DE19545222A1 - Gradientenspulen für Therapietomographen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gradientenspulensystem zur Erzeugung eines magnetischen Transversalgradienten G_x = dB_z/dx in einem Kernspinresonanz (NMR) -Tomographen mit einem Hauptfeldmagneten zur Erzeugung eines homogenen statischen Hauptmagnetfeldes B_z in einem Meßvolumen, dessen Zentrum mit einem Koordinatenursprung eines kar­ tesischen x-, y-, z-Koordinatensystems zusammenfällt, wobei das Hauptmagnetfeld B_z längs der z-Achse gerich­ tet ist und ein axialer und ein transversaler Zugang zum Meßvolumen besteht, wobei der magnetische Transver­ salgradient G_x = dB_z/dx längs der x-Achse dieses Koor­ dinatensystems ausgerichtet ist, wobei das Gradien­ tenspulensystem aus vier Teilspulen S_1x, S_2x, S_3x, S_4x mit jeweils zwei Stromanschlüssen A₁, A₂ besteht, die spiegelsymmetrisch zur xy-Ebene(z=0) und spiegelsymme­ trisch zur zy-Ebene (x=0) angeordnet sind, wobei jede Teilspule Windungsabschnitte auf einem inneren und ei­ nem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax um die z-Achse sowie je­ weils in einer radialen Verbindungsfläche V_+x, V_-x im wesentlichen parallel zur xy-Ebene enthält, wobei die Windungsabschnitte einer jeden Teilspule bei Betrieb in Serie von Strom durchflossen werden, und wobei die ra­ dialen Verbindungsflächen V_+x, V_-x derjenigen Teilspulen (S_1x, S_4x; S_2x, S_3x), die einander bezüglich der xy-Ebene gegenüberliegen, voneinander beabstandet sind.

Eine solches Gradientenspulensystem einer NMR-Meßein­ richtung ist beispielsweise bekannt aus der Druck­ schrift DE 42 30 145 A1.

Während Tomographiesysteme in der Vergangenheit prak­ tisch ausschließlich zur Diagnose benutzt wurden, be­ steht in Zukunft ein immer größer werdender Bedarf an kombinierten Systemen, bei denen Therapiemaßnahmen mit Tomographiegeräten unmittelbar verfolgt und kontrol­ liert werden können. Zahlreiche Therapiemaßnahmen, wie z. B. chirurgische, insbesondere mikrochirurgische Ein­ griffe oder Bestrahlungen erfordern dabei einen mög­ lichst freien Zugang zum Patienten. Dieser wird jedoch bei herkömmlichen NMR-Systemen durch sämtliche drei felderzeugenden Komponenten, nämlich den Hauptfeldma­ gneten, das Gradientenspulensystem sowie den HF- Resonator verhindert.

Hinsichtlich des Hauptfeldmagneten ist das Problem be­ reits beispielsweise durch ein aus der DE 39 07 927 A1 bekanntes Magnetsystem mit einer einer Helmholtzspule ähnlichen Transversalfeldspule gelöst, die aufgrund ih­ rer Bauart den freien seitlichen Zugang zum Meßvolumen besonders wenig einschränkt.

Das Problem eines möglichst unbehinderten seitlichen Zugriffs durch den HF-Resonator wurde beispielsweise in der Patentanmeldung DE 42 30 140 A1 mit Hilfe der dort beschriebenen asymmetrischen Sattelspule gelöst, wobei die für einen Tomographen wichtige Eigenschaft einer ausreichend hohen Homogenität des erzeugten HF-Feldes erfüllt ist.

Um nun die Durchführung minimalinvasiver Verfahren (sogenannter "Schlüssellochchirurgie") zu ermöglichen, bei denen aus Gründen des mangelnden direkten Sichtfel­ des auf die Operationszone wegen der unter Umständen winzigen Operationsöffnung am Patienten ein NMR- Monitoring dem Operateur eine entscheidende Hilfe zur on-line-Beobachtung der Operation an die Hand gibt, sollte der transversale Zugang zum Meßvolumen im Inne­ ren der NMR-Apparatur mit einem möglichst großen seit­ lichen Zugriffswinkel nicht letztlich durch das Gra­ dientenspulensystem behindert werden.

