DE19940694C1 - Aktiv abgeschirmte supraleitende Magnetanordnung mit Z·2·-Shim - Google Patents

Aktiv abgeschirmte supraleitende Magnetanordnung mit Z·2·-Shim

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Abstract

Eine Magnetanordnung für magnetische Resonanz-Spektrometer mit einem aktiv abgeschirmten supraleitenden Magneten, der ein radial inneres und ein radial äußeres Spulensystem (M¶1¶, M¶2¶) umfaßt, wobei die beiden Spulensysteme den gleichen Strom tragen und entgegengesetzt gleich große Dipolmomente aufweisen, und mit einem Shimspulensystem zur Korrektur von Magnetfeld-Inhomogenitäten im Arbeitsvolumen, deren z-Komponente proportional zu z·2· variiert, ist dadurch gekennzeichnet, daß das Shimspulensystem einen radial inneren Shimspulensatz (S¶i¶) umfaßt, der von der Magnetanordndung induktiv entkoppelt ist und im Arbeitsvolumen ein Magnetfeld erzeugt, dessen z-Komponente wie DELTAH¶0¶ + c¶2¶Èz·2· mit c¶2¶ = const. variiert, sowie einen radial äußeren Shimspulensatz (S¶a¶), der ebenfalls von der Magnetanordnung induktiv entkoppelt ist und im Arbeitsvolumen ein homogenes Magnetfeld-DELTAH¶0¶ erzeugt. Damit wird mit technisch einfachen Mitteln ein Z·2·-Shimsystem bereitgestellt, das einerseits kompakt ist und keinen unnötigen Platz im Bereich der Magnetwicklungen vergeudet, andererseits gegen Störungen durch fluktuierende externe Magnetfelder unempfindlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Magnetanordnung für magnetische Resonanz-Spektrometer, wobei die Magnetanordnung einen aktiv abgeschirmten supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds H0 entlang einer z-Achse in einem um z = 0 angeordneten Arbeitsvolumen mit einem radial inneren und einem radial äußeren Spulensystem umfaßt, wobei die beiden Spulensysteme näherungsweise den gleichen Strom tragen und näherungsweise entgegengesetzt gleich große Dipolmomente aufweisen, und wobei eine Shimanordnung vorgesehen ist, welche ein supraleitendes Shimspulensystem zur Korrektur von Magnetfeld-Inhomogenitäten im Arbeitsvolumen umfaßt, deren z-Komponente proportional zu z2 variiert.
Eine derartige aktiv abgeschirmte supraleitende Magnetanordnung mit Z2- Shimeinrichtung umfaßt beispielsweise das von der Firma Bruker Magnetics vertriebene NMR Magnet System 500 SB UltraShield TM gemäß Firmenprospekt vom 15.05.1999.
Eine aktiv abgeschirmte supraleitende Magnetanordnung ohne Z2-Shim ist beispielsweise bekannt aus der EP 0 144 171 A1.
Um in Verfahren der magnetischen Resonanzspektroskopie eine gute Auflösung der Resonanzlinien im Spektrum zu erreichen, muß das Magnetfeld im Probenvolumen eine gute Homogenität aufweisen. Mit der geometrischen Anordnung der felderzeugenden Magnetspulen kann die Grundhomogenität des supraleitenden Magneten optimiert werden. Bei anspruchsvollen Anwendungen wie hochauflösender Kernspinresonanzspektroskopie ist die Grundhomogenität des Magneten meistens ungenügend, weil beispielsweise Abweichungen vom Design aufgrund von Produktionsungenauigkeiten auftreten. Um Restinhomogenitäten des Magneten zu kompensieren, wird das Magnetsystem mit autonomen supraleitenden Spulen ausgerüstet, welche Feldinhomogenitäten mit einer bestimmten geometrischen Symmetrie im Probenvolumen kompensieren können, sogenannten Shims.
Ein Beispiel für einen solchen Shim ist der Z2-Shim, welcher ein Feld erzeugt, dessen Stärke entlang der Magnetachse z proportional zu z2 variiert. Ein Problem bei bekannten Z2-Shimeinrichtungen nach dem Stand der Technik liegt darin, daß bei großen Magneten der Shim innerhalb der Magnetspulen gewickelt werden muß, da er außen zu schwach wäre. So geht Platz für Magnetwicklungen verloren, was den Magneten verteuert und das Streufeld vergrößert. Dies hat bei Magnetsystemen mit aktiver Streufeldkompensation zur Folge, daß die Streufeldabschirmung verstärkt werden muß.
Eine Optimierung des Z2-Shims kann erreicht werden, indem der Platzbedarf der Z2-Shim-Spulen, welche radial im Bereich des Spulenpaketes des Magneten liegen, reduziert wird. Ohne die Shimeffizienz zu schwächen, ist dies nur möglich, indem die Shimspulen auf mehrere Radien verteilt werden. Dabei ergeben sich neue Probleme insbesondere im Zusammenhang mit der Störung des Shims durch fluktuierende externe Magnetfelder.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine Magnetanordnung der eingangs beschriebenen Art mit möglichst einfachen Mitteln so zu optimieren, daß die oben geschilderten Probleme nicht auftreten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Shimspulensystem einen radial inneren Shimspulensatz umfaßt, der von der Magnetanordnung induktiv weitgehend entkoppelt ist und im Arbeitsvolumen überwiegend ein Magnetfeld erzeugt, dessen z-Komponente wie ΔH0 + c2 . z2 mit c2 = const. variiert, sowie einen radial äußeren Shimspulensatz, der ebenfalls von der Magnetanordnung induktiv weitgehend entkoppelt ist und im Arbeitsvolumen überwiegend ein homogenes Magnetfeld -ΔH0 erzeugt. Als willkommener Nebeneffekt wird dabei auch die Störempfindlichkeit des Magneten selbst reduziert.
