DE19913124C1 - Schaltbare longitudinale Gradientenspule - Google Patents

Abstract

Schaltbare longitudinale Gradientenspule mit zylindrischem Aufbau und symmetrisch um die Z-Achse angeordneten Windungen, wobei sie aus diskreten oder kontinuierlichen Windungen bzw. Windungspaketen besteht, die mit gesonderten Zuleitungen zu einer Stirnseite versehen und außerhalb der Spule einzeln und/oder in Gruppen wahlweise entsprechend den gewünschten Leistungsmerkmalen miteinander verschaltbar sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine schaltbare longitudinale Gradientenspule mit zylindrischem Aufbau und symmetrisch um die longitudinale Achse angeordneten Windungen.

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 Gradien­ ten (20-40 mT/m) sehr schnell geschaltet (100-500 µs). Dadurch können Nebeneffekte in Form von peripheren Muskelsti­ mulationen auftreten. Um diese Effekte zu vermeiden, wird im allgemeinen das Linearitätsvolumen der Gradientenspulen ver­ kleinert, was zu einer Verringerung der maximalen Feldhübe führt und deshalb auch zu einer Verringerung des Stimulati­ onsrisikos. Der maximale Feldhub bestimmt, neben anderen Aspekten, das Stimulationsrisiko. Daher kann sich bei schnel­ len Gradientenspulen das Linearitätsvolumen von typischerwei­ se 40-50 cm auf 20 cm DSV verringern. Eine Spule mit sol­ chen Eigenschaften ist üblicherweise nicht für konventionelle Ganzkörperanwendungen geeignet, wohl aber für schnelle MR- Bildgebung wie EPI, RARE, HASTE, GRASE etc. Hier ist die Ge­ schwindigkeit der wesentliche Vorteil.

Eine anderer Grund für verschiedene Feldqualitäten liegt in dem Grund, dass, wenn eine Gradientenspulen auf ein bestimm­ tes Volumen ausgelegt wird, die Linearität in der Regel mit dem Abstand 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 Wirbelsäu­ le ist es oft sinnvoll, die gesamte Wirbelsäule ohne Umlage­ rung abzubilden. Auch hier liegen, je nach Mittenpositionie­ rung die zervikalen und/oder lumbalen Wirbel im Bereich der größeren Nichtlinearitäten. Bildverzeichnungen sind daher nicht zu vermeiden. Bei Kopfgradientenspulen liegt, wegen des kleineren Durchmessers der Spule, ein kleineres Homogenitäts­ volumen vor. Das erlaubt nur die Abbildung von Teilen des Ge­ hirnes, nicht aber die Bildgebung der zervikalen Wirbelsäule. Wünschenswert für den Radiologen kann es daher sein, von einem zentralen FOV auf ein verschobenes FOV umzuschalten. Dies ist bisher aber nicht möglich. Es existierten nur Ausführungsfor­ men in der einen oder anderen Art vor.

Aus den oben genannten Gründen muss sich der Kunde daher ent­ scheiden, welche Feldqualität er haben will. Wünschenswert wäre es allerdings, mehrere Spuleneigenschaften (Feldqualitäten) in einer Spule vereinigt zu haben und diese je nach Anwendung zu aktivieren. Ein wesentliches Problem da­ bei ist es, die multiplen Spulen im Spulenkörper unterzubrin­ gen, ohne dabei das Volumen wesentlich zu erhöhen (was die Spulen dann teuerer macht) und die teilweise konkurrierenden Teilspuleneigenschaften nicht zu kompromittieren.

In der US 5,349,318 A ist eine Transversalspule beschrieben, bei der Windungen der Spule im wesentlichen in einer Primärebene, die ein innerer Zylindermantel ist, und in einer Sekundärebene angeordnet sind, die ein äußerer Zylin­ dermantel ist und den inneren Zylindermantel konzentrisch um­ gibt. Dabei beinhaltet die Leiteranordnung auf jeder der bei­ den Zylindermäntel eine Windung mit einer spiralförmigen Lei­ teranordnung sowie eine Anzahl von Windungen mit einer hufei­ senförmigen Leiteranordnung. An einer Stirnseite der Zylin­ dermäntel sind die offenen Leiterenden der Windungen zwischen den beiden Zylindermänteln über leitfähige Verbindungsdrähte fest miteinander verbunden, wobei die Verbindungsdrähte an den Leiterenden beispielsweise angelötet sind. Damit ist auch die Feldqualität der Transversalspule festgelegt und nicht veränderbar.

