DE19851584C1

DE19851584C1 - Schaltbare Gradientenspulenanordnung

Info

Publication number: DE19851584C1
Application number: DE19851584A
Authority: DE
Inventors: Winfried Arz; Matthias Gebhardt; Franz Schmitt; Johann Schuster
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-11-09
Filing date: 1998-11-09
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: GB9926552D0; JP2000139875A; GB2347505B; GB2347505A; US6297635B1; JP4463352B2

Abstract

Eine Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte beinhaltet in einer Primärebene (P1, P2) angeordnete Windungen sowie in einer Sekundärebene (S1) angeordnete weitere Windungen. Dabei besitzen die Primär- und die Sekundärebene (P1, P2, S1) einen radialen Abstand. Die Windungen weisen an einer Stirnseite der Gradientenspulenanordnung eine Vielzahl offener Leiterenden auf und Verbinderelemente verbinden Leiterenden in der Primärebene (P1, P2) mit Leiterenden in der Sekundärebene (S1) und/oder Leiterenden innerhalb einer der Ebenen (P1, P2, S1) untereinander. Die Verbinderelemente sind zur Bildung von Gradientenspulenanordnungen mit unterschiedlichen Feldqualitäten/Leistungsmerkmalen schaltbar ausgebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte.

Die geforderte Leistungsfähigkeit einer Gradientenspule hängt im wesentlichen von der Art der MR-Bildgebung ab. Konventio nelle MR-Bildgebung verlangt üblicherweise ein gutes Lineari tätsvolumen (-5% im Linearitätsvolumen von 40-50 cm) bei moderaten Gradientenstärken (10-20 mT/m) und Schaltzeiten (-1 ms). Für die schnelle MR-Bildgebung werden hohe Gradienten (20-40 mT/m) sehr schnell geschaltet (100-500 µs). Dadurch können Nebeneffekte in Form von peripheren Muskelstimulatio nen auftreten. Um diese Effekte zu vermeiden, wird im allge meinen das Linearitätsvolumen der Gradientenspulen verklei nert, was zu einer Verringerung der maximalen Feldhübe führt und deshalb auch zu einer Verringerung des Stimulationsrisi kos (der max. Feldhub bestimmt, neben anderen Aspekten, das Stimulationsrisiko). Daher kann sich bei schnellen Gradien tenspulen das Linearitätsvolumen von typischerweise 40-50 cm auf 20 cm DSV verringern. Eine Spule mit solchen Eigenschaf ten ist üblicherweise nicht für konventionelle Ganzkörperan wendungen geeignet, wohl aber für schnelle MR-Bildgebungs techniken wie EPI, RARE, HASTE, GRASE etc. Hier ist die Ge schwindigkeit der wesentliche Vorteil.

Ein anderer Grund für verschiedene Feldqualitäten liegt da rin, daß, wenn eine Gradientenspule auf ein bestimmtes Vo lumen ausgelegt wird, die Linearität in der Regel mit dem Ab stand zum Zentrum abnimmt. Der menschliche Körper folgt aber nicht unbedingt dieser Vorgabe. So befinden sich z. B. die Schultern in diesem Bereich. Bei Aufnahmen der Wirbelsäule ist es oft sinnvoll, die gesamte Wirbelsäule ohne Umlagerung abzubilden. Auch hier liegen, je nach Mittenpositionierung, die zervikalen und/oder lumbalen Wirbel im Bereich der größe ren Nichtlinearitäten. Bildverzeichnungen sind daher nicht zu vermeiden. Bei Kopfgradientenspulen liegt, wegen des kleine ren Durchmessers der Spule, ein kleineres Homogenitätsvolumen vor. Das erlaubt nur die Abbildung von Teilen des Gehirnes, nicht aber die Bildgebung der zervikalen Wirbelsäule. Wün schenswert für den Radiologen kann es daher sein, von einem zentralen FOV auf ein verschobenes FOV umzuschalten. Dies ist bisher aber nicht möglich. Es existieren nur Ausführungsfor men in der einen oder anderen Art.

