DE19629404C1 - Gradientenspule für NMR-Apparatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gradientenspule zum Erzeugen ge­ schalteter Magnetfeldgradienten in einer Kernspinresonanz (NMR)-Apparatur, die aus auf der Oberfläche eines geometri­ schen Körpers angeordneten, in Windungen verlaufenden Lei­ terbahnen aufgebaut ist.

Eine solche Gradientenspule ist beispielsweise bekannt aus der DE 42 10 217 A1.

Ein wesentlicher Bestandteil von NMR-Systemen, die in der Regel für die Tomographie, teilweise aber auch zur Spektro­ skopie eingesetzt werden, ist ein System von üblicherweise drei aus mehreren Teilspulen bestehenden Gradientenspulen, die unabhängig voneinander mit Strömen unterschiedlicher Stärke gespeist werden. Diese Gradientenspulen haben die Aufgabe, dem in Richtung einer z-Achse gerichteten homogenen Magnetfeld B_0z des Hauptfeldmagneten der NMR-Apparatur kon­ stante Magnetfeldgradienten mit einstellbarer Stärke zu überlagern, wobei die Richtung eines dieser Gradienten (dB_z/dz) in der Regel parallel zur Richtung des homogenen Grundfeldes B_0z (z-Gradient = Axial-Gradient), und die Rich­ tungen der beiden anderen Gradienten (dB_z/dx, dB_z/dy) dazu und zueinander orthogonal transversal zur Richtung des Grundfeldes verlaufen (x- und y-Gradienten = Transversal-Gradienten). Der räumliche Bereich, in dem das Magnetfeld dieser Gradientenspulen näherungsweise linear verläuft, kann für ortsauflösende NMR-Verfahren (Bildgebung, ortsselektive Spektroskopie) genutzt werden, sofern dieser Bereich nicht durch Inhomogenitäten des Grundfeldes weiter eingeschränkt wird.

Die Gradientenspulen können beispielsweise als x-, y- und z-Spulen auf Zylinderoberflächen für konventionelle Tomogra­ phiemagneten oder als Gradientenspulen für die gradienten­ verstärkte (gradient accelerated) NMR-Spektroskopie ausge­ führt sein. Daneben sind aber auch ebene Gradientenplatten für Polschuhmagnete in der NMR-Tomographie bekannt. Hin­ sichtlich der geometrischen Ausgestaltung von Gradientenspu­ len wird hiermit vollinhaltlich auf die DE 195 45 222 A1 und DE 44 21 335 A1, wo der räumliche Aufbau von Gradientenspu­ len ausführlich beschrieben ist, bezug genommen.

Ein besonders vorteilhaftes Gradientenspulensystem, bei dem einerseits die Induktivität L unter vorgebbaren Randbedin­ gungen und daneben auch zusätzlich technisch relevante Para­ meter der Magnetspulenanordnung, wie beispielsweise Strom­ dichteverteilungen, Abschirmeffekt etc. unabhängig voneinan­ der optimiert werden können, ist in der eingangs zitierten DE 42 10 217 A1 beschrieben. Nachteilig bei einer derartigen Gradientenspulenanordnung ist jedoch der Effekt, daß beim schnellen Schalten von Gradienten mit einer derartigen (streamline-förmigen) Gradientenspule wirbelstromartige Stromumverteilungen auf den breiten Leiterbahnen entstehen, die das Magnetfeld der Gradientenspule im Nutzvolumen der NMR-Apparatur zeitabhängig verzerren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gradi­ entenspule der eingangs genannten Art dahingehend zu verbes­ sern, daß die Wirbelstrombildung durch Stromumverteilungen auf den Leiterbahnen der Gradientenspule und damit eine zeitabhängige Verzerrung des erzeugten Magnetfeldgradienten im Nutzvolumen der NMR-Apparatur deutlich verringert wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß mindestens zwei elektrisch parallel verschaltete Leiterbah­ nen vorgesehen sind, die sich pro Windung n-mal überkreuzen, wobei n eine ganze Zahl mit n 8, vorzugsweise n = 1 oder n = 2 ist, wobei die Leiterbahnen zwischen den Überkreuzun­ gen i.w. geometrisch verlaufen.

Durch die Aufteilung in parallele Leiterbahnen wird bei sonst gleichen Randbedingungen auf der gleichen Fläche die Anzahl der Leiterbahnen vervielfacht, mindestens verdoppelt. Damit kann die Breite der einzelnen Leiterbahnen halbiert beziehungsweise noch weiter verkleinert werden. Die Möglich­ keit zu Wirbelstrombildungen auf den Leiterbahnen wird damit drastisch reduziert, ohne daß die Gesamtinduktivität L der Gradientenspule verändert wird.

