DE19606699A1

DE19606699A1 - Löschschutz für aktiv abgeschirmte Magneten

Info

Publication number: DE19606699A1
Application number: DE19606699A
Authority: DE
Inventors: John Maurice Bird; Alan George Andrew M Armstrong
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-02-23
Filing date: 1996-02-22
Publication date: 1996-10-24
Also published as: GB2298282B; GB2298282A; US5644233A; JPH09512A; IL117140A0; GB9503636D0

Description

Die Erfindung betrifft diagnostische Magentresonanz-Abbildungsvorrichtungen und insbesondere ein Lösch (quench)- bzw. Unterdrückungs-Schutzsystem für einen MRI- Magneten mit aktiver Abschirmung.

Hintergrund der Erfindung

MRI-Systeme, die für die diagnostische Abbildung verwendet werden, benutzen üblicher weise supraleitende Spulen zum Erzeugen des notwendigen GS-Magnetfeldes hoher Intensität sowie eine Abschirmung, um zu verhindern, daß Streufelder in Räume eindrin gen, zu denen Publikum Zutritt hat. Das maximale Feld, dem Personen ausgesetzt werden dürfen, beträgt 0,5 MT (5 Gauß), und das Magnet-Abschirmsystem muß das Streufeld unter allen Betriebsbedingungen steuern.

Es gibt zwei grundlegende Methoden für die Abschirmung des MRI-Magneten. Die erste Methode wird als passive Abschirmung bezeichnet und sieht vor, daß eine herkömmliche ferromagnetische Abschirmung (üblicherweise Eisen) um den supraleitenden MRI-Magne ten herum in Form eines Rückführjoches angeordnet wird.

Die zweite Methode der Abschirmung von Magneten wird als aktive Abschirmung bezeichnet. Bei MRI-Systemen mit aktiver Abschirmung sind zwei Sätze von Spulen vorgesehen, nämlich ein erster Spulensatz, der für das homogene Hauptfeld verantwort lich ist, und ein zweites Spulensystem, das als aktive Abschirmung verwendet wird.

Üblicherweise bestehen die Spulen aus einem bei niedrigen Temperaturen supraleitenden Material. Wenn ein derartiger Magnet durch Widerstände unterteilt ist, bewirken im Falle einer Löschung (quench) die unterschiedlichen Ströme in den unterschiedlichen Magnet abschnitten, daß die Kontur von 5 Gauß vorübergehend erheblich weiter weg von dem Magneten erscheint als im normalen Betrieb. Eine Lösung nach dem Stande der Technik macht aktive Abschirmelemente aus übermäßig schweren und teuren Leitern erforderlich.

Es besteht somit ein Bedarf an Vorrichtungen zum Schutz der supraleitenden Spulen in MRI-Systemen mit aktiver Abschirmung gegen Abbrennen während eines Löschens ohne Einsatz von schweren und teueren Leitern und ohne das durch solche Systeme erzeugte Streufeld zu erhöhen.

Ein bei supraleitenden Spulen auftretendes Problem besteht darin, sie gegen Abbrennen im Falle einer Löschung zu schützen. Eine Löschung (quench) im Supraleiter wird durch eine mechanische Störung im Supraleiter selbst verursacht, die einen Verlust an Supraleit fähigkeit ergibt. Dieses Phänomen führt zu einem Vorgang, bei dem Energie, die im Mag netfeld gespeichert ist, als Wärme in den Spulen abgeleitet wird. Sind die Spulen nicht ausreichend geschützt, besteht die Gefahr, daß sie während eines Löschens ausbrennen.

