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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vofrliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Magnetresonanztomographie. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Anordnung von Spulen zur Erhöhung der Signaldetektionsempfindlichkeit eines Magnetresonanzbildgebungssystems.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Magnetresonanztomographie »MRT« ist eine wichtige Bildgebungstechnik, die in der Medizin verwendet wird. Mit MRT können detaillierte Bilder von Weichgeweben wie dem Gehirn, Muskeln und Nieren erzeugt werden. Spezifische Eigenschaften der verschiedenen in Geweben gefundenen Verbindungen, wie Wasser bzw. Fett, werden verwendet um Bilder zu erzeugen. Beispielsweise wird die Vektorsumme der kernmagnetischen Momente einer großen Anzahl von Atomen, die einen Kernspin-Drehimpuls besitzen, wie Wasserstoff, der in Wasser und Fett reichlich vorhanden ist, unter Aussetzung eines starken Magnetfeldes ein netto magnetisches Moment, das mit dem extern angelegten Feld ausgerichtet wird. Das resultierende netto Magnetmoment kann weiterhin mit einer wohl definierten Frequenz vorgehen, die proportional zum angelegten Magnetfeld ist. Nach Erregung von Hochfrequenzimpulsen ermöglicht die netto Magnetisierung die Generierung eines nachweisbaren Signals.
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Delta-Relaxationsverstärkte Magnetresonanztomographie »DREMR«, die im Allgemeinen als feldzyklische Relaxometrie oder feldzyklische Bildgebung bezeichnet wird, ist eine MRT-Technik, die die Möglichkeit bietet, einen unterliegenden Gewebekontrastmechanismus zu verwenden, der mit der Stärke des angelegten Magnetfeldes variiert, um neue Bildkontraste zu erzeugen. Um den DREMR-Kontrast zu erreichen, wird das Hauptmagnetfeld als Funktion der Zeit während bestimmter Abschnitte einer MR-Impulssequenz verändert. Eine Feldverschiebungs-Elektromagnetspule wird verwendet, um die Feldvariation durchzuführen. Wichtig ist die ordnungsgemäße Anordnung des Feldverschiebungselektromagneten mit den traditionellen MRT-Spulen, die in einem DREMR-System verwendet werden, da der Kontrastmechanismus für DREMR in hohem Maße mit der Stärke der erzeugten Magnetfeldverschiebungen korreliert ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist das Ziel, ein neuartiges System und Verfahren für ein MRT-Scansystem und ein Verfahren bereitzustellen, das mindestens einen der oben genannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt und mindert.
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Gemäß einem Aspekt ist eine integrierte Magnetvorrichtung zur Verwendung in einem Magnetresonanzbildgebungssystem (MRI) vorgesehen. Die integrierte Magnetvorrichtung kann aus Feldschalt-Elektromagneten mit Hauptfeldverschiebungsmagneten und Feldverschiebungs-Schildmagneten bestehen, wobei die Hauptfeldverschiebungsmagnete näher an ein Abbildungsvolumen als die Feldverschiebungsschildmagnete angeordnet sind. Die integrierte Magnetvorrichtung kann ferner Gradientenspulen umfassen, die zwischen den Hauptfeldverschiebungsmagneten und Feldverschiebungsschildmagneten angeordnet werden können, und mindestens eine Substratschicht, die eine mechanische Unterstützung für die Feldverschiebungs-Elektromagneten und die Gradientenspulen bereitstellen kann. Die integrierte Magnetvorrichtung kann auch mindestens einen Kühlmechanismus aufweisen.
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Diese, zusammen mit anderen Aspekten und Vorteilen, die nachfolgend offensichtlich werden, befinden sich in den Details des Aufbaus und des Betriebs, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben und beansprucht wird, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, die einen Teil hiervon bilden, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Teile im Ganzen beziehen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Blockdiagramm von funktionalen Teilsystemen eines Delta-Relaxation-Magnetresonanz-Bildgebungssystems gemäß einer Implementierung;
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2 zeigt ein Abbildungsvolumen und eine entsprechende Scheibe, die durch das Delta-Relaxations-Magnetresonanzsystem von 1 abgetastet werden soll. 1 in Übereinstimmung mit einer Umsetzung;
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3 zeigt beispielhafte Beispiele von T1- und T2-Relaxationsdiagrammen;
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4 zeigt eine beispielhafte Pulssequenz gemäß einer Implementierung;
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines k-Raumes, der eine empfangene Zeile gemäß einer Implementierung enthält;
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6 einen idealisierten radialen Querschnitt einer beispielhaften integrierten Magnetvorrichtung gemäß einer Implementierung; und
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7 zeigt einen idealisierten Längsschnitt eines beispielhaften integrierten Magnetgeräts gemäß einer Implementierung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Blockdiagramm eines Delta-Relaxations-Magnetresonanz-Bildgebungssystems »DREMR-System« gemäß einer beispielhaften Implementierung bei 100 gezeigt. Die Beispielimplementierung des mit 100 bezeichneten DREMR-Systems dient lediglich der Veranschaulichung und es sind Variationen mit zusätzlichen, weniger bzw. abwechslungsreichen Komponenten möglich. Herkömmliche Magnetresonanztomographie »MRT«-Systeme stellen eine bildgebende Modalität dar, die hauptsächlich verwendet wird, um Bilder von Magnetresonanzsignalen »MR« von Protonen wie Wasserstoffatomen in einem Objekt zu konstruieren. In der medizinischen MRT sind typische Signale wie MR-Signale von Wasser und Fett von Interesse, die wichtigsten Wasserstoff enthaltenden Komponenten von Geweben. DREMR-Systeme verwenden Feldverschiebungs-Magnetresonanzverfahren in Verbindung mit herkömmlichen MRT-Techniken, um Bilder mit unterschiedlichem Kontrast zu erhalten, anders als dies mit herkömmlicher MRT möglich ist, einschließlich molekular-spezifischem Kontrast.
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Wie in 1 gezeigt, umfasst das veranschaulichende DREMR-System (100) ein Datenverarbeitungssystem (105). Das Datenverarbeitungssystem (105) kann im Allgemeinen ein oder mehrere Ausgabevorrichtungen, wie beispielsweise eine Anzeige, eine oder mehrere Eingabevorrichtungen wie eine Tastatur und eine Maus sowie einen oder mehrere Prozessoren umfassen, die mit einem Speicher verbunden sind, der flüchtige und persistente Komponenten aufweist. Das Datenverarbeitungssystem (105) kann ferner eine oder mehrere Schnittstellen umfassen, die für die Kommunikation und den Datenaustausch mit den Hardwarekomponenten des MRT-Systems (100) geeignet sind, die zum Durchführen eines Scans verwendet werden.
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Weiter mit 1, kann das beispielhafte DREMR-System (100) auch einen Hauptfeldmagneten (110) umfassen. Der Hauptfeldmagnet (110) kann beispielsweise als permanenter, supraleitender oder resistiver Magnet realisiert sein. Andere Magnettypen, einschließlich Hybridmagnete, die für die Verwendung in dem DREMR-System (100) geeignet sind, werden nun von einem Fachmann gesichtet und in Betracht gezogen. Der Hauptfeldmagnet (110) ist betreibbar, um ein im Wesentlichen gleichförmiges Hauptmagnetfeld mit einer Stärke B0 und einer Richtung entlang einer Achse zu erzeugen. Das Hauptmagnetfeld wird verwendet, um ein Abbildungsvolumen zu erzeugen, in dem die gewünschten Atomkerne, wie die Protonen in Wasserstoff in Wasser und Fett, eines Objekts magnetisch in Vorbereitung für einen Scan ausgerichtet sind. In einigen Implementierungen kann, wie in dieser beispielhaften Implementierung, eine Hauptfeldsteuerung (115) in Kommunikation mit dem Datenverarbeitungssystem (105) verwendet werden, um den Betrieb des Hauptfeldmagneten (110) zu steuern.
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Das DREMR-System (100) kann ferner Gradientenspulen (120) umfassen, die zum kodieren von räumlicher Information im Hauptmagnetfeld verwendet werden, beispielsweise entlang einer drei senkrechten Gradientenachse. Die Größe und Ausgestaltung der Gradientenspulen (120) kann so sein, daß sie einen kontrollierten und gleichmäßigen linearen Gradienten erzeugen. Zum Beispiel können drei gepaarte orthogonale stromführende Hauptspulen, die sich innerhalb des Hauptfeldmagneten (110) befinden, entworfen werden, um gewünschte lineare Gradientenmagnetfelder zu erzeugen.
