DE19829296A1 - Magnetresonanzgerät sowie Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts - Google Patents

Abstract

Magnetresonanzgerät mit einem Gradientenrohr, an dem wenigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradientenspule angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr wirkenden Kraft angeordnet sind, wobei die Lage der Elemente (HP, EP) in Abhängigkeit wenigstens einer Eigenschwingungsform des Gradientenrohrs (1) gewählt ist, so daß die jeweilige Eigenschwingungsform bei Betrieb der Elemente anregbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät mit einem Gra­ dientenrohr, an dem wenigstens eine im Betrieb strombeflosse­ ne Gradientenspule angeordnet ist, und an dem mehrere Elemen­ te zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradienten­ rohr wirkenden Kraft angeordnet sind.

Mittels solcher Magnetresonanzgeräte ist es möglich, Schnitt­ bilder des zu untersuchenden Objekts, in der Regel eines Pa­ tienten, durch bestimmte Körperebenen zu erzeugen. Dies ge­ schieht mit Hilfe elektromagnetischer Felder. Um eine Orts­ auflösung der auf Grund eines anliegenden magnetostatischen Grundfelds und eines anregenden Hochfrequenzfelds erhaltenen Signal zu ermöglichen, wird mittels mehrerer Gradientenspulen ein Gradientenfeld erzeugt. In der Regel kommen drei unter­ schiedliche Gradientenspulen zum Einsatz, die Felder in x-y- z-Richtung bezüglich des Gradientenrohres erzeugen. Auf Grund des Stromflusses treten Lorentz-Kräfte auf, die auf das Gra­ dientenrohr wirken und dieses wegen ihres zeitlichen Verlaufs zum Schwingen anregen. Diese mechanischen Schwingungen regen nun ihrerseits die Luft um das Gradientenrohr zu Luftdruck­ schwankungen an. Diese Schwingungen sind ursächlich für die beachtliche Lärmentwicklung während des Betriebs des Ma­ gnetresonanzgeräts, wobei Lärmspitzen weit über 100 dB auf­ treten. Um diesen Schwingungen entgegenzuwirken und folglich den Lärm zu dämpfen ist es beispielsweise aus DE 44 32 747 A1 bekannt, mittels piezoelektrischer Elemente, die am Gradien­ tenrohr angeordnet sind, Gegenkräfte zu erzeugen und so den von Lorentz-Kräften angeregten Schwingungen entgegenzuwirken. Die in dem genannten Dokument beschriebene Anordnung der pie­ zoelektrischen Elemente erfolgt jedoch im wesentlichen im Be­ reich der Spulenleiter. Hinsichtlich der tatsächlich erzeug­ ten Schwingungen ist die beschriebene Anordnung unselektiv, eine zielgerichtete Geräuschdämpfung ist folglich nicht mög­ lich.

Der Erfindung liegt damit das Problem zu Grunde, ein Ma­ gnetresonanzgerät anzugeben, bei dem eine effektive Geräusch­ dämpfung realisiert ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Magnetresonanzgerät der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Lage der Elemente in Abhängigkeit wenigstens einer Eigen­ schwingungsform des Gradientenrohrs gewählt ist, so daß die jeweilige Eigenform bei Betrieb der Elemente anregbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Elemente beruht auf der Tatsache, daß jede Schwingung des Gradientenrohres, eine Überlagerung mehrerer Eigenschwingungsformen ist, d. h., jede Schwingung kann auf bestimmte Eigenschwingungsformen redu­ ziert werden. Dabei können die Eigenschwingungsformen unter­ schiedliche Beiträge zur tatsächlichen Rohrschwingung lie­ fern. Beim erfindungsgemäßen Gerät ist es infolge der Anord­ nung der Elemente vorteilhaft möglich, wenigstens eine Eigen­ schwingungsform gezielt und definiert anzuregen, die der je­ weiligen Eigenschwingungsformkomponente der Rohrschwingungen entgegenwirkt und diese eliminiert. Hierdurch kann effektiv der Rohrschwingung entgegengewirkt werden, was zu einer Dämp­ fung derselben und damit auch des erzeugten Lärms führt.

Das magnetische Grundfeld verläuft längs der Zylinderachse, die großen Ströme fließen innerhalb von Zylinderschalen, wes­ halb die entstehenden Lorentz-Kräfte radial gerichtet sind. Die örtliche Verteilung der Lorentz-Kräfte ist in Längsrich­ tung des Rohres annähernd symmetrisch zur Mitte der Länge des Rohres. Auf in Umfangsrichtung gegenüberliegende Orte wird bei X- und Y-Gradient Kraft mit entgegengesetzter Phase aus­ geübt. Dies bedeutet, daß von dieser Lorentz-Kraft nur solche Eigenformen zum Schwingen angeregt werden, die entsprechende Symmetrieeigenschaften aufweisen. Hier handelt es sich nur um Eigenformen mit ungeradem Modenparameter, das heißt, mit un­ gerader Anzahl von gleichphasigen Schwingungsbäuchen, weshalb erfindungsgemäß die Elemente in Abhängigkeit wenigstens einer Eigenschwingungsform mit ungeradem Modenparameter plaziert sind. Da erfindungsgemäß die Elemente in Abhängigkeit von Um­ fangs- und/oder Längsschwingungsformen plaziert sein können, was darauf zurückzuführen ist, daß im akustisch relevanten Frequenzbereich keine nennenswerten radialen Schwingungen in­ nerhalb des Rohrs auftreten, sind vor allem solche Eigenfor­ men mit ungeradem Umfangsparameter und ungeradem Längsparame­ ter relevant. Dabei kann die Plazierung derart sein, daß aus­ schließlich Umfangsschwingungsformen erzeugbar sind, da es sich herausgestellt hat, daß jede der betrachteten Eigenfor­ men aus Umfangs- und Längsschwingungen zusammengesetzt ist und infolge der gegebenen Symmetrie durch die Lorentz-Kraft des X-Y-Gradienten vor allem Eigenformen mit Umfangsschwin­ gungen mit ungerader Modenzahl und zur Mitte des Rohres sym­ metrischer Längsschwingungen angeregt werden. Da die Unter­ drückung nur einer Komponente, also entweder der Umfangs- oder der Längsschwingung zur Stillegung bzw. Dämpfung der ge­ samten Schwingungsform führt, und da die Umfangsschwingungs­ formen leichter definierbar und separierbar sind, ist es aus­ reichend, die Lage der Elemente nur auf Grund dieser Umfangs­ schwingungsformen zu bestimmen und nur solche Umfangsschwin­ gungsformen zur Eliminierung zu erzeugen. Infolge der bereits beschriebenen Symmetrieeigenschaften der relevanten Schwin­ gungsformen sollten die Elemente bezogen auf die Länge des Gradientenrohres in der Mitte angeordnet sein. Die Elemente müssen also nicht über die gesamte Länge des Gradientenrohres angebracht werden, vielmehr führt allein die mittige Anord­ nung symmetriebedingt zu einer hinreichenden Dämpfung. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß alle geradzahligen Schwin­ gungsmoden in der Mitte einen Schwingungsknoten zeigen, so daß eine mittige Anordnung sicherstellt, daß keine uner­ wünschten Schwingungen während der "Eliminierung" angeregt werden, die ihrerseits wiederum nachteilig wirken würden. Da in der Regel in der Mitte die größten Dehnungen in Längsrich­ tung auftreten, ist eine rohrmittige Positionierung auch die effektivste. Wie bereits beschrieben ist es ausreichend, zur Eliminierung der Lorentz-Kraft bedingten Schwingungen aus­ schließlich ungerade Umfangsschwingungsmoden anzuregen. Zu diesem Zweck kann die Plazierung der Elemente zur Anregung von Umfangsschwingungsformen mit einer Modenzahl m = 1, m = 3 und ggf. m = 5 gewählt sein. Höherzahlige Moden werden bei den ge­ gebenen Betriebsfrequenzen nicht bzw. nur in vernachlässigba­ rem Maß angeregt, ihre diskrete Eliminierung ist nicht unbe­ dingt erforderlich.

