DE3323657A1

DE3323657A1 - Spulenanordnung

Info

Publication number: DE3323657A1
Application number: DE19833323657
Authority: DE
Inventors: Raimo 00530 Helsinki Sepponen
Original assignee: Instrumentarium 00101 Helsinki Oy; Instrumentarium Oyj
Current assignee: Philips Medical Systems MR Technologies Finland Oy
Priority date: 1982-07-07
Filing date: 1983-07-01
Publication date: 1984-01-12
Anticipated expiration: 2003-07-02
Also published as: FI65365B; JPS5932855A; DE3323657C2; JPH0348816B2; US4587493A; FI65365C; FI822406A0

Description

786)

Spulenanordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sender EmpfSnger-Spulenanordnung für sin sogenanntes Kernspin-Diagnosegerät gemiB Oberbegriff des Hauptanspruches.

Bei der Kssnspindarstellung handelt es sich um eine nsue Untersuchungsmethode, bei der das untersuchte Material nielit 2grstSxt wird und deren wichtigstes Anfejsndungsfeld die medizinische Diagnostik ist. Das Prinzip des fiBSOspindarstsllung geht auf P. Lauterbur zurück und ist verSffentlicht in "Nature" Bd. 242, Ssitsn 190,191.

Ματ dissss· Ueröffentliehung hat R. Damadian eine Art von öy^ehflSiyungsides Im Rahmen eines UntersuchungegerMtss bssierend auf dem sogenannten Nuclear-MagnetiS«· Rsaonaniphlrjomen (WMR) veröffentlicht (siehe US-PS 3 789 832)ο Ein weiterer einschlägiger Stand der Technik wird ^sps'Sssnties't durch die US-PS 4o7o 611, he 21 72S ynd %ol5 196„

Die Hernspinda^stellung basiert, uie andere Untersuchungsrnsthoden auf ds^ Tatsachs, daB die Kerne geuls ssr Elsraentd ein magnetisches Moment haben.

Solche Elemente umfassen bsptj. Hydrogen, Fluorine, Carbon und Phosphor, wobei bestimmte Isotope solcher Elemente ein nuclearmagnetisches Moment haben. Bspm. ist der Kern eines Wasserstoffatoms, d.h. ein Proton, ein positiv geladenes Elementarteilchen. Ein Proton rotiert um seine eigene Achse, d.h. es hat einen gewissen Spin. Diese Rotation erzeugt das magnetische Moment eines Protons und auch ein Schwungmoment in Bezug auf die Spinachse.

ldenn eine Anzahl von Wasserstoff atomen in ein äußeres Magnetfeld B_ gebracht werden, so stellt sich die Mehrzahl der magnetischen Momente der Kerne auf dieses externe Feld B« ein und erzeugt im Bündel der Wasserstoffatome eine Netzmagnetisierung M , die dem magnetischen Feld Βη direkt proportional ist.

Die Temperatur eines untersuchten Atombündels ist jedoch wirksam in Abhängigkeit von der Stärke seiner Majorität, die diese Netzmagnetisierung hervorruft, wenn es vergl-ichen wird mit der ganzen Masse der im Bündel vorhandenen Kerne. LJenn bespw. die Untersuchungstemperatur der des menschlichen Körpers entspricht, so wird die die Magnetisierung hervorrufende Majorität angenähert ein Millionstel der Menge des ganzen Kernbündels sein. Wenn die Untersuchungstemperatur abgesenkt werden könnte, so würde

die Netzmagnetlsierung in umgekehrten Proportionen in Bezug auf die absolute Temperatur eines Untersuchungsgegenstandes anwachsen.

Bei der Puls-NMR-Untersuchung wird die Netzmagnetisierung M durch Mittel eines kraftigen Radio-Frequenz-Magnetpulses um 9o von der Richtung des äußeren Magnetfeldes B„ abgelenkt. Aufgrund der Zwischentiiirkung zwischen dem Schwungmament und ebenso dem Magnetmoment, hervorgerufen durch den Kernspin und das Süßere Feld, wird die erzeugte Netzmagnetisierung in eine präzidierte Bewegung versetzt. Die Winkelgeschwindigkeit eines prMzidierten magnetischen Momentes ist direkt proportional dem äußeren Magnetfeld und zwar entsprechend der folgenden Formel I

- B₀

- gyromagnetisches Verhältnis B_n - Stärke eines äuSeren Megnetfeldes

.LI

U_n ξ sogenannte Larmor -Frequenz

Wenn außerhalb dss Untersuchungsgegenstandes eine Induktionsspule und ein Kondensator für die Erzeugung eines Resonanzkreises angeordnet sind, so wird die prSzIdierte Magnetisierung eine Signalspannung an den Abgriffen des Resonanzkreises induzieren.

