DE19901332C1 - Verfahren zum Homogenisieren von Magnetfeldern - Google Patents
Verfahren zum Homogenisieren von MagnetfeldernInfo
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Abstract
Ein iteratives Verfahren zur Homogenisierung des Magnetfelds im Arbeitsvolumen (8) des Hauptfeldmagneten (1) einer Magnetresonanz-Apparatur mit Hilfe von ferromagnetischen Homogenisierungselementen (6), die an vorbestimmten Positionen (9) auf einem oder mehreren Tragekörpern (5) befestigt werden, wobei in einem ersten Meßschritt der Verlauf des Magnetfelds durch Messungen bestimmt wird und in einem ersten Rechenschritt eine Belegung mit Homogenisierungselementen (6) auf den vorbestimmten Positionen (9; 29) so berechnet wird, daß das errechnete Gesamtfeld als Überlagerung des Magnetfelds des Hauptfeldmagneten und sämtlicher Homogenisierungselemente näherungsweise homogen ist, wobei in einem ersten Kompensationsschritt die Homogenisierungselemente in den errechneten Mengen an den vorbestimmten Positionen plaziert werden und anschließend in Iterationen jeweils der Magnetfeldverlauf im Arbeitsvolumen in einem weiteren Meßschritt bestimmt wird, wonach zur weiteren Verbesserung der Homogenität in einem weiteren Rechenschritt eine Veränderung der Belegung der Positionen mit Homogenisierungselementen berechnet und diese in einem weiteren Kompensationsschritt durchgeführt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Positionen der Homogenisierungselemente in Gruppen mit unterscheidlichen Entfernungen vom geometrischen Zentrum des Arbeitsvolumens eingeteilt werden, und daß ab dem zweiten Rechenschritt und dem zweiten Kompensationsschritt die Belegung der Positionen der ...
Description
Die Erfindung betrifft ein iteratives Verfahren zur Homogenisierung des Magnetfelds im
Arbeitsvolumen des Hauptfeldmagneten einer Magnetresonanz-Apparatur mit Hilfe von
ferromagnetischen Homogenisierungselementen, die an vorbestimmten Positionen auf einem
oder mehreren Tragekörpern befestigt werden, wobei in einem ersten Meßschritt der Verlauf
des Magnetfelds des Hauptfeldmagneten in seinem Arbeitsvolumen durch Messungen
bestimmt wird und die Meßwerte als Eingangsdatensatz in einem numerischen
Rechenprogramm verwendet werden, das es gestattet, in einem ersten Rechenschritt mit Hilfe
dieses Eingangsdatensatzes eine Belegung mit Homogenisierungselementen auf den
vorbestimmten Positionen so zu berechnen, daß das errechnete Gesamtfeld als Überlagerung
des Magnetfeldes des Hauptfeldmagneten und sämtlicher Homogenisierungselemente
theoretisch näherungsweise homogen ist, wobei in einem ersten Kompensationsschritt die
Homogenisierungselemente in den im ersten Rechenschritt errechneten Mengen an den
vorbestimmten Positionen plaziert werden und wobei anschließend in einer oder mehreren
Iterationen jeweils der Magnetfeldverlauf im Arbeitsvolumen in einem weiteren Meßschritt
bestimmt wird, wonach zur weiteren Verbesserung der Homogenität in einem weiteren
Rechenschritt eine Veränderung der Belegung der Positionen mit
Homogenisierungselementen berechnet und diese in einem weiteren Kompensationsschritt
durchgeführt wird.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise bekannt aus der DE 196 20 926 A1.
Entsprechende Einrichtungen zum Homogenisieren mit Homogenisierungselementen aus
ferromagnetischem Material sind beispielsweise aus der US 5,045,794 oder der
DE 44 16 907 C1 oder der DE 196 20 926 A1 bekannt. Beispielsweise aus der US 3,622,869
bekannt sind alternative Verfahren zur Homogenisierung mit Hilfe von Korrekturspulen, die
von einstellbaren elektrischen Strömen durchflossen werden.
