Ripple mit einer zweiten, sekundären Flusspumpe 32 mit einer sich periodisch wiederholenden Pumpcharakteristik zu glätten.
Wie der 2 zu entnehmen ist, wird die sekundäre Flusspumpe 32 hierzu parallel zur primären Flusspumpe 31 magnetisch an den Grundfeldmagneten 2 gekoppelt. Die sekundäre Flusspumpe 32 speist den Grundfeldmagneten 2 mit einem magnetischen Fluss, dessen Wechselfeldanteil Amplituden von der Größe der. Amplituden des Ripple 41 bzw. 42 aufweist und dessen Phase im Wesentlichen entgegengesetzt, d.h. um 180° verschoben zur Phase der primären Flusspumpe 31 verläuft.
Das erfindungsgemäße Flusspumpensystem kann als eine Kombination einer magnetischen Leistungs-Flusspumpe 31 mit einer Kompensations-Flusspumpe 32 von vergleichsweise geringer Leistung angesehen werden. Der Betrieb der primären Leistungs-Flusspumpe 31 erfolgt mit sehr hohen Spulenströmen, sodass deren Magnetspulen 31a bevorzugt aus hochtemperatursupraleitenden Materialien wie beispielsweise YBCO, Bi-2223 oder dergleichen verwendet wird. Für die sekundäre Flusspumpe 32, die mit relativ niedrigen Spulenströmen betrieben wird kann ein nichtsupraleitendes, widerstandsbehaftetes Material wie z.B. Kupfer oder dergleichen zur Ausbildung der Magnetspule bzw. der Magnetspulen verwendet werden. Eine derartige Flusspumpe wird als resistive Flusspumpe bezeichnet.
Die Wellenform des Magnetspulenstroms in der sekundären Flusspumpe 32 kann für eine optimale Kompensation des Ripple experimentell bestimmt werden. In einem ersten Schritt wird ein Spulenstrom mit einer Grundwellenform verwendet. Die sekundäre Flusspumpe wird mit einer entsprechenden Stromcharakteristik betrieben und das Zeitverhalten des B₀ Feldes erneut bestimmt. Ist das B₀-Feld nicht hinreichend konstant, so erhält der Spulenstrom der sekundären Flusspumpe 32 einen zusätzlichen höherer Term. Nun wird das Zeitverhalten von B₀ erneut überprüft und gegebenenfalls ein weiterer Term dem Spulenstrom hinzugefügt. Das Ganze wird solange wiederholt bis schließlich eine ausreichende Konstanz des B₀-Feldes erreicht ist.
Im Gegensatz zur primären Flusspumpe ist eine entsprechende komplexe Wellenform des Stroms durch die Magnetspule der sekundären Flusspumpe einfach zu realisieren, da zum Glätten des von der ersten Flusspumpe 31 verursachten Ripple nur relativ geringe Stromstärken erforderlich sind.
Im Gegensatz zur beschriebenen, experimentell ermittelten Steuerung der sekundären Flusspumpe 32, kann die Steuerung auch basierend auf einem zuvor gemessenen Verlauf des Ripple 41 bzw. 42 erfolgen. Zur optimalen Glättung des magnetischen Grundfeldes B₀ muss die sekundäre Flusspumpe 32 einen magnetischen Fluss erzeugen, der invers zur Welligkeit 41 bzw. 42 des magnetischen Grundfeldes B₀ verläuft, d.h. dem Verlauf des Ripple 41 bzw. 42 mit negativen Vorzeichen entspricht.
Bei Kenntnis des Kommutationsverhaltens des Spulenstroms der sekundären Flusspumpe 32 kann dieser mittels eines digitalen oder eines analogen Schaltkreises so geregelt werden, dass ein entsprechender magnetischer Kompensationsfluss erzeugt wird. Das Kommutierungsverhalten des Spulenstroms der Magnetspule 32a kann mittels mathematischer Modellbildung oder aber experimentell ermittelt werden.