Um zu verhindern, daß die Spulen während eines Löschens in passiven Systemen abbren nen, werden zwei Lösungen vorgeschlagen. Die erste Lösung umfaßt die Verwendung von überdimensionierten Kupferstabilisatoren in den supraleitenden Drähten. Diese Schutzmethode ist teuer. Die zweite Lösung sieht eine interne Unterteilung der supra leitenden Spulen und ein Parallelschalten mit Hilfe von Schutzwiderständen und Dioden vor. Beispielsweise verwenden bestimmte bekannte Systeme Halbleiterdioden für diesen Zweck, während andere bekannte Systeme Ohm′sche Schutzwiderstände für den gleichen Zweck einsetzen. Diese Anordnungen verhindern ein Abbrennen in passiven Systemen, sind jedoch nicht in der Lage, die Streufelder zu steuern und tragen auch nicht dazu bei, das Löschproblem von aktiven Systemen anzusprechen.

Beschreibung der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird ein verbessertes, aktiv abgeschirmtes Magnetresonanz-Abbil dungssystem vorgeschlagen, das die supraleitenden Spulen gegen Abbrennen schützt und Streufelder des Systems im Falle einer Löschung (quench) unverändert aufrecht erhält. Ein derartiges System ist dadurch gekennzeichnet, daß
ein aktiver abgeschirmter Magnet und eine Mehrzahl von Schutzwiderständen vorgese hen sind
der aktiv abgeschirmte Magnet innere Magnetspulen mit vorwärtsgerichtetem Strom und äußere Magnetspulen mit rückwärtsgerichtetem Strom aufweist,
die inneren und äußeren Magnetspulen elektrisch in Gruppen so angeordnet und ausge legt sind, daß der durch alle Spulen einer Gruppe fließende Strom in seiner Größe identisch ist,
die Gruppen von Spulen jeweils Spulenpaare aufweisen,
jedes Spulen paar in einer Gruppe eine erste Spule von den inneren Magnetspulen und eine zweite Spule von den äußeren Magnetspulen enthält,
sowohl die ersten als die zweiten Spulen im Paar das gleiche Dipolmoment haben, so daß ihr nutzbares Dipolmoment und der Beitrag zum Streufeld des Magneten aus dem Spulenpaar stets nahe Null ist, und
jede der elektrisch parallel geschalteten Gruppen elektrisch parallel zu einem Schutz widerstand geschaltet ist.

Im Falle einer Löschung in einer Spule aus einer Gruppe von Spulen nimmt der Wider stand der Spulen erheblich zu, wodurch der Strom zum überwiegenden Teil durch die Schutzwiderstände fließt. Die supraleitenden Spulen heizen sich somit nicht soweit auf, daß sie abbrennen. Da jede Gruppe aus einer Vielzahl von Paaren besteht, und jedes Paar ein nutzbares Dipolmoment hat sowie einen Beitrag zum Streufeld des Magneten liefert, wird das Streufeld aufgrund der Löschung nicht weiter erhöht.

Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Beispiel für eine bekannte Spulenanordnung in einem MRI-System mit herkömmlicher Abschirmung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer bekannten Anordnung von in Abschnitte aufgeteilten Unterteilungen der Spule und der Verwendung von Schutzwider ständen in einem herkömmlichen MRI-System,

Fig. 3 eine Ausführungsform der Spulenanordnung in einem MRI-System mit aktiver Abschirmung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform nach der Erfindung einschließlich der Unterteilung der Spulen in Paare und der Verwendung von Schutzwiderständen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung mit einer Unterteilung der Spulen in Gruppen und der Verwendung von Schutzwi derständen,

