DE19525322C1 - Therapietomograph mit Homogenisierungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kernspinresonanz (NMR)-Tomogra­ phen mit einer supraleitenden Hauptfeldspule zur Erzeugung eines statischen, homogenen Magnetfeldes im Untersuchungsvo­ lumen des Kernspintomographen, dessen Zentrum mit einem Ko­ ordinatenursprung eines kartesischen x-, y-, z-Koordinaten­ systems zusammenfällt, mit einem Paar untereinander gleicher äußerer Feldspulen, die auf einer gemeinsamen Achse (z) mit einem axialen Abstand (g₁) zueinander angeordnet sind, sowie mit einem Paar innerer, mit den äußeren Feldspulen koaxialer Feldspulen, die ebenfalls untereinander gleich sind, wobei beide Spulenpaare symmetrisch zu einer zentralen, zur ge­ meinsamen Achse (z) senkrecht verlaufenden Mittelebene (E) angeordnet sind, wobei der axiale Abstand (g₁) der äußeren Feldspulen zwischen 1/4 und 3/4, vorzugsweise 1/2 des Innen­ durchmessers (d_a2) der äußeren Feldspulen beträgt, wobei der axiale Abstand (g₂) der inneren Feldspulen geringfügig, d. h. um bis zu 15% unterschiedlich gegenüber dem axialen Abstand (g₁) der äußeren Feldspulen ist, wobei - im Betrieb der Hauptfeldspule - die Stromrichtung in den inneren Feldspulen zu derjenigen in den äußeren Feldspulen entgegengesetzt ge­ richtet ist, wobei eine axiale Raumtemperaturbohrung, die sich in Richtung des homogenen Magnetfeldes erstreckt, und eine transversale Zugangsöffnung, die sich quer zur Richtung des homogenen Magnetfeldes erstreckt, vorgesehen ist, und mit einer Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes.

Ein solcher NMR-Tomograph ist beispielsweise bekannt aus der DE 39 07 927 A1.

Der Hauptfeldmagnet des bekannten Tomographen besteht aus einer Doppelhelmholtz-Spulenanordnung mit gegenläufiger Strombeschickung. Ein derartiges NMR-Tomographiemagnetsystem ermöglicht es, mit vergleichsweise geringen axialen und ra­ dialen Abmessungen sowie verhältnismäßig geringem Gesamtge­ wicht einen Zugang zum Untersuchungsvolumen aus mehreren verschiedenen Richtungen freizulassen, wobei die Anordnung auch weitgehend unanfällig gegen Wirbelstromeffekte ist, die beim Schalten der in der Tomographie notwendigen Feldgradi­ enten entstehen können. Insbesondere transversale Zugang­ söffnungen zum Untersuchungsvolumen sind schon deshalb be­ sonders wichtig, damit Klaustrophobieprobleme bei den in dem Tomographen zu untersuchenden Patienten gar nicht erst ent­ stehen bzw. stark abgemildert werden. Außerdem erfordern zahlreiche Therapiemaßnahmen, wie z. B. chirurgische, insbe­ sondere mikrochirurgische Eingriffe oder Bestrahlungen, die mit dem Tomographiegerät unmittelbar verfolgt und kontrol­ liert werden sollen, einen möglichst freien axialen und transversalen Zugang zum Patienten.

Andererseits sollen die mit einem derartigen Therapietomo­ graphen herstellbaren NMR-Schnittbilder eine möglichst hohe Auflösung und ein möglichst hohes Signal-zu-Rausch-Verhält­ nis aufweisen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß das von der Hauptfeldspule erzeugte statische Magnetfeld im Un­ tersuchungsvolumen eine möglichst hohe Homogenität besitzt.

Ein zweckmäßiges mathematisches Hilfsmittel zur Beschreibung der Inhomogenitäten in einem Bereich um das Symmetriezentrum eines Magnetsystems stellt eine Entwicklung des Feldes nach Kugelflächenfunktionen dar. Bei NMR-Tomographen dominiert nur die axiale, d. h. die z-Komponente. Es gilt allgemein:

Bei idealen rotationssymmetrischen Anordnungen verschwinden auch alle Terme in der Summe, die zu nicht-rotationssymme­ trischen Feldkomponenten gehören, d. h. alle Terme mit m = 0. In der üblichen Nomenklatur werden derartige Terme als "tes­ serale" Terme bezeichnet, während Terme, die zu m = 0 gehö­ ren, als "zonale" Terme bezeichnet werden.