Die US 5,045,794 beschreibt eine Einrichtung und ein Verfahren zum Homogenisieren des
Magnetfeldes des Hauptfeldmagneten eines typischen Magnetresonanztomographen für
medizinische Diagnostik mit einer rohrförmigen zylindrischen Bohrung zur Aufnahme eines
Patienten und einem näherungsweise kugelförmigen Arbeitsvolumen im Bereich des
geometrischen Zentrums der Bohrung mit ferromagnetischen Homogenisierungselementen.
An der Oberfläche der rohrförmigen Bohrung sind in Längsrichtung Führungsschienen
befestigt, in welche z. B. bandförmige mechanische Tragekörper eingeführt werden, auf
denen kleine Homogenisierungselemente aus Eisen beispielsweise in Form von Scheiben
befestigt werden können. Die mechanischen Tragekörper in ihren Führungsschienen geben
damit eine Vielzahl vorbestimmter Plätze oder Positionen zum Befestigen der
Homogenisierungselemente vor. Im Magnetfeld des Hauptfeldmagneten werden die
Homogenisierungselemente aus Eisen näherungsweise auf ihre Sättigungsmagnetisierung in
Richtung parallel zur Achse der Bohrung aufmagnetisiert. Das relativ schwache zusätzliche
Magnetfeld der aufmagnetisierten Homogenisierungselemente überlagert sich dem relativ
starken Magnetfeld des Hauptfeldmagneten. Das Magnetfeld im Arbeitsvolumen des
Hauptfeldmagneten ist in der Regel wegen mechanischer Toleranzen der Bauteile der
Magnetspule des Hauptfeldmagneten für die Anwendung in der Magnetresonanz-Apparatur
nicht homogen genug. Durch die Wahl der geometrischen Anordnung und der Menge der
Homogenisierungselemente in der Umgebung des Arbeitsvolumens kann der räumliche
Verlauf des von den Homogenisierungselementen erzeugten zusätzlichen Magnetfeldes so
gestaltet werden, daß die ursprüngliche Inhomogenität des Magnetfelds des
Hauptfeldmagneten weitestgehend kompensiert wird. Typische Werte für die verbleibenden
Feldstörungen sind beispielsweise bei Hauptfeldmagneten mit einem Bohrungsdurchmesser
von 90 cm von der Größenordnung weniger ppm in einem kugelförmigen Arbeitsvolumen mit
einem Durchmesser von etwa 50 cm. Bei der Verwendung von weichmagnetischen
Homogenisierungselementen beispielsweise aus Eisen stellt sich die Magnetisierung nur in
Richtung des Hauptfeldes im Zentrum der Magnetbohrung ein, nicht jedoch in
Gegenrichtung. Bei der Verwendung von scheibenförmigen Homogenisierungselementen,
deren Normalenrichtung senkrecht zur Achse der Magnetbohrung liegt, stellt sich jedoch
bereits bei relativ kleinen Magnetfeldstärken des Hauptfeldes entsprechend magnetischen
Induktionen oberhalb von 0,4 Tesla wegen der Formanisotropie der
Homogenisierungselemente ein näherungsweise fester Wert für die Magnetisierung ein,
nämlich die Sättigungsmagnetisierung. Der von einem kleinen Homogenisierungselement mit
Abmessungen von beispielsweise 40 × 40 × 0,3 mm3 erzeugte Magnetfeldverlauf im Bereich des
Arbeitsvolumens eines Hauptfeldmagneten mit einem Bohrungsdurchmesser von etwa 90 cm
ist in guter Näherung der Magnetfeldverlauf eines magnetischen Dipols mit bekanntem
Dipolmoment und ist damit gut kalkulierbar. Die Homogenisierung des Magnetfeldes im
Arbeitsvolumen des Hauptfeldmagneten mit Hilfe von ferromagnetischen