Die Amplitude der Signalspannung V ist direkt proportional dem Q-Faktor oder Qualitätsfaktor des Resonanzkreises.

Eine wichtigere Messung als die Signalspannung ist ein Signal/Rauchverhältnis S R, wobei die Kernspindarstellung, Shnlich wie andere NMR-Untersuchungen, abhängig ist von einem Signal/Rauchverhältnis, das erreicht werden kann. Ulenn die elektrische Verlustleistung eines Untersuchungsgegenatandes unbeachtet bleibt, ist das Signal/Rauchverhältnis:

(2) SNR = KIMAf (OuJ₀/ LB) ^1/Z

worin K = Konstante unabhängig von einen Feld N a Rotationsgeschuindigkeit einer

Detektorspule

A s Querschnittsfläche der Spule f = ein Füllungsverhältnis Q = QualitStsfaktor einer Spule ülg = Latnor- Frequenz

L = Induktanz der Spule B s angewendete Bandbreite

Wenn die Verlustleistungen der Spule und des Untersuchungsgegenstandes in Betracht gezogen werden, ist es möglich, den Ausdruck (3) für ein Signal/Rauchverhältnis abzuleiten und zuiar nach Hault u.a. in " "Journal of magnetic Resonance", Bd. 34, 199, Seiten 425 - 433:

(3) SWR «χ f ²

a² f_r ^1/z ♦ B f

worin f = Resonanz-Frequenz = üJ„/2Ä r 0

u_fB = Konstanten, abhängig von der Spulenform

b = Durchmesser des Unterauchungagegenstandes

a » Spulendurchmesser

üJie aus Formel (3) hervorgeht, ist es zu bevorzugen, das Verhältnis des Durchmessers einer Spule zu dem eines Untersuchungsgegenstandea derart zu minimalisieren, daß das FUllungsverhältnis seiner Spule maximalisiert iiiird.. Die Abhängigkeit dieses Füllungsverhältnisses vom Spulendurchmesser ist in einer Kernspindaratel- \-· «■> lungseinrichtung typisch proportional der dritten Ordnung des Spulenradiusses,uiEil bei uachsendem Spulenradius die SpulenlMnge auch wachsen muß, um Homogenität beizubehalten. Andererseite ändert sich bei wachsendem Durchmesser des Untersuchungsgegenstandes die Dicke einer darzustellenden Scheibe bzui. eines Schnittes nicht.

Gemäß dieser vorbekannten Technologie, wenn diese bspui. in der medizinischen Diagnostik mittels einer Kernspindarstellungseinrichtung durchgeführt wird, wird der Spulensatz in Abhängigkeit eines darzustellenden Körpers angeordnet. In einer bspu. Untersuchungsanordnung beträgt der Durchmesser einer Spule für die Darstellung des Restkörpers 55 cm (siehe Crooks u.a. "Radiology, April 1982, Seiten 169 1 -lh).

Bei Routinediagnostiken ist die spezifische Einstellung eines Spulensatzes zwischen Oarstellungssitzungen ungewöhnlich. Darüberhinaus bedeutet es eine Zeitvergeudung für die Darstellungseinrichtung und das medizinische Personal. Zusätzlich iet es sehr wahrscheinlich, daß Mitglieder eines normalen Krankenhauspersonales in der Regel nicht über die Fachkenntnisse verfügen, die erforderlich sind, um einen Satz von Signalspulen auszuwechseln bzw. einzustellen, sondern es ist vielmehr notwendig, dies von Fachpersonal durchführen zu lassen, das über entsprechend technische Kenntnisse verfügt und das ganze Gerät kennt.