Der Z-Gradient hingegen ist in Längsrichtung zur Rohrmitte weitgehend antisymmetrisch. Es werden also nur Längsschwin­ gungen angeregt, die die gleiche Antisymmetrie aufweisen, das heißt, Punkte, die in verschiedener Richtung gleichweit von der Rohrmitte entfernt sind, schwingen mit gleicher Amplitude aber entgegengesetzter Phase. Folglich sind hier nur gerad­ zahlige Moden relevant, weshalb diese Elemente in Abhängig­ keit der Z-Eigenschwingungsformen (Längsschwingungen) gerader Modenzahl plaziert sind. Da keine Bewegung in Umfangsrichtung stattfindet, sind die Elemente in Längsrichtung außenseitig anzuordnen. Sie können infolge der Antisymmetrie über die Rohrlänge verteilt an mehreren ausgewählten Stellen plaziert werden. Dabei ist es ausreichend, die lokale Anordnung zur Anregung von Längsschwingungsformen mit einer Modenzahl von l = 2, l = 4 und ggf. l = 6 zu wählen.

Wie bereits beschrieben beruht die erfindungsgemäß erzielbare Geräuschdämpfung im wesentlichen darauf, gezielt und defi­ niert Eigenschwingungsformen anzuregen. Im Idealfall würde mit der schwingungsmoden-spezifischen Elementverteilung genau eine Eigenform zu Schwingungen angeregt und alle anderen nicht beeinflußt. Real aber werden beispielsweise bei Anre­ gung der Umfangsschwingungsform m = 1 auch die Schwingungen m = 3 und m = 5 mit angeregt. Um diese insoweit ungewollt angeregten Schwingungen wieder unterdrücken zu können, können erfin­ dungsgemäß weitere Elemente zur Erzeugung einer oder mehrerer Schwingungen vorgesehen sein, die diesen ungewollt angeregten Schwingungen entgegenwirken. Aus Symmetriegründen werden auch hier nur ungeradzahlige Schwingungsmoden (bei den X- und Y- Gradientenspulen) bzw. geradzahlige Moden (bei der Z-Gradien­ tenspule) angeregt, weshalb die Anordnung der weiteren Ele­ mente zum Eliminieren von ungeraden und/oder geraden Eigen­ schwingungsformen gewählt sein kann, d. h., die weiteren Ele­ mente sind so angeordnet, daß mit ihnen entsprechende Unter­ drückungsschwingungen erzeugt werden können. In der Regel werden mehrere Nebenschwingungen beim Betrieb der eigentli­ chen ersten Elemente mit angeregt, weshalb die weiteren Ele­ mente derart angeordnet sein können, daß die von ihnen er­ zeugte(n) Schwingung(en) gleichzeitig zwei zu eliminierenden Eigenschwingungsformen entgegenwirkt, wobei dies abhängig von der jeweils zu unterdrückenden "Hauptschwingung" vor allem die Schwingungsmoden m = 1, m = 3, bzw. m = 1, m = 5 bzw. m = 3, m = 5 und l = 2, l = 4 bzw. l = 2, l = 6 bzw. l = 4, l = 6 sind. Dabei sollte die Ansteuerung der weiteren Elemente derart sein, daß sie in ihrer gesamten Kraftwirkung auf das Gradientenrohr die Kraft­ wirkung der ersten Elemente im Hinblick auf die zu eliminie­ renden Eigenschwingungsformen im wesentlichen vollständig kompensieren, d. h., die weiteren Elemente werden so ange­ steuert, daß der Kraftbeitrag, den die ersten Elemente auf die Erzeugung der ungewollten Schwingungsmoden haben, im we­ sentlichen vollständig ausgeglichen wird. Die Effektivität, mit welcher ein weiteres Element den Kraftanteil des "Haupt­ elements" kompensieren kann, ist lageabhängig, d. h., ein Element kann also bei gleicher Ansteuerung wie ein "Haupt­ element" nur einen bestimmten prozentualen Anteil kompensie­ ren. Dies ist bei der jeweiligen Ansteuerung zu berücksichti­ gen. Die Elemente, ggf. die weiteren Elemente können erfin­ dungsgemäß mit ihrer Wirkrichtung in Umfangs- und/oder Längs­ richtung des Gradientenrohres angeordnet sein. Die jeweilige Anbringung wird abhängig von der zu erzeugenden Eigenschwin­ gungsform gewählt werden. Beispielsweise kann eine Eigen­ schwingung m = 1 nicht über in Umfangsrichtung angeordnete Pie­ zo erzeugt werden, da bei dieser Eigenform keine Verformung in Umfangsrichtung und somit auch keine Dehnung in Umfangs­ richtung auftritt. Die Eigenform kann nur mit den in Längs­ richtung angeordneten Elementen hinreichend eliminiert wer­ den. Der Vorteil einer solchen Anbringung liegt ferner darin, daß mit einer solchen Ausrichtung auch alle anderen Schwin­ gungsmoden mit hinreichender Ankoppelung angeregt werden, so daß eine Anbringung in Längsausrichtung am zweckmäßigsten ist. Dabei können die Elemente, ggf. die weiteren Elemente erfindungsgemäß an der Rohraußenseite und/oder der Rohrinnen­ seite angeordnet sein, wobei sich insbesondere die außensei­ tige Anordnung als zweckmäßig erwiesen hat, da die Umfangs­ schwingung m = 1, die einen wesentlichen Beitrag zur Geräu­ schentwicklung liefert, nur bei außenseitiger Anordnung er­ zeugt und damit eliminiert werden kann.

Die Elemente, ggf. die weiteren Elemente sollten jeweils paarweise einander gegenüberliegend am Gradientenrohr ange­ ordnet und mit einander entgegengesetzter Phase betreibbar sein, wobei diese Bedingung sowohl für in Umfangs- wie auch in Längsrichtung wirkende Elemente gilt. Dabei können zweck­ mäßigerweise die ersten Elemente am Gradientenrohr bei 0° entsprechend der Richtung der Gradientenachse, die bekämpft werden soll und 180° angeordnet sein, und die weiteren Ele­ mente zur Eliminierung der Umfangsschwingungsmoden m = 3 und m = 5 bei einer Anregung des Modes m = 1 bei ± 45° und ± 135°, und die weiteren Elemente zur Eliminierung der Umfangsschwin­ gungsmoden m = 1 und m = 5 bei Anregung des Modes m = 3 bei ± 60° und ± 120° bezüglich des Rohrquerschnitts angeordnet sind. Diese konkreten Anordnungen lassen eine hinreichende Elimi­ nierung der jeweils ungewollt erzeugten ungeraden Schwin­ gungsmoden zu, wobei bei der entsprechenden Winkelanordnung und der paarweise vorgesehenen Elemente die jeweilige Kraft­ komponente der erzeugenden Elemente annähernd vollständig kompensiert werden kann.