Ein konventioneller Z2-Shim nach dem Stand der Technik ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Mit einem Spulenpaar S2' wird der ΔH0-Beitrag der Spule S1', welche den Hauptbeitrag zur Shimstärke c2 liefert, kompensiert (ΔH0: homogener Feldanteil der Spule pro Ampére = pro Ampére erzeugter Feldgradient H0 nullter Ordnung). Bei vollständiger ΔH0-Kompensation wird das Spulenpaar S2' normalerweise stärker mit dem Magneten koppeln als S1'. Diese Kopplung wird durch ein Spulenpaar S3' aufgehoben, welches die Shimeffizienz c2 stark vermindert.
Bei der vorliegenden Erfindung hingegen wird der Shim aufgeteilt in einen vom Magneten entkoppelten Shimspulensatz HSi mit Teilspulen S1 und S2 zur Erzeugung des Gradientenfeldes c2 . z2 + ΔH0 und in einen ebenfalls vom Magneten entkoppelten Shimspulensatz Sa mit der Teilspule S3, welcher die Verunreinigung ΔH0 aufhebt. Weil die H2-Effizienz einer Spule mit wachsendem Spulenradius R bei gleichbleibender Länge L stärker abnimmt als ihre H0- Effizienz, muß der gradientenerzeugende Shimspulensatz Si radial weiter innen liegen als der Shimspulensatz Sa zur Unterdrückung von ΔH0.
Der Vorteil dieser neuen Shimanordnung besteht darin, daß mit der Unterdrückung von ΔH0 durch einen radial außenliegenden Shimspulensatz die Shimstärke c2 des radial innenliegenden Shimspulensatzes nur wenig abgeschwächt wird. Dadurch werden im radial innenliegenden Shimspulensatz weniger Windungen benötigt und der Magnet kann kompakter gebaut werden, falls der radial innenliegende Shimspulensatz sich an einem Ort befindet, wo sonst Magnetwicklungen untergebracht würden.
Der Vorteil der separaten Entkopplung des inneren und äußeren Shimspulensatzes vom Magneten besteht darin, daß auf diese Weise eine Ausführungsform möglich wird, bei der jeder der beiden Shimspulensätze für sich supraleitend kurzgeschlossen ist, ohne daß sich die einzelnen Shimspulensätze z. B. durch eine Magnetdrift, einen Quench oder beim spontanen Öffnen des Hauptschalters des Magneten aufladen können. Außerdem ist so auch der Gesamtshim vom Magneten entkoppelt, was den Vorteil der Reduktion von induzierten Strömen im Magneten beim Laden des Shims mit sich bringt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung kann sowohl der radial innere Shimspulensatz als auch der radial äußere Shimspulensatz jeweils für sich supraleitend kurzgeschlossen werden. Daß innerer und äußerer Shimspulensatz separat kurzgeschlossen werden können, hat unter anderem Vorteile für die Produktion der Magnetanordnung, weil die Überbrückung der Radiendifferenz zwischen dem radial inneren und äußeren Shimspulensatz nicht notwendigerweise supraleitend sein muß. Zusätzlich ergibt sich die Möglichkeit, die beiden Shimanteile mit unterschiedlichen Strömen zu betreiben.
Ein entscheidender Vorteil des separaten Kurzschlusses von radial innerem und äußerem Shimspulensatz zeigt sich beim Auftreten von externen Feldfluktuationen. Damit keine Feldinhomogenitäten von der Form ΔI2 . c2 . z2 entstehen, reicht es nun aus, allein den inneren Shimspulensatz für die Störung durchsichtig zu machen (d. h. so auszulegen, daß eine externe Störung keinen Strom ΔI2 induziert), weil der äußere Shimspulensatz ja im wesentlichen ein homogenes Feld erzeugt, wenn die externe Störung in ihm einen Strom induziert. Unter Umständen kann der äußere Shimspulensatz zusätzlich so ausgelegt werden, daß seine Reaktion auf die externe Feldfluktuation dazu genutzt werden kann, den homogenen Anteil der Feldstörung im Arbeitsvolumen zu dämpfen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung ist die Magnetanordnung Teil einer Apparatur zur hochauflösenden Magnetresonanz-Spektroskopie. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung zahlen sich besonders in Systemen wie hochauflösenden Magnetresonanz-Spektrometern aus, da diese Magnetsysteme wegen der hohen Homogenitätsanforderungen ohnehin schon voluminöser sind als andere und daher ein Gewinn an Kompaktheit des Z2-Shims besonders ins Gewicht fällt.
Vorteilhaft ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der die Magnetresonanz-Apparatur eine Einrichtung zum Feldlock des im Arbeitsvolumen erzeugten Magnetfelds aufweist, wobei der radial innere und der radial äußere Shimspulensatz weitgehend von den Spulen der Einrichtung zum Feldlock entkoppelt sind. Ein aktiver Feldlock mit einer Spule zur Kompensation von zeitlichen Feldfluktuationen im Probenvolumen gehört zur Standardausrüstung hochauflösender Magnetresonanz-Systeme. Die Entkopplung der Feldlock-Spule vom radial inneren und äußeren Shimspulensatz bewirkt, daß beim Betätigen der Lockspule im Shim kein Strom induziert werden kann. So bleibt einerseits die Feldhomogenität erhalten und andererseits wird die Wirkung der Feldlockspule nicht beeinträchtigt.