Die geometrische Verschaltung zwischen den einzelnen im we­ sentlichen parallel verlaufenden Leiterbahnen mittels Strom­ überkreuzungen stellt sicher, daß in den elektrisch parallel geschalteten Leiterbahnen nach Schaltvorgängen kaum noch Stromumverteilungen aufgrund unterschiedlicher elektrischer Widerstände oder Induktivitäten erfolgen können.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Gradientenspule, bei der die Leiterbahnen i. w. die gleichen Ohm′schen Widerstände R und i. w. die gleichen In­ duktivitäten L aufweisen. Dadurch wird sichergestellt, daß die Teilströme in den einzelnen Leiterbahnen auch bei schnellen Gradientenschaltvorgängen ziemlich genau gleich sind, so daß keine Stromumverteilungen aufgrund unterschied­ licher komplexer Widerstände der einzelnen Leiterbahnen nach dem Schalten auftreten können. Auf diese Weise können auch bei schnellen Gradientenschaltvorgängen im Nutzvolumen der NMR-Apparatur verzerrungsfreie magnetische Gradientenfelder erzeugt werden.

Besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Erfin­ dung, bei der die Leiterbahnen abschnittsweise zwischen den Überkreuzungen stromlinienförmig (streamline) aufgebaut sind. Derartige streamline-förmige Gradientenspulen weisen besonders große Leiterquerschnitte und damit besonders ge­ ringe Ohm′sche Verluste auf.

Bei einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gradientenspule bestehen die Leiterbahnen aus Drähten und die Gradientenspule ist vorzugsweise eine zylindrisch gewickelte z-Gradientenspule. Eine derartige Gradientenspule ist besonders einfach und preisgünstig in der Herstellung, je­ doch in der Regel nur zur Erzeugung von z-Gradienten taug­ lich.

Besonders bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Erfin­ dung, bei der der Gradientenspule eine Abschirmspule zuge­ ordnet ist, die das von der Gradientenspule erzeugte Magnet­ feld gegen leitfähige Strukturen der NMR-Apparatur ab­ schirmt. Aufgrund der Abschirmung kann die Bildung von Wir­ belströmen in metallischen Strukturen der NMR-Apparatur mi­ nimiert werden, so daß die Verzerrungen des von der Gradien­ tenspule erzeugten Magnetfeldgradienten im Meßvolumen noch weiter verringert wird.

Prinzipiell können auch die Abschirmspulen den oben be­ schriebenen, erfindungsgemäßen Aufbau der Gradientenspulen aufweisen. Besonders einfach in der Herstellung und daher preisgünstig ist aber eine Weiterbildung der obigen Ausfüh­ rungsform, bei der die Abschirmspule keine erfindungsgemäßen Überkreuzungen aufweist. Da das Magnetfeld der Gradienten­ spulen an der Oberfläche der Abschirmspulen i.w. tangential verläuft, treten in den Abschirmspulen auch bei dem einfa­ chen Aufbau weder nennenswerte Wirbelströme noch die damit verbundenen Feldverzerrungen auf.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfin­ dungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be­ liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf­ ten Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an­ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer "streamline"-Gradientenspule gemäß der Erfindung mit zwei paral­ lelen Leiterbahnen und jeweils zwei Windungen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer "streamline"-Gradientenspule nach dem Stand der Technik mit einer einzigen Leiterbahn, die zwei Windungen aufweist;

Fig. 3a einen Quadranten einer vierteiligen x-Gradienten­ spule in "streamline"-Form in flacher Darstellung, die im eingebauten Zustand auf einer Zylinderober­ fläche circa 180° azimutal überdeckt;

Fig. 3b die Vergrößerung des mit "X" gekennzeichneten zen­ tralen Abschnittes der Gradientenspule von Fig. 3a;

Fig. 3c einen vergrößerten Schnitt in Richtung A-A durch den Gradientenspulenausschnitt von Fig. 3b; und

Fig. 4 im oberen Teil den totalen Stromverlauf bei kurzzei­ tigem Schalten einer erfindungsgemäßen Gradienten­ spule sowie einer zugehörigen Abschirmspule in Rich­ tung der z-Achse und im unteren Teil die Ausdehnung einer Leiterbahn der jeweiligen Spule in z-Richtung.