Bei einer darüber hinaus spiegelsymmetrischen Anordnung ver­ schwinden außerdem alle Amplituden A_n0 mit ungeradem Wert von n. Bei Spulenanordnungen wie der in der eingangs zitier­ ten DE 39 07 927 A1 beschriebenen verschwinden zudem alle Terme mit n < 8. Dann ergibt sich für das homogene Magnet­ feld in z-Richtung der folgende Ausdruck:

Speziell entlang der z-Achse erhält man bei der Doppelhelm­ holtz-Anordnung mit gegenläufigen Strömen

B_z = A₀₀ + A₈₀ z⁸ + A_10,0 z¹⁰ + . . . (3)

A₀₀ ist das gewünschte homogene Feld. Die übrigen Summanden stellen bei dieser Spulenanordnung selbst bei idealer Bau­ weise unvermeidlich Feldstörungen dar, die bei z- bzw. r-Werten von 20 cm vom Symmetriezentrum relative, d. h. auf A₀₀ bezogene Größen von etwa 10 ppm annehmen. Für kleinere z- bzw. r-Werte sind die Störungen wegen der zⁿ-Abhängigkeit (n 8) in der Regel viel kleiner, so daß innerhalb eines kugelförmigen Volumens um das Symmetriezentrum mit einem Durchmesser von etwa 40 cm nur noch Feldstörungen unterhalb von 10 ppm auftreten und damit hochwertige NMR-Abbildungs­ verfahren möglich werden.

Durch mechanische Toleranzen bei der Herstellung der Spulen­ körper sowie durch die prinzipielle helixförmige statt ide­ al-rotationssymmetrische Form der Windungen der Hauptfeld­ spule erhält man Abweichungen von diesem idealen Verhalten, die sich in nicht-verschwindenden Störamplituden A_nm, B_nm mit n < 8 und m 0 widerspiegeln. In der Praxis muß man diese Störamplituden experimentell durch Messungen ermitteln und mit Hilfe von supraleitenden oder resistiven Zusatzspu­ len oder strategisch günstig plazierten, z. B. in der Bohrung der Magnetspule angebrachten Eisenstücken kompensieren.

Eine derartige Kompensation ist unter dem Fachbegriff "Shi­ men" bekannt. In der DE 35 11 303 A1 beispielsweise sind su­ praleitende Shim-Spulen beschrieben. Die Verwendung von fer­ romagnetischen Shim-Platten ist z. B. aus der DE-OS 17 64 564 bekannt.

Bei einem Therapietomographen mit seitlich und axial offenem Spulensystem, das sowohl einen transversalen als auch einen axialen Zugriff auf das Untersuchungsvolumen erlaubt, ergibt sich gegenüber einem herkömmlichen Tomographen die Schwie­ rigkeit, daß in dem gesamten Bereich der seitlichen Zugang­ söffnung weder eine Bahrung zum Befestigen von Eisenstücken noch ein anderer Tragekörper zum Befestigen von supraleiten­ den oder resistiven Korrekturspulen zur Verfügung steht. Da­ mit gibt es erhebliche Einschränkungen für die Plazierung von Shim-Elementen. Bestimmte Typen von Feldstörungen können deshalb nicht mehr ohne weiteres kompensiert werden. Der bei klassischen Systemen bevorzugte Anbringungsart für derartige Shim-Elemente im Mittelbereich in Nähe des Homogenitätsvolu­ mens befindet sich bei den oben beschriebenen Therapie-Sy­ stemen im Bereich des transversalen Zugangs und darf deshalb nicht verbaut werden.

Darüber hinaus muß bei allen supraleitenden Korrektur-Spulen darauf geachtet werden, daß sie nicht induktiv mit der su­ praleitenden Hauptfeldspule koppeln. Ansonsten würde bei­ spielsweise eine zeitliche Drift des von der Hauptfeldspule erzeugten homogenen Magnetfelds zu einem Umladen der Korrek­ turspulen führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen NMR-Tomographen der eingangs genannten Art vorzustellen, bei dem eine Homogenisierung des Hauptmagnetfelds ohne eine Behinde­ rung des axialen oder des transversalen Zugangs zum Untersu­ chungsvolumen ermöglicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des stati­ schen Magnetfeldes folgende Elemente umfaßt:

