DE19534387C2

DE19534387C2 - Abschirmgradientenspule für ein Kernspin-Tomographiegerät und Kernspin-Tomographiegerät

Info

Publication number: DE19534387C2
Application number: DE19534387A
Authority: DE
Inventors: Masao Yui; Masafumi Kondo
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-16
Filing date: 1995-09-15
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2015-09-16
Also published as: DE19534387A1; JPH0884716A; US5708360A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gradientenspule zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfeldes in einem bildgebenden Kernspinresonanz-Gerät.

In den letzten Jahren ist das bildgebende Kernspinresonanz-Gerät (MRI-Gerät) unter den verschiedenen Arten von medizinischen Diagnosegeräten mit besonderer Aktivität unter sucht und entwickelt worden.

Bekanntlich ist die Abbildung auf der Grundlage der Kernspinresonanz ein Verfahren zum Abbilden mikroskopischer chemischer und physikalischer Information von Gegenständen unter Verwendung der Kernspinresonanzerscheinung, bei der die Energie eines mit einer bestimmten Frequenz rotierenden HF-Magnetfeldes durch eine Gruppe von Kernspins im Resonanzzustand absorbiert werden kann, die in einem homogenen statischen Magnetfeld eindeutige magnetische Momente aufweisen.

Die Abbildung mittels Kernspinresonanz hat deshalb so viel Aufmerksamkeit erfahren, weil mit ihr nicht nur die Abbildung einer Information über die physische Form in einem lebenden Körper mit hohem Kontrast möglich ist, sondern verschiedene andere Arten von funktionellen Informationen erhalten werden können, wie eine Information über die Blutströmung, über mikroskopische magnetische Feldinhomogenitäten, über Diffusion und über die chemische Verschiebung.

Bei einem MRI-Gerät zur Durchführung einer derartigen Kernspinresonanz-Abbildung werden abhängig vom Typ der zu benutzenden Abbildungsimpulssequenz verschiedene Arten des Schaltens der dem statischen Magnetfeld zu überlagernden Gradientenfelder benötigt.

Beispiele der bei der Kernspinresonanz-Abbildung zu benutzenden Abbildungsimpuls sequenzen umfassen die übliche Abbildungssequenz wie die Spinechosequenz und die Feldechosequenz, die Hochgeschwindigkeits- oder Ultrahochgeschwindigkeitsabbildungs sequenz, wie die Hochgeschwindigkeitsspinechosequenz, die Hochgeschwindigkeitsfelde chosequenz und die Echoplanarsequenz sowie die Kernspinresonanz-Angiographiesequenz zum Erfassen der Verteilung oder der Geschwindigkeit der Blutströmung in Blutgefäßen.

Jede dieser Abbildungsimpulssequenzen ist einer charakteristischen Art des Schaltens der Gradientenmagnetfelder zugeordnet und es ist bekannt, daß ein derartiges Schauen der Gradientenmagnetfelder in thermischen Abschirmungen und im Heliumbehälter des supraleitenden Magneten Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme können die zeitlichen und räumlichen Eigenschaften der Gradientenmagnetfelder beeinträchtigen und eine ernste Verschlechterung der Bildqualität bei den zu erhaltenden Bildern der Kernspinresonanz abbildung, wie eine Unschärfe hervorrufen.

Um dies zu vermeiden, ist bereits die sogenannte aktive Abschirm-Gradientenspule (ASGC) vorgeschlagen worden. Diese ASGC ist eine Spule in koaxialer Doppelzylin derform, die eine Primärspule zum Erzeugen des Gradientmagnetfeldes im inneren Bereich mittels einer Stromverteilung auf einer zylindrischen Oberfläche enthält sowie eine Ab schirmspule, um das von der Primärspule in den äußeren Bereich austretende Magnetfeld (Streufeld) mittels der Stromverteilung in einer die Primärspule umschließenden zylin drischen Oberfläche auszulöschen bzw. zu kompensieren.

Fig. 1 zeigt ein typisches Abschirmmuster für die ASGC, das durch Roemer et al. vorge schlagen wurde. Die ASGC erzeugt ein Gradientenmagnetfeld in einer Richtung senkrecht zu der des statischen Magnetfeldes, so daß die Primärwicklung und die Abschirmspule spi ralförmige Stromverteilungen aufweisen und sowohl die Primärspule als auch die Ab schirmspule einen Stromanteil für Ströme zum Erzeugen des gewünschten Gradientenma gnetfeldes (im folgenden als Gradientenfelderzeugungsstrom bezeichnet) wie auch einen Stromanteil für Ströme, die lediglich zurückzuführen sind (im folgenden als Stromrückführung bezeichnet) aufweisen.

Diese ASGC ist mit dem Problem behaftet, daß der gesamte Strompfad infolge des Vorhandenseins der Stromrückführungen lang ist und dies wiederum macht die Induktivität und den Widerstand groß, so daß es unmöglich ist, eine Gradientenmagnetfeld-Schaltcharak teristik hoher Geschwindigkeit bzw. eine große Gradientenmagnetfeldstärke zu erzielen, wenn die Antriebsleistung ansteigt.

Zur Lösung dieses Problems ist der Vorschlag für eine Gradientenspule bekannt geworden (im folgenden einfach als Schnittgradientenspule bezeichnet), wonach ein Teil oder die Gesamtheit der Stromrückführungen der ASGC einfach herausgeschnitten und dann verbunden wird, wie dies in der japanischen Offenlegungsschrift 144543/92 und bei Wong, Hyde, 11th Annual Meetings of Society of Magnetic Resonance in Medicine, 1992, Seite 711 beschrieben ist. Diese Vorschläge zielen darauf ab, eine Hochgeschwindigkeitsschalt charakteristik für das Gradientenmagnetfeld zu realisieren (bzw. eine große Gradientenmagnet feldstärke), indem die Induktivität und der Widerstand als Folge des Abschneidens eines Teils der Stromrückführungen reduziert werden.

Bei diesem Vorschlag besteht jedoch das Problem, daß wegen des einfachen Abschneidens der Primärspule und der Abschirmspule und des Vorhandenseins der Verbindungsdrähte zwischen der Primärspule und der Abschirmspule die Linearität des Gradientenmagnetfel des (bzw. des Abbildungsfeldes der Ansicht) und die Abschirmfähigkeit für das leckende (nach außen tretende) Magnetfeld beträchtlich verschlechtert werden. Aus diesem Grund ist der zulässige Betrag des Abschneidens auf einen sehr geringen Betrag begrenzt. Demzufolge ist auch die Herabsetzung der Induktivität und des Widerstandes auf einen sehr kleinen Wert begrenzt.

Bis jetzt ist für eine Gradientenspule mit hoher Felderzeugungsleistung noch kein Vor schlag bekannt, mit dem eine Hochgeschwindigkeitsschaltcharakteristik des Gradienten magnetfeldes (oder eine große Gradientenmagnetfeldstärke) realisierbar wären unter Aufrechterhaltung des Unterdrückungseffektes der Wirbelströme und der Linearität des Gradientenmagnetfeldes (bzw. des Abbildungsfeldes der Ansicht) der ASGC.

Andererseits ist bei der ASGC die Größe des Bereiches, in der die Linearität des Gradien tenmagnetfeldes gut ist, das heißt des Abbildungsfeldes der Ansicht, bezogen auf die axiale Länge klein, wegen des Vorhandenseins der Stromrückführungen, und deshalb besteht das Problem, daß es unmöglich ist, ein ausreichendes Abbildungsfeld für den Fall zu erhalten, daß die axiale Länge der Spule, wie im Fall einer Spule für den Kopf, begrenzt ist.

Als Lösung dieser Probleme ist für eine asymmetrische Gradientenspule ein Vorschlag bekannt geworden, bei der die Stromwindungen auf einer Seite in axialer Richtung einer Spule zu den Stromwindungen auf der anderen Seite zurückgeführt werden. Fig. 2 zeigt die Ausbildung der Gradientenspule für die Querrichtung, wie sie durch Roemer in der japanischen Offenlegungsschrift 269099/93 vorgeschlagen worden ist. Bei dieser asym metrischen Gradientenspule wird das Maß des Abbildungsfeldes im Vergleich zur axialen Länge groß und es wird möglich, ein ausreichendes Abbildungsfeld zu erhalten, selbst wenn die axiale Länge der Spule begrenzt ist.

