DE19612478C1 - Gradientenspulensystem für ein diagnostisches Magnetresonanzgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gradientenspulensystem für ein diagnostisches Magnetresonanzgerät mit einer ersten Gradien­ tenspulenanordnung und einer um eine Achse mit einem Winkel von 90° dazu verdreht angeordneten zweiten Gradientenspulen­ anordnung zum Erzeugen von zwei parallel zur Achse ausgerich­ teten magnetischen Gradientenfeldern mit senkrecht aufeinan­ der und senkrecht zu der Achse ausgerichteten Magnetfeldgra­ dienten, wobei die erste und zweite Gradientenspulenanordnung jeweils mehrere Spulenpaare umfaßt, die entlang der Achse an­ geordnet sind, wobei die Spulenpaare von jeweils zwei Gra­ dientenspulen gebildet sind, die seitlich der Achse gegen­ überliegend angeordnet sind und deren Spulenflächen im we­ sentlichen senkrecht zur Achse ausgerichtet sind, und wobei sich die Gradientenspulen der beiden Gradientenspulenanord­ nungen gegenseitig überlappen.

Ein Gradientenspulensystem der eingangs genannten Art ist aus dem US-Patent 5 198 769 bekannt. Das Gradientenspulensystem umfaßt zwei um eine Achse um 90° zueinander verdreht angeord­ nete Gradientenspulenanordnungen zur Erzeugung von Gradien­ tenfeldern mit transversalen Gradienten. Die Gradientenspu­ lenanordnungen bestehen aus gegenüberliegend angeordneten Gradientenspulen. Die Gradientenspulenanordnungen sind in ei­ nem hohlzylindrischen Innenraum eines Grundfeldmagneten der­ art angeordnet, daß von jeder Windung der Gradientenspule ein Segment auf einem möglichst geringem Radius und ein anderes Segment auf einem möglichst großen Radius bezüglich der Zy­ linderachse liegt (Segmenttyp). Zumindest einige Windungsseg­ mente überstreichen einen Winkel von 120°. Durch diese Anord­ nung ist das von der Gradientenspule erzeugte magnetische Streufeld im Außenraum deutlich verringert. Da die Lorentz­ kräfte auf die Segmente radial und antiparallel wirken, ent­ stehen in der Summe nur geringe Gesamtkräfte, so daß mechani­ sche Schwingungen konstruktiv einfach gedämpft werden können. Der durch das Ein- und Ausschalten der Gradienten verursachte Lärm kann damit deutlich reduziert werden.

In der PCT-Veröffentlichung WO 94/28 430 A1 ist ebenfalls ein Gradientenspulensystem der eingangs genannten Art beschrie­ ben. Dort ist auch angegeben, daß die kreisringsegmentförmi­ gen Spulen einen Winkel von 120° um die Achse überstreichen.

Ein Ziel der Dimensionierung der Gradientenspulenanordnungen besteht darin, das Nutzvolumen, in dem der Magnetfeldgradient streng linear ist, zu maximieren. Einfluß auf die Form und Größe des Nutzvolumens haben die Radien der kreisbogenförmi­ gen Leiterabschnitte, der Winkel, den die Kreisbögen um die Achse überstreichen oder die Anzahl der verwendeten Spulen­ paare, wobei die Spulenpaare selbst bezüglich einer in der Mitte des Nutzvolumens liegenden Symmetrieebene symmetrisch angeordnet sind. Den größten Einfluß auf das Nutzvolumen ha­ ben jedoch die gegenseitigen axialen Abstände der Spulenpaa­ re, die somit auch bei festgehaltenen anderen Parametern vor­ zugsweise optimiert werden.