Bevorzugt ist auch eine Weiterbildung, bei der die Magnetresonanz-Apparatur Sweep-Spulen aufweist, wobei der radial innere Shimspulensatz und der radial äußere Shimspulensatz weitgehend von den Sweep-Spulen entkoppelt sind. Die Entkopplung allfällig vorhandener Sweep-Spulen vom radial inneren und äußeren Shimspulensatz bewirkt, daß beim Betätigen der Sweep-Spulen im Shim kein Strom induziert werden kann. So bleibt einerseits die Feldhomogenität während dem Feld-Sweep erhalten und andererseits wird die Wirkung der Sweep-Spulen nicht beeinträchtigt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der radial innere und/oder der radial äußere Shimspulensatz aus mehreren Teilspulen aufgebaut. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß mit mehreren Spulen pro Shimspulensatz mehr Freiheitsgrade zur Optimierung der Shimstärke und Entkopplung vom Magneten vorhanden sind.
Eine Weiterbildung dieser Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der radial innere Shimspulensatz aus drei axial und symmetrisch um z = 0 hintereinander angeordneten Teilspulen mit Radius R aufgebaut ist, wobei die mittlere Teilspule eine axiale Länge L1 mit R ≦ L1 ≦ 1.5R aufweist und die beiden axial äußeren Teilspulen eine zur Polarität der mitteren Teilspule entgegengesetze Polarität besitzen. Diese Anordnung ergibt die maximale Shimstärke c2 eines Shimspulensatzes auf einem bestimmten Radius für eine bestimmte Zahl von Amperewindungen.
Falls bei dieser Anordnung die mittlere Teilspule aus zwei symmetrischen, gleichsinnig gewickelten Spulen besteht, kann ein zu hoher H4-Gradient der mittleren Spule unterdrückt werden. Dadurch wird eine Abhängigkeit des Feldbeitrages des inneren Shimspulensatzes proportional zu Z4 wirksam vermieden.
Vorteilhafterweise umfaßt der radial äußere Shimspulensatz nur Teilspulen gleicher Polarität. Die Effizienz des äußeren Shimspulensatzes zur Erzeugung von -ΔH0 würde nämlich vermindert, wenn Teilspulen unterschiedlicher Polarität verwendet würden, z. B. zur Entkopplung vom aktiv abgeschirmten Magneten.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der radial äußere Shimspulensatz in unmittelbarer radialer Nähe des radial äußeren Feldspulensystems des aktiv abgeschirmten Magneten angeordnet ist. Dies ermöglicht eine einfache effiziente Entkopplung des äußeren Shimspulensatzes vom aktiv abgeschirmten Magneten ohne Verwendung von Teilspulen unterschiedlicher Polarität, also ohne Abschwächung der H0-Effizienz.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die Spulen des radial inneren und/oder des radial äußeren Shimspulensatzes auf mehrere Radien verteilt sind. Dadurch werden mehr Freiheitsgrade zum Design des Shims gewonnen, insbesondere ergeben sich bessere Möglichkeiten für die Entkopplung der Shimspulensätze vom aktiv abgeschirmten Magneten.
Um einen der potentiellen Vorteile der Anordnung gemäß Anspruch 2 (nämlich daß bei externen Feldfluktuationen im Arbeitsvolumen keine Feldinhomogenität von der Form ΔI2 . c2 . z2 entsteht) zu realisieren, ist die Reduktion des Dipolmoments Di des inneren Shimspulensatzes ein möglicher Weg. Dadurch wird der innere Shimspulensatz von äußeren homogenen Störquellen entkoppelt und reagiert nicht mit einer Stromänderung ΔI2, welche zu der zu vermeidenden Störung der Feldhomogenität im Arbeitsvolumen führen würde. Vorzugsweise ist das Dipolmoment Di ≈ 0.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die induktive Kopplung zwischen dem radial inneren und dem radial äußeren Shimspulensatz zumindest näherungsweise 0. Dadurch wird einerseits vermieden, daß sich eine allfällige Reaktion des radial äußeren Shimspulensatzes auf eine externe Störung auf den inneren übertragen kann und so zu einer Homogenitätsstörung des Feldes im Arbeitsvolumen führen würde. Andererseits erlaubt es die Entkopplung zwischen den Shimspulensätzen, daß beide individuell geladen werden können, ohne einander zu beeinflussen.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der radial äußere Shimspulensatz als Z0-Shim ausgelegt. Damit erzeugt der äußere Shimspulensatz ein homogenes Feld im Arbeitsvolumen und ist entkoppelt von den anderen Spulen der Magnetanordnung. Dieser Vorteil kann aber nur mit einer entsprechenden Verdrahtung ausgenutzt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der radial innere Shimspulensatz elektrisch in Serie geschaltet ist mit dem radial äußeren Shimspulensatz, und daß mindestens zwei supraleitende Schalter vorgesehen sind, mit denen die beiden Shimspulensätze getrennt voneinander supraleitend kurzgeschlossen werden können. Die Serienschaltung beider Shimspulensätze ermöglicht, daß sie simultan mit einem Ladestrom geladen werden können.
In einer ersten Weiterbildung ist die Serienschaltung der beiden Shimspulensätze supraleitend.
Dann gibt es die Variante, daß einer der supraleitenden Schalter parallel zu beiden Shimspulensätzen, ein zweiter supraleitender Schalter nur parallel zu einem der beiden Shimspulensätzen, vorzugsweise parallel zum radial inneren Shimspulensatz geschaltet ist. Dies hat den Vorteil, daß dann der radial äußere Shimspulensatz als Z0-Shim genutzt werden kann.
Eine weitere Variante sieht vor, daß jeweils ein supraleitender Schalter parallel zu einem der beiden Shimspulensätze geschaltet ist.
In einer zweiten Weiterbildung ist die Serienschaltung der beiden Shimspulensätze resistiv und jeweils ein supraleitender Schalter ist parallel zu einem der beiden Shimspulensätze geschaltet.