• - ferromagnetische Homogenisierungselemente, vorzugswei­ se Plättchen, die an solchen vorgegebenen Positionen auf der Oberfläche der Raumtemperaturbohrung beider­ seits der transversalen Zugangsöffnung angebracht sind, daß mindestens eine Komponente der tesseralen Feldstörungen der Typen Anm mit n = 1 bis 3, vorzugs­ weise n = 1 bis 6, und m = 1 bis n kompensiert wird,
• - mindestens eine bis höchstens drei (Anzahl p) su­ praleitende, separat mit Strom beschickbare Kor­ rekturspulen (C₁ bis C_p) koaxial zur Hauptfeld­ spule, wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C_p) aus mindestens zwei Teilspulen (C_1i, C_1a bis C_pi, C_pa) besteht, die bei Betrieb von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden, wobei alle Teilspulen aller Korrekturspulen zur gemein­ samen Achse (z) koaxiale Zylinderspulen mit einem Durchmesser von weniger als dem Innendurchmesser (d_a2) der äußeren Feldspulen sind, wobei in jeder Korrekturspule (C₁ bis C_p) jeweils eine Teilspule (C_1i bis C_pi) einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene (E) hat, der im wesentlichen gleich dem Abstand des radial inneren Feldspulen­ paares von der Mittelebene ist, so daß sich diese Teilspulen in einem axialen Bereich g₂/2|z|g₂/2+b erstrecken, und wobei jede Kor­ rekturspule (C₁ bis C_p) jeweils mindestens eine zweite Teilspule (C_1a bis C_pa) mit umgekehrter Stromrichtung besitzt, die einen größeren axialen Abstand von der Mittelebene (E) als das radial innere Feldspulenpaar hat.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch An­ bringen von Eisen auf dem Innenzylinder außerhalb des mitt­ leren Bereichs, wo sich die seitliche Zugriffsöffnung befin­ det, eine gleichzeitige Kompensation aller tesseralen und zonalen Störterme nicht möglich ist. Wohl aber ist eine vollständige Kompensation aller tesseralen Terme allein zu­ mindest bis zur 6. Ordnung (n = 1 bis 6; in = 1 bis n) mög­ lich. Dafür entstehen aber zusätzliche zonale Störterme, insbesondere A₂₀, A₄₀, A₆₀, die aber relativ klein gehalten werden können. Das Lösungsprinzip der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sämtliche tesserale Terme bis zur 6. Ord­ nung durch ferromagnetische Homogenisierungselemente auf dem Innenzylinder der Raumtemperaturbohrung außerhalb des mitt­ leren Bereichs (Zugriffsöffnungen) kompensiert werden, wäh­ rend alle verbleibenden zonalen Störterme durch spezielle supraleitende Korrekturspulen, die gemeinsam mit den supra­ leitenden Hauptfeldspulen in einem Helium-Kryostaten unter­ gebracht sind, korrigiert werden.

Aus der nachveröffentlichten DE 44 16 907 C1 ist ein NMR-Tomograph bekannt, der sich von dem erfindungsgemä­ ßen dadurch unterscheidet, daß mindestens vier supra­ leitende Korrekturspulen vorgesehen sind. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bereits eine bis drei Kor­ rekturspulen zur Kompensation von Inhomogenitäten aus­ reichen.

Bei einer Ausführungsform sind die Windungszahlen aller Teilspulen einer Korrekturspule so gewählt, daß die Gegenin­ duktivität zwischen der Hauptfeldspule und der Korrekturspu­ le verschwindet. Auf diese Weise wird eine Kopplung zwischen Hauptfeldspule und Korrekturspulen völlig vermieden. Daher entsteht kein Umladen der Korrekturspulen bei einer eventu­ ellen Drift der Hauptfeldspule, und eine Gefahr der Zerstö­ rung von supraleitenden Korrekturspulen im Falle eines Quen­ ches des supraleitenden Spulensystems wird abgewendet.

Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weisen alle Teilspulen der Korrekturspulen, die der Mittelebene (E) am nächsten benachbart sind, einen größeren Innendurchmesser auf als der Außendurchmesser d_i1 des inneren Feldspulenpaa­ res. Dies führt zu besonders hohen Amplituden des erzeugten Korrekturfeldes.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgese­ hen, daß bei mindestens einer Korrekturspule die der Mittel­ ebene nähere Teilspule einen größeren Innendurchmesser, die der Mittelebene entferntere Teilspule einen kleineren Innen­ durchmesser hat.

Auch mit dieser Maßnahme können besonders hohe Korrekturfeld­ amplituden erreicht werden.

Noch höhere Amplituden des erzeugten Korrekturfeldes werden bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform erhalten, bei der der Innendurchmesser der der Mittelebene entfernteren Teilspule der weiteren Korrekturspule ungefähr gleich dem Innendurchmesser d_i2 der inneren Feldspulen ist.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgese­ hen, daß bei mindestens einer Korrekturspule die beiden Teilspulen näherungsweise denselben Innendurchmesser besit­ zen.

Bei einer fertigungstechnisch besonders einfachen, kompakten Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Tomographen ist vorgesehen, daß die der Mittelebene näheren Teilspulen der Korrekturspulen in einer gemeinsamen Wickelkammer eines Spu­ lenträgers zusammen mit der jeweiligen inneren Feldspule und die der Mittelebene ferneren Teilspulen der Korrekturspulen in einer weiteren gemeinsamen Wickelkammer des Spulenträgers untergebracht sind.

Die ferromagnetischen Homogenisierungselemente können bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Tomographen zumindest teilweise durch ein zusätzliches System supralei­ tender Korrekturspulen in Form von Sattelspulen ersetzt sein, die etwa auf dem Radius der inneren Feldspulen ange­ ordnet sind. Dadurch wird ein bisweilen mühsames experimen­ telles Lokalisieren der Anbringungsorte der Homogenisie­ rungselemente durch ein einfacheres Experimentieren mit den zusätzlichen Korrekturströmen in den Sattelspulen ersetzt.

Bei einer alternativen Ausführungsform schließlich sind die ferromagnetischen Homogenisierungselemente Permanentmagnete. Hierdurch läßt sich die Richtung der Magnetisierung relativ zur Feldrichtung frei wählen, so daß zusätzliche, bessere Möglichkeiten zur Kompensation von Feldstörungen gegeben sind.