Für die beiden transversalen Gradientenfelder können grund­ sätzlich gleiche Gradientenspulenanordnungen verwendet wer­ den, die lediglich um 90° zueinander gedreht angeordnet sind. Hieraus resultiert bei Gradientenspulen vom eingangs genann­ ten Segmenttyp eine teilweise Überlappung der Gradientenspu­ len beider Gradientenspulenanordnungen, wenn die von den Win­ dungssegmenten überstrichenen Winkel größer als 90° sind. Winkel in der Größenordnung von 120° sind im allgemeinen wün­ schenswert, um einen linearen Gradienten in einem möglichst großen Nutzvolumen erzeugen zu können. Dann können jedoch die Spulenpaare für die beiden transversalen Gradientenfelder nicht genau an ihren optimalen Positionen angeordnet werden, sondern müssen geringfügig gegen die aus der Optimierung er­ haltenen Position verschoben werden. Die Größe des Nutzvolu­ mens ist jedoch empfindlich gegenüber derartigen Verschiebun­ gen und kann dadurch bis zu 50% in axialer Richtung verrin­ gert sein. Eine axiale Verschiebung der beiden Gradientenspu­ lenanordnungen als Ganzes gegeneinander hat den Nachteil, daß die Flächen, in denen die Gradientenfelder jeweils Null sind, gegeneinander verschoben sind.

Die drastische Verkleinerung des Nutzvolumens durch nicht op­ timale Positionierung der Spulenpaare betrifft vor allem Gra­ dientenspulensysteme mit einer größeren Anzahl von Spulenpaa­ ren. Die größere Anzahl von Spulenpaaren wird vor allem zur Erzeugung von Gradientenfeldern mit einem großen Gradienten und zur Vergrößerung des Nutzvolumens in axialer Richtung be­ nötigt. Diese Eigenschaften sind insbesondere bei lokalen Gradientenspulensystemen, wie zum Beispiel spezielle Gradien­ tenspulensysteme für Kopfuntersuchungen, erwünscht.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Gradienten­ spulensystem zur Erzeugung von Magnetfeldern mit transversa­ len Gradienten anzugeben, bei dem das Nutzvolumen, in dem der Magnetfeldgradient streng linear ist, für beide Gradienten­ spulenanordnungen optimiert ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anzahl der Spulen­ paare in den beiden Gradientenspulenanordnungen verschieden voneinander sind.

Damit ist es möglich, bei einer Gradientenspulenanordnung zu­ nächst zusätzliche Spulenpaare an freie Stellen der anderen Gradientenspulenanordnung zu positionieren, und anschließend die axialen Positionen der restlichen Spulenpaare mittels ei­ nes Optimierungsverfahrens zu bestimmen. Die Positionen der Spulenpaare in der anderen Gradientenspulenanordnung bleiben unverändert.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Spu­ lenpaar der ersten Gradientenspulenanordnung in einer Symme­ trieebene des Gradientensystems angeordnet. Die durch das zu­ sätzliche Spulenpaar verursachte Feldveränderung kann durch eine entsprechende Positionierung der übrigen Spulenpaare der Gradientenspulenanordnung kompensiert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Figurenbe­ schreibung von 3 Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht eine prinzipielle An­ ordnung von Spulenpaaren, die sich gegenseitig überlap­ pen, zur Erzeugung von zwei transversalen Magnetfeld­ gradienten,

Fig. 2 in einer Seitenansicht im Schnitt die Wirkung eines zu­ sätzlichen Spulenpaares in der xy-Ebene bei z = 0 auf die Position der übrigen Spulenpaare in der Gradienten­ spulenanordnung und

Fig. 3 im Schnitt eine Seitenansicht eines Gradientenspulensy­ stems mit optimierten Positionen der beiden 90° zuein­ ander gedrehten Gradientenspulenanordnungen.

Bei der folgenden Beschreibung wird auf ein rechtwinkliges xyz-Koordinatensystem 2 Bezug genommen. Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Gradientenspulensystems für ein diagnosti­ sches Magnetresonanzgerät zur Erzeugung von magnetischen Gra­ dientenfeldern in einem Nutzvolumen 4 innerhalb des Gradien­ tenspulensystems. Die Gradientenfelder sind parallel zur z-Koordinatenachse ausgerichtet und besitzen zwei senkrecht aufeinander stehende transversale Gradienten.

Eine erste Gradientenspulenanordnung 6 erzeugt ein magneti­ sches Gradientenfeld mit einem Magnetfeldgradienten in x-Richtung. Eine zweite Gradientenspulenanordnung 8 erzeugt ein Gradientenfeld mit einem Magnetfeldgradienten in y-Richtung. Beide Gradientenspulenanordnungen 6, 8 umfassen jeweils meh­ rere Spulenpaare 10, die jeweils entlang der z-Koordinaten­ achse angeordnet sind.