Es ist beispielsweise aus der Druckschrift EP-A 0 073 402 ein Gradientenspulensystem in Form von Einfach- oder Mehrfachsattelspulen bekannt, die sich auf einem azimutalen Abschnitt um die z-Achse jeweils paarweise gegenüberliegen. Ein solches Gradientenspulensystem be­ findet sich in der axialen Bohrung des Hauptfeldmagne­ ten und durchdringt herkömmlicherweise den axialen Be­ reich um den Koordinatenursprung, also gerade auch eine durch die oben erwähnte spezielle Konstruktion des Hauptfeldmagneten und des HF-Resonators freigehaltene seitliche Lücke ("GAP"). Da die bekannten Transversal­ gradientenspulen, insbesondere die üblicherweise zusam­ men mit diesen verwendeten Abschirmspulen ausgerechnet im Bereich der Mittelebene z = 0 ihre größte Windungs­ dichte besitzen, geht dabei der Vorteil der Transparenz und Manipulationsmöglichkeit am Patienten auf Grund der speziellen Gestaltung des Hauptfeldmagneten und des HF- Spulensystems wieder völlig verloren. Andererseits wür­ de eine räumliche Anordnung der bekannten Sattelspulen, die nur auf Zylinderflächen um die z-Achse angeordnet sind, unter der Randbedingung, daß kein Spulenteil in den Lückenbereich hineinragt, zu starken Nichtlineari­ täten der erzeugten Gradientenfelder, zu sehr schwachen Gradientenstärken und zu großen Streufeldern im Bereich des Kryostaten, also zum Anwerfen von Wirbelströmen beim Schalten der Gradienten führen, die wiederum die Homogenität des statischen Magnetfeldes B₀ im Untersu­ chungsvolumen beeinträchtigen können.

Aus der Druckschrift DE 40 29 477 A1 sind tesserale Gradientenspulen für NMR-Tomographiegeräte bekannt, bei denen sich symmetrisch zur Ebene z = 0 und zu einer da­ zu senkrechten Ebene, beispielsweise y = 0, Teilspulen des Gradientenspulensystems gegenüberliegen, die je­ weils zwei azimutale Segmente mit unterschiedlichen ra­ dialen Abständen r₁ und r₂ von der z-Achse aufweisen, welche jeweils die gleiche z-Position besitzen. Durch diese Anordnung soll das vom Gradientenspulensystem er­ zeugte parasitäre Magnetfeld mit Feldkomponenten senk­ recht zur z-Achse, das im Untersuchungsobjekt und im Kryostaten des Grundfeldmagneten Ströme induziert, ver­ ringert werden. Mit einem Satz von zwei Spulen dieser Art zu beiden Seiten ( bezüglich der xy-Ebene) der oben erwähnten Zugriffslücke zum Untersuchungsvolumen der NMR-Meßeinrichtung ließe sich theoretisch ein Gradien­ tenspulensystem mit einem unbehinderten transversalen Zugriff zum Meßvolumen und einer axialen Bohrung zur Aufnahme des Patienten aufbauen. Die Linearität solcher Spulenanordnungen ist jedoch stark eingeschränkt.

Durch die eingangs zitierte DE 42 30 145 A1 wurde eine NMR-Meßeinrichtung mit einem Gradientenspulensystem da­ hingehend verbessert, daß gleichzeitig x- und y- Gradienten erzeugt werden können, und daß die tessera­ len Gradientenspulen einerseits im Meßvolumen ein mög­ lichst lineares magnetisches Gradientenfeld erzeugen, andererseits aber einem seitlichen oder schrägen Zu­ griff auf das Meßvolumen möglichst überhaupt nicht oder nur sehr wenig im Wege stehen und damit einen freien Zugang zum Meßvolumen eröffnen.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß jede Teilspule mehrere Windungen aufweist, und die beiden azimutalen Segmente einen axialen Abstand voneinander in Richtung der z-Achse aufweisen, wobei das radial äußere Segment mit dem radialen Abstand r₂ von der z-Achse axial be­ züglich der z-Achse näher am Koordinatenursprung ange­ ordnet ist als das radial innere Segment mit dem radia­ len Abstand r₁ von der z-Achse, und wobei die beiden Segmente durch Leiterabschnitte miteinander verbunden sind und sich gemeinsam auf einer rotationssymme­ trischen oder ellipsoiden Fläche r(z) befinden. Mit ei­ ner derartigen Anordnung kann ein tesserales Gradien­ tenfeld erzeugt werden, dessen Linearität im Meßvolumen vergleichbar mit der von klassischen Sattelspulen oder stromlinienförmigen Spulen erzeugten tesseralen Gra­ dientenfeldern ist, wobei der seitliche Zugriff auf das Meßvolumen durch das Gradientenspulensystem nicht be­ hindert wird und sich zusätzlich der Vorteil eines ge­ ringen parasitären Anteils an radialen Feldkomponenten des erzeugten Gradientenfelds außerhalb des Meßvolumens ergibt. Wegen der Anordnung aller Leiterelemente bei­ spielsweise einer x-Gradientenspule in einer rotations­ symmetrischen Fläche r_x(z) können alle Teilspulen die­ ser Gradientenspule beispielsweise auf der Oberfläche einer dicht benachbarten Montagefläche r_x1(z) montiert werden. Die Oberfläche aller Teile der fertig montier­ ten x-Gradientenspule stellt dann erneut eine ähnliche und dicht benachbarte Fläche dar, auf die die Teilspu­ len der y-Gradientenspulen - jeweils um 90° gegenüber den entsprechenden Teilspulen der x-Gradientenspule versetzt - aufgelegt und befestigt werden können. Auf­ grund von Feldberechnungen ließ sich zeigen, daß solche Spulensysteme zu einem recht befriedigenden Abbildungs­ verhalten führen.