Eine exakte zeitliche Abstimmung zweier unabhängig voneinander operierender Systeme ist technisch ohne Synchronisation nicht möglich. Da der Ripple des Grundmagnetfelds B₀ ein Ergebnis des Ladevorgangs durch die primäre Flusspumpe 31 ist, ist die Periodendauer des Ripples 41 bzw. 42 direkt mit der Dauer der aktiven und passiven Phasen der primären Flusspumpe 31 verknüpft. Driftet das Schaltverhalten der primären Flusspumpe 31, so driftet damit auch der Ripple 41 bzw. 42 des magnetischen Grundfeldes B₀. Damit die sekundäre Flusspumpe 32 den eventuellen Phasenschwankungen des Ripple 41 bzw. 42 folgen kann, wird der Steuerschaltkreis 35 der sekundären Flusspumpe 32 mittels eines, vom Steuerschaltkreis 34 der primären Flusspumpe 31 übertragenen Steuersignals mit diesem synchronisiert. Als Steuersignal zur Synchronisation des Steuerschaltkreises 35 eingesetzt wird hierbei bevorzugt eine Gatespannung eines oder eine Kombination der Gatespannungen verschiedener CMOS-Leistungstransistoren zur Steuerung der Ströme durch die Magnetspule 31a verwendet. Eine entsprechende Ladeschaltung 50 mit einer zeitlichen Abstimmung der sekundären Flusspumpe 32 durch ein Steuersignal vom Steuerschaltkreis 34 der primären Flusspumpe 31 ist in der 4 schematisch dargestellt.
Die Steuerung der sekundären Flusspumpe 32 kann auch mit einer geschlossenen Regelstrecke erfolgen. Ein Beispiel hierfür zeigt die schematisch dargestellte Ladeschaltung 60 der 5. Ein induktiver Messgeber 36 ist beispielsweise mit dem Magnetkreis des Grundfeldmagneten 2 gekoppelt. Das Ausgangssignal eines induktiven Messgebers 36 ist direkt mit der je weils augenblicklichen Zustandsänderung des magnetischen Grundfelds B₀ verknüpft. Da für die Steuerung der sekundären Flusspumpe 32 nicht das Gesamtmagnetfeld B₀ sondern nur dessen zeitlichen Änderungen, d.h. dessen Welligkeit 41 bzw. 42 von Interesse ist, kann dieses Ausgangssignal daher direkt als Regelgröße eingesetzt werden, sodass der Steuerschaltkreis 35' den Spulenstrom der sekundären Flusspumpe 32 entsprechend dem aktuellen Ausgangssignal des induktiven Messgebers 36 nachregelt. Es entsteht ein geschlossener Regelkreis zum Konstanthalten des magnetischen Grundfelds B₀ bestehend aus dem Steuerschaltkreis 35', der sekundären Flusspumpe 32, der magnetischen Kopplung 33', dem Grundfeldmagneten 2 und dem induktiven Messgeber 36.
Statt eines induktiv mit dem Magnetkreis des Grundfeldmagneten 2 gekoppelten Messgebers 36 kann, wie in der Ladeschaltung 70 der 6 dargestellt auch ein, innerhalb der Reichweite des Magnetfeldes des Grundfeldmagneten 2 angeordneter Magnetfeldsensor 37 zur Charakterisierung des magnetischen Grundfeldes B₀ in einer geschlossenen Regelschleife verwendet werden. Das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 37 wird als Regelgröße verwendet. Im Steuerschaltkreis 35'' wird dieses Ausgangssignal als Eingangsgröße zum entsprechenden Nachregeln des Spulenstroms der sekundären Flusspumpe 32 umgesetzt. Die Umsetzung erhöht den magnetischen Kompensationsfluss bei Unterschreiten der angestrebten Feldstärke B₀ des magnetischen Grundfelds und erniedrigt ihn bei Überschreiten dieses Werts. Als Regelgröße ausschließlich die Veränderung des magnetischen Grundfelds B₀ da der zu glättende Teil des Grundfelds i. A. weniger als 1ppm der Gesamtfeldstärke B₀ beträgt. Vorzugsweise wird daher ein Magnetfeldsensor 37 verwendet, der ausschließlich auf magnetische Wechselfelder reagiert oder es wird dem Magnetfeldsensor 37 ein Hochpass nachgeschaltet, sodass nur der Wechselfeldanteil des Ausgangssignals an den Steuerschaltkreis 35'' als Regelgröße weitergeleitet wird. Der Hochpass kann im Magnetfeldsensor 37 integriert, zwischen Magnetfeldsensor 37 und Steuerschaltkreis 35'' geschaltet oder in dem Steuerschaltkreis 35'' integriert sein.
