DE19519933A1

DE19519933A1 - Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule einer Magnetresonanzanlage

Info

Publication number: DE19519933A1
Application number: DE1995119933
Authority: DE
Inventors: Konrad Meier; Peter Massek; Herbert Salzburger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1996-12-05

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung mindestens einer Gradientenspule einer Magnetresonanzanlage, bei welchem Verfahren ein Trägerkörper mit der mindestens einen Spulenwicklung aus wenigstens einem elektrischen Leiter versehen wird und dieser Spulenaufbau bei Unterdruckverhält nissen mit einem aushärtbaren Kunststoff vergossen und einer Wärmebehandlung zur Aushärtung des Kunststoffes auf einer ge genüber Raumtemperatur erhöhten Umgebungstemperatur unterzo gen wird.

Anlagen zum Erzeugen von Schnittbildern eines zu untersuchen den Objektes, insbesondere eines menschlichen Körpers oder Körperteils, unter Anwendung magnetischer Kernresonanzen sind an sich bekannt. Hierbei wird der zu untersuchende Körper in ein starkes, homogenes Magnetfeld, das sogenannte Grundfeld, eingebracht, das in dem Körper eine Ausrichtung der Kernspins von Atomkernen, insbesondere von an Wasser gebundenen Wasser stoffatomkernen (Protonen), bewirkt. Mittels hochfrequenter Anregungspulse werden dann diese Kerne zu einer Präzessions bewegung angeregt. Nach dem Ende eines entsprechenden Anre gungspulses präzessieren die Atomkerne mit einer Frequenz, die von der Stärke des Grundfeldes abhängt, und pendeln sich dann aufgrund ihrer Spins nach einer vorbestimmten Relaxa tionszeit wieder in die durch das Grundfeld vorgegebene Vor zugsrichtung ein. Durch rechnerische und/oder meßtechnische Analyse der integralen, hochfrequenten Kernsignale kann be züglich einer Körperschicht aus der räumlichen Spindichte oder aus der Verteilung der Relaxationszeiten ein Bild er zeugt werden. Die Zuordnung des infolge der Präzessionsbewe gung nachweisbaren Kernresonanzsignals zum Ort seiner Ent stehung erfolgt durch Anwendung linearer Feldgradienten.

Hierzu werden entsprechende Gradientenfelder dem Grundfeld überlagert und so gesteuert, daß nur in einer abzubildenden Schicht eine Anregung der Kerne erfolgt. Eine auf diesen phy sikalischen Effekten basierende Bilddarstellung ist auch be kannt unter der Bezeichnung Kernspin-Tomographie oder Nuclear-Magnetic-Resonance-Tomography.

Eine z. B. aus der EP 0 073 402 A zu entnehmende Ausführungs form einer Anlage zur Kernspin-Tomographie enthält ein System aus Gradientenspulen, deren elektrische Leiter einen Hohlzy linder nachbilden, dessen Zylinderachse in z-Richtung eines rechtwinkligen x-y-z-Koordinatensystems mit dem Koordinaten ursprung im Zentrum eines Abbildungs- bzw. Untersuchungsbe reiches verläuft. In dieser Richtung erstreckt sich auch das magnetische Grundfeld B_z eines entsprechenden Grundfeldmagne ten. Zur Erzeugung eines in dem Abbildungsbereich wenigstens annähernd konstanten Feldgradienten G_z in Richtung des Grund feldes sind wenigstens zwei ringförmige, symmetrisch zur x-y-Ebene angeordnete Einzelspulen vorgesehen. Ferner enthält das Gradientenspulen-System zum Erzeugen eines im Abbildungsbe reich weitgehend konstanten Feldgradienten G_y in y-Richtung sowie eines entsprechenden Feldgradienten G_x in x-Richtung jeweils einen Satz von Paaren von sattelförmigen Einzelspu len. Die Paare sind jeweils symmetrisch zur x-y-Ebene, welche zugleich die Abbildungsebene eines herzustellenden Körper schnittbildes ist, angeordnet.