Bei den bekannten Gradientensystemen für Tomographiesy­ steme mit transversalem Zugang ist jedoch die Indukti­ vität bei vorgegebener Gradientenstärke pro Stromein­ heit sehr groß. Zudem ist das System nicht oder nur durch zusätzliche Abschirmspulen nach außen hin abge­ schirmt, was zu merklichen Wirbelstromproblemen beim Gradientenschalten führen kann.

Um die Wirkung der Gradientenspulen nach außen hin ab­ zuschirmen, sind bei vielen bekannten Systemen aktive Abschirmspulen zu jeder Teilspule des Gradientenspulen­ systems vorgesehen, die einen größeren radialen Abstand von der z-Achse aufweisen, als die Gradientenspulen selbst. Beispielsweise aus der DE 42 10 217 A1 ist ein Transversalgradientenspulensystem zur Erzeugung eines x-Gradienten G_x, bekannt, das neben den vier Teilspulen zur Erzeugung des x-Gradienten G_x weitere vier Teilspu­ len zur Abschirmung der Gradientenspulen aufweist. Das bekannte x-Gradientenspulensystem besteht also insge­ samt aus acht Teilspulen, von denen die eigentlichen Gradientenspulen auf einem inneren Zylinder, die Ab­ schirmspulen auf einem äußeren Zylinder um die z-Achse angeordnet sind.

Ein Nachteil dieser bekannten Gradientenspulensysteme liegt darin, daß zur Erzeugung des Transversalgradien­ ten nur die Teilspulenbereiche nützlich sind, die in der Nähe der xy-Ebene (z=0) liegen. Die Rückschlußab­ schnitte der Teilspulen hingegen sind unnütz bzw. sogar destruktiv im Hinblick auf die Linearität des zu erzeu­ genden Transversalgradienten. Außerdem vergrößern diese Rückschlußabschnitte den elektrischen Widerstand sowie die Gesamtinduktivität und die Gesamtlänge des Gradien­ tenspulensystems.

Eine Verbesserung in dieser Hinsicht-stellt demgegen­ über das Gradientenspulensystem nach der GB 22 65 986 A dar. Pro Gradientenrichtung enthält das dort vorge­ stellte System lediglich vier statt acht Teilspulen, wobei jede Spule zwei zylindrische Abschnitte und einen die beiden Abschnitte verbindenden planaren Abschnitt in einer Ebene senkrecht zur z-Achse aufweist. Die Rückschlußbögen werden gegenüber der Anordnung nach DE 42 10 217 A1 gewissermaßen in einer Ebene radial nach außen geführt und schließen sich auf einem Abschirmzy­ linder mit größerem Radius. Dabei befindet sich die Verbindungsfläche V der Abschnitte einer jeden Teilspu­ le jeweils auf dem der xy-Ebene abgewandten Teil der Spule, ist also maximal weit von der Mittelebene beab­ standet.

Das Gradientenspulensystem nach der GB 22 65 986 A be­ sitzt einen kleineren elektrischen Widerstand, eine ge­ ringere Induktivität und eine kleinere axiale Ausdeh­ nung längs der z-Achse als das beispielsweise in der DE 42 10 217 A1 beschriebene System. Außerdem ergeben sich mit diesem Gradientenspulensystem Transversalgradienten von besserer Linearität und es wird keine "Gradienten­ umkehr" im Bereich der Rückschlußbögen beobachtet.

In der GB 22 65 986 A sind nur Anordnungen angegeben, bei den sich die auf dem äußeren Zylinder befindlichen Abschirmwindungen von der radialen Verbindungsfläche V zur Mittelebene (z=0) hin erstrecken. Die Verbindungs­ flächen V der beiden Zylinder, in denen sich die radia­ len Abschnitte der Wicklungen der jeweiligen Teilspulen befinden, ist daher maximal weit von der xy-Ebene ent­ fernt. Eine solche Anordnung schirmt im allgemeinen die Wirkung des Transversal-Gradienten nach außen hin nicht perfekt ab, weil im Bereich der jeweiligen Verbin­ dungsfläche V unabgeschirmte Streufelder übrigbleiben, die nur durch Ströme kompensiert werden könnten, die von der Mittelebene (z=0) aus gesehen jenseits der Ver­ bindungsfläche V fließen müßten. Dies ist jedoch bei der Gradientenspulenanordnung nach GB 22 65 986 A nicht verwirklicht.

Bei diesem bekannten Gradientensystem nach GB 22 65 986 A verbleibt kein transversaler Zugang.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Gradientenspulensystem der eingangs geschilderten Art vorzustellen mit einem transversalen Zugang zum Un­ tersuchungsvolumen, das bei geringer Induktivität einen guten Wirkungsgrad, eine gute Linearität sowie eine gu­ te Abschirmwirkung zeigt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überra­ schend einfache wie wirkungsvolle Art dadurch gelöst, daß die Teilspulen S_1x, S_2x, S_3x, S_4x so ausgebildet sind, daß die Windungsabschnitte auf dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax axial von der xy-Ebene weiter beabstandet sind als die jeweilige radiale Ver­ bindungsfläche V_+x, V_-x und daß der axiale Abstand d_vx der Verbindungsflächen V_+x, V_-x voneinander größer ist als der radiale Abstand d_Zx zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax.