Diese Patentanmeldung richtet ihren Augenmerk besonders auf die Realisierung von longitudinalen Gradientenspulen und de­ ren Möglichkeiten der Verschaltung. Unter "longitudinaler" Gradientenspule versteht man in der Fachwelt eine Gradienten­ spule, die bei zylinderförmigen Magneten ein Gradientenfeld in Richtung des Grundmagnetfeldes, also in Richtung der Zy­ linderachse, liefert. Da diese Richtung in der MR-Technik auch als "z-Richtung" bezeichnet wird, wird im folgenden die longitudinale Gradientenspule auch als "Z-Gradientenspule" bezeichnet.

Bisher bekannt dazu ist eine Patentanmeldung der Fa. Elscint (DE 195 40 746 A1), die ein modulares Gradientensystem be­ schreibt, in der ein konventionelles und ein schnelles Gra­ dientenspulensystem in einem Spulenkörper vereinigt sind. Die Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass das konventionelle Gradientensystem ein großes Linearitätsvolumen aufweist, aber nur langsam geschaltet werden kann und zudem nur mittlere Gradientenamplituden erlaubt. Das schnelle Gradientensystem dagegen zeigt ein kleineres Linearitätsvolumen, dafür erlaubt es allerdings das schnellere Schalten von sehr hohen Gradien­ tenamplituden.

Während für die Transversalspulen, die meist aus vier soge­ nannten Sattelspulen bestehen, bereits eine Reihe von Mög­ lichkeiten vorgeschlagen worden sind, um ein Gradientenfeld zu erzeugen, das entsprechend den jeweils geforderten Lei­ stungsmerkmalen ausgelegt ist, besteht diese Möglichkeit bei den bislang bekannten Z-Gradientenspulen nicht. Diese Z- Gradientenspulen oder Longitudinal-Spulen bestehen in der Re­ gel aus mehreren solenoiden Teilspulen, die symmetrisch um die Z = 0 Lage platziert sind. Beide Hälften Z < 0 und Z < 0 werden so verschaltet, dass beide Hälften mit gegensinniger Stromrichtung betrieben werden, so dass in Summe ein lineares Gradientenfeld entsteht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine schalt­ bare Z-Gradientenspule zu schaffen, die ohne bauliche Umrü­ stung eine vielseitige Abwandlung des jeweils mit ihr erzeug­ ten Magnetfeldes in besserer Anpassung an die jeweils gefor­ derten Abbildungsbedingungen zulässt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Z-Gradientenspule aus diskreten oder kontinuierli­ chen Windungen bzw. Windungspaketen besteht, die mit geson­ derten Zuleitungen zu einer Stirnseite versehen und außerhalb der Spule einzeln und/oder in Gruppen wahlweise entsprechend den gewünschten Leistungsmerkmalen miteinander verschaltbar sind.

Im Extremfall besteht eine erfindungsgemäße schaltbare Z- Spule aus lauter aufgetrennten Einzelwindungen, deren jewei­ lige Windungsenden gesondert mit Zuleitungen nach außen ge­ führt sind, so dass sich die Einzelwindungen dort beliebig zu verschiedenen Untergruppen miteinander verschalten lassen, die jeweils unterschiedliche Leistungsmerkmale ermöglichen. Die wählbaren Leistungsmerkmale sind dabei die Linearität, das Linearitätsvolumen, die Schirmung, die Induktivität, der Lärm (Partizipationsfaktoren), die Stimulationsempfindlich­ keit, die maximale Gradientenstärke und die maximale Slewra­ te.

Zu den verschiedenen wahlweisen Verschaltungsmöglichkeiten der einzelnen Windungen und Windungspakete gehört dabei auch die mögliche Umsteuerung der Stromrichtung. Dies ermöglicht unter anderem eine zuschaltbare Lorentzkraft-Kompensation.

Die Schaltungsanordnung zum wunschgemäßen Verschalten der Windungen und Windungspakete miteinander entsprechend den ge­ wünschten Leistungsmerkmalen kann dabei entweder so ausge­ legt sein, dass die Leistungsmerkmale statisch vor Ablauf ei­ ner Sequenz festgelegt und verschaltet sind oder aber auch, dass die Leistungsmerkmale dynamisch während des Ablaufs ei­ ner Sequenz umschaltbar sind.

Die einzelnen Windungen können unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wobei die Windungen und Windungsgruppen der jewei­ ligen radialen Ebenen zu Einheiten wie Primärspulen und Se­ kundärspulen verschaltbar sein sollen.

