DE19854483A1 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Luftspalt - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Luftspalt (2), insbesondere für ein Magnetresonanzgerät, umfaßt ein Paar gegenüberliegend angeordneter Magnetpole (8, 10), zwischen denen sich der Luftspalt (2) befindet. Die Magnetpole (8, 10) besitzen Polplatten (16), die aus mehreren übereinanderliegenden und elektrisch voneinander isolierten Schichten (20) aufgebaut sind. Die Schichten (20) umfassen nebeneinander angeordnete, voneinander elektrisch isolierte, plattenförmige Elemente (22) aus einem magnetisch leitfähigen Material. Aufeinanderfolgende Schichten (20) sind in Schichtrichtung (x, y) zueinander versetzt angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Luftspalt, insbesondere für ein Magnet­ resonanzgerät, mit einem Paar gegenüberliegend angeordneter Magnetpole, zwischen denen sich der Luftspalt befindet, wobei die Magnetpole Polplatten umfassen, die aus mehreren überein­ anderliegenden und elektrisch voneinander isolierten Schich­ ten aufgebaut sind.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der EP 0 479 514 A bekannt. Mit einem Paar gegenüberliegend ange­ ordneter Magnetpole wird in einem dazwischenliegenden Luft­ spalt ein Magnetfeld mit hoher Feldstärke und mit hohen An­ forderungen an die Homogenität erzeugt. Verwendet wird eine derartige Vorrichtung für ein diagnostisches Magnetresonanz­ gerät. Der Luftspalt ist im allgemeinen so groß, daß nach Einbau der übrigen Komponenten ein Patient zur Untersuchung dazwischen gelagert werden kann. Die Magnetpole umfassen noch einen Magnetantrieb, z. B. in Form von Permanentmagneten oder auch Elektromagnetspulen. Zur Flußrückführung sind die Magne­ te über ein Joch aus magnetisch gut leitendem Material ver­ bunden.

Bei der Bildgebung mittels Magnetresonanz werden Gradienten­ spulen benötigt, die an den Magnetpolen befestigt sind und die ein magnetisches Gradientenfeld in x-, y- und z-Richtung erzeugen. Über die magnetischen Gradientenfelder werden dem Magnetresonanzsignal Ortsinformationen überlagert. Die magne­ tischen Gradientenfelder werden im allgemeinen durch pulsför­ mige Ströme erzeugt, die in angrenzenden elektrisch leitfähi­ gen Bereichen Wirbelströme induzieren. Die induzierten Wir­ belströme verzerren ihrerseits das Gradientenfeld im Luft­ spalt.

