DE19733742C1

DE19733742C1 - Verfahren zur Lärmminderung beim Betrieb einer Gradientenspule

Info

Publication number: DE19733742C1
Application number: DE19733742A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl Ing Sellers; Franz Dr Rer Nat Boemmel; Arthur Dipl Ing Kaindl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-08-04
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: US6075363A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lärmminderung beim Betrieb einer Gradientenspule eines Magnetresonanzgeräts, wo bei die Gradientenspule zumindest zum Teil mit einem Reakti onsharzformstoff verbunden ist. Ein solches Verfahren ist aus der DE 41 41 514 A1 bekannt.

An diagnostischen Magnetresonanz-Tomographiegeräten tritt ein beträchtlicher Störschall auf, der aufgrund von strukturellen Schwingungen des Betriebs mit angesteuerten Gradientenspulen entsteht. Der Lärmpegel kann dabei 120 dB überschreiten.

Zur Lärmminderung kommen sowohl passive als auch aktive Maß nahmen zur Anwendung. Zur passiven Lärmminderung gehört die aus der DE 41 41 514 A1 bekannte Erhöhung der Steifigkeit der Gradientenspule. Damit wird das Eigenschwingungsver halten des Gradientenspulensystems auf kleinere Schwingungs amplituden und auf höhere Frequenzen abgestimmt, wobei dann mit Schalldämm-Maßnahmen eine wirkungsvolle Dämpfung erzielt werden kann.

Aus der vorstehend schon genannten DE 41 41 514 A1 ist als weitere passive Maßnahme zur Verminderung des Störschalls vorgeschlagen, einen Gießharzformstoff mit den Gradientenspu len zu verbinden, der bei der Betriebstemperatur des Gradien tenspulensystems neben einem hohen E-Modul auch eine gute Schalldämpfung erreicht. Jedoch kann ein Duroplast-Formstoff aufgrund der intensiven Vernetzung der Makromoleküle unter einander niemals gleichzeitig ein hohes E-Modul und eine gute innere mechanische Dämpfung aufweisen.

Schließlich ist als weitere passive Maßnahme zur Senkung des Störschalls bekannt, eine Lochstruktur in die Gradientenspule einzubauen.

In der EP 0 597 528 A1 ist eine aktive Maßnahme zur Lärmmin derung beschrieben, die darin besteht, über Lautsprecher Ge genschall zu erzeugen. Lärm am Ohr des Patienten wird so ver ringert.

Eine weitere Maßnahme zur Lärmreduzierung bei Gradientenspu len ist in der US 4,954,781 offenbart. Dort ist zwischen dem zu untersuchenden Patienten und dem Hauptmagneten eine Sandwich-Struktur angeordnet. Die Sandwich-Struktur umfaßt eine visko-elastische Schicht, die von zwei Teilen einge zwängt wird.

Der Derwent-Zusammenfassung zur JP 08-231731 A sind Polymer- Teile als Zusatz für Harz-Zusammensetzungen zu entnehmen, die aus einem Polymer-Kernkörper und einem Polymer-Schalenkörper bestehen, die jeweils spezifische Glasübergangstemperaturen besitzen. Als Zusatz zu Harz-Zusammensetzungen wird eine ver besserte und wirkungsvolle Unterdrückung von Schwingungen über einen weiten Temperaturbereich erreicht.

Der Derwent-Zusammenfassung zur JP 02-169637 A ist ein Dämp fungsmaterial für Auto, Maschinen usw. zu entnehmen, wobei ein Harz mit einer spezifischen Glasübergangstemperatur ver wendet wird. Die Glasübergangstemperatur liegt im Bereich von 0°C bis 60°C.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Lärmminderung beim Betrieb einer Gradientenspule eines Magnetresonanzgeräts anzugeben, mit dem eine weitere mechani sche Dämpfung des Störschalls möglich ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Reaktionsharzform stoff im Betrieb der Gradientenspule auf einer Temperatur ge halten wird, die im Bereich der Glasübergangstemperatur des Reaktionsharzformstoffes liegt. Mit diesem Verfahren kann man die Dämpfung der Gradientenspule erhöhen, ohne zusätzliche Materialien und/oder Aufwendungen benutzen zu müssen. Dabei wird ausgenutzt, daß sich der Verlustfaktor, der die mechani sche Dämpfung bestimmt, im Bereich der Glasübergangstempera tur um eine Größenordnung erhöht. Die innere Dämpfung des Re aktionsharzformstoffes durchläuft bei der Glasübergangstempe ratur ein Maximum.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Lärmminderung wird im Betrieb der Gradientenspule so gekühlt, daß die Temperatur des Reaktionsharzformstoffes im Bereich der Glasübergangstemperatur liegt. Damit kann lediglich durch eine Modifizierung des mit der Gradientenspule verbundenen Kühlsystems eine Lärmminderung erzielt werden.

