DE19513474A1 - Abschirmung für Magnetresonanzsysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf diagnostische Einrichtungen mit Magnetresonanz­ abbildung, insbesondere auf eine induktiv gekoppelte Abschirmung für Magnetresonanz­ abbildung (MRI-Magneten) und auf das Reduzieren des Streufeldes in der Nähe von Ma­ gnetresonanzabbildungseinrichtungen.

Die MRI-Magneten, die üblicherweise bei der medizinischen Diagnose verwendet wer­ den, erzeugen Gleichstrom-Magnetfelder hoher Intensität. Heutzutage werden fünf Gauss als der obere Wert für die Magnetflußdichte angesehen, die Räume belasten kön­ nen, zu denen das Publikum Zugang hat. In Krankenhäusern, die in stark bevölkerten Stadtbereichen gelegen sind und in denen demzufolge der Platz beschränkt und teuer ist, ist es erwünscht, MRI-Systeme zu verwenden und eine so geringe Fläche wie möglich zu nutzen. Ein nicht abgeschirmter MRI-Magnet von 0,5 Tesla benötigt eine elliptisch geformte Fläche mit großen/kleinen Achsen von 8 × 6 m, um eine minimale gegenseitige Beeinflussung mit anderen diagnostischen Geräten und Patienten mit Herzschrittmachern sicherzustellen. Eine weitere wichtige Überlegung bei der Positionierung eines MR- Magneten ist der Einfluß, den die unmittelbare Umgebung auf die Feldhomogenität in­ nerhalb des Arbeitsvolumens des Magneten hat.

Um so wenig wie möglich Platz zu beanspruchen, wird eine Abschirmung um die Ma­ gnetresonanzmagneten herum verwendet.

Zum Stand der Technik werden im wesentlichen zwei Systeme für die Abschirmung eines MRI-Magneten verwendet. Das erste System benutzt eine ferromagnetische Abschir­ mung (üblicherweise Eisen), die in Form eines Rückführlochs um den MRI-Magneten angeordnet wird (Fig. 1). Ein ferromagnetischer Körper, der in die Nähe eines MR- Magneten gebracht wird, zieht Flußlinien an, und dieses Phänomen kann verwendet wer­ den, um einen externen Bereich gegen das Streufeld abzuschirmen.

Ein Nachteil der ferromagnetischen Abschirmung ist ihr Gewicht. Um eine gute Abschir­ mung zu erreichen, wird eine Menge Eisen benötigt. Dies ergibt eine entscheidende Er­ höhung des Gewichtes und auch des Preises für die Abschirmung. Auch begrenzt dieses zusätzliche Gewicht die Stellen, die geeignet sind, um die MRI-Einrichtung aufzustellen. Beispielsweise kann das Aufstellen einer MRI-Einrichtung mit ferromagnetischer Ab­ schirmung auf einem oberen Stockwerk wegen des hohen Gewichtes und der beschränk­ ten Tragkraft des Bodens problematisch sein. Dies bedeutet, daß üblicherweise ein Kom­ promiß zwischen der erzielten Abschirmung und dem Gewicht für die Abschirmung ge­ schlossen wird.

Das zweite Abschirmsystem, das beim Stand der Technik verwendet wird, ist ein System mit einer zusätzlichen Spule zur Erzielung einer aktiven Abschirmung (Fig. 2). Die Ab­ schirmspulen werden außerhalb des Hauptspulensystems, jedoch koaxial damit angeord­ net. Die beiden Spulensysteme sind im allgemeinen mit einer Energiequelle, z. B. Netzan­ schluß, in Serie geschaltet. Ein Strom, der entgegengesetzt dem Strom gerichtet ist, der in die Hauptspule eingespeist wird (die Spule, die das Hauptmagnetfeld für die MRI erzeugt) wird in die aktiven Abschirmspulen eingespeist. Als Resultat dieses Stromes wird in den aktiven Spulen ein zweites Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld verläuft in der Rich­ tung entgegengesetzt zu dem Hauptmagnetfeld (da die Ströme entgegengesetzte Flußrich­ tungen haben). Während somit das zweite Magnetfeld das Hauptmagnetfeld schwächt, wird auch das unerwünschte Streufeld verringert. Häufig werden die Spulen mit aktiver Abschirmung aus einem bei niedriger Temperatur supraleitenden Material hergestellt. Der Kryostat muß dann vergrößert werden; insbesondere muß sein Außendurchmesser ver­ größert werden, da eine größere Flüssigheliumwanne notwendig ist, um zwei Niedrig­ temperatur-Spulensysteme aufzunehmen. Die Verwendung des großen Kryostaten für die Abschirmung erhöht die Kosten für die Abschirmung und vergrößert die Dimensionen der MRI-Einrichtung.