Um nicht von vorneherein festlegen zu müssen, welche eine Feldqualität die Gradientenspulenanordnung besitzen soll, worauf die Anlage beim Kunden dann festgelegt ist, ist in der Offenlegungsschrift DE 195 40 746 A1 auch bereits ein Magnet resonanz-Abbildungssystem vorgeschlagen worden, bei welchem ein modulares Gradientensystem verwendet wird, das ein kon ventionelles und ein schnelles Gradientenspulensystem in ei nem Spulenkörper vereinigt. Das konventionelle Gradientensy stem weist dabei ein großes Linearitätsvolumen auf, das aber nur langsam geschaltet werden kann und zudem nur mittlere Gradientenamplituden erlaubt. Das schnelle Gradientensystem dagegen zeigt ein kleineres Linearitätsvolumen, erlaubt dafür allerdings das schnellere Schalten von sehr hohen Gradienten amplituden. Im Prinzip handelt es sich aber dabei um nichts anderes als die Vereinigung zweier völlig getrennter Gradien tenspulensysteme, die lediglich auf ein und demselben Rohr träger gewickelt worden sind, wobei neben der getrennten An steuerung dieser Gradientenspulensysteme auch eine Hinterein anderschaltung oder Parallelschaltung möglich ist.

In der Patentschrift US 5,349,318 A ist eine Gradientenspulen anordnung beschrieben, bei der Windungen der Gradientenspule im wesentlichen in einer Primärebene, die ein innerer Zylin dermantel ist, und in einer Sekundärebene angeordnet sind, die ein äußerer Zylindermantel ist und den inneren Zylinder mantel konzentrisch umgibt. Dabei beinhaltet die Leiteranord nung auf jeder der beiden Zylindermäntel eine Windung mit ei ner spiralförmigen Leiteranordnung sowie eine Anzahl von Win dungen mit einer hufeisenförmigen Leiteranordnung. An einer Stirnseite der Zylindermäntel sind die offenen Leiterenden der Windungen zwischen den beiden Zylindermänteln über leit fähige Verbindungsdrähte fest miteinander verbunden, wobei die Verbindungsdrähte an den Leiterenden beispielsweise ange lötet sind. Damit ist auch die Feldqualität der Gradienten spulenanordnung festgelegt und nicht veränderbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gradien tenspulenanordnung zu schaffen, die es ermöglicht, je nach Anwendungsfall beim Kunden die Leistungsmerkmale oder Feld qualitäten im weiten Umfang abzuändern, um die Abbildungsei genschaften dem jeweils gewünschten Untersuchungstyp optimal anpassen zu können, ohne daß es notwendig ist, eine Vielzahl von Spulen im Spulenkörper unterzubringen, was nicht nur das Volumen wesentlich erhöht und wodurch die teilweise konkur rierenden Teilspuleneigenschaften auch stören können, sondern die Spulen auch sehr teuer macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Die Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1 umfaßt folgende Merkmale:

- In einer Primärebene angeordnete Windungen,
- in einer Sekundärebene angeordnete weitere Windungen,
- die Primär- und die Sekundärebene besitzen einen radialen Abstand,
- die Windungen weisen an einer Stirnseite der Gradienten spulenanordnung eine Vielzahl offener Leiterenden auf,
- Verbinderelemente verbinden Leiterenden in der Primärebene mit Leiterenden in der Sekundärebene und/oder Leiterenden innerhalb einer der Ebenen untereinander und
- die Verbinderelemente sind zur Bildung von Gradientenspu lenanordnungen mit unterschiedlichen Feldqualitäten/Lei stungsmerkmalen schaltbar ausgebildet.

