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Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät.
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Die Magnetresonanztechnik ist eine
bekannte Technik unter anderem zum Gewinnen von Bildern eines Körperinneren
eines Untersuchungsobjekts. Dabei werden in einem Magnetresonanzgerät einem
statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagneten erzeugt
wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert, die von einem Gradientenspulensystem
erzeugt werden. Ferner umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfrequenzsystem,
das zum Auslösen
von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt
einstrahlt und die ausgelösten
Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder
erstellt werden.
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Zum Erzeugen von Gradientenfeldern
sind in Gradientenspulen des Gradientenspulensystems entsprechende
Ströme
einzustellen. Dabei betragen die Amplituden der erforderlichen Ströme bis zu
mehreren 100 A. Die Stromanstiegs- und -abfallraten betragen bis
zu mehreren 100 kA/s. Auf diese sich zeitlich verändernden
Ströme
in den Gradientenspulen wirken bei vorhandenem Grundmagnetfeld in
der Größenordnung von
1 T Lorentzkräfte,
die zu Schwingungen des Gradientenspulensystems führen. Diese
Schwingungen werden über
verschiedene Ausbreitungswege an die Oberfläche des Magnetresonanzgeräts weitergegeben.
Dort werden die Mechanikschwingungen in Schallschwingungen umgesetzt,
die schließlich
zu an sich unerwünschtem
Lärm führen. Des
Weiteren können
die Lorentzkräfte
auch noch zu einer an sich unerwünschten
Starrkörperbewegung
des Gradientenspulensystems gegenüber dem übrigen Magnetresonanzgerät führen.
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In der
DE 44 32 747 A1 ist eine prinzipielle Verringerung
von Schwingungen des Gradientenspulensystems durch eine aktive Maßnahme beschrieben.
Dazu ist in oder am Gradientenspulensystem eine Einrichtung, insbesondere
beinhaltend elektrostriktive Elemente, angeordnet. Mit dieser Einrichtung
können
Kräfte
erzeugt werden, die den Schwingungen des Gradientenspulensystems
entgegenwirken, so dass ein Verformen des Gradientenspulensystems
im wesentlichen verhindert wird. Diese Lösung ist aber insbesondere
wegen ihres hohen Aufwands im Zusammenhang mit den elektrostriktiven
Elemente, deren Anordnung und deren Regelung kostenintensiv.
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In der
DE 199 03 627 A1 ist ein
Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts beschrieben, bei dem um
die Resonanzfrequenzen eines Gradientenspulensystems herum verbotene
Frequenzbänder
definiert werden und die Gradientenspulenströme im Rahmen von Pulssequenzen
derart gesteuert werden, dass sie keine spektralen Komponenten innerhalb
dieser verbotenen Frequenzbänder
aufweisen, so dass eine Anregung von Lärmspitzen vermieden wird. Diese
Lösung
stellt aber auch keinen generellen Ausweg dar, da sie nur die Resonanzfrequenzbereiche
beeinflusst.
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Aus der
DE 198 29 298 A1 ist schließlich ein
Gradientenspulensystem bekannt, mit dem nur ein Teil eines Körpers eines
Patienten, beispielsweise dessen Kopf, abgebildet werden kann. Das
Gradientenspulensystem umfasst dabei eine asymmetrische Gradientenspule,
die mit einem drehmomentkompensierten Leiterdesign aufgebaut ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es
ein verbessertes Magnetresonanzgerät zu schaffen, bei dem unter anderem
eine geringe Lärmemission
erzielt wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Gemäß Anspruch beinhaltet ein Magnetresonanzgerät folgende
Merkmale:
- – Ein
Grundfeldmagnet zum Erzeugen eines Grundmagnetfelds, das innerhalb
eines Abbildungsvolumens des Magnetresonanzgeräts möglichst ausschließlich eine
in einer vorgebbaren Richtung orientierte Hauptkomponente aufweist,
- – wenigstens
eine Gradientenspule, die in einem Bereich des Grundmagnetfelds
angeordnet ist, in dem das Grundmagnetfeld wenigstens eine zur Hauptkomponente
senkrechte Begleitkomponente aufweist, und
- – die
Leiter der Gradientenspule sind derart angeordnet, dass bei Fluss
eines elektrischen Stroms in den Leitern ein durch die Hauptkomponente
bewirktes, auf einen Teil der Gradientenspule wirkendes Drehmoment
wenigstens teilweise durch ein durch die Begleitkomponente bewirktes
Drehmoment kompensiert ist.
