DE19849731C1 - Aktiv geschirmte transversale Gradientenspulenanordnung mit 3D-Verbindungstechnik - Google Patents

Abstract

Aktiv geschirmte transversale Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte, wobei die Wicklungen der in 3D-Technik ausgeführten Spulen eine Vielzahl offener Leiterenden aufweisen und wobei die Verbinderelemente für zwischen den Mittelebenen (4) benachbarter Shimtaschen (3) ausmündende Leiterenden in mehreren gegeneinander isolierten Ebenen angeordnete ebene Plattenverbinder (5, 6, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23) sind, die jeweils ein an einem Trägerring (1) befestigtes, vollständig außerhalb der Shimtasche (3) liegendes Basisteil (8) und davon im wesentlichen radial nach außen ragende Leiterbefestigungsschenkel (9, 10) umfassen, die in den übereinanderliegenden Ebenen umfangsmäßig gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine aktiv geschirmte trans­ versale Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiege­ räte, wobei für jede der als Sattelspulen ausgebildeten Gra­ dientenspulenanordnungen zur Erzeugung eines Gradientenfeldes für die X- und die Y-Richtung Spulen in einer Primär- und ei­ ner Sekundärebene vorgesehen sind, die einen radialen Abstand aufweisen, und wobei die Wicklungen der in 3D-Technik ausge­ führten Spulen eine Vielzahl offener Leiterenden aufweisen und der Kontakt zwischen, den zusammengehörigen Leiterenden der Primär- und Sekundärebene durch Verbinderelemente an ei­ ner Stirnseite erfolgt.

Im Gegensatz zum konventionellen, also durchgewickelten, De­ sign tesseraler Gradientenspulen weist die 3D-Variante eine Vielzahl offener Leiterenden auf. Spezielle Verbinderelemente stellen dabei den Kontakt zwischen einer Leiterschleife der Primärebene mit einer Windung der Sekundärebene her.

In der gattungsbildenden US 5,349,318 A ist eine Gradientenspulenanordnung beschrieben, bei der Leiter der Gradientenspule im wesentlichen in einer Primärebene, die ein innerer Zylindermantel ist, und in einer Sekundärebene ange­ ordnet sind, die ein äußerer Zylindermantel ist und den inne­ ren Zylindermantel konzentrisch umgibt. Dabei beinhaltet die Leiteranordnung auf jeder der beiden Zylindermäntel einen spiralförmigen Leiterabschnitt sowie eine Anzahl hufeisenför­ miger Leiterabschnitte. An einer Stirnseite der Zylindermän­ tel sind die offenen Leiterenden der Leiterabschnitte zwi­ schen den beiden Zylindermänteln über leitfähige Verbindungs­ drähte miteinander verbunden, wobei die Verbindungsdrähte an den Leiterenden beispielsweise angelötet sind.

In einer weiteren Ausführung für in 3D-Technik ausgeführte Gradientenspulen verwendet man als Verbinderelemente gelötete Bolzen, die die Verbindung zwischen Leiterenden, die als was­ serstrahlgeschnittene Kupferblechplatten ausgebildet sind, herstellen. Diese Art der Verbindung eignet sich jedoch eher für planparallele Leiterstrukturen. Für gekrümmte Flächen und bei beengten Platzverhältnissen sind solche Bolzenverbindun­ gen jedoch kaum einsetzbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und für alle denkbaren Anwendungsfälle von Gradientenspulen in 3D-Technik anwendbare Verbindungstechnik für die Leiter­ schleifen der Primär- und Sekundärebene zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Verbinderelemente für zwischen den Mittelebenen benach­ barter Shimtaschen ausmündende Leiterenden in mehreren gegen­ einander isolierten Ebenen angeordnete ebene Plattenverbinder sind, die jeweils ein an einem Trägerring befestigtes, voll­ ständig außerhalb der Shimtasche liegendes Basisteil und da­ von im wesentlichen radial nach außen ragende Leiterbefesti­ gungsschenkel umfassen, die in den übereinanderliegenden Ebe­ nen umfangsmäßig gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Durch die erfindungsgemäße Mehrschichtverbindungstechnik las­ sen sich alle an die Verbindungselemente der Gradientenspulen in 3D-Technik gestellten Anforderungen erfüllen, selbst wenn diese teilweise widersprüchliche Anforderungen umfassen. So läßt sich durch die Isolierung der in verschiedenen Ebenen angeordneten Plattenverbinder, die bevorzugt durch zwischen­ geordnete Isolierplatten erfolgt, die so geformt sind, daß sie die einander überdeckenden Bereiche der angrenzenden Plattenverbinder vollständig abdecken, in Verbindung mit der Versetzung der Leiterbefestigungsschenkel problemlos die ge­ forderte Hochspannungsfestigkeit mit Potentialunterschieden von mehr als 5 kV bei extremen Platzverhältnissen erreichen.