Bei dem erfindungsgemäßen NMR-Tomographen können auch zu­ sätzliche Raumtemperatur-Shim-Systeme zum Eliminieren von Feldstörungen des Typs A₁₀, A₁₁ und B₁₁ sowie A₂₀ vorgesehen sein. Damit wird überdies ein weiterer Freiheitsgrad gegen­ über einem System von ausschließlich supraleitenden, im Kurzschlußverfahren betriebenen Shimspulen erreicht.

Insbesondere Feldstörungen des Typs A₁₁ und B₁₁ können durch einen schwachen Gleichstromanteil in einem x-, y-Gradienten­ spulensystem nach den Fig. 8, 9a und 9b sowie der zugehöri­ gen Beschreibung der DE 42 30 145 A1, auf die hier vollin­ haltlich Bezug genommen wird, behoben werden. Statt dessen können allerdings auch weitere Shim-Spulen vorgesehen sein, die einen entsprechenden räumlichen Aufbau aufweisen wie die in der DE 42 30 145 A1 beschriebenen Gradientenspulen.

Eine Korrektur von Feldstörungen des Typs A₁₀ kann durch ein abgeschirmtes z-Gradientenspulensystem gemäß der DE 42 30 145 A1 eliminiert werden, das die Merkmale der Ansprüche 14 und 15 der genannten Offenlegungsschrift verwirklicht.

Feldstörungen von Störtermen des Typs A₂₀ schließlich können durch vier koaxial zur z-Achse gewickelte Luftspulen kompen­ siert werden, die entweder an der Innenwand der Raumtempera­ turbohrung oder an der Innenseite einer transversalen Zu­ gangsöffnung positioniert sind.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merk­ male erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehre­ ren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die ge­ zeigten beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als ab­ schließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an­ hand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Hauptfeldmagnetsystem mit transversaler Zu­ griffsmöglichkeit nach dem Stand der Technik in vereinfachter, schematischer Schnittdarstellung in einer die zentrale Längsachse z des Magnetsystems enthaltenden Radialebene;

Fig. 2 eine perspektivische Gesamtansicht des erfindungs­ gemäßen NMR-Tomographen mit zugehörigem Kryostaten für eine supraleitende Hauptfeldmagnetspule;

Fig. 3 einen Schnitt durch die seitliche Zugriffslücke des in Fig. 2 dargestellten Systems mit Blick auf die Patientenbohrung einer der beiden Hauptspulen­ hälften und darin angebrachten Shim-Plättchen; und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung des NMR-Tomographen, gemäß der nachveröffentlichten DE 44 16 907 C1 mit vier supraleitenden Korrekturspulen in einer die zentrale Längsachse z des Magnetsystems enthaltenden Radi­ alebene.

Das in der Fig. 1 dargestellte Hauptfeldspulensystem 10 um­ faßt ein äußeres Paar von Wicklungen bzw. Feldspulen 1a und 1b sowie ein inneres Paar von Wicklungen bzw. Feldspulen 2a und 2b, welche entlang einer gemeinsamen zentralen Achse z koaxial und bezüglich einer zentralen Quermittelebene E, welche rechtwinklig zu der zentralen Achse verläuft, insge­ samt symmetrisch angeordnet sind. Die äußeren Wicklungen 1a und 1b sowie die inneren Wicklungen 2a und 2b sind auf einen insgesamt mit 3 bezeichneten Spulenkörper aufgewickelt, wel­ cher zwei Tragringe 3a und 3b umfaßt, welche die jeweils einseitig von der Quermittelebene E angeordnete äußere und innere Wicklung 1a und 2a bzw. 1b und 2b tragen. Diese Trag­ ringe 3a und 3b des Spulenkörpers 3 haben je ein äußeres, gemäß der Darstellung der Fig. 1 nach außen offenes, durch rechtwinklig aneinander anschließende Profilschenkel be­ grenztes U-Profil 4a bzw. 4b, durch deren in axialer Rich­ tung gemessene lichte Breite B und durch deren in radialer Richtung gemessene Tiefe (d_a1-d_a2)/2 die rechteckige Quer­ schnittsfläche von Wickelkammern 5a bzw. 5b bestimmt ist, die von den Windungen der äußeren Feldspulen 1a bzw. 1b in dichtestmöglicher Packung eingenommen werden, wobei mit d_a1 der Außendurchmesser und d_a2 der Innendurchmesser der äuße­ ren Wicklungen 1a bzw. 1b bezeichnet sind.