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Durch die damit bewirkbare Kompensation
von Biegemomenten wird die mechanische Schwingungsneigung der Gradientenspule
direkt an der Entstehungsstelle reduziert, womit eine hohe lärmreduzierende Wirkung
erzielt wird und Einschränkungen
bisheriger Lösungsansätze überwunden
werden. Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass in dem
Bereich, in dem üblicherweise
die Leiter der Gradientenspulen angeordnet sind, das Grundmagnetfeld
bereits eine hinreichend große
Begeleitkomponente senkrecht zur Hauptkomponente aufweist und die
Begleitkomponente in Verbindung mit einer entsprechenden Leiteranordnung der
Gradientenspulen zum Kompensieren von Drehmomenten nutzbar ist.
Eine erfindungsgemäß gestalte Gradientenspule
weist dabei gegenüber
einer vergleichbaren konventionellen Gradientenspule bei ansonsten gleichen
Eigenschaften lediglich eine um wenige Prozentpunkte vergrößerte Induktivität auf.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Gradientenspule eine transversale Gradientenspule eines Gradientenspulensys tems
für ein
Magnetresonanzgerät
mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Patientenaufnahmeraum.
Die erfindungsgemäße Gestaltung
der transversalen Gradientenspule ist besonders vorteilhaft, da
die stromdurchflossenen sattelartigen Teilspulen der transversalen
Gradientenspule in Verbindung mit der Hauptkomponente Drehmomente
hervor, die das Gradientenspulensystem auf Biegung beanspruchen, und
die Steifigkeit des Gradientenspulensystems gegenüber Biegemomenten
vergleichsweise gering ist, so dass ohne die erfindungsgemäße Ausgestaltung
große
elastische Auslenkungen und damit Lärm entstehen würden. Außerdem liegt
die fundamentale Eigenfrequenz des Gradientenspulensystems meist
in dem Bereich starker spektraler Komponenten des zugehörigen Gradientenspulenstroms.
Die damit mögliche
Anregung mechanischer Resonanzen würde ohne die erfindungsgemäße Ausgestaltung
zu einer nochmaligen wesentlichen Lärmzunahme führen. Dahingegen belasten die
in Verbindung mit der Hauptkomponente auftretenden Kräfte einer
longitudinalen Gradientenspule das Gradientenspulensystem im Wesentlichen
radial. Wegen der hohen Steifigkeit des Gradientenspulensystems
gegen derartige Belastungen treten nur vergleichsweise geringe elastische
Verformungen auf, so dass die akustische Schallabstrahlung üblicherweise
gering bleibt. Außerdem
liegen alle Resonanzfrequenzen meist ausreichend weit oberhalb des
größten Teils
des Leistungsspektrums des zugehörigen
Gradientenspulenstroms. Dabei ist eine durch die Begeleitkomponente
des Grundmagnetfelds hervorgerufene Längsschubkraft durch eine geeignete
Positionierung der Leiter für
einen gegebenen Grundfeldmagneten leicht beseitigbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten
der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine supraleitende Spule und eine Gradientenspule eines Magnetresonanzgeräts und
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2, 3 und 4 azimutale und axiale Ströme in einem
Grundmagnetfeld mit einer axialen Hauptkomponente und einer radialen
Begleitkomponente.
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Die 1 zeigt
als ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Längsschnitt
durch eine supraleitende Spule 10 eines Grundfeldmagneten
und eine transversale Gradientenspule eines Magnetresonanzgeräts mit einem
tunnelartigen Patientenaufnahmeraum. Dabei sind aus Gründen der Übersichtlichkeit
die supraleitende Spule 10 und die transversale Gradientenspule
von übrigen
Komponenten des Magnetresonanzgeräts freigeschnitten dargestellt.
