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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur
Herstellung einer Gradientenspule wie sie in der Kernspintomographie
(Synonym: Magnetresonanztomographie; MRT) eingesetzt werden. Dabei
bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf eine neue
Technik zur Herstellung von Scheiben- bzw. Sattelspulen.
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Die
MRT basiert auf dem physikalischen Phänomen der Kernspinresonanz
und wird als bildgebendes Verfahren seit über 15 Jahren in der Medizin
und in der Biophysik erfolgreich eingesetzt. Bei dieser Untersuchungsmethode
wird das Objekt einem starken, konstantem Magnetfeld ausgesetzt. Dadurch
richten sich die Kernspins der Atome in dem Objekt, welche vorher
regellos orientiert waren, aus. Hochfrequenzwellen können nun
diese „geordneten" Kernspins zu einer
bestimmten Schwingung (Resonanzfrequenz) anregen. Diese Schwingung
erzeugt in der MRT das eigentliche Meßsignal (HF-Antwortsignal),
welches mittels geeigneter Empfangsspulen aufgenommen wird.
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Für die Bildrekonstruktion
ist die exakte Information über
den jeweiligen Entstehungsort des HF-Antwortsignals (Ortsinformation
bzw. Ortskodierung) Voraussetzung. Diese Ortsinformation wird durch
magnetische Zusatzfelder (magnetische Gradientenfelder) zum statischen
Magnetfeld entlang der drei Raumrichtungen gewonnen. Diese Gradientenfelder
sind im Vergleich zum Hauptfeld klein und werden durch zusätzliche
Widerstandsspulen in der Patientenöffnung des Magneten erzeugt.
Durch diese Gradientenfelder ist das Gesamtmagnetfeld in jedem Volumenelement
anders und damit auch die Resonanzfrequenz. Wird eine definierte
Resonanzfrequenz eingestrahlt, so können also nur die Atomkerne
angeregt werden, die sich an einem Ort befinden, an dem das Magnetfeld
die entsprechende Resonanzbedingung erfüllt. Geeignete Änderungen
der Gradientenfelder ermöglichen
es, den Ort eines solchen Volumenelements, bei dem die Resonanzbedingung
erfüllt
ist, definiert zu verschieben und so den gewünschten Bereich abzutasten.
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Die
Gradientenfelder entlang aller drei Raumrichtungen werden durch
drei unterschiedliche Teilwicklungen (sogenannten Gradientenspulen)
erzeugt welche das sogenannte Gradientensystem bilden. Die Gradientenspulen
erzeugen ein dem jeweils eingeprägten
Strom proportionales, räumlich
jeweils zueinander senkrechtes Gradientenfeld. Dabei wird unterschieden
zwischen planaren Gradientenspulen bei offenen MRT-Systemen (z.B.
Typ Magnetom Open) und zylinderförmigen
Gradientenspulen (Maxwell-Spulen) bzw. teilzylinderförmigen Gradientenspulen
(Sattel-Spulen) bei geschlossenen MRT-Systemen (z.B. Typ Magnetom Vision).
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Die
zylinderförmige
Gradientenspule (Maxwellspule) ist eine gewöhnliche Zylinderspule die ein axiales
Feld erzeugt welches in radialer Richtung variiert. Die Herstellung
erfolgt durch Wicklung eines elektrischen Leiters auf einer Zylinderoberfläche in axialer
Richtung.
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Die
planaren Gradientenspulen sowie die Sattelspulen weisen eine brezelförmige bzw.
spiralartige Leiterstruktur auf. Die derzeitige Herstellung erfolgt
durch Einbringen des elektrischen Leiters in entsprechende (brezelförmige bzw.
spiralförmige)
Einfräsungen
bzw. Vertiefungen einer flachen Wickelplatte und anschließendem Verkleben
der so erzeugten brezelförmigen
bzw. spiralförmigen
Leiterbahn mit einer Trägerplatte
welche letztendlich von der Wickelplatte abgehoben wird. Zur Erzeugung
von Sattelspulen wird die Trägerplatte
auf den gewünschten Radius
gerollt. Dieser Schritt wird als "Umformprozeß" oder "Rollen" bezeichnet.