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In einigen Implementierungen können die Gradientenspulen (120) abgeschirmt werden und eine äußere Schicht von Abschirmungsspulen umfassen, die ein Gegenmagnetfeld erzeugen können, um dem Gradientenmagnetfeld entgegenzuwirken, das durch die Hauptgradientenspulen erzeugt wird, die ein Hauptschildspulenpaar bilden. In einem solchen Spulenpaar können die „Haupt”-Spulen für die Erzeugung des Gradientenfeldes verantwortlich sein und die „Schild”-Spulen können für die Verringerung des Streufeldes der Hauptspule außerhalb eines bestimmten Volumens, wie beispielsweise eines Abbildungsvolumens, verantwortlich sein. Das Hauptschildspulenpaar der Gradientenspulen (120), die Haupt- und Abschirmspulen, können in Reihe geschaltet sein. Es ist auch möglich, mehr als zwei Schichten von Spulen für jede gegebene Gradientenachse zu haben, die zusammen eine abgeschirmte Gradientenspule bilden. Die abgeschirmten Gradientenspulen (120) können Wirbelströme und andere Störungen reduzieren, die Artefakte in den gescannten Bildern verursachen können. Da Wirbelströme hauptsächlich in leitenden Komponenten des DREMR-Systems (100) fließen, die durch Magnetfelder außerhalb des Abbildungsvolumens »Streufelder« verursacht werden, kann die Verringerung der von den Gradientenspulen (120) erzeugten Streufelder die Interferenz verringern. Dementsprechend können die Formen und Größen, Leiterdrahtmuster und -größen und Stromamplituden und Muster des Primärschildspulenpaars so gewählt werden, daß das Netzmagnetfeld außerhalb der Gradientenspulen (120) so nahe wie möglich an Null ist. Bei zylindrischen Magneten können beispielsweise die beiden Spulen in Form von konzentrischen Zylindern angeordnet sein, während bei vertikalen Feldmagneten die beiden Spulen in koaxialen Scheiben angeordnet sein können.
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Ein Nebeneffekt der Abschirmung kann sein, daß die Felder, die durch das Primärschildspulenpaar der Gradientenspulen (120) erzeugt werden, sich teilweise innerhalb des Abbildungsvolumens aufheben können. Dementsprechend kann mehr Strom erforderlich sein, um ein Gradientenfeld mit einer bestimmten Festigkeit durch abgeschirmte Gradientenspulen (120) als durch ungeschirmte Gradientenspulen (120) zu erzeugen. Dieser Effekt kann als Gradientenwirkungsgrad quantifiziert werden, der als die erreichbare Gradientenstärke für 1 Ampere des Antriebsstroms definiert werden kann. Ein weiterer wichtiger Parameter, der die Gradientenspulenleistung beschreibt, wird die Gradienten-Anstiegsgeschwindigkeit genannt, die die Geschwindigkeit des Treibens einer Gradientenspule von Null bis zu ihrer maximalen Amplitude ist. Dieser Term ist umgekehrt proportional zur Induktivität der Gradientenspule. Normalerweise muß, um den Wirkungsgrad einer abgeschirmten Gradientenspule (120) zu erhöhen, um mit dem Wirkungsgrad einer ungeschirmten Gradientenspule (120) vergleichbar zu sein, die Induktivität zunehmen. Diese Erhöhung der Induktivität wird die maximal erreichbare Anstiegsgeschwindigkeit verringern. Der Verlust im Wirkungsgrad für eine abgeschirmte Konfiguration kann von dem Abstands- und Stromdichteverhältnis zwischen den Haupt- und Schildspulen abhängen. Eine Erhöhung des Abstands zwischen dem Primärschildspulenpaar kann den Wirkungsgrad erhöhen.
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Die leitfähigen Komponenten der Gradientenspulen (120), ob abgeschirmt oder ungeschirmt und einschließlich der Haupt- und Abschirmspulen, können aus einem elektrischen Leiter (z. B. Kupfer, Aluminium usw.) bestehen. Die internen elektrischen Verbindungen können so sein, daß bei einer Spannungsdifferenz an die Anschlüsse der Gradientenspulen (120) ein elektrischer Strom in dem gewünschten Weg fließen kann. Die leitfähigen Komponenten für die drei Gradientenachsen sowohl für die primären Gradientenspulen als auch für die Gradientenabschirmspulen können durch physikalische Trennung bzw. eine nichtleitende Barriere isoliert werden. Die primären Gradientenwicklungen können auf ein nichtleitendes Substrat (z. B. G10, FR4, Epoxid oder andere) angebracht werden.
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In einigen Variationen können die Gradientenspulen (120) auch mit thermischen Steuer- oder Wärmeabzugsmechanismen versehen werden. Beispielsweise können einige der Wicklungen hohl sein und Kühlmittel können durch diese Hohlleiter hindurchgeführt werden, um Wärme von den Gradientenspulen (120) zu extrahieren, die beispielsweise durch eine Widerstandsheizung der Wicklungen erzeugt werden, wenn Elektrizität angewendet wird. Alternativ können auch andere Verfahren zum Extrahieren von Wärme verwendet werden, wie beispielsweise Einführen von Kühlmittelkanälen innerhalb der Gradientenspulen (120). Die Kühlmittelkanäle können in thermischem Kontakt mit den Gradientenspulenwicklungen stehen. Die Gradientenspulen (120) können auch in einem thermisch leitenden aber elektrisch nichtleitenden Epoxidharz montiert werden, um sicherzustellen, daß die mechanische Montage starr ist und die Möglichkeit eines elektrischen Durchbruchs zu begrenzen ist.
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Die von den Gradientenspulen (120) erzeugten Magnetfelder können in Kombination bzw. sequentiell dem Hauptmagnetfeld überlagert werden, so daß eine selektive räumliche Anregung von Objekten innerhalb des Abbildungsvolumens erfolgen kann. Zusätzlich zu der räumlichen Anregung können die Gradientenspulen (120) räumlich spezifische Frequenz- und Phaseninformationen an die Atomkerne anbringen, die innerhalb des Abbildungsvolumens angeordnet sind, wodurch das resultierende MR-Signal in ein nützliches Bild rekonstruiert werden kann. Eine Gradientenspulensteuerung (125), die mit dem Datenverarbeitungssystem (105) in Verbindung steht, kann verwendet werden, um den Betrieb der Gradientenspulen (120) zu steuern.
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In einigen Implementierungen des MRT-Systems (100) können zusätzliche (nicht gezeigt) Elektromagnetspulen vorhanden sein, wie z. B. Shimspulen (traditionell, aber nicht beschränkt auf die Erzeugung von Magnetfeldprofilen von 2. Ordnung oder höheren sphärischen Oberschwingungen), oder eine einheitliche Feldoffsetspule oder irgendein anderer korrigierender Elektromagnet. Um den aktiven Ausgleich durchzuführen (Korrektur der Feldverzerrungen, die eingeführt werden, wenn verschiedene Objekte innerhalb oder um das System platziert werden), tragen die korrigierenden Elektromagneten, wie z. B. die Shimspulen, einen Strom, der verwendet wird, um Magnetfelder bereitzustellen, die dazu dienen das Hauptmagnetfeld gleichmäßiger zu machen. Beispielsweise können die von diesen Spulen erzeugten Felder die Korrektur von Inhomogenitäten im Hauptmagnetfeld aufgrund von Unvollkommenheiten im Hauptmagneten (110), oder durch das Vorhandensein von externen ferromagnetischen Objekten oder aufgrund von Anfälligkeitsunterschieden von Materialien innerhalb des Abbildungsbereichs unterstützen, oder andere beliebige statische oder zeitveränderliche Phänomene.
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Das DREMR-System (100) umfasst ferner Hochfrequenzspulen »HF-Spulen« (130). Die HF-Spulen (130) werden verwendet, um ein HF-Magnetfeld mit einer Stärke B1 zu erzeugen, um die Atomkerne oder ”Kernspin” anzuregen. Die HF-Spulen (130) können auch Signale detektieren, die von den ”relaxenden” Spins innerhalb des abgebildeten Objekts emittiert werden. Dementsprechend können die HF-Spulen (130) in Form von separaten Sende- und Empfangsspulen oder einer kombinierten Sende- und Empfangsspule mit einem Schaltmechanismus zum Umschalten zwischen Sende- und Empfangsmodi sein.
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Die HF-Spulen (130) können als Oberflächenspulen implementiert sein, die typischerweise nur Spulen bzw. Volumenspulen, die Empfangs und Übertragungsspulen sein können, empfangen. Die HF-Spulen (130) können in die Hauptfeldmagnet-(110) Bohrung integriert werden. Alternativ können die HF-Spulen (130) in näherer Nähe zu dem abzutastenden Objekt, wie beispielsweise einem Kopf, implementiert werden und können eine Form annehmen, die der Form des Objekts angenähert ist, wie etwa einem eng anliegenden Helm. Eine HF-Spulensteuereinheit (135), die mit dem Datenverarbeitungssystem (105) in Verbindung steht, kann verwendet werden, um den Betrieb der HF-Spulen (130) zu steuern.