Demgegenüber können erfindungsgemäß die Elemente zur Anregung des Längsschwingungsmodes l = 2 bei 2/6 und 4/6 und die Elemen­ te zur Eliminierung der Längsschwingungsmoden l = 4 und l = 6 bei 1/6 und 5/6 bezogen auf die Länge des Gradientenrohres ange­ ordnet sein, und die Elemente zur Anregung des Längsschwin­ gungsmodes l = 4 bei 4/10 und 6/10 und die Elemente zur Elimi­ nierung der Längsschwingungsmodes l = 2 und l = 6 bei 2/10 und 8/10 angeordnet sein.

Wie beschrieben ist jede Rohrschwingung auf eine Überlagerung von Eigenschwingungsformen reduzierbar. Das Verhältnis der schwingungsbildenden Eigenschwingungsformen ändert sich aber mit der Frequenz der wirkenden Lorentz-Kraft, die wiederum abhängig von der Betriebsfrequenz der Gradientenspule ist. Um dem Rechnung zu tragen kann erfindungsgemäß ferner vorgesehen sein, daß die Elemente, ggf. die weiteren Elemente derart be­ treibbar sind, daß sich die von ihnen ausgeübte Kraft in Ab­ hängigkeit der Betriebsfrequenz der Gradientenspule und damit der erzeugten Lorentz-Kraft ändert. Hierdurch wird sicherge­ stellt, daß die erzeugte "Gegenschwingung" und die "Eliminie­ rungsschwingung" hinreichend und weder zu stark oder zu schwach sind, um ein optimales Maß an Gegenwirkung zu erzie­ len. Diese frequenzabhängige Ansteuerung ermöglicht betref­ fend den Z-Gradienten, die Elemente zur Anregung der Längs­ schwingungsmoden lediglich in zwei zur Rohrmitte symmetri­ schen Positionen anzuordnen, an denen keine der relevanten Längsschwingungen einen Schwingungsknoten aufweist. Diese Elemente, die um den Umfang vorzugsweise symmetrisch verteilt sind, und von denen zur Vermeidung einer ungewollten Anregung etwaiger Umfangsschwingungen mehrere, insbesondere mehr als sechs vorgesehen sind, werden alle gleichförmig angesteuert. Infolge der Antisymmetrie und bei Berücksichtigung der ele­ mentspezifischen Kraftwirkung auf die jeweiligen Eigenschwin­ gungsform ist so eine über den beachtlichen Frequenzbereich ausreichende Schwingungserzeugung und -eliminierung möglich. Die Elemente selbst können piezoelektrische Elemente sein, die im Hinblick auf die Beanspruchung entsprechend auszulegen sind, vorzugsweise als Stapel mit mehreren Elementen.

Neben dem Magnetresonanzgerät betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zum Betrieb eines solchen, wobei das Magnetre­ sonanzgerät ein Gradientenrohr aufweist, an dem wenigstens eine im Betrieb schon beflossene Gradientenspule angeordnet ist, und an dem ferner mehrere Elemente zur bedarfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr wirkenden Kraft ange­ ordnet sind. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich darin aus, daß mittels der Elemente eine oder mehrere Eigen­ schwingungsformen des Gradientenrohres angeregt werden, die den von Lorentz-Kräften, die infolge eines Stromflusses durch die Gradientenspule erzeugt werden, hervorgerufene Schwingun­ gen des Gradientenrohres entgegenwirken. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus dem in folgenden beschriebenen Ausführungsbei­ spiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 und 2 die Ortsverteilung der Lorentz-Kräfte des X- Gradienten auf der inneren (Fig. 1) und äuße­ ren (Fig. 2) Oberfläche als Flächenkraft mit abgewickelten Zylinderoberflächen,

Fig. 3 und 4 eine Gegenüberstellung der Ortsverteilung der Lorentz-Kräfte der äußeren Oberfläche (Fig. 3) und die Amplitude der radialen Auslenkung der m = 1, l = 1 Eigenform (Fig. 4)

Fig. 5 bis 7 eine Darstellung der bei der Schwingung er­ zeugten Dehnungen in z-Richtung (Längsrich­ tung) des Rohres für verschiedene Eigenformen mit Darstellung der Orte, Kräfte und Phasen der Elemente gemäß einer ersten Verteilung zur Anregung einer m = 1 Eigenschwingung,

Fig. 8 bis 10 eine Darstellung der bei der Schwingung er­ zeugten Dehnungen in z-Richtung des Rohres für verschiedene Eigenformen mit Darstellung der Orte, Kräfte und Phasen der Elemente gemäß ei­ ner zweiten Verteilung zur Anregung einer m = 3 Eigenschwingungsform.

Fig. 11 eine Ansteuerkurve der Hauptelemente der Ele­ mentenverteilung gemäß Fig. 5 bis 7 über die Frequenz,

Fig. 12 eine Ansteuerkurve der Hauptelemente der Ver­ teilung gemäß Fig. 8 bis 10 über die Frequenz,

Fig. 13 ein Diagramm zur Darstellung der Abnahme der mechanischen Schwingungsamplituden durch Ein­ satz der Elemente,

Fig. 14 ein Diagramm zur Darstellung der Lärmminde­ rung,

Fig. 15 eine Prinzipskizze zur Anbringung der Elemente gemäß der ersten Verteilung nach Fig. 5 bis 7,

Fig. 16 eine Prinzipskizze zur Anbringung der Elemente gemäß der zweiten Verteilung nach Fig. 8 bis 10,

Fig. 17 die gemeinsame Anbringung aller Elemente,

Fig. 18 eine Aufsicht auf das Gradientenrohr aus Fig. 17,

Fig. 19 ein Diagramm zur Darstellung des Verlaufs der Lorentz-Kraft des Z-Gradienten über die Rohr­ länge, und

Fig. 20 ein Diagramm zur Darstellung verschiedener Längsschwingungsformen und der sich dazu erge­ benden Elementanordnung am Rohr.

Da die Eigenschwingungen selbständig nicht meßbar sind, ist es erforderlich die Schwingung des Gradientenrohres zu simu­ lieren. Hierzu wird die Finite-Element-Methode verwendet. Die Anregung des Gradientenrohrs durch die Lorentz-Kräfte wird stets als harmonisch angenommen. Aus den einzelnen, mit den jeweiligen Fourier-Koeffizienten gewichteten harmonischen An­ regungen kann das Schwingungs- und Lärmverhalten für jede be­ liebige periodische Anregungssequenz zur Überlagerung gebil­ det werden.

Jede harmonische Schwingung kann bei linear elastischem Mate­ rialverhalten als Überlagerung der Eigenschwingungen der Struktur dargestellt werden. Diese Eigenschwingungen mit den dazugehörigen Eigenfrequenzen sind abhängig von der Geome­ trie, den Materialeigenschaften und den Randbedingungen (z. B. der Einspannung), während die wirkenden Kräfte und die Anre­ gefrequenz letztlich die Koeffizienten bei der Überlagerung dieser Eigenschwingungen zur Gesamtschwingung ergeben. Allein aus der Ortsverteilung ergeben sich im Rahmen der modalen Analyse bereits modale Lastfaktoren, d. h. pro Eigenform eine reelle Zahl, die aussagt, wie gut die vorgegebene Kraftver­ teilung die jeweilige Schwingungsform anregt. Frequenz und Dämpfung gehen dann in die Überlagerung der einzelnen Fre­ quenzanteile ein.