Die wählbaren Leistungsmerkmale sind:

1. Linearität
2. Linearitätsvolumen
3. Schirmung
4. Induktivität
5. Lärm (Partizipationsfaktoren)
6. Stimulationsempfindlichkeit
7. Maximale Gradientenstärke
8. Maximale Slewrate
9. Symmetrie/Asymmetrie

Die Erfindung geht dabei von einer Gradientenspulenanordnung, die in einer älteren, am Anmeldetag der vorliegenden Anmel dung noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 198 49 731 vorgeschlagen ist, aus. Bei dieser Gradientenspulenanordnung bestehen die 3D- Sattelspulen aus einem Bereich, der durchgewickelt ist, sowie aus einem an deren Bereich, der offene Enden im Rückleiterbereich auf weist, wobei diese offenen Enden durch spezielle, als mehrla gige Plattenverbinder ausgebildete Verbinderelemente mitein ander verbunden sind. Durch diese Verbindung mit Hilfe der plattenförmigen Verbinderelemente ergibt sich aber wiederum eine starre Anordnung, d. h. eine vorgegebene Gradientenspu lenanordnung mit bestimmten, nachträglich nicht mehr verän derbaren Feldqualitäten bzw. Leistungsmerkmalen. Der Erfin dung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß gerade dieser Aufbau mit Verbinderelementen für offene Leiterenden im Rück leiterbereich einer Sattelspule in 3D-Technik durch schalt bare Ausbildung der Verbinderelemente eine vielfältig unter schiedliche Verschaltung der Einzelbindungen miteinander er möglicht, durch die völlig unterschiedliche Spulenkonfigura tionen geschaffen werden können, ohne daß jeweils eine eigene Spule mit eigenen Windungen hierfür notwendig ist.

Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn - im Gegen satz zu der angesprochenen vorbekannten Gradientenspulenan ordnung mit nichtschaltbaren Verbinderelementen an einer Stirnseite - erfindungsgemäß schaltbare Verbinderelemente auf beiden Stirnseiten und ggf. auch im Spuleninneren angeordnet sind, um in besonders vielfältiger Weise aus den vorgegebenen Windungen der Gradientenspulen durch entsprechend unter schiedliche Verschaltung dieser Windungen miteinander eine ganze Reihe funktionell unterschiedlicher Gradientenspulenan ordnungen schaffen zu können.

Insbesondere kann in weiterer Ausgestaltung der Erfindung hierfür auch vorgesehen sein, daß schaltbare Verbinderelemen te in einen durchgewickelten Spulenbereich integriert sind und somit auch dieser durch entsprechend geänderte Ansteue rung noch funktionsmäßig entsprechend den Kundenwünschen re versibel abgeändert werden kann.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung können dabei die gewünschten Leistungsmerkmale statisch vor Ablauf der Se quenz festgelegt und die Verbinderelemente entsprechend ge schaltet werden, oder aber in einer zweiten Ausführungsform die Verbinderelemente programmgesteuert dynamisch, also auch während des Ablauf einer Sequenz, umschaltbar ausgestaltet sein.

Die Spulen können dabei so verschaltet sein, daß sich eine abgeschirmte oder nichtabgeschirmte Gradientenspulenanordnung ergibt, und schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Er findung, die Teilhälften der Gradientenspulen asymmetrisch zu verschalten. So kann z. B. die vordere Hälfte (+z) andere Feldeigenschaften haben als die hintere Hälfte (-z). Dadurch ist auch eine Verschiebung des Homogenitätsvolumens möglich.

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

Fig. 1 eine Teil-Stirnansicht einer schaltbaren 3D- Spule aus einem Sattelspulensatz mit einem kleineren Durchmesser R1 und einem Sattelspu lensatz mit einem größeren Durchmesser R2,

Fig. 2 bis 4 unterschiedliche Verschaltungen der Windungen jeder Ebene untereinander,

Fig. 5 eine schematische Teilstirnansicht einer Spu lenanordnung, bei der durch die Verschaltung Windungen der einen Ebene mit der anderen Ebene unter Bildung einer 3D-Spule verbunden sind,

Fig. 6 einen schematischen radialen Schnitt im Be reich der Stirnseite der Spulenanordnung nach Fig. 5,

Fig. 7 eine aufgeklappte Darstellung der Spulen der Primär- und Sekundärebene mit der netzartigen Verschaltung der Windungen untereinander,