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Um ein Kontrastbild gemäß Feldverschiebungstechniken zu erzeugen, kann das DREMR-System (100) Feldschalt-Elektromagneten (140) während der Erzeugung und Erfassung der MR-Signale verwenden. Die Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) können die Stärke des Hauptmagnetfeldes modulieren. Dementsprechend können die Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) als Hilfsmittel für den Hauptfeldmagneten (110) dienen, indem ein Feldverschiebungs-Magnetfeld erzeugt wird, das das Hauptmagnetfeld verstärkt oder stört. Eine Feldverschiebungs-Elektromagnet-Steuerung (145), die mit dem Datenverarbeitungssystem (100) in Verbindung steht, kann verwendet werden, um den Betrieb der Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) zu steuern.
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Um die Interferenz und die Artefakte zu verringern, können die Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) eine Abschirmung aufweisen, die den oben beschriebenen abgeschirmten Gradientenspulen (120) ähnlich ist. Die abgeschirmten Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) können zwei Komponenten aufweisen: Einen inneren Hauptfeldverschiebungs-Elektromagneten, um die Feldverschiebung zu erzeugen und einen äußeren Schild-Feldverschiebungs-Elektromagneten, um eine Abschirmung zu bilden, indem das Streufeld der Hauptfeldverschiebungs-Elektromagneten außerhalb eines bestimmten Volumens, wie einem Abbildungsvolumen, reduziert wird. Die Implementierung von Feldverschiebungs-Haupt- und Schild-Elektromagneten-Kombination, die die konkurrierenden Bedürfnisse geringer Induktivität (schnellere Anstiegsraten), einen hohen Wirkungsgrad (größere Magnetfeldstärke für eine gegebene Stromamplitude) und einen niedrigen Widerstand (weniger Heizen und nachfolgende Anforderungen an die Kühlung) ausgleicht ist ein komplexes elektromagnetisches Problem.
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Tatsächlich kann ein Nebeneffekt der Abschirmung der Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) sein, daß die von den Haupt- und Abschirmungskomponenten der abgeschirmten Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) erzeugten Felder sich teilweise innerhalb des Abbildungsvolumens aufheben können. Dementsprechend kann mehr Strom erforderlich sein, um ein Magnetfeld mit einer bestimmten Festigkeit durch abgeschirmte Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) zu erzeugen, als durch ungeschirmte Feldverschiebungs-Elektromagneten (140). Dieser Effekt kann als der Feldverschiebungseffizienzwirkungsgrad quantifiziert werden, die als die Feldverschiebungsamplitude pro 1 Ampere des Stroms definiert werden kann, der durch den Elektromagneten fließt. Der Verlust im Wirkungsgrad für eine abgeschirmte Konfiguration hängt von dem Abstands- und Stromdichteverhältnis zwischen den Schild-Elektromagneten und den Hauptelektromagneten ab. Eine Erhöhung des Abstands zwischen dem Haupt- und dem Schild-Elektromagneten kann die Feldverschiebungseffizienz erhöhen.
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Die leitfähigen Komponenten der Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) einschließlich der Haupt- und Abschirm-Elektromagneten können aus einem elektrischen Leiter (beispielsweise Kupfer, Aluminium usw.) bestehen. Die internen elektrischen Anschlüsse können so sein, daß bei einer Spannungsdifferenz an die Klemmen der Feldschalt-Elektromagneten (140) ein elektrischer Strom im gewünschten Weg fließen kann. Die leitfähigen Komponenten sowohl für die Haupt- als auch die Schild-Elektromagneten können durch physikalische Trennung bzw. eine nichtleitende Barriere isoliert werden. Die Feldverschiebungswicklungen können in Schichten auf oder innerhalb eines nichtleitenden Substrats (z. B. G10, FR4, Epoxid oder andere) angeordnet werden.
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In einigen Variationen können die Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) auch mit thermischen Steuer- oder Wärmeabzugsmechanismen versehen sein. Wenn zum Beispiel Wicklungen verwendet werden, um die Elektromagneten zu bilden, können die Wicklungen hohl sein und Kühlmittel können durch diese Hohlleiter geleitet werden, um Wärme abzugeben, die in dem Elektromagneten aufgrund einer resistiven Erwärmung der Wicklungen abgeschieden wird, wenn Elektrizität angelegt wird. Alternativ können auch andere Verfahren zum Herausziehen von Wärme verwendet werden, wie zum Beispiel das Einsetzen von Kühlmittelkanälen innerhalb der Feldverschiebungs-Elektromagneten (140). Die Kühlmittelkanäle können in thermischem Kontakt mit den Feldschalt-Elektromagneten (140) stehen. Die Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) können auch in einem thermisch leitenden, aber elektrisch nichtleitenden Epoxidharz montiert werden, um sicherzustellen, daß die mechanische Montage starr ist und die Möglichkeit eines elektrischen Durchbruchs zu begrenzen ist.
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Es gibt viele Techniken zum Erfassen von Bildern unter Verwendung des DREMR-Systems (100), einschließlich T1- und T2-gewichteten Bildern. Um eine vereinfachte Darstellung der Funktionalität des MRT-Systems (100) bereitzustellen, werden vereinfachte Operationen zum Erhalten von Protonendichte gewichteten Bildern als ein nicht einschränkendes Beispiel beschrieben. Um ein Bild gemäß der Beispieldarstellung zu erzeugen, detektiert das MRT-System (100) das Vorhandensein von Atomkernen, die einen Drehdrehimpuls in einem Objekt enthalten, wie jene von Wasserstoffprotonen in Wasser oder Fett, die in Geweben gefunden werden, indem man das Objekt einem relativ großen Magnetfeld unterwirft. In dieser beispielhaften Implementierung hat das Hauptmagnetfeld eine Stärke von B0 und die Atomkerne, die Spin-Drehimpuls enthalten, können Wasserstoffprotonen sein. Das Hauptmagnetfeld polarisiert teilweise die Wasserstoffprotonen in dem Objekt, das in dem Abbildungsvolumen des Hauptmagneten (110) angeordnet ist. Die Protonen werden dann mit entsprechend abgestimmter HF-Strahlung angeregt, wobei beispielsweise ein HF-Magnetfeld mit einer Stärke von B1 gebildet wird. Schließlich wird ein schwaches HF-Strahlungssignal aus den angeregten Protonen als MR-Signal detektiert, da die Protonen sich von der magnetischen Wechselwirkung ”relaxen”. Die Frequenz des detektierten MR-Signals ist proportional zum Magnetfeld, dem sie ausgesetzt sind. Querschnitte des Objekts, aus denen Signale zu erhalten sind, können durch Erzeugen eines Magnetfeldgradienten über dem Objekt ausgewählt werden, so daß Magnetfeldwerte des Hauptmagnetfeldes entlang verschiedener Stellen in dem Objekt variiert werden können. Da die Signalfrequenz proportional zum angelegten Magnetfeld ist, erlauben die Variationen die Zuordnung einer bestimmten Signalfrequenz und Phase zu einer Stelle im Objekt. Dementsprechend können in den erhaltenen MR-Signalen ausreichende Informationen gefunden werden, um eine anatomische Abbildung des Objekts in Bezug auf die Protonenpräsenz zu konstruieren, die die Grundlage eines herkömmlichen MRT-Bildes bildet. Zum Beispiel können Gewebevariationen als Bildkontrastvariationen abgebildet werden nachdem die erhaltenen Signale verarbeitet wurden, da die Protonendichte mit der Art des Gewebes variiert.
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Nun auf 2 gezeigt, um den beispielhaften Signalerfassungsprozess vom DREMR-System (100) zu veranschaulichen, wird es angenommen, daß ein Objekt innerhalb eines Abbildungsvolumens (250) im Hauptmagneten (110) unter einem Hauptmagnetfeld (210) mit einer Stärke B0, die entlang der bei (240) angegebenen z-Achse ist. Anschließend hat das Objekt einen Netzmagnetisierungsvektor. In diesem veranschaulichenden Beispiel wird eine Scheibe in einer Ebene entlang der x- und y-Achse, wie bei (205) angedeutet, abgebildet. Es sei angemerkt, daß in diesem Beispiel die Scheibe eine endliche Dicke entlang der z-Achse hat, wodurch ein volumetrischer Schnitt (205) erzeugt wird.