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer bekannten elektrischen Anordnung der Spulen in einem aktiv abgeschirmten MRI-System.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt eine Spulenanordnung 11 für ein herkömmliches MRI-System. Fig. 2 zeigt, wie ein solches System intern in Abschnitte unterteilt und durch Widerstände 14 in bekannter Weise geschützt werden kann. Die Spulen werden in einem supraleitenden Stromkreis über einen Schalter 15 eingeschaltet. Im Falle einer Löschung (quench) in einem der Abschnitte fällt der Strom in diesem Abschnitt rasch ab, wenn der Innenwider stand des Abschnittes zunimmt, und es fließt Strom durch den anderen Pfad des Schutz widerstandes. Damit werden hohe Stromanstiege in der supraleitenden Spule selbst ver mieden. Wenn der Löschvorgang auf andere Abschnittes des Magneten übergreift, und selbst wenn jeder Abschnitt der stromleitenden Spule eine Löschspule (quenching coil) enthält, brennt der Magnet nicht ab, weil die ursprünglich im Magnetfeld gespeicherte Energie in der Vielzahl von Widerständen abgeleitet wird, und damit der jeweils resul tierende Stromansteig weniger intensiv wird.

Fig. 3 zeigt die Spulenanordnung in einem aktiv abgeschirmten MRI-System. Ein erster Satz von Spulen 13, die vorzugsweise aus supraleitendem Material bestehen, wird um die Z-Achse herum angeordnet, wie in Fig. 3 dargestellt. Dieser Satz von Spulen, der einen vorwärtsgehenden Strom führt, wird auch als der Hauptspulensatz bezeichnet. Ein zweiter Satz von Spulen 12 ist außerhalb des Hauptspulensatzes angeordnet und verläuft koaxial mit ihm. Beide Spulensätze können in Serie an eine Energiespeisequelle (in der Zeich nung nicht dargestellt) angeschlossen sein, so daß der Magnet erregt werden kann. Ein Strom entgegengesetzt zu dem in den Hauptspulensatz eingespeisten Strom, der das magnetische Hauptfeld des MRI erzeugt, wird in den zweiten Satz von Spulen 12 einge speist, die als die Abschirmspulen bezeichnet werden. Wenn der Magnet erregt wird, sind die ersten und zweiten Spulensätze räumlich so angeordnet, daß ein starkes und homoge nes Magnetfeld innerhalb des Magneten erzeugt wird, und das außerhalb des Magneten erzeugte Streufeld nahe Null ist.

Das Schema nach Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Alle Spulen der Spulensätze 12 und 13 sind in Serie geschaltet. Die Spulen 11, 21, 31, 41, 51 und 61 bilden den Spulensatz 13, die Spulen 10, 20, 30, 40, 50, 60 den Spulensatz 12. Der innere Spulensatz 13 und der äußere Spulensatz 12 sind elektrisch in Paaren A-F ange ordnet. Jedes Paar besteht aus einer Spule aus dem ersten Satz von Spulen 13, den Hauptmagnetspulen, und einer Spule aus dem zweiten Satz von Spulen, den äußeren Spulen oder Abschirmspulen 12. Jedes Paar ist elektrisch so geschaltet, daß es einen Schutzwiderstand 14 überbrückt.

Sowohl die ersten als die zweiten Spulen eines Paares haben das gleiche Dipolmoment, so daß ihr nutzbares Dipolmoment und der Anteil am Streufeld des Magneten aus diesen Spulenpaaren stets nahe Null ist.

Im Falle einer Löschung (quench) in einem bestimmten Paar von Spulen nimmt ihr Widerstand erheblich zu, mit der Folge, daß der Strom hauptsächlich durch den Schutzwiderstand fließt, der parallel zu diesem Paar geschaltet ist. Die supraleitenden Spulen heizen sich somit nicht auf und brennen nicht ab. Da ferner jedes Paar ein nutzbares Dipolmoment und einen Anteil am Streufeld des Magneten besitzt, der nahe Null ist, nimmt das Streufeld aufgrund der Löschung nicht zu. Im Falle einer Löschung im Abschnitt B (Fig. 4) des Spulensystems mit den Spulen 12B und 13B fließt beispielsweise der Strom hauptsächlich durch den Widerstand des Abschnittes 14B.