Zur Reduzierung der induzierten Wirbelströme umfassen die in der EP 0 479 514 A beschriebenen Magnetpole Polplatten, die aus einzelnen Blöcken aufgebaut sind, wobei die Blöcke selbst aus einer Vielzahl von elektrisch isolierten Schichten aus nicht orientiertem Silizium-Stahlblech bestehen. Diese Struk­ turierung ist in der Regel ausreichend. Die Fertigung ist je­ doch aufwendig. Die Blöcke müssen einzeln auf einem Träger montiert werden, der dann erst mit dem Magnetpol verbunden werden kann. Andererseits sind durch die kleinen Spalten zwi­ schen den einzelnen Blöcken die magnetischen Eigenschaften nicht optimal.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung zur Erzeugung eines Magnetfeldes anzugeben, die einfach zu fertigende Polplatten mit homogenen Magneteigenschaften besitzt.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schichten nebenein­ ander angeordnete, voneinander elektrisch isolierte, platten­ förmige Elemente aus einem magnetisch leitfähigen Material umfassen und daß aufeinanderfolgende Schichten in Schich­ trichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Die magneti­ schen Eigenschaften sind im Vergleich zu der Ausführung, die einzelne Blöcke verwendet, homogener, weil die erfindungsge­ mäßen Polplatten keine durchgehendend Spalte aufweisen. In der Herstellung der Polplatten wird zunächst eine Ebene mit den plattenförmigen Elementen belegt. Dann wird ein elektri­ scher Isolationsstoff, z. B. ein Epoxidharz, aufgetragen. Darauf wird dann eine weitere Lage mit plattenförmigen Ele­ menten gelegt. Die zweite Schicht mit plattenförmigen Elemen­ ten wird gegenüber der ersten Schicht versetzt angeordnet. Dies wird fortgesetzt, bis die gewünschte Plattenstärke er­ reicht ist. Durch diesen Ausbau entsteht eine Platte, die in sich stabil ist und dadurch einfach an den Magnetpolen befe­ stigt werden kann. Die Polplatten müssen nicht mit den Ma­ gnetpolen verklebt werden, sie können jederzeit wieder ausge­ baut werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens eine der Polplatten auf einer Oberfläche Erhe­ bungen und/oder Vertiefungen besitzt. Damit kann ein Grund­ shim zur Homogenisierung des Grundmagnetfeldes schon bei der Herstellung der Polplatte berücksichtigt werden. Vielfach wird das idealerweise homogene Grundmagnetfeld durch eine un­ symmetrische Konstruktion der magnetischen Rückführungen ver­ zerrt. Diese konstruktiv bedingten Verzerrungen sind in ihrer Art immer gleich. Sie können, nachdem sie einmal ausgemessen wurden, durch eine entsprechend ausgestaltete Polplattenober­ fläche verringert werden. Zusätzlich kann nachträglich durch entsprechende Ausnehmungen der Polplattenoberfläche über eine spanende Formgebung (z. B. Fräsen) ein iterativer Shim durchgeführt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von vier Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer Schnittdarstellung den Aufbau einer Vorrich­ tung zur Erzeugung eines Magnetfeldes für ein Magne­ tresonanzgerät mit den erfindungsgemäßen Polplatten,

Fig. 2 in einer perspektivischen Ansicht den Schichtaufbau der Polplatten,

Fig. 3 in einer Draufsicht eine Polplatte mit geringfügigen Erhöhungen, die einen Grundshim bewirken, und

Fig. 4 in einer Schnittdarstellung den Querschnitt der Pol­ platte nach Fig. 3.

In Fig. 1 ist in einer Seitenansicht im Schnitt der grundsätz­ liche Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfel­ des in einem Luftspalt 2 dargestellt. Die Vorrichtung ist zur Erzeugung eines weitgehend homogenen Magnetfeldes B₀ in einem diagnostischen Magnetresonanzgerät ausgebildet. Die Magnet­ feldrichtung ist hier durch einen Pfeil 4 veranschaulicht. Die Feldstärke im homogenen Bereich, der sich ungefähr in der Mitte des Luftspaltes befindet, liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,5 Tesla. Der Luftspalt 2 ist so dimensio­ niert, daß nach Einbau der für die Magnetresonanzbildgebung notwendigen Komponenten noch ausreichend Platz ist, einen Pa­ tienten 6 aufzunehmen. Die gestrichelte Linie soll den Quer­ schnitt des Patienten grob umrissen zeigen.

Der Luftspalt 2 befindet sich zwischen zwei Magnetpolen 8 und 10, die über eine neben dem Luftspalt 2 geführte magnetische Rückführung 12 miteinander verbunden sind. In der seitlichen Darstellung ähnelt die Vorrichtung zur Erzeugung eines Ma­ gnetfeldes dem Buchstaben C, daher wird sie auch als C-Ma­ gnet bezeichnet. Die beiden Magentpole 8 und 10 umfassen je­ weils einen magnetischen Antrieb 14, die hier als normallei­ tende Elektromagnetspulen ausgebildet sind und mit entspre­ chenden Strömen erregt werden müssen. Alternativ ist der Ma­ gnetantrieb 14 auch in Form von Permanentmagneten oder supra­ leitenden Elektromagnetspulen realisierbar.