Mit vorliegender Erfindung wird die Abschirmleistung verbessert und gleichzeitig das vorgenannte Problem gelöst, indem das System billig gehalten wird, die Dimensionen und das Gewicht des Systems verringert werden, und die Magnetik so einfach wie mög­ lich gehalten wird. Eine Verbesserung der Abschirmleistung bedeutet eine Verringerung der "Fußabdruckfläche", d. h. der Fläche, in der die Flußdichte 5 Gauss übersteigt, wäh­ rend das Gewicht der Abschirmung verringert wird. Zusätzlich macht die Verwendung einer induktiven Kopplung für Abschirmspulen es nicht mehr notwendig, eine getrennte zusätzliche Speisequelle zu verwenden. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung benutzt das erste Mal bei hohen Temperaturen supraleitende Materialien in der induktiv gekoppelten Abschirmspule für die praktische MR-Anwendung in großem Umfang.

Gemäß der Erfindung wird eine verbesserte Magnetabschirmung zur Verwendung in MRI- Diagnose-Abbildungseinrichtungen vorgesehen, die einen Elektromagneten, der einen ersten Satz von supraleitenden Spulen besitzt, die in einen Flüssiggas enthaltenden Tank eingetaucht sind, wobei der Tank in einem Dewar′schen Gefäß angeordnet ist, minde­ stens eine Strahlungsabschirmung, die den Tank umgibt, Stäbe, die den Tank konzen­ trisch mit dem Dewar′schen Gefäß ausgerichtet halten, und einen zweiten Satz von supra­ leitenden Spulen, die eine geschlossene Schleife bilden und die nicht mit einer elektri­ schen Energiequelle verbunden sind, aufweist.

Wenn der erste Satz von Spulen erregt wird, erzeugt er das Hauptmagnetfeld. Dieses Hauptmagnetfeld erzeugt im zweiten Satz von Spulen einen induzierten, entgegengesetzt zum ersten Strom gerichteten Strom im ersten Satz von Spulen, der das Hauptmagnetfeld erzeugt. Nach dem Lenz′schen Gesetz erzeugt dieser induzierte Strom ein zweites Ma­ gnetfeld, das in seiner Richtung entgegengesetzt zum Hauptmagnetfeld verläuft. Das zweite Magnetfeld schwächt das Hauptmagnetfeld, begrenzt jedoch gleichzeitig die Randfeldfläche, die durch das Hauptmagnetfeld belastet wird.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausfüh­ rungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer bekannten Abschirmung eines MRI-Magneten,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer bekannten Abschirmung eines MRI-Magneten,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung zum Ab­ schirmen eines MRI-Magneten,

Fig. 4 schematisch typische Spulen zur Erzeugung des Hauptmagnetfeldes,

Fig. 5a die Darstellung von Flußlinien des Hauptmagnetfeldes ohne Abschirmung,

Fig. 5b eine Darstellung von Flußlinien des Hauptmagnetfeldes mit der erfindungs­ gemäßen, induzierten Abschirmung.