Vorzugsweise ist ein Strombegrenzer vorgesehen, durch den der Differenzstrom zwischen dem radial inneren und dem radial äußeren Shimspulensatz fließt. Mit dem Strombegrenzer kann ein unerwünschter Differenzstrom zwischen radial innerem und äußerem Shimspulensatz abgebaut werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die supraleitenden Schalter der beiden Shimspulensätze jeweils eine Heizeinrichtung aufweisen, die mit einer Heizeinrichtung eines anderen supraleitenden Schalters der beiden Shimspulensätze elektrisch in Serie geschaltet ist. Das simultane Laden des inneren und äußeren Shimspulensatzes bedingt, daß beide Schalter gleichzeitig geheizt (offen, also resistiv) sind. In der Anordnung nach der obigen Weiterbildung ist diese Bedingung dank der speziellen Heizerverdrahtung automatisch immer erfüllt.
Vorzugsweise sind die Heizeinrichtungen der supraleitenden Schalter der beiden Shimspulensätze separat heizbar. Daß jeder Schalter separat geheizt (offen, also resistiv) sein kann, ermöglicht das autonome Laden des inneren und/oder äußeren Shimspulensatzes (z. B. des äußeren als Z0-Shims).
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetanordnung mit Z2-Shim;
Fig. 2 ein Schema einer aktiv abgeschirmten Magnetanordnung mit Z2-Shim nach dem Stand der Technik;
Fig. 3 die Radiusabhängigkeit der Feldgradienten;
Fig. 4 die Funktionen y(s);
Fig. 5 ein Schema einer dreispuligen Ausführung des radial inneren Shimspulensatzes;
Fig. 6 wie Fig. 5, aber mit zweispuliger Ausführung der mittleren Teilspule;
Fig. 7 ein elektrisches Schaltschema einer supraleitenden Serienschaltung des radial inneren und radial äußeren Shimspulensatzes mit einem ersten supraleitenden Schalter parallel zur Serienschaltung und einem zweiten supraleitenden Schalter parallel zum radial inneren Shimspulensatz;
Fig. 8 wie Fig. 7, aber mit jeweils einem supraleitenden Schalter parallel zum radial inneren und zum radial äußeren Shimspulensatz;
Fig. 9 eine resistive Serienschaltung von radial innerem und radial äußerem Shimspulensatz; und
Fig. 10 ein Schema eines zylinderförmigen Strombelags symmetrisch zum magnetischen Zentrum.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Z2-Shimanordnung, wobei schematisch nur die rechte Hälfte einer Schnittansicht durch eine die Magnetachse z enthaltenden Ebene dargestellt ist. Die Anordnung umfaßt einen radial inneren Shimspulensatz Si bestehend aus einer Teilspule S1 mit negativer Polarität und einer die Teilspule S1 axial umfassenden Teilspule S2 mit positiver Polarität sowie einen radial äußeren Shimspulensatz Sa mit der Teilspule S3 integriert in eine supraleitende Magnetanordnung bestehend aus einem Magneten M1 mit mehreren Sektionen und einer aktiven Streufeldabschirmspule M2.
Fig. 2 zeigt ein Schema einer supraleitenden Magnetanordnung nach dem Stand der Technik bestehend aus einem Magneten M1 mit mehreren Sektionen und einer aktiven Streufeldabschirmspule M2, sowie einer Z2-Shimanordnung mit den Spulen S1', S2' und S3'.
Fig. 3 stellt die Radienabhängigkeit der Feldgradienten H0(R), H2(R) und H4(R), skaliert mit H0(R = 10 cm), H2(R = 10 cm) beziehungsweise H4(R = 10 cm), für einen zylinderförmigen Strombelag j = 1 [A/cm] der Länge L = 10 [cm] dar.
In Fig. 4 sind y0, y2, y4 als Funktion von s = L/2R mit L: Spulenlänge, R: Spulenradius. Die yn entsprechen den Gradienten Hn[G/cmn] einer stromtragenden Zylindermantelfläche mit einem Radius von 1 cm und einer Stromdichte von 1 A/cm. Das Extremum von y2 bei s ≈ 0.5 bedeutet, daß eine Spule von gegebenem Radius und Stromdichte bei einer Länge von L ≈ R am effizientesten einen H2-Gradienten erzeugt.
Ein der Anordnung nach Fig. 1 entsprechendes Schema einer dreispuligen Ausführung des radial inneren Shimspulensatzes S. mit den Teilspulen S1 und S2 bei einem Radius R ist in Fig. 5 dargestellt. Die Teilspule S1 weist eine axiale Länge L, auf, während die aus zwei Spulen zusammengesetzte Teilspule S2 eine axiale Länge L2 besitzt, aber im Bereich der Magnetmittelebene E, wo die Teilspule S1 angeordnet ist, eine Ausnehmung (= notch) der axialen Länge L3 aufweist.
Fig. 6 zeigt ein Schema einer Ausführung des radial inneren Shimspulensatzes Si" eines erfindungsgemäßen Z2-Shims mit zusätzlichem notch in der mittleren Teilspule S1" zur Unterdrückung einer H4-"Verunreinigung" des Shimfeldes.
In Fig. 7 ist ein Verdrahtungsschema von radial innerem und radial äußerem Shimspulensatz Si und Sa eines erfindungsgemäßen Z2-Shims mit supraleitender Serienschaltung der beiden Shimspulensätze dargestellt. Ein erster supraleitender Schalter SW1 überbrückt den gesamten Shim, ein zweiter supraleitender Schalter SW2 nur den radial inneren Shimspulensatz Si. Der Differenzstrom zwischen beiden Shimspulensätzen kann durch einen Strombegrenzer CL limitiert werden.