Aus der DE 40 29 477 A1 sind zwar relativ primitive Geometrien von Gradientenspulen bekannt, bei denen die Windungsabschnitte der Teilspulen auf dem inneren und äußeren Zylinder axial von der xy-Ebene weiter beab­ standet sind als die jeweilige radiale Verbindungsebe­ ne, jedoch kann damit keine besonders gute Abschirmwir­ kung erreicht werden. Würde man andererseits von diesen primitiven Spulenanordnungen abweichen um eine bessere Abschirmung zu erzielen, wäre die i.d.R. notwendige räumliche Verschachtelung der x- und y-Gradientenspu­ lensysteme durch die dann erforderliche Anzahl von Ver­ bindungsleitern nicht mehr möglich.

Die Zylinder sind nicht notwendigerweise Kreiszylinder sondern können auch einen abweichenden, z. B. ellipti­ schen, Querschnitt haben. Wenn hier und im folgenden von Radius gesprochen wird, ist daher der über den Zy­ linderumfang gemittelte Abstand der Zylinderoberfläche von der Achse gemeint.

Vorzugsweise liegt der axiale Abstand d_Vx der radialen Verbindungsflächen V_+x, V_-x voneinander in einem Bereich zwischen dem 0,8-fachen und dem 1,45-fachen des Radius R_ax des äußeren Zylinders.

Auf diese Weise werden bei einem ausreichend großen transversalen Zugang Spulenanordnungen mit einer beson­ ders guten Linearität sowie besonders kleiner Indukti­ vität bei vorgegebener Gradientenstärke pro Stromein­ heit möglich.

Vorzugsweise liegt der Radius R_ix des inneren Zylinders Z_ix zwischen dem 0,35-fachen und dem 0,8-fachen des Ra­ dius R_ax des äußeren Zylinders Z_ax.

Dadurch werden bei einem ausreichend großen axialen Zu­ gang Spulenanordnungen mit einer besonders guten Linea­ rität sowie besonders kleiner Induktivität bei vorgege­ bener Gradientenstärke pro Stromeinheit möglich.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der axiale Ab­ stand d_Vx der Verbindungsflächen V_+x, V_-x voneinander größer als 30 cm, vorzugsweise größer oder gleich 50 cm.

Dies gestattet einen guten transversalen Zugang für Be­ obachtungs- bzw. Therapiezwecke beispielsweise in Ver­ bindung mit Ganzkörpertomographie am Menschen.

Dabei ist vorzugsweise der axiale Abstand (d_Vx) der Verbindungsebenen (V_+x, V_-x) voneinander ungefähr gleich der axialen Ausdehnung des transversalen Zugangs des Hauptfeldmagneten.

Bevorzugt ist eine fertigungstechnisch besonders ein­ fach herstellbare Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenspulensystems, bei der der innere und der äu­ ßere Zylinder Z_ix, Z_ax um die z-Achse jeweils ein Kreis­ zylinder ist.

Vorzugsweise umfassen die Windungsabschnitte jeder Teilspule auf dem inneren und äußeren Zylinder (Z_ix, Z_ax) jeweils etwa 180°. Dies hat den Vorteil, daß bei der Auslegung der Teilspulen insgesamt der volle Umfang von 360° ausgenutzt werden kann.

Vorzugsweise befinden sich beide Stromanschlüsse (A₁, A₂) jeder Teilspule jeweils auf dem inneren Zylinder (Z_ix).

In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Mehr­ zahl der Windungsabschnitte, vorzugsweise alle, auf dem inneren Zylinder Z_ix unter Berücksichtigung der Strom­ richtung eine einheitliche azimutale Richtung zur z- Achse und schließen sich also nicht auf dieser Zylin­ derfläche.

Auf diese Weise lassen sich die Forderungen nach gerin­ ger Induktivität und guter Linearität besonders gut er­ füllen.

In einer darüber hinaus bevorzugten Ausführungsform be­ sitzt die Mehrzahl der in den radialen Verbindungsflä­ chen V_+x, V_-x geführten Windungsabschnitte unter Berück­ sichtigung der Stromrichtung eine einheitliche azimuta­ le Richtung, die zu der azimutalen Richtung der auf dem inneren Zylinder geführten Windungsabschnitte entgegen­ gesetzt ist.

Dadurch wird die Induktivität solcher Spulenanordnungen bei vorgegebener Gradientenstärke pro Stromeinheit wei­ ter verkleinert.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die azimutalen Komponenten der in den radialen Verbindungs­ flächen V_+x, V_-x geführten Windungsabschnitte im radial äußeren Bereich der radialen Verbindungsflächen größer als im radial inneren Bereich dieser Flächen.

Dadurch wird eine weitere Verkleinerung der Induktivität bei vorgegebener Gradientenstärke pro Stromeinheit erreicht.