Durch die bevorzugte Ausbildung, bei der die Basisteile im wesentlichen radiale, auf Befestigungsbolzen am Tragring auf­ steckbare Mittelabschnitte und davon abgewinkelte, die Shim­ taschen oben und unten umgreifende Querschenkel enthalten, wird eine sehr einfache Montierbarkeit ermöglicht, wobei auch der logische Aufbau sofort erkennbar und damit auch leicht einhaltbar ist. Die Stromtragfähigkeit der Leiter kann aus­ reichend dimensioniert werden, da in den einzelnen Ebenen entsprechend breite und dicke Plattenverbinder angeordnet werden können. Darüber hinaus ergibt sich auch eine einfache Realisierbarkeit der Leiterschleifen, also der Anordnung und Reihenfolge der Kontaktierung, und schließlich können die geometrischen sonstigen Randbedingungen, wie z. B. die Frei­ haltung der Shimtaschen, problemlos gewährleistet werden. Schließlich bietet die erfindungsgemäße Mehrschichtverbin­ dungstechnik eine volle Flexibilität bei der Schichtanordnung in der Primär- und Sekundärebene, d. h. es können auch ohne weiteres Leitungskreuzungen ausgeführt werden. Die Wider­ sprüchlichkeit einiger der genannten Kriterien, und zwar vor allem die Stromtragfähigkeit mit viel Leitermaterial und mög­ lichst wenig Spannungsabstand und die Spannungsfestigkeit, bei der es umgekehrt sein sollte, lassen sich bei der erfin­ dungsgemäßen Verbindertechnik sehr gut überbrücken.

Zur Vereinfachung der Befestigung der Leiterenden können ent­ sprechend dem Querschnitt dieser Leiterenden ausgebildete Einsteckausnehmungen in den Leiterbefestigungsschenkeln vor­ gesehen sein. Die Leiterenden werden dabei bevorzugt in ihrer Wickelebene nach außen gezogen und in die in der entsprechen­ den radialen Position angeordneten Ausnehmungen eingesteckt und eingelötet. Dies wiederum bringt es mit sich, daß die Ausnehmungen der Leiterbefestigungsschenkel entsprechend dem radialen Abstand der Sattelspulen zur Erzeugung des Gradien­ tenfeldes für die X- und Y-Richtung in der Primär- und Sekun­ därebene radial versetzt angeordnet sind.

Zur Verringerung der Gesamtdicke der erfindungsgemäßen Mehr­ schichtverbindungstechnik können in jeder Ebene wenigstens zwei beabstandete Plattenverbinder angeordnet sein. Gegebe­ nenfalls, insbesondere für die Verbindung von Leiterenden in der Mitte des jeweils von einem Mehrschichtverbinderpaket überbrückten Segments zwischen zwei Shimtaschenmittelebenen, können auch drei oder mehr Plattenverbinder in einer Ebene vorgesehen sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine aktiv geschirmte, in 3D-Technik ausgebildete Gradien­ tenspulenanordnung mit den tesseralen Gradien­ tenspulen für die Erzeugung des Gradientenfel­ des in X- und Y-Richtung,

Fig. 2 und 3 sehr schematische und vereinfachte Aufsichten auf die Wickelstruktur von Gradientenspulen für die 3D-Verbindungstechnik,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verbindungs­ technik der Spulen der Primärebene und der Se­ kundärebene,

Fig. 5 bis 11 Schichtbilder des Aufbaus der erfindungsgemäßen Mehrschichtverbindungstechnik, wobei abwech­ selnd die in verschiedenen Ebenen angeordneten Plattenverbinder und die anschließend aufge­ steckten Isolierplatten dargestellt sind,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht der sich bei der Übereinanderschichtung der Plattenverbinder und Isolierplatten nach den Fig. 5 bis 11 erge­ benden Mehrschichtverbinderstruktur, und

Fig. 13 eine schematische Darstellung der Verbindungs­ technik ähnlich Fig. 4, wobei die Verbinder in unterschiedlicher Weise mit Kühleinrichtungen versehen sind.