Bei dem Verdrahtungsschema gemäß Fig. 8 sind die beiden Shimspulensätze Si und Sa ebenfalls supraleitend in Serie geschaltet. Der erste supraleitende Schalter SW1 überbrückt den radial äußeren Shimspulensatz Sa, der zweite supraleitende Schalter SW2 den radial inneren Shimspulensatz Si. Der Differenzstrom zwischen beiden Shimspulensätzen kann auch hier durch einen Strombegrenzer CL limitiert werden.
Fig. 9 hingegen zeigt ein Verdrahtungsschema von radial innerem und radial äußerem Shimspulensatz Si und Sa eines erfindungsgemäßen Z2-Shims mit resistiver Serienschaltung (dargestellt durch den Ersatzwiderstand r) der beiden Shimspulensätze. Der erste supraleitende Schalter SW1 überbrückt den radial äußeren Shimspulensatz Sa, der zweite supraleitende Schalter SW2 den radial inneren Shimspulensatz Si.
In Fig. 10 schließlich ist das Schema eines zylinderförmigen Strombelags j mit Radius R und Länge L symmetrisch zum magnetischen Zentrum MZ dargestellt.
Die Magnetresonanzverfahren erfordern eine große Homogenität des Magnetfeldes im Probenvolumen. Um dieses Ziel zu erreichen, muß einerseits mit geeigneten Maßnahmen im Design der Magnetspule eine gute Grundhomogenität des Feldes erreicht werden, andererseits müssen produktionsbedingte Abweichungen von der vorgesehenen Grundhomogenität durch weitere Maßnahmen behoben werden.
Das Magnetfeld einer zylindersymmetrischen Magnetanordnung auf der Symmetrieachse (Richtung z) in der Nähe des magnetischen Zentrums (z = 0) ist aus Symmetriegründen axial und kann geschrieben werden als
B(z) = H0 + H2z2 + H4z4 + H6z6 + H8z8 + . . .
wenn die Magnetspulen symmetrisch zum magnetischen Zentrum angebracht sind. Um eine möglichst gute Grundhomogenität des Feldes zu erhalten, muß man im Design des Magneten die Koeffizienten niedriger Ordnung auf null bringen. Typischerweise möchte man H2 = H4 = 0 (eventuell H6 = 0). Die Koeffizienten Hn der Feldentwicklung werden auch Gradienten genannt.
Größere Abweichungen von der theoretischen Feldhomogenität treten vor allem in den Koeffizienten der niederen Ordnungen auf, insbesondere als nichtverschwindende Koeffizienten H1 und H2, aber auch als Abweichungen von der reinen Zylindersymmetrie des Feldes. Eine mögliche Maßnahme zur Korrektur dieser Feldinhomogenitäten bei supraleitenden Magnetsystemen ist beispielsweise, supraleitende Shimspulen in das Magnetsystem zu integrieren. Jede dieser Spulen hat ein spezifisches Feldprofil, d. h. erzeugt einen bestimmten Feldgradienten, und kann mit einem separaten Strom betrieben und über einen supraleitenden Schalter in sich kurzgeschlossen werden. Durch die Wahl der verschiedenen Ströme kann die Homogenität des Magnetsystems wesentlich verbessert werden. Leider benötigt jeder dieser Shims kostbaren Platz, der für die Magnetspulen verlorengeht. Für den sogenannten Z2-Shim wurde mit der vorliegenden Erfindung eine besonders kompakte und effiziente Lösung gefunden, welche den Magneten nur minimal aufbläht.
Mit dem Z2-Shim wird ein unerwünschter H2-Gradient des Magneten eliminiert, d. h. das Feldprofil dieses Shims auf der Magnetachse ist proportional zu z2. Die Effizienz oder Stärke c2 des Z2-Shims ist der H2-Gradient, der pro Ampère erzeugt wird.
Wir betrachten einen zylinderförmigen Strombelag j (in[A/cm]) der Länge L symmetrisch zum magnetischen Zentrum (siehe Fig. 10). Dieser Strombelag erzeugt auf der Zylinderachse ein axiales Feld der Größe
Bz = H0 + H2 . z2 + H4 . z4 + . . .
Mit der dimensionslosen Größe
kann man die Gradienten H0, H2 und H4 (in [Gauss/cmn]) darstellen als
mit Funktionen y0(s), y2(s) und y4(s) der Dimension [G.cm/A], die in Fig. 4 dargestellt sind. Dabei ist R der Zylinderradius in [cm]. Wichtig ist die Tatsache, daß die Effizienz des Gradienten Hn invers proportional zur n-ten Potenz des Radius R ist. (Fig. 3: H0(R), H2(R) und H4(R) für eine stromtragende Zylindermantelfläche mit fester Länge L und festem Strombelag 1). Die Abhängigkeit der Gradienteneffizienz einer Spule von ihrem Radius hat zur Folge, daß ein Z2-Shim auf einem kleinen Radius angebracht werden muß, wenn eine große Shim-Effizienz erreicht werden soll.
Neben der zu erreichenden Stärke c2 des Z2-Shims müssen beim Design von Shims für supraleitende Magnetsysteme auch noch andere Kriterien eingehalten werden, insbesondere darf der Shim keinen homogenen Feldanteil ΔH0 aufweisen und er muß vom supraleitenden Magneten induktiv entkoppelt sein. Sonst würden unerwünschte Effekte auftreten wie Feldverschiebung beim Shimen, Shimstromänderungen durch eine allfällige Magnetdrift oder hohe induzierte Ströme im Shim bei einem Quench des Magneten.