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Nach
dem derzeitigen Herstellungsverfahren von planaren Gradientenspulen
sowie Sattelspulen ist es nicht möglich eine durchgehende Wicklung
zu erzeugen, da man aus dem Inneren jeder spiralförmigen Wicklung
(auch "Auge" genannt) eine Verbindung
nach außen
schaffen muß,
durch welche die Spulen verbunden werden können. Diese Verbindung wird
bei der Endmontage der Gradientenspule – bei Sattelspulen nach dem
Rollen – durch
weiches Einlöten
sogenannter "innerer
(Löt-)
Verbinder" hergestellt.
Dies hat unterschiedliche Nachteile:
Derartige Lötverbinder
sind üblicherweise
als gefräste
und daher teure Einzelteile ausgeführt. Das Einlöten als
solches stellt einen aufwendigen Verfahrensschritt im Herstellungsprozeß von planaren
Gradientenspulen sowie Sattelspulen dar. Des weiteren sind Lötstellen
stets als potentielle Fehlerquellen anzusehen da die Lötstelle
brechen oder bei schlechter Lötung
den elektrischen Widerstand erhöhen
kann. Außerdem
können
Lotspritzer die beim Löten
anfallen im späteren
Betrieb Kurzschlüsse
hervorrufen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, den konstruktiven Aufbau
sowie das Herstellungsverfahren von Gradientenspulen zu verbessern bzw.
zu vereinfachen.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung 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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Es
wird eine Gradientenspule für
ein Magnet-Resonanz-Tomographie-Gerät vorgeschlagen welches
eine auf einer ersten Fläche
angeordnete spiralförmige
Spule und eine innere und eine äußere Leiterzuführung der
Spule aufweist,
wobei die innere Leiterzuführung auf einer zweiten, zur
ersten beabstandeten Fläche
angeordnet ist. Erfindungsgemäß besteht
die Spule mit ihren Leiterzuführungen
aus einem durchgehenden einteiligen elektrischen Leiter. Damit entfällt die
derzeit übliche Verwendung
von gelöteten
kostenintensiven inneren Verbindern.
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Vorteilhafterweise
wird die Spule auf einer Trägerplatte
fixiert.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung ist die innere Leiterzuführung außerhalb der Trägerplatte
angeordnet.
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In
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist die innere Leiterzuführung in der Trägerplatte
integriert.
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Falls
die erfindungsgemäße Gradientenspule
als planare Spule ausgebildet sein soll, so stellt die erste Fläche eine
Ebene dar.
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Bei
einer Ausbildung der Gradientenspule als Sattelspule stellt die
erste Fläche
eine Zylindermantelfläche
dar.
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Erfindungsgemäß wird weiterhin
ein erstes Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule beansprucht,
aufweisend die folgenden Schritte:
- – Einlegen
eines Teiles eines elektrischen Leiters in eine die Form einer auf
einer ersten Fläche
angeordneten spiralförmigen
Spule vorgebende Nut einer Wickelplatte,
- – Verkleben
der so geformten Leiterbahnanordnung mit einer Trägerplatte,
- – Abheben
der Trägerplatte
und
- – Biegen
eines im Spulenzentrum verbliebenen Teiles des elektrischen Leiters
in eine zweite Fläche
so daß eine
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Die
so erzeugte Gradientenspule ist planar mit einer freien radialen
inneren Zuführung.
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Erfindungsgemäß wird ferner
ein zweites Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule beansprucht,
aufweisend die folgenden Schritte:
- – Erzeugen
einer radialen inneren Leiterzuführung
durch Einlegen eines Teiles eines elektrischen Leiters in eine in
einer ersten Ebene liegenden vorgegebene Nut einer Wickelplatte
- – Weiteres
Einlegen des elektrischen Leiters in eine vorgegebene spiralförmig nach
außen
führende
und in einer zweiten Ebene liegenden Nut der Wickelplatte, wobei
die erste Ebene unter der zweiten Ebene zu liegen kommt,
- – Verkleben
der so geformten Leiterbahnanordnung mit einer Trägerplatte,
- – Abheben
der Trägerplatte.