Bei dieser asymmetrischen Gradientenspule ist die Induktivität jedoch zweimal so groß wie bei der gewöhnlichen ASGC für dieselbe Gradientenmagnetfeldstärke, so daß Probleme entstehen derart, daß es unmöglich ist, eine Hochgeschwindigkeitsschaltcharakteristik des Gradientenmagnetfeldes oder eine große Gradientenmagnetfeldstärke zu erreichen, wenn die Antriebsleitung ansteigt, und daß infolge der auf den asymmetrischen Strompfad ausgeübten Lorentzkraft ein Drehmoment erzeugt wird.

Um dieses Drehmoment auszuschalten, ist durch Abduljalil et al. und außerdem durch Petropoulos et al. in 12th Annual Meetings of Society of Magnetic Resonance in Medicine, 1993 eine asymmetrische Gradientenspule vorgeschlagen worden, bei der zusätzliche Stromrückführungen zur Kompensation eingebaut sind. In Fig. 3 ist der durch Abduljalil et al. vorgeschlagene Typ einer asymmetrischen Gradientenspule dargestellt. Bei diesem Vorschlag besteht jedoch das Problem, daß die Induktivität infolge der zusätzlichen Stromrückführungen noch mehr vergrößert ist.

Darüberhinaus besteht bei diesen Vorschlägen für eine asymmetrische Gradientenspule das weitere Problem, daß das Wirbelstrommagnetfeld nicht unterdrückt wird und daß die örtliche Erhitzung nicht mehr vernachlässigt werden kann, wenn ein leistungsstarkes Gradientenmagnetfeld erzeugt werden soll. Es ist inbesondere unmöglich, den Quer schnittsbereich des Leiters zu vergrößern, wenn der Außendurchmesser der Spule begrenzt ist, so daß die örtlich Hitzeentwicklung beträchtlich ansteigt.

Es sind deshalb bisher keine Vorschlage für eine Gradientenspule bekannt geworden, für die das Abbildungsfeld groß ist und die Zunahme der Induktivität sowie die Erzeugung eines Drehmoments unterbunden werden können, während zugleich das Wirbelstrommagnetfeld unterdrückt wird.

Aus der EP 0 551 517 A1 ist eine Gradientenspule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, und aus der GB 2 265 986 A ist eine weitere Gradientenspule bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gradientenspule mit einer hohen Felderzeugungsleistung zu schaffen, mit der eine Hochgeschwindigkeitsmagnetfeldschaltcharakteristik (oder eine große Gradientenmagnetfeldstärke) realisierbar ist, während gleichzeitig der Wirbelstrommagnetfeldunterdrückungseffekt und die Linearität des Gradientenfeldes (bzw. des Abbildungsfeldes) einer konventionellen ASGC erhalten bleiben.

Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, eine Gradientenspule verfügbar zu machen, mit der das Abbildungsfeld so groß wie bei der konventionellen asymmetrischen Gradien tenspule und der Wirbelstrommagnetfeldunterdrückungseffekt so groß wie bei einer konventionellen ASGC realisierbar ist, während gleichzeitig eine Induktivitätszunahme, die Erzeugung eines Drehmoments und die örtliche Hitzeentwicklung unterdrückt werden können.

Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Gradientenspule nach Anspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 die Darstellung eines typischen Abschirmmusters für eine konventionelle ASGC,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer konventionellen asymmetrischen Gradienten spule,

Fig. 3 die Darstellung eines Spulenmusters für eine weitere konventionelle asym metrische Gradientenspule,

Fig. 4 ein Blockdiagramm eines bildgebenden Kernspinresonanz-Geräts geeignet für die Anwendung einer Gradientenspule gemäß dieser Erfindung,

Fig. 5A die Entwicklung eines Spulenmusters für ein erstes Vergleichsbeispiel einer Gradientenspule,

Fig. 5B die Entwicklung eines Spulenmusters für eine konventionelle Gradientenspulen mit einem einfachen Schnitt,

Fig. 6 die Querschnittsansicht eines für die Gradientenspule aus Fig. 5A geeigneten Gradientenspulenaufbaus,

Fig. 7 ein Flußdiagramm einer Prozedur zum Entwerfen des Spulenmusters gemäß Fig. 5A,

Fig. 8A ein Diagramm, das die Z-Richtungsverteilung einer typischen Basisfunktion für eine ϕ-Richtungsstromkomponente in einer Primärspule für die Gradientenspule nach Fig. 5A darstellt,

Fig. 8B ein Diagramm, das die Z-Richtungsverteilung einer typischen Basisfunktion für die ϕ-Richtungsstromkomponente in einer Primärspule für die Gradientenspule nach Fig. 5B darstellt,

Fig. 9 ein Diagramm zur Erläuterung eines Entwurfs gemäß der in Fig. 7 dargestellten Prozedur,

Fig. 10 ein Flußdiagramm einer Prozedur zum Entwerfen des Spulenmusters nach Fig. 5B.

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung des Entwurfs gemäß der Prozedur nach Fig. 10,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Vergleichsbeispiels einer Gradientenspule für den Fall der Ausbildung als X-Spule,

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht der Gradientenspule gemäß Fig. 12 für den Fall der Ausbildung als Y-Spule,

Fig. 14 die Entwicklung eines Spulenmusters eines dritten Vergleichsbeispiels einer Gradientenspule,

Fig. 15 ein Diagramm zur Erläuterung eines Entwurfs gemäß der Prozedur zum Entwerfen des Spulenmusters nach Fig. 14,

Fig. 16 eine Darstellung zur Erläuterung der auf die Überbrückungsleitungen in der Gradientenspule nach Fig. 14 ausgeübten Lorentzkraft,

Fig. 17 eine Darstellung zur Erläuterung der auf die restlichen Stromrückführungen in der Gradientenspule nach Fig. 14 ausgeübten Lorentzkraft,

Fig. 18A die Entwicklung eines Spulenmusters für eine Primärspule einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 18B die Entwicklung eines Spulenmusters für eine Abschirmspule der ersten Ausführungsform,

Fig. 19A die Entwicklung eines Spulenmusters für eine Primärspule in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 19B die Entwicklung eines Spulenmusters für eine Abschirmspule der zweiten Ausführungsform,

Fig. 20 eine Querschnittsansicht eines für die zweite Ausführungsform geeigneten Gradientenspulenaufbaus,

Fig. 21A die Entwicklung eines Spulenmusters für eine Primärspule einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gradientenspule,

Fig. 21B die Entwicklung eines Spulenmusters für eine Abschirmspule in der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gradientenspule, und

Fig. 22 eine Querschnittsansicht eines für die dritte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Gradientenspule geeigneten Gradientenspulenaufbaus.

Es werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zuerst verschiedene Vergleichsbeispiele von Gradientenspulen, die zur Erläuterung und zum Verständnis der Erfindung nützlich sind, und dann verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Gradientenspule für ein bildgebendes Kernspinresonanz-Gerät im Detail beschrieben.

Ein für sämtliche Vergleichsbeispiele und Ausführungsformen der unten im einzelnen zu beschreibenden Gradientenspule geeignetes bildgebendes Kernspinresonanz-Gerät weist den in Fig. 4 dargestellten Aufbau auf.

Das Kernspinresonanz-Gerät nach Fig. 4 enthält einen Hauptmagneten 101, zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes, eine Hauptmagnet-Leistungsquelle 102, zum Antreiben des Hauptmagneten 101, Primärgradientenspulen 103, zum Erzeugen von Gradientenmagnetfel dern. Abschirmspulen 104, die um die Primärgradientenspulen 103 angeordnet sind, eine Gradientenspulenleistungsquelle 105, zum Antreiben der Primärgradientenspulen 103 und der Abschirmspulen 104, eine Wirbelstromkompensationsschaltung 107, zum Einstellen der Eingangsgrößen für die Gradientenspulenleistungsquelle 105, um die Auswirkung der Wirbelströme zu kompensieren, Trimmspulen 108, zum Einstellen der Homogenität des stauchen Magnetfeldes, eine Trimmspulenleistungsquelle 109, zum Antreiben der Trimm spulen 108, eine Sonde 111, zum Anlegen von Hochfrequenzimpulsen an einen zu unter suchenden Körper 106 und für den Empfang von Magnetresonanzsignalen (NMR-Signalen) aus dem zu untersuchenden Körper 106, eine Hochfrequenzabschirmung 112, zwischen der Primärgradientenspule 103 und der Sonde 111, eine Sendeeinheit 110, zum Ansteuern der Sonde 111, um die gewünschten HF-Impulse auszusenden, und eine Empfangseinheit 113 zum Erfassen der durch die Sonde 111 empfangenen NMR-Signale.