Fig. 8 eine Seitenansicht des Wicklungsbildes und der Verschaltung nach Fig. 7,

Fig. 9 eine Teil-Stirnansicht einer schaltbaren 3D- Spule mit drei Sätzen von Sattelspulen,

Fig. 10 eine Seitenansicht der Verschaltungseinheit nach Fig. 9,

Fig. 11 eine aufgeklappte Darstellung der Spulensätze nach Fig. 9,

Fig. 12 eine Seitenansicht des Wicklungs- und Ver schaltungsbildes nach Fig. 11,

Fig. 13 eine schaltbare 3D-Spule mit asymmetrisch konfigurierten Spulenhälften, und

Fig. 14 bis 16 schematisch dargestellte Möglichkeiten der Realisierung schaltbarer Spulensätze.

Die Fig. 1 zeigt eine schaltbare 3D-Spule, bestehend aus ei nem Spulensatz 1 in der Primärebene P1 mit einem kleineren Durchmesser R1 und einem Spulensatz 2 in der Sekundärebene 51 mit einem größeren Durchmesser R2. Im dargestellten Ausfüh rungsbeispiel sind dabei die einseitig offenen Windungen der Spulensätze 1 und 2 untereinander nicht verbunden, d. h. es besteht keine Verbindung zwischen der inneren Primärebene P1 und der äußeren Sekundärebene S1. Die Fig. 2 bis 4 zeigen dabei unterschiedliche Arten der Verbindungen der offenen Windungen untereinander. Während bei der Anordnung nach Fig. 2 die Verschaltung so ausgeführt ist, daß nur ein Teil der Windungen sowohl der Primärebene P1 als auch Sekundärebene S1 miteinander verbunden sind, ist bei der in Fig. 3 dargestell ten Verschaltung - die Verschaltung ist jeweils durch die punktierten Linien wiedergegeben - die Ausbildung so getrof fen, daß alle Windungen seriell stromdurchflossen sind. Als geschirmte Anordnung kann die komplette Spule oder einzelne Windungen des Spulensatzes 1 Primärspule und des Spulensatzes 2 Sekundärspule sein (entgesetzter Stromfluß). Es ist aber auch ein ungeschirmter Betrieb mit gleichgerichtetem Strom fluß möglich.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 ist die Verschaltung so getrof fen, daß ein Teil der Windungen seriell und ein anderer pa rallel stromdurchflossen ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 5 bis 8 sind die offenen Enden der Windungen des Spulensatzes 1 in der Primär ebene P1 mit den offenen Enden der Windungen des Spulensatzes 2 in der Sekundärebene S1 durch eine netzwerkartige Verschal tung der Windungen miteinander verbunden. Dies entspricht ei ner üblich aktiv geschirmten 3D-Spule, wobei alle Kombinatio nen der Leiterverschaltung durchführbar sind, also sowohl se riell, parallel, partiell usw. Dabei ist im einzelnen nicht dargestellt, wie die Verschaltung konkret ausgebildet ist, sondern lediglich das Netzwerk 3 der Verschaltung angedeutet, wobei 4 die jeweiligen Verknüpfungspunkte des Netzwerks 3 darstellen.

Die Fig. 9 bis 12 zeigen schematisch eine schaltbare 3D- Spule, bestehend aus drei als Sattelspulen ausgebildeten Spu lensätzen 1, 1' und 2, die in den Primärebenen P1, P2 und der Sekundärebene 51 mit unterschiedlichen Durchmessern R1, R1' und R2 eingeordnet sind. Dabei können z. B. zwei Spulen das Gradientenfeld erzeugen - wobei sich die Einzel-Feldcharakte ristiken überlagern - und die dritte das Abschirmfeld. Auch hierbei ist wiederum schematisch das Netzwerk 3 mit den Ver knüpfungspunkten 4 dargestellt, nicht aber der detaillierte Aufbau der eigentlichen Schaltverbindung.