Um schon bei Betriebsbeginn eine Lärmminderung zu erzielen, wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Re aktionsharzformstoff vor dem Betrieb der Gradientenspule auf die Temperatur erwärmt, die im Bereich der Glasübergangstem peratur liegt. Zur Erwärmung kann vorteilhafterweise die so wieso vorhandene Gradientenstromversorgung benutzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von 5 Figuren erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Diagramm bei einem Reaktionsharzformstoff die Abhängigkeit des Schermoduls G' und des mechani schen Verlustfaktors tan δ als Funktion der Tempera tur,

Fig. 2 in einem Diagramm bei einem Reaktionsharzformstoff die Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur T_g als Funktion der Härtedauer und Härtetemperatur,

Fig. 3 in einem Diagramm bei einem Reaktionsharzformstoff die Glasübergangstemperatur T_g als Funktion des Mi schungsverhältnisses Harz : Härter,

Fig. 4 in einem Prinzipbild ein Gradientensystem eines dia gnostischen Magnetresonanzgeräts, dessen Betrieb stemperatur im Bereich der Glasübergangstemperatur gehalten wird und

Fig. 5 in einem der vom Gradientensystem erzeugte Stör schall in Abhängigkeit der Temperatur.

Im allgemeinen charakterisiert die Glasübergangstemperatur einen Übergang zwischen einem glasartigen und einem gummiela stischen Zustand eines Kunststoffes. Zu den Kunststoffen ge hören auch Reaktionsharzformstoffe, insbesondere Epoxidharz formstoffe. Im glasartigen Zustand bestehen Epoxidharze aus verzweigten und miteinander vernetzten Kettenmolekülen. Im glasartigen Zustand sind sämtliche Bewegungen der Ketten, auch der Kettenverzweigungen, eingefroren. Unter dem Einfluß äußerer Kräfte werden die Ketten lediglich elastisch ver zerrt. Daraus ergibt sich im glasartigen Zustand ein hoher Schermodul G', eine niedrige mechanische Dämpfung tan δ, eine niedrige Bruchdehnung ε_b und eine hohe Bruchspannung σ_b. In diesem Zustand ist das Material hart und spröde.

Bei höheren Temperaturen im Glaszustand treten sekundäre Dis persionsgebiete auf, wobei Seitengruppen oder kurze Teile der Hauptketten beweglich werden. Der Beitrag dieser Bewegungen zur Formierbarkeit äußert sich in der Absenkung des Schermo duls auf ca. 2/3 des ursprünglichen Wertes. Die mechanische Dämpfung durchläuft dabei ein erstes Maximum.

Im Erweichungsgebiet, d. h. im Temperaturbereich um die Glas übergangstemperatur T_g, tauen die mikrobrownschen Bewegungen auf. Das bedeutet, daß sich jetzt nicht nur Seitenketten der Moleküle, sondern ganze verknäulte Moleküle bewegen können. In gummielastischem Zustand sind die mikrobrownschen Bewegun gen dann voll entwickelt. Beim Durchlaufen des Erweichungsge bietes erniedrigt sich der Schermodul G' z. B. bei Duroplasten um rund zwei Zehnerpotenzen, die Dämpfung ist maximal.