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Wenn das Objekt in das Hauptmagnetfeld B0 gesetzt wird, richten sich die einzelnen Spins in Richtung der z-Achse aus. Unter Bezugnahme auf 3 kann im Gleichgewicht die Magnetisierung durch das Hauptfeld B0 eine Netzlängsmagnetisierung Mz mit einer Amplitude von M0 parallel zum Hauptmagnetfeld erzeugen. Eine Anregung der Spins kann erreicht werden, wenn ein Hochfrequenzimpuls, der das HF-Magnetfeld mit einer Amplitude von B1 erzeugt, bei der Larmor-Frequenz durch die HF-Spulen (130) angelegt wird. Während des Anlegens des HF-Magnetfeldes dreht sich die Netzmagnetisierung um das angelegte RF(B1)-Feld und kann dazu führen, daß sich die Netzmagnetisierung von der z-Achse wegdreht. Die Komponente der gedrehten Magnetisierung, die in der x-y-Ebene projiziert wird, ist die Netz-Transversalmagnetisierung Mxy. Die Spins können sich über das angelegte HF-Magnetfeld präzisieren, bis das HF-Magnetfeld entfernt ist.
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Sobald die Gleichgewichtsmagnetisierung gestört ist, treten die Spin-Relaxationsprozesse auf. Spin-Gitter-Relaxationsprozesse bewirken eine Rückkehr der Magnetisierung zur Gleichgewichtsverteilung entlang der z-Achse. Die Spin-Gitter-Relaxation kann somit die Längsmagnetisierung Mz auf ihren Maximalwert M0, wie bei (305) angedeutet, mit einer charakteristischen Zeitkonstanten T1 zurückführen. Eine charakteristische Zeit, die die Wiederherstellung der Magnetisierung entlang der Z-Achse um 37% darstellt, wird die T1-Relaxationszeit oder die T1-Zeit genannt. 1/T1 wird als Längsrelaxationsrate bezeichnet.
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Die Spin-Spin-Relaxation kann andererseits einen Verlust an Kohärenz aufgrund der Dephasierung der Netto-Quermagnetisierung verursachen. Während der Spin-Spin-Relaxation zerfällt die transversale Magnetisierung Mxy exponentiell auf Null, wie bei (310) angegeben, mit einer charakteristischen Zeitkonstanten T2. Eine charakteristische Zeit, die den Verfall des Signals um 37% darstellt, wird die T2-Relaxationszeit oder die T2-Zeit genannt. 1/T2 wird als transversale Relaxationsrate bezeichnet.
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Die transversale Relaxation (T2) kann zu einer irreversiblen Dephasierung der transversalen Magnetisierung führen. Es gibt auch eine reversible dephasierende Wirkung durch Magnetfeldinhomogenitäten verursacht. Diese zusätzlichen Dephasierungsfelder können aus einer Vielzahl von Quellen entstehen, einschließlich der Hauptmagnetfeldinhomogenität, der Unterschiede in der magnetischen Suszeptibilität zwischen verschiedenen Geweben oder Materialien, chemischen Verschiebungen und Gradienten, die für die räumliche Kodierung angewendet werden. Der Beitrag zur transversalen Relaxationszeit aus diesen reversiblen Dephasierungseffekten wird typischerweise als T2' bezeichnet. Die charakteristische Relaxationszeit der Kombination von reversiblen (T2') und irreversiblen (T2) dephasierenden Effekten wird typischerweise als T2*-Relaxation bezeichnet.
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Der Unterschied zwischen den Zeitkonstanten T1 und T2 ist für die Entwicklung des Kontrasts in der MR-Bildgebung wichtig. Die Relaxationszeiten können mit der Stärke des angewandten Magnetfeldes sowie der Temperatur variieren. Darüber hinaus können T1- und T2-Werte, die mit biologischen Geweben assoziiert sind, variieren. Im Allgemeinen können Gewebe mit kürzeren T1-Zeiten, wie T1a, wie bei (315) angegeben, eine größere Signalintensität zu einem gegebenen Zeitpunkt (erscheinend heller in Bildern) ergeben als jene mit längeren T1-Zeiten, wie T1b, wie bei (305) angegeben, aufgrund von Die schnellere Wiederherstellung des Signals. Andererseits können Gewebe, die kurze T2-Zeiten besitzen, wie T2a, wie bei (320) angegeben, eine niedrigere Signalintensität (die in den Bildern dunkler erscheint) aufgrund einer Verringerung der detektierten transversalen Magnetisierung Mxy ergeben. Das MR-Signal aus einem Bild kann daher von der Kombination der intrinsischen Gewebeeigenschaften und extrinsischen, vom Anwender gewählten Bildgebungsparametern und Kontrastmitteln abhängig sein.
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Um auf dem herkömmlichen Verfahren Bilder aus dem DREMR-System (100) zu erhalten, werden an dem Datenverarbeitungssystem 105 ein oder mehrere Sätze von HF-Impulsen und Gradientenwellenformen (gemeinsam als ”Impulsfolgen” bezeichnet) ausgewählt. Das Datenverarbeitungssystem (105) übergibt die ausgewählte Impulsfolgeninformation an die HF-Steuereinheit (135) und die Gradientensteuereinheit (125), die gemeinsam die zugeordneten Wellenformen und Zeitabläufe erzeugen, um eine Folge von Impulsen zur Durchführung einer Abtastung bereitzustellen.
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Die Sequenz von HF-Impulsen und Gradientenwellenformen, nämlich die Art der angelegten Impulsfolge, kann sich ändern, welche Relaxationszeiten am meisten Einfluss auf die Bildeigenschaften haben. Zum Beispiel hat die T2*-Reduzierung einen signifikanten Einfluss nach einem 90° HF-Puls, der in einer Gradient-Echo (GRE) – Sequenz verwendet wird, während die T2-Relaxation einen signifikanten Einfluss nach 90°–180° sequentiellen HF-Impulsen hat (auch als Eine Spin-Echo-Sequenz bekannt).
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Nun auf 4 wird eine beispielhafte Impulsfolge (400) gezeigt, die zum Erfassen von Bildern unter Verwendung des DREMR-Systems (100) verwendet werden kann. Insbesondere wird ein Zeitdiagramm für die Beispielimpulssequenz angezeigt. Das Zeitdiagramm zeigt die Impuls- oder Signalgrößen als Funktion der Zeit für das gesendete (RFt) Signal, die Magnetfeldgradienten Gx, Gy und Gz, das empfangene RFx-Signal und das Feldverschiebungssignal (FS). Eine idealisierte, für illustrative Zwecke vereinfachte Impulsfolge kann einen Scheibenauswahlhochfrequenzimpuls (410) bei RFt, einen Scheibenauswahlgradientenimpuls (420) bei Gz, einen Phasenkodierungsgradientenimpuls (430) bei Gy, einen Frequenzcodierungsgradientenimpuls (440) bei Gx und ein erkanntes MR-Signal 450 bei RFx. Die Impulse für die drei Gradienten Gx, Gy und Gz stellen die Größe und Dauer der Magnetfeldgradienten dar, die von den Gradientenspulen (120) erzeugt werden können. Der Scheibenauswahlimpuls (410) kann durch den Sendeaspekt der HF-Spulen (130) erzeugt werden. Das detektierte MR-Signal (450) kann durch den Empfangsaspekt der HF-Spulen (130) detektiert werden. In diesem veranschaulichenden Beispiel wird angenommen, daß der Sendeaspekt und der Empfangsaspekt der HF-Spulen (130) durch unterschiedliche Spulen gebildet werden. Schließlich bewirkt das Feldverschiebungssignal FS, daß die Hauptmagnetfeldstärke für die Dauer des Signals FS geändert wird. Das genaue Timing, die Amplitude, die Form und die Dauer der Impulse oder Signale können für verschiedene bildgebende Verfahren variieren. Zum Beispiel kann das Feldverschiebungssignal FS zu einem Zeitpunkt und einer Art und Weise angewendet werden, die es ermöglicht, daß der Bildkontrast für die verwendete Technik zunimmt.
