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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes
in einem Luftspalt, insbesondere für ein Magnetresonanzgerät, mit einem Paar
gegenüberliegend
angeordneter Magnetpole, zwischen denen sich der Luftspalt befindet,
wobei die Magnetpole Polplatten umfassen, die aus mehreren übereinanderliegenden
und elektrisch voneinander isolierten Schichten aufgebaut sind.
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Eine
Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
EP 0 479 514 A bekannt. Mit
einem Paar gegenüberliegend
angeordneter Magnetpole wird in einem dazwischenliegenden Luftspalt
ein Magnetfeld mit hoher Feldstärke
und mit hohen Anforderungen an die Homogenität erzeugt. Verwendet wird eine derartige
Vorrichtung für
ein diagnostisches Magnetresonanzgerät. 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 Magnete über
ein Joch aus magnetisch gut leitendem Material verbunden.
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Bei
der Bildgebung mittels Magnetresonanz werden Gradientenspulen 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 magnetischen Gradientenfelder werden im allgemeinen durch pulsförmige Ströme erzeugt, die
in angrenzenden elektrisch leitfähigen
Bereichen Wirbelströme
induzieren. Die induzierten Wirbelströme verzerren ihrerseits das
Gradientenfeld im Luftspalt.
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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 Strukturierung
ist in der Regel ausreichend. Die Fertigung ist jedoch 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 zwischen den einzelnen
Blöcken
die magnetischen Eigenschaften nicht optimal.
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Aus
der
EP 0 691 548 A ist
bekannt, bei Polplatten auch plattenförmige "Soft-Ferrite" zu verwenden.
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Aus
der
US 5,317,297 sind
Polplatten für
den Grundfeldmagneten eines Magnetresonanzgeräts beschrieben, die aus relativ
großen
stangenförmigen Elementen
zusammengesetzt sind. Dort ist angeführt, daß schon eine einzige derart
zusammengesetzte Schicht eine bedeutende Reduzierung von Wirbelströmen bewirkt.
Zwei Schichten, die 90° zueinander
ausgerichtet sind, sind jedoch mechanisch stabiler und neigen zu
einer gleichmäßigeren
Verteilung der Wirbelstromeffekte.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines Magnetfeldes anzugeben, die einfach zu fertigende Polplatten mit
homogenen Magneteigenschaften besitzt.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die Schichten
nebeneinander angeordnete, voneinander elektrisch isolierte, plattenförmige Elemente
aus einem magnetisch leitfähigen
Material umfassen und daß aufeinanderfolgende
Schichten in Schichtrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
Die magnetischen Eigenschaften sind im Vergleich zu der Ausführung, die
einzelne Blöcke
verwendet, homogener, weil die erfindungsgemäßen Polplatten keine durchgehendend
Spalte aufweisen. In der Herstellung der Polplatten wird zunächst eine
Ebene mit den plattenförmigen
Elementen belegt. Dann wird ein elektrischer Isolationsstoff, z.
B. ein Epoxidharz, aufgetragen. Darauf wird dann eine weitere Lage
mit plattenförmigen
Elementen gelegt. Die zweite Schicht mit plattenförmigen Elementen
wird gegenüber
der ersten Schicht versetzt angeordnet. Dies wird fortgesetzt, bis
die gewünschte
Plattenstärke
erreicht ist. Durch diesen Ausbau entsteht eine Platte, die in sich
stabil ist und dadurch einfach an den Magnetpolen befestigt werden
kann. Die Polplatten müssen nicht
mit den Ma gnetpolen verklebt werden, sie können jederzeit wieder ausgebaut
werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens
eine der Polplatten auf einer Oberfläche Erhebungen und/oder Vertiefungen besitzt.
Damit kann ein Grundshim zur Homogenisierung des Grundmagnetfeldes
schon bei der Herstellung der Polplatte berücksichtigt werden. Vielfach wird
das idealerweise homogene Grundmagnetfeld durch eine unsymmetrische
Konstruktion der magnetischen Rückführungen
verzerrt. Diese konstruktiv bedingten Verzerrungen sind in ihrer
Art immer gleich. Sie können,
nachdem sie einmal ausgemessen wurden, durch eine entsprechend ausgestaltete Polplattenoberfläche verringert
werden. Zusätzlich kann
nachträglich
durch entsprechende Ausnehmungen der Polplattenoberfläche über eine
spanende Formgebung (z. B. Fräsen)
ein iterativer Shim durchgeführt
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im folgenden anhand von vier Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 in einer Schnittdarstellung
den Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes für ein Magnetresonanzgerät mit der
erfindungsgemäßen Polplatten,
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2 in einer perspektivischen
Ansicht den Schichtaufbau der Polplatten,
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3 in einer Draufsicht eine
Polplatte mit geringfügigen
Erhöhungen,
die einen Grundshim bewirken, und
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4 in einer Schnittdarstellung
den Querschnitt der Polplatte nach 3.
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In 1 ist in einer Seitenansicht
im Schnitt der grundsätzliche
Aufbau einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem
Luftspalt 2 dargestellt. Die Vorrichtung ist zur Erzeugung
eines weitgehend homogenen Magnetfeldes B0 in
einem diagnostischen Magnetresonanzgerät ausgebildet. Die Magnetfeldrichtung
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 dimensioniert, daß nach Einbau
der für
die Magnetresonanzbildgebung notwendigen Komponenten noch ausreichend Platz
ist, einen Patienten 6 aufzunehmen. Die gestrichelte Linie
soll den Querschnitt des Patienten grob umrissen zeigen.