Die einzelnen Spulen eines derartigen Gradientenspulen-Sy stems müssen starr und unverrückbar auf mindestens einem hohlzylindrischen Trägerkörper aus einem nicht-magnetischen Material wie z. B. aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) angeordnet werden. Hierzu werden die Leiter der Gra dientenspulen auf der Außenseite und/oder der Innenseite des Trägerkörpers oder insbesondere im Zwischenraum zwischen zwei sich konzentrisch umschließenden, untereinander beabstandeten Trägerrohren provisorisch befestigt. Der so erhaltene Aufbau wird dann unter Unterdruck entgast, bevor er bei erhöhter Temperatur mit einem flüssigen, aushärtbaren Kunststoff, bei spielsweise einem entsprechenden Kunstharz, imprägniert wird. Unter Aufrechterhaltung des Unterdruckes wird dann der Aufbau einer Wärmebehandlung unterzogen, um so den Kunststoff aus zu härten.

Eine Variante der Kernspin-Tomographie ist das sogenannte "Echo-Planar-Imaging" (EPI), (vgl. Druckschrift der Siemens Medical Syst., Inc., Iselin, NJ (USA), mit dem Titel "Echo Planar Imaging: Two Dimensional Scanning in an Instant"). Diese Variante eröffnet den Bereich der Kurzzeit-Magnetreso nanz-Bilder eines zu untersuchenden Körpers. Dabei werden die für ein Schichtbild erforderlichen Daten innerhalb einer sehr kurzen Elementarpulsfolge von insbesondere etwa 60 ms aufge nommen. Dies ist z. B. für Herzaufnahmen besonders attraktiv. Die erforderliche schnelle Abtastung bedingt allerdings ver hältnismäßig hohe Gradientenfeldstärken von beispielsweise 40 mT/m statt der bisher üblichen maximalen 10 mT/m bei einer Betriebsfrequenz um 1 kHz. Entsprechende Feldverhältnisse sind mit bekannten Gradientenspulen nicht ohne weiteres zu realisieren. Bei einem EPI-Betrieb entsprechender Spulen werden nämlich verstärkt unerwünschte HF-Störsignale, soge nannte "Spikes", beobachtet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Verfahren mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß mit ihm für einen EPI-Betrieb geeignete Gradientenspulen zu erhalten sind, bei denen die Gefahr der Bildung solcher Spikes zumindest weitgehend auszuschließen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Wärmebehandlung zur Aushärtung des Kunststoffes der we nigstens eine elektrische Leiter als Widerstandsheizung mit tels eines in ihm fließenden Stromes derart betrieben wird, daß er sich zumindest in der Anfangsphase des Aushärtungs prozesses auf einer Leitertemperatur befindet, die höher als die Umgebungstemperatur des Spulenaufbaus ist.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gehen von der Erkenntnis aus, daß eine "Spikes"-freie Bildqualität einer Kernspinresonanz anlage direkt abhängig von der Qualität des Gradientenspulen vergusses ist. Aufgrund der Spulenbetriebsdaten mit Spannun gen im kV-Bereich bei einem Strom von bis zu 300 A und Fre quenzen um 1 kHz sind nämlich höchste isolationstechnische Anforderungen an den Spulenverguß zu stellen. Diese Forderun gen werden weiter verstärkt durch die Tatsache, daß zur Bild gewinnung kleinste hochfrequente Signale genutzt werden. Mit der erfindungsgemäßen Erwärmung der Leiter über die Umge bungstemperatur (außerhalb des Oberflächenbereichs des Lei ters) hinaus kann vorteilhaft erreicht werden, daß der zu nächst flüssige Kunststoff von der wärmeren Leiteroberfläche weg nach den auf Umgebungstemperatur liegenden, von der Ober fläche weiter entfernten Außenbereichen der Spule hin aushär tet. Es lassen sich so Poren- und Mikrorisse zumindest in der Umgebung der Leiter ausschließen, die als Ursache für die Spikes aufgrund von Glimmentladungen in den entsprechenden Hohlräumen angesehen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Deren einzige Figur zeigt ein Schema einer Imprägnieranlage zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Gradientenspule oder ein System von Gradientenspulen aus wenigstens einem elektrischen Leiter für eine Anlage zur Kernspintomographie zu erstellen. Als elektrischer Leiter kann beispielsweise ein Cu-Seilleiter aus einem Preßseil mit rechteckigem Querschnitt mit einer Vielzahl von Einzeldrähten verwendet werden. Die Wicklung der mindestens einen Spule wird auf wenigstens einem Trägerkörper provisorisch befestigt. Vorteilhaft wird der ge samte mechanische Aufbau so gestaltet, daß zumindest in Lei ternähe nur Spalte oder Freiräume verbleiben, deren größte Weite nicht mehr als 2 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,5 mm beträgt. Zu einem diesbezüglichen Ausfüllen der Hohlräume dienen besondere Zusatzkörper, beispielsweise formgefräste Füllstücke, die z. B. aus einem glasverstärkten Kunststoff (GFK) bestehen. Alle verwendeten Werkstoffe sollten vorteil haft dahingehend ausgewählt sein, daß sie in der Vakuumphase des Herstellungsverfahrens praktisch keine oder nur kleinste Ausgasungen verursachen. Für eine GFK-Qualität bedeutet dies, daß die DIN-Norm 7735 für GFK 2372.4 bzw. 2375.4 erfüllt sein muß (vgl. z. B. "isola" - Technische Information S-S1: Schichtpreßstoffe, Isola-Werke AG, Düren, DE). Eine minimale Ausgasung bedeutet, daß sich bei einem Verguß mit einem aus härtbaren, noch flüssigen Kunststoff (Imprägniermittel) bei vorgegebenen Druck- und Temperaturverhältnissen des Herstel lungsverfahrens in dem noch flüssigen Kunststoff praktisch keine Gasblasen bilden. Ferner sollten die Oberflächen der verwendeten Teile sauber und absolut fettfrei sein. Zweckmä ßig werden die Oberflächen von GFK-Teilen vor dem Reinigen durch Glasperlenstrahlen aufgerauht. Es sollte außerdem be sonders darauf geachtet werden, daß an Leiterverbindungen wie z. B. Lötkontakten alle Grate, Ecken und Kanten äußerst sauber verrundet sind.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel eines entsprechenden Gra dientenspulenaufbaus weist folgende Komponenten auf:

- Rohrförmiger Trägerkörper aus GFK 2375.4 (ca. Maße: Innendurchmesser: 630 mm; Außendurchmesser: 640; axiale Länge: 1100 mm)
- Sattelspulenformteile (Spacer) und Füllstücke aus GFK 2372.4
- Cu-Seilleiter mit lackisolierten Einzeldrähten
- Leiterisolation als Glasgewebe-Umbandelung oder Glasseiden-Umspinnung
- interne Leiterkontakte aus Cu-Litze; externe Leiterkontakte aus Massiv-Cu
- Isolation der internen Kontakte mit Trivolthermfolie (Kapton zwischen Glasseide)
- Kaptonband nur an wenigen diskreten Stellen (bei geschädig ter Leiterisolation)
- Spannbänder aus Polyamid bzw. Polyester
- Lagenisolation aus Glasseidengewebe, mehrlagig überlappt gewickelt
- Außenbandgage aus Glasseidengewebe, mehrlagig überlappt gewickelt.

Der Aufbau aus Trägerkörper mit der mindestens einen Gradien tenspulenwicklung wird zu einer Gießform vervollständigt, in dem er beispielsweise von einer äußeren Hülle umgeben wird. Außerdem wird an den Stirnseiten der mit dem Imprägniermittel auszugießende Zwischenraum zwischen der Hülle und dem Träger körper beispielsweise mittels entsprechender Flansche abge schlossen, die lediglich Öffnungen für das Einleiten und Überlaufen des zu verwendenden aushärtbaren Kunststoffes und für elektrische Anschlüsse des mindestens einen elektrischen Leiters der wenigstens einen Gradientenspulen besitzen.

In der Figur ist eine entsprechende Anlage zur Imprägnierung einer Gradientenspule unter Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen angedeutet. Es sind bezeichnet mit 2 die Impräg nieranlage, 3 ein Vakuum-Druck-Kessel, 4 eine elektrische Heizung um den Kessel, 5 eine Gießform, 6 eine Gradientenspu lenwicklung, 7 ein stirnseitiger Endflansch der Gießform, 8 ein Mischgefäß, 9 eine Heizvorrichtung um das Mischgefäß, 10 einen Behälter zur Aufnahme eines Vorrat es an flüssigem, aus härtbarem Kunststoff bzw. eines Gießharzes, 11 der Gießharz vorrat, 12 eine Rührvorrichtung für den Gießharzvorrat, 13 eine Vakuumpumpe, 14 bis 18 Vakuumstellventile, 19 eine Füh rungsleitung für das Gießharz, 20 ein Harzeinlauf an der Gießform, 21 ein Ventil zur Steuerung des Harzdurchflusses, 22 bin Harzauffangreservoir und 23 bis 25 Druckmeßeinrich tungen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorteilhaft die folgenden Verfahrensschritte vorgesehen:

1) Vor einem Verguß mit einem aushärtbaren Kunststoff wird der Spulenaufbau einer Entgasungsbehandlung unterzogen. Hierzu wird die Gießform 5 mit der in ihr befindlichen Spulenwicklung 6 in den Kessel 3 eingebracht und bei einem Unterdruck p1 mittels der Heizvorrichtung 4 bei einer Tem peratur T1 ausgeheizt. Beispielsweise wird die Entga sungsbehandlung bei T1=85°C und p1=0,1 mbar ein bis zwei Tage lang durchgeführt.
2) Der noch flüssige, aushärtbare Kunststoff wird ebenfalls einer Entgasungsbehandlung unterzogen. Hierzu werden die Komponenten des als aushärtbaren Kunststoff vorgesehenen Gießharzes 11 in dem Mischgefäß 8 beispielsweise bei einer Temperatur T2 von 70°C mittels der Heizvorrichtung 9 vor geheizt, mittels der Rührvorrichtung 12 gemischt und bei einem Unterdruck p2 von beispielsweise unter 1 mbar ent gast. Für einen dichten Wicklungs- bzw. Spulenaufbau wird vorteilhaft ein reines, ungefülltes Imprägnierharz verwen det. Es läßt sich somit die Gefahr, daß Partikel eines Füllstoffes des Imprägnierharzes kleinste Spalte abschlie ßen und es dadurch zu einer Mikro-Lunkerbildung kommt, von vorn herein ausschließen. Als ein entsprechendes Impräg nierharz kann beispielsweise ein Harzsystem (mit dem Mar kennamen Araldit-Gießharzsystem) der Firma "CIBA GEIGY" mit folgender Zusammensetzung vorgesehen werden:
- - Bisphenol A Epoxidharz, Typ FRL: 100 Gew.-Teile
- - Härter, Typ HY905CR: 100 Gew.-Teile
- - Flexibilisator, Typ DY 040: 20 Gew.-Teile
- - Beschleuniger, Typ DY 073: 0,4 Gew.-Teile.
3) Nach der Entgasungsbehandlung der Spulenwicklung bzw. der Gießform 5 wird vorteilhaft der Druck in der Kammer 3 so weit erhöht, daß bei dem sich anschließenden Vergußvorgang der Spulenwicklung eine Ausgasung des Imprägniermittels unterbunden wird. Ein Unterdruck p3 von mindestens 1 mbar, beispielsweise von 3 mbar, ist vorteilhaft. Außerdem wird mittels der Heizvorrichtung 4 eine gegenüber Raumtempera tur erhöhte Umgebungstemperatur T_u (= Innentemperatur des Kessels 3) von beispielsweise 80°C eingestellt.
4) Der oder die Leiter der Spulenwicklung 6 werden zumindest in einer Anfangsphase des Aushärtungsprozesses während we nigstens einer Stunde als eine Widerstandsheizung betrie ben. Hierzu wird durch sie ein solcher Strom I_h hindurch geleitet, daß sie auf einer gegenüber der Umgebungstempe ratur T_u vergleichsweise höheren Temperatur T_h liegen. Vorteilhaft wird der Heizstrom I_h so eingestellt, daß sich an den Leitern eine Heiztemperatur T_h ergibt, die um 3 bis 20°C, vorzugsweise 5 bis 15°C höher als die Umgebungstem peratur T_u ist. Die Temperaturmessung bezüglich des Lei ters erfolgt indirekt über die Messung der Verlustleistung über die Leiterlänge. Daneben sind auch spezielle Tempera turfühler anwendbar.
5) Das flüssige Gießharz wird dann aus dem Mischgefäß 8 über die Führungsleitung 19 in die Gießform 5 an dem Harzein lauf 20 eingeleitet, indem in dem Mischgefäß 8 ein gegen über dem Druck p3 in dem Kessel 3 vergleichsweise höherer Druck p4 von beispielsweise 200 mbar eingestellt wird. Der Vergußraum der Gießform 5 wird mit soviel Gießharz über flutet, bis sich das an der höchsten Stelle der Spulen wicklung 6 über die gesamte axiale Länge der Wicklung ver laufende Harzauffangreservoir 22 zumindest teilweise ge füllt hat.