Die übrigen
Komponenten umfassen beispielsweise einen Heliumbehälter, Kälteschilde und
einen Vakuumbehälter
des Grundfeldmagneten sowie weitere Gradientenspulen, Schirmspulen,
Shimspulen und einen Harzverguss eines Gradientenspulensystems sowie
ein Hochfrequenzantennensystem. Von der supraleitenden Spule 10 sind
exemplarisch vier ringartige Windungen dargestellt. Die transversale
Gradientenspule umfasst eine linke und eine rechte Spulenhälfte mit
je zwei sich gegenüberliegenden
sattelförmigen Teilspulen 21 und 22 sowie 28 und 29 je
Spulenhälfte.
Wiederum aus Gründen
der Übersichtlichkeit
ist je Teilspule 21, 22, 28 und 29 exemplarisch
nur eine Windung dargestellt.
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Bei einem entsprechenden Stromfluss
in der supraleitenden Spule 10 erzeugt der Grundfeldmagnet wenigstens
innerhalb eines Abbildungsvolumens 15 in Richtung einer
Zylinderhauptachse, die durch eine Verbindung der Mittelpunkte der
ringartigen Windungen der supraleitenden Spule 10 entsteht,
ein möglichst
homogenes statisches Grundmagnetfeld. Dabei kennzeichnet das Symbol ⨀ einen
aus der Zeichnungsebene heraustretenden Stromfluss und das Symbol ⨂ einen
in die Zeichnungsebene eintretenden Stromfluss. In dem Bereich,
in dem die Windungen der Teilspulen 21, 22, 28 und 29 angeordnet
sind, ist das Grundmagnetfeld nicht mehr homogen und weist neben
einer Hauptkomponente Bz in Richtung der
Zylinderhauptachse auch eine radial gerichtete Begleitkomponente
Br auf.
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Aufgrund der Hauptkomponente Bz des Grundmagnetfelds wirken im Bereich
der Schnittebene der 1 auf
die Teilspulen 21 und 22 der rechten Spulenhälfte die
mit FBz bezeichneten Kräfte, die bezüglich einem
Schwerpunkt 24 der rechten Spulenhälfte ein Drehmoment Mz bewirken. Zur richtungsmäßigen Bestimmung
der Kräfte
FBz ist dabei ein Stromfluss in den Teilspulen 21 und 22 angenommen,
der durch die bei der supraleitenden Spule 10 erklärten Symbole ⨀ und ⨂ festgelegt
ist. Gemäß der Erfindung
sind die Leiter der Teilspulen 21 und 22 des Weiteren
derart angeordnet, dass aufgrund der radialen Begleitkomponente
Br des Grundmagnetfelds auf die stromdurchflossenen
Teilspulen 21 und 22 im Bereich der Schnittebene
Kräfte
FBr wirken, die bezüglich dem Schwerpunkt 24 ein
Drehmoment Mr erzeugen, das dem Drehmoment Mz möglichst vollständig entgegenwirkt.
Damit wird für
die beispielsweise in einem hohlzylinderförmigen Gießharzverguss angeordnete Spulenhälfte mit
Vorteil eine Drehmomentenkompensation erreicht. Entsprechendes gilt
für die Teilspulen 28 und 29
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Das vorausgehend Beschriebene ist
auf eine aktiv geschirmte Gradientenspule, die eine Primärspule und
eine Schirmspule umfasst, entsprechend anwendbar, wobei neben den
Leitern der Primärspule
als der sozusagen eigentlichen Gradientenspule die weiteren Leiter
der Schirmspule zu berücksichtigen
sind. Für
die Kompensation sind dabei die Summen der sowohl von der Primär- als auch
der Schirmspule herrührenden Drehmomente
und Kräfte
zu betrachten.
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Die vorausgehend beschriebene Leiteranordnung
der Gradientenspule geht von einem fest vorgegebenen Verlauf der
Begleitkomponente Br aufgrund eines vorher
durchgeführten
Grundfeldmagnetdesigns aus. In anderen Ausführungsformen können natürlich auch
Grundfeldmagnet und Gradientenspule aufeinander abgestimmt entworfen
werden, so dass der Verlauf der Begleitkomponente Br durch
das Design des Grundfeldmagneten in Grenzen aussteuerbar ist.