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Die
so erzeugte Gradientenspule ist ebenfalls planar, wobei aber die
radiale innere Leiterzuführung
in der Trägerplatte
integriert ist.
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Durch
einen weiteren Verfahrensschritt lassen sich jeweils beide erfindungsgemäßen planaren Gradientenspulen
in Sattelspulen umformen.
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Beansprucht
wird demnach ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule
gemäß Anspruch
7,
weiterhin aufweisend den darauffolgenden Schritt des Rollens
der Spule auf einer Zylindermantelfläche, wobei die innere Leiterzuführung eine
parallele Ausrichtung zur Zylinderachse erfährt.
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Beansprucht
wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule
gemäß Anspruch 8,
weiterhin
aufweisend den darauffolgenden Schritt des Rollens der Spule auf
einer Zylindermantelfläche,
wobei die innere Leiterzuführung
eine parallele Ausrichtung zur Zylinderachse erfährt.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
werden nun anhand von Ausführungsbeispielen
bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
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1a zeigt eine perspektivische
Darstellung einer planaren Gradientenspule bzw. einer Sattelspule
vor dem Rollen mit freier Rückführung des Verbindungsdrahtes,
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1b zeigt einen Schnitt durch
die Wickelplatte einer planaren Gradientenspule bzw. einer Sattelspule
vor dem Rollen mit freier Rückführung des Verbindungsdrahtes,
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2a zeigt eine perspektivische
Darstellung einer planaren Gradientenspule bzw. einer Sattelspule
vor dem Rollen mit integrierter Rückführung des Verbindungsdrahtes,
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2b zeigt einen ersten Schnitt
durch die Wickelplatte einer planaren Gradientenspule bzw. einer
Sattelspule vor dem Rollen mit integrierter Rückführung des Verbindungsdrahtes,
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2c zeigt einen zweiten Schnitt
durch die Wickelplatte einer planaren Gradientenspule bzw. einer
Sattelspule vor dem Rollen mit integrierter Rückführung des Verbindungsdrahtes,
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3 zeigt perspektivisch die
erfindungsgemäße Ausführung einer
zweiteiligen Sattelspule mit Rückführung des
Verbindungsdrahtes auf größerem Radius,
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4 zeigt perspektivisch die
erfindungsgemäße Ausführung einer
zweiteiligen Sattelspule mit Rückführung des
Verbindungsdrahtes auf kleinerem Radius.
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1a zeigt eine perspektivische
Darstellung einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen vollständig durchgewickelten
planaren Gradientenspule bzw. Sattelspule vor dem Rollen. Die Spule
ist als rundförmige
Spirale 2 dargestellt, die in der Mitte ein Zentrum 1 (auch
Auge genannt) aufweist. Mit "vollständig durchgewickelt" wird eine Leiterbahnanordnung
bezeichnet, bei der aus dem Inneren (dem Auge 1) der Spirale 2 ohne
Lötverbindung eine
radiale Verbindung X nach Außen
geschaffen ist. Die radiale Verbindung X (innere Leiterzuführung) nach
Außen
kann natürlich
nicht auf der gleichen Ebene der Spirale erfolgen, sondern wird
bei planaren Gradientenspulen in einer Fläche ober- oder unterhalb der
Spulenebene, bei Sattelspulen auf einer Zylindermantelfläche mit
größerem oder
kleinerem Radius positioniert. Die innere Leiterzuführung X
wird dadurch erhalten, daß beim
Wickeln der Spirale von innen nach außen nicht mit dem Leiter-Ende
begonnen wird, sondern ein entsprechend langes Leiterstück freigehalten
wird, welches letztlich nach dem Wickeln über die Spirale gebogen bzw.
geknickt wird. Beim Wickeln der Spirale von außen nach innen wird zuletzt
noch so viel elektrischer Leiter hinzugenommen, daß durch
Biegen des Leiter-Endes im Auge 1 eine radiale Leiterzuführung X
(innere Leiterzuführung) über die
gesamte Spirale 2 hinweg realisiert werden kann. Dabei
sei darauf hingewiesen, daß die spiralförmige Spulenform
gegebenenfalls auch eckig, insbesondere bei planaren Gradientenspulen
auch brezelförmig,
ausgebildet sein kann.