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Das erste in der Impulsfolge (400) aufgetretene Ereignis kann den Scheibenauswahlgradientenimpuls (420) einzuschalten sein. Der Scheibenauswahl-HF-Puls (410) kann gleichzeitig angewendet werden. In diesem veranschaulichenden Beispiel kann der Scheibenauswahl-HF-Puls (410) ein Spaltfunktion-förmiger Impuls von HF-Energie sein. In anderen Implementierungen können andere HF-Pulsformen und -dauern verwendet werden. Sobald der Scheibenauswahl-HF-Impuls (410) ausgeschaltet ist, kann auch der Scheibenauswahl-Gradientenimpuls (420) ausgeschaltet werden und ein Phasencodierungs-Gradientenimpuls (430) kann eingeschaltet werden. In einigen Implementierungen kann das Feldverschiebungssignal (460) auch an diesem Punkt eingeschaltet werden, um die Hauptmagnetfeldstärke zu ändern. Sobald der Phasencodierungsgradientenimpuls (430) ausgeschaltet ist, kann ein Frequenzcodierungsgradientenimpuls (440) eingeschaltet werden und ein detektiertes MR-Signal (450) kann aufgezeichnet werden. Es ist anzumerken, daß die Formen, Größen und Dauern der Impulse und Signale, die in 4 zu illustrativen Zwecken ausgewählt werden, und daß bei Implementierungen ein oder mehrere dieser Faktoren und andere variiert werden können, um die gewünschten Scanergebnisse zu erzielen.
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Die Impulsfolge (400) kann eine bestimmte Anzahl wiederholt werden, oder Iterationen, typischerweise (256) Wiederholungen, um alle Daten zu sammeln, die benötigt werden, um ein Bild zu erzeugen. Die Zeit zwischen jeder Wiederholung der Impulsfolge (400) kann als Wiederholzeit (TR) bezeichnet werden. Darüber hinaus kann die Dauer zwischen dem Mittelpunkt des Scheibenauswahlimpulses (410) und der Spitze des detektierten MR-Signals (450) als Echozeit (TE) bezeichnet werden. Sowohl TR als auch TE können je nach Bedarf für einen gewünschten Scan variiert werden.
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Zur weiteren Veranschaulichung des Signalerfassungsprozesses des DREMR-Systems (100), wird 2. in Verbindung mit 4 bezeichnet. Um eine Scheibe auszuwählen, kann der Scheibenauswahlgradientenimpuls (420) entlang der z-Achse angelegt werden, was die Resonanzbedingung für die in der Scheibe (205) befindlichen Protonen erfüllt. Tatsächlich kann die Lage der Scheibe entlang der z-Achse teilweise auf dem schichtselektiven Gradientenimpuls (420) bestimmt werden. Dementsprechend kann der Scheibenauswahlimpuls (410), der zur gleichen Zeit wie der Scheibenauswahlgradientenimpuls (420) erzeugt wird, Protonen anregen, die sich in der Scheibe (205) in diesem Beispiel befinden. Protonen, die oberhalb und unterhalb der Scheibe 205 angeordnet sind, werden typischerweise nicht durch den Scheibenauswahlimpuls (410) beeinflußt
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Weiter mit dem erläuternden Beispiel kann gemäß der Pulssequenz (400) ein phasenkodierender Gradientenimpuls (430) nach dem Scheibenauswahlgradientenimpuls 420 angelegt werden. Unter der Annahme, daß dies entlang der y-Achse angewendet wird, können die Spins an verschiedenen Stellen entlang der y-Achse beginnen, bei verschiedenen Larmor-Frequenzen vorzugehen. Wenn der Phasenkodiergradientenimpuls (420) ausgeschaltet wird, können die Netzmagnetisierungsvektoren an verschiedenen Stellen mit der gleichen Geschwindigkeit präzedieren, aber unterschiedliche Phasen aufweisen. Die Phasen können durch die Dauer und die Größe des phasenkodierenden Gradientenimpulses (430) bestimmt werden.
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Sobald der Phasencodierungsgradientenimpuls 430 ausgeschaltet ist, kann ein Frequenzcodierungsgradientenimpuls (440) eingeschaltet werden. In diesem Beispiel befindet sich der Frequenzcodierungsgradient in der x-Richtung. Der Frequenzcodierungsgradient kann dazu führen, daß Protonen in der ausgewählten Scheibe mit Raten in Abhängigkeit von ihrem X-Standort präzedieren. Dementsprechend sind verschiedene räumliche Position innerhalb der Scheibe nun durch einzigartige Phasenwinkel und präzessive Frequenzen gekennzeichnet. Die HF-Empfangsspulen (130) können verwendet werden, um das detektierte Signal (450) zu empfangen, das durch die Protonen erzeugt wird, die in dem abgetasteten Objekt enthalten sind, während der Frequenzcodierungsgradientenimpuls (440) eingeschaltet ist.
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Wenn die Impulsfolge (400) durch das DREMR-System (100) durchgeführt wird, können die erfassten Signale in einer temporären Matrix, die als k-Raum bezeichnet wird, gespeichert werden, wie in (500) bei 5 gezeigt. Typischerweise ist der k-Raum die Sammlung der detektierten Signale, die für eine Abtastung gemessen wurden, und befindet sich im räumlichen Frequenzbereich. Der K-Raum kann durch Frequenzcodierungsdaten entlang der x-Achse (520) (Kx) und Phasenkodierungsdaten entlang der y-Achse (530) (Ky) abgedeckt werden. Wenn alle Zeilen für die k-Raummatrix für eine Scheibe empfangen werden (z. B. am Ende der Abtastung einer einzelnen Scheibe) können die Daten mathematisch verarbeitet werden, beispielsweise durch eine zweidimensionale Fourier-Transformation, um zu produzieren Ein endgültiges Bild. Somit kann der k-Raum vor der Rekonstruktion des Bildes in die räumliche Domäne Rohdaten aufnehmen. Typischerweise hat der k-Raum die gleiche Anzahl von Zeilen und Spalten wie das endgültige Bild und wird während des Scans mit Rohdaten gefüllt, üblicherweise eine Zeile pro Impulsfolge (400). Beispielsweise wird die erste Zeile des k-Raumes (500), die bei (510) angegeben ist, nach Beendigung der ersten Iteration der zum Abtasten einer Scheibe erzeugten Impulsfolge gefüllt und enthält das detektierte Signal für diese Impulssequenz-Iteration. Nach mehreren Iterationen der Pulsfolge kann der k-Raum gefüllt werden. Jede Iteration der Pulssequenz kann leicht variiert werden, so daß Signale für die entsprechenden Abschnitte des k-Raumes erfasst werden. Es ist anzumerken, daß auf der Grundlage unterschiedlicher Pulssequenzen andere Methoden zum Füllen des k-Raumes möglich sind, wie spiralförmig und in Betracht gezogen werden.
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Die Gradientenspulen (120) erzeugen zeitveränderliche Magnetfelder mit einer spezifischen räumlichen Verteilung und sind ein typischer Bestandteil von MRT-Systemen. Größere Größen der Feldvariation ermöglichen schnellere MR-Bildgebungssequenzen und erhöhte Auflösung. Wie oben diskutiert ist die maximal erreichbare Gradientenstärke durch den Gradientenwirkungsgrad gekennzeichnet. Der Wirkungsgrad der Gradientenspulen (120) kann durch Variationen in Form, Größe und Platzierung der Gradientenspulen (120) verbessert werden. Beispielsweise können die Hauptgradientenspulenwicklungen bei einer zylindrischen Ausführung mit einem kleineren Radius näher am Objekt in der Bildgebungsvolumen angeordnet sein. Alternativ kann die Anzahl der Drähte (Wickeldichte) erhöht werden.
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Ähnliche Betrachtungen gelten für die Feldverschiebungselektromagneten (140). Die Feldverschiebungselektromagneten (140) erzeugen zeitveränderliche Magnetfelder, die das von dem Hauptmagneten (110) erzeugte Hauptmagnetfeld verstärken können. Eine größere Größe der Feldvariation kann eine erhöhte Leistung ermöglichen. Wie oben diskutiert ist die maximal erreichbare Feldverschiebungsamplitude durch den Feldverschiebungswirkungsgrad gekennzeichnet. Der Wirkungsgrad der Feldverschiebungs-Elektromagneten (140) kann durch Variationen in Form, Größe und Platzierung der Feldverschiebungselektromagneten (140) verbessert werden. Beispielsweise können die Hauptfeldverschiebungsspulen mit einem kleineren Radius näher an dem Objekt im Bildgebungsvolumen angeordnet sein. Alternativ kann die Anzahl der Drähte (Wickeldichte) erhöht werden.
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Größere absolute Feldverschiebungen, die durch die Feldverschiebungselektromagneten (140) erzeugt werden, bewegen sich im Allgemeinen in ein größeres Kontrast-Rausch-Verhältnis für Delta-Relaxations-verstärkte MR-Signale sowie eine größere Flexibilität in Pulssequenzen, die durch das DREMR-System (100) durchgeführt werden. Daher kann es bei der Implementierung des DREMR-Systems (100) sehr wünschenswert sein, die größte Feldverschiebung für eine gegebene Leistungszufuhr durch Erhöhen der abgelegten Verschiebungseffizienz der Feldverschiebungselektromagneten (140) zu erzeugen. Typischerweise können die Hauptfeldverschiebungsspulen, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen, so nahe wie möglich an dem abgebildeten Objekt angeordnet werden, und die Feldverschiebungsabschirmungsspulen können so weit wie möglich von den Hauptfeldverschiebungsspulen angeordnet werden. Dieses Prinzip gilt typischerweise auch für den Wirkungsgrad der abgeschirmten Gradientenspulen (120). In einigen Implementierungen, um die Größe der gewünschten Feldverschiebungen zu erreichen, kann die Verbesserung der Feldverschiebungseffizienz über den Gradientenspulenwirkungsgrad priorisiert werden.