In Fig. 1 sind beispielhaft für die erste Gradientenspulenan­ ordnung 6 zwei Spulenpaare 10 und für die zweite Gradienten­ spulenanordnung 8 ein Spulenpaar 10 dargestellt. Tatsächlich umfassen die erste und zweite Gradientenspulenanordnung 6, 8 weitere axial beabstandete Spulenpaare 10, auf deren Darstel­ lung jedoch aus übersichtlichkeitsgründen verzichtet wurde.

Die Spulenpaare 10 werden gebildet von jeweils zwei Gradien­ tenspulen 12, die seitlich der z-Koordinatenachse gegenüber­ liegend angeordnet sind und deren Spulenflächen, d. h. die von den Windungen umschlossene Flächen senkrecht bezgl. der z-Ko­ ordinatenachse ausgerichtet sind. Die Gradientenspulen 12 sind demnach auf Ebenen angeordnet, die mit unterschiedlicher z-Koordinate parallel zur xy-Ebene des Koordinatensystems 2 liegen.

Die Gradientenspulen 12 sind nach Geometrie und Windungszah­ len gleich aufgebaut. Sie besitzen erste, innere kreisbogen­ förmige Windungsabschnitte 14, die dem Nutzvolumen 4 benach­ bart sind. Ein zweiter, äußerer kreisbogenförmiger Windungs­ abschnitt 16 dient als Rückleiter. Die Mittelpunkte der bei­ den Windungsabschnitte 14, 16 liegen auf der z-Koordinaten­ achse. Das Verhältnis der Radien der Windungsabschnitte 14, 16 liegt im Bereich von 1,4 bis 1,6. Das ist ein Kompromiß zwi­ schen der gewünschten Schirmwirkung nach außen und der Feld­ stärke der Gradientenfelder im Nutzvolumen 4. Jede Windung wird geschlossen von zwei radial ausgerichteten, dritten Win­ dungsabschnitten 18. Die ersten und zweiten Windungsabschnit­ te 14, 16 überdecken jeweils einen Winkel 20 von ca. 120° um die z-Koordinatenachse.

Da der Überdeckungswinkel der Windungen in Umfangsrichtung größer als 90° ist, überlappen sich die Gradientenspulen 12 der beiden Gradientenspulenanordnungen 6 und 8 gegenseitig. Bei den hier verwendeten Gradientenspulen 12 mit einem Über­ deckungswinkel von 120° ergibt sich ein Überlappungsbereich 22 von 30°, der in Fig. 1 durch eine schräge Schraffierung einmal hervorgehoben ist. Weitere Einzelheiten der hier ver­ wendeten Gradientenspulen sind dem eingangs schon erwähnten US-Patent 5 198 769 zu entnehmen.

Bei herkömmlichen Gradientensystemen sind die Gradientenspu­ lenanordnungen 6 und 8 zur Erzeugung der transversalen Gra­ dienten in x- und y-Richtung gleich aufgebaut.

Eine Optimierung der einzelnen Gradientenspulenpaare 10 bei sonst gleichen Parametern, wie z. B. Geometrie der Windungen, Windungszahl und Erregungsstrom (Ampere Windungen oder Durch­ flutung), bezgl. ihrer axialen Position würde dann eine sym­ metrische Anordnung bezgl. der xy-Ebene bei z = 0 ergeben. Die sich aus einer derartigen Optimierung ergebenden optima­ len axialen Positionen der Spulenpaare sind in Fig. 2 einge­ zeichnet und gelten im allgemeinen sowohl für die erste Gra­ dientenspulenanordnung 6 wie auch für die zweite Gradienten­ spulenanordnung 8. Wegen der gegenseitigen Überlappung können die aus dieser Optimierung gewonnenen Positionen jedoch nicht für beide Gradientenspulenanordnungen 6 und 8, sondern nur für eine Gradientenspulenanordnung 8 verwendet werden.