Des weiteren haben die Tragringe 3a und 3b je ein inneres, gemäß der Darstellung der Fig. 1 ebenfalls nach außen offe­ nes, durch rechtwinklig aneinander anschließende Profil­ schenkel begrenztes U-Profil 6a bzw. 6b, durch deren in axialer Richtung gemessene lichte Breite b und deren in ra­ dialer Richtung gemessene Tiefe (d_i1-d_i2)/2 die - ebenfalls rechteckige - Querschnittsfläche von Wickelkammern 7a bzw. 7b bestimmt ist, die von den Wicklungen der inneren Feldspu­ len 2a bzw. 2b - in dichtestmöglicher Packung - eingenommen wird, wobei mit d_i1 der Außendurchmesser und d_i2 der Innen­ durchmesser der inneren Wicklungen 2a bzw. 2b bezeichnet sind. Die Tragringe 3a und 3b der beiden Teilspulenpaare werden zweckmäßig aus separaten Teilringen 3a₁ und 3a₂ bzw. 3b₁ und 3b₂ zur Aufnahme je einer Wicklung 1a und 2a bzw. 1b und 2b gebildet. Nach dem Wickeln der Wicklungen werden die Teilringe zu je einem Tragring 3a bzw. 3b zusammengebaut und fest miteinander verbunden. Die solchermaßen gebildeten Tragringe 3a und 3b werden ihrerseits durch Längsbalken 8 fest miteinander verbunden, wobei, wie nicht eigens darge­ stellt, der axiale Abstand der Tragringe 3a und 3b justier­ bar ist.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbei­ spiel umfaßt der Spulenkörper 3 drei solcher Längsbalken, die symmetrisch zu der durch die Zeichenebene markierten, die zentrale Achse z des Magnetsystems 10 enthaltenden Längsmittelebene angeordnet sind und dabei, entlang der senkrechten Achse gesehen, in gleichen Winkelabständen - axialsymmetrisch - um die Achse gruppiert sein können. Durch die Balken 8 werden die axialen Kräfte aufgefangen, welche die Wicklungen 1a und 1b sowie 2a und 2b im stromdurchflos­ senen Zustand des Magnetsystems aufeinander ausüben. Der axiale Abstand g₁, in dem die äußeren Wicklungen 1a und 1b voreinander angeordnet sind, kann bei dem Magnetsystem 10 zwischen 1/4 und 3/4 des inneren Spulendurchmessers d_a2 der äußeren Feldspulen 1a bzw. 1b variieren, wobei ein bevorzug­ ter Wert dieses Abstandes g₁ bei etwa der Hälfte dieses in­ neren Spulendurchmessers d_a2 liegt.

Der axiale Abstand g₁, in welchem die beiden Wicklungen 1a und 1b des äußeren Spulenpaares voneinander angeordnet sind, kann zwischen 1/4 und 3/4 des inneren Durchmessers d_a2 des äußeren Spulenpaares 1a, 1b betragen und ist in spezieller Gestaltung dieses Spulenpaares etwa, d. h. mit einer Abwei­ chung von ± 10% halb so groß wie der innere Spulendurchmes­ ser d_a2. Damit liegen die Schwerpunkte der Querschnitte der Wicklungen 1a und 1b (axial (g₁ + B)/2, radial (d_a1 + d_a2)/2) axial weiter auseinander als bei einer Helmholtz-An­ ordnung dieses Wicklungspaars.

Das innere Spulenpaar 2a, 2b ist hinsichtlich seiner charak­ teristischen Abmessungen - Außendurchmesser d_i1 und Innen­ durchmesser d_i2 - kleiner als das äußere Spulenpaar 1a, 1b, wobei seine Wicklungsdichte dem Betrag nach derjenigen des äußeren Spulenpaares gleich ist. Bei Bedarf kann die Wick­ lungsdichte abweichend gewählt werden.

Der axiale Abstand g₂ der inneren Wicklungen 2a und 2b ist mit einer Abweichung von maximal 15% gleich dem axialen Ab­ stand g₁ der äußeren Wicklungen 1a und 1b und beim darge­ stellten, speziellen Ausführungsbeispiel geringfügig kleiner als der axiale Abstand g₁ der äußeren Wicklungen 1a und 1b, so daß die axiale lichte Weite zwischen den beiden Wicklun­ gen 2a und 2b ähnlich derjenigen zwischen den beiden äußeren Wicklungen 1a und 1b ist.

Der im Betrieb des Magnetsystems 10 durch das innere Paar von Wicklungen 2a, 2b fließende Strom ist, der Richtung nach, demjenigen entgegengesetzt, der durch das äußere Paar 1a, 1b fließt, so daß die von den beiden Wicklungspaaren 1a, 1b und 2a, 2b erzeugten Magnetfelder einander entgegenge­ setzt sind, wobei die Windungszahlen der äußeren Wicklungen 1a und 1b zu den Windungszahlen der inneren Wicklungen 2a und 2b - die gleiche Stromstärke in den Wicklungen 1a und 1b sowie 2a, 2b vorausgesetzt - im Verhältnis von etwa 4/1 zu­ einander stehen, wobei dieses Verhältnis innerhalb einer Marge von ± 20% variieren kann.

Durch geeignete Wahl der Stärke der Ströme, welche durch die beiden Wicklungspaare 1a, 1b sowie 2a, 2b fließen, läßt sich ein statisches Magnetfeld erzeugen, das innerhalb des in der Fig. 1 gestrichelt angedeuteten, kreisförmigen umrandeten Untersuchungsvolumens V, dessen Durchmesser zirka 40 cm be­ trägt (Feldabweichung 20 ppm), hinreichend homogen ist.