In bezug auf die Anzahl von Spulenpaaren, die in einem geschützten Abschnitt vorgese hen sein können, ist keine Beschränkung gegeben. Es gibt keine Begrenzung der Anzahl von Spulen in einem aktiven abgeschirmten Magneten oder der Anzahl von getrennten Wicklungen, die als Einzelspule betrachtet werden können, vorausgesetzt, daß das nutz bare Dipolmoment in jedem geschützten Abschnitt so ausgelegt ist, daß es Null wird. Somit kann eine weitere Ausführungsform der Erfindung das Unterteilen der Spulen in Gruppen vorsehen, bei der jede Gruppe aus einer Vielzahl von Spulenpaaren in der vorbeschriebenen Weise besteht. Da jede Gruppe aus einer Vielzahl von Paaren besteht, und jedes Paar ein nutzbares Dipolmoment und einen Anteil am Streufeld des Magneten hat, der nahe Null ist, erhöht sich das Streufeld aufgrund des Löschens nicht, und die Spulen werden durch die Widerstände davor geschützt, daß sie während eines Löschens abbrennen.

Ein Beispiel von Gruppenspulenpaaren ist in Fig. 5 dargestellt, in der Spulenpaare 1 und 4 gruppiert und mit einem einzigen Schutzwiderstand verbunden sind.

Ein Magnet mit aktiver Abschirmung, der nach vorstehendem Prinzip aufgebaut ist, ergibt eine erhebliche Einsparung an Gewicht und Kosten der Leiter, ferner in bezug auf das Gesamtgewicht, verglichen mit bekannten Konstruktionen, die für den Schutz der Spulen in MRI-Systemen vorgeschlagen wurden. Ferner hält das System das Streufeld des Magne ten weitgehend unverändert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein im Inneren durch Widerstände zwischen den vorwärtsgehenden und den rückwärtsgehenden Spulen/Abschnitten unter teilter Magnet weniger empfindlich gegen äußere Störungen ist als ein ungeschützter Magnet. Dies ist ein sehr wichtiges Merkmal nach vorliegender Erfindung, da Magneten mit aktiver Abschirmung im Vergleich zu anderen Magneten empfindlicher gegen externe magnetische Störungen sind, wie z. B. Lifte, Kraftfahrzeuge, U-Bahnen und dergl. Diese "Entsensibilisierung" wird erreicht, weil im Falle einer externen Störung Abgleichströme in dem Widerstands-Schutz-Netzwerk fließen, die die Einflüsse der Änderung abschwä chen.

Claims

1. Aktiv abgeschirmtes Magnetresonanz-Abbildungssystem, das im Falle einer Löschung bzw. Unterdrückung (quench) die supraleitenden Spulen gegen Abbrennen schützt und das Streufeld das System im wesentlichen unverändert hält, dadurch gekennzeichnet, daß
ein aktiver abgeschirmter Magnet und eine Vielzahl von Schutzeinheiten (14) vorge sehen sind,
der aktive abgeschirmte Magnet einen Satz von inneren Magnetspulen (1 3) mit vorwärtsgerichtetem Strom und einen äußeren Satz (12) von Magnetspulen mit rückwärtsgerichtetem Strom aufweist,
die Sätze von inneren und äußeren Magnetspulen so ausgelegt sind, daß ein starkes und homogenes Magnetfeld innerhalb des Magneten und ein Streufeld nahe Null auf der Außenseite des Magneten erzeugt wird,
die Sätze von inneren und äußeren Magnetspulen (13, 14) elektrisch in Spulen gruppen angeordnet sind, derart, daß die Größe des Stromes, der alle Spulen in einer Gruppe durchfließt, im wesentlichen identisch ist,
die Spulengruppen jeweils Spulen (11, 21, 31, 41, 51, 61) aus dem Satz (13) von inneren Magnetspulen und Spulen (10, 20, 30, 40, 50, 60) aus dem Satz (12) von äußeren Magnetspulen aufweisen, derart, daß das nutzbare Dipolmoment und der Anteil am Streufeld des Magneten aus jeder der Gruppen nahe Null ist, und
die Vielzahl von Schutzeinheiten (14) jeweils elektrisch parallel zu einer der Gruppen geschaltet ist, um den Überstrom aus den Spulen im Falle eines Löschens zu führen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinheiten Widerstände sind.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Spulen jeweils eine Vielzahl von Spulenpaaren aufweisen, und daß jedes Spulen paar eine erste Spule aus dem Satz von inneren Magnetspulen und eine zweite Spule aus dem Satz von äußeren Magnetspulen aufweist, wobei sowohl die erste als die zweite Spule eines Paares das gleiche Dipolmoment besitzt, so daß das nutzbare Dipolelement und der Anteil am Streufeld des Magneten aus dem Spulenpaar stets nahe Null ist.