Homogenisierungselementen erfolgt grundsätzlich so, daß zunächst der in der Regel noch
inhomogene Magnetfeldverlauf im Arbeitsvolumen in einem ersten Meßschritt beispielsweise
durch Messung an einer Vielzahl von Stellen gemessen wird. Anschließend werden die
Meßwerte als Eingangsdatensatz für ein numerisches Rechenprogramm benutzt, welches es
gestattet, eine geometrische Anordnung der ferromagnetischen Homogenisierungselemente
auf den vorbestimmten Plätzen in einem ersten Rechenschritt zu berechnen, deren
zusätzlicher Magnetfeldverlauf im Arbeitsvolumen des Hauptfeldmagneten die ursprünglich
vorhandenen Inhomogenitäten im Magnetfeld des Hauptfeldmagneten weitgehend
kompensiert. Dabei können im Fall von scheibenförmigen Homogenisierungselementen an
mehreren der vorbestimmten Plätze mehrere Homogenisierungselemente
übereinandergestapelt sein. Anschließend werden die Homogenisierungselemente
entsprechend der mit dem numerischen Rechenprogramm ermittelten geometrischen
Anordnung auf den mechanischen Tragekörpern an den vorbestimmten Positionen in einem
ersten Belegungsschritt in der Bohrung des Hauptfeldmagneten befestigt. Anschließend wird
der in der Regel homogenere Magnetfeldverlauf im Arbeitsvolumen des Hauptfeldmagneten
in einem zweiten Meßschritt erneut gemessen. Die Meßwerte können nun erneut als
Eingangsdatensatz zur Berechnung von Veränderungen in der geometrischen Anordnung der
Homogenisierungselemente in dem numerischen Rechenprogramm benutzt werden und die
veränderte geometrische Anordnung der Homogenisierungselemente realisiert werden. Auf
diese Weise ist eine iterative Verbesserung der geometrischen Anordnung der
Homogenisierungselemente zur Erzielung eines homogenen Magnetfelds im Arbeitsvolumen
des Hauptfeldmagneten der Magnetresonanz-Apparatur möglich.
Beispielsweise in der DE 44 16 907 C1 und der DE 196 20 926 A1 ist die Verwendung von
Dauermagnetmaterial als Werkstoff für die ferromagnetischen Homogenisierungselemente
erwähnt. Homogenisierungselemente aus Dauermagnetmaterial müssen vor ihrer
tatsächlichen Verwendung im Hauptfeldmagneten in einer Magnetresonanz-Apparatur in
einem starken Magnetfeld aufmagnetisiert werden, das stärker als die Koerzitivfeldstärke des
Materials ist. Sie können dann prinzipiell mit beliebiger Richtung der Magnetisierung relativ
zur Richtung des Magnetfelds des Hauptfeldmagneten verwendet werden und sogar mit
entgegengesetzter Richtung. Ferner ist es möglich, bei scheibenförmigen
Homogenisierungselementen eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Normalenrichtung der
Scheibe zu erzeugen. Dies ist beispielsweise bei Hauptfeldmagneten mit der in der DE
196 20 926 A1 beschriebenen Geometrie erforderlich. Damit der von
Homogenisierungselementen aus Dauermagnetmaterial erzeugte Verlauf der
Magnetfeldstärke im Arbeitsvolumen des Hauptfeldmagneten kalkulierbar wird und sie damit
für Verfahren zur Homogenisierung in der Praxis überhaupt verwendbar werden, ist es
erforderlich, daß sich der Magnetisierungszustand beim Einbau der
Homogenisierungselemente in den Hauptfeldmagneten nicht oder nur geringfügig ändert.
Hier kommen nur noch sehr wenige Werkstoffe wie NdFeB- oder SmCo-Legierungen
prinzipiell in Frage.