Die Glasübergangstemperatur charakterisiert auch Änderungen mechanischer und elektrischer Eigenschaften, die auf die mo lekularen Veränderungen im Kunststoff zurückzuführen sind. Diese Änderungen sind bei der konstruktiven Ausgestaltung des Formwerkstoffes zu berücksichtigen. So steigt bei Tempera turerhöhungen über die Glasübergangstemperatur T_g der thermi sche Ausdehnungskoeffizient α bei der Glasübergangstemperatur T_g sprunghaft an. Des weiteren steigen auch die Dielektrizi tätszahl ε_r und der dielektrische Verlustfaktor tan δ stark an bei Temperaturen oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g. Die starke Zunahme der Dielektrizitätszahl hat direkte Konsequen zen auf das Teilentladungsverhalten von Epoxidharz-imprä gnierten Spulen. In Temperaturbereichen über der Glasüber gangstemperatur T_g nimmt die Teilentladungs-Einsetzspannung rapide ab und kann dabei in die Nähe der Betriebsspannung ge raten. Dies ist beim Betrieb zu berücksichtigen.

Das in Fig. 1 dargestellte Diagramm zeigt beispielhaft für ein Araldit-Gießharzsystem mit einer Glasübergangstemperatur von T_g = 120°C den Verlauf 6 des mechanischen Verlustfaktors tan δ und den 8 des Schermoduls G' in Abhängigkeit von der Tempe ratur, wobei die Messung bei einer Frequenz von 1 Hz durchge führt wurde. Charakteristisch ist der starke Anstieg des me chanischen Verlustfaktors tan δ im Bereich der Glasübergang stemperatur T_g. Wird die Temperatur über die Glasübergang stemperatur T_g erhöht, so sinkt gleichzeitig das Schermodul G' um zwei Zehnerpotenzen.

Die Glasübergangstemperatur T_g ist bei Reaktionsharzformstof fen durch verschiedene Parameter einstellbar. So senkt ein höherer Flexibilisatorgehalt im Reaktionsharzformstoff die Glasübergangstemperatur T_g. Als weitere Einflußgrößen läßt sich über die Härtedauer und Härtetemperatur die Glasüber gangstemperatur einstellen. Fig. 2 zeigt beispielhaft in ei nem Diagramm die Abhängigkeit der Glasübergangstemperatur T_g von der Härtungszeit, wobei die Härtungszeit in Minuten ange geben ist. Die im Diagramm eingezeichnete Kurve 10 zeigt die sich einstellende Glasübergangstemperatur T_g bei einer Härte temperatur von 120°C. Charakteristisch ist ein steiler An stieg bis ca. 30 Minuten Härtungszeit, danach ändert sich die Glasübergangstemperatur nur noch in einem geringen Bereich in Abhängigkeit von der Härtezeit. Mit Bezugszeichen 12 ist die Glasübergangstemperatur T_g als Funktion der Härtezeit bei ei ner Härtetemperatur von 140°C dargestellt. Im Vergleich zur Kurve 10 ist der steile Anstieg in der Kurve 12 nicht so aus geprägt.

Schließlich läßt sich die Glasübergangstemperatur T_g auch noch über das Verhältnis von Härter/Harz einstellen, wie in Fig. 2 dargestellt. Als Einheit ist auf der Abszisse jeweils der Gewichtsteil (GT) Härter auf 100 Gewichtsteile (GT) Harz angegeben. Die Kurve 14 zeigt ein Maximum der Glasübergang stemperatur bei ca. 35 Gewichtsteilen Härter auf 100 Ge wichtsteile Harz.