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In
dieser ersten Ausführungsform
gemäß 1a erfolgt die Rückführung des
Leiters X (innere Leiterzuführung)
oberhalb der Spulenebene. Die Vorgehensweise zur Herstellung einer
Leiterbahnanordnung gemäß 1a besteht darin entweder
von innen nach außen
oder von außen
nach innen den Leiter in die entsprechend spiralförmige Nut 3 einer
Wickelplatte W zu legen. Das äußere Leiterbahnende 6 der
Spule befindet sich dementsprechend in der Spulenebene während das
innere Leiterbahnende X (innere Leiterzuführung) zunächst axial zur Spulenebene
ausgerichtet ist. Die so geschaffene Spule wird nach Beendigung
des Wickelns mit einer Trägerplatte
T verklebt und von der Wickelplatte W abgehoben. Anschließend wird
bei der Fertigung einer planaren Gradientenspule das innere Leiterbahnende
X (innere Leiterzuführung)
so gebogen, daß es
in geringem gleichmäßigem Abstand
zur Spulenebene frei aus dem Spulenbereich herausgeführt wird.
Zuletzt wird das gebogene Leiterbahnende X (innere Leiterzuführung) entweder
mit dem flächigen
Spulenteil Z vergossen oder an diesem bei der Endmontage provisorisch
mit geeignetem Kleber fixiert. In 1b ist
in dem Schnittbild A-A durch die Wickelplatte W sowie durch die
Trägerplatte
T die relative Lage der Leiterbahnen X bzw. Z einer gemäß 1a zu fertigenden planaren
Gradientenspule zueinander dargestellt. Das innere Leiterbahnende
X (innere Leiterzuführung)
ist knapp über
der Trägerplatte
T radial nach außen
geführt.
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2a zeigt eine perspektivische
Darstellung einer zweiten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen vollständig durchgewickelten
planaren Gradientenspule bzw. Sattelspule vor dem Rollen. Die Leiterzuführung Y
(innere Leiterzuführung)
zum Spulenzentrum 1 erfolgt gemäß 2a in einer Ebene unterhalb der spiralförmig angeordneten
Leiterbahnen Z. Die Vorgehensweise zur Herstellung einer Leiterbahnanordnung
gemäß 2a besteht darin zunächst eine
radiale Leiterzuführung
Y (innere Leiterzuführung)
zum Spulenzentrum zu schaffen, indem der zuführende Leiter Y in eine relativ
zu den Nuten für
die eigentliche Magnetfelderzeugende Spulenspirale tiefergelegene
Nut 4 der Wickelplatte W eingelegt wird. Vom Zentrum 1 aus
wird dann der ebene Spulenteil Z durch Einlegen des Leiters in die höhergelegenen
spiralförmigen
Nuten der Wickelplatte W erzeugt, so daß das äußere Spulenende 6 (äußere Leiterzuführung) in
der Spulenebene, die innere Zuführung
Y unter der Spulenebene zu liegen kommt. Die so entstandene Leiterbahnanordnung wird
durch Laminieren mit einer Trägerplatte
T fixiert die letztendlich von der Wickelplatte W abgehoben wird.
In den 2b und 2c ist in zueinander senkrechten
Schnittbildern die relative Lage der Leiterbahnen Y, Z zueinander
insbesondere die Leiterbahnzuführung
Y zum Spulenzentrum 1 dargestellt. Schnitt B-B zeigt die
in der Wickelplatte W im Vergleich zu den Spiral-Nuten tiefergelegene
Zuführung zum
Spulenzentrum 1. Der zu Schnitt B-B senkrechte Schnitt
C-C zeigt die Leiterbahnzuführung
Y zum Spulenzentrum 1 unter den eigentlichen spiralförmig gelegten
Leiterbahnen Z. Diese Leiterbahnanordnung ist bereits nach der Einlaminierung
mit der Trägerplatte
T vollständig
fixiert.
