DE19829298C2 - Gradientenspulensystem für ein Kernspintomographiegerät - Google Patents

Description

Herkömmliche, fest eingebaute Gradientenspulensysteme bean­ spruchen einen nicht unerheblichen Teil des Innenraums einer Magnetanordnung (bei supraleitenden Magneten "Warmbohrung" genannt). Dies soll anhand von Fig. 1 näher erläutert wer­ den. Fig. 1 zeigt stark schematisiert die Bauteile eines Kernspintomographen. Das Grundmagnetfeld wird mit einem Ma­ gneten 1 in einer Ringspulenanordnung, die meist supraleitend ausgeführt ist, erzeugt. Bei supraleitenden Grundfeldmagneten sind die in Fig. 1 nicht dargestellten Spulen in einem Kryo­ staten angeordnet. Der Grundfeldmagnet weist einen hohlzylin­ derförmigen Innenraum auf. In diesem Innenraum ist ein hohl­ zylinderförmiges Gradientenspulensystem 2 angeordnet. Inner­ halb des Gradientenspulensystems 2 ist eine Hochfrequenzan­ tenne 3 vorgesehen. Der nach Einbau von Gradientenspulensy­ stem 2 und Hochfrequenzantenne 3 sowie nach Montage von nicht dargestellten Verkleidungen verbleibende Innenraum steht als Nutzraum zur Verfügung. In diesem Nutzraum kann auf einer Pa­ tientenliege 4 ein Patient 5 plaziert werden. Für den Nutz­ raum sind insbesondere hinsichtlich seiner Breite gewisse Mindestmaße erforderlich, um schwergewichtige Patienten über­ haupt bzw. Patienten allgemein ohne allzu gravierende Been­ gung untersuchen zu können. Der benötigte Innendurchmesser des Grundfeldmagneten ist somit gegeben durch die gewünschten Maße des Nutzraums sowie durch die radiale Ausdehnung von Hochfrequenzantenne 3 und Gradientenspulensystem 2. Der In­ nendurchmesser des Grundfeldmagneten 1 bestimmt jedoch maß­ geblich dessen Kosten. Es müssen nicht nur die Ringspulen und bei supraleitenden Spulen auch der Kryostat mit größerem Durchmesser ausgeführt werden. Es muß außerdem aufgrund des größeren Innenvolumens bei gegebener Magnetfeldstärke mehr magnetische Energie aufgebracht werden. Bei gleichbleibenden Voraussetzungen bezüglich der geforderten Homogenität im Un­ tersuchungsraum muß schließlich mit größerem Innendurchmesser des Grundfeldmagneten auch noch dessen Länge vergrößert wer­ den. Dies ist nicht nur im Hinblick auf Kostengesichtspunkte höchst unerwünscht, sondern mit größerer Länge nehmen auch Klaustrophobie-Probleme bei den Patienten zu und die Zugäng­ lichkeit zum Patienten wird schlechter.

Von den im Untersuchungsraum des Grundfeldmagneten 1 einge­ bauten Systemen hat die Gradientenspulenanordnung den höch­ sten Platzbedarf.

Es wird daher angestrebt, den Außendurchmesser des Gradien­ tenspulensystems bei vorgegebenem Aufnahmeraum für den Pati­ enten so klein wie möglich zu halten. Für eine Gradientenspu­ le mit möglichst kleinem Innenvolumen spricht auch die Tatsa­ che, daß mit kleinerem Innenvolumen die Sensitivität steigt. Unter Sensitivität versteht man dabei das Verhältnis von er­ zeugtem Gradientenfeld zum aufzubringenden Strom bei gleicher Windungszahl. Bei kleinem Innenvolumen werden bei gegebener Gradientenstärke geringere Anforderungen an den Gradienten­ verstärker gestellt.

Um das vom Gradientenspulensystem eingeschlossene Volumen kleiner zu halten, wurde in der DE 196 53 449 A1 vorgeschlagen, das Gradientenspulensystem nicht wie üblich zylinderförmig, sondern nach beiden Seiten hin of­ fen zu gestalten. Damit wird der besonders kritische Schul­ terraum für den Patienten erweitert, so daß der Innendurch­ messer des Grundfeldmagneten verkleinert werden kann.