Die Magnetpole 8 und 10 umfassen weiterhin Polplatten 16, die magnetfeldleitend mit den Magnetantrieben 14 verbunden sind. Die Polplatten 16 sind aus übereinanderliegenden und elek­ trisch voneinander isolierten Schichten aufgebaut, wie nach­ folgend anhand von Fig. 2 beschrieben ist. Auf den Polplatten 16 sind in Richtung Luftspalt 2 noch Gradientenspulen 18 be­ festigt, die im Luftspalt 2 magnetische Gradientenfelder in allen drei Raumrichtungen erzeugen sollen.

Fig. 2 zeigt nun den Aufbau der Polplatten 16. Die Polplatten 16 sind aus übereinanderliegenden und elektrisch voneinander isolierten Schichten 20 aufgebaut. Aus Übersichtlichkeits­ gründen zeigt Fig. 2 nur zwei Schichten 20 im Ausschnitt. Jede Schicht 20 besteht aus nebeneinander angeordneten, voneinan­ der elektrisch isolierten plattenförmigen Elementen 22, die aus einem magnetisch leitfähigen Material bestehen. Hier sind nur einige wenige Elemente 22 dargestellt, die Anordnung setzt sich jedoch über die gesamte Breite bzw. über den ge­ samten Durchmesser der Polplatten 16 fort. Die Elemente 22 sind hier rechteckig ausgeführt, es ist jedoch ebenso mög­ lich, die Elemente 22 in einer Schicht beispielsweise quadra­ tisch oder sechseckig auszuführen. Die Elemente 22 sind gleich groß und besitzen typisch eine Dicke d von 1 mm. Ihre Ausdehnung in der Schicht 20 beträgt ca. 20 mm bis 100 mm. Die einzelnen Elemente 22 sind durch Spalten 24 voneinander getrennt. Die Breite der Spalte 24 ist so eingestellt, daß die Elemente 22 sicher voneinander elektrisch getrennt sind. Zwischen den einzelnen Schichten 20 ist ebenfalls ein Spalt 24 in gleicher Größenordnung wie zwischen den einzelnen Ele­ menten 22 innerhalb der Schichten 20. Die Spalten oder Zwi­ schenräume 24 sind mit einem Isolierwerkstoff gefüllt. Bei­ spielsweise wird in der Fertigung der Polplatten 16 eine er­ ste Ebene mit den Elementen 22 belegt. Dann wird als Isolier­ werkstoff Epoxidharz darübergestrichen. Darauf wird dann eine weitere Lage mit Elementen 22 belegt, die dann die zweite Schicht 20 bildet. Dabei sind die Elemente 22 der aufeinan­ derliegenden Schichten 20 versetzt zueinander angeordnet, so daß die Zwischenräume 24 zwischen den Elementen 22 einer Schicht 20 abgedeckt werden durch Elemente 22 der darüberlie­ genden und ggf. auch der darunterliegenden Schicht 20. Hier sind die Elemente 22 der Schichten 20 in zwei senkrecht auf­ einanderstehenden Richtungen x, y jeweils um die halbe Ele­ mentbreite versetzt. Insgesamt wird eine Polplatte 16 je nach Magnetfeldstärke aus ca. 15 bis 40 Schichten aufgebaut, so daß sich eine Polplattenstärke von 2 bis 5 cm ergibt. Durch diesen Aufbau ist die Polplatte 16 in sich stabil und kann als einzelnes Bauteil leicht in die Magnetpole 8 und 10 ein­ gebaut werden. Die feine Unterteilung und versetzte Anordnung der Elemente 22 innerhalb der Schichten 20 bewirkt auch, daß die magnetischen Eigenschaften weitestgehend gleichförmig verteilt sind.

Als Material für die Elemente 22 kommt ein nicht-orientiertes Silizium-Stahlblech zum Einsatz, das einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand besitzt, so daß darin induzierte Wir­ belströme nur noch eine geringe Amplitude besitzen. Das ei­ gentliche zur Ortsauflösung der Magnetresonanzsignale benö­ tigte Gradientenfeld ist damit weitgehend unverzerrt.

Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht eine Polplatte 16A, die zum Shim des Grundmagnetfeldes B₀ Erhebungen 26 und Vertiefungen 28 auf der dem Luftspalt 2 zugewandten Seite besitzt. Die Er­ hebungen 26 sind fest mit der restlichen Polplatte 16A ver­ bunden und in gleicher Weise, wie die restliche Polplatte 16A und wie schon anhand von Fig. 2 beschrieben ist, schichtweise aufgebaut. Die Erhebungen 26 sind so angeordnet, daß die durch den konstruktiven Aufbau des Gesamtmagneten verursachte Verzerrung des homogenen Magnetfeldes B₀ weitgehend kompen­ siert ist. Von großem Einfluß auf die Verzerrungen der Grund­ magnetfeldes B₀ ist die Anordnung und der Aufbau der magneti­ schen Rückführung 12. Hier sind hauptsächlich die Polplatten­ abschnitte, die nach Einbau der magnetischen Rückführung 12 zugewandt sind, mit Erhebungen 26 versehen.

Die Erhebungen 26 sind aus einer oder auch mehreren Schichten 20 gebildet, wie in Fig. 4 im Schnitt dargestellt ist. Auch hier sind die Elemente 22 aufeinanderfolgender Schichten 22 zueinander versetzt angeordnet.

Anstatt zusätzliche Schichten 20 zum Aufbau der Erhebungen 26 aufzutragen, kann auch zunächst eine gleichmäßig dicke Pol­ platte 16 mit einer maximal möglichen Dicke gefertigt werden, worin nachträglich die Vertiefungen 28 eingebracht werden. Der Shimvorgang kann dann iterativ erfolgen, indem nach Aus­ messen der Abweichungen von der geforderten Homogenität des Grundmagnetfeldes B₀ entsprechend Material von der Polplatte 16, 16A z. B. durch Fräsen abgetragen wird. An welchen Stel­ len und wieviel Material abgetragen werden muß, um die Homo­ genität zu verbessern, wird basierend auf die Messung berech­ net. Es ist auch möglich, bei den Polplatten 16 zum Magnet­ shim zusätzlich bekannte Shimverfahren anzuwenden, indem bei­ spielsweise Permanentmagnete und/oder Eisenelemente auf der Oberfläche der Polplatte 16, 16A positioniert werden. Mit ei­ nem weiteren Shim über Elektromagnetspulen kann das Magnet­ feld ergänzend homogenisiert werden.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Luftspalt (2), insbesondere für ein Magnetresonanzgerät, mit einem Paar gegenüberliegend angeordneter Magnetpole (8, 10), zwischen denen sich der Luftspalt (2) befindet, und wobei die Magnetpole (8, 10) Polplatten (16) umfassen, die aus mehreren übereinanderliegenden und elektrisch voneinander isolierten Schichten (20) aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (20) nebeneinander angeordnete, voneinander elektrisch isolierte, plattenförmige Elemente (22) aus einem magnetisch leitfähigen Material umfassen und daß aufeinanderfolgende Schichten (20) in Schichtrichtung (x, y) zueinander versetzt angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die plattenförmigen Elemente (22) gleich ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (20) jeweils um eine halbe Elementbreite in mindestens einer Rich­ tung (x, y) versetzt zueinander sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (22) rechteckig ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (22) mittels eines Isolationswerkstoffes miteinander verbunden sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (22) mittels eines Epoxidharzes miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Polplatten (16) auf einer Oberfläche Erhöhungen (26) und/oder Vertiefungen (28) besitzt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (26) aus mehreren übereinanderliegenden und elektrisch voneinander isolierten Schichten (20) aufgebaut sind, daß die Schichten (20) nebeneinander angeordnete, voneinander elektrisch iso­ lierte, plattenförmige Elemente (22) aus einem magnetisch leitfähigen Material umfassen und daß benachbarte Schichten (20) in Schichtrichtung (x, y) zueinander versetzt angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefungen (28) als Ausnehmungen in die Polplatte (16) eingearbeitet sind.