Fig. 1 zeigt die erste Art von bekannten Systemen, die für die Abschirmung von MRI- Einrichtungen verwendet werden. Bei dieser Art System wird eine ferromagnetische Ab­ schirmung 11 (üblicherweise Eisen) in Form eines Rückführjoches um den MRI-Magne­ ten 13a-13f herum angeordnet. Diese ferromagnetische Abschirmung, die in die Nähe der MRI-Einrichtung gebracht wird, zieht Flußlinien an, und dieses Phänomen kann zur Abschirmung eines externen Bereiches gegen das Streufeld verwendet werden. Dieses Abschirmsystem hat eine Reihe von Nachteilen. Das Vorhandensein eines ferromagneti­ schen Körpers 11 beeinflußt die Verteilung der Flußlinien im gesamten Raum und beein­ flußt deshalb die Homogenität des Magnetfeldes. Ein weiterer Nachteil der ferromagneti­ schen Abschirmung sind das hohe Gewicht und der hohe Preis. Um eine bessere Ab­ schirmung mit ferromagnetischer Abschirmung zu erzielen, wird eine massivere Abschir­ mung benötigt. Dies führt zu einer Erhöhung des Gewichtes für die Abschirmung. Diese zusätzliche Abschirmung erhöht auch die Kosten für die Abschirmung. Des weiteren schränkt dieses zusätzliche Gewicht die Plätze ein, die zum Aufstellen der MRI- Einrichtung geeignet sind. Daraus ergibt sich, daß üblicherweise ein Kompromiß zwi­ schen der erzielten Abschirmung und dem Gewicht für die Abschirmung gesucht wird.

In Fig. 2 ist ein zweites bekanntes Abschirmsystem dargestellt. Bei diesem System werden zusätzliche Spulen 11a-11d zur Erzielung einer aktiven Abschirmung für das Magnetfeld verwendet, das durch den Hauptsatz von Spulen 13a-13f erzeugt wird (üblicherweise aus bei niedrigen Temperaturen supraleitenden Materialien). Die Abschirmspulen 11a- 11d sind außerhalb des Hauptspulensystems 13a-13f, jedoch koaxial damit angeordnet. Die Abschirmspulen 11a-11d sind üblicherweise in Serie an eine Netzspeisequelle (nicht dargestellt) angeschlossen. Der Strom, der in die Abschirmspulen 11a-11d einge­ speist wird, verläuft in der Richtung entgegengesetzt zu dem Strom, der in die Hauptspu­ len 13a-13f engespeist wird. Dies ist schematisch in Fig. 2 durch Pfeilspitzen und Enden in allen Spulen gezeigt. Dieser Strom in den Spulen 13a-13c erzeugt ein zweites Ma­ gnetfeld, das in seiner Richtung entgegengesetzt zu dem Hauptmagnetfeld verläuft. Somit schwächt das zweite Magnetfeld das Hauptmagnetfeld, wodurch eine Abnahme des un­ erwünschten Streufeldes erreicht wird. Üblicherweise bestehen die aktiven Abschirmspu­ len aus bei niedrigen Temperaturen supraleitenden Materialien. Dies bedeutet, daß der Kryostat in seinen Dimensionen vergrößert werden muß, da er sowohl die Hauptspulen als auch die aktiven Abschirmspulen aufnehmen muß. Die Verwendung eines größeren Kryostaten im System erhöht den Preis wie auch die Dimensionen für die MRI-Einrich­ tung. Beides sind entscheidende Nachteile derartiger MRI-Systeme.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für eine Ausführungsform vorliegender Erfindung. Ein erster Satz von Spulen 11 ist in Serie mit einer Energiespeisequelle (in der Figur nicht dargestellt) geschaltet. Damit verläuft der Strom in allen diesen Spulen in der gleichen Richtung wie in den Zeichnungen durch die Punkte im oberen Teil der Spulen 11 und die Kreuze "x" in der unteren Darstellung der Spulen 11 angedeutet. Diese Spulen bestehen üblicherweise aus klassischen, bei niedrigen Temperaturen supraleitenden Materialien. Der Strom in diesen Spulen erzeugt das Hauptmagnetfeld des MRI-Systems. Ein zweiter Satz von zwei Spulen 12a und 12b ist in Form von geschlossenen Schleifen aus supraleitendem Material dargestellt. Diese Spulen sind nicht mit einer Energiespeisequelle verbunden. Nach dem Lenz′schen Gesetz wird ein induzierter Strom im zweiten Satz von Spulen durch das Hauptmagnetfeld erzeugt; dabei erzeugen die Spulen 12a und 12b ein induziertes Ma­ gnetfeld, das in der Richtung entgegengesetzt zum Hauptmagnetfeld verläuft. Somit schwächt das induzierte Magnetfeld das Hauptmagnetfeld. Wegen der Lage des zweiten Satzes von Spulen 12 (radial) außerhalb der Hauptmagnetspulen wird das Magnetfeld (radial) innerhalb der Hauptmagnetspulen in wesentlich geringerem Maße geschwächt als das Hauptmagnetfeld außerhalb der Hauptspulen. Das Resultat ist eine entscheidende Schwächung des Streufeldes außerhalb des Hauptmagneten, wodurch die Fläche, die durch das Hauptmagnetfeld belastet wird, begrenzt wird.