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Bei
beiden Ausführungsformen
kann auf einen inneren Verbinder und damit auf das Löten im sensiblen
Bereich des Spulenzentrums 1 verzichtet werden, was zum
einen den Fertigungsprozeß vereinfacht
und zum anderen eine potentielle Fehlerquelle ausschließt.
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Im
Prinzip können
beide der eben beschriebenen Ausführungsformen der planaren Spulen
zur Herstellung von zwei- oder mehrteiligen Sattelspulen verwendet
werden, die bei entsprechender gegenseitiger Anordnung und Verschaltung
orthogonale Gradientenfelder liefern. Bei der Fertigung einer Sattelspule
wird die Trägerplatte
T der ersten oder zweiten Ausführungsform
in der Weise gebogen oder gerollt, daß sie den Teil einer Zylindermantelfläche 5 bildet. Durch
90°- bzw.
180°-Versatz
von vier der so gebildeten Sattelspulen können zwei zueinander orthogonale
transversale Gradientenfelder erzeugt werden, die beide wiederum
orthogonal zu dem axialen Gradientenfeld der bereits erwähnten Maxwellspule
(z-Spule) eines geschlossenen MRT-Systems sind. Dabei ist dringend
darauf zu achten, daß bei
jeder Sattelspule die Leiterrückführung X
vom Spulenzentrum 1 gemäß der ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
bzw. die Leiterzuführung
Y zum Spulenzentrum 1 gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
exakt parallel zur Zylinderachse des so gebildeten zylindrischen
Gradienten-(Spulen-)Systems verläuft,
um keine axiale Feldkomponente zu verursachen; Diese würde die
Linearität
der Maxwellspule beeinflussen und damit Bildverzerrungen hervorrufen.
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In
den 3 und 4 ist jeweils eine zweiteilige Sattelspule
dargestellt. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
bzw. zur besseren Darstellung ist nur die Leiterbahnanordnung abgebildet.
Die jeweiligen Trägerplatten
sind nicht dargestellt bzw. sind als transparent zu betrachten.
Die beiden Figuren unterscheiden sich in der Art und Weise der Leiterzuführung bzw. der
Leiterrückführung zum
bzw. vom Spulenzentrum. 3 zeigt
eine zweiteilige Sattelspule mit jeweils zwei zur Zylinderachse
parallelen Leiterzuführungen X
die einen größeren Abstand
zur Zylinderachse haben als die Spule selbst. In 4 ist es gerade umgekehrt: Beide Leiterzuführungen
Y befinden sich auf einer Zylindermantelfläche mit kleinerem Radius als die
der Spulen selbst. Selbstverständlich
ist es auch möglich
beide Leiterzuführungsarten
in einer zweiteiligen Sattelspule zu kombinieren. Da in den 3 und 4 die Trägerplatten nicht eingezeichnet
sind geht aus der jeweiligen Zeichnung nicht hervor, ob die Leiterzuführung frei
oder in der Trägerplatte
integriert ist. Beides bzw. auch die Kombination beider Möglichkeiten
ist denkbar. Wohlgemerkt sind in beiden Figuren exakt parallel zur
Zylinderachse um das axiale Gradientenfeld der nicht dargestellten
Maxwellspule nicht zu beeinflussen.
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Wie
bereits erwähnt
kann die Herstellung derartiger Sattelspulen durch Rollen der Trägerplatte der
ersten oder zweiten Ausführungsform
erfolgen. Eine andere Möglichkeit
der Herstellung besteht darin, bereits die Wickelplatte in erster
oder zweiter Ausführungsform
als zylindrische Wickelform mit dem gewünschten Radius auszuführen. In
beiden Fällen
kann auch hier auf einen zu lötenden
inneren Verbinder verzichtet und somit die Spule durchgehend gewickelt
werden. Der Prozess-Schritt des Rollens entfällt.