Prinzipielle Vorteile von Verfahren zur Homogenisierung mit ferromagnetischen
Homogenisierungselementen bestehen darin, daß man bei einer großen Anzahl von Positionen
für die Homogenisierungselemente entsprechend viele Freiheitsgrade besitzt, um auch
kompliziertere Verläufe des noch nicht homogenisierten Magnetfelds des Hauptfeldmagneten
zu kompensieren, im Gegensatz zu Verfahren mit Korrekturspulen mit einstellbaren Strömen
mit einer relativ kleinen Anzahl von Freiheitsgeraden entsprechend der Anzahl von
Korrekturspulen.
Prinzipielle Nachteile von Verfahren zur Homogenisierung mit ferromagnetischen
Homogenisierungselementen bestehen darin, daß die Größe der Homogenisierungselemente
aus praktischen Gründen nicht beliebig fein unterteilt sein kann und damit die Präzision, mit
der man Abweichungen vom homogenen Verlauf des Magnetfeldes kompensieren kann,
prinzipiell begrenzt ist, im Gegensatz zu Verfahren mit Korrekturspulen mit einstellbaren
Strömen, bei denen Verläufe von Magnetfeldern zur Kompensation von inhomogenen
Magnetfeldern präzise eingestellt werden können.
Eine grundsätzliche Voraussetzung für die Anwendbarkeit von Verfahren zur
Homogenisierung mit ferromagnetischen Homogenisierungselementen besteht darin, daß die
für eine Homogenisierung geeigneten Verteilungen der Homogenisierungselemente auf die
dafür vorgesehenen Positionen nur mit theoretischen Methoden, d. h. mit Hilfe numerischer
Rechenprogramme, aus dem zuvor in einem Meßschritt ermittelten Verlauf des Magnetfelds
ermittelt werden können. Folglich können diese Verfahren nur dann erfolgreich eingesetzt
werden, wenn das in dem numerischen Rechenverfahren benutzte Modell zur theoretischen
Berechnung des durch die Homogenisierungselemente erzeugten Verlaufs der
Magnetfeldstärke mit dem tatsächlichen Verlauf der von den real verwendeten
Homogenisierungselementen hinreichend gut übereinstimmt. Bei exakter Übereinstimmung
des theoretischen Modells mit der Realität ist eine Homogensierung mit nur einem
Meßschritt, einem Rechenschritt und einem Belegungschritt möglich. Bei nur geringfügigen
Abweichungen ist die Homogenisierung in der Regel in mehreren iterativen Schritten
möglich, bei denen die Abweichungen vom homogenen Verlauf des Magnetfelds sukzessiv
kleiner werden. Bei hinreichend großen Abweichungen zwischen dem theoretischen Modell
und der Realität dagegen führt das Verfahren beispielsweise nach der US 5 045 794 auch in
iterativen Schritten nicht mehr zum Erfolg. Das iterative Verfahren konvergiert dann nicht
mehr. Solche Abweichungen zwischen den Ergebnissen eines theoretischen Modells und dem
realen magnetischen Verhalten der Homogenisierungselemente können natürlich
trivialerweise in einem unzulänglichen theoretischen Modell begründet sein, aber auch in
mechanischen Toleranzen bei der Belegung der Tragekörper mit den
Homogenisierungselementen sowie Toleranzen in der Stärke und Richtung der
Magnetisierung der Homogenisierungselemente. Größere Toleranzen in der Stärke und
Richtung der Magnetisierung der Homogenisierungselemente sind insbesondere bei
Homogenisierungselementen aus Dauermagnetwerkstoff möglich, weil diese Größen durch
das Herstellungsverfahren der Homogenisierungselemente beeinflußt werden und eine genaue
Charakterisierung der dabei entstandenen Fehler in der Praxis zu aufwendig wäre.