In einer darüber hinaus bevorzugten Ausführungsform be­ sitzen die auf dem äußeren Zylinder Z_ax geführten Win­ dungsabschnitte unter Berücksichtigung der Stromrich­ tung mehrheitlich eine einheitliche azimutale Richtung, die zu der azimutalen Richtung der auf dem inneren Zy­ linder Z_ix geführten Windungsabschnitte entgegengesetzt gerichtet ist.

Auf diese Weise wird eine besonders gute Abschirmwir­ kung des Magnetfeldes der Gradientenspulenanordnung nach außen, z. B. zum Kryo-staten des Hauptmagnetfelds hin erreicht.

Weiterhin ist bevorzugt, daß der äußere Zylinder Z_ax weniger Windungsabschnitte besitzt als der innere Zy­ linder Z_ix.

Auf diese Weise wird die Abschirmwirkung weiter verbes­ sert.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die axial äußersten Windungsabschnitte auf dem äußeren Zy­ linder Z_ax weiter von der xy-Ebene entfernt als die axial äußersten Windungsabschnitte auf dem inneren Zy­ linder Z_ix.

Auch dadurch wird die Abschirmwirkung weiter verbes­ sert.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Verteilung der Windungsabschnitte auf dem äußeren Zy­ linder Z_ax so berechnet, daß axial außerhalb der Ver­ bindungsflächen V_+x, V_-x auf der Zylinderfläche keine radialen Gradientenfeldkomponenten vorhanden sind.

Auch dadurch wird die Abschirmwirkung weiter verbes­ sert.

Die erfindungsgemäßen Spulen können bei Ausführungsfor­ men aus Windungen von Drähten, vorzugsweise Kupferdräh­ ten bestehen. Bei anderen Ausführungsformen können die Spulen zumindest teilweise aus in sich geschlossenem Band, vorzugsweise aus Kupferblech bestehende, soge­ nannte "stream- line- Spulen" sein. Derartige Streamline- Spulen sind an sich bekannt aus der Druckschrift EP-A 0 320 285 und weisen die dort geschilderten Vorteile auf.

Sowohl die erfindungsgemäßen Gradientenspulen, als auch die Kompensations-, Abschirm- und Zylinderspulen sind üblicherweise in einem Tragekörper mit Kunststoff in der Weise vergossen, daß eine axiale Bohrung um die z- Achse offen bleibt, die zur Aufnahme eines Menschen in das Tomographiesystem geeignet ist.

Um den Vorteil einer großen Transparenz bezüglich eines seitlichen Eingriffs oder eines Zugriffs von schräg oben in Richtung auf das Meßvolumen, wie es durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Gradientenspulensystems erreicht wird, voll ausnutzen zu können, empfiehlt es sich, als Hauptfeldspule ein System gemäß der oben er­ wähnten Druckschrift DE 39 07 927 A1 mit einem Helm­ holtz-ähnlichen Aufbau der Transversalfeldspule zu ver­ wenden. Die Merkmale und Vorteile einer derartigen Hauptfeldspule sind in der genannten Druckschrift, auf die hier ausdrücklich voll inhaltlich Bezug genommen wird, ausführlich diskutiert, so daß an dieser Stelle auf eine Wiederholung dieser Merkmale verzichtet werden kann.

Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes x-Gradi­ entenspulensystem, bei dem auch ein y-Gradientenspulen­ system zur Erzeugung eines magnetischen Transversalgra­ dientenfeldes G_y = dB_z/dy in y-Richtung vorgesehen ist, dessen Teilspulen S_1y, S_2y, S_3y S_4y gegenüber dem x- Gradientenspulensystem um 90° um die z-Achse verdreht angeordnet sind.

Ebenso wie bei dem erfindungsgemäßen x-Gradientenspu­ lensystem kann vorgesehen sein, daß das y-Gradienten­ spulensystem aus vier Teilspulen S_1y, S_2y, S_3y, S_4y mit jeweils zwei Stromanschlüssen besteht, die spiegelsym­ metrisch zur xy-Ebene (z=0) und spiegelsymmetrisch zur zx-Ebene (y=0) angeordnet sind, wobei jede Teilspule ausschließlich Windungsabschnitte auf einem inneren und einem äußeren Zylinder Z_iy, Z_ay um die z-Achse sowie in einer radialen Verbindungsfläche V_+y, V_-y im wesentli­ chen parallel zur xy-Ebene enthält, wobei die Windungs­ abschnitte einer jeden Teilspule bei Betrieb in Serie von Strom durchflossen werden, und wobei die radialen Verbindungsflächen V_+y, V_-y derjenigen Teilspulen S_1y, S_2y, S_3y, S_4y, die einander bezüglich der zx-Ebene gegen­ überliegen, voneinander beabstandet sind.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung dieses Sy­ stems, bei dem das y-Gradientenspulensystem nach Art des oben beschriebenen x-Gradientenspulensystems ausge­ bildet ist. Dadurch ergeben sich die geschilderten Vor­ teile des erfindungsgemäßen Gradientenspulensystems auch für den y-Gradienten.