Für Spezialanwendungen gibt es sogenannte lokale Gradienten­ spulensysteme, die nur einen Teil des Körpers eines Patien­ ten, z. B. den Kopf, aufnehmen. Ein derartiges lokales Gra­ dientenspulensystem ist beispielsweise aus der DE 195 04 171 A1 bekannt. Wegen ihrer relativ geringen Induktivität bzw. hohen Sensitivität eignen sich solche lokalen Gradientenspu­ len insbesondere für Pulssequenzen, bei denen Gradienten sehr schnell geschaltet werden müssen, z. B. für das EPI-(Echo Planar Imaging)-Verfahren.

Aus der EP 0 695 950 A2 ist eine lokale Gradientenspulenan­ ordnung bekannt, bei der die tesseralen Gradientenspulen Aus­ sparungen zur Aufnahme der Schultern des Patienten aufweisen. Die axiale Gradientenspule ist so kurz ausgeführt, daß sie diese Aussparungen nicht überdeckt. Damit fällt die Lineari­ tät des axialen Gradienten zum Ende der Gradientenspulenan­ ordnung hin stark ab. Eine weitere lokale Gradientenspulenan­ ordnung ist aus der EP 0 672 915 A1 bekannt. Diese weist ei­ nen zentralen zylindrischen Teil und einen zur Patientenseite hin aufgeweiteten zylindrischen Teil auf. Damit soll der Schulterbereich des Patienten mit abgedeckt werden. Mit der Aufweitung ist jedoch ein erhöhter Platzbedarf verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gradientenspulensystem mit einem kleinen Innendurchmesser und einem großen Linearitäts­ bereich am patientenseitigen Ende des Gradientenspulensystems zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Durch den Überstand der axialen Gradienten­ spule über die zylinderförmige Fläche und den Abstand zwi­ schen den Einzelspulen der axialen Gradientenspule wird eine erweiterte Aufnahmemöglichkeit für einen Teilbereich des Gra­ dientenspulensystems geschaffen. Dabei ist vorteilhafterweise der Abstand zwischen den Einzelspulen der axialen Gradienten­ spule für die Aufnahme der Schultern eines Patienten ausge­ legt und der Innendurchmesser der zylinderförmigen Fläche für die Aufnahme des Kopfes eines Patienten. Damit kann man bei einer Kopfgradientenspule auch den Halsbereich mit aufnehmen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 9 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 2 schematisch die geometrischen Konturen des Gradien­ tenspulensystems,

Fig. 3 einen Querschnitt der oberen Hälfte des vergossenen Spulenkörpers des Gradientenspulensystems 2 mit Dar­ stellung des Patienten in Aufnahmeposition und dem schematisch dargestellten Grundfeldmagneten 1,

Fig. 4 eine Spulenhälfte des Primärteils einer tesseralen Gradientenspule,

Fig. 5 eine Spulenhälfte des Sekundärsteils einer tessera­ len Gradientenspule,

Fig. 6 eine Spulenhälfte des Primärteils einer axialen Gra­ dientenspule,

Fig. 7 eine Spulenhälfte des Sekundärteils der axialen Gra­ dientenspule,

Fig. 8 die relativen Positionen der oberen Hälften der Pri­ märteile einer tesseralen und der axialen Gradien­ tenspule,

Fig. 9 die relativen Positionen der oberen Hälften einer tesseralen Gradientenspule (GSyp, GSys) und der axialen Gradientenspule (GSzp, GSzs).

In der schematischen Darstellung nach Fig. 2 sieht man deut­ lich die geometrische Struktur des neuartigen Gradientenspu­ lensystems 2, die aufgrund der Öffnungen 6 und 7 eine gegen­ über einer reinen Zylinderform erweiterte Aufnahme für ein Untersuchungsobjekt aufweist. In Fig. 2 ist ein kartesisches Koordinatensystem x, y, z eingezeichnet, auf das in den folgen­ den Betrachtungen Bezug genommen wird. Die Richtung z ent­ spricht der Achse der Zylinderfläche 8 und fällt mit der Richtung des Grundmagnetfeldes zusammen. Diese Richtung wird auch als "axiale Richtung" bezeichnet. Ein in dieser Richtung liegender Gradient wird dementsprechend als axialer Gradient bezeichnet, die entsprechende Gradientenspule als axiale Gra­ dientenspule.

Die auf z senkrecht stehenden Richtungen x und y werden als tesserale Richtungen, die entsprechenden Gradienten als tes­ serale Gradienten und die zugehörigen Gradientenspulen als tesserale Gradientenspulen bezeichnet.