In einer bevorzugten Gestaltung des Magnetsystems 10 mit su­ praleitenden Magnetspulen beträgt der axiale Abstand g₁ des äußeren Wicklungspaares 1a, 1b 887 mm und die axiale Breite. B der Wickelkammern 220 mm. Die zwischen den Außenwänden der Wickelkammern 5a und 5b gemessene axiale Ausdehnung L′ des Magnetsystems 10 beträgt 1327 mm. Der Innendurchmesser d_a2 der äußeren Wickelkammern 5a und 5b beträgt 1818 mm und der Außendurchmesser d_a2 der äußeren Wicklungen 1a und 1b 1997 mm. Die Windungsdichte in den äußeren Wickelkammern 5a und 5b beträgt 18,40 Windungen/cm².

Bei dem inneren Wicklungspaar 2a, 2b beträgt der axiale Ab­ stand seiner Wickelkammern 7a und 7b 881,5 mm, wobei die axiale Breite b dieser Wickelkammern 7a und 7b jeweils 39,2 mm beträgt. Der Innendurchmesser d_i2 der Wicklungen 2a und 2b hat einen Wert von 1400 mm, während der Außendurchmesser d_i1 der inneren Wicklungen 2a und 2b einen Wert von 1507 mm hat. Die Windungsdichte der inneren Wicklungen 2a und 2b ist derjenigen der äußeren Wicklungen 1a und 1b entgegengesetzt und hat den Wert -46,73 Windungen/cm². Bei dem genannten Ab­ stand g₂ der Wickelkammern 7a und 7b des inneren Spulenpaa­ res 2a und 2b läßt sich ein supraleitendes Kryomagnetsystem aufbauen mit einem nutzbaren Zwischenraum z von 660 mm und einer Raumtemperaturbohrung mit einem Durchmesser von 1250 mm zur Aufnahme der erfindungsgemäßen Gradientenspulen.

Bei einer Stromstärke von 157 A ergibt sich ein homogenes Magnetfeld im Zentrum des Magnetsystems 10 von 0,5 Tesla.

Die perspektivische Gesamtansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen NMR-Meßeinrichtung in Fig. 2 zeigt unter anderem die Gesamthöhe H der Apparatur, die vom Außendurch­ messer des Kryostaten bestimmt wird, die Höhe h der horizon­ talen Patientenbohrung, die Breite g der seitlichen Zu­ griffslücke zum zentralen Untersuchungsvolumen und die Länge L der Gesamtapparatur.

Auf Details des ebenfalls in Fig. 2 dargestellten Kryosy­ stems für die supraleitende Hauptfeldmagnetspule wird nicht näher eingegangen. Sämtliche supraleitenden Spulen sind im Heliumtank des Kryostaten untergebracht.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die seitliche Zugriffslücke des NMR-Tomographen senkrecht zur zentralen z-Achse. Durch die aufgeschnittenen Längsbalken 8 sind Verbindungsrohre 11 zwischen den beidseitigen Heliumtanks des die supraleitende Magnetspulenteile enthaltenden Kryosystems sowie Verbin­ dungsrohre 12 zwischen den die Heliumtanks umgebenden Tanks mit flüssigem Stickstoff zu sehen. Die üblicherweise vorhan­ denen Strahlungsschilde sind nicht eingezeichnet. Auf dem Umfang der Raumtemperaturbohrung verteilt sind ferromagneti­ sche Homogenisierungselemente 20 in Form von Shim-Plättchen angedeutet.

Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt durch den NMR-Tomographen gemäß der nachveröffentlichten DE 44 16 907 C1 mit vier supraleitenden Korrekturspulen in einer Ebene, die die z-Achse enthält. Zu erkennen sind die äußeren Feldspulen 1a und 1b sowie die inneren Feldspulen 2a und 2b beiderseits der Mit­ telebene E. Radial innerhalb der äußeren Feldspulen 1a und 1b sind vier supraleitende, separat mit Strom beschickbare Korrekturspulen C₁ bis C_p symmetrisch um die z-Achse ange­ ordnet. Jede Korrekturspule C₁ bis C_p besteht aus mindestens zwei Teilspulen C_1i, C_1a bis C_pi, C_pa, die bei Betrieb von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden. Je­ de Korrekturspule C₁ bis C_p enthält eine Teilspule C_1i bis C_pi, die einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene E hat und sich im wesentlichen in einem axialen Bereich g₂/2|z|g₂/2+b erstreckt. Mindestens eine zweite Teilspule C_1a bis C_pa einer jeden Korrekturspule C₁ bis C_p besitzt demgegenüber einen größeren axialen Abstand von der Mittel­ ebene E als das radial innere Feldspulenpaar 2a bzw. 2b.