Topologisch am günstigsten ist eine Weiterbildung die­ ses Gradientenspulensystems, bei der der äußere Zylin­ der Z_ay des y-Gradientenspulensystems einen kleineren Radius als der äußere Zylinder Z_ax des x-Gradienten­ spulensystems, der innere Zylinder Z_iy des y-Gradien­ tenspulensystems einen größeren Radius als der innere Zylinder Z_ix des x-Gradientenspulensystems aufweist, und bei der die Teilspulen S_1y, S_2y, S_3y, S_4y des y- Gradientenspulensystems in die Teilspulen S_1x, S_2x, S_3x, S_4x des x-Gradientenspulensystems in z-Richtung einge­ schoben sind.

Um Gradientenfelder in jeder Raumrichtung erzeugen zu können, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform zu­ sätzlich ein abgeschirmtes z-Gradientenspulensystem zur Erzeugung magnetischer Gradientenfelder mit im Meßvolu­ men im wesentlichen linearem Verlauf in einer Richtung parallel zur z-Achse vorgesehen, welches aus zwei be­ züglich der xy-Ebene spiegelbildlich angeordneten, zy­ lindrischen Wicklungspaaren um die z-Achse mit jeweils einer radial inneren z-Gradientenfeldwicklung und einer radial äußeren Abschirmspulenwicklung besteht.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ­ ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Anwendung finden. Die beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern ha­ ben vielmehr beispielhaften Charakter.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung der elektrischen Serienschaltung eines erfindungsgemäßen Gra­ dientenspulensystems in x- und y-Richtung;

Fig. 2 Abwicklungen einer Teilspule des erfindungsge­ mäßen x-Gradientenspulensystems, und zwar der Windungsabschnitte

• a) auf dem äußeren Zylinder Z_ax
• b) auf einer radialen Verbindungsfläche V_+x
• c) auf dem inneren Zylinder Z_ix;

Fig. 3 schematischer Schnitt durch eine Teilspule ei­ nes x-Gradientenspulensystems durch die zx- Ebene und Feldverlauf des erzeugten Magnet­ felds;

Fig. 4 das berechnete Abbildungsverhalten des erfin­ dungsgemäßen Gradientensystems in der zx-Ebene.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaltschema eines erfin­ dungsgemäßen Gradientenspulensystems zeigt ein Netzge­ rät P_x, welches elektrisch in Reihe geschaltete Teil­ spulen S_1x, S_2x, S_3x und S_4x eines x-Gradientenspulensy­ stems mit Strom beschickt. Ebenso ist die elektrische Reihenschaltung eines y-Gradientenspulensystems mit den Teilspulen S_1y, S_2y, S_3y und S_4y sowie ihre Stromversor­ gung durch ein weiteres Netzgerät P_y gezeigt.

Fig. 2 zeigt eine ebene Abwicklung des Wicklungsab­ schnittes einer Teilspule S_1x auf einem äußeren Zylin­ der Z_ax, die entsprechenden Wicklungsabschnitte auf der in diesem Beispiel ebenen radialen Verbindungsfläche V_+x zwischen dem äußeren Zylinder Z_ax und dem inneren Zylinder Z_ix und die Abwicklung der Wicklungsabschnitte auf dem inneren Zylinder Z_ix.

Zur Berechnung derartiger Wicklungsverteilungen sei auf bekannte Verfahren, beispielsweise auf Berechnungsver­ fahren nach der DE 42 10 217 A1 verwiesen. Eine prinzi­ pielle Methode zur Berechnung der Windungsführung des Abschirmungsteils einer Teilspule, d. h. also der Bögen auf dem äußeren Zylinder Z_ax wäre die folgende:

• a) Man nimmt eine beliebige Windungsführung der Teilspule auf dem inneren Zylinder Z_ix entspre­ chend der jeweiligen Linearitätsanforderung an das Gradientenfeld an.
• b) In der radialen Verbindungsfläche werden die Wicklungen weitgehend radial vom inneren Zylinder Z_ix nach dem äußeren Zylinder Z_ax geführt und wer­ den hypothetisch entlang der Schnittlinie der ra­ dialen Verbindungsfläche mit dem äußeren Zylinder Z_ax in azimutaler Richtung geschlossen.
• c) Man stellt sich einen supraleitenden äußeren Zy­ linder Z_ax um den inneren Zylinder Z_ix herum ange­ ordnet vor, der sich axial von unendlich großen Werten bis zu der Verbindungsebene V_+x erstreckt, und in welchem supraleitende Abschirmströme ange­ worfen werden. Der Stromdichteverlauf im äußeren Zylinder Z_ax wird durch die diskrete Führung der Windungen im Abschirmzylinder approximiert, wobei eine unvermeidliche Singularität des berechneten Stromes in der Verbindungsfläche V_+x nicht be­ rücksichtigt wird. Auf diese Weise erhält man ei­ nen entsprechend optimierten Wicklungsverlauf auf dem äußeren Zylinder Z_ax.