Bei einer bevorzugten Anwendung des neuartigen Gradientenspu­ lensystems für Kopfuntersuchungen wird der Innendurchmesser des Gradientenspulensystems so dimensioniert, daß er für die Aufnahme des Kopfes eines Patienten geeignet ist und die ra­ diale Ausdehnung der Öffnungen 6 und 7 derart, daß diese für die Aufnahme der Schultern eines Patienten ausreichen.

In Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung des vergossenen Gra­ dientenspulensystems, und zwar nur die obere Hälfte, mit ei­ nem Patienten in Untersuchungsposition dargestellt. Es wird deutlich, daß die Schultern des Patienten in die Öffnungen 6, 7 eingreifen, so daß das Gradientenspulensystem deutlich kleiner gebaut werden kann als eine herkömmliche vollzylin­ drische Anordnung. Im dargestellten Anwendungsfall wird das Gradientenspulensystem in Verbindung mit einem speziellen Ma­ gnetsystem 1 verwendet, dessen obere Hälfte im Schnitt nach Fig. 3 schematisch dargestellt ist. Ein derartiges Magnetsy­ stem kann z. B. für Kopfuntersuchungen ausgelegt werden und kann dann mit wesentlich kleinerem Durchmesser und kürzerer Bauweise als herkömmliche Magnetsysteme aufgebaut werden.

Der Aufbau der einzelnen Spulen ist in den folgenden Figuren dargestellt. Es werden sogenannte aktiv geschirmte Spulen verwendet, bei denen eine Primärspule, die das eigentliche Nutzfeld erzeugt, von einer Sekundärspule umgeben ist, die das Nutzfeld zur Magnetseite hin abschirmt, so daß störende Wirbelströme in leitenden Teilen der Magnetkonstruktion weit­ gehend vermieden werden. Aufbau und Auslegung solcher aktiv geschirmter Gradientenspulen sind beispielsweise in der US 5,512,828 A beschrieben.

In Fig. 4 ist die Leiterstruktur für eine Spulenhälfte des Primärteils einer tesseralen Gradientenspule, also z. B. der Gradientenspule GSx dargestellt, in Fig. 5 die entsprechende Sekundärspule. Die zweiten Spulenhälften sind jeweils symme­ trisch zur Mittelachse des Magneten, die entsprechenden x- Gradientenspulen sind um 90° verdreht.

Bei Betrachtung der Fig. 3 fällt auf, daß der Kopf des Pati­ enten als primäres Untersuchungsobjekt nicht in der Mitte des Gradientenspulensystems liegt. Grundsätzlich sollte aber das Linearitätszentrum der Gradientenfelder mit der Mitte des Bildgebungsvolumens zusammenfallen. Hierfür werden die tes­ seralen Gradientenspulen asymmetrisch ausgelegt, das heißt, das Linearitätszentrum der Gradientenspule liegt gegenüber dem geometrischen Zentrum in Richtung zum Untersuchungsobjekt hin (also in z-Richtung) versetzt. Die Auslegung solcher asymmetrischer Gradientenspulen ist ebenfalls bereits in der obengenannten US 5,512,828 A beschrieben.

In Fig. 6 ist eine Spulenhälfte des Primärteils der axialen Gradientenspule, also der z-Gradientenspule, dargestellt, in Fig. 7 die entsprechende Spulenhälfte der Sekundärspule. Die z-Gradientenspule ist antisymmetrisch konzipiert. Ein asymme­ trisches Design würde nämlich zwangsläufig zu einem relativ starken B₀-Hub führen und wäre daher für die Bildgebung un­ brauchbar. Dies ist eine Konsequenz der Tatsache, daß ein z- Gradient mit Nulldurchgang im Bildmittelpunkt eine in z- Richtung antisymmetrische Feldverteilung darstellt, die ent­ sprechend den Gesetzen der Elektrodynamik im Prinzip auch nur durch eine in z-Richtung antisymmetrische Leiteranordnung er­ reicht werden kann. Für die z-Gradientenspule GSz fällt daher der geometrische Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Bildge­ bungsvolumens zusammen. Die Anordnung der z-Gradientenspule GSz relativ zur x-Gradientenspule GSx ist in Fig. 8 darge­ stellt. Man erkennt, daß die z-Gradsentenspule GSz die x- Gradientenspule GSx - oder allgemein die tesseralen Gradien­ tenspulen - überragt, wobei die Linearitätszentren der asym­ metrischen tesseralen Gradientenspulen und der symmetrischen, axialen (z-)-Gradientenspulen übereinstimmen.