Während sich die Homogenisierung des Magnetfelds typischer größerer Hauptfeldmagnete
für die medizinische Diagnostik mit rohrförmiger Bohrung mit Bohrungsdurchmessern von
etwa 90 cm mit ferromagnetischen Homogenisierungselementen aus Weicheisen in der Praxis
bewährt und etabliert hat, erweist sich die Übertragung des Verfahrens auf die
Homogenisierung beispielsweise des erheblich kleineren Hauptfeldmagneten nach der DE
196 20 926 A1 als problematisch, und das beschriebene iterative Verfahren konvergiert nicht
mehr. Aus den obengenannten Gründen ist hier einerseits die Verwendung von
Homogenisierungselementen aus Dauermagnetwerkstoff mit der herstellungsbedingten
Ungenauigkeit in Stärke und Richtung der Magnetisierung erforderlich. Außerdem erweist es
sich als erforderlich, daß bei dem Hauptfeldmagneten mit den in der DE 196 20 926 A1
beispielhaft beschriebenen Abmessungen Homogenisierungselemente am Boden der dort
genannten Vertiefung V angebracht werden müssen, die dann zum Teil nur eine sehr geringe
Entfernung von etwa 3 cm vom Zentrum des Arbeitsvolumens besitzen statt 45 cm bei dem
obengenannten Magneten mit dem Bohrungsdurchmesser von 90 cm. Damit führen
mechanische Toleranzen bei der Positionierung der Homogenisierungselemente zu relativ
starken Fehlern des von den Homogenisierungselementen erzeugten Magnetfeldbeitrags.
Erschwerend kommt hinzu, daß die Abmessungen der zylindrisch geformten
Homogenisierungselemente mit Werten von 5 mm Durchmesser und 0,4 mm Höhe
gemessenen an ihrer geringen Entfernung zum Zentrum des Arbeitsvolumens relativ groß sind
und sich folglich Abweichungen in der Magnetisierung oder der Position vom erwarteten
Wert relativ stark auf den Beitrag zum Magnetfeld auswirken. Eine weitere Reduzierung der
Abmessungen würde die Handhabung der Homogenisierungselemente im aufmagnetisierten
Zustand angesichts der auftretenden Magnetkräfte unzulässig erschweren.
Es ist zu erwarten, daß bekannte iterative Verfahren zur Homogenisierung grundsätzlich dann
nicht mehr konvergieren, wenn die Fehler der Beiträge der Homogenisierungselemente zum
gesamten Magnetfeld nahezu die Größenordnung der zu kompensierenden
Feldinhomogenitäten erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Verfahren der eingangs
genannten Art so zu modifizieren, daß auch dann eine zuverlässige Konvergenz der
Iterationsschritte und damit eine Verbesserung der Homogenität des Hauptmagnetfeldes
erreicht wird, wenn die Fehler der Beiträge der Homogenisierungselemente zum gesamten
Magnetfeld nahezu die Größenordnung der zu kompensierenden Feldinhomogenitäten
erreichen.
Diese Aufgabe wird auf ebenso überraschend wie wirkungsvolle Art und Weise dadurch
gelöst, daß die vorbestimmten Positionen der Homogenisierungselemente in Gruppen mit
unterschiedlichen Entfernungen vom geometrischen Zentrum des Arbeitsvolumens eingeteilt
werden, und daß ab dem zweiten Rechenschritt und dem zweiten Kompensationsschritt die
Belegung der Positionen der Gruppe mit den geringsten Entfernungen vom Zentrum des
Arbeitsvolumens nicht mehr verändert wird.