Es ist ein Gegenstand der Erfindung, die vorerwähnten Nachteile zu beseitigen und eine Spulenanordnung dahingehend zu schaffen, daß die Signalspule eines Kernspindiagnosegerätes für Untersuchungsgegenstände unterschiedlicher Grüße angewendet werden kann, die dargestellt oder radiographisch aufgezeichnet werden, bspu. in Form der Homogenität eines Spulensignalfeldes in der darzustellenden Fläche und ebenso bzgl. des Füllungsverhältnisses und zwar optimal in Bezug auf die Größe des Untersuchungsgegenstandes. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein einfaches und zuverlässig arbeitendes Gerät zu schaffen, das von nicht besonders geschultem technischen Personal bedient werden kann.

Diese Aufgabe ist mit einer Spulenanordnung gemäß der Erfindung durch das im Hennzeichen des Anspruches 1 und das in den Unteransprüchen Erfaßte gelöst.

Die erfindungsgemäße Anordnung dient dazu, eine Signalspulenanordnung für ein Kernspindarstellungsgerät zu schaffen, das die Readjustierung des Durchmessers eines Signalspulensatzes zuläßt relativ zum Durchmesser eines Untersuchungsgegenstandes, um die Homogenität des Signalspulenfeldes und auch des Füllungs verhältnisses zu optimieren.

Durch die erfindungsgemSße Anordnung kann die Readjustierung eines Signalspulendurchmeasers von nicht speziell geschultem Personal ausgeführt werden und zujar in einer Weise, daß die Optimierung, falls gewünscht, automatisch erreicht uird.

Die erfindungsgemäße Spulenausbildung uird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen niher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 A perspektivisch ganz allgemein eine Sattel-Spulenausführungsform, benutzbar insbeson-^ riers in .\/@rbindung~tnl't~:8uperleitenden Magneten;

Fig. 1 B eine Ansicht in Axialrichtung der Spulenanordnung;

Fig. 2 perspektivisch eine weitere AusführungBform der erfindungsgemMßen Spule;

Fig. 3 die Signalspulenanordnung gemäß Fig. 2,

eingebaut in einem solenoidförmigen Magneten;

Fig. k A

k B die Betätigungselemente für die Größeneinstellung der Spulen gemäß Fig. 2/3, wobei die Darstellung gemäß Fig. k A die Spule in ihrer Größt- und die gemäß Fig. ^ B in ihrer Kleinststellung zeigt und

Fig. 5 eine alternative Ausführungsform der Betätigungselemente.

üJie in den Fig. 1-5 dargestellt, umfaßt die Spulenanordnung einen strangförmigen Leiter 1, der als Signalspule dient, Leiterfilhrungs- und Profilträger 2a, 2b, Führungen 3, die in Führungsschlitzen 3' geführt sind, ein Paar von Druckrollen ^, eine Leiterspannrolle 5, einen Magneten 6, einen Leiterträger und das Stellelement mit Gewinde versehene Stellstück 9, Gabelstück Io für die Leiterführung und den Profilträger 2, Spindelgetriebe 11, Stellmotoren 12, Leitergrößenfühler 13, Leitergrößeneinstellhebel Ik und Träger 15 für diese Hebel. Bei der anderen Ausführungsform gemäß Fig. 5 sind als Stellelemente Hydraulikzylinder 16 oder aus andere Weise angetriebene Zylinder vorgesehen.

Eine soganannte Sattelwicklung ist eine allgemein angewandte Spulenfarm in solchen Kernspinuntersuchungseinrichtungen, in denen die Richtung eines Magnetfeldes parallel zur Längsrichtung des zu untersuchenden Gegenstandes verläuft. Solche Einrichtungen bzw. Geräte enthalten typische Kernspinoder NMR-Darstellungseinrichtungen in Verbindung mit einem Supsrleitermagneten.

Eine optimale Form einer solchen Sattelspule ist in Fig„ 1 dargestellt, Das Leitermaterial für eine solche Spule sollte aus Material ausgewählt werden, das so leitfähig wie möglich ist, bspw. aus Silber. Für den vorliegenden Fall ist es bspw. möglich, einen dünnverdrallten, geflochtenen Silber- oder Hupferleiter in Form eines Stranges zu verwenden. In Fig. 2 ist ein solcher Leiter 1 auf Profilträger 2b, 2b in einer Weise angeordnet, daß die Führungen 3 und die Träger 2 so gut wie möglich den Leiter 1 In Form einer Signalspule halten und zwar ausgeformt als Sattelspule, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Träger sind innerhalb eines Magneten 6 angeordnet und zwar an Gewindespindeln 7, die an Trägern β gelagert sind.