In Fig. 1 erkennt man schematisch die Sattelspulen X_1Prim. und X_2Prim. der Primärebene und X_1Sek. und X_2Sek. der Sekundärebene, wobei die Schleifen der offen endenden Wicklungen der Primär­ spulen X_1Prim. und X_2Prim. durch nicht in Fig. 1 gezeigte Verbin­ der mit den offenen Enden der Spulenwicklungen der Sekundär­ ebene X_1Sek. und X_2Sek. verbunden werden müssen. Entsprechendes gilt für die um 90° gegenüber den Spulen zur Erzeugung des Gradientenfeldes in X-Richtung versetzten tesseralen Spulen Y_2Prim., Y_2Prim. und Y_1Sek. und Y_2Sek. zur Erzeugung des Gradienten­ feldes in Y-Richtung.

Die Fig. 2 und 3 zeigen schematische und stark vereinfach­ te Wickelbilder der tesseralen Gradientenspulen für die tes­ seralen Gradientenspulen einer derartigen 3D-Variante, wobei die ausgezogen dargestellten offenen Leiterenden des mit einem Auge versehenen Wickelbildes die Spulenanordnungen der Primärebene und die gestrichelt links daneben gezeichnete Leiterführung die Wickeltechnik in der zugehörigen Sekundär­ ebene darstellen. Die offenen Spulenenden der zusammengehö­ renden Wicklungen in der Primär- und Sekundärebene, also bei­ spielsweise der Wicklungsenden der Spule X_1Prim. und der Spule X_1Sek., werden durch Verbinder V_X1, V_X2, V_Y1, V_Y2 in der in Fig. 4 gezeigten Verschaltungsart miteinander verbunden. Die tat­ sächliche Ausführung einer solchen Verbindungstechnik in einer Mehrschichtverbindungstechnik, wie sie die vorliegende Erfindung vorsieht, zeigen die Fig. 5 bis 12.

In den Fig. 5 bis 11 erkennt man einen Ausschnitt aus einem vor dem Stirnende einer Gradientenspulenanordnung etwa gemäß Fig. 1 angeordneten Trägerring 1, wobei die Aussparun­ gen zwischen den vorspringenden Halterungssegmenten 2 der Breite der in einigen der Figuren gestrichtelt angedeuteten Shimtaschen 3 der fertigen Gradientenspulenanordnung entspre­ chen. Der Trägerring liegt also radial unmittelbar innerhalb der Shimtaschen und diese wiederum liegen genau zwischen den Halterungssegmenten 2. In der Zeichnung ist ein Ausführungs­ beispiel dargestellt, bei dem die Wicklungen der Gradienten­ spulen so ausgebildet sind, daß zwischen den Mittelebenen 4 benachbarter Shimtaschen 3 jeweils fünf Verbinder für die of­ fenen Leiterenden von Primär- und Sekundärspule zur Erzeugung des Gradientenfeldes in Y-Richtung und fünf Verbinder für die Verbindung von Leiterenden der Spulen zur Erzeugung des Gra­ dientenfeldes in X-Richtung angeordnet sind. Diese Verbinder V sind mit dem Index _Y1, _Y2, _X1 und _X2 bezeichnet, je nachdem zur Verbindung welcher Spulenenden sie gedacht sind.

