DE3441174A1

DE3441174A1 - Gradientenfeldspulen fuer die abbildung mit kernmagnetischer resonanz

Info

Publication number: DE3441174A1
Application number: DE19843441174
Authority: DE
Inventors: Zvi Tel Aviv Kamil; Stephen Geoffrey Haifa Lipson
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: Elscint Ltd
Priority date: 1983-11-13
Filing date: 1984-11-10
Publication date: 1985-08-08
Anticipated expiration: 2004-11-11
Also published as: JPS60180104A; FR2555009A1; IL70211A0; DE3441174C2; FR2555009B1; IL70211A; JPH0535562B2; NL8403470A; US4595900A; NL192009B; NL192009C

Description

Gradientenfeldspulen für die Abbildung mit kernmagnetischer

Resonanz

Die Erfindung bezieht sich auf die Abbildung mit kernr.iagnetischer Resonanz und insbesondere auf Einrichtungen und Verfahren zur Erzeugung von Gradientenfeldern über Abbildungssysteme mit kernmagnetischer Resonanz.

Um 1973 wurden lineare Feldgradienten zum ersten Mal in Verbindung mit Geräten mit kernmagnetischer Resonanz verwendet, um das Resonanzfrequenzansprechen zu "loka!isieren". Dies hat es möglich gemacht, Bilder aus dem Ansprechen mit freiem Induktionsabfall (free induction decay = FID) zu rekonstruieren, die dadurch verursacht wurden, da3 in starken statischen Magnetfeldern angeordnete Objekte vorübergehend rotierenden HF-Feldern ausgesetzt wurden. Seit dieser Zeit sind die Wissenschaftler auf diesem Gebiet dabei, Spulenanordnungen zu entwickeln, die die möglichst stabile, homogene orthogonale und lineare Gradientenfelder ergeben.

Unter anderem müssen die Gradientenfeider in kurzen Zeitperioden ein- und ausgeschaltet werden, so daß sie verhältnismäßig niedrige Induktivitäten haben sollen.

Die bekannten Gradienten erzeugenden Spulen weise?η unter anderem vier theoretisch unendliche Leiter auf, die in jedem der vier Quadranten der Ebene, welche durch die Richtung des atatischen Feldes und die Richtung des Gradienten definiert ist, in gleichem Abstand versetzt sind. Die Leiter verlaufen senkrecht zu dieser Ebene. Somit wird ein Gradient ^7" durch Leiter senkrecht zur XZ-£bene erzeugt. Praktisch sind natürlich die Gradientenspulen Leiter von begrenzter Länge, und die Spulen sind durch ihre endlichen Formen als "trapezoidförmig", "rechteckförr.iig", "sattelförmig" usw. beschrieb en.

Urn die Induktivität niedrig zu halten, haben die Gradientenspulen eine verhältnismäßig geringe Anzahl von Windungen erhalten. Die geringe Anzahl von Windungen bewirkt, daß die magnetische Feldstärke des Gradienten reduziert wird. Die Verwendung der Spulen hat jedoch einen nachteiligen Einfluß auf das Abklingen, was wiederum die angezeigten FID-Signale nachteilig beeinflußt. Auch haben die Spulen einen Eigenwiderstand und erzeugen deshalb Wärme, die verlorene Energie bedeutet. Zusätzlich zu der durch Widerstand erzeugten Wärme treten Wirbelstromverluste in den Spulen auf, die den Energieverbrauch erhöhen. Somit beeinflussen die bekannten die Gradienten erzeugenden Spulen die PID-Signale nachteilig, während sie diese lokalisieren. Die Gradientenspulen führen auch Energieverluste ein.

Sowohl die Linearität als auch die Orthogonalität des Feldes, das durch eine Spule erzeugt wird, sind eine Funktion der Geometrie des Systems, die von Details, wie der geometrischen Lage einer jeden Windung relativ zu anderen Windungen, und dgl. abhängt. Es ist schwierig, geometrische Beziehungen bei bekannten Gradientenspulen zu erhalten, die eine Linearität und eine Orthogonalität gewährleisten. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, verbesserte Gradientenfelderzeugungsanordnungen zu schaffen, mit denen diese Schwierigkeiten überwunden werden können.

Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zur Erzeugung von Gradientenfeldern in Abbildungssysternen mit kernmagnetischer Resonanz gekennzeichnet durch

ein Paar von gegenüberliegend angeordneten elektrischen stro;r.leitenden Segmenten eines Hohlzylinders, die im wesentlichen in gleichen Abstand von einer gemeinsamen Längsachse versetzt sind.

eine Vorrichtung, die bewirkt, daß der Strom in jedem der Segmente in der gleichen Richtung fließt, wobei die Stromrichtung ein Hagnetfeld um jedes der parallel zur Längsachse '.verlaufenden Segmente erzeugt, wobei das kombinierte Feld um jedes der Segwentpaare an allen Punkten in einer die Spiegelsvnimetriuebene darstellenden ersten Ebene Null ist, die die

Spiegelsymmetrieebene eines der Segmentpaare auf das andere bezieht, das kombinierte Feld sich im wesentlichen linear in einer zweiten, die Längsachse enthaltenden Ebene ändert und senkrecht zur ersten Ebene steht sowie das Segmentpaar in Längsrichtung schneidet, und das Magnetfeld ein positives Maximum dort hat, wo die zweite Ebene das erste Segment des ijüginentpaares schneidet, und ein negatives Maximum dort, wo die zweite Ebene das andere Segment des Segmentpaares schneidet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Änderung der Gleichförmigkeit des Gradientenfeldes vorgeschlagen, indem die Längenabmessungen der Segment:? relativ zu dem Abstand der Segmente von der Achse und/oder die Winkeldimensionen der Segmente variiert werden.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Steuerung der Verbesserung der Stromdichte an den Enden der Segmente.

ferner wird mit vorliegender Erfindung eine Vorrichtung .zur Steuerung der Gradienten längs der senkrecht zu der Längsachse verlaufenden Achsen vorgeschlagen, u;n die Steuerung der Gleichfö.rmigkeit der Gradienten zu unterstützen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

fig. 1 und 2 Beispiele bekannter Gradientenfelder erzeugender

Einrichtungen,
Fig. 3 eine Bilddarstellung einer Ausführungsform der

Erfindung,
Fig. 4 ein Verfahren zum mathematischen Analysieren der

Einrichtung nach der Erfindung, Fig. 5 und 6 Darstellungen v/eiterer Ausführungsorgan der Erfindung, und

fig. 7 eine Darstellung der Verbindungen von Teilen der Einrichtung nach Fig. 6.

In der Vergangenheit sind Gradientenfelder durch Einrichtungen erzeugt worden, die solche Einrichtungen einschließen, wie sie schematisch in den Fig. 1 und Z gezeigt sind. In beiden figuren sind die stromführenden Leiter, die die Magnetfelder ergeben, relativ zu den X-, Y- und Z-Achseri eines Koordinatensystems dargestellt. Die Achsen dienen zur Vereinfachung der Erläuterungen und beziehen die die Gradientenfelder erzeugenden Einrichtungen auf die Abbildungssysteme mit kerrui.agnctischer Resonanz. Dia Spiegelsymmetrieebene, auf die weiter oben Bezug genommen ist, ist die YZ-Ebene. Bei derartigen Systemen ist das statische Magnetfeld im allgemeinen parallel zur Z-Achse und koaxial damit. Die erfindungsoemäße Anordnung ergibt Gradienten in der X- und in der Y-Richtung. Die Darstellungen und Beschreibungen in vorliegender Anmeldung sind auf Gradienten in der X-Richtung abgestellt, sie gelten jedoch in gleicher Weise für Gradienten in der Y-Richtung. Die Anordnungen brauchen lediglich um 5 0° gedreht werden.

Eine bekannte Gradientenfeider erzeugende Einrichtung 11 nach fig. 1 verwendet vier theoretisch unendlich lange Drähte 12, 13, 14 und 16, die an den vier Eckpunkten eines imaginären Rechteckes dargestellt sind, wobei der Nullpunkt des orthogonalen Koordinatensystems in der Mitte des Rechteckes liegt.

Der Strom v/ird durch jsden der Drähte in Pfeilrichtung in gleicher Richtung geschickt. Entsprechend sind die erzeugten Hagnetfelder in den XY und YZ-Ebenen. Das Feld hat einen Gradienten längs X in der XZ-Ebene (und Ebenen parallel hierzu) .

T7

Der Gradient ist VX=

Die praktisch verwendeten Drähte haben keine unendliche Länge. Stattdessen werden Einrichtungen ähnlich der in Fig. gezeigten bei bekannten Vorrichtungen verwendet. Dio Einrieht ung 17 nach Fig. 2 wird häufig als ein "Sattel" bezeichnet. Sie ist in vielerlei Hinsicht ähnlich der nach Fig. 1. Es sind vier Drähte 18, 19, 21 und 22 vorgesehen, die in die XZ-Ebene gerichtet sind und deren jeder Strom in der gleichen Richtung führt, wie durch Pfeile angedeutet. Die DrMhte IG und 22 sind durch die Drähte 23 und 24, die Drähte 19 und 21 durch die Drähte 26 und 27 miteinander verbunden. Die aus den Drähten 13, 23, 22, 24 sowie 19, 26, 21, 27 gebildeten Schleifen werden aus einer konstanten Stromquelle Ic über Stromleiter 28 und 29 gekoppelt.
Es wird der Gradient XTv · tL erzeugt.