Bei einem konventionellen Z2-Shim wie in Fig. 2 (als Teil eines aktiv streufeldabgeschirmten Magnetsystems gezeigt) wird versucht, all diese Kriterien durch eine Anordnung von Spulen auf demselben, für maximale Effizienz möglichst klein zu wählenden Radius zu erfüllen. Dabei geht durch die Entkopplung vom Magneten und die Unterdrückung des ΔH0-Anteiles des Shims ein erheblicher Teil der möglichen Shimeffizienz c2 verloren. Insbesondere die Unterdrückung des ΔH0-Anteiles kann aber, wie aus Fig. 3 ersichtlich wird, auch durch einen Shimspulensatz auf einem wesentlich größeren Radius erreicht werden, als für eine effiziente Erzeugung des H2-Gradienten nötig ist. Diese Möglichkeit macht sich die Erfindung zu Nutze. Durch die Auftrennung des Z2- Shims in einen radial inneren Spulensatz, der auf maximale Shimstärke c2 hin optimiert wird bei Vernachlässigung der dabei erzeugten ΔH0-Verunreinigung, und einen radial äußeren Shimspulensatz, mit welchem die ΔH0-Verunreinigung kompensiert wird, kann die resultierende Shimeffizienz stark gesteigert werden. Wegen der quadratischen Radiusabhängigkeit des H2-Gradienten einer Spule leistet der radial äußere Shimspulensatz höchstens einen kleinen Beitrag zur Gesamt-Shimeffizienz.
Die erfindungsgemäße Spulenanordnung eines Z2-Shims macht sich insbesondere beim Einsatz in aktiv streufeldabgeschirmten supraleitenden Magnetsystemen bezahlt, weil hier ein Aufblähen der Hauptspule des Magneten durch integrierte Shimspulen wegen der damit verbundenen Streufelderhöhung unbedingt vermieden werden muß und sich besonders günstige Lösungen für die erfindungsgemäße Spulenanordnung eines Z2-Shims ergeben. Aus diesem Grund beschränkt sich die Erfindung auf die Beschreibung eines auf einen radial inneren und einen radial äußeren Shimspulensatz verteilten Z2-Shims in einem aktiv abgeschirmten Magneten. Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung eines Z2-Shims ist in der Fig. 1 zusammen mit einem Magneten mit aktiver Streufeldkompensation gezeigt.
Anhand der obigen Diskussion des von einem zylinderförmigen Strombelag erzeugten Feldes kann eine hinsichtlich maximaler Gradientenstärke c2 optimale Spulenkonfiguration für einen Z2-Shim hergeleitet werden. Da die einzelnen Shimspulen normalerweise dünnwandige Solenoide sind, ist die Annäherung durch zylinderförmige Strombeläge gerechtfertigt. Für einen hypothetischen Shim aus einem einzigen bezüglich dem Magnetzentrum symmetrischen Solenoid mit Radius R ergibt sich eine Länge L1 ≈ R für maximale H2-Effizienz aus dem Extremum von y2(s) bei s ≈ 0.5 (mit s = L/2R) (Fig. 4). Fast denselben Effekt erzielt man mit einem sehr langen Solenoid (etwa L2 < 4R), wenn in der Mitte ein Bereich der Länge L3 ≈ R ausgespart bleibt (sogenannter "notch"). Der erzeugte H2- Gradient hat dann allerdings das entgegengesetzte Vorzeichen gegenüber der vorherigen Anordnung. Die Kombination beider Spulenanordnungen ergibt eine insgesamt dreispulige Konfiguration mit der maximalen H2-Effizienz, welche für einen bestimmten Strombelag auf einem Radius R überhaupt zu erzielen ist (siehe Fig. 5).
In Abhängigkeit vom Radius R erzeugt eine solche Anordnung eine mehr oder weniger große H4-"Verunreinigung" ΔH4 im Feld. Dem kann auf zwei Arten entgegengewirkt werden:
  • 1. Durch Vergrößerung von L1 und L3 bringt man die Spulen näher zum Nulldurchgang der für H4 relevanten Funktion y4(s) bei s ≈ 0.9.
  • 2. In der mittleren Spule bringt man einen sehr kurzen notch an mit typischerweise s < 0.2 (Fig. 6).
Auf beide Arten wird natürlich die H2-Effizienz der Spulenkonfiguration reduziert. Insgesamt erhalten wir aber eine Konfiguration maximaler H2-Effizienz unter Einhaltung der H4-Reinheit, aber unter Vernachläßigung der H0-Verunreinigung ΔH0. Die Kopplung mit dem Magneten kann im allgemeinen durch geeignete Wahl der Länge L2 eliminiert werden. Eine solche Konfiguration ist daher optimal für den radial inneren Shimspulensatz eines erfindungsgemäßen Z2-Shims (Fig. 5 und 6).
Um nun auch die Eliminierung von ΔH0 zu erreichen, bringt man mit Vorteil weitere Spulen auf einem viel größeren Radius an. Mit diesen Spulen wird die H2-Effizienz des inneren Shimspulensatzes kaum beeinflußt, weil die H2-Effizienz einer stromtragenden Zylinderfläche mit dem Radius quadratisch abnimmt. Eine optimale ΔH0-Kompensation mit dem radial äußeren Shimspulensatz erreicht man mit einer einzigen um die Mittelebene des Magneten zentrierten Spule. Um zur Entkopplung des radial äußeren Shimspulensatzes vom Magneten nicht zusätzliche Shimspulen anderer Polarität einführen zu müssen, kann in einem aktiv abgeschirmten Magneten die unterschiedliche Polarität von Hauptspule und Streufeldabschirmspule zur Entkopplung genutzt werden.