Dabei gehört jede der vorbestimmten Positionen von Homogenisierungselementen eindeutig
zu einer bestimmten Gruppe, wobei aber die Entfernungen von Positionen aus
unterschiedlichen Gruppen zum Zentrum des Arbeitsvolumens durchaus in bestimmten
Bereichen überlappen können. Es ergibt sich aber aufgrund des Schwerpunkts der
Entfernungen der Positionen innerhalb einer Gruppe jeweils eine Hierarchie der Gruppen
untereinander, beginnend von der Gruppe mit den geringsten Entfernungen bis zu der Gruppe
mit den größten Entfernungen vom Zentrum des Arbeitsvolumens.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden ab dem zweiten Rechenschritt und dem
zweiten Kompensationsschritt nur noch Belegungen der Positionen mit größeren
Entfernungen vom Zentrum des Arbeitsvolumens verändert. Dadurch werden nur noch
geringere Einflüsse auf das zu homogenisierende Magnetfeld genommen als durch die
Veränderung im zentrumsnäheren Bereich, so daß auch bei relativ großen Fehlern in den
Beiträgen der Homogenisierungselemente zum Gesamtfeld, die beispielsweise aufgrund
ungenauer Positionierung, Abweichungen der Magentfeldeigenschaften der
Homogenisierungselemente vom Idealzustand und dergleichen hervorgerufen werden können,
der verbleibende Einfluß derjenigen Homogenisierungselemente, die ab dem zweiten Schritt
in ihrer Position und Anzahl noch verändert werden, erheblich kleiner ist als bei
herkömmlichen iterativen Verfahren, bei denen sämtliche möglichen Postionen von
Homogenisierungselementen für eine Veränderung in der jeweils nächsten Iteration zur
Verfügung stehen. Daher ergibt sich auch bei relativ großen Fehlerbeiträgen der einzelnen
Homogenisierungselemente die Chance einer Konvergenz des iterativen Verfahrens, solange
die Fehlerbeiträge der verbleibenden, noch zu variierenden Homogenisierungselemente
geringer sind als der zu kompensierende Restfehler des Gesamtfeldes. Der scheinbare
Nachteil einer Beschränkung der Variationsmöglichkeiten ab dem zweiten Schritt des
iterativen Verfahrens erweist sich damit als der Schlüssel zur Lösung der oben definierten
Erfindungsaufgabe, weil durch die Beschränkung der weiteren Variationsmöglichkeiten ein
neuer Freiheitsgrad hinzugewonnen wird.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der in
weiteren Iterationen jeweils die Belegung der Positionen der jeweiligen Gruppe mit den
nächstgrößeren Entfernungen vom Zentrum nicht mehr verändert wird.
Dadurch kann vermieden werden, daß die verhältnismäßig großen Fehler der
Kompensationsbeiträge aus den Gruppen von zentrumsnäheren Positionen in den jeweils
nächst feineren Kompensationsschritt übertragen werden.
Besonders bevorzugt ist auch eine Verfahrensvariante, bei der im ersten Kompensationsschritt
nur eine Belegung von Positionen aus der Gruppe mit den geringsten Entfernungen vom
Zentrum mit Homogenisierungselementen erfolgt. Dadurch wird der Einfluß der Belegung
von Positionen mit ihrerseits fehlerinduzierenden Homogenisierungselementen im
nachfolgenden Meßschritt jeweils störungsfrei ermittelt, ohne daß Fehlerbeiträge von
Elementen aus weiter entfernteren Bereichen störend auf die Messung Einfluß nehmen.
Außerdem ergibt sich eine Arbeitsersparnis, da im ersten Kompensationsschritt nur ein Teil
der vorgesehenen Positionen mit Homogenisierungselementen belegt werden muß. Der
Einfluß der Homogenisierungselemente auf den zentrumsferneren, nicht belegten Positionen
auf das Gesamtfeld wäre ohnehin vergleichsweise gering.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Verfahrensvariante, die auch eine konsequente
Anwendung des Prinzips der weiter oben beschriebenen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt, erfolgt in weiteren Kompensationsschritten jeweils
nur eine Belegung der Positionen aus der jeweiligen Gruppe mit den nächstgrößeren
Entfernungen vom Zentrum mit Homogenisierungselementen. Das erfindungsgemäße
Verfahren wird in dieser Modifikation besonders effektiv und erfordert den
geringstmöglichen Arbeitsaufwand.
In der Praxis erweist sich als besonders vorteilhaft eine Einteilung der Gruppen derart, daß
innerhalb der Gruppe mit den geringsten Entfernungen der vorbestimmten Position zum
Zentrum des Arbeitsvolumens das Verhältnis der größten zur kleinsten Entfernung kleiner ist
als 1,6, vorzugsweise kleiner als √2.