Außerdem enthält das Gerät nach Fig. 4 eine Datenerfassungseinheit 114, zum Erfassen und A/D-Umwandeln der durch die Empfangseinheit 113 erfaßten NMR-Signale, eine Daten verarbeitungseinheit 115 für die Datenverarbeitung der A/D umgesetzten NMR-Signale, um das gewünschte NMR-Bild zu rekonstruieren, eine Anzeigeeinheit 118, zum Darstellen des durch die Datenverarbeitungseinheit 115 rekonstruierten NMR-Bildes, eine System steuerung 116, zum Steuern der Arbeitsvorgänge der Hauptmagnetleistungsquelle 102, der Gradientenspulenleistungsquelle 105, der Wirbelstromkompensationsschaltung 107, der Sendeeinheit 110, der Empfangseinheit 113, der Datenerfassungseinheit 114 und der Datenverarbeitungseinheit 115, um die gewünschte Abbildungsimpulssequenz zu verwirkli chen; ferner eine Konsole 117, von der aus eine Bedienungsperson verschiedene Steuerbe fehle in die Systemsteuerung 116 und in die Datenverarbeitungseinheit 115 eingibt.

Der Hauptmagnet 101 wird durch die Hauptmagnetleistungsquelle 102 angetrieben, während die Primärgradientenspulen 103 und die Abschirmspulen 104 durch die Gradien tenspulenleistungsquelle 105 derart angetrieben werden, daß der zu untersuchende Körper 106 mit einem gleichförmigen statischen Magnetfeld und Gradientenmagnetfeldern beauf schlagt wird, die lineare Gradienten in drei zueinander orthogonalen Richtungen aufweisen. Die Primärgradientenspulen 103 und die Abschirmspulen 104 können in Serie geschaltet und durch eine gemeinsame Gradientenspulenleistungsquelle 105 angetrieben werden. Die oberen, unteren, rechten und linken Spulenelemente können auch mit einer Vielzahl von Gradientenspulenleistungsquellen 105 verbunden und separat durch die betreffenden Gradientenspulenleistungsquellen 105 angetrieben werden. Die an die Gradientenspulenlei stungsquelle 105 zu liefernden Eingangssignale zur Kompensation der Wirbelstromma gnetfeldübertragungsfunktion werden in der Wirbelstromkompensationsschaltung 107 erzeugt.

Bei dem Gerät nach Fig. 4 wird der zu untersuchende Körper innerhalb des statischen Magnetfeldes plaziert, das durch den Hauptmagneten 101 erzeugt wird, und die drei orthogonalen, durch die Primärgradientenspulen 103 erzeugten Gradientenmagnetfelder werden dem statischen Magnetfeld überlagert, während durch die Sonde 111 entsprechend der gewünschten Abbildungsimpulssequenz HF-Impulse zugeführt werden. Die vom Patienten 106 in Antwort auf die HF-Impulse emittierten NMR-Signale werden durch die Sonde 111 empfangen. Es kann eine gemeinsame Sonde 111 benutzt werden, für das Aussenden der HF-Impulse und den Empfang der NMR-Signale. Es können auch getrennte Sonden 111 vorgesehen werden, für das Aussenden der HF-Impulse und den Empfang der NMR-Signale.

Die durch die Sonde 111 empfangenen NMR-Signale werden in der Empfangseinheit 113 erfaßt, in der Datenerfassungseinheit 114 A/D umgewandelt, das heißt analog/digital umgesetzt und zur Datenverarbeitungseinheit 115 ausgesandt, die die gewünschten NMR- Bilder unter Verwendung geeigneter Datenverarbeitungsvorgänge, wie einer Fourier- Transformation rekonstruiert. Die rekonstruierten NMR-Bilder werden dann in der Anzeigeeinheit 118 dargestellt.

Es wird nun das erste Vergleichsbeispiel einer Gradientenspule im einzelnen beschrieben.

Fig. 5A zeigt den Aufbau eines ersten Vergleichsbeispiels einer Gradientenspule, während Fig. 5B den Aufbau einer bekannten einfachen Schnittgradientenspule zeigt, in der ein 1/2- Bereich eines Spulenmuster zur Erzeugung des Gradientmagnetfeldes in einer Richtung senkrecht zu der des statischen Magnetfeldes in einer Ebene (Abwicklung) dargestellt ist.

Die Gradientenspule nach Fig. 5A enthält eine Primärspule 11, eine Abschirmspule 12 und eine Vielzahl von Verbindungsflächen 13 zum Verbinden der Primärspule 11 und der Abschirmspule 12, wobei die Primärspule 11 eine Stromverteilung aufweist, die im wesentlichen aus den Gradientenfelderzeugungsströmen besteht (das heißt Stromanteile für Ströme, die das gewünschte Gradientenmagnetfeld erzeugen) und die Abschirmspule 12 eine Stromverteilung aufweist, um das durch die Primärspule 11 und die Verbindungs flächen 13 im äußeren Bereich erzeugte magnetische Feld effektiv auszulöschen. Jede Verbindungsfläche 13 umfaßt Stromkomponenten 14 (im folgenden Überbrückungsleitun gen genannt) zum Verbinden der Primärspule 11 mit der Abschirmspule 12 sowie Strom komponenten 15 (im folgenden verbliebene bzw. restliche Stromrückführungen genannt), um die Enden der hufeisenförmigen Strommuster an der Primärspule 11 zu verbinden.

Die Stromverteilungen der Primärspule 11, der Abschirmspule 12 und der Verbindungs flächen 13 sind tatsächlich durch Leiter oder Kupferdrähte mit rechteckigem Querschnitt realisiert, die durch ätzen etc. in Form der Stromverteilungsmuster hergestellt werden.

Die Abschirmspule 12 in der Gradientenspule nach Fig. 5A ist in einem solchen Muster ausgebildet, daß sie das durch die Stromverteilung der Primärspule 11 und der Verbin dungsflächen 13 erzeugte Magnetfeld abschirmt mittels eines Konstruktionsalgorithmus der im folgenden im einzelnen beschrieben wird. Dies steht im Gegensatz zu der konventionel len einfachen Schnittgradientenspule gemäß Fig. 5B, die nicht in einem solchen Muster ausgebildet ist, daß sie das Magnetstreufeld der Primärwicklung und der Verbindungsdrähte abschirmt.

Die Gradientenspule nach Fig. 5A ist in einem solchen Muster ausgebildet, daß sie die Linearität des Gradientenmagnetfeldes sicherstellt, wenn alle Stromverteilungen in der Primärspule 11, der Abschirmspule 12 und den Verbindungsflächen 13 vorhanden sind, und zwar mittels des weiter unten im einzelnen zu beschreibenden Konstruktionsalgorithmus, im Gegensatz zu der konventionellen einfachen Schnittgradientenspule nach Fig. 5B, bei der die Gradientenmagnetfeldlinearität infolge des einfachen Schnitts verschlechtert ist.

Die Gradientenspule aus Fig. 5A kann wie in Fig. 6 dargestellt ausgebildet sein. Fig. 6 zeigt eine Querschnittsansicht in axialer Richtung des Lagenaufbaus sowohl für die X- als auch für die Y-Gradientenspule, bei der die Stromverteilungen der Verbindungsflächen 13 dadurch gebildet sind, daß die Leiter, welche zu den Stromverteilungsmustern durch Ätzen etc. hergestellt sind, mit dem Leiter der Primärspule und dem Leiter der Abschirmspule mittels Schrauben 134 verbunden sind.

In Fig. 6 sind eine Primärspulenleiterschicht 135 und eine Abschirmspulenleiterschicht 137 für die X-Spule durch eine Überbrückungsleitung 131 miteinander verbunden, eine Primärspulenleiterschicht 136 und eine Abschirmspulenleiterschicht 138 für die Y-Spule sind durch eine Überbrückungsleitung 132 miteinander verbunden. Ein Spulenpaar der Primärspule und der Abschirmspule für die X-Spule und ein Spulenpaar der Primärspule und der Abschirmspule für die Y-Spule sind als verschachtelte Spulenpaare ausgebildet. Das heißt, die Primärspule 135 für die X-Spule liegt in radialer Richtung innerhalb der Primärspule 136 für die Y-Spule und die Abschirmspule 137 für die X-Spule liegt in radialer Richtung außerhalb der Abschirmspule 138 für die Y-Spule. Es soll bemerkt werden, daß die Reihenfolge der Schichten für die X-Spule und die Y-Spule, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist, bei Bedarf umgekehrt werden kann.