In Fig. 5 erkennt man zunächst zwei Plattenverbinder 5 und 6, die in der ersten Ebene der erfindungsgemäßen Mehrschichtver­ bindungstechnik zueinander beabstandet auf jeweils zwei der insgesamt sechs am Trägerabschnitt des Trägerrings 1 vorge­ sehen Bolzen 7 aufgesteckt sind. Jeder Plattenverbinder 5, 6 besteht dabei aus einem vollständig außerhalb der Shimtaschen liegenden Basisteil 8 und davon im wesentlichen radial nach außen ragenden Leiterbefestigungsschenkeln 9, 10, wobei das Basisteil 8 wiederum aus einem im wesentlichen radialen, auf die Befestigungsbolzen 7 aufsteckbaren Mittelabschnitt 11 und davon abgewinkelten, die jeweilige Shimtasche 3 oben und un­ ten umgreifende Querschenkel 12, 13 besteht. Auf die Platten­ verbinder 5 und 6 gemäß Fig. 5 wird anschließend eine Iso­ lierplatte IP1 aufgesteckt, die so ausgebildet ist, daß sie die einander überdeckenden Bereiche der Plattenverbinder in der ersten Ebene und der anschließend zu beschreibenden, in Fig. 7 dargestellten zweiten Verbinderebene vollständig ab­ deckt. Diese Isolierplatte IP1 ist als großflächige Platte ausgebildet, die jeweils seitlich mit Aussparungen 14 verse­ hen ist, die die Shimtaschen 3 freilegen. Auf die Isolier­ platte IP1 gemäß Fig. 6 werden, wie in Fig. 7 dargestellt ist, drei weitere Plattenverbinder 15, 16 und 17 aufgebracht, indem sie wiederum mit ihren Mittelabschnitten 11 der Basis­ teile auf die Bolzen 7 aufgesteckt werden. Diese mit V_Y2 zu­ sätzlich gekennzeichneten Plattenverbinder 15, 16 und 17 die­ nen der Verbindung der offenen Spulenenden der Spulen Y_2Prim. mit denen der zugehörigen Abschirmspule Y_2Sek.. Die in den Leiterbefestigungsschenkeln 10 eingebrachten Einsteck-Ausneh­ mungen 18 entsprechen dem Querschnitt der darin einzustec­ kenden und einzulötenden Leiterenden, wie dies an einem Bei­ spiel in Fig. 12 angedeutet ist.

Nach dem Auflegen der zweiten Isolierplatte IP2 (Fig. 8) auf die in Fig. 7 gezeigten Plattenverbinder werden, wie in Fig. 9 gezeigt ist, Plattenverbinder 19, 20 und 21 zur Verbindung der in der Primär- und Sekundärebene liegenden offenen Lei­ terenden der Spulen zur Erzeugung des Gradientenfeldes in X- Richtung aufgelegt und die jeweiligen offenen Leiterenden da­ bei in die Einsteckausnehmungen 18' eingesetzt. Diese Ein­ steckausnehmungen 18' für die Verbinder der Leiterenden der Spulen X_1Prim. und X_1Sek. sowie X_2Prim. und X_2Sek. sind wegen der radialen Versetzung dieser Spulen für die X-Richtung gegen­ über denen für die Y-Richtung, die man am besten in Fig. 1 erkennen kann, in entsprechender Weise um dieses Maß radial gegenüber den Aussparungen 18 der Verbinder für die Spulen der Y-Richtung versetzt. Entscheidend bei der Ausbildung der Verbinder 5, 6, 15, 16, 17 und 19, 20, 21 - entsprechendes gilt auch für die zwei weiteren in Fig. 11 gezeigten Verbin­ der 22 und 23 - ist dabei ihre Ausbildung derart, daß der in den meisten Teilen U-förmige Basisteil völlig außerhalb der Shimtaschen liegt und diese teilweise oben und unten um­ greift, und daß die radial nach außen ragenden Leiterbefesti­ gungsschenkel 9 jeweils so versetzt sind, daß in der in Fig. 11 erkennbaren Draufsicht auf das fertige Mehrschichtverbin­ derelement für den gezeigten Sektor einer Gradientenspulenan­ ordnung alle zehn Leiterbefestigungsschenkel 9 auf der Innen- und der Außenseite des Trägerrings 1 auf Lücke versetzt zu­ einander angeordnet sind und somit genau dort zu liegen kom­ men, wo das jeweilige offene Leiterende der Gradientenspulen­ wicklung sich befindet. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der gewinkelten Plattenverbinder, die in mehreren Ebenen an­ geordnet und durch die Isolierplatten IP1, IP2 und IP3 gegen­ einander isoliert sind, läßt sich in sehr einfacher Weise eine Verbindung der offenen Leiterenden der in 3D-Technik ausgeführten Spulen einer Gradientenspulenanordnung errei­ chen, wobei durch Leiterkreuzungen ein gegenseitiges Durch­ dringen ohne weiteres realisiert werden kann. Die im ge­ zeigten Ausführungsbeispiel angesprochene Art der Verbindung der Leiterenden mit den 3D-Plattenverbindern durch Einstecken der Leiterenden in Einsteckausnehmungen 18, 18' und Verlöten kann natürlich auch in anderer Technik realisiert werden, beispielsweise durch Löten, Schweißen, Crimpen oder durch eine Klebeverbindung. Darüber hinaus können die Verbinder mit allen möglichen Leitern kombiniert weden, d. h. es können die Wicklungen in Volldraht, Mehrfachdraht oder als Litze ausge­ bildet sein.