Die Gewindespindeln 7 Bind mit einer Anzahl von Gewinden versehen, die unterschiedliche GBngrichtungen haben und die mit Führungen 9 paarweise anr'rden jeweiligen Bsuindebrsichen versehen sind.

üJenn demgemäß die Spindel 7 gedreht wird, ist die Bewegung der Führungen derart, daß sich, wenn die Spindeln 7 in Uhrzeigerrichtung gedreht werden, die Führungen 9 einander nMhern und wenn sie entgegengesetzt gedreht werden, die Führungen 9 voneinander entfernen. Die Relativbewegung der Führungen 9 führt zu einer Relativbewegung der Leiterführungen und Profilträger 2a, 2b derart, daß sich, wenn sich die Führungen 9 einander nähern, die Träger 2 ebenfalls einander nähern und, wenn die Träger auseinanderbewegt werden, sich die Träger voneinander entfernen.

Die Drehung der Spindeln 7 wird durch mit Getrieben versehene Motoren 12 bewirkt. Diese Motoren 12 können bspw. durch einen Mikroprozessor gesteuert werden. Um eine optimale Spulengeometrie zu erreichen, ist es auch notwendig, nicht nur den Spulendurchmesser sondern auch die Spulenlänge optimal einstellen zu können.

Für diesen Zweck sind Leitergrößenkontrollelemente vorgesehen, LeitergrößeneinBtellarme I^ und Einstellarmträger 15. Die Wirkungsweise dieser Elemente ist derart, daß, wenn die Träger 2a, 2b, wie oben erklärt, bewegt werden, sich die Einstellkontrollelemente 13 relativ zueinander bewegen, verursacht durch die Einstellärme 1^.

Wenn sich die Träger 2a, 2b einander nähern, so n§- hern sich auch die Kantrollelemente 13, die SpulenlMnge wird kleiner und die Spulenform bleibt optimal mit den Führungen 3 die sich in Führungeschlitzen 3» der Träger 2 bewegen.

Es ist natürlich, wenn sich die Größe einer Spule
ändert, daß sich auch die Länge eines Leiters ebenfalls ändert, die als Spule wirksam ist. Aus diesem Grunde sind eine Spannrolle 5 vorgesehen und ein
Parr von Druckrollen ^. Das Spannelement 5 wickelt den Leiterüberschuß auf, der sich ergibt bzw. frei wird, wenn sich die Spulengröße reduziert. Die Rollen k stellen sicher, daß die Leiterwicklung auf
der Spannrolle 5 nicht einen Teil des Resonanzkreises einer Spule bildet. Die Rollen k sind vorzugsweise aus hochleitfähigem aber nicht magnetisierbarem Material gebildet, bspw. aus Hupfer oder Bronze. Auch der Rest der Instrumente einer solchen Spulenanordnung muß in der Prxis notwendigerweise aus nichtmagnetir· ..: sierbarem Material bestehen, um die Homogenität eines Magnetfeldes sicherzustellen, das über bzw. um einen zu untersuchenden Gegenstand zu erzeugen ist.

Die Bewegung der Leitergrößenkontrollelemente 13
kann alternativ bewirkt werden durch Hydraulikzylinder 16 aus nicht magnetischem Material, wie in Fig. dargestellt«

-Ib-

Die obige Beschreibung ist auf eine bestimmte Ausführungsform des Gerätes abgestellt. Andere mögliche Ausführungsfarmen können für Spulenfarmen des Solenoid- und Helmholztypes vorgesehen werden.

Bei den obigen Ausführungsfarmen ist eine Ausbildung der Träger 2a, 2b derart vorgesehen, daß sie auch einen sogenannten statischen Schutz bilden, um eine kapazitive Verbindung eines Untersuchungsgegenstandes zu den SpulensMtzen zu verhindern. Die Einstellung der Spulengröße und demgemäß der Leiterlänge führt auch zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz. Aus diesem Grunde und zusätzlich zu beschriebenen Spulenanordnungen muß der Resonanzkreis mit einem Steuerkondensator versehen sein, durch den der Resonanzkreis entweder manuell oder automatisch abgestimmt uiird. Der Wechsel in der Spulengröße hat auch eine Auswirkung auf die Länge und Amplitude eines erregten Radiofrequenzpulses, weil, bei sich reduzierender Spulengröße, das von der Spule erzeugte Magnetfeld abnimmt. Demgemäß nimmt bspw. die Länge und/oder Amplitude eines Pulses ab, der die Netzmagnetisierung um 9o° ablenkt. Die Spulenanordnung kann mit einem Beobachtungsgerät versehen werden,bspw. einer Schlaufenantenne, um die Feldstärke zu messen und das Meßergebnis kann für die automatische Determinierung der Pulsamplitude benutzt werden.