Das Hauptproblem der Erfindung gegenüber einem konventionellem Z2-Shim ist, daß der radial äußere Shimspulensatz in seiner optimalen Ausführung ein großes Dipolmoment aufweist. Dies führt zu einer starken Kopplung mit externen Feldstörquellen, eventuell auch mit Sweep-Spulen oder Feldlock-Spulen. Dadurch können unerwünschte zeitliche Fluktuationen des Shimstroms und damit ein zeitlich variabler H2-Feldgradient auftreten. Das Problem wird folgendermaßen gelöst:
  • 1. Der radial innere und der radial äußere Shimspulensatz werden einzeln vom Magneten entkoppelt. Zur Entkopplung des äußeren Shimspulensatzes vom aktiv abgeschirmten Magneten wird mit Vorteil die unterschiedliche Polarität von Hauptspule und Streufeldabschirmung genutzt.
  • 2. Der radial innere und der radial äußere Shimspulensatz werden separat supraleitend kurzgeschlossen. Durch die separate Entkopplung vom Magneten bleiben unerwünschte Effekte wie Shimstromänderungen durch eine allfällige Magnetdrift oder hohe induzierte Ströme im Shim bei einem Quench des Magneten auch mit dem separaten supraleitenden Kurzschluß beider Shimspulensätze ausgeschlossen.
  • 3. Um eine gute Stabilität der H2-Homogenität bei externen Feldfluktuationen/­ Aktivierung des Feldlocks/Betätigen von Feldsweep-Spulen zu erhalten, genügt es nun, den inneren Shimspulensatz von der Störquelle/der Lockspule/den Sweep-Spulen zu entkoppeln, weil der äußere nur wenig H2 erzeugt. Die Entkopplung des inneren Shimspulensatzes von einer externen Störquelle wird im Falle einer homogenen Feldstörung mit einem verschwindenden Dipolmoment des inneren Shimspulensatzes erreicht.
  • 4. Eine zusätzlich verbesserte zeitliche Stabilität der H2-Homogenität wird erreicht, indem der radial innere und äußere Shimspulensatz voneinander entkoppelt werden, weil dann über einen allfällig im radial äußeren Shimspulensatz induzierten Strom kein Strom im radial inneren Shimspulensatz induziert werden kann.
Wie der radial äußere Shimspulensatz bei externen Feldfluktuationen/­ Aktivierung des Feldlocks/Betätigen von Feldsweep-Spulen reagiert, beeinflußt in erster Linie das zeitliche Verhalten des homogenen Feldanteils H0(t) im Probenvolumen. Optimal ist eine Designlösung für den radial äußeren Shimspulensatz, bei welcher die Wechselwirkung mit der Feldlockspule und allfällig vorhandenen Feldsweep-Spulen verschwindet, während bei einer externen Störung als Reaktion eine Stromänderung im radial äußeren Shimspulensatz, welche ein dem Störfeld entgegenwirkendes Feld aufbaut, gewünscht wird. Falls die Feldlockspule und allfällig vorhandene Feldsweep- Spulen im Bereich des Magnetzentrums angebracht sind, wird sich das gewünschte Verhalten des radial äußeren Shimspulensatzes gegenüber diesen Spulen ohne weitere Designmaßnahmen allein durch den großen Radius der Shimspulen ergeben. Was das Verhalten gegenüber externen Feldstörquellen betrifft, so ergibt sich insbesondere bei aktiv abgeschirmten Magneten durch die Grundkonfiguration der erfindungsgemäßen Z2-Shimanordnung mit separatem supraleitendem Kurzschluß von radial innerem und äußerem Shimspulensatz ohne weitere Designmaßnahmen im allgemeinen eine starke Verbesserung der Anfälligkeit des Magnetsystems auf den homogenen Feldanteil externer Feldfluktuationen.
Der separate supraleitende Kurzschluß von radial innerem und äußerem Shimspulensatz hat zwei weitere vorteilhafte Konsequenzen:
  • - Die Verbindung von radial innerem und äußerem Shimspulensatz kann außer supraleitend nun auch resistiv ausgeführt werden, mit entsprechenden Vereinfachungen für die Produktion des Shims.
  • - Die beiden Shimspulensätze können mit unterschiedlichen Strömen betrieben werden. Insbesondere ergibt sich die Möglichkeit, den radial äußeren Shimspulensatz als Z0-Shim zu betreiben, da er alle Anforderungen an einen solchen Shim erfüllt. Er ist entkoppelt von allen supraleitend kurzgeschlossenen Strompfaden im Magnetsystem und erzeugt ein homogenes Feld H0.
Mögliche Realisierungen des separaten supraleitenden Kurzschlusses von radial innerem und äußerem Shimspulensatz sind in den Fig. 7-9 schematisch dargestellt. Die resistive Verbindung von radial innerem und äußerem Shimspulensatz ist durch einen Ersatzwiderstand r symbolisiert. Im Falle der supraleitenden Verbindung von radial innerem und äußerem Shimspulensatz kann der Differenzstrom zwischen radial innerem und äußerem Shimspulensatz durch einen Strombegrenzer CL limitiert werden.
Wenn der radial innere und äußere Shimspulensatz separat supraleitend kurzgeschlossen werden, muß jeder der beiden supraleitend geschlossenen Strompfade einen eigenen supraleitenden Schalter aufweisen, welcher zum Laden des zugehörigen Strompfades geöffnet wird. Beim Laden des Gesamtshims müssen beide Schalter simultan offen sein. Dies wird automatisch erfüllt, wenn die Schalterheizer in Serie geschaltet sind. In gewissen Situationen, wie z. B. Verwendung des radial äußeren Shimspulensatzes als Z0-Shim, ist es notwendig, daß die einzelnen Schalter zusätzlich auch individuell geöffnet werden können.