Im konkreten Beispiel hat Z_ix als Kreiszylinder einen Radius von 31 cm und erstreckt sich von über eine Länge von 31 cm von z = 33 cm bis z = 64 cm. Er ist bei z = 33 cm über eine ebene Verbindungsfläche V_+x mit dem äu­ ßeren Zylinder Z_ax verbunden, der sich auf einem Radius von 60 cm von z = 33 cm bis z = 100 cm erstreckt. Die zu dieser Teilspule gehörenden Windungsabschnitte er­ strecken sich auf Z_ix, V_+xund Z_ax jeweils über 180°. Die restlichen drei Teilspulen des Gradientensystems sind analog aufgebaut. Sie lassen also entlang der z-Achse eine Bohrung von 62 cm Durchmesser und um die xy-Ebene einen transversalen Zugang von 66 cm frei.

Im Ausführungsbeispiel weist jede Teilspule 12 Windun­ gen auf, von denen sich ausgehend von den Anschlüssen A₁ und A₂ auf Z_ix fünf auf der Verbindungsfläche V_+x und sieben auf Z_ax schließen. Die Windungsabschnitte können als diskrete Leiter oder in der Form von streamline - Spulen mit breiten Leiterbahnen ausgeführt sein.

Die gestrichelten Linien verbinden in der Zeichnung Punkte, die im nicht-abgewickelten Zustand zusammenfal­ len.

In der Fig. 3 ist ein schematischer Schnitt durch die zx-, bzw. zy-Ebene einer Teilspule in einem erfindungs­ gemäßen x-Gradientenspulensystem mit vier Teilspulen gezeigt. Spiegelsymmetrisch zur xy-Ebene liegen sich jeweils die Teilspulen S_1x und S_2x, bzw. S_3x und S_4x ge­ genüber. Man erkennt, daß sich beide Zylinder Z_ix und Z_ax ausgehend von der Verbindungsebene V_+x zu größeren z-Werten, d. h. weg von der Mittelebene z=0, erstrecken. Die eingezeichneten Pfeile repräsentieren den Verlauf des durch ein entsprechendes x-Gradientenspulensystem mit vier Teilspulen erzeugten Magnetfelds, dessen z- Komponente das relevante Gradientenfeld G_x bedeutet. Der äußere Zylinder Z_ax wird nicht von Feldlinien ge­ schnitten. Das führt insbesondere für größere z-Werte zu einem sehr guten Abschirmverhalten. Nur im Bereich der Lücke um z=0 treten in recht geringem Umfang Feld­ linien aus.

Fig. 4 schließlich zeigt das Abbildungsverhalten einer erfindungsgemäßen x-Gradientenspule in der xz-Ebene. Wie man sieht, treten Verzerrungen des dargestellten quadratischen Gitternetzes erst in relativ großen Ab­ ständen vom Koordinatenursprung auf.

Das oben beschriebene erfindungsgemäße Gradientensystem in Verbindung mit offenen NMR-Tomographiesystemen er­ möglicht aufgrund des ungehinderten seitlichen Zugriffs auf das Untersuchungsvolumen sehr gute Arbeitsmöglich­ keiten für Mediziner im diagnostischen und chirurgi­ schen Bereich.

Claims (20)

1. Gradientenspulensystem zur Erzeugung eines magne­ tischen Transversalgradienten G_x = dB_z/dx in ei­ nem Kernspinresonanz (NMR)-Tomographen mit einem Hauptfeldmagneten zur Erzeugung eines homogenen statischen Hauptmagnetfeldes B_z in einem Meßvolu­ men, dessen Zentrum mit einem Koordinatenursprung eines kartesischen x-, y-, z-Koordinatensystems zusammenfällt, wobei das Hauptmagnetfeld B_z längs der z-Achse gerichtet ist und ein axialer und ein transversaler Zugang zum Meßvolumen besteht, wo­ bei der magnetische Transversalgradient G_x längs der x-Achse dieses Koordinatensystems ausgerich­ tet ist, wobei das Gradientenspulensystem aus vier Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) mit jeweils zwei Stromanschlüssen(A₁, A₂) besteht, die spie­ gelsymmetrisch zur xy-Ebene(z=0) und spiegelsym­ metrisch zur zy-Ebene (x=0) angeordnet sind, wo­ bei jede Teilspule Windungsabschnitte auf einem inneren und einem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax um die z-Achse sowie jeweils in einer radialen Verbin­ dungsfläche V_+x, V_-x im wesentlichen parallel zur xy-Ebene enthält, wobei die Windungsabschnitte einer jeden Teilspule bei Betrieb in Serie von Strom durchflossen werden, und wobei die radialen Verbindungsflächen V_+x, V_-x derjenigen Teilspulen (S_1x, S_4x; S_2x, S_3x) , die einander bezüglich der xy-Ebene gegenüberliegen, voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) so aus­ gebildet sind, daß die Windungsabschnitte auf dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax axial von der xy-Ebene weiter beabstandet sind als die jeweilige radiale Verbindungsfläche V_+x, V_-x und daß der axiale Abstand d_Vx der Verbindungsflächen V_+x, V_-x voneinander größer ist als der radiale Abstand d_Zx zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax.

2. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1 dadurch ge­ kennzeichnet, daß der axiale Abstand d_Vx der ra­ dialen Verbindungsflächen V_+x, V_-x voneinander in einem Bereich zwischen dem 0,8-fachen und dem 1,45-fachen des Radius R_ax des äußeren Zylinders Z_axliegt.

3. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Radius des inneren Zylinders Z_ix zwischen dem 0,35-fachen und dem 0,8-fachen des Radius R_ax des äußeren Zylinders Z_ax liegt.

4. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand d_Vx der Verbindungsflächen V_+x, V_-x voneinander größer als 30 cm, vorzugsweise größer oder gleich 50 cm ist.

5. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in­ nere und der äußere Zylinder Z_ix, Z_ax um die z- Achse jeweils ein Kreiszylinder ist.

6. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand d_Vx der Verbindungsebenen V_+x, V_-x voneinander ungefähr gleich der axialen Ausdehnung des transversalen Zugangs des Hauptfeldmagneten ist.

7. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axial äußersten Windungsabschnitte auf dem äußeren Zylinder Z_ax weiter von der xy-Ebene entfernt sind als die axial äußersten Windungsabschnitte auf dem inneren Zylinder Z_ix.

8. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich beide Stromanschlüsse (A₁, A₂) auf dem inneren Zy­ linder Z_ix befinden.

9. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der äu­ ßere Zylinder Z_ax weniger Windungsabschnitte be­ sitzt als der innere Zylinder Z_ix.

10. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) sogenannte Streamli­ ne-Spulen mit flächigen Leiterabschnitten und qua­ si-kontinuierlicher Stromverteilung sind.

11. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Windungsabschnitte auf dem äußeren Zylinder Z_ax so berechnet ist, daß axial außerhalb der Verbindungsflächen V_+x, V_-x auf der Zylinderflä­ che keine radialen Gradientenfeldkomponenten vor­ handen sind.

12. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Windungsabschnitte der Teilspulen auf dem in­ neren Z_ix, dem äußeren Z_ax Zylinder und der Verbin­ dungsfläche V_+x, V_-x jeweils über etwa 180° er­ strecken.

13. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Windungsabschnitte, vorzugsweise al­ le, auf dem inneren Zylinder Z_ix unter Berücksich­ tigung der Stromrichtung eine einheitliche azimu­ tale Richtung zur z-Achse besitzt.

14. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der in den radialen Verbindungsflächen V_+x, V_-x geführten Windungsabschnitte unter Berück­ sichtigung der Stromrichtung eine einheitliche azimutale Richtung besitzt, die zu der azimutalen Richtung der auf dem inneren Zylinder Z_ix geführ­ ten Windungsabschnitte entgegengesetzt ist.

15. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die azimutalen Komponenten der in den radialen Verbin­ dungsflächen V_+x, V_-x geführten Windungsabschnitte im radial äußeren Bereich der radialen Verbin­ dungsflächen größer sind als im radial inneren Be­ reich dieser Flächen.

16. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem äußeren Zylinder Z_ax geführten Windungsab­ schnitte unter Berücksichtigung der Stromrichtung mehrheitlich eine einheitliche azimutale Richtung besitzen, die zu der azimutalen Richtung der auf dem inneren Zylinder Z_ix geführten Windungsab­ schnitte entgegengesetzt gerichtet ist.

17. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein y- Gradientenspulensystem zur Erzeugung eines magne­ tischen Transversalgradienten G_y = dB_z/dy in y- Richtung vorgesehen ist, dessen Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) gegenüber dem x-Gradientenspulen­ system um 90° um die z-Achse verdreht angeordnet sind.

18. Gradientenspulensystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das y-Gradientenspulensystem aus vier Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) mit jeweils zwei Stromanschlüssen besteht, die spiegelsymme­ trisch zur xy-Ebene (z=0) und spiegelsymmetrisch zur zx-Ebene (y=0) angeordnet sind, wobei jede Teilspule Windungsabschnitte auf einem inneren und einem äußeren Zylinder Z_iy, Z_ay um die z-Achse so­ wie in einer radialen Verbindungsfläche V_+y, V_-y parallel zur xy-Ebene enthält, wobei die Win­ dungsabschnitte einer jeden Teilspule bei Betrieb in Serie von Strom durchflossen werden, und wobei die radialen Verbindungsflächen V_+y, V_-y) derjeni­ gen Teilspulen (S_1y, S_4y, S_2y, S_3y), die einander bezüglich der xy-Ebene gegenüberliegen, voneinan­ der beabstandet sind.

19. Gradientenspulensystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das y-Gradientenspulensystem nach Art des x-Gradientenspulensystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist.

20. Gradientenspulensystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Zylinder Z_ay des y- Gradientenspulensystems einen kleineren Radius als der äußere Zylinder Z_ax) des x-Gradientenspulensy­ stems, der innere Zylinder Z_iy des y-Gradienten­ spulensystems einen größeren Radius als der innere Zylinder Z_ix des x-Gradientenspulensystems auf­ weist, und daß die Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) des y-Gradientenspulensystems in die Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) des x-Gradientenspulensystems in z-Richtung eingeschoben sind.