Die oben beschriebenen Vorgänge, erforderlich durch
die Veränderungen in der Größe einer Signalspule und die zu bewirken sind als ein Ergebnis solcher Veränderungen, können einfach und automatisch umgesetzt
uierden, bspu. durch Steuerung und entsprechender Programmierung eines Mikroprozessors. Die Betätigung
der Spulenanordnung ist auf diese LJeise außerordentlich einfach.

■/it-

Leerseite

Claims

(3Λ 7B6)

Patentansprüche:

( 1 .J Spulenanordnung für die Einetellung einer Spule, uie Solenoid-, Sattel-, Helmholz-Signalapule, die Teil eines Kernspin- oder NMR-UntersuchungsgerHtes ist und die eine oder mehrere von Leiteruiindungen enthalt für unterschiedlich große Untersuchungsobjekte, uie Patientenkörper, die innerhalb der Spule anzuordnen und zu untersuchen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anordnung Elemente (9,lo,ll,12) für die Einstellung des Signalspulenraumes auf einen, im Hinblick auf die Untersuchung, so optimal uie möglichen Wert vorgesehen sind und ferner Elemente für volumenspezifische Messungen des Untersuchungsobjektes,

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzei, daß die Elemente Elemente umfassen für die Einstellung eines Signalspulendurchmessers (2,9,lo,ll_f12) und die Länge und/oder Form (3,4,5,13,l*f,15) eines Spulenleiters Cl) derart, daß hinsichtlich der Homogenität und des Signal/Rauchverhältnisses die Signalspulenstellung bei allen differenten Werten des Durchmessers und des Volumens optimal ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente einen statischen Schutz umfassen, um einen zu untersuchenden Gegenstand vor einer kapazitiven Verbindung zum Spulensatz einer NMR-Untersuchungsanordnung zu bewahren und daß der Schutz vorzugsweise eine Komponente (2) dieser besagten Elemente ist.

U. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch

gekennzeichnet, daß die besagten Elemente eine Leiterführung und Profilträger (2a,2b) umfassen, auf denen der Spulenleiter (1) getragen angeordnet ist und daß die relative Distanz dieser Elemente oder Gruppen von Elementen einstellbar bzu. einstellbar ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch U₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterführung und die Profilträger (2a,2b) mit Führungsschlitzen (3¹) bzij. Führungsuegen und Leiterführungselementen (3) versehen sind, die in den Führungen (3¹) verstellbar und derart angeordnet sind, daß sich bei Einstellung der relativen Distanz dieser Elemente oder Elementengruppen (2a,2b) die Leiterführungen (3) in den Führungsuegen (3¹) bewegen und sich gleichzeitig die LMnge und/oder Form des Signalspulenleiters (1) wie gewünscht einstellt.

6» Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie Elemente (4,5) für die Anordnung der Leiterlänge enthalt, die sich gemBB der Änderungen des Durchmessers und/oder des Volumens der Spule derart ändert, daß der Überschußteil eines Leiters entfernt vom Signalspulenkreis gesammelt uiird und daß andererseits der Leiter für einen Signalkreis : in diesen einleitbar ist und daß der nicht in der Spule befindliche Leiterteil gegen den Signalspulenkreis abgeschirmt ausgebildet und angeordnet ist.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspule mit einem Kondensator derart verbunden ist, daß die Signalspule und der Kondensator zusammen einen Resonanzkreis bilden und daß die Kapazität des Kondensatars so ausgebildet ist, um gemäß der Änderungen der Induktanz der Signalspule eingestellt werden zu können.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der die Signalspule umfassende elektrische Kreis mit Elementen für die Einstellung der

Amplitude eines erregten Radiofrequenzpulses gemäß der Größe der Signalspule versehen ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponenten der Anordnung aus nicht magnetischem Material gebildet sind.