Wie Fig. 6 zeigt, ist jede Leiterschicht über eine Isolierschicht 139 aus zum Beispiel FRP mittels eines Befestigungsbandes 140 an einem zylindrischen Spulenkörper 130 befestigt. Außerdem sind zwischen dem Spulenpaar für die X-Spule und dem Spulenpaar für die Y- Spule Abstandhalter 141 vorgesehen, um das Einfüllen des Harzes beim Integrieren der gesamten Gradientenspule zu erleichtern. Außerdem können Schraubenlöcher für die Verbindung unter Benutzung von Schrauben 134 auch durch Ätzen gebildet werden, so daß keine Notwendigkeit besteht, Löcher anläßlich der Verbindung zu bohren.

Durch Verwirklichung der Stromverteilungen der Verbindungsflächen 13 in der Art nach Fig. 6 wird es leichter, zahlreiche Verbindungen vorzusehen, verglichen zu dem Fall, wo Verbindungen durch Kupferdrähte rechteckigen Querschnitts benutzt werden, isolierte Kupferdrähte, etc. und deshalb ist es möglich, einen Fertigungsfehler wie eine fehlerhafte Verbindung falscher Windungen zu verhindern.

Es wird nun anhand des Flußdiagramms von Fig. 7, der bei der Formgebung der Gradien tenspule des ersten Vergleichsbeispiels zu benutzende Konstruktionsalgorithmus erläutert.

Zunächst werden im Schritt S21 der Aufbau der Primärspule und der Abschirmspule, wie ihre Radien bestimmt und die Hochleistungsstromverteilung für die Primärspule, die im wesentlichen aus dem Gradientenfelderzeugungsströmen besteht, wird festgelegt.

Das durch die Stromverteilung j erzeugte Magnetfeld B kann im allgemeinen durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden, gemäß Carlson et al: Magnetic Resonance in Medicine, 26, Seite 191, 1992, zum Beispiel:

wobei
µ_θ = magnetische Suszeptilität von Vakuum,
ρ < = der kleinere Wert von ρ bzw. ρ'
ρ < = der größere Wert von ρ bzw. ρ',
I_m = die modifizierte Besselfunktion der ersten Art und
K_m = die modifizierte Besselfunktion der zweiten Art.

Die Primärspulenstromverteilung j^P und die Abschirmspulenstromverteilung j^S können im allgemeinen durch die folgenden Gleichungen (2) und (3) ausgedrückt werden:

j^P(ρ', ϕ', z') = (0, σ P|ϕ(ϕ', z')δ(ρ' - R), σ P|Z(ϕ', z')δ(ρ' - R)) (2)

j^S(ρ', ϕ', z') = (0, σ S|ϕ(ϕ', z')δ(ρ' - R'), σ S|Z(ϕ', z')δ(ρ' - R')) (3)

wobei
R = Radius der Primärspule
R' = Radius der Abschirmspule
σ_ϕ = die ϕ-Komponente der Flächenstromdichte
σ_z = die z-Komponente der Flächenstromdichte.

Die Stromverteilung der Primärspule, die im wesentlichen durch die Gradientenfeld erzeugungsströme gebildet wird, genügt der folgenden Beziehung (4).

wobei
l = axiale Länge der Primärspule.

Fig. 8 zeigt die Verteilung in Z-Richtung von einer typischen Basisfunktion für die Stromkomponente der ϕ-Richtung. Der Bereich des positiven Teils 31 ist größer als der Bereich des negativen Teils 32 und die Differenz zwischen beiden entspricht der Ver bindungsstromkomponente. Im Gegensatz hierzu ist bei der konventionellen ASGC die Verteilung in Z-Richtung wie in Fig. 8B dargestellt, ausgebildet. Der Bereich des positiven Teils 33 und der Bereich des negativen Teils 34 sind gleich groß.

Der obengenannten Beziehung (4) kann dadurch genügt werden, daß die Stromdichte a~ zum Beispiel gemäß der folgenden Gleichung (5) eingestellt wird.

Hier wird zum erstenmal durch die vorliegende Erfindung der Faktor β eingeführt, um es zu ermöglichen, die Gradientenfelderzeugungsströme zu behandeln.

Beim Schritt S22 wird die Stromverteilung für die Abschirmspule bestimmt, um ein der Primärspule entsprechendes Abschirmmuster für das gewünschte Abbildungsfeld und die gewünschte Abschirmleistung zu erhalten. Die Stromverteilung kann für die Bedingung bestimmt werden, daß das Magnetfeld außerhalb der Abschirmspule zu Null wird. Das Verfahren zur Bestimmung der Stromverteilung für die Abschirmspule wird kurz erläutert, ohne zu sehr ins Detail zu gehen.

Aus der Bedingung, daß die Z-Komponente z. B. gleich Null sein soll, wird die folgende Gleichung (6) erhalten,

wobei

Der Koeffizient a_nm der Gleichung (5) kann aus den folgenden drei Bedingungen ermittelt werden:

1. [1] die Bedingung, daß die Gradienten-Magnetfeldstärke G_x auf einen bestimmten Wert G einzustellen ist, d. h.
2. [2] die Bedingung, daß höhere Terme des Gradienten-Magnetfeldes auf 0 einzustellen sind, d. h.
und
3. [3] die Bedingung, daß die Induktivität L gegeben ist durch
wobei
zu minimieren ist.

Auf diese Weise, wird wie im Teil (a) von Fig. 9 angegeben ist, das dem Primärspulen anteil 41 entsprechende Abschirmmuster 42 alleine erhalten. Dieses Abschirmmuster 42 wird dann einem Musterschnitt unterworfen.

Im Schritt S23 wird die Verbindungsstromverteilung durch Schneiden der Rückführanteile im Abschirmmuster ermittelt. Wie in Teil (b) von Fig. 9 gezeigt ist, wird ein Teil oder die Gesamtheit der Stromrückführungen herausgeschnitten und die Stromwindungen der Abschirmspule sowie die Stromwindungen der Primärspule werden durch die Überbrückungs leitungen 43 miteinander verbunden.

Im allgemeinen ist die Anzahl der Stromwindungen in der Abschirmspule kleiner als die Anzahl der Stromwindungen in der Primärspule, so daß bei der Primärspule einige Stromwindungen übrigbleiben (im folgenden restliche Windungen oder Restwindungen genannt), die nicht mit den Stromwindungen der Abschirmspule verbunden sind. Wie im Teil (c) von Fig. 9 gezeigt ist, werden diese Restwindungen durch die restlichen Strom rückführungen 45 auf der Primärspulenzylinderfläche oder die Verbindungsfläche zum Verbinden der Primärspule und der Abschirmspule verbunden.

Im Schritt S24 werden die Abschirmmuster 44 und 46 bestimmt, die der Verbindungs stromverteilung, wie den Überbrückungsleitungen 43 und den restlichen Stromrückführun gen 45 entsprechen. Die Stromverteilung j_l der Überbrückungsleitung in ρ-Richtung kann z. B. wie folgt ausgedrückt werden:

j_l(ρ', ϕ', z') = (j l|ρ(ρ', ϕ')δ(z' - z_θ)δ(ϕ' - ϕ_θ), 0, 0) (12)

während die Stromverteilung j_a der restlichen Stromrückführungen ausdrückbar ist als

j_a(ρ', ϕ', z') = (0, j a|ϕ(ϕ')δ(z' - z_θ)δ(ρ' - ρ_θ), 0) (13)

wobei ρ_θ, ϕ_θ und z_θ die Koordinatenpositionen der Überbrückungsleitung oder der restli chen Stromrückführungen angeben, so daß die Magnetfeldverteilung unter Anwendung der Gleichung (1) bestimmt werden kann. Es werden dann die Abschirmmuster 44 und 46 zum Auslöschen bzw. Kompensieren der im äußeren Bereich ermittelten Magnetfelder erhalten.

Im Schritt S25 wird, wie im Teil (d) von Fig. 9 gezeigt ist, ein zusammengesetztes Abschirmmuster 47 erhalten durch Überlagerung des im Schritt S21 ermittelten, der Primärspule entsprechenden Abschirmmusters 42 und der im Schritt S24 ermittelten Abschirmmuster 44 und 46, die der Verbindungsstromverteilung entsprechen.