Im rechten oberen Quadranten der in Fig. 4 im Schnittbild schematisch dargestellten Anordnung ist ein Spulenträger ge­ zeigt, der eine Wickelkammer 21 aufweist, in welcher die der Mittelebene E näheren Teilspulen C_1i und C_2i gemeinsam mit der inneren Feldspule 2b untergebracht sind. In einer weite­ ren Wickelkammer 22 des Spulenträgers sind die von der Mit­ telebene E weiter entfernten Teilspulen C_1a und C_2a zusammen untergebracht. Ähnliche gemeinsame Wickelkammern sind auch für die anderen vier Quadranten des dargestellten Schnittes vorgesehen, aber der Übersichtlichkeit halber in der Zeich­ nung Fig. 4 nicht dargestellt.

Im linken unteren Quadranten der schematischen Schnittzeich­ nung ist eine Kammer 23 mit flüssigem Helium dargestellt, in der die jeweiligen supraleitenden Spulenteile des linken un­ teren Quadranten untergebracht sind. Ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in den restlichen Quadranten von Fig. 4 die Heliumkammer nicht dargestellt.

Die elektrische Verschaltung der Teilspulen kann bei einer nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform auch derart sein, daß zwei Teilspulen einer bestimmten Korrektur­ spule beidseits der Mittelebene E angeordnet sind.

Schließlich sind in Fig. 4 auf der Innenseite der angedeute­ ten Raumtemperaturbohrung längs der z-Achse an verschiedenen Stellen ferromagnetische Homogenisierungselemente 20 ange­ deutet, die nicht unbedingt in symmetrischer Weise bezüglich der Ebene E oder bezüglich der z-Achse verteilt sein müssen. Die konkreten Orte der Plazierung des jeweiligen Homogeni­ sierungselementes 20 ergeben sich experimentell für jedes individuelle NMR-System unterschiedlich in der Weise, daß die tesseralen Feldstörungen weitgehend beseitigt werden.

Vorzugsweise werden Plättchen der Größe 50 × 40 × 0,3 mm³ an der Oberfläche der Raumtemperaturbohrungen in beiden Kryo­ statenhälften angebracht. Wie bereits oben erwähnt, liegt die axiale Ausdehnung für die Verteilung der ferromagneti­ schen Korrekturelemente 20 typischerweise zwischen |z| = g/2 und 1,4 g, wobei g die Breite der transversalen Zugangsöff­ nung zum Untersuchungsvolumen V bedeutet.

Der Montageradius r für die Korrekturelemente 20 (= Radius der Raumtemperaturbohrung) beträgt typischerweise ungefähr 1,8 g r 2 g.

Die ferromagnetischen Korrekturelemente 20 werden so ange­ ordnet, daß im wesentlichen nur die tesseralen Störterme (m ≠ 0) sowie die ungeraden zonalen Störterme (n ungerade, in = 0) verschwinden. Wegen des großen Abstands der Eisenstück­ chen der Mittelebene E erzeugt eine solche Eisenverteilung grundsätzlich zusätzliche zonale Störterme A₂₀, A₄₀, A₆₀, die sich zu den von der Hauptfeldspule erzeugten gleichnami­ gen Störtermen addieren. Ebenfalls können die zonalen Stör­ terme A₄₀ und A₆₀ verschwindend klein gehalten werden. Es gibt mathematische Verfahren, mit denen sich die verwendeten Eisenmengen minimieren lassen. Grundsätzlich gilt für die Vorzeichen dieser Störterme: A₂₀ < 0.

Eine Kompensation der verbleibenden zonalen Störterme wird mit Hilfe der oben beschriebenen speziell angeordneten supraleitenden zylindersymmetrischen Korrektur­ spulen C₁ bis C₄ bewirkt, die gemeinsam mit den Teilspulen 1a, 1b, 2a und 2b der Hauptfeldspule in der Heliumkammer 23 angeordnet sind. Prinzipiell können die Korrekturspulen C₁ bis C_p auch von einem Netzgerät gespeist werden. Vorzugswei­ se besitzen die Korrekturspulen jedoch einen supraleitenden Schalter und werden im "persistant mode", d. h. kurzgeschlos­ sen, betrieben.

Von den p Korrekturspulen C₁ bis C_p befinden sich zwei in beiden Hälften des Kryostaten.

Claims (9)

1. Kernspinresonanz (NMR)-Tomograph mit einer supraleiten­ den Hauptfeldspule (10) zur Erzeugung eines statischen, homogenen Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen des Kern­ spintomographen, dessen Zentrum mit einem Koordinatenur­ sprung eines kartesischen x-, y-, z-Koordinatensystems zusammenfällt, mit einem Paar untereinander gleicher äu­ ßerer Feldspulen (1a, 1b), die auf einer gemeinsamen Achse (z) mit einem axialen Abstand (g₁) zueinander an­ geordnet sind, sowie mit einem Paar innerer, mit den äu­ ßeren Feldspulen koaxialer Feldspulen (2a, 2b), die ebenfalls untereinander gleich sind, wobei beide Spulen­ paare symmetrisch zu einer zentralen, zur gemeinsamen Achse (z) senkrecht verlaufenden Mittelebene (E) ange­ ordnet sind, wobei der axiale Abstand (g₁) der äußeren Feldspulen (1a, 1b) zwischen 1/4 und 3/4, vorzugsweise 1/2 des Innendurchmessers (da₂) der äußeren Feldspulen (1a, 1b) beträgt, wobei der axiale Abstand (g₂) der in­ neren Feldspulen (2a, 2b) geringfügig, d. h. um bis zu 15% unterschiedlich gegenüber dem axialen Abstand (g₁) der äußeren Feldspulen (1a, 1b) ist, wobei - im Betrieb der Hauptfeldspule (10) - die Stromrichtung in den inne­ ren Feldspulen (2a, 2b) zu derjenigen in den äußeren Feldspulen (1a, 1b) entgegengesetzt gerichtet ist, wobei eine axiale Raumtemperaturbohrung, die sich in Richtung des homogenen Magnetfeldes erstreckt, und eine transver­ sale Zugangsöffnung, die sich quer zur Richtung des ho­ mogenen Magnetfeldes erstreckt, vorgesehen ist, und mit einer Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes folgende Elemente umfaßt