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Das Kombinieren von Feldverschiebungselektromagneten (140) in der gleichen mechanischen Anordnung wie die Gradientenspulen (120) kann eine Erhöhung der Feldverschiebungseffizienz innerhalb eines gegebenen radialen Raums ermöglichen. Bei einigen Ausführungsformen können die Haupt- und die Abschirmspulen der Gradientenspulen (120) mit den Haupt- und Abschirmspulen der Feldverschiebungselektromagneten (140) kombiniert werden, um eine einzige integrierte Magnetvorrichtung mit einer Schichtplatzierung zu bilden, die die Feldverschiebungseffizienz optimiert.
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Der Querschnitt einer beispielhaften zylindrischen Ausführung für die integrierte Magnetvorrichtung (600) ist in 6 dargestellt, vereinfacht zu illustrativen Zwecken. Die Komponenten, die in 6 dargestellt sind, sind nicht maßstäblich. Die integrierte Magnetvorrichtung dieses Beispiels hat eine zylindrische Form, deren Länge in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Figur verläuft. In anderen Implementierungen sind andere Formen möglich, solange die Reihenfolge der Schichten erhalten bleibt. In weiteren Varianten kann sich auch die Bestellung ändern. Die integrierte Magnetvorrichtung (600) dieses Beispiels kann ein Abbildungsvolumen (650) umgeben und kann Hauptfeldverschiebungsmagnete (605), Hauptgradientenmagnete (610), Gradientenabschirmungsmagnete (615) und Feldverschiebungsschildmagnete (620) umfassen. Die integrierte Vorrichtung ist in der Bohrung des Magneten (110) gezeigt, die mit (625) bezeichnet ist. Darüber hinaus können HF-Spulen (130) und andere Magnete oder Spulen, wie z. B. Shimspulen, auch in dem Abbildungsvolumen (650) angeordnet sein. Es sollte angemerkt werden, dass typischerweise Hauptfeldverschiebungsmagnete (605) und Feldverschiebungsabschirmmagnete (620) verwendet werden können, um ein Feldverschiebungsmagnetfeld entlang der z-Achse zu erzeugen, das das Hauptmagnetfeld um einen vorbestimmten Betrag dB vergrößern kann. In 6 ist die z-Achse senkrecht zur Ebene der Figur. Dementsprechend können die Hauptfeldverschiebungsmagnete (605) und die Feldverschiebungs-Abschirmmagnete (620) geeignete Wicklungen umfassen, um ein Feldverschiebungsmagnetfeld entlang der z-Achse zu erzeugen. Andererseits können die Hauptgradientenmagneten (610) und die Gradientenabschirmmagnete (615) Felder erzeugen, die entlang aller drei orthogonalen Achsen x, y (in der Ebene der Figur) und Z liegen und somit Wicklungen umfassen können, die für die Erzeugung und Abschirmung geeignet sind Gradientenfelder in dieser Richtung.
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Auf der Basis von der in 6 gezeigten Schichtplatzierung können die Hauptmagnete (605) der Feldverschiebungs-Elektromagneten 140 so nahe wie möglich an dem abgetasteten Objekt angeordnet werden, während die Feldverschiebungsabschirmungsmagnete (620) weiter von den Hauptmagneten (605) des Feldverschiebungselektromagneten (140) entfernt liegen können, wodurch die Feldverschiebungseffizienz erhöht wird. Darüber hinaus wird die Feldverschiebungseffizienz über den Gradientenwirkungsgrad priorisiert, indem die Gradientenspulen (120) zwischen die Hauptfeldverschiebungsmagnete (605) und die Feldverschiebungsabschirmungsmagnete (620) der Feldverschiebungselektromagneten (140) gesetzt werden. Zusätzliche Feldverschiebungselektromagneten (140) können zwischen der innersten Hauptelektromagnetschicht (605) und der äußersten Abschirmungselektromagnetschicht (620) des Feldverschiebungselektromagneten eingesetzt werden, um beispielsweise den Wirkungsgrad des Feldverschiebungselektromagneten (140) oder als Teil des Feldverschiebungsabschirmungsmagnet zu erhöhen. Es ist anzumerken, dass diese Schichtplatzierung DREMR-Systeme (100) von unterschiedlichen großen anwendbar ist, wie z. B. DREMR-Systeme (100), die sowohl für kleine Tier- als auch für menschliche Zwecke skaliert sind.
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Die thermische Verlustleistung für die Gradientenspulen (120) und die Feldverschiebungsmagnete (140) kann durch aktive und passive Kühlung verwaltet werden. Wärme kann direkt unter Verwendung von Leitern mit einem Hohlkanal, durch den Kühlmittel hindurchgeführt wird, oder indirekt durch Durchleiten von Kühlmittel durch die Magnet- oder Spulenanordnung in einer Weise, dass das Kühlmittel in thermischem Kontakt mit den Wicklungen ist, oder auf irgendeine andere Weise, dass Wärmeenergie mit der gleichen Durchschnittsrate wie Widerstandsfähigkeit, die von den Elektromagneten abgeführt wird, extrahieren kann. Effizienzen können gewonnen werden, wenn eine Kühlschicht in thermischem Kontakt mit mehreren Spulenkomponenten steht. Die gleichen Kühlschichten können verwendet werden, um die Gradientenspulen und ihre Schilde sowie die feldverschiebenden Haupt- und -Abschirmungsspulen zu kühlen, wodurch der verfügbare radiale Raum besser genutzt wird.
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Unter Bezugnahme auf 7 wird ein vereinfachter, veranschaulichender Querschnitt einer beispielhaften integrierten Magnetvorrichtung (600) gemäß Platzierung, die in 6 entlang A-A angegeben ist, gezeigt. Es ist anzumerken, dass die gezeigten Komponenten nicht maßstäblich sind, sondern für eine einfache Darstellung bemessen wurden. Wie oben diskutiert umfasst die beispielhafte integrierte Magnetvorrichtung die abgeschirmten Feldverschiebungselektromagneten (140), die abgeschirmten Gradientenspulen (120) und passive sowie aktive Kühlung (650) zeigt das Abbildungsvolumen an, in das das zu scannende Objekt platziert werden soll. Darüber hinaus können auch HF-Spulen (130) und andere Spulen, wie z. B. Shumspulen, in diesen Raum gebracht werden. Andererseits zeigt (625) die Bohrung des Hauptmagneten (110) an, in dem sich die integrierte Magnetvorrichtung befindet.
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Weiter mit 7 sind Substratschichten bei (705) angegeben. Die Substratschichten können aus jedem starren oder halbstarren Material gebildet sein, das eine mechanische Unterstützung für die Feldverschiebungselektromagneten (140) bereitstellen kann. Beispielsweise kann das Substrat (705) aus G10, FR4 oder Epoxid gebildet sein. Hauptfeldverschiebungsmagnete des Feldverschiebungselektromagneten (140) sind bei (710) angegeben. Die Hauptfeldverschiebungsmagnete (710) können auf bzw. in dem Substrat (705) angeordnet werden und bilden einen Magneten, der das Feldverschiebungsmagnetfeld erzeugt, wenn es aktiviert ist. Die Hauptfeldverschiebungsmagnete (710) können aus Wicklungen gebildet werden, die aus elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt sind, die für die Magnetfelderzeugung wie Kupfer geeignet sind. Die verwendeten elektrisch leitfähigen Materialien sind typischerweise isoliert, um Kurzschlüsse innerhalb der Wicklungen sowie mit anderen nahe gelegenen elektrisch leitfähigen Komponenten zu verhindern.