In Fig. 1 ist in schematischer Weise eine erfindungsgemäße Gradientenspule 1 in "streamline"-Bauweise dargestellt. Die Spule weist zwei nebeneinander parallel verlaufende Leiter­ bahnen a, b auf, die eine gemeinsame Stromzuführung 2 und eine gemeinsame Stromabführung 3 besitzen, also elektrisch parallel geschaltet sind. Nach Durchlaufen einer Windung sind die Leiterbahnen a, b der Gradientenspule 1 mittels leitender Abschnitte 4a, 4b so verschaltet, daß sich die Ströme der beiden Leiterbahnen an einem Überkreuzungspunkt 5 geometrisch überkreuzen. Radial von außen nach innen verlau­ fen daher die Leiterbahnen zunächst in der Reihenfolge a, b und nach dem Überkreuzungspunkt 5 in der Reihenfolge b, a. Auf diese Weise sind die Gesamtlängen und damit die Ohm′schen Widerstände R der beiden Leiterbahnen a, b unge­ fähr gleich. Dasselbe trifft auch für die Induktivität L der beiden Leiterbahnen a, b zu.

Im Gegensatz dazu ist in Fig. 2 schematisch eine "streamline-Gradientenspule 10" nach dem Stand der Technik gezeigt, die lediglich eine einzige Leiterbahn c mit einer Stromzu­ führung 12, einer Stromabführung 13 und einem inneren Lei­ tungsabschnitt 14 aufweist, welcher den radial äußeren mit dem radial inneren Teil der Leiterbahn c elektrisch verbin­ det.

Bei in der vorliegenden Zeichnung nicht dargestellten Aus­ bildungsbeispielen der erfindungsgemäßen Gradientenspule könnten anstatt zwei auch mehrere Leiterbahnen parallel ver­ laufen und elektrisch parallel verschaltet sein. Die Über­ kreuzungsstellen können dann beispielsweise eine geometri­ sche "Verflechtung" der Leiterbahnen dergestalt bewirken, daß die zunächst radial am weitesten außen verlaufende Lei­ terbahn bei der ersten Kreuzung am weitesten radial nach in­ nen verlegt wird, die zweitäußerste Leiterbahn an die radial zweitinnerste Position usw. Bei einer ungeraden Anzahl von Leiterbahnen würde bei einer solchen Verflechtung die von Anfang an mittlere Leiterbahn ihre relative Position zu den "kurveninneren" und "kurvenäußeren" Leiterbahnen ohne Über­ kreuzung des Stromes beibehalten.

Es sind allerdings auch andere Arten der Verschaltung denk­ bar, beispielsweise in der Weise, daß bei sukzessiven Über­ kreuzungen die zunächst radial äußerste Leiterbahn immer um eine Leiterbahn weiter nach innen rutscht, während die zu­ nächst radial innerste Leiterbahn um eine Leiterbahn relativ zu ihren Nachbarbahnen radial nach außen rutscht.

Ebenso sind bei nicht dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gradientenspule auch mehr als eine Über­ kreuzungsstelle pro Windung möglich, jedoch stellt die An­ zahl von n 8 Überkreuzungen pro Windung, also im Mittel alle 45° bei einer im wesentlichen kreisformigen Gradienten­ spule, eine sinnvolle Obergrenze dar. Bevorzugt sind Ausfüh­ rungsformen, bei denen pro Windung eine oder zwei Überkreu­ zungsstellen vorgesehen sind.

In Fig. 3a ist eine Draufsicht auf einen eben ausgebreite­ ten, im eingebauten Zustand um eine Zylinderoberfläche ge­ krümmten Quadranten einer vierteiligen x-Gradientenspule gezeigt. Die Spule ist wiederum in "streamline"-Technik aus­ geführt und weist zwei im wesentlichen parallel verlaufende, parallel über einen Stromzuführungsabschnitt 22 mit Strom beschickte Leiterbahnen d und e auf. Der parallele Strom fließt über ein gemeinsames Anschlußstück 23 nach Durchlau­ fen des Spulenquadranten wieder ab. Die Leiterbahnen über­ kreuzen sich an Überkreuzungsstellen 25 jeweils nach Durch­ laufen einer vollen Windung (also 360°). Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind insgesamt zwölf Überkreuzungsstel­ len 25 vorgesehen.