• - ferromagnetische Homogenisierungselemente (20), vor­ zugsweise Plättchen, die an solchen vorgegebenen Posi­ tionen auf der Oberfläche der Raumtemperaturbohrung beiderseits der transversalen Zugangsöffnung ange­ bracht sind, daß mindestens eine Komponente der tesse­ ralen Feldstörungen der Typen Anm mit n = 1 bis 3, vorzugsweise n = 1 bis 6, und m = 1 bis n kompensiert wird,
• - mindestens eine bis höchstens drei (Anzahl p) su­ praleitende, separat mit Strom beschickbare Kor­ rekturspulen (C₁ bis C_p) koaxial zur Hauptfeld­ spule (10), wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C_p) aus mindestens zwei Teilspulen (C_1i, C_1a bis C_pi, C_pa) besteht, die bei Betrieb von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden, wobei alle Teilspulen aller Korrekturspulen zur gemein­ samen Achse (z) koaxiale Zylinderspulen mit einem Durchmesser von weniger als dem Innendurchmesser (d_a2) der äußeren Feldspulen (1a, 1b) sind, wobei in jeder Korrekturspule (C₁ bis C_p) jeweils eine Teilspule (C_1i bis C_pi) einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene (E) hat, der im wesentli­ chen gleich dem Abstand des radial inneren Feld­ spulenpaares (2a, 2b) von der Mittelebene ist, so daß sich diese Teilspulen in einem axialen Be­ reich g₂/26v|z|g₂/2+b erstrecken, und wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C_p) jeweils mindestens ei­ ne zweite Teilspule (C_1a bis C_pa) mit umgekehrter Stromrichtung besitzt, die einen größeren axialen Abstand von der Mittelebene (E) als das radial innere Feldspulenpaar (2a, 2b) hat.

2. NMR-Tomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahlen aller Teilspulen einer Korrektur­ spule (C₁ bis C_p) so gewählt sind, daß die Gegenindukti­ vität zwischen der Hauptfeldspule (10) und der Korrek­ turspule (C₁ bis C_p) verschwindet.

3. NMR-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teilspulen (C_1i bis C_pi) der Korrekturspulen (C₁ bis C_p), die der Mittelebe­ ne (E) am nächsten benachbart sind, einen Innendurchmes­ ser aufweisen, der größer ist als der Außendurchmesser d_i1 des inneren Feldspulenpaares (2a und 2b).

4. NMR-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche,. dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer Korrekturspule (C₂; C₃) die der Mittelebene (E) nähere Teilspule (C_2i; C_3i) einen größeren Innendurchmesser, die der Mittelebene (E) entferntere Teilspule (C_2a; C_3a) einen kleineren Innendurchmesser hat.

5. NMR-Tomograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der der Mittelebene (E) ent­ fernteren Teilspule (C_2a; C_3a) der weiteren Korrektur­ spule (C₂; C₃) ungefähr gleich dem Innendurchmesser d_i2 der inneren Feldspulen (2a, 2b) ist.

6. NMR-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer Korrek­ turspule C₁; C_p die beiden Teilspulen C_1i, C_1a; C_pi, C_pa näherungsweise denselben Innendurchmesser besitzen.

7. NMR-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Mittelebene (E) nä­ heren Teilspulen (C_1i bis C_pi) der Korrekturspulen (C₁ bis C_p) in einer gemeinsamen Wickelkammer (21) eines Spulenträgers zusammen mit der jeweiligen inneren Feld­ spule (2a bzw. 2b) und die der Mittelebene (E) ferneren Teilspulen (C_1a bis C_pa) der Korrekturspulen (C₁ bis C_p) in einer weiteren gemeinsamen Wickelkammer (22) des Spu­ lenträgers untergebracht sind.

8. NMR-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Homo­ genisierungselemente (20) zumindest teilweise durch ein zusätzliches System supraleitender Korrekturspulen in Form von Sattelspulen, die etwa auf dem Radius der inne­ ren Feldspulen (2a, 2b) angeordnet sind, ersetzt sind.

9. NMR-Tomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Homogenisie­ rungselemente (20) Permanentmagnete sind.