In Fig. 9 sind die einzelnen Spulenteile des Gradientenspu­ lensystems in einem Schnitt senkrecht zur Axialrichtung sche­ matisch dargestellt, wobei hier wiederum deutlich wird, daß die beiden Spulenhälften GSzp, GSzs der z-Gradientenspule GSz über die ganze Länge zueinander einen Abstand aufweisen, der an einem Ende zur Aufnahme der Schultern geeignet ist.

Mit dem oben beschriebenen Gradientenspulensystem gelingt es, den Einsatzbereich relativ kleiner, d. h. nicht den ganzen Körper eines Patienten aufnehmender Gradientenspulen zu er­ weitern. Bei bisherigen speziellen Kopfgradientenspulen ist im Bereich des Halses kaum eine Bildgebung möglich, da wegen der Kollision der Patientenschultern mit dem Gradientenspu­ lenkörper das Zentrum des Bildgebungsvolumens maximal bis zur Kopfmitte ausgedehnt werden kann. In der medizinischen Dia­ gnostik wird aber angestrebt, die Kopfuntersuchung auch mit Untersuchungen des Hals-/Wirbelsäulenbereichs zu verbinden, der bis zur Bifurkation der Karotiden herabreicht. Mit dem beschriebenen Gradientenspulensystem ist dies jedoch problem­ los möglich, da aufgrund der Aussparungen im Schulterbereich der Kopf des Patienten genügend weit in das Gradientenspulen­ system eingeschoben werden kann.

Die Gradientenspule kann z. B. im Rahmen eines Spezialsystems für Kopfuntersuchungen eingesetzt werden, wobei der entspre­ chende Grundfeldmagnet lediglich so groß sein muß, daß sein Innendurchmesser gerade noch Platz für die Schultern bietet.

Das Gradientenspulensystem kann aber auch als sogenannte lo­ kale Gradientenspule für Ganzkörpersysteme betrieben werden.

Da für die tesseralen Gradientenspulen in herkömmlicher Weise die komplette Zylinderoberfläche ohne radiale Aussparungen zur Verfügung steht, können diese hocheffizient ausgelegt werden. Da sie nur ein sehr kleines Untersuchungsvolumen ein­ schließen, weisen sie eine geringe Induktivität auf, so daß an den Gradientenverstärker entsprechend reduzierte Anforde­ rungen gestellt werden. Vorteilhafterweise werden zur Unter­ drückung von Lärm und Vibrationen die asymmetrischen tessera­ len Gradientenspulen mit einem Drehmoment-kompensierten Lei­ terdesign aufgebaut. Die Berechnung solcher Gradientenspulen ist in der US 5,309,107 A beschrieben.

Claims (7)

1. Gradientenspulensystem für ein Kernspintomographiegerät mit zwei tesseralen Gradientenspulen (GSx, GSy), die auf ei­ ner im wesentlichen zylinderförmigen Fläche (8) angeordnet sind, und einer aus einem Gradientenspulenpaar (GSz) beste­ henden axialen Gradientenspule (GSz), wobei die axiale Gra­ dientenspule (GSz) die zylinderförmige Fläche (8) an einem Ende in axialer Richtung überragt und zwischen den Einzelspu­ len des Gradientenspulenpaars der axialen Gradientenspule (GSz) ein Abstand in tesseraler Richtung bleibt.

2. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1, wobei das Lineari­ tätszentrum der tesseralen Gradientenspulen (GSx, GSy) aus dem geometrischen Zentrum der tesseralen Gradientenspulen (GSx, GSy) in Richtung des Überstands der axialen Gradienten­ spule (GSz) verschoben ist.

3. Gradientenspulensystem nach Anspruch 2, wobei das Lineari­ tätszentrum der tesseralen Gradientenspulen (GSx, GSy) mit dem Linearitätszentrum der axialen Gradientenspule (GSz) zu­ sammenfällt.

4. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abstand (a) zwischen den Einzelspulen der axialen Gradientenspule (GSz) für die Aufnahme der Schultern eines Patienten ausgelegt ist.

5. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 4, wobei der In­ nendurchmesser (d) der zylinderförmigen Fläche (8) für die Auf­ nahme des Kopfes eines Patienten ausgelegt ist.

6. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei dieses als Lokal-Gradientenspule für Ganzkörper-MR- Geräte ausgeführt ist.

7. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es in einen Grundfeldmagneten eingebaut ist, dessen In­ nendurchmesser (R) für die Aufnahme der Schultern eines Pati­ enten ausgelegt ist.