Im Schritt S26 wird das zusammengesetzte Abschirmmuster an den gleichen Positionen, an denen die Rückführteile im Schritt S23 herausgeschnitten worden sind, ausgeschnitten und es wird als Folge dieses Schnitts eine in der Linearität verschlechterte Gradienten- Magnetfeldkomponente erhalten. Diese verschlechterte Komponente entspricht einem neuen, durch den Schnitt des Abschirmmusters erzeugten Magnetfelds, das unter Anwen dung von Gleichung (1) durch die folgende Gleichung (14) ausgedrückt werden kann:

wobei

und Z_cut die Z-Koordinate für den Musterschnitt bedeutet.

Die Verschlechterung als Folge der Verbindungsstromkomponente kann aus den Gleichun gen (12), (13) und (1) leicht errechnet werden. Auf diese Weise wird die als Folge des Schnitts des zusammengesetzten Abschirmmusters 47 und der Verbindungsstromkom ponente verschlechterte Komponente des Gradienten-Magnetfeldes erhalten.

Im Schritt S27 werden für das gewünschte Abbildungsfeld die Primärspule 41 und das entsprechende Abschirmmuster 42 zum Auslöschen der verschlechterten Komponente des Gradienten-Magnetfeldes bestimmt. Dies kann durch einen einfachen Vorgang, wie er in den Schritten S21, S22 angegeben ist, erreicht werden mit der Ausnahme, daß es notwen dig ist, den Gleichungen (8) und (9) ein entgegengesetztes Zeichen für die verschlechterte Komponente des Gradientenmagnetfeldes zuzufügen.

Nach dem Schnitt des erhaltenen Abschirmmusters 42 kehrt der Prozeßablauf zum Schritt S23 zurück. Danach wird die Reihe von Abarbeitungen in der Schleife der Schritte S23 bis S27 wiederholt, bis schließlich im Schritt S28 die optimierten Spulenmuster für die Primär spule, das optimierte Abschirmmuster und die optimierte Verbindungsstromverteilung er halten werden.

Auf diese Weise wird es möglich, das durch die Stromverteilungen der Primärspule und die Verbindungsfläche erzeugte Streumagnetfeld im äußeren Bereich der Abschirmspule auf nahezu Null zu reduzieren, während gleichzeitig ein Gradientenmagnetfeld erzeugt wird, das eine gute Linearität im gewünschten Abbildungsfeld aufweist.

Aus Vergleichsgründen wird das Verfahren zum Konstruieren der einfachen bekannten Schnittgradientenspule gemäß Fig. 5B anhand des Flußdiagramms nach Fig. 10 erläutert.

Im Schritt S31 wird für die Primärspule die bekannte Stromverteilung festgelegt in Über einstimmung mit der gleichen Stromverteilungsbasisfunktion gemäß Fig. 8B, wie bei den konventionellen ASGC, bei der die Stromsumme gleich 0 ist. Dann wird im Schritt S32 die Stromverteilung für die Abschirmspule bestimmt und ein der Primärspule entsprechen des Abschirmmuster für das gewünschte Abbildungsfeld und die Abschirmleistung erhal ten, wie dies in Teil (a) von Fig. 11 angegeben ist. Im Schritt S33 wird nach dem Schnitt des Musters der Primärspule und der Abschirmspule die Verbindungsverdrahtung festge legt und die Konstruktion beendet. Wie die Teile (b) und (c) von Fig. 11 zeigen, wird die Linearität des Gradienten-Magnetfeldes (bzw. des Abbildungsfeldes) und die Abschirmlei stung nicht berücksichtigt, so daß in der entworfenen Gradientenspule die Verschlechterung als Folge des Vorhandenseins der Überbrückungsleitungen und der restlichen Stromrück führungen belassen wird.

Bei der konventionellen einfachen Schnittgradientenspule wird eine höhere Felderzeugungs leistung auf Kosten der Linearität des Abbildungsfeldes und der Abschirmleistung erreicht im Gegensatz zur Erfindung, bei der das Abbildungsfeld und die Abschirmleistung vergleichbar zu der konventionellen ASGC erhalten bleiben, wahrend das Gradienten-Magnet feld mit einer hohen Felderzeugungsleistung erzeugt wird.

Die Gradientenspule gemäß des ersten Vergleichsbeispiels wird konstruiert bzw. entworfen aus der Primärspulenstromverteilung, die im wesentlichen aus den Gradientenfelderzeu gungsströmen bestehen, während das Abbildungsfeld und die Abschirmleistung vergleichbar zur konventionellen ASGC sind, so daß die Anzahl der Stromrückführungen reduziert ist und deshalb die Induktivität, der Spulenwiderstand, die örtliche Hitzeentwicklung und die Antriebsleistung verringert werden können, verglichen zur konventionellen ASGC zum Erzeugen der gleichen Gradienten-Magnetfeldstärke, wobei die axiale Länge der Gradien tenspule kürzer gemacht werden kann. Mit der kürzeren axialen Länge können beim Umschalten des Gradienten-Magnetfeldes Geräusch und Vibration reduziert werden. Das Gewicht und die Herstellungskosten der Gradientenspule können außerdem verringert werden.

Es soll bemerkt werden, daß vorstehend der Fall beschrieben worden ist, bei dem die gleiche Gradienten-Magnetfeldstärke und das gleiche Abbildungsfeld wie bei der kon ventionellen ASGC realisiert wird. Als Alternative ist es auch möglich, den Fall zu betrachten, bei dem die gleiche Induktivität und das gleiche Abbildungsfeld wie bei der konventionellen ASGC verwirklicht werden. In diesem Fall wird der beschriebene Kon struktionsalgorithmus mit einem größeren Einstellwert für die Gradienten-Magnetfeldstärke in Gleichung (8) ausgeführt, während der Minimalwert der Induktivität so einzustellen ist, daß er dem der konventionellen ASGC entspricht.

Bei einer weiteren Alternative ist es ferner möglich, den Fall zu betrachten, bei der der gleiche Radius und die gleiche axiale Länge wie bei der konventionellen ASGC realisiert werden. In diesem Fall ist es möglich, das Abbildungsfeld der ASGC beim gleichen Aufbau (Radius, axiale Länge. etc.) durch Einstellen auch höherer Terme des Gradienten- Magnetfelds auf Null in der oben genannten Gleichung (9) zu vergrößern.

Es wird nun ein zweites Vergleichsbeispiel einer Gradientenspule im einzelnen beschrieben.

Bei diesem zweiten Vergleichsbeispiel weist die Gradientenspule den in Fig. 12 darge stellten Aufbau auf, bei dem eine zylindrische Primärspule 51 (X-Spule in Fig. 12) insgesamt vier rechtwinklige Ausschnitte 52 besitzt, zwei an jedem Ende, bezogen auf die axiale Richtung. In Fig. 12 ist die Stromverteilung 53 der Primärspule so angeordnet, daß diese Ausschnitte 52 jeweils umgeben werden, um die X-Spule zu realisieren.

Bei der konventionellen zylindrischen Gradientenspule zur Abbildung des Kopfbereichs ist die axiale Länge der Gradientenspule durch die Schultern des Patienten 54 begrenzt. Bei der Gradientenspule gemäß des zweiten Beispiels können die Ausschnitte 52 jedoch gesonderte Räume für die Schultern eines Patienten 54 verfügbar machen, so daß eine Gradientenspule mit größerer axialer Länge realisierbar ist.

Gemäß Carlson et al.: Magnetic Resonance in Medicine, 26, Seite 191, 1992, tendiert eine Gradientenspule mit größerer axialer Länge dazu, eine höhere Felderzeugungsleistung aufzuweisen, so daß es für die Gradientenspule gemäß des zweiten Beispiels möglich ist, eine höhere Felderzeugungsleistung zu realisieren.

Die Gradientenspule nach Fig. 12 kann gemäß dem gleichen Konstruktionsalgorithmus entworfen werden, wie er anhand von Fig. 7 für das erste Beispiel beschrieben worden ist, indem die Gleichung (5) durch die folgende Gleichung (16) ersetzt wird:

wobei

Es ist zu bemerken, daß dieses zweite Beispiel in gleicher Weise anwendbar ist bei der in Fig. 13 dargestellten Y-Spule, bei der die zylindrische Primärspule 51 vier Ausschnitte 52 geradeso wie im Fall von Fig. 12 aufweist. In Fig. 13 ist die Stromverteilung 53 so angeordnet, daß sie die zwei Ausschnitte 52 am gleichen Ende bezüglich der axialen Richtung überspreizt, um die Y-Spule zu realisieren.

Es soll bemerkt werden, daß die Fig. 12 und 13 Fälle darstellen, bei denen Ausschnitte in rechtwinkliger Form angewandt werden. Es ist gleichermaßen möglich, denselben Effekt unter Verwendung von Ausschnitten anderer Formen zu erzielen wie Halbkreisform, halb elliptischer Form, parabolischer Form, Trapezform, etc..