Claims (20)

1. Supraleitende Magnetanordnung für magnetische Resonanz- Spektrometer, wobei die Magnetanordnung einen aktiv abgeschirmten supraleitenden Magneten zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds H0 entlang einer z-Achse in einem um z = 0 angeordneten Arbeitsvolumen mit einem radial inneren Spulensystem (M1) und einem radial äußeren Spulensystem (M2) umfaßt, wobei die beiden Spulensysteme (M1, M2) näherungsweise den gleichen Strom tragen und näherungsweise entgegengesetzt gleich große Dipolmomente aufweisen, und wobei eine Shimanordnung vorgesehen ist, welche ein supraleitendes Shimspulensystem zur Korrektur von Magnetfeld-Inhomogenitäten im Arbeitsvolumen umfaßt, deren z-Komponente proportional zu z2 variiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Shimspulensystem einen radial inneren Shimspulensatz (Si; Si") umfaßt, der von der Magnetanordnung (M1, M2) induktiv weitgehend entkoppelt ist und im Arbeitsvolumen überwiegend ein Magnetfeld erzeugt, dessen z-Komponente wie ΔH0 + c2 . z2 mit c2 = const. variiert, sowie einen radial äußeren Shimspulensatz (Sa), der ebenfalls von der Magnetanordnung (M1, M2) induktiv weitgehend entkoppelt ist und im Arbeitsvolumen überwiegend ein homogenes Magnetfeld -ΔH0 erzeugt.
2. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der radial innere Shimspulensatz (Si; Si") als auch der radial äußere Shimspulensatz (Sa) jeweils für sich supraleitend kurzgeschlossen werden können.
3. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Feldlock des im Arbeitsvolumen erzeugten Magnetfelds vorgesehen ist, wobei der radial innere Shimspulensatz (Si; Si") und der radial äußere Shimspulensatz (Sn) weitgehend von den Spulen der Einrichtung zum Feldlock entkoppelt sind.
4. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sweep-Spulen vorgesehen sind, wobei der radial innere Shimspulensatz (Si; Si") und der radial äußere Shimspulensatz (Sa) weitgehend von den Sweep-Spulen entkoppelt sind.
5. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innere und/oder der radial äußere Shimspulensatz (Si; Si" bzw. Sa) aus mehreren Teilspulen (S1, S2, S3; S1") aufgebaut sind.
6. Magnetanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innere Shimspulensatz (Si; Si") aus drei axial und symmetrisch um z = 0 hintereinander angeordneten Teilspulen (S1, S2; S1") mit Radius R aufgebaut ist, wobei die mittlere Teilspule (S1, S1") eine axiale Länge L1 mit R ≦ L1 ≦ 1.5R aufweist und die beiden axial äußeren Teilspulen (S2) eine zur Polarität der mittleren Teilspule (S1; S1") entgegengesetzte Polarität besitzen.
7. Magnetanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Teilspule (S1") aus zwei symmetrischen, gleichsinnig gewickelten Spulen besteht.
8. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Shimspulensatz (Sa) nur Teilspulen (S3) gleicher Polarität umfaßt.
9. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Shimspulensatz (Sa) in unmittelbarer radialer Nähe des radial äußeren Feldspulensystems (M2) des aktiv abgeschirmten Magneten angeordnet ist.
10. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen des radial inneren und/oder des radial äußeren Shimspulensatzes (Si, Sa; Si") auf mehrere Radien verteilt sind.
11. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innere Shimspulensatz (Si; Si") ein kleineres Dipolmoment Di als der radial äußere Shimspulensatz (Sa) aufweist, vorzugsweise Di ≈ 0.
12. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Kopplung zwischen dem radial inneren (Si; Si") und dem radial äußeren (Sa) Shimspulensatz zumindest näherungsweise 0 ist.
13. Magnetanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Shimspulensatz (Sa) als Z0-Shim ausgelegt ist.
14. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innere Shimspulensatz (Si; Si") elektrisch in Serie geschaltet ist mit dem radial äußeren Shimspulensatz (Sa), und daß mindestens zwei supraleitende Schalter (SW1, SW2) vorgesehen sind, mit denen die beiden Shimspulensätze getrennt voneinander supraleitend kurzgeschlossen werden können.
15. Magnetanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung von radial innerem und radial äußerem Shimspulensatz supraleitend ist, und daß einer der supraleitenden Schalter (SW1) parallel zu beiden Shimspulensätzen (Si, Sa), ein zweiter supraleitender Schalter (SW2) nur parallel zu einem der beiden Shimspulensätze, vorzugsweise parallel zum radial inneren Shimspulensatz (Si) geschaltet ist.
16. Magnetanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Serienschaltung von radial innerem und radial äußerem Shimspulensatz supraleitend ist, und daß jeweils ein supraleitender Schalter (SW1, SW2) parallel zu einem der beiden Shimspulensätze (Si, Sa) geschaltet ist.
17. Magnetanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Shimspulensätze (Si, Sa) resistiv in Serie geschaltet sind, und daß jeweils ein supraleitender Schalter (SW1, SW2) parallel zu einem der beiden Shimspulensätze (Si, Sa) geschaltet ist.
18. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strombegrenzer (CL) vorgesehen ist, durch den der Differenzstrom zwischen dem radial inneren und dem radial äußeren Shimspulensatz (Si, Sa) fließt.
19. Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Schalter (SW1, SW2) der beiden Shimspulensätze (Si, Sa) jeweils eine Heizeinrichtung aufweisen, die mit einer Heizeinrichtung eines anderen supraleitenden Schalters (SW2, SW1) der beiden Shimspulensätze (Si, Sa) elektrisch in Serie geschaltet ist.
20. Magnetanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtungen der supraleitenden Schalter (SW1, SW2) der beiden Shimspulensätze (Si, Sa) separat heizbar sind.
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