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Die wärmeleitenden Teilschichten (715a) und (715c) sowie eine Kühlmittelunterschicht (715b) bilden eine erste Kühlschicht (715). Die wärmeleitfähigen Unterschichten (715a) und (715c) können aus beliebigen wärmeleitfähigen Materialien wie Kupfer, Aluminium, Stahl (typischerweise nicht isolierten) oder thermisch leitfähigem Epoxidharz gebildet sein. Die Kühlmittelunterschicht (715b) kann aus irgendwelchen Mechanismen bestehen, die ein Kühlmittel in Form einer Flüssigkeit wie Wasser oder einer Glykolmischung oder eines Gases, wie Luft, um die Hauptfeldverschiebungswicklungen (710) und die Hauptwicklungen umwälzen würden Der Gradientenspulen (120), die weiter unten diskutiert werden. Zum Beispiel können Hunderte von dünnen Kühlmittelrohren, die die Länge der Hauptfeldverschiebungsmagnete (710) laufen, verwendet werden, um das flüssige Kühlmittel zu zirkulieren. In einer Variation können die Kühlmittelrohre um den Umfang der Hauptfeldverschiebungsmagnete (710) herumlaufen. Typischerweise ist der Kühlmittelmechanismus, der verwendet wird, um ein Kühlmittel in der Kühlmittelschicht (715b) zu verteilen, nicht elektrisch leitend. Beispielsweise können die Kühlmittelrohre aus nicht leitendem Material aufgebaut sein oder durch Aufbringen von elektrisch isolierenden Materialien nichtleitend gemacht werden. Es sollte angemerkt werden, dass der radiale Raum konserviert werden kann, indem jede Kühlschicht verwendet wird, um mehrere Spulenschichten zu kühlen.
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Die nächsten drei Schichten der beispielhaften integrierten Magnetvorrichtung (725a), (725b) und (725c) umfassen die Hauptmagneten für Gradientenspulen (120), um Gradienten entlang der x-, z- und y-Richtung zu erzeugen. Die Reihenfolge der Anordnung der orthogonalen Abschnitte der Gradientenspulen (120) ist nicht beschränkend und kann variiert werden. Zum Beispiel können bei Variationen die Hauptgradientenmagnete zur Erzeugung eines Gradienten entlang der z-Achse auf (725a) platziert werden, wobei die Magneten zur Erzeugung eines Gradienten entlang der y-Achse bei (725b) angeordnet werden können und die Magnete zur Erzeugung eines Gradienten entlang der x-Achse kann bei (725c) platziert werden. Die Magneten können aus Wicklungen gebildet werden, die aus elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt werden können, die für die Magnetfeldgenerierung geeignet sind, wie z. B. Kupfer. Die verwendeten elektrisch leitfähigen Materialien sind typischerweise isoliert, um Kurzschlüsse innerhalb der Wicklungen sowie mit anderen nahe gelegenen elektrisch leitfähigen Komponenten zu verhindern. Die Hauptmagnete der Gradientenspulen 120 werden typischerweise in bzw. auf wärmeleitfähigen Substraten, wie Epoxid, angeordnet. In Variationen können ein oder mehrere Hauptmagnete in bzw. auf einem starren oder halbstarren Substrat angeordnet werden, um die mechanische Stabilität der Schichten zu erhöhen. Beispielsweise kann bei einigen Variationen ein Verguss-Epoxid verwendet werden, um eine mechanisch stabile Struktur zu bilden, die alle Hohlräume zwischen und um die Hauptwicklungen der Gradientenspulen 120 füllt. Das Epoxidsubstrat sollte thermisch leitfähig sein, um die Wärme von den Hauptgradientenwicklungen effizient auf die Kühlmittelschicht zu übertragen. In einigen Ausführungsformen kann mindestens eines der Substrate für die drei Schichten nicht thermisch leitfähig sein und aus Materialien wie G10 und FR4 gebildet sein. In diesem Beispiel ist die Schicht (725b) aus einem thermisch nichtleitenden Substrat gebildet.
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Weiter mit 7 bilden die wärmeleitenden Teilschichten (730a) und (730c) sowie eine Kühlmittelunterschicht (730b) eine zweite Kühlschicht (730). Die wärmeleitfähigen Unterschichten (730a) und (730c) können aus beliebigen wärmeleitfähigen Materialien wie Kupfer, Aluminium, Stahl oder Epoxid gebildet sein. Die Kühlmittelunterschicht (730b) kann aus irgendwelchen Mechanismen bestehen, die ein Kühlmittel in Form einer Flüssigkeit, wie Wasser oder Gas, wie etwa Luft, um die Primärwicklungen der Gradientenspulen (120) und der Rückführungsschicht (740) zirkulieren würden Wird weiter unten diskutiert. Beispielsweise können Hunderte von dünnen Kühlmittelrohren, die die Länge der Hauptgradientenspulen (120) laufen, verwendet werden, um das flüssige Kühlmittel zu zirkulieren. In einer Variante können die Kühlmittelrohre um den Umfang der Primärgradientenspulen (120) bzw. deren Komponentenmagnete herumlaufen. Typischerweise ist der Kühlmittelmechanismus, der verwendet wird, um ein Kühlmittel in der Kühlmittelunterschicht (730b) zu verteilen, nicht elektrisch leitend. Beispielsweise können die Kühlmittelrohre aus nicht leitendem Material aufgebaut sein oder durch Aufbringen von Isoliermaterialien nicht leitfähig gemacht werden. Die Richtung der Kühlmittelströmung kann von der der Kühlmittelschicht (715) abweichen. Es sollte angemerkt werden, dass der radiale Raum unter Verwendung jeder Kühlschicht konserviert werden kann, um mehrere Magnet- oder Spulenschichten zu kühlen.
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Bei (740) ist eine Schicht für Rücklaufdrähte bzw. Rücklaufkühlleitungen angegeben. Die Rückführdrähte erlauben es, dass der Ausgangsstrom von den Feldverschiebungsspulen (140) und den Gradientenspulen (120) zu ihren jeweiligen Stromversorgungen auf der gleichen Seite des Spulensystems wie der Eingangsstrom liegt. Diese Drähte sind nicht aktiv an der Herstellung von Magnetfeldern beteiligt, die zum Scannen verwendet werden. Die Drähte sind typischerweise in bzw. auf einem wärmeleitfähigen Substrat, wie z. B. Verguss-Epoxid, eingebettet. Rücklaufkühllinien erlauben es, dass der Auslass des Kühlsystems auf der gleichen Seite des Spulensystems wie der Einlass des Kühlsystems liegt. Bei einigen Ausführungsformen können die Rücklaufdrähte bzw. die Rücklaufkühlleitungen so angeordnet sein, dass sie nicht durch den von der Schicht (740) bereitgestellten Raum hindurchtreten. Bei einer derartigen Variation könnten die Rückführdraht- bzw. Rücklaufkühlleitungen in andere Schichten der integrierten Magnetvorrichtung oder außerhalb der integrierten Magnetvorrichtung angeordnet werden.
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Die nächsten drei Schichten der beispielhaften integrierten Magnetvorrichtung (750a), (750b) und (750c) umfassen die Abschirmmagnete für Gradientenspulen (120) zur Erzeugung von Abschirmungen entlang der x-, z- und y-Achse. Die Reihenfolge der Anordnung der Richtungsabschnitte der Gradientenspulen (120) ist nicht beschränkend und kann variiert werden. Beispielsweise können bei Abweichungen die Schirmwicklungen zur Erzeugung einer Abschirmung entlang der z-Achse bei (750a) angeordnet werden, wobei die Wicklungen zur Erzeugung einer Abschirmung entlang der y-Achse auf (750b) angeordnet werden können und die Wicklungen zur Erzeugung einer Abschirmung entlang der x-Achse kann bei (750c) platziert werden. Typischerweise kann die Reihenfolge in der Reihenfolge der Hauptmagneten der Gradientenspulen (120) in den Schichten (725a) bis (725c) angepasst werden. Die Abschirmmagnete für Gradientenspulen (120) können aus Wicklungen gebildet sein, die aus elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt werden können, die für die Magnetfelderzeugung wie Kupfer geeignet sind. Die verwendeten elektrisch leitfähigen Materialien sind typischerweise isoliert, um Kurzschlüsse innerhalb der Wicklungen sowie mit anderen nahe gelegenen elektrisch leitfähigen Komponenten zu verhindern. Die Abschirmmagnete der Gradientenspulen (120) werden typischerweise in bzw. auf wärmeleitfähigen Substraten, wie Epoxid, angeordnet. In Variationen können eine oder mehrere der Hauptwicklungen in bzw. auf einem starren oder halbstarren Substrat angeordnet werden, um die mechanische Stabilität der Schichten zu erhöhen. In einigen Ausführungsformen kann mindestens eines der Substrate für die drei Schichten nicht thermisch leitfähig sein und aus Materialien wie G10, FR4 oder Epoxid gebildet sein. In diesem Beispiel ist die Schicht (750b) aus einem thermisch nichtleitenden Substrat gebildet.