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 schematische Darstellung einer Hälfte einer erfindungsgemäßen schaltbaren Z-Gra­ dientenspule, wobei die Verschaltbarkeit un­ ter Herausziehen von Verbindungsleitungen für die einzelnen Windungen oder Windungspa­ kete nur schematisch angedeutet ist,

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der vordersten drei Windungen der Spule nach Fig. 1 mit einzeln dargestellten herausgezogenen Zulei­ tungen,

Fig. 3 und 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Anordnung ähnlich der in Fig. 1 mit unter­ schiedlicher Verschaltung der Windungen un­ tereinander,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Hälfte einer erfin­ dungsgemäß schaltbaren Z-Gradientenspule, bei der die einzelnen Windungen bzw. Win­ dungspakete unterschiedliche Durchmesser aufweisen,

Fig. 6 eine Hälfte einer schaltbaren Z-Spule aus einer inneren Einheit (Primärspule) und ei­ ner äußeren Einheit (Sekundärspule) mit je­ weils gleichen Radien der Windungen der in­ neren Einheit und der äußeren Einheit,

Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform einer Teilspule aus zwei radial versetzten Einhei­ ten gemäß Fig. 6, bei dem die Windungen und Windungspakete beider Einheiten unterschied­ liche Durchmesser aufweisen,

Fig. 8 einen der Fig. 6 entsprechenden Schnitt mit anderer Verschaltung der Windungspakete,

Fig. 9 einen Schnitt durch eine Hälfte einer erfindungsgemäß schaltbaren Z-Gradienten­ spule mit zwei inneren Einheiten und einer äußeren Einheit mit teilweise verschalteten Windungspaketen,

Fig. 10 eine Darstellung der Stirnseite mit der Ver­ schaltung der Windungen,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer schaltba­ ren Z-Spule aus zwei inneren Einheiten und einer äußeren Einheit,

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht einer schaltba­ ren Z-Spule mit einer inneren und einer äu­ ßeren Einheit, und

Fig. 13 bis 15 schematische Seitenansichten einer erfin­ dungsgemäßen schaltbaren Z-Gradientenspule in unterschiedlichen Schaltzuständen.

Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Z-Gradientenspule besteht aus acht einzelnen Windungen 1 bis 8, die jeweils oben aufge­ trennt und durch Verbindungsleitungen (schematisch als Lei­ terstrang 10 dargestellt) einzeln nach außen geführt sind, so dass außerhalb der Spule eine beliebige Verschaltung der ein­ zelnen Windungen 1 bis 8 zu Windungspaketen und Untergruppen möglich ist.

In Fig. 2 erkennt man anhand der ersten drei Windungen 1 bis 3 die detaillierte Ausgestaltung der Anordnung der Zuleitun­ gen 1a, 1b, 2a, 2b und 3a, 3b. Diese Einzelleitungen bilden einen Leiterstrang 10, der zur Vereinfachung der Darstellung und zur besseren Übersichtlichkeit in den übrigen Figuren nur schematisch gezeigt ist. Unter diesem Leiterstrang 10 muss man sich also eine Vielzahl von Einzelleitern vorstellen, die jeweils die Enden der verschiedenen diskreten Windungen ansteuern.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße schalt­ bare Z-Gradientenspule dargestellt, bei der neun Windungen vorgesehen sind, von denen die Windungen 1, 2, 3 und 9 deut­ lich voneinander beabstandet sind, während die Windungen 4 bis 8 sehr nahe beieinander liegen, also eine Art Windungspa­ ket darstellen. Dennoch können alle neun Windungen getrennt angesteuert und demzufolge auch entsprechend in unterschied­ lichster Weise miteinander verschaltet werden. Die Fig. 4 zeigt dabei schematisch eine Verschaltung, bei der die be­ nachbarten Windungen 4 bis 8 zusammengefasst, also stets vom gleichen Strom durchflossen werden.

In den Fig. 3 und 4 ist dabei jeweils nur eine Hälfte der ge­ samten schaltbaren Z-Gradientenspule dargestellt. Symmetrisch zur Mittelebene M muss man sich nach links gespiegelt die gleiche Windungskonfiguration nochmals denken.

Bei der teilweise dargestellten Halbspule einer schaltbaren Z-Gradientenspule nach Fig. 5 weisen die einzelnen Windungen unterschiedliche Radien auf.

Dies gilt entsprechend auch für die Z-Gradientenspule, deren eine Hälfte in Fig. 6 angedeutet ist. Dabei bilden die Win­ dungen 1 bis 9 eine innere Einheit, also beispielsweise eine Primärspule, und die Windungen 1' bis 9' mit dem größeren Ra­ dius RS eine äußere Einheit, beispielsweise eine Sekundärspu­ le, beispielsweise für eine geschirmte Z-Gradientenspulenan­ ordnung.