Bei Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die geringste Entfernung einer
vorbestimmten Position vom Zentrum kleiner als 5 cm gewählt werden. Bei einer solchen
Geometrie mit derartig kurzen Abständen der Homogenisierungselemente vom Zentrum des
Arbeitsvolumens unter Berücksichtigung der relativ hohen Fehlerbeiträge der üblicherweise
verwendeten Homogenisierungselemente versagen herkömmliche Kompensationsverfahren
vollständig, während das erfindungsgemäße Verfahren eine gute Chance für eine Konvergenz
der Iterationen bietet.
Ebenso ist es mit Modifikationen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, daß das
Verhältnis der geringsten Entfernung einer Position vom Zentrum des Arbeitsvolumens zur
Kubikwurzel aus dem Volumen des größten verwendeten Homogenisierungselements kleiner
als 40, vorzugsweise kleiner als 30 gewählt wird. Damit kann selbst bei sehr großen
Einflüssen der zentrumsnahen Homogenisierungselemente auf das Gesamtfeld eine
Konvergenz des Iterationsverfahrens erreicht werden, was bei derart "pathologischen Fällen"
mit herkömmlichen Verfahren bislang nicht möglich war.
Um unabhängig von der Stärke und Richtung des zu kompensierenden Hauptmagnetfelds mit
Hilfe der Homogenisierungselemente auch negative magnetische Momente erzeugen zu
können, werden bei einer besonders bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens
Permanentmagnete als Homogenisierungselemente verwendet.
Besonders vorteilhaft ist auch die Verwendung von Homogenisierungselementen in Form von
Plättchen, so daß an den vorbestimmten Positionen durch geeignetes Übereinanderstapeln der
jeweils errechneten günstigsten Anzahl von Homogenisierungselementen auf der jeweiligen
Position eine besonders fein abgestimmte Einflußnahme auf das Magnetfeld erfolgen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die
erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale
können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigber Kombination bei einer
Ausführungsform der Erfindung verwirklicht sein. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Hauptfeldmagneten einer Kernspin
resonanzapparatur mit Homogenisierungselementen in vorbestimmten
Positionen; und
Fig. 2 eine schematische Draufsicht in Richtung der z-Achse auf eine Trägerplatte
mit vorbestimmten Postionen der Homogenisierungselemente.
Fig. 1 zeigt äußerst schematisch einen konventionellen supraleitenden Hauptfeldmagenten 1
eines Kernspintomographen mit einer axialen Raumtemperaturbohrung 2. Das
Arbeitsvolumen 8 befindet sich im zentralen Bereich der Raumtemperaturbohrung 2. An der
Innenwand der Raumtemperaturbohrung 2 befinden sich axiale Führungen 7, in die
Halterungen 5 eingeschoben werden können mit möglichen Positionen 9, an denen
ferromagnetische Homogenisierungselemente 6, z. B. Shimplättchen, gestapelt und fixiert
werden können. Die Halterungen 5 werden in die Führungen 7 eingeschoben und arretiert. Es
könnte auch eine gemeinsame zylindersymmetrische Halterung vorgesehen sein.
Die gestapelten Shimplättchen sind jeweils auf einem Translator montiert, der sie bezogen auf
die Achse 11 in radialer Richtung verschieben kann, um die Positionen 9 anzufahren.
In Fig. 2 ist eine Trägerplatte 25 dargestellt, bei der in Positionen 29 jeweils ferromagnetische
Homogenisierungselemente, beispielsweise in Form von permanentmagnetischen
Shimplättchen, in einer errechneten Anzahl befestigt werden können. Die Zahlen in den
Kreisen für die Positionen 29 geben jeweils an, in welchem Iterationsschritt die jeweiligen
Positionen entsprechend den erfindungsgemäß gebildeten Gruppen besetzt werden.