Die Fig. 13 zeigt ebenfalls eine schaltbare 3D-Spule, wobei aber die Spulenhälften - abweichend von der normalerweise achsensymmetrischen Ausbildung - asymmetrisch konfiguriert werden, d. h. durch unterschiedliche Verschaltung der symme trisch in beiden Spulenhälften angeordneten Windungen jeweils unterschiedliche, also asymmetrische, Spulenanordnungen erge ben. Dabei sind wiederum mit ausgezogenen Linien die Windun gen des Spulensatzes 1 der Primärebene P1 und mit gestrichel ten Linien die Windungen des Spulensatzes 2 in der Sekundär ebene S1 dargestellt, während 3 jeweils das Netzwerk zum Ver schalten zeigt.

Die Fig. 14 bis 16 zeigen Möglichkeiten der Realisierung schaltbarer Sattelspulensätze, wobei die Darstellung gültig ist sowohl für die Primär- als auch die Sekundärspulen, also für die vorstehend mit 1 und 2 bezeichneten Spulensätze.

In Fig. 14 liegen die schaltbaren Windungen bzw. Windungspa kete 6 in einer Ebene auf einem Isolierträger 5. Dieser Auf bau hat den Vorteil, daß er einen sehr einfachen Aufbau er gibt und sehr platzsparend ist.

Bei den Anordnungen nach den Fig. 15 und 16 liegen die Windungen bzw. Windungspakete 6, 6', 6" in unterschiedlichen Ebenen. Dies hat den Vorteil einer geometrischen Unabhängig keit zwischen den Einzelelbenen. Bei der Anordnung nach Fig. 15 ist in beiden Ebenen das gleiche Design vorgesehen, es er folgt nur eine unterschiedliche Ansteuerung. Bei der Anord nung nach Fig. 16 sind die beiden Ebenen mit unterschiedli chem Design und Leiterausführung (Dimension, Material) aus gebildet. Diese Art der Realisierung schaltbarer Spulensätze nach den Fig. 14 bis 16 kann beispielsweise für die beiden Spulensätze 1 und 1' gemäß dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 9 bis 12 wahlweise eingesetzt werden. Die Ausbildung gemäß Fig. 16 entspricht der des Spulensatzes 1, 1' in Fig. 11 und 12.

Claims

1. Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte, beinhaltend folgende Merkmale:

1. In einer Primärebene (P1, P2) angeordnete Windungen,
2. in einer Sekundärebene (S1) angeordnete weitere Windungen,
3. die Primär- und die Sekundärebene (P1, P2, S1) besitzen einen radialen Abstand,
4. die Windungen weisen an einer Stirnseite der Gradienten spulenanordnung eine Vielzahl offener Leiterenden auf,
5. Verbinderelemente verbinden Leiterenden in der Primärebene (P1, P2) mit Leiterenden in der Sekundärebene (S1) und/oder Leiterenden innerhalb einer der Ebenen (P1, P2, S1) untereinander und
6. die Verbinderelemente sind zur Bildung von Gradientenspu lenanordnungen mit unterschiedlichen Feldqualitäten/Lei stungsmerkmalen schaltbar ausgebildet.

2. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß schaltbare Verbinderelemente auf beiden Stirnseiten vorgesehen sind.

3. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß schaltbare Verbinderelemente im Spuleninneren angeordnet sind.

4. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß schaltbare Verbinderelemente in einen durchgewickelten Spu lenbereich integriert sind.

5. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschten Leistungsmerkmale vor Ablauf der Sequenz festge legt und die Verbinderelemente entsprechend geschaltet wer den.

6. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbinderelemente programmgesteuert, vorzugsweise auch wäh rend des Ablaufs einer Sequenz, umschaltbar sind.

7. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilhälften der Gradientenspulen asymmetrisch verschaltet sind.

8. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (6)eines Spulensatzes (1, 2) in einer Ebene liegen.

9. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (6, 6', 6") eines Spulensatzes (1, 2) in verschie denen Ebenen liegen.

10. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 9, da durch gekennzeichnet, daß die Windungen (6, 6") in den verschiedenen Ebenen unterschiedliches Design haben.