Der zweite Satz von Spulen besteht aus einem supraleitendem Material, das theoretisch im Betrieb einen Widerstand Null hat. Dies bedeutet, daß der induzierte Strom nicht ab­ fällt, und daß die ersten und die zweiten Magnetfelder aufrechterhalten werden, während die Spulen im supraleitenden Betrieb arbeiten.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht der zweite Satz von induzierten Spulen aus bei hohen Temperatur supraleitenden Materialien (HTSC). Da bisher das Herstellen von Leitern und elektrischen Kontakten aus HTSC-Materialien noch nicht sehr weit gedie­ hen ist, wird eine unterschiedliche Konfiguration verwendet, wenn mit diesen Materialien gearbeitet wird. Anstelle von Spulen aus Draht, die eine geschlossene Schleife bilden, wird ein geschlossener Ring verwendet. Diese Ringe werden durch Sintern aus HTSC- Materialien hergestellt. Da solche Ringe durch induzierten Strom erregt werden, besteht keine Notwendigkeit, eine elektrische Energiequelle über elektrische Kontakte zu kop­ peln.

Die Verwendung von HTSC-Materialien für den zweiten Satz von Spulen hat verschiede­ ne zusätzliche Vorteile. Die induktiv gekoppelte Abschirmung reduziert die Abmessung des Kryostaten, insbesondere seinen Außendurchmesser, da es nicht mehr erforderlich ist, eine große Flüssighelium-Wanne zu verwenden, die zwei Niedrigtemperatur- Spulensysteme enthält, wie dies bei Verwendung anderer Abschirmungen notwendig ist, die aus bei niedrigen Temperaturen supraleitenden Materialien bestehen. Dadurch ist eine in den Dimensionen kleinere und wesentlich billigere Abschirmeinrichtung ausrei­ chend.

Andere Ausführungsformen der Erfindung weisen eine Kombination der induzierten Kopplungsabschirmung mit bekannten Abschirmungen auf. Ringe aus bei niedrigen Tem­ peraturen supraleitenden Materialien können zusätzlich zu ähnlichen Ringen verwendet werden, die aus bei hohen Temperaturen supraleitenden Materialien (HTSC) bestehen, um die Abschirmleistung des induktiv gekoppelten Magnetsystems zu verbessern. HTSC- Ringe können auch zusätzlich zu einer ferromagnetischen Abschirmung verwendet wer­ den, um die Leistung von inaktiven Abschirmungen zu verbessern.

In Fig. 5a ist ein Beispiel für Flußlinien 13 dargestellt, die von den Hauptspulen 11 eines 1,9 T Magneten erzeugt werden. Dies zeigt, daß das Magnetfeld in dem Magnetmittenbe­ reich 15 homogen ist. In Fig. 5b ist ein Beispiel für die Flußlinien aus den gleichen Hauptspulen dargestellt, wenn ein bei hohen Temperaturen supraleitender Ring 17 hin­ zugefügt wird. Das Resultat bei Hinzufügen der HTSC-Ringe ist ein geschwächtes Ma­ gnetfeld im äußeren Bereich 14.

Fig. 4 zeigt eine typische Anordnung des ersten Satzes von Spulen nach der Erfindung. Diese Anordnung weist drei Paare von Spulen 11a, 11b, 11c auf. Jedes Paar von Spulen ist symmetrisch in Bezug auf die Z = O Symmetrieebene des Magneten angeordnet. Die Dimensionen des Spulensystems sind:

Dabei bezeichnen A1, A2 die inneren und äußeren Radien der Spulen und Z1, Z2 die entsprechenden inneren und äußeren axialen Ränder der Spulen. Die Windungsdichte ist die Anzahl der Windungen pro Quadratzentimeter. Der Strom ist der in den Spulen flie­ ßende elektrische Strom, gemessen in Ampere.