Es wird nun ein drittes Vergleichsbeispiel einer Gradientenspule im einzelnen beschrieben.

Fig. 14 zeigt eine Ausbildung der Gradientenspule dieses dritten Vergleichsbeispiels, wobei ein 1/2-Bereich eines Spulenmusters zur Erzeugung des Gradienten-Magnetfeldes in einer Richtung senkrecht zu der des statischen Magnetfeldes in einer Ebene dargestellt ist.

Die Gradientenspule nach Fig. 14 enthält eine Primärspule 91, eine Abschirmspule 92 und eine Verbindungsfläche 93 zum Verbinden der Primärspule 91 mit der Abschirmspule 92, wobei die Primärspule 91 eine Stromverteilung besitzt, die im wesentlichen aus den Gradientenfelderzeugungsströmen bestehen und die Abschirmspule eine Stromverteilung aufweist, um wirksam das durch die Primärspule 91 und die Verbindungsfläche 93 im äußeren Bereich erzeugte Magnetfeld auszulöschen. Die Verbindungsfläche 93 enthält Überbrückungsleitungen 94 zum Verbinden der Primärspule 91 mit der Abschirmspule 92 und restliche Stromrückführungen 95 zum Verbinden der Enden der hufeisenförmigen Strommuster an der Primärspule 91.

Das Gradienten-Magnetfeld hoher Linearität kann im gewünschten Abbildungsfeld in nerhalb dieser Gradientenspule mittels dieser Stromverteilung erzeugt werden.

Die Stromverteilungen der Primärspule 91, der Abschirmspule 92 und der Verbindungs fläche 93 werden tatsächlich durch Leiter oder Kupferdrähte mit Rechteckquerschnitt realisiert, die in Form der Stromverteilungsmuster durch Ätzen etc. hergestellt werden.

Im vorliegenden Fall ist die Abschirmspule 19 in der Gradientenspule gemäß Fig. 14 in einem Muster ausgebildet zum Abschirmen des Magnetfeldes, das durch die Stromver teilung der Primärspule 91 und der Verbindungsfläche 93 hervorgerufen wird. Der Konstruktionsalgorithmus ist ähnlich dem der ersten Ausführungsform und wird nun beschrieben.

Der beim Formen der Gradientenspule dieses dritten Vergleichsbeispiels zu benutzende Konstruktionsalgorithmus kann anhand des beschriebenen Flußdiagramms von Fig. 7 wie folgt erläutert werden.

Beim Schritt S21 werden die Konstruktionsmerkmale der Primärspule und der Abschirm spule, wie ihre Radien, bestimmt und die Hochleistungsstromverteilung für die Primärspule, die im wesentlichen aus den Gradientenfelderzeugungsströmen besteht, wird festgelegt.

Das durch die Stromverteilung j erzeugte Magnetfeld B kann im allgemeinen durch die oben genannte Gleichung (1) ausgedrückt werden. Ebenso können die Primärspulenstrom verteilung j^P und die Abschirmspulenstromverteilung j^S im allgemeinen durch die genannten Gleichungen (2) und (3) ausgedrückt werden.

In diesem Fall genügt die im wesentlichen aus den Gradientenfelderzeugungsströmen bestehende Stromverteilung der Primärspule der folgenden Beziehung (18):

wobei Z₁, Z₂ = Z-Koordinaten der beiden Enden der Primärspule.

Die Beziehung (18) kann erfüllt werden durch Festlegen der Stromdichte σ_ϕ beispielsweise gemäß der folgenden Gleichung (19).

Die Faktoren β_C und β_S werden gemäß dieser Erfindung das erstemal eingeführt, um eine Behandlung der Gradientenfelderzeugungsströme zu ermöglichen.

Beim Schritt S22 wird die Stromverteilung für die Abschirmspule so bestimmt, daß für das gewünschte Abbildungsfeld und die Abschirmleistung das der Primärspule entsprechende Abschirmmuster erhalten wird. Die Arbeitsfolge zur Bestimmung der Stromverteilung für die Abschirmspule ist im wesentlichen die gleiche, wie sie anhand des ersten Beispiels in Verbindung mit den Gleichungen (6) und (11) beschrieben worden ist. Auf diese Weise wird, wie in Teil (a) von Fig. 15 angegeben ist, das dem Primärspulenteil 121 entsprechende Abschirmmuster 122 alleine erhalten. Dieses Abschirmmuster 122 kann dann einem Schnitt des Musters unterworfen werden.

Im Schritt S23 wird die Verbindungsstromverteilung durch Schneiden der Rückführteile im Abschirmmuster bestimmt. Wie im Teil (b) von Fig. 15 angegeben, wird ein Teil oder die Gesamtheit der Stromrückführungen herausgeschnitten und die Stromwindungen der Abschirmspule sowie die Stromwindungen der Primärwicklung werden durch die Über brückungsleitungen 124 verbunden.

Im allgemeinen ist die Zahl der Stromwindungen der Abschirmspule kleiner als die Zahl der Stromwindungen der Primärspule, so daß Restwindungen in der Primärspule verbleiben. Wie in Teil (c) von Fig. 15 angegeben, sind diese Restwindungen durch restliche Stromrückführungen 126 an der Primärspulenzylinderfläche oder der Verbindungsfläche zum Verbinden der Primärspule und der Abschirmspule miteinander verbunden.

Im Schritt S24 werden die Abschirmmuster 125 und 127, die der Verbindungsstromver teilung in den Überbrückungsleitungen 124 und den restlichen Stromrückführungen 126 entsprechen, bestimmt. Der Arbeitsablauf zum Bestimmen dieser Abschirmmuster 125 und 127 ist im wesentlichen der gleiche, wie anhand des ersten Ausführungsbeispiels beschrie ben.

Im Schritt S25 wird, wie in Teil (d) von Fig. 15 angegeben ist, ein zusammengesetztes Abschirmmuster 128 erhalten, durch Überlagern des der Primärspule entsprechenden, im Schritt S21 bestimmten Abschirmmusters 122 und der Abschirmmuster 125 und 127, die der im Schritt S24 bestimmten Verbindungsstromverteilung entsprechen.

Im Schritt S26 wird das zusammengesetzte Abschirmmuster an den gleichen Stellen, an denen die Rückführteile beim Schritt S22 abgeschnitten wurden, herausgeschnitten und es wird als Folge dieses Schneidens eine in der Linearität verschlechterte Gradienten-Magnet feldkomponente erhalten, während die Verschlechterung aufgrund der Verbindungsstrom komponente berechnet wird und die verschlechterte Gradienten-Magnetfeldkomponente aufgrund des Schnitts des Abschirmmusters 128 und die Verbindungsstromkomponente ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten wird.

Beim Schritt S27 werden für das gewünschte Abbildungsfeld, ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, die Primärspule 121 und das entsprechende Abschirmmuster 122 zum Auslöschen der verschlechterten Gradienten-Magnetfeldkomponente bestimmt.

Nach dem Schneiden des erhaltenen Abschirmmusters 122 kehrt der Arbeitsablauf zum Schritt S23 zurück. Danach wird die Reihe der Arbeitsabläufe in der Schleife der Schritte S23 bis S27 so lange wiederholt, bis im Schritt S28 schließlich die optimierten Spulen strommuster für die Primärspule, die Abschirmspule und die Verbindungsstromverteilung erhalten werden.

Auf diese Weise wird es möglich, das durch die Stromverteilung der Primärspule und der Verbindungsfläche erzeugte leckende Magnetfeld im äußeren Bereich der Abschirmspule nahezu zu Null zu machen, während gleichzeitig ein Gradienten-Magnetfeld erzeugt wird, das im gewünschten Abbildungsfeld eine gute Linearität aufweist. Als Folge des Magnet feldkompensationseffekts durch die Abschirmspule ist die Windungszahl der Primärspule größer als die einer Gradientenspule ohne Abschirmung, eine Zunahme der Induktivität wird aber durch das Abschneiden der Stromrückführungen unterdrückt.

Da die Richtungen der Ströme in der Primärspule und in der Abschirmspule entgegengesetzt verlaufen, heben sich die durch die Stromwindungen verursachten Lorentzkräfte gegenseitig auf, so daß es möglich ist, das auf die Gradientenspule ausgeübte Drehmoment insgesamt zu verringern.