Fig. 4 zeigt in einer Prinzipdarstellung im Schnitt ein dia gnostisches Magnetresonanzgerät mit den für die Lärmerzeugung und Lärmminderung relevanten Komponenten. Innerhalb einer Hochfrequenzabschirmkammer 20 sind die zur Aufnahme eines Pa tienten ausgestalteten Komponenten des diagnostischen Magne tresonanzgeräts angeordnet. Sie umfassen hier einen supralei tenden Magneten 22 zur Erzeugung eines statischen und homoge nen Magnetfeldes innerhalb eines zylinderförmigen Untersu chungsraumes 24. Die Richtung des Magnetfeldes im Untersu chungsraum verläuft parallel zur Symmetrieachse 26. Zur Orts auflösung der Magnetresonanzsignale ist ein Gradientenspulen system 28 erforderlich, womit in drei senkrecht aufeinander stehenden Raumrichtungen dem Hauptmagnetfeld zeitlich verän derliche Gradientenmagnetfelder überlagert werden können. Das Gradientensystem 28 ist in herkömmlicher Art, wie es z. B. in der eingangs angeführten DE 41 41 514 A1 beschrieben ist, rohrförmig ausgebildet und schließt sich im Innenraum 24 un mittelbar an den Grundfeldmagneten 22 an. Die zum Gradienten system 28 gehörenden Spulen sind in einem Reaktionsharzform stoff, insbesondere einem Epoxidharzformstoff, zumindest teilweise eingebettet. Weiter zum Untersuchungsraum 24 hin schließt sich an das Gradientensystem 28 ein Hochfrequenzsy stem 30 zur Anregung und zum Empfang von Magnetresonanzsigna len an. Die zeitlich veränderlichen Gradientenströme, die im kHz-Bereich liegen, werden von einer an die Gradientenspulen angeschlossenen Gradientenstromversorgung 32 erzeugt. Die Stromformen werden von einem hier nicht dargestellten Steuer rechner vorgegeben.

Die in den Gradientenspulen fließenden Ströme erzeugen eine erhebliche Verlustwärme, die über ein Wasserkühlsystem 34 ab geführt wird. Zu dem Wasserkühlsystem 34 gehören Kühlmit telkanäle, die im Epoxidharzformstoff eingebettet sind und die über Kühlmittelleitungen 36 mit einem externen Kühler 37 verbunden sind. An geeigneten Stellen sind im Epoxidharzform stoff ein oder mehrere Temperatursensoren 38 eingebettet, die die Temperatur des Epoxidharzformstoffes messen und an einen Regler 40 abgeben. Als Sollwert ist dem Regler 40 die Glas übergangstemperatur T_g des Epoxidharzformstoffes zugeführt. Der Regler 40 steht zunächst in Wirkverbindung mit der Gra dientenstromversorgung 32, um vor dem Untersuchungsbetrieb des Magnetresonanzgeräts das Gradientensystem 28 auf die Glasübergangstemperatur T_g anzuheizen. Im Betrieb steht der Regler 40 in Wirkverbindung mit dem Kühlsystem 34, um die Kühlung so einzustellen, daß die Betriebstemperatur bei der Glasübergangstemperatur T_g gehalten wird.

Fig. 5 zeigt die erzielbare Lärmminderung beim Betrieb des Gradientensystems 28 bei der Glasübergangstemperatur T_g = 60°C. Als Reaktionsharzformstoff wurde ein Araldit- Gießharzsystem mit einer Glasübergangstemperatur von 60°C verwendet. Ein minimaler Lärmpegel mit einer Minderung gegen über dem Wert bei Raumtemperatur (in Fig. 5 der linke Be reich) um ca. 3 dB(A) bzw. 40% tritt bei der Glasübergang stemperatur T_g auf. Im Temperaturbereich von ca. 56°C bis 61°C beträgt die Minderung noch 2,5 dB(A). Die Betriebstem peratur des Gradientensystem 28 wird in diesem Temperaturbe reich gehalten.

Claims

1. Verfahren zur Lärmminderung beim Betrieb einer Gradienten spule eines Magnetresonanzgeräts, wobei die Gradienten spule (28) zumindest zum Teil mit einem Reaktionsharzform stoff verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Reaktionsharzformstoff im Be trieb der Gradientenspule auf einer Temperatur gehalten wird, die im Bereich der Glasübergangstemperatur des Reaktionsharz formstoffes liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß im Betrieb der Gradienten spule die Gradientenspule (28) mit einem Kühlsystem (34) so ge kühlt wird, daß die Temperatur des Reaktionsharzformstoffes im Bereich der Glasübergangstemperatur liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kühlung mittels eines mit der Gradientenspule (28) verbundenen Wasserkühlsystems er folgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der Reakti onsharzformstoff vor dem Betrieb der Gradientenspule auf die Temperatur erwärmt wird, die im Bereich der Glasübergangstem peratur liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Erwärmung vor dem Be trieb mittels einer an die Gradientenspule (28) angeschlossenen Gradientenstromversorgung (32) erfolgt.