Die erste Gradientenspulenanordnung 6 ist in der im Koordina­ tenursprung liegenden xy-Ebene durch ein weiteres Spulenpaar 10 ergänzt. Eine Nachoptimierung der axialen Positionen der Spulenpaare 10 für die erste Gradientenspulenanordnung 6 er­ gibt eine Verschiebung der übrigen Spulenpaare 10 in Richtung der Pfeile 22. Damit ist Platz geschaffen für eine überlap­ pende Anordnung bei optimalen Positionen der Spulenpaare 10 für beide Gradientenspulenanordnungen 6 und 8.

Das sich dann ergebende Gradientenspulensystem ist in Fig. 3 in Seitenansicht dargestellt. Die erste Gradientenspulenan­ ordnung 6 für den x-Gradienten umfaßt sieben Spulenpaare 10, während die zweite Gradientenspulenanordnung 8 für den y-Gra­ dienten nur sechs Spulenpaare 10 umfaßt. Die Positionen aller Spulenpaare 10 sind optimiert, um ein maximales Nutzvolumen 4 mit einem linearen Magnetfeldgradienten in x- und in y-Rich­ tung zu erhalten.

Claims (13)

1. Gradientenspulensystem für ein diagnostisches Magnetreso­ nanzgerät mit einer ersten Gradientenspulenanordnung (6) und einer um eine Achse mit einem Winkel von 90° dazu verdreht angeordneten zweiten Gradientenspulenanordnung (8) zum Erzeu­ gen von zwei parallel zur Achse ausgerichteten magnetischen Gradientenfeldern mit senkrecht aufeinander und senkrecht zu der Achse ausgerichteten Magnetfeldgradienten, wobei die er­ ste und zweite Gradientenspulenanordnung (6, 8) jeweils meh­ rere Spulenpaare (10) umfaßt, die entlang der Achse angeord­ net sind, wobei die Spulenpaare (10) von jeweils zwei Gra­ dientenspulen (12) gebildet sind, die seitlich der Achse ge­ genüberliegend angeordnet sind und deren Spulenflächen im we­ sentlichen senkrecht zur Achse ausgerichtet sind, und wobei sich die Gradientenspulen (12) der beiden Gradientenspulenan­ ordnungen (6, 8) gegenseitig überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Spulenpaare (10) in den beiden Gradientenspulenanordnungen (6, 8) ver­ schieden voneinander sind.

2. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Spulenpaare (10) der ersten Gradientenspulenanordnung (6) ungerade und die Anzahl der Spulenpaare der zweiten Gradientenspulenanord­ nung (8) gerade ist.

3. Gradientenspulensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gradientenspu­ lenanordnung (6) ein Spulenpaar (10) mehr aufweist als die zweite Gradientenspulenanordnung (8).

4. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Spulenpaare (10) der ersten Gradientenspulenanordnung (6) in einer Symmetrieebene des Gradientenspulensystems angeordnet ist.

5. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gra­ dientenspulen (12) gleiche Durchflutungen oder Amperewin­ dungszahlen aufweisen.

6. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Gra­ dientenspulen (12) gleiche Windungszahlen aufweisen.

7. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gra­ dientenspulen (12) erste, um die Achse gebogen ausgebildete Windungsabschnitte (14) und zweite, um die Achse gebogen aus­ gebildete Windungsabschnitte (16) umfassen und daß die ersten Windungsabschnitte (14) in einem geringeren Abstand zur Achse angeordnet sind als die zweiten Windungsabschnitte (16).

8. Gradientenspulensystem nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Windungsabschnitte (14, 16) parallel zueinander verlaufen.

9. Gradientenspulensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Windungsabschnitte (14, 16) kreisbogenförmig ausgebildet sind.

10. Gradientenspulensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspulen (12) in einer Umfangsrichtung um die Achse einen Winkel (20) in der Größenordnung von 120° überdecken.

11. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ hältnis der Abstände der zweiten Windungsabschnitte zu den ersten Windungsabschnitten von der Achse im Bereich zwischen 1,4 bis 1,6 liegt.

12. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gra­ dientenspulen (12) in den Spulenpaaren (10) einen gleichen Abstand zur Achse aufweisen.

13. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gra­ dientenspulen (12) in den Spulenpaaren (10) einen lichten Ab­ stand zueinander aufweisen, der in einer Größenordnung von 30 cm bis 40 cm liegt.