Zu jeder Eigenschwingungen gehört neben ihrer Frequenz auch ihre Schwingungsform. Im akustisch relevanten Frequenzbereich herrschen Biegeschwingungen vor. Radialschwingungen im Gra­ dientenrohr selbst treten erst bei höheren Frequenzen auf. Die Schwingungskomponenten können sich also in zwei Raumdi­ mensionen ausbilden, nämlich in Umfangs- und Längsrichtung des Rohres. Folglich können die in diesem Frequenzbereich auftretenden Eigenschwingungen nach Umfangs- und Längsschwin­ gungen klassifiziert werden. Hierzu dient der Umfangsparame­ ter m und der Längsparameter 1. Dabei bedeutet m = 0, daß zu jedem Zeitpunkt alle Punkte des Rohrumfangs den gleichen Ra­ dius aufweisen. m = 1 gibt an, daß die auf die Längsachse des Systems bezogene Radialkomponente der Rohrbewegung bei klei­ nen Auslenkungen auf den Umfang näherungsweise einen Sinus beschreibt, es liegt also ein Querschnittstranslation vor. m ≧ 2 bedeutet, daß eine erkennbare Verformung des Rohrum­ fangs auftritt. Hierbei gibt m die Anzahl der gleichphasigen Schwingungsbäuche auf dem Umfang an.

Der Parameter l stellt demgegenüber die Anzahl der vollstän­ dig ausgebildeten Schwingungsbäuche auf der gesamten Länge des Gradientenrohres dar. Neben den durch diese Einteilung beschriebenen reinen Längsschwingungen gibt es noch drei Klassen von Sonderformen. Während alle Eigenformen mit norma­ ler Längsschwingung an beiden Längsenden des Rohres gleich­ phasige Auslenkungen aufweisen, gibt es für die l = 0 Eigenform sowie für die m = 0, l = 1 und die m = 1, l = 1 Eigenform je eine zu­ sätzliche Variante, die an den Längsenden gegenphasige Aus­ lenkungen aufweist, also ein zur Mitte der Länge des Rohrs antisymmetrisches Erscheinungsbild zeigt, was nachfolgend durch ein "a" gekennzeichnet ist. Desweiteren gibt es Stauch­ bewegungen, die entweder als alleinige Schwingungsform oder anderen Schwingungsformen überlagert sind. Diese Eigenformen werden durch ein "st" hinter der Bezeichnung der Schwingungs­ grundform kenntlich gemacht. Schließlich treten im betrachte­ ten Frequenzbereich noch Drehbewegungen auf. Hierbei drehen sich in Längsrichtung nebeneinanderliegende Bereich in unter­ schiedliche Richtung. Diese Eigenformen werden durch ein "dr" hinter der Bezeichnung der Schwingungsgrundform kenntlich ge­ macht.

Auszuwählen sind die Eigenformen, die von der beim Betrieb der Gradientenspulen erzeugten Lorentz-Kraft überhaupt zum Schwingen angeregt werden können und die überhaupt einen re­ levanten Beitrag zur Lärmerzeugung liefern.

Die Ursache für den im Magnetresonanzsystem auftretenden Lärm sind die im Grundmagnetfeld fließenden elektrischen Ströme der Gradientenspulen. Im folgenden wird nur die Wirkung der X-Gradientenspule untersucht, jedoch lassen sich die Ergeb­ nisse auf die nahezu gleich aufgebaute Y-Gradientenspule übertragen.

Das magnetische Grundfeld, das mittels dem supraleitenden Ma­ gneten des Magnetresonanzgeräts erzeugt wird, verläuft längs der Rohrzylinderachse. Die Ströme der Gradientenspulen flie­ ßen hauptsächlich auf Zylinderschalen, weshalb die entstehen­ den Lorentz-Kräfte radial gerichtet sind. Die X-Gradienten­ spule besteht aus mehreren symmetrischen Sattelspulen, von denen jede aus einer Primär- und Sekundärspule, die bei ver­ schiedenen Radien eingebaut sind, besteht. Beide Spulenteile werden vom gleichen Strom beflossen, jedoch ist die Strom­ richtung der Primär- und der Sekundärspule weitgehend entge­ gengesetzt. Infolge der radial unterschiedlichen Lage und dem unterschiedlichen Design liefern beide Spulen unterschiedli­ che und entgegengesetzte Beiträge zur resultierenden Kraft. Diese regt das Gradientenrohr zum Schwingen an. Dargestellt ist in Fig. 1 die Ortsverteilung der Lorentz-Kraft der Pri­ mär- und Sekundärspule auf der inneren, in Fig. 2 auf der äu­ ßeren Oberfläche als Flächenkraft. Dargestellt sind die abge­ wickelten Zylinderoberflächen des Rohres. Die mit den unter­ schiedlichen Strichstärken dargestellten Bereiche geben an, daß die Kräfte in diesen Bereichen einander entgegengesetzt gerichtet sind, d. h. die Kraft im stärker gekennzeichneten Bereich ist entgegengesetzt zur anliegenden Kraft im schwä­ cher gekennzeichneten Bereich gerichtet. Wie die Fig. 1-3 anschaulich zeigen, ist die Lorentz-Kraft in Längsrichtung symmetrisch zur Mitte des Gradientenrohres. Auf in Umfangs­ richtung gegenüberliegende Orte wird eine Kraft mit entgegen­ gesetzter Phase ausgeübt. Dies bedeutet, daß nur solche Ei­ genformen zum Schwingen angeregt werden, die die entsprechen­ den Symmetrieeigenschaften aufweisen. Dies sind aber im we­ sentlichen die Eigenformen mit ungeradem Umfangsparameter m und zur Mitte der Länge des Gradientenrohrs symmetrischer Längsschwingung, also Eigenformen mit ungeraden Längsparame­ ter l, sowie wenige Sonderformen. Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt eine Auswahl relevanter Eigenformen mit nicht zu ver­ nachlässigendem modalem Partizipationsfaktor:

Tabelle 1

Den größten modalen Partizipationsfaktor zeigt die m = 1, l = 1 Eigenform. Diese wird extrem gut von der Lorentz-Kraft ange­ legt. Zwischen dieser Eigenform und der Lorentz-Kraft herrscht eine nahezu perfekte örtliche Übereinstimmung, wie die Fig. 3 und 4 zeigen. Fig. 3 zeigt nochmals die örtliche Verteilung der Lorentz-Kraft, Fig. 4 die Amplitude der radia­ len Auslenkung der m = 1, l = 1 Eigenform. Der Ort der größten Kraft deckt sich mit dem Ort der größten radialen Auslenkung. Dieser Eigenform kommt folglich betreffend den X-Gradienten besonderes Gewicht zu.