Das erfindungsgemäße Flusspumpensystem für einen Kernspintomographen bestehend aus einer primären Leistungs-Flusspumpe zum Ersatz der resistiven Feldverluste eines HTS-Grundfeldmagneten des Kernspintomographen und einer sekundären Kompensations-Flusspumpe zur Kompensation der, von der Leistungsflusspumpe verursachten Welligkeit im magnetischen Grundfeld B₀ des HTS-Grundfeldmagneten ermöglicht mit geringem technischen Aufwand den Bau bildqualitätsoptimierter Magnetresonanztomographen auf der Basis von HTS-Grundfeldmagneten.

Claims

Flusspumpensystem für einen Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten (2) eines Kernspintomographen (1), wobei das Flusspumpensystem mit dem Grundfeldmagneten magnetisch gekoppelt ist und zumindest die Verluste im magnetischen Fluss des Grundfeldes (B₀), hervorgerufen von der endlichen Leitfähigkeit der hochtemperatursupraleitenden Grundfeldmagnetspule des Hochtemperatursupraleitenden-Grundfeldmagneten (2) ausgleicht, das Flusspumpensystem aufweisend – eine erste Flusspumpe(31) mit einem Betriebszustand zum periodischen Nachfüllen einer magnetischen Flussmenge, die in ihrem zeitlichen Mittel im Wesentlichen die Verluste im magnetischen Fluss des Grundfeldes (B₀), hervorgerufen von der endlichen Leitfähigkeit der hochtemperatursupraleitenden Grundfeldmagnetspule ausgleicht, und – eine zweite Flusspumpe (32) zum definierten Nachfüllen einer magnetischen Restflussmenge, die den vom periodischen Nachfüllen einer Flussmenge durch die erste Flusspumpe (31) resultierenden Wechselfeldanteil des magnetischen Grundfeldes (B₀) glättet .
Flusspumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochtemperatursupraleitende-Flusspumpe die erste Flusspumpe (31) bildet.
Flusspumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine resistive Flusspumpe (32) die zweite Flusspumpe bildet.
Flusspumpensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zuvor ermittelter Verlauf des von der ersten Flusspumpe (31) bewirkten Wechselfeldanteils (41, 42) des magnetischen Grundfeldes (B₀) eine Eingangsgröße des Steuerschaltkreises (35) zur Ansteuerung der zweiten Flusspumpe (32) bil det.
Flusspumpensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der zweiten Flusspumpe (32) einen zuvor' experimentell bestimmten zeitlichen Verlauf besitzt.
Flusspumpensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Ansteuerung der ersten Flusspumpe (31) verknüpftes Signal eine Eingangsgröße des Steuerschaltkreises (35) zur Ansteuerung der zweiten Flusspumpe (32) bildet.
Flusspumpensystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal eines induktiv mit dem Magnetkreis des Grundfeldmagneten (2) gekoppelten Messgebers (36) eine Eingansgröße des Steuerschaltkreises (35') zur Ansteuerung der zweiten Flusspumpe (32) bildet.
Flusspumpensystem nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgangssignal eines Magnetfeldsensors (37) eine Eingansgröße des Steuerschaltkreises (35'') zur Ansteuerung der zweiten Flusspumpe (32) bildet.
Kernspintomograph mit einem Hochtemperatursupraleitenden Grundfeldmagneten (2) und einem Flusspumpensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8.