Der mit "X" in Fig. 3a gekennzeichnete Ausschnitt aus dem Spulenquadranten ist in Fig. 3b noch einmal vergrößert dar­ gestellt. Die in Fig. 3a schwarz und in Fig. 3b schraffiert dargestellten Flächen markieren Lötstellen 28 von Leitungs­ abschnitten 24, die an den Überkreuzungspunkten 25 jeweils eine leitende Verbindung der überkreuzenden Leiterbahn mit der parallelen, überkreuzten Leiterbahn herstellen.

In Fig. 3c ist ein Querschnitt zwischen den Punkten A-A aus Fig. 3b vergrößert dargestellt. Dabei ist zu erkennen, daß die Leiterbahnen d, e der "streamline"-Spule jeweils durch Nuten 26 voneinander isoliert sind, und daß der Leitungsab­ schnitt 24 mittels zweier Lötstellen 28 in diesem Falle zwei Abschnitte der Leiterbahn d miteinander verbindet, wobei er einen Abschnitt der Leiterbahn e überbrückt, von der der Leitungsabschnitt 24 durch eine isolierende Schicht 27 ge­ trennt ist.

In Fig. 4 schließlich ist nach oben der Stromdichteverlauf 41 in einem Quadranten einer herkömmlichen z-Gradientenspule 43 in "streamline"-Form sowie der Stromdichteverlauf der zugehö­ rigen Abschirmspule 44 über der z-Achse jeweils unmittelbar nach dem Schalten des Gradienten dargestellt. Die Stromdichte ist in willkürlichen Einheiten angegeben. Im unteren Bereich von Fig. 4 sind die z-Ausdehnungen der entsprechenden Leiterbahnen der die im oberen Bildbereich dargestellten Stromdichten erzeugenden Spulen angedeutet.

Die Leiterbahnen der Gradientenspule 43 erzeugen also die Stromdichteverteilungen 41, während die Leiterbahnen der Ab­ schirmspule 44 die Stromdichteverteilungen 42 hervorrufen. Wie man ohne weiteres erkennen kann, verlaufen die Strom­ dichteverteilungen 42 der Abschirmspule 44 ganz erheblich flacher, während die Stromdichteverteilungen 41 der Gradien­ tenspule 43 an den Rändern der jeweiligen Filament-Platten sehr starke Ausschläge in positiver und negativer Stromrich­ tung zeigen. Dies führt zu den eingangs geschilderten Wir­ belströmen in den Randbereichen der Leiterbahnen und somit zu einer Feldverzerrung des erzeugten Gradientenfeldes im Nutzvolumen beim Gradientenschaltvorgang. Dieses Problem wird durch die oben beschriebene, erfindungsgemäße Gestaltung der Gradientenspule weitgehend behoben. Wie man in Fig. 4 jedoch erkennt, ist die erfindungsgemäße Modifikation bei den zugehörigen Abschirmspulen nicht erforderlich, da diese ohnehin keine starken Ausschläge der Stromdichteverteilung an den Rändern der Leiterbahnen aufweisen, sondern im we­ sentlichen nahezu flach verlaufen.

Claims (6)

1. Gradientenspule zum Erzeugen geschalteter Magnetfeldgra­ dienten in einer Kernspinresonanz (NMR)-Apparatur, die aus auf der Oberfläche eines geometrischen Körpers ange­ ordneten, in Windungen verlaufenden Leiterbahnen aufge­ baut ist, wobei mindestens zwei elektrisch parallel ver­ schaltete Leiterbahnen (a, b; d, e) vorgesehen sind, die sich pro Windung n-mal überkreuzen, wobei n eine ganze Zahl mit n 8, vorzugsweise n = 1 oder n = 2 ist und wobei die Leiterbahnen (a, b; d, e) zwischen den Über­ kreuzungen i.w. geometrisch parallel verlaufen.

2. Gradientenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (a, b; d, e) i. w. die gleichen Ohm′schen Widerstände R und i. w. die gleichen Indukti­ vitäten L aufweisen.

3. Gradientenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterbahnen (a, b; d, e) abschnitts­ weise zwischen den Überkreuzungen (5; 25) stromlinien­ förmig aufgebaut sind.

4. Gradientenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterbahnen aus Drähten bestehen und die Gradientenspule vorzugsweise eine zylindrisch gewickelte Spule (z-Gradientenspule) ist.

5. Gradientenspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradientenspule eine Ab­ schirmspule (44) zugeordnet ist, die das von der Gradi­ entenspule erzeugte Magnetfeld gegen leitfähige Struktu­ ren der NMR-Apparatur abschirmt.

6. Gradientenspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmspule (44) keine Überkreuzungen auf­ weist.