6) Am Ende des Vergießvorganges wird vorteilhaft der Innen druck in dem Kessel 3 auf einen höheren Druck p4 von min destens 1 bar, beispielsweise von 3 bar, erhöht, um so eine sichere Ausfüllung eventuell noch vorhandener Hohl räume an der Wicklung 6 durch das Gießharz zu gewährlei sten. Eventuell vorhandene Mikro-Gasbläschen werden noch mals um einen hohen Faktor wie z. B. etwa 4000 verkleinert; oder sie werden vom flüssigen Harz absorbiert. Da während dieser Aushärtungsphase des Gießharzes an dem Leiter eine vergleichsweise höhere Temperatur T_h < T_u aufgrund der Widerstandsheizung der Leiter eingestellt ist, wird vor teilhaft die Entstehung von Mikroschrumpfrissen zumindest in Leiternähe verhindert, indem die Aushärtungsreaktion am Leiter beginnt und damit von innen nach weiter außenlie genden Bereichen abläuft. Zugleich ist der in dieser Aus härtungsphase wichtige Harznachschub zum Schrumpfungsaus gleich sichergestellt, weil an den vergleichsweise kälte ren Spulenaußenbereichen noch flüssige Harzreserven zur Verfügung stehen. Die Aushärtezeit beträgt beispielsweise mindestens 12 Stunden. Danach ist das Gießharz hinreichend fest, so daß sich dann eine Belüftung des Kessels 3 vor nehmen läßt.
7) Es kann sich noch eine weitere Aushärtungsphase der Spu lenwicklung in dem Kessel oder in einem anderen Ofen ohne Widerstandsheizung der Wicklung anschließen, beispielswei se bei 90° vier Stunden lang, dann bei 100° drei Stunden lang und schließlich bei 110° zehn Stunden lang. Während dieser Phase sind Normaldruckverhältnisse vorgesehen.
8) Nach einer Abkühlungsphase wird die Gießform 5 zerlegt, wobei gegebenenfalls auch der Trägerkörper der Spulenwick lung entfernt werden kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung mindestens einer Gradientenspule einer Magnetresonanzanlage, bei welchem Verfahren ein Träger körper mit der mindestens einen Spulenwicklung aus wenigstens einem elektrischen Leiter versehen wird und dieser Spulenauf bau bei Unterdruckverhältnissen mit einem aushärtbaren Kunst stoff vergossen und einer Wärmebehandlung zur Aushärtung des Kunststoffes auf einer gegenüber Raumtemperatur erhöhten Um gebungstemperatur unterzogen wird, dadurch ge kennzeichnet, daß bei der Wärmebehandlung zur Aushärtung des Kunststoffes der wenigstens eine elektrische Leiter als Widerstandsheizung mittels eines in ihm fließenden Stromes (I_h) derart betrieben wird, daß er sich zumindest in der Anfangsphase des Aushärtungsprozesses auf einer Leiter temperatur (T_h) befindet, die höher als die Umgebungstempe ratur (T_u) des Spulenaufbaus (6) ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Leitertemperatur (T_h) einge stellt wird, die 3 bis 20°C, vorzugsweise 5 bis 15°C, über der Umgebungstemperatur (T_u) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem Vergußvorgang mit dem aushärtbaren Kunststoff an dem wenigstens einen Leiter beim Aufbau der Spule ausgebildete, dem aushärtbaren Kunststoff zugängliche Hohlräume mittels Zusatzkörpern derart ausgefüllt werden, daß für den Kunststoff nur Resträume mit einer größ ten Weite von höchstens 2 mm verbleiben.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß vor dem Ver gußvorgang mit dem aushärtbaren Kunststoff der Spulenaufbau (6) einer Entgasungsbehandlung unterzogen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß vor dem Ver gußvorgang der aushärtbare Kunststoff (11) einer Entgasungs behandlung unterzogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß während des Vergußvorganges der Spulenaufbau (6) auf einem Druck (p3) von mindestens 1 mbar gehalten wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß während der Anfangsphase des Aushärtungsprozesses mit der erhöhten Lei tertemperatur (Th) der mit dem Kunststoff vergossene Spulen aufbau (6) auf einem Druck (p4) von mindestens 1 bar gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß sich der Anfangsphase des Aushär tungsprozesses eine weitere Phase des Aushärtungsprozesses bei Normaldruck anschließt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß nach dem Aus härtungsprozeß des Kunststoffes der Trägerkörper wieder ent fernt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß als aushärt barer Kunststoff ein ungefülltes Gießharz vorgesehen wird.