Ein Paar von HTSC-Ringen, die in Fig. 4 nicht dargestellt sind, haben eine Breite von 10,00 cm und eine Dicke von 1,0 cm. Der innere Radius und der axiale Rand betragen 78,0 cm und 96,7 cm.

Wenn der Ring supraleitend ist, beträgt in diesem Ring die Stromdichte etwa 29 200 Ampere/cm². Die Stärke des Stromes, der in diesen Ringen fließt, ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die Ringe supraleitend und induktiv mit den Hauptspulen in der vorbe­ schriebenen Weise gekoppelt sind.

Das Vorhandensein des zweiten Spulensatzes muß in Betracht gezogen werden, wenn das gesamte System für die maximale magnetische Homogenität so ausgelegt ist wie bei MRI-Abbildungssystemen erforderlich.

Claims (17)

1. Einrichtung zur Magnetresonanzabbildung (MRI), gekennzeichnet durch

• a) einen ersten Satz von Spulen (11) mit mindestens einer Spule zum Erzeugen eines Magnetflusses (13) und zum Aufrechterhalten des Flusses als Hauptmagnetfeld der MRI-Einrichtung,
• b) eine Abschirmung für das Hauptmagnetfeld, das einen zweiten Satz von Spulen (12a, 12b) mit mindestens einer supraleitenden Abschirmspule aufweist, wobei der zweite Satz von Spulen durch induktive Kopplung von dem Hauptmagnetfeld erregt wird, und wobei die mindestens eine supraleitende Abschirmspule aus bei hoher Temperatur supraleitendem Material (HTSC) besteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Spule zur Erzeugung eines Magnetflusses einen ersten Satz von Spulen (11) aufweist, der mit ei­ ner Energiespeisequelle verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Satz von Spu­ len (12) konzentrisch zum ersten Satz von Spulen (11) angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz von Spulen (11) aus supraleitenden Materialien besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Satz von Spu­ len (12) mindestens eine Spule aufweist, die aus einem bei hohen Temperaturen supra­ leitendem Leiter in Form eines Ringes besteht.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine supralei­ tende Abschirmspule aus bei hohen Temperaturen supraleitenden Materialien besteht.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmspulen min­ destens einen Ring aufweisen.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz und die mindestens eine Abschirmspule so angeordnet sind, daß sie ein homogenes Magnet­ feld im interessierenden Volumen erzeugen.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Ab­ schirmspule mit einer passiven Abschirmung kombiniert ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Ab­ schirmspule mit einer aktiven magnetischen Abschirmung kombiniert ist.

11. Verfahren zum Abschirmen einer Magnetresonanz-Abbildungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein Magnetfluß erzeugt wird,
• b) der Magnetfluß als das Hauptmagnetfeld aufrechterhalten wird,
• c) ein Satz von bei hohen Temperaturen supraleitenden Spulen zur Abschirmung des Hauptmagnetfeldes verwendet wird, und
• d) die bei hohen Temperaturen supraleitenden Spulen durch induktives Koppeln der Spulen mit dem Hauptmagnetfeld erregt werden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines Ma­ gnetflusses die Verwendung eines ersten Satzes von supraleitenden, mit einer Netz­ speisequelle verbundenen Spulen und eines zweiten Satzes von induktiv gekoppelten supraleitenden Spulen umfaßt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der induktiv gekoppelte Satz von supraleitenden Spulen konzentrisch mit dem ersten Satz von Spulen ange­ ordnet ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der induktiv gekoppelte Satz von Spulen aus einem Hochtemperatur-Supraleiter in Form eines Ringes besteht.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der induktiv gekoppelte Satz von Spulen eine Mehrzahl von Ringen aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz von Spulen und der zweite Satz von Spulen so angeordnet werden, daß ein homogenes Magnet­ feld im interessierenden Volumen erzeugt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiv gekoppelten Spulen mit aktiven Magnetabschirmmethoden gekoppelt werden.