Betrachtet man die in Tabelle 1 gezeigten modalen Partizipa­ tionsfaktoren, so kann bereits an dieser Stelle eine Auswahl der für den Lärm verantwortlichen wichtigen Eigenformen ge­ troffen werden. Diese sind (bis 2000 Hz):

m = 1, l = 0
m = 3, l = 0
m = 1, l = 1
m = 3, l = 1
m = 1, l = 1, st
m = 1, l = 3
m = 1, l = 1, dr
m = 1, l = 2, dr
m = 5, l = 1

Ausgehend hiervon ist eine Verteilung der Elemente zur Erzeu­ gung von Kompensationskräften zu bestimmen, die entsprechende Eigenschwingungen anregen können, die dann destruktiv bezüg­ lich der von der Lorentz-Kraft angeregten Eigenschwingung wirken. Als Elemente werden Piezoelemente verwendet. Diese werden auf dem Gradientenrohr aufgebracht und wirken dort ge­ gen die Dehnung der Eigenform. Den Piezoelementen stehen zwei Anbringungsrichtungen zur Verfügung. Sie können in Umfangs- oder Längsrichtung aufgebracht werden. Da die m = 1 Eigen­ schwingung nicht über in Umfangsrichtung angeordnete Piezos "bekämpft" werden können, da bei diesen Eigenformen keine Verformung in Umfangsrichtung auftritt, diese Eigenformen je­ doch die wichtigsten sind, sind die Piezoelemente in Längs­ richtung anzubringen.

Aus Symmetriegründen werden die Piezoelemente in der Rohrmit­ te angeordnet, was die effektivste Längsposition ist, da hier die Dehnungen am größten sind. Auf Grund der Symmetrie hat eine mittige Anordnung den entscheidenden Vorteil, daß keine von der Lorentz-Kraft nicht angeregten Eigenformen mittels der Piezoelemente angeregt werden können, da die geradzahli­ gen Eigenformen in der Rohrmitte einen Dehnungs- und Schwin­ gungsknoten aufweisen. Zur Vermeidung von Anregungen anderer, nicht über die Lorentz-Kraft angeregter Eigenformen, nämlich Eigenformen mit m = 0,2,4,6 werden die Piezos immer paarweise einander gegenüberliegend am Umfang angebracht und mit entge­ gengesetzter Phase betrieben.

Die Piezoelemente können, da entsprechende schwingungsbeding­ te Deformationen des Rohres sowohl an der Innen- wie auch an der Außenseite gegeben sind, innen oder außen angeordnet wer­ den. Im Hinblick darauf, daß mit möglichst wenig Piezoelemen­ ten gearbeitet werden soll, ist diejenige Radiusposition zu bestimmen, welche eine Anregung sämtlicher relevanten Eigen­ formen ermöglicht. Die möglichen Positionen der Piezoelemente sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Da die wichtigste Eigenform m = 1, l = 1 Eigenform ist, die sich nur durch in Längsrichtung außenseitig angebrachte Piezoelemente bekämpfen läßt, ist die Anordnung der Elemente an diesen Orten zwingend notwendig. Da aber, vergleiche Tabelle 2 mit diesen Piezoelementen auch al­ le anderen relevanten Eigenformen mit hinreichend guter An­ kopplung angeregt werden können, ist es ausreichend, nur au­ ßenseitig entsprechende Piezoelemente vorzusehen, so daß die Zahl der Elemente gering gehalten werden kann.

Tabelle 2

Hiervon ausgehend ist es zur Anregung von m = 1 Schwingungsfor­ men ausreichend, die Piezoelemente wie in den Fig. 5 bis 7 gezeigt anzuordnen. Die beiden "Hauptpiezoelemente", die die m = 1 Schwingungsform anregen, sind bei ± 90° angeordnet. Sie liegen sich also am Umfang gegenüber. Da die Anregung einer m = 1 Schwingung gleichzeitig auch m = 3 und m = 5 Umfangsschwin­ gungen mit anregt, sind weitere Piezopaare erforderlich, um diese ungewollten Schwingungen wieder zu eliminieren. Aus Symmetriegründen werden dazu im gezeigten Verteilungsbeispiel zwei weitere Piezopaare verwendet. Diese sind in einer Win­ kelposition am Umfang angeordnet, in der diese beiden zu eli­ minierenden Umfangsschwingungen die gleiche Amplituden und Phasenlage (Dehnung oder Stauchung) ihrer Umfangsschwingung aufweisen. Diese Voraussetzung ist in jedem Quadranten nur bei der 45°-Position erfüllt. Beide zu eliminierenden Um­ fangsschwingungen weisen hier eine den Orten der Hauptpiezo­ elemente entgegensetzte Phasenlage auf, die Schwingungsampli­ tude beträgt jeweils das 0,707-fache der Maximalauslenkung. Um den Effekt der Hauptpiezoelemente auf diese unerwünschten Eigenformen zu eliminieren, muß die Kraftwirkung des Haupt­ piezopaares kompensiert werden. Auf Grund der symmetrisch an­ geordneten Piezoelemente, die zur Kompensationskrafterzeugung gemeinsam wirken, muß jedes dieser auf der 45°-Position des jeweiligen Quadranten plazierte Piezoelement genau die Hälfte der Kraftwirkung des Hauptpiezoelements kompensieren. Dies ist für die Ansteuerung dieser Piezoelemente relevant. Infol­ ge der 0,707-fachen Effektivität dieser 45°-Piezoelemente muß jeder Piezo um ca. 70% der Kraft eines Hauptpiezoelements leisten.

Die genaue Anordnung der Haupt- und Eliminierungspiezoelemen­ te ist in den Fig. 5 bis 7 wiedergegeben. Auch hier zeigen die unterschiedlich dick dargestellten Bereiche wieder Gebie­ te entgegengesetzter Phasenlage, also Stauchung und Dehnung.

Angegeben ist ferner die entsprechende Ansteuerphase der je­ weiligen Piezopaare. Die Piezopaare liegen jeweils bei ± 90° (Hauptpiezoelemente), bei +45° und -135° sowie bei +135° und -45° (Eliminierungspiezoelemente).

Die Fig. 8 bis 10 zeigen eine Piezoelementverteilung, die ausschließlich die Anregung der m = 3-Eigenform zuläßt und eine Eliminierung der hierbei zusätzlich angeregten m = 1 und m = 5 Umfangsschwingungen zuläßt. Die Hauptpiezoelemente liegen auch hier wieder bei ± 90°. Die Position, an denen die Schwingungsamplituden der zu eliminierenden Umfangsschwin­ gungen m = 1 und m = 5 gleich sind, liegt in diesem Fall bei ei­ ner 60°-Winkelposition bezüglich der Hauptpiezoelemente. Die Eliminierpiezopaare liegen im gezeigten Beispiel folglich bei +30°, -150° und +150°, -30°. Die Effektivität dieser 60°- Piezoelemente ist genau die Hälfte eines Hauptpiezos, was be­ deutet, daß jeder mit dergleichen Kraft wie der Hauptpiezo angesteuert werden muß.

Alle Eigenformen mit m = 1 werden durch die Verteilung 1 be­ kämpft. Da es mehrere Eigenformen mit m = 1 gibt, die sich in ihrer Wirkung überlagern, ist die Piezokraft von der Frequenz abhängig.

Die Fig. 11 und 12 zeigen schließlich die Ansteuerkurven der Hauptpiezoelemente für die Verteilung 1 (entsprechen den Fig. 5 bis 7) und die Verteilung 2 (entsprechen den Fig. 8 bis 10). Dargestellt ist in Form einer Prinzipskizze der Kraft­ verlauf der von den Hauptpiezoelementen zu erzeugten Kraft über die Frequenz. Im Fall der Fig. 11, also der Verteilung 1, müssen die Eliminierpiezoelemente mit 70% dieser Kraft ange­ steuert werden, im Fall der Verteilung 2 (Fig. 12) werden al­ le Piezos mit der gleichen Kraft angesteuert. Zu beachten ist bei der Ansteuerung noch die jeweilige Phasenlage.