4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulengruppen jeweils aus einem Paar von Spulen bestehen, und daß die Spulenpaare eine erste Spule aus dem Satz von inneren Magnetspulen und eine zweite Spule aus dem Satz von äußeren Magnetspulen aufweisen, wobei sowohl die erste als die zweite Spule eines Paares das gleiche Dipolmoment haben, so daß das nutzbare Dipolmoment und der Anteil am Streufeld des Magneten aus dem Spulenpaar stets nahe Null ist.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzwiderstände jeweils einen Widerstandswert von etwa 1-100 Ohm haben.

6. Verfahren zum Schutz eines aktiv abgeschirmten Magnetresonanz-Abbildungssystems im Falle eines Löschens (quench) durch Schützen der supraleitenden Spulen gegen Abbrennen wie auch durch weitgehendes Erhalten des Streufeldes des Systems, mit einem aktiv abschirmenden Magneten, der innere Magnetspulen mit vorwärtsgerich tetem Strom und äußere Magnetspulen mit rückwärtsgerichtetem Strom aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
die inneren und äußeren Magnetspulen in einem dreidimensionalen Raum so angeordnet sind, daß ein starkes und homogenes Magnetfeld innerhalb des Magneten erzeugt wird, und ein Streufeld nahe Null auf der Außenseite des Magneten erzeugt wird,
die inneren und äußeren Magnetspulen in Gruppen elektrisch so angeordnet sind, daß die Größe des durch alle Spulen in einer Gruppe fließenden Stromes identisch ist, wobei die Gruppen von Spulen jeweils Spulen aus den inneren Magnetsspulen und Spulen aus den äußeren Magnetspulen aufweisen, derart, daß das nutzbare Dipolmoment und der Anteil am Streufeld des Magneten aus dieser Gruppe stets nahe Null ist, und
jede der Gruppen mit einer Schutzvorrichtung elektrisch parallel geschaltet wird, so daß der Überstrom aus den Spulen im Falle eines Löschens geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzvorrichtungen Widerstände verwendet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzvorrichtungen Halbleiter verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Spulen jeweils eine Vielzahl von Spulenpaaren aufweisen, jedes Spulenpaar eine erste Spule von den inneren Magnetspulen und eine zweite Spule von den äußeren Magnetspu len besitzt, und sowohl die ersten als die zweiten Spulen eines Paares das gleiche Dipolmoment haben, so daß das nutzbare Dipolmoment und der Anteil am Streufeld des Magneten aus dem Spulenpaar stets nahe Null ist.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen von Spulen jeweils ein einzelnes Spulen paar aufweisen, das Spulen paar eine erste Spule von den inneren Magnetspulen und eine zweite Spule von den äußeren Magnetspulen auf weist, und die ersten und zweiten Spulen eines Paares das gleiche Dipolmoment haben, so daß das nutzbare Dipolelement und der Anteil am Streufeld des Magneten von dem Spulenpaar stets nahe Null ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzeinheiten Widerstände verwendet werden, deren jeder einen Widerstandsbereich bis zu 100 Ohm hat.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzeinheiten jeweils einen Widerstandsbereich bis zu 100 Ohm haben.