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Weiter mit 7 bilden die wärmeleitfähigen Teilschichten (760a) und (760c) sowie eine Kühlmittelunterschicht (760b) aus der dritten Kühlschicht (760). Die wärmeleitfähigen Unterschichten (760a) und (760c) können aus beliebigen wärmeleitfähigen Materialien wie Kupfer, Aluminium, Stahl oder Epoxid gebildet sein. Die Kühlmittelunterschicht (760b) kann aus irgendwelchen Mechanismen bestehen, die ein Kühlmittel in Form einer Flüssigkeit wie Wasser oder einer Glykolmischung oder Gas, wie Luft, um die Abschirmmagnete der Gradientenspulen (120) und der Abschirmung umlaufen lassen Magneten der Feldverschiebungselektromagnet (140) -Schicht (770). Beispielsweise können Hunderte von dünnen Kühlmittelrohren, die die Länge der Abschirmmagnete der Gradientenspulen (120) betreiben, verwendet werden, um das flüssige Kühlmittel zu zirkulieren. In einer Variation können die Kühlmittelrohre um den Umfang der Hauptgradientenspulen (120) herumlaufen. Typischerweise ist der Kühlmittelmechanismus, der verwendet wird, um ein Kühlmittel in der Kühlmittelunterschicht (760b) zu verteilen, nicht elektrisch leitend. Beispielsweise können die Kühlmittelrohre aus nicht leitendem Material aufgebaut sein oder durch Aufbringen von Isoliermaterialien nicht leitfähig gemacht werden. Die Richtung der Kühlmittelströmung kann von der der Kühlmittelschicht (715) bzw. (730) abweichen. Es sollte angemerkt werden, dass der radiale Raum konserviert werden kann, indem jede Kühlschicht verwendet wird, um mehrere Spulenschichten zu kühlen.
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Die Abschirmmagnete des Feldverschiebungselektromagneten (140) sind bei (770) angedeutet. Die Abschirmmagnetschicht (760) kann auf bzw. in einem Substrat wie G10, FR4 oder Epoxid angeordnet sein und einen Elektromagneten bilden, der die Abschirmung für das Feldverschiebungsmagnetfeld erzeugt, wenn es aktiviert ist. Die Feldverschiebungsabschirmungswicklungen können aus elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt werden, die für die Magnetfeldgenerierung geeignet sind, wie z. B. Kupfer. Die verwendeten elektrisch leitfähigen Materialien sind typischerweise isoliert, um Kurzschlüsse innerhalb der Wicklungen sowie mit anderen nahe gelegenen elektrisch leitfähigen Komponenten zu verhindern.
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In Variationen können eine oder mehrere Schichten der integrierten Magnetvorrichtung weggelassen bzw. variiert werden bzw. zusätzliche Schichten können hinzugefügt werden. Zum Beispiel können eine oder mehrere der drei Kühlschichten (715), (730) bzw. (760) unterschiedliche Kühlmechanismen verwenden, Unterschichten bzw. Komponenten voneinander, obwohl die drei Kühlschichten als im Wesentlichen aus demselben Mechanismus zum Kühlen mit im Wesentlichen den gleichen Komponenten in Variationen gebildet werden. Als weiteres Beispiel können in einigen Implementierungen zusätzlich zu oder anstelle der Kühlschichten auch andere für ein größeres DREMR-System (100) geeigneter Abkühlungsverfahren, wie z. B. für menschliche Anwendungen, verwendet werden. Beispielsweise können bei einigen Ausführungsformen hohle kühlmittelführende Leiter verwendet werden, um die Feldverschiebungselektromagneten (140) bzw. Gradientenspulen (120) einschließlich Abschirmwicklungen zu implementieren, und Kühlflüssigkeiten können durch die Hohlleiter zirkuliert werden. Als weiteres Beispiel können zusätzliche Schichten von Feldverschiebungselektromagnetleitern, Gradienten-Spulenleitern oder anderen Elektromagnetleitern in die Baugruppe eingesetzt werden. In einigen Variationen können die Substrate, in denen die Magnete angeordnet sind, Abdrücke sein, die um den Umfang des Magneten herum beabstandet sind, um den Draht für einige der Elektromagneten zu halten. In weiteren Varianten können die Hold-offs mit einem dreidimensionalen Drucker bedruckt werden.
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Die integrierte Magnetvorrichtung (600) kann für DREMR-Systeme (100) aus einer Vielzahl von Geometrien und Größen verwendet werden. Beispielsweise kann das DREMR-System (100) unter Verwendung der integrierten Magnetvorrichtung in geeigneten Größen und Formen konstruiert werden, um menschliche Bildgebungsanwendungen, wie z. B. Gehirnbildgebungsanwendungen zum Abtasten des Gehirns oder für kleine Tierabtastanwendungen, aufzunehmen. Bei einigen Ausführungsformen können die relativen radialen Positionen oder die Anordnung der Wicklungen in der integrierten Magnetvorrichtung (600) einschließlich Abschirmmagnete für die Feldverschiebungselektromagneten (140) und die Gradientenspulen (120) unabhängig von der Größe des DREMR-Systems (100) gleich bleiben.
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In anderen Ausführungsformen, bei denen DREMR-Systeme mit größerer Größe unter Verwendung der integrierten Magnetvorrichtung aufgebaut sind, können die verwendeten Kühlverfahren und -mechanismen variiert werden. Beispielsweise können Hohlleiter für die Elektromagnetwicklungen verwendet werden, um einen Kühlmittelfluss zu liefern, der näher an der Wärmequelle angeordnet ist. Dementsprechend würde Kühlflüssigkeit, ob Flüssigkeit oder Gas, durch die Hohlleiter der die Magneten bildenden Wicklungen anstelle von oder zusätzlich zu den Kühlmittelschichten der integrierten Magnetvorrichtung strömen. Beispielsweise können Hohlleiter in einer Schlaufe, einer Spirale oder einer Spirale um einen Radius der integrierten Magnetvorrichtung laufen, um den Längs-(z-Achsen-)Gradientenelektromagneten der Gradientenspulen (120) und ein Quer-(x-Achse oder y-Achse)Gradienten-Draht-Muster, das mit der Kühlmittelströmung enthalten z-Schicht im thermischen Kontakt platziert werden kann, zu implementieren. Das gleiche Verfahren kann verwendet werden, um die Wicklungen der Feldverschiebungselektromagneten (140) zu kühlen, die den z-Gradientenwicklungen ähnlich sein können, indem sie in Schleifen, einer Spirale oder einer Spirale um einen Radius der integrierten Magnetvorrichtung laufen. In einer Variation könnte der transversale (x-Achse oder y-Achse) Gradientenelektromagnet auch aus Hohlleitern gebildet sein, durch die Kühlflüssigkeit, ob Flüssigkeit oder Gas, fließen würde.
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Basierend auf den beabsichtigten Anwendungen des DREMR-Systems (100) können die Muster, die für die Implementierung von Wicklungen der Feldverschiebungselektromagneten (140) und der Gradientenspulen (120) verwendet werden, variieren. Beispielsweise können für die Implementierung der Feldverschiebungselektromagneten (140) und der Gradientenspulen (120) unterschiedliche Wicklungsmuster verwendet werden, um eine integrierte Magnetvorrichtung zur Verwendung in einem menschlichen DREMR-System (100) zu implementieren, die für das Scannen von Gehirnen bestimmt ist, im Vergleich zu dem, das für den Einsatz bei der Untersuchung von kleinen Tieren bestimmt ist. Die relative radiale Anordnung der Wicklungen, die für die Implementierung der Feldverschiebungselektromagneten (140) und der Gradientenspulen (120) einschließlich Abschirmwicklungen in der integrierten Magnetvorrichtung verwendet werden, kann gleich bleiben. Für ein für die Gehirnabtastung vorgesehenes DREMR-System (100) könnten die Wicklungsmuster für die Feldverschiebungselektromagneten (140) und die Gradientenspulen (120) jedoch entlang der Längs-z-Achse nicht symmetrisch sein, weil ein Kopf aufgrund geometrischer Einschränkungen in der Mitte des Magneten nicht platziert werden könnte. Im Gegensatz dazu können die Wicklungsmuster für die Feldverschiebungselektromagneten (140) und die Gradientenspulen (120) für ein DREMR-System (100), das für Abbildung für eine kleine Tier vorgesehen ist, in Längsrichtung symmetrisch sein, weil der Abbildungsbereich in der Mitte der Spule werden kann.
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Die oben beschriebenen Ausführungsformen sollen als Beispiele aufgezeigt werden, Änderungen und Modifikationen können von Fachleuten ohne von dem Umfang abzuweichen, der nur durch die hierin beigefügten Ansprüche definiert ist, vorgenommen werden. Beispielsweise können die diskutierten Verfahren, Systeme und Ausführungsformen ganz oder teilweise variiert und kombiniert werden.