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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 Magnetfeldes dem Buchstaben C, daher wird sie auch als C-Magnet
bezeichnet. Die beiden Magentpole 8 und 10 umfassen
jeweils einen magnetischen Antrieb 14, die hier als normalleitende
Elektromagnetspulen ausgebildet sind und mit entsprechenden Strömen erregt
werden müssen.
Alternativ ist der Magnetantrieb 14 auch in Form von Permanentmagneten
oder supraleitenden Elektromagnetspulen realisierbar.
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Die
Magnetpole 8 und 10 umfassen weiterhin Polplatten 16,
die magnetfeldleitend mit den Magnetantrieben 14 verbunden
sind. Die Polplatten 16 sind aus übereinanderliegenden und elektrisch
voneinander isolierten Schichten aufgebaut, wie nachfolgend anhand
von 2 beschrieben ist.
Auf den Polplatten 16 sind in Richtung Luftspalt 2 noch
Gradientenspulen 18 befestigt, die im Luftspalt 2 magnetische Gradientenfelder
in allen drei Raumrichtungen erzeugen sollen.
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2 zeigt nun den Aufbau der
Polplatten 16. Die Polplatten 16 sind aus übereinanderliegenden
und elektrisch voneinander isolierten Schichten 20 aufgebaut.
Aus Übersichtlichkeitsgründen zeigt 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 gesamten Durchmesser der Polplatten 16 fort. Die Elemente 22 sind
hier rechteckig ausgeführt,
es ist jedoch ebenso möglich,
die Elemente 22 in einer Schicht beispielsweise quadratisch
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 Elementen 22 innerhalb der Schichten 20.
Die Spalten oder Zwischenräume 24 sind
mit einem Isolierwerkstoff gefüllt.
Beispielsweise wird in der Fertigung der Polplatten 16 eine
erste Ebene mit den Elementen 22 belegt. Dann wird als
Isolierwerkstoff Epoxidharz darübergestrichen.
Darauf wird dann eine weitere Lage mit Elementen 22 belegt,
die dann die zweite Schicht 2i bildet. Dabei sind die Elemente 22 der
aufeinanderliegenden Schichten 20 versetzt zueinander angeordnet,
so daß die
Zwischenräume 24 zwischen den
Elementen 22 einer Schicht 20 abgedeckt werden
durch Elemente 22 der darüberliegenden und ggf. auch
der darunterliegenden Schicht 20. Hier sind die Elemente 22 der
Schichten 20 in zwei senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen
x, y jeweils um die halbe Elementbreite 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 eingebaut
werden. Die feine Unterteilung und versetzte Anordnung der Elemente 22 innerhalb
der Schichten 20 bewirkt auch, daß die magnetischen Eigenschaften
weitestgehend gleichförmig
verteilt sind.
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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 Wirbelströme nur
noch eine geringe Amplitude besitzen. Das eigentliche zur Ortsauflösung der
Magnetresonanzsignale benötigte
Gradientenfeld ist damit weitgehend unverzerrt.
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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 Erhebungen 26 sind
fest mit der restlichen Polplatte 16A verbunden und in
gleicher Weise, wie die restliche Polplatte 16A und wie
schon anhand von 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
kompensiert ist. Von großem
Einfluß auf
die Verzerrungen der Grundmagnetfeldes B0 ist
die Anordnung und der Aufbau der magnetischen Rückführung 12. Hier sind hauptsächlich die
Polplattenabschnitte, die nach Einbau der magnetischen Rückführung 12 zugewandt sind,
mit Erhebungen 26 versehen.
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Die
Erhebungen 26 sind aus einer oder auch mehreren Schichten 20 gebildet,
wie in 4 im Schnitt
dargestellt ist. Auch hier sind die Elemente 22 aufeinanderfolgender
Schichten 22 zueinander versetzt angeordnet.
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Anstatt
zusätzliche
Schichten 20 zum Aufbau der Erhebungen 26 aufzutragen,
kann auch zunächst
eine gleichmäßig dicke
Polplatte 16 mit einer maximal möglichen Dicke gefertigt werden,
worin nachträglich
die Vertiefungen 28 eingebracht werden. Der Shimvorgang
kann dann iterativ erfolgen, indem nach Ausmessen der Abweichungen
von der geforderten Homogenität
des Grundmagnetfeldes B0 entsprechend Material
von der Polplatte 16, 16A z. B. durch Fräsen abgetragen
wird. An welchen Stellen und wieviel Material abgetragen werden
muß, um
die Homo genität
zu verbessern, wird basierend auf die Messung berechnet. Es ist
auch möglich,
bei den Polplatten 16 zum Magnetshim zusätzlich bekannte Shimverfahren
anzuwenden, indem beispielsweise Permanentmagnete und/oder Eisenelemente
auf der Oberfläche
der Polplatte 16, 16A positioniert werden. Mit
einem weiteren Shim über
Elektromagnetspulen kann das Magnetfeld ergänzend homogenisiert werden.