Bei der Anordnung nach Fig. 7 weisen die Windungen der inne­ ren Einheit untereinander nochmals unterschiedliche Radien RP1 bis RPN auf und entsprechend das Gleiche gilt auch für die Radien der Windungen der äußeren Einheit. Hier ist nur der kleinste Radius RSn speziell bezeichnet. Die Windungen der einzelnen Einheiten in Fig. 6 und 7 sind jeweils einzeln ansteuerbar. Demgegenüber ist in Fig. 8 der Fall der Z-Spule gemäß Fig. 6 dargestellt, wobei allerdings die Windungen 4 bis 8 und 4' bis 8' jeweils als Paket angesteuert werden.

Die Fig. 9 zeigt eine Hälfte einer schaltbaren Z-Spule, bei der die Windungen der inneren Einheiten auf zwei Radien RP1 und RP2 verteilt sind und die Windungen der äußeren Einheit alle auf dem Radius RS liegen. Hier hat man einen Fall mit zwei Primär- und einer Sekundärspule. Die aus den einzelnen Zuleitungen bestehende Verbindungsleitung 10 ist auch hier in diesen Fig. 6 bis 9 wiederum nur schematisch angedeutet.

Die Fig. 11 zeigt wiederum schematisch - auch hier sind die einzelnen Zuleitungen nur angedeutet und nicht vollständig ausgeführt, ebenso wie auch das Auftrennen der Windungen der Einfachheit halber nicht mit dargestellt ist - eine schaltba­ re Z-Gradientenspule aus zwei inneren Einheiten, nämlich der Primärspule P1 und der Primärspule P2, und einer äußeren Ein­ heit, der Sekundärspule S. Die Fig. 12 zeigt eine einfachere Ausführungsform einer schaltbaren Z-Gradientenspule entspre­ chend der Darstellung nach Fig. 11 mit nur einer Primärspule P und einer Sekundärspule S.

Die Fig. 13 bis 15 zeigen in Seitenansicht eine einfache schaltbare Z-Gradientenspule, bei der alle Windungen 1 bis 9 sowohl der rechten Hälfte als auch spiegelsymmetrisch die der linken Hälfte der Z-Spule den gleichen Durchmesser aufweisen. In Fig. 13 ist dabei der Standardstromverlauf dargestellt, bei dem die Windungen der einen Spulenhälfte in der einen Richtung und die der anderen Spulenhälfte in der anderen Richtung vom Strom durchflossen werden, wobei im gezeigten Ausführungsform wiederum die Windungen 4 bis 8 jeweils als Paket hintereinander geschaltet sind und nicht einzeln ange­ steuert werden. Die Fig. 14 zeigt eine asymmetrische Varian­ te, bei der die Windungen und Windungspakete teilweise abge­ schaltet sind (gestrichelt dargestellt) und die Fig. 15 schließlich zeigt eine asymmetrische Verschaltung, bei der in der Windung 1 der rechten Spulenhälfte der Strom gegensinnig zum normalen Stromverlauf in dieser rechten Spulenhälfte fließt.

Claims (6)

1. Schaltbare longitudinale Gradientenspule, umfassend fol­ gende Merkmale:

• - Einen zylindrischen Aufbau,
• - diskrete oder kontinuierliche Windungen bzw. Windungspakete mit symmetrisch um eine Z-Achse angeordneten Windungen,
• - gesonderte Zuleitungen für die Windungen bzw. Windungspake­ te von einer Stirnseite her und
• - Verschaltbarkeit der Windungen bzw. Windungspakete außer­ halb der Spule einzeln und/oder in Gruppen untereinander entsprechend gewünschter Leistungsmerkmale.

2. Schaltbare longitudinale Gradientenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromrichtung zumindest einiger Windungen wahlweise umsteuerbar ist.

3. Schaltbare longitudinale Gradientenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsmerkmale statisch vor Ablauf einer Sequenz festgelegt und verschaltet sind.

4. Schaltbare longitudinale Gradientenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsmerkmale dynamisch während des Ablaufes ei­ ner Sequenz umschaltbar sind.

5. Schaltbare longitudinale Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die einzelnen Windungen unter­ schiedliche Durchmesser aufweisen.

6. Schaltbare longitudinale Gradientenspule nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen und Windungsgruppen der jeweiligen radia­ len Ebenen zu Einheiten (Primärspule, Sekundärspule od. dgl.) verschaltbar sind.