Die auf die Überbrückungsleitungen ausgeübten Lorentzkräfte treten auf, wie dies in Fig. 16 dargestellt ist. Diese Figur zeigt eine Ansicht der Gradientenspule in Richtung des statischen Magnetfeldes, wobei der Kreis 57 die Primärspule und der Kreis 58 die Ab schirmspule repräsentiert. In diesem Fall wird die Lorentzkraft 55 jeweils auf die Über brückungsleitung 56 senkrecht zur Richtung der Ströme in der Überbrückungsleitung 56 ausgeübt und insgesamt wird eine Kraft in negativer X-Richtung ausgeübt. Andererseits treten auf die restlichen Stromrückführungen ausgeübte Lorentzkräfte auf, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist. Diese Figur zeigt ebenfalls eine Ansicht der Gradientenspule in Richtung des statischen Magnetfeldes, wobei der Kreis 63 die Primärspule und der Kreis 64 die Ab schirmspule repräsentiert. In diesem Fall wird die Lorentzkraft 61 auf jede der restlichen Stromrückführungen 62 senkrecht zur Stromrichtung in der jeweiligen restlichen Strom rückführung 62 ausgeübt und insgesamt wird eine Kraft in positiver X-Richtung ausgeübt. So heben sich die auf die Überbrückungsleitungen und die restlichen Stromrückführungen ausgeübten Lorentzkräfte gegenseitig auf und das erzeugte Drehmoment ist klein.

Demzufolge ist das in der Gradientenspule gemäß des dritten Beispiels auftretende Drehmoment beträchtlich kleiner als das bei einer konventionellen asymmetrischen Gradien tenspule auftretende Drehmoment.

Darüberhinaus kann die axiale Länge der Gradientenspule gemäß dieses dritten Beispiels, verglichen zur konventionellen ASGC oder zur konventionellen asymmetrischen Gradientenspule, kürzer sein, da die auf die Gradientenspule ausgeübte Lorentzkraft klein wird, so daß das Geräusch und die Vibration beim Umschalten des Gradienten- Magnetfeldes reduziert werden kann. Ebenso können das Gewicht und die Herstellungs kosten der Gradientenspule reduziert werden.

Es wird nun eine erste Ausführungsform einer Gradientenspule gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Bei dieser ersten Ausführungsform enthält die Gradientenspule eine Primärwicklung 71 mit einer Stromwindungskonfiguration, wie sie in Fig. 18 dargestellt ist, und eine Ab schirmspule 72 mit einer Stromwindungskonfiguration, wie sie in Fig. 18B dargestellt ist, wobei die Fig. 18A und 18B einen 1/2 Bereich der betreffenden Stromwindungskon figurationen in einer Ebene darstellen.

Bei der ersten Ausführungsform ist ein Teil oder die Gesamtheit der Stromrückführungen der konventionellen ASGC herausgeschnitten und ein Endpunkt 73 jeder Windung an einem Seitenende der jeweiligen Spule ist zurückgeführt zum anderen Seitenende 75 der jeweiligen Spule mittels eines Strompfades 74 (im folgenden als Z-Richtungsstrompfad bezeichnet), der parallel zur Z-Richtung (der Richtung des statischen magnetischen Feldes) verläuft, wie dies in den Fig. 18A und 18B durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. Die Enden jeder Windung sind miteinander am anderen Seitenende 75 der jeweiligen Spule mittels einer restlichen Stromrückführung 76 verbunden. In den Fig. 18A und 18B ist das spiralförmige Muster 77, das den gestrichelten Linienteil einschließt, das Strommuster für die konventionelle ASGC, wobei der gestrichelte Linienteil der herausgeschnittene Teil bei dieser ersten Ausführungsform ist.

Hier erzeugt der Z-Richtungsstrompfad 74 keine Magnetfeldkomponente in Z-Richtung, so daß die Linearität des Gradienten-Magnetfeldes nicht im geringsten beeinträchtigt wird und auch keine Lorentzkraft ausgeübt wird. Mit anderen Worten, sowohl die Primärspule als auch die Abschirmspule dieser vierten Ausführungsform ist aus einer fingerabdruckförmi gen Stromverteilung gebildet, die das Gradienten-Magnetfeld erzeugt und aus Strompfaden in Z-Richtung, die das Gradienten-Magnetfeld nicht erzeugen.

Es wird nun eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gradientenspule im Detail beschrieben.

Bei dieser zweiten Ausführungsform enthält die Gradientenspule eine Primärspule mit einer Stromwindungskonfiguration, wie sie in Fig. 19A dargestellt ist, und eine Abschirmspule mit einer Stromwindungskonfiguration, wie sie in Fig. 19B dargestellt ist, wobei die Fig. 19A und 19B einen 1/2 Bereich der betreffenden Stromwindungskonfigurationen in einer Ebene darstellen.

Bei dieser zweiten Ausführungsform ist ebenso wie bei der beschriebenen ersten Aus führungsform mittels des in Z-Richtung verlaufenden Strompfades 83 ein Ende der jeweiligen Windung an einem Seitenende der jeweiligen Spule zum anderen Seitenende der jeweiligen Spule zurückgeführt. Dann ist ein Teil der Stromwindungen der Primärspule ähnlich wie beim vierten Ausführungsbeispiel mit den Stromwindungen der Abschirmspule durch Überbrückungsleitungen 81 verbunden, während der Rest der Stromwindungen der Primärspule durch die restlichen Stromrückführungen 82 verbunden ist und das zusammen gesetzte Abschirmmuster zur Kompensation des magnetischen Streufeldes der Primärspule, der Überbrückungsleitungen und der restlichen Stromrückführungen 82 gebildet wird.

In diesem Fall kann durch die Anwendung der Überbrückungsleitungen die Zahl der restlichen Stromrückführungen 82 in der Primärspule und der Abschirmspule reduziert werden, so daß die Induktivität der Gradientenspule, verglichen mit dem ersten Aus führungsbeispiel, reduziert werden kann.

Die Gradientenspule des zweiten Ausführungsbeispiels kann in der in Fig. 20 dargestellten Konstruktion ausgebildet sein. Diese Figur zeigt einen Axialschnitt eines Schichtaufbaus für sowohl die X- als auch die Y-Gradientenspule. Jede X-Spule und Y-Spule ist durch vier Schichten von Leitern gebildet, wobei zwischen jeweils benachbarten Leitern eine Isolationsschicht eingesetzt ist.

Im einzelnen verbindet eine Überbrückungsleitung 142 eine fingerabdruckförmige Strom verteilungsschicht 143 der Primärspule mit einer fingerabdruckförmigen Stromverteilungs schicht 144 der Abschirmspule für die X-Spule, während eine Überbrückungsleitung 145 eine in Z-Richtung verlaufende Strompfadschicht 146 der Primärspule mit einer in Z- Richtung verlaufenden Strompfadschicht 147 der Abschirmspule für die X-Spule verbindet. Ähnlich verbindet eine Überbrückungsleitung 148 eine fingerabdruckförmige Stromver teilungsschicht 149 der Primärspule mit einer fingerabdruckförmigen Stromverteilungs schicht 150 der Abschirmspule für die Y-Spule, während eine Überbrückungsleitung 151 eine in Z-Richtung verlaufende Strompfadschicht 152 der Primärspule mit einer in Z- Richtung verlaufenden Strompfadschicht 153 der Abschirmspule für die Y-Spule verbindet. Die fingerabdruckförmige Stromverteilungsschicht und die in Z-Richtung verlaufende Strompfadschicht jeweils für die Primärspule und die Abschirmspule sind in einem Bereich 154 Stromwindung mit Stromwindung miteinander verbunden.

Bei dem Aufbau nach Fig. 20 ist es möglich, den Leiterquerschnittsbereich für die jeweilige Stromschicht groß zu machen, so daß es möglich ist, die örtlich Hitzeentwicklung bei der Erzeugung eines Gradientenmagnetfeldes in der Größenordnung von 20 mT/m oder mehr zu reduzieren.

Gemäß Fig. 20 ist eine Spulenanordnung von fingerabdruckförmigen Stromverteilungs schichten für die Primärspule und die Abschirmspule und Überbrückungsleitungen zur Ver bindung dieser Schichten so ausgebildet, daß sie die Spulenanordnung der in Z-Richtung verlaufenden Strompfadschichten für die Primärspule und die Abschirmspule einschließlich der dieselben verbindenden Überbrückungsleitungen einschließt. Es ist jedoch auch mög lich, diese Schichten in ihrer Reihenfolge umzukehren, so daß die letztere die erstere um gibt.

Es wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gradientenspule im Detail beschrieben.