Da die Phasenverschiebung der Schwingung gegenüber der Lorentz-Kraft nur von der Frequenz abhängt und die gleiche Phasenverschiebung auch bei Einsatz der Piezokräfte auftritt, genügt es für harmonische Anregungen die Phase der Piezokraft an der Phase der Lorentz-Kraft auszurichten. Bei niedrigen Frequenzen kann auf den Einsatz der Piezoelemente verzichtet werden, da die Lärmentwicklung des Systems sehr gering ist. Bis zur ersten Eigenfrequenz bleibt die nötige Kraft in etwa konstant, da sich alle Eigenformen gleichphasig überlagern. Wenngleich die Schwingung der ersten Eigenform die Gesamt­ schwingung dominiert, sind auf Grund konstruktiver Überlage­ rung der beteiligten Eigenformen höhere Piezokräfte als für die erste Eigenform allein erforderlich. Jenseits der Eigen­ frequenz schwingt die zu dieser gehörige Eigenform gegenpha­ sig zu allen anderen Eigenformen, wobei sich diese Schwingun­ gen zum größten Teil destruktiv überlagern. Mit zunehmendem Abstand zur Eigenfrequenz der ersten Eigenform wird deren Einfluß auf die Schwingungsform geringer und der Einfluß der im Frequenzbereich folgenden Eigenform wächst. Im weiteren Verlauf der Amplitude gemäß Fig. 11 tritt ein ungewöhnliches Verhalten auf. So treten negative Werte auf, was einer Pha­ sendrehung der Piezokraft um 180° entspricht. Der Grund liegt in der Eigenform m = 1, l = 1, st. Obwohl die Lorentz-Kraft eine Biegung der Längsenden nach unten erzwingt, staucht die obere Fläche des Gradientenrohres, weshalb die Piezoelemente, so­ bald diese Eigenform die Schwingung dominiert, ihre Phase um 180° drehen, um eine Verkleinerung der Schwingungsamplitude zu erzielen. Bei der Frequenz, bei der dieser Übergang statt­ findet ist keine Reduktion der Schwingungsbewegung zu errei­ chen. Bei dieser Frequenz findet eine destruktive Überlage­ rung der beteiligten Eigenformen statt, es verbleibt nur eine kleine Restbewegung des Gradientenrohrs.

Schließlich zeigt Fig. 13 den Verlauf der mechanischen Schwingungsamplitude, wie er sich ohne und mit Piezoelementen ergibt. Ersichtlich liegt die Schwingungsamplitude ohne Pie­ zoelementeinsatz wesentlich höher als mit Piezoelementen. Das örtliche Ansteigen der Schwingungsamplitude mit Piezoelemen­ ten kann dabei gezielt eingesetzt werden, um eine Verstimmung der mechanischen gegen die akustischen Schwingungen, die in diesen Frequenzbereichen einen wenngleich geringen Einfluß haben, zu erreichen.

Fig. 14 zeigt das Lärmspektrum mit und ohne Einsatz der Pie­ zoelemente. Wie der Figur zu entnehmen ist, läßt sich durch den Einsatz der Piezoelemente eine beachtliche Lärmdämpfung erreichen, die bis zu 20 dB betragen kann, was einzig und al­ lein durch die erfindungsgemäße "Gegenanregung" der lärmrele­ vanten Eigenschwingungsformen erreicht wird. Unter idealen Bedingungen wäre eine totale Schwingungsauslöschung möglich.

Die Fig. 15 und 16 zeigen in separater Darstellung die Anord­ nung der Piezoelemente am Gradientenrohr 1. Ersichtlich sind die Piezoelemente an der Außenseite 2 des Rohres 1 angeord­ net. Fig. 15 zeigt dabei die Verteilung 1, welche zur Erzeu­ gung der m = 1 Eigenform dient. Neben den beiden Hauptpiezoele­ menten HP sind vier weitere Eliminierungspiezoelemente EP vorgesehen, die jeweils bezüglich des jeweiligen Hauptpiezo­ elements unter einem Winkel von 45° angeordnet sind.

Fig. 16 zeigt demgegenüber die Anordnung der Piezoelemente gemäß Verteilung 2. Neben den beiden Hauptpiezoelementen lie­ gen hier die Eliminierungspiezoelemente EP jeweils unter ei­ nem Winkel von 60° zum jeweiligen Hauptpiezoelement HP.

Schließlich zeigt die Fig. 17 beide Verteilungen gemäß den Fig. 15, 16 an einem in einem Magnetresonanzgerät 3 befindli­ chem Rohr. Ersichtlich kommt nur ein Hauptpiezoelementenpaar zum Einsatz, da diese bei beiden Verteilungsformen an der gleichen Stelle sitzen. Fig. 18 zeigt schließlich eine Auf­ sicht auf das Rohr aus Fig. 17.

Festzuhalten ist abschließend, daß die in den Fig. 15 bis 18 gezeigten Verteilungen den X-Gradienten betreffen, also für die von den X-Gradientenspulen erzeugten Eigenschwingungen gelten. Um auch von der Y-Gradientenspule erzeugte Eigen­ schwingungen dämpfen zu können, die insoweit die gleichen sind, wie sie vom X-Gradienten erzeugt werden, da der Aufbau der Y-Gradientenspule hinsichtlich der Symmetrie dem der X- Spule ähnelt, und lediglich um 90° verdreht sind, wird die jeweilige Anordnung der Piezoelemente um 90° gedreht, um dann die vom Y-Gradienten erzeugten Eigenformen bekämpfen zu kön­ nen.

Abschließend wird ein Beispiel gegeben für eine mögliche An­ ordnung der Piezoelemente zur "Bekämpfung" von Eigenschwin­ gungen, die durch die vom Z-Gradienten herrührenden Lorentz- Kräfte erzeugt werden. Fig. 19 zeigt ein Diagramm zur Dar­ stellung des Verlaufs der Lorentz-Kraft, hervorgerufen vom Z- Gradienten über die Länge des Gradientenrohres. Ersichtlich ist der Kraftverlauf antisymmetrisch zur Mitte des Rohres. Dies ist ausschlaggebend für die anregbaren Längsschwingun­ gen. Es sind also nur solche anregbar, die die gleiche An­ tisymmetrie aufweisen, das heißt, daß Punkte des Rohres, die in verschiedener Richtung gleichweit von der Rohrmitte ent­ fernt sind mit gleicher Amplitude aber entgegengesetzter Pha­ se schwingen. Es sind hier also nur geradzahlige Längsschwin­ gungen beachtlich. Ein Beispiel für diese Eigenformen gibt Fig. 20 wieder, in der exemplarisch die Eigenformen l = 2, l = 4 und l = 6 gezeigt sind.