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Im Folgenden ist eine Vorgehensweise
zum Bestimmen der drehmomentenkompensierten Leiteranordnung der
Gradientenspule beschrieben. Dazu ist es für die nachfolgenden Überlegungen
zweckmäßig, die transversale
Gradientenspule in Ringe zu zerlegen, deren Ströme jeweils rein azimutale und
rein axiale Komponenten besitzen. Da die transversalen Gradientenspulen
einen transversalen Gradienten senkrecht zur Zylinderhauptachse
erzeugen, ist der azimutale Strom I
k in
jedem Ring im Wesentlichen proportional dem Kosinus und die axialen
Ströme
I
j dem Sinus des Azimutwinkels φ. Die im
Nachfolgenden betrachteten Kräfte
werden dabei im Wesentlichen von den azimutalen Strömen I
k hervorgerufen. Besitzt ein Ring k den Radius
r
k und die axiale Position z
k,
so ist die vom azimutalen Strom I
k und der
Hauptkomponente B
z(r
k;z
k) des Grundmagnetfelds verursachte Kraft
F
z;k in Gradientenrichtung:
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Die 2 veranschaulicht
dies entsprechend. Diese Kraft Fz;k verursacht
ein Drehmoment: Mz;k =
Fz;kzk = πIkrkzkBz
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Das von der radialen Begleitkomponente
B
r(r
k;z
k)
des Grundmagnetfelds bezüglich
der azimutalen Ströme
I
k über
die Querkraft F
r;k herrührende Drehmoment M
r;k um eine Querachse senkrecht zur Gradientenrichtung
ist:
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Die 3 veranschaulicht
dies entsprechend.
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Damit ist das effektive Gesamtdrehmoment
M
azi der azimutalen Ströme I
k:
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Die Längsströme I
j erzeugen
bei Vorhandensein der radialen Begleitkomponente B
r des
Grundmagnetfelds ebenfalls eine Querkraft F
j:
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Die
4 veranschaulicht
dies entsprechend. Dabei ist Δz
die dem Längsstrom
I
j zugrundeliegende Leiterlänge. Die
Querkraft F
j ruft einen zusätzlichen
Drehmomentbeitrag M
j hervor:
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Um die Querkräfte F
r;k und
F
j der transversalen Gradientenspule gegeneinander
zu kompensieren, ist als zusätzliche
Randbedingung in die Optimierung der Stromverteilung der Gradientenspule
folgender Ausdruck aufzunehmen:
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Der fundamentale Biegeschwingungsmode
wird durch die entgegengerichteten Summendrehmomente der beiden
Spulenhälften,
d.h. durch die Belastung des Spulenquerschnitts in der Ebene z =
0 angeregt. Zur Verringerung des Biegemoments ist es nötig, das
Gesamtdrehmoment jeder Spulenhälfte
für sich
zu reduzieren bzw. zu beseitigen. Das vorgenannte Summendrehmoment
ist also beispielsweise über
alle k einer Spulenhälfte
zu bilden. Bei der Optimierung der Gradientenspule ist damit eine
zusätzliche
Randbedingung einzuführen:
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Die Festlegung des Bezugspunkts z
= 0 hinsichtlich der Drehmomente Mz;k und
Mr;k ist irrelevant, wenn auch die Querkräfte Fr;k und Fj kompensiert
werden. Anderenfalls liegt es nahe, den Schwerpunkt der entsprechenden
Spulenhälfte
zu verwenden, da die magnetischen Kräfte im interessierenden Frequenzbe reich
hauptsächlich
durch Trägheitskräfte aufgefangen
werden und dann kein Summendrehmoment verursachen.
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Basierend auf dem vorausgehend Beschriebenen
ist die Leiteranordnung der Gradientenspule eineindeutig bestimmbar.
In anderen Ausführungsformen
kann die Anordnung der Leiter auch über andere Designverfahren,
beispielsweise das in der
DE
100 11 034 A1 beschriebene bestimmt werden, wobei dazu
vorausgehend beschriebene Bedingungen entsprechend berücksichtigt
werden.