Die Trägerplatte 25 kann beispielsweise auf den Polschuh eines Hauptfeldmagneten gesetzt
werden oder in eine Magnetanordnung nach der DE 196 20 926 A1 eingeschoben und
beispielsweise auf der Position des dort vorgesehenen Gradientensystems fixiert werden.
Claims (9)
1. Iteratives Verfahren zur Homogenisierung des Magnetfelds im Arbeitsvolumen (8) des
Hauptfeldmagneten (1) einer Magnetresonanz-Apparatur mit Hilfe von ferromagnetischen
Homogenisierungselementen (6), die an vorbestimmten Positionen (9; 29) auf einem oder
mehreren Tragekörpern (5; 25) befestigt werden, wobei in einem ersten Meßschritt der
Verlauf des Magnetfelds des Hauptfeldmagneten (1) in seinem Arbeitsvolumen (8) durch
Messungen bestimmt wird und die Meßwerte als Eingangsdatensatz in einem numerischen
Rechenprogramm verwendet werden, das es gestattet, in einem ersten Rechenschritt mit Hilfe
dieses Eingangsdatensatzes eine Belegung mit Homogenisierungselementen (6) auf den
vorbestimmten Positionen (9; 29) so zu berechnen, daß das errechnete Gesamtfeld als
Überlagerung des Magnetfeldes des Hauptfeldmagneten (1) und sämtlicher
Homogenisierungselemente (6) theoretisch näherungsweise homogen ist, wobei in einem
ersten Kompensationsschritt die Homogenisierungselemente (6) in den im ersten
Rechenschritt errechneten Mengen an den vorbestimmten Positionen (9; 29) plaziert werden
und wobei anschließend in einer oder mehreren Iterationen jeweils der Magnetfeldverlauf im
Arbeitsvolumen (8) in einem weiteren Meßschritt bestimmt wird, wonach zur weiteren
Verbesserung der Homogenität in einem weiteren Rechenschritt eine Veränderung der
Belegung der Positionen mit Homogenisierungselementen (6) berechnet und diese in einem
weiteren Kompensationsschritt durchgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die vorbestimmten Positionen (9; 29) der Homogenisierungselemente (6) in Gruppen mit
unterschiedlichen Entfernungen vom geometrischen Zentrum des Arbeitsvolumens (8)
eingeteilt werden, und daß ab dem zweiten Rechenschritt und dem zweiten
Kompensationsschritt die Belegung der Positionen (9; 29) der Gruppe mit den geringsten
Entfernungen vom Zentrum des Arbeitsvolumens (8) nicht mehr verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in weiteren Iterationen jeweils
die Belegung der Positionen (9; 29) der jeweiligen Gruppe mit den nächstgrößeren
Entfernungen vom Zentrum nicht mehr verändert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten
Kompensationsschritt nur eine Belegung von Positionen (9; 29) aus der Gruppe mit den
geringsten Entfernungen vom Zentrum mit Homogenisierungselementen (6) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in weiteren
Kompensationsschritten jeweils nur eine Belegung der Positionen (9; 29) aus der jeweiligen
Gruppe mit den nächstgrößeren Entfernungen vom Zentrum mit Homogenisierungselementen
(6) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
innerhalb der Gruppe mit den geringsten Entfernungen der vorbestimmten Positionen (9; 29)
zum Zentrum des Arbeitsvolumens (8) das Verhältnis der größten zur kleinsten Entfernung
kleiner ist als 1,6, vorzugsweise kleiner als √2.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
geringste Entfernung einer vorbestimmten Position (9; 29) vom Zentrum kleiner als 5 cm
gewählt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verhältnis der geringsten Entfernung einer Position (9; 29) vom Zentrum des
Arbeitsvolumens (8) zur Kubikwurzel aus dem Volumen des größten verwendeten
Homogenisierungselements (6) kleiner als 40, vorzugsweise kleiner als 30 gewählt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als
Homogenisierungselemente (6) Permanentmagnete verwendet werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Homogenisierungselemente (6) in Form von Plättchen gewählt werden.
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