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel enthält die Gradientenspule eine Primärspule mit einer Stromwindungskonfiguration wie sie in Fig. 21A dargestellt ist, und eine Abschirm spule mit einer Stromkonfiguration wie sie in Fig. 21B dargestellt ist, wobei die Fig. 21A und 21B einen 1/2-Bereich der betreffenden Stromwindungskonfigurationen in einer Ebene darstellen.

Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel ist ein zusammengesetztes Abschirmmuster gebildet, um die magnetischen Streufelder auszulöschen, die nicht nur durch die Primärspule, die Überbrückungsleitungen und die restlichen Stromrückführungen hervorgerufen werden, sondern auch durch die in Z-Richtung verlaufenden Strompfade in der Primärspule.

Die Stromdichte j_lz des in der Primärspule in Z-Richtung verlaufenden Strompfades kann durch die folgende Gleichung (20) ausgedrückt werden:

j_lz(ρ', ϕ', z') = (0, 0, j lz|z(ϕ', z')δ(ρ' - R) (20)

Damit können die in Z-Richtung verlaufenden Strompfade in gleicher Weise wie die Überbrückungsleitungen und die restlichen Stromrückführungen behandelt werden, durch Erhalt des Abschirmmusters entsprechend den in Z-Richtung verlaufenden Strompfaden der Primärspule bei Schritt S24 von Fig. 7 und durch Erhalt der verschlechterten Komponente des Gradientenmagnetfeldes als Folge des Abschneidens des zusammengesetzten Ab schirmmusters im Schritt S26 von Fig. 7, so daß die Gradientenmagnetfeldverschlechterung in der gleichen Weise, wie für das erste Beispiel beschrieben, ausgelöscht werden kann.

Auf diese Weise ist es möglich, verglichen zur zweiten Ausführungsform, eine Gradienten spule mit höherer Abschirmleistung zu realisieren.

Die Gradientenspule gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann in der in Fig. 22 dargestellten Konstruktion ausgebildet sein. Die Figur zeigt den Axialschnitt des Schicht aufbaus sowohl für die X- als auch für die Y-Gradientenspule. Die X-Spule und die Y-Spule sind jeweils mit drei Leiterschichten ausgebildet, wobei zwischen jeweils benachbarte Leiter eine Isolierschicht eingefügt ist. Bei sowohl der X-Spule als auch der Y-Spule weist die Primärspule eine fingerabdruckförmige Stromverteilungsschicht und eine in Z-Richtung verlaufende Strompfadschicht auf, während die Abschirmspule eine einzige Abschirmspulenleiterschicht aufweist.

Im einzelnen sind in Fig. 22 die fingerabdruckförmige Stromverteilungsschicht 156 der Primärspule und die in Z-Richtung verlaufende Strompfadschicht 159 der Primärspule für die X-Spule durch Überbrückungsleitungen 155 und 158 mit einer Abschirmspulenleiter schicht 157 für die X-Spule verbunden, während die Stromverteilungsschicht 161 der Primärspule und die in Z-Richtung verlaufende Strompfadschicht 164 der Primärspule für die Y-Spule durch Überbrückungsleitungen 160 und 163 mit einer Abschirmspulenleiter schicht 152 für die Y-Spule verbunden sind.

Dieser Aufbau nach Fig. 22 entspricht dem Fall einer Modifikation des dritten Beispiels, bei der die Primärspulenstromverteilung in zwei Schichten ausgebildet ist, die die Z- Richtungsstrompfadschicht und die fingerabdruckförmige Strompfadverteilungsschicht umfassen.

Bei dem Aufbau nach Fig. 22 kann durch Ausbildung der Primärspule in zwei Schichten die Windungszahl in Umfangsrichtung pro Schicht in einem Bereich reduziert werden, der in der Nähe der Positionen zum Verbinden der Überbrückungsleitungen und der restlichen Stromrückführungen liegt, so daß es möglich ist, einen großen Leiterquerschnitt pro Windung zu realisieren und die örtlich Hitzeentwicklung zu reduzieren.

Damit hat die Gradientenspule gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine höhere Abschirmleistung im Vergleich zum zweiten Ausführungsbeispiel, eine äquivalente Feld erzeugungsleistung wie das zweite Ausführungsbeispiel und eine kleinere örtliche Hitzeentwicklung im Vergleich zum zweiten Ausführungsbeispiel.

Claims

1. Gradientenspule für die Kernspin-Tomographie, mit
einer Primärspule (71) mit einer an einem inneren Zylinder ausgebildeten finger abdruckförmigen Stromverteilung, bei der wenigstens ein Teil der Stromrückführleitungen (77) abgeschnitten ist,
einer Abschirmspule (72) mit einer an einem äußeren Zylinder ausgebildeten Strom verteilung zum Auslöschen des durch die Primärspule (71) außerhalb des äußeren Zylinders erzeugten Magnetfeldes, und
einem Überbrückungsverbindungsglied (81) zum Verbinden wenigstens eines Teils der abgeschnittenen Stromrückführleitungen (77) der Primärspule (71) mit der Abschirmspule (72),
gekennzeichnet durch Rückführstrompfade (74, 83) zum Führen des abgeschnittenen Teils der Stromrückführleitungen (77) von einem Ende der Gradientenspule zu dem anderen Ende der Gradientenspule.

2. Gradientenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführstrompfade (74, 83) im wesentlichen parallel zur axialen Richtung der Gradientenspule verlaufen.

3. Gradientenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner ein Rückführverbindungsglied (76, 82) zum Verbinden wenigstens eines Teils der abgeschnittenen Stromrückführleitungen (77) an dem anderen Ende der Gradientenspule enthält.

4. Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß das Überbrückungsverbindungsglied (81) den Teil der abgeschnittenen Stromrück führleitungen (77) und einen Teil der Rückführstrompfade (74, 83) der Primärspule (71) mit der Abschirmspule (72) verbindet.

5. Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die fingerabdruckförmige Stromverteilung und die Rückführstrompfade (74, 83) der Primärspule (71) in getrennten Schichten ausgebildet sind.

6. Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die Abschirmspule (72) eine Stromverteilung, bei der wenigstens ein Teil der Stromrückführleitungen der Abschirmspule (72) abgeschnitten ist, und Rückführstrompfade (74, 83) der Abschirmspule (72) zum Führen des abgeschnittenen Teils der Stromrückführleitungen (77) der Ab schirmspule (72) von dem einen Ende der Gradientenspule zu dem anderen Ende der Gradientenspule aufweist.

7. Gradientenspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführstrompfade (74, 83) der Abschirmspule (72) im wesentlichen parallel zur axialen Richtung der Gradientenspule verlaufen.

8. Gradientenspule nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein Rückführverbindungsglied (76, 82) der Abschirmspule (72) zum Verbinden eines Teils der abgeschnittenen Stromrückführleitungen (77) der Abschirmspule (72) an dem genannten anderen Ende.

9. Gradientenspule nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Überbrückungsverbindungsglied (81) einen Teil der abgeschnittenen Stromrückführleitungen (77) und der Rückführstrompfade (74, 83) der Primärspule (71) mit Stromrückführleitungen und Rückführstrompfaden der Abschirmspule (72) verbindet.

10. Gradientenspule nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeich net, daß die Stromverteilung und die Rückführstrompfade (74, 83) der Abschirmspule (72) in getrennten Schichten ausgebildet sind.

11. Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß ein Spulenaufbau für einen ersten Kanal, der durch einen Teil der Primärspule (71) für einen ersten Kanal und einen Teil der Abschirmspule (72) für einen ersten Kanal gebildet wird, innerhalb eines Spulenaufbaus für einen zweiten Kanal eingeschlossen ist, der durch einen Teil der Primärspule (71) für einen zweiten Kanal und einen Teil der Abschirmspule (72) für einen zweiten Kanal gebildet wird.

12. Kernspin-Tomographiegerät mit einer Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Abbildungseinrichtung zum Abbilden eines zu untersuchenden Körpers, der in einem homogenen statischen Magnetfeld plaziert ist, durch Beaufschlagen des zu untersuchenden Körpers mit einem Hochfrequenzmagnetfeld und Betreiben der Gradientenspule derart, daß der zu untersuchende Körper gemäß einer Impulssequenz Gradientenmagnetfeldern ausgesetzt wird, wobei die von dem zu untersuchenden Körper emittierten Kernspinresonanzsignale abhängig von dem Hochfrequenzmagnetfeld und dem Gradientenmagnetfeldern erfaßt und verarbeitet werden, um Kernspinresonanzbilder zu konstruieren.