In Fig. 13 erkennt man schematisch eine Verbindertechnik, bei der die Verbinder V_X1, V_X2 mit außenliegenden Kühlschlangen 24 versehen sind, während anhand der Verbinder V_Y1 und V_Y2 der andere mögliche Typ dargestellt ist, bei welchem die Kühl­ schlangen 25 in die Verbinder innen eingebaut sind. Mit Hilfe dieser Kühlschlangen kann eine wirksame Kühlung der durch die hohen Ströme häufig sehr stark belasteten Verbinder erzielt werden.

Die erfindungsgemäßen, in Mehrschichtanordnung angeordneten Plattenverbinder können zusammen mit der Gradientenspule ver­ gossen werden (z. B. Epoxy-Vakuum) oder aber aus dem Verguß­ körper herausragen.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbei­ spiele beschränkt. Neben den bereits oben angesprochenen Va­ riationsmöglichkeiten könnten auch weitere Abänderungen der Zahl, Form und Anordnung der Plattenverbinder vorgenommen werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlas­ sen.

Claims (9)

1. Aktiv geschirmte transversale Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte, wobei für jede der als Sattel­ spulen ausgebildeten Gradientenspulenanordnungen zur Erzeu­ gung eines Gradientenfeldes für die X- und die Y-Richtung Spulen in einer Primär- und einer Sekundärebene vorgesehen sind, die einen radialen Abstand aufweisen, und wobei die Wicklungen der in 3D-Technik ausgeführten Spulen eine Viel­ zahl offener Leiterenden aufweisen und der Kontakt zwischen den zusammengehörigen Leiterenden der Primär- und Sekundär­ ebene durch Verbinderelemente an einer Stirnseite erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ binderelemente für zwischen den Mittelebenen (4) benachbarter Shimtaschen (3) ausmündende Leiterenden in mehreren gegenein­ ander isolierten Ebenen angeordnete ebene Plattenverbinder (5, 6, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23) sind, die jeweils ein an einem Trägerring (1) befestigtes, vollständig außerhalb der Shimtasche (3) liegendes Basisteil (8) und davon im we­ sentlichen radial nach außen ragende Leiterbefestigungsschen­ kel (9, 10) umfassen, die in den übereinanderliegenden Ebenen umfangsmäßig gegeneinander versetzt angeordnet sind.

2. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Basistei­ le (8) im wesentlichen radiale, auf Befestigungsbolzen (7) am Trägerring (1) aufsteckbare Mittelabschnitte (11) und davon abgewinkelte, die Shimtasche oben und unten umgreifende Quer­ schenkel (12, 13) enthalten.

3. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch entsprechend dem Querschnitt der Leiterenden ausgebildete Einsteckausnehmungen (18) der Leiterbefestigungsschenkel (9, 10).

4. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den Plattenverbindern (5, 6, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23) benachbarter Ebenen Isolierplatten (IP1, IP2, IP3) angeordnet sind.

5. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatten (IP1, IP2, IP3) so geformt sind, daß sie die einander überdeckenden Bereiche der Plattenverbinder (5, 6, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23) vollständig abdecken.

6. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ steckausnehmungen (18) der Leiterbefestigungsschenkel (9, 10) entsprechend dem radialen Abstand der Sattelspulen zur Erzeu­ gung des Gradientenfeldes für die X- und Y-Richtung in der Primär- und Sekundärebene radial versetzt angeordnet sind.

7. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Ebene wenigstens zwei beabstandete Plattenverbinder (5, 6, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23) angeordnet sind.

8. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß den Plattenverbindern (5, 6, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23) Kühleinrichtungen zugeordnet sind.

9. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühlein­ richtungen an den Plattenverbindern (5, 6, 15, 16, 17, 19, 20, 21, 22, 23) anliegende oder sie in­ tern durchsetzende Kühlschlangen (24, 25) umfassen.