Da eine Bewegung der Oberfläche in Umfangsrichtung bei Schwingungen, die vom Z-Gradienten hervorgerufen werden, nicht gegeben ist, müssen folglich die Piezoelemente in Längsrichtung angeordnet sein, wobei sich hier die größten Dehnungen an der Außenseite ergeben. Um sicherzustellen, daß keine unerwünschten Eigenschwingungen außer der gezielt anzu­ regenden mitangeregt werden, beispielsweise in Form von Um­ fangsschwingungen, wäre ein ganzer Ring von Piezoelementen auf der jeweils zu ermittelnden Längsposition anzubringen und gleichphasig zu betreiben. Da unter anderem Ziel ist mit mög­ lichst wenig Piezoelementen auszukommen, ist eine minimale Anzahl von Piezoelementen festzulegen, die symmetrisch auf dem Umfang zu verteilen sind. Ausreichend sind beispielsweise sechs symmetrisch verteilte Piezoelemente, die gleichphasig betrieben werden. Die Umfangsschwingung niedrigster Ordnung, die hierdurch angeregt werden kann, ist die Schwingung m = 12. Diese ist akustisch nicht relevant.

Da nur Längsschwingungen mit gerader Modenzahl angeregt wer­ den können, sind zur Gegenwirkung auch lediglich solche Längsschwingungen zu erzeugen. Zu diesem Zweck müssen alle noch zu wählenden Piezoelementpositionen symmetrisch zur Rohrmitte sein, das heißt, alle Orte sind an der Rohrmitte gespiegelt vorhanden. Infolge des antisymmetrischen Lorentz- Kraftverlaufs müssen die Piezoelemente auf diesen gespiegel­ ten Positionen mit entgegengesetzter Phase betrieben werden.

Zur Wahl der relevanten Piezoelementpositionen ist zu beach­ ten, daß nur die Eigenschwingungen mit niedriger Modenzahl für die Lärmerzeugung relevant sind. Die Eigenfrequenzen der Schwingungen mit l = 8 und höher liegen nicht mehr im akustisch relevanten Bereich, weshalb bei der Positionsbestimmung die Eigenformen l = 2, l = 4 und l = 6 beachtlich sind.

Ein Beispiel für eine zweckmäßige Positionierung gibt Fig. 20. Die obere Darstellung gibt den Verlauf der Eigenformen l = 2, l = 4 und l = 6 wieder, die darunterliegende Darstellung die jeweiligen Piezoelementpositionen. Dargestellt ist die Ele­ mentverteilung zur Anregung der Eigenform l = 2 bei gleichzei­ tiger Eliminierung der mitangeregten Schwingungen l = 4, l = 6 und zur gezielten Anregung der Schwingung l = 4 bei gleichzei­ tiger Eliminierung der Schwingungen l = 2 und l = 6.

Für die ausschließliche Anregung der Eigenform l = 2 sind zwei Positionen pro Halbrohr zu finden, an denen die l = 4 und l = 6 Schwingung gleich stark sind. Zu beachten sind, daß zwei Pie­ zoelemente, die in dem gleichen Schwingungsbauch liegen, ein­ ander störend beeinflußen. Als besonders effektiver Ort er­ gibt sich die Position z = 0,666 L, wobei L die Länge des Roh­ res ist. An dieser Position hat die l = 2 Schwingung die größte Dehnung. Die l = 4 und die l = 6 Schwingungen weisen an dieser Position eine entgegengesetzte aber gleich schwache Dehnung auf. Um diese zu eliminieren sind weitere Piezoelemente bei z = 0,833 L zu setzen. Hier haben die Schwingungen l = 4 und l = 6 ebenfalls eine entgegengesetzte aber gleich starke Dehnung. Bei der l = 2-Schwingung tritt an dieser Position keine Kraft­ wirkung auf, da sich hier ein Schwingungsknoten befindet. Entsprechend gespiegelt sind die Piezoelemente auf der ande­ ren Rohrhälfte in den Positionen z = 0,333 L und z = 0,167 L zu setzen. Die Elemente bei z = 0,333 L und z = 0,666 L werden mit etwa 1,75 mal weniger Kraft als die Piezoelemente bei z = 0,167 L und z = 0,833 L beaufschlagt. Die Phase ist bei Pie­ zoelementen auf demselben Halbrohr jeweils die gleich, von Halbrohr zu Halbrohr ist sie jedoch unterschiedlich.

Die Piezoelemente zur Anregung der Eigenschwingung l = 4 sind in den Positionen z = 0,4 L und z = 0,6 L zu setzen, da hier die l = 4 Eigenform die maximale Dehnung zeigt. In dieser Position werden auch die l = 2 und l = 6 Schwingungen gleich stark ange­ regt, was ebenfalls bei den Positionen z = 0,2 L und z = 0,8 L der Fall ist. Die Eliminierpiezos sind also an dieser Positi­ on zu setzen. Sie müssen mit etwa 2,6 mal der Kraft, mit der die Piezoelemente bei z = 0,4 L und z = 0,6 L beaufschlagt werden, betrieben werden, da hier die Effizienz der Piezoelemente nur ca. ein Drittel beträgt, da die Dehnung nur etwa ein Drittel so groß ist. Die Phase der Piezokraft ist bei den Piezoele­ menten bei z = 0,4 und z = 0,8 gleich und bei z = 0,2 L und z = 0,6 L entgegengerichtet.

Diese beschriebenen Positionen sind lediglich beispielhaft. Es können auch andere Positionen gewählt werden, wobei solche Positionen zu wählen sind, an denen mittels möglichst wenig Piezoelementen effizient eine gewünschte Eigenform angeregt werden kann und gleichzeitig das Anregungsverhältnis der bei­ den unbeabsichtigter Weise mitangeregten Eigenformen gleich oder ähnlich ist. Die Eliminierpiezos sind dann an entspre­ chenden Positionen zu setzen, an denen die mitangeregten Ei­ genformen das gleiche Verhältnis wie am Anregungsort aufwei­ sen.

Neben der Wahl verschiedener Positionen für die Haupt- und Piezoelemente ist auch eine Anordnung möglich, bei der keine der drei relevanten Längsschwingungen einen Knoten in der Dehnung aufweist. Die Elemente werden also hier nur an einer ausgewählten Position und der dazu gespiegelten Position an­ geordnet. Um nun gezielt anzuregen und eliminieren zu können, ist eine frequenzabhängige Ansteuerung erforderlich, bei der die unterschiedliche Effektivität der Kraftwirkung auf die Eigenschwingungen berücksichtigt wird, wobei hier infolge der Symmetrieeigenschaften alle Piezoelemente in gleicher Weise angesteuert werden können. Besonders effektiv ist hier die 0,6 L Position in Verbindung mit der gegenphasigen 0,4 L Po­ sition.

Claims (31)

1. Magnetresonanzgerät mit einem Gradientenrohr, an dem we­ nigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradientenspule angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente zur bedarfsabhän­ gigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr wirkenden Kraft angeordnet sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lage der Elemente (HP, EP) in Abhängigkeit wenigstens einer Eigenschwingungsform des Gradientenrohrs (1) gewählt ist, so daß die jeweilige Eigenschwingungsform bei Betrieb der Elemente anregbar ist.

2. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (HP, EP) in Abhängigkeit wenigstens einer mittels der X- und/oder Y-Gra­ dientenspule anregbaren Eigenschwingungsform (X- oder Y- Eigenschwingungsformen) mit ungerader Modenzahl und/oder in Abhängigkeit wenigstens einer mittels der Z-Gradientenspule anregbaren Eigenschwingungsform (Z-Eigenschwingungsformen) mit gerader Modenzahl plaziert sind.

3. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die der Anre­ gung der X- und/oder Y-Eigenschwingungsformen dienenden Ele­ mente (HP, EP) bezogen auf die Länge des Gradientenrohrs (1) in der Mitte und/oder die der Anregung der von der Z-Eigen­ schwingungsformen dienenden Elemente über die Länge des Gra­ dientenrohrs verteilt angeordnet sind.

4. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (HP, EP) in Abhängigkeit von Umfangs- und/oder Längs­ schwingungsformen plaziert sind.

5. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plazierung der der An­ regung der X- und/oder Y-Eigenschwingungsformen dienenden Elemente zur Erzeugung von Umfangsschwingungsformen gewählt ist.

6. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plazierung zur Anre­ gung von Umfangsschwingungsformen m = 1, m = 3 und gegebenenfalls m = 5 gewählt ist.

7. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Plazierung der der Anregung der Z-Eigenschwingungsformen die­ nenden Elemente zur Erzeugung von Längsschwingungsformen ge­ wählt ist.

8. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Plazierung zur Anre­ gung der Längsschwingungsformen l = 2, l = 4 und gegebenenfalls l = 6 gewählt ist.

9. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente ferner solche weiteren Elemente (EP) zur Erzeugung einer oder mehrerer Schwingungen umfassen, die einer oder mehreren weiteren, bei Betrieb der ersten Elemente (HP) zu­ sätzlich zur positionsgemäß angeregten Eigenform angeregten Eigenformen entgegenwirken.

10. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der weiteren Elemente (EP) zum Eliminieren von geraden und/oder ungeraden Eigenschwingungsformen gewählt ist.

11. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 9 oder 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die weiteren Elemente (EP) derart angeordnet sind, daß die von ihnen er­ zeugte Schwingung gleichzeitig zwei zu eliminierenden Eigen­ schwingungsformen entgegenwirkt.

12. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der weite­ ren Elemente (EP) derart ist, daß sie in ihrer gesamten Kraftwirkung auf das Gradientenrohr (1) die Kraftwirkung der ersten Elemente (HP) in Bezug auf die zu eliminierenden Ei­ genschwingungsformen im wesentlichen vollständig kompensie­ ren.

13. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (HP), gegebenenfalls die weiteren Elemente (EP) mit ihrer Wirkrichtung in Umfangs- und/oder Längsrichtung des Gradientenrohrs angeordnet sind.

14. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (HP), gegebenenfalls die weiteren Elemente (EP) an der Rohraußenseite (2) und/oder der Rohrinnenseite angeordnet sind.

15. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (HP) zur Anregung der X- und/oder Y-Eigenschwin­ gungsformen, gegebenenfalls die weiteren Elemente (EP) je­ weils paarweise einander gegenüberliegend am Gradientenrohr (1) angeordnet und mit einander entgegengesetzter Phase be­ treibbar sind.

16. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Elemente (HP) am Gradientenrohr bei 0° und 180° ange­ ordnet sind, und die weiteren Elemente (EP) zur Eliminierung der Umfangsschwingungsmoden m = 3 und m = 5 bei einer Anregung des Modes m = 1 bei ± 45° und ± 135°, und die weiteren Elemente (EP) zur Eliminierung der Umfangsschwingungsmoden m = 1 und m = 5 bei Anregung des Modes m = 3 bei ± 60° und ± 120° bezüglich des Rohrquerschnitts angeordnet sind.

17. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise mehr als sechs Elemente zur Anregung der Z-Eigenschwingungsformen um den Umfang vorzugsweise sym­ metrisch verteilt angeordnet und mit gleicher Phase betreib­ bar sind.

18. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Anregung des Längsschwingungsmodes l = 2 bei 2/6 und 4/6 und die Elemente zur Eliminierung der Längsschwin­ gungsmoden l = 4 und l = 6 bei 1/6 und 5/6 bezogen auf die Länge des Gradientenrohres angeordnet sind, und daß die Elemente zur Anregung des Längsschwingungsmodes l = 4 bei 4/10 und 6/10 und die Elemente zur Eliminierung der Längsschwingungsmodes l = 2 und l = 6 bei 2/10 und 8/ angeordnet sind.

19. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (HP), gegebenenfalls die weiteren Elemente (EP) der­ art betreibbar sind, daß sich die von ihnen ausgeübte Kraft in Abhängigkeit der Betriebsfrequenz der Gradientenspule und damit erzeugten Lorentz-Kraft ändert.

20. Magnetresonanzgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Anregung der Längsschwingungsmoden lediglich in zwei zur Rohrmitte symmetrischen Längspositionen angeordnet sind, an denen keine der relevanten Längsschwingungsformen einen Schwingungsknoten aufweist.

21. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (HP, EP) piezoelektrische Elemente sind.

22. Magnetresonanzgerät nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß je­ des Element (HP, EP) aus mehreren Einzelelementen, insbeson­ dere piezoelektrischen Elementen besteht, die an der bzw. in unmittelbarer Umgebung der vorbestimmten Rohrposition ange­ ordnet sind.

23. Verfahren zum Betrieb eines Magnetresonanzgeräts nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem Gradientenrohr, an dem wenigstens eine im Betrieb stromdurchflossene Gradien­ tenspule angeordnet ist, und an dem mehrere Elemente zur be­ darfsabhängigen Erzeugung einer auf das Gradientenrohr wir­ kenden Kraft angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittels der Elemente eine oder mehrere Eigenschwingungsformen des Gradientenrohrs angeregt werden, die den von Lorentz-Kräften, die infolge eines Stromflusses durch die Gradientenspule erzeugt werden, hervorgerufenen Schwingungen des Gradientenrohrs entgegenwirken.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß Eigenschwingungsformen mit ge­ rader und/oder ungerader Modenzahl angeregt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Entgegenwirken von mittels der X- und/oder Y-Gradientenspule erzeugten Eigenschwingungs­ formen gezielt Umfangsschwingungsformen und von mittels der Z-Gradientenspule erzeugten Eigenschwingungsformen gezielt Längsschwingungsformen erzeugt werden.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, da­ durch gekennzeichnet, daß mittels weite­ rer Elemente Schwingungen angeregt werden, die den bei Anre­ gung einer bestimmten Eigenschwingungsform zusätzlich erzeug­ ten weiteren Eigenschwingungsformen eliminierend entgegenwir­ ken.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mittels der weiteren Elemente gerade und/oder ungerade Eigenschwingungsformen unterdrückt werden.

28. Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die von den weiteren Ele­ menten erzeugte Schwingung gleichzeitig zwei zu eliminieren­ den Eigenschwingungsformen entgegenwirkt.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die weiteren Elemente derart angesteuert werden, daß sie in ihrer gesamten Kraftwirkung auf das Gradientenrohr die Kraftwirkung der ersten Elemente in Bezug auf die zu eliminierenden Eigenschwingungsformen im wesentlichen vollständig kompensieren.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 29, da­ durch gekennzeichnet, daß die Elemente, gegebenenfalls die weiteren Elemente derart betrieben werden, daß sich die von ihnen ausgeübte Kraft in Abhängigkeit der Betriebsfrequenz der Gradientenspule und damit der erzeugten Lorentz-Kraft ändert.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 30, da­ durch gekennzeichnet, daß die Elemente und die weiteren Elemente überlagert angesteuert werden und gleichzeitig arbeiten.