Diese bekannten Einrichtungen sind die Spulen, bei denen die oben erläuterten Probleme auftreten.

Erörterungen vonGradientenspulen, die diese und andere SpulenEinrichtuncjen beschreiben, ergeben sich aus einem Aufsatz "Magnetic Field Gradient Coils for NMR Imaging" von V.Dungert und P. Mansfield, Seiten 235 ff der Zeitschrift Journal of Physics E. (Scientific Instruments), Band 15, I?P,2 und aus den Seiten 263 ff des Buches "NfIR Imaging in -?.iornedicino" von P. Mansfield und P.G. Morris, verlegt 19Γ2 durch Academic Press.

Das erfindungsgemäße Einrichtung 31 nach Fig. 3 verwandet gekrümmte Platten 32 und 33 anstelle der bekannten Drähte oder Spulen zum Führen des felderzougenden Stromes I. Όι·ϊ Platten 32 und 33 sind vorzugsweise Segmente eines Hohlzylinders. Der Strom flieSt von oben nach unten, um entgegengesetzt gerichtete Felder zu erzeugen. Die Stromverteilung und dar.iit die Gleichförmigkeit des Feldes werden von der Geometrie der felderzeugenden Spulen nicht beeinflußt, da es sich nicht um Spulen handelt. Stattdessen ist die Stromquelle Ic durch die Leiter 34 und 36 parallel zu den oberen Enden der Platten 32 und 33 gekoppelt.

Die unteren Lnden der Platten sind über die Stromleiter 37 und 38 parallel geschaltet. Die parallelen Leiter sind von der Stromquelle weg und zur Stromquelle hin durch Leiter 39 und 41 gekoppelt. Der Strom in der Platte ist extrem gleichförmig im Vergleich zu dem Strom in Spulen.

Die physikalischen Eigenschaften, die variabel sind, nämlich die Länge ZL und die V'inkelgröße Q der Platten, werden verwendet, um dazu beizutragen, daß die Symmetrie, die. Linearität und die Gleichförmigkeit des Gradientenfeldes ein uaxinium werden. Die mathematischen Zusammenhänge für die Beschreibung der Platten können dadurch analysiert werden, daß ein Streifen einer Platte mit einer Höhe dl und einer Länge 2L betrachtet wird, der in dem X, Y und Z Koordinatensystem angeordnet ist. Das Feld eines Punktes P(X,Y,Z) wird unter 'Verwendung der Integration des Biot-Savart 'sehen Gesetzes und der Simpson'sehen Regel berechnet. Für das Feld gilt:

I dl 4 JT r

L-z L+z

|(L-z)2₊

wobei bedeuten:

ύ_% = die Permeabilität von Luft

I = die Stromdichte im Streifen

ζ = die lineare Lage des Feldes Bz

L = die Hälfte der Länge des Streifens

r = den radialen Abstand von P vom Streifen, und

θ = den Winkelabstand von Z von der X-Achse

Es sei darauf hingewiesen, daß nur das magnetische Feld Bz relevant ist, da die Felder By und 3x senkrecht zu dem angelegten Feld Bz sind und deshalb diese Felder nur Einflüsse zweiter Ordnung haben.

Das vollständige Feld Bz u/ird durch Integrieren von clB-z über das gesamte Segment erzielt, sobald die Werte von © und r in die Gleichung eingeführt werden. Die Erfindung ist nicht auf die vorgeschlagene Integrationsmethode beschränkt, flan hat

festgestellt, daß die maximale Gradientengleichförm i rjkeit erzielt wird, wenn der Winkel θ etwa ^73 beträgt. Ferner wurde festgestellt, da!3 das Segment ausreichend lang ist, um eine Gleichförmigkeit sicherzustellen, wenn L = 2R, wobei R dor Radius des Zylinders ist.

Mit der Erfindung werden Vorrichtungen vorgeschlagen, um die zylindrischen Segmente verkürzen und/oder die Gleichförmigkeit des Feldes verbessern zu können. Insbesondere sind Vorrichtungen vorgesehen, um die Stromdichte gegen das Ende der Segmente zu vergrößern. Bei der bevorzugten Ausführungsform 4 3 nach Fig. 5 sind die Segmente 32 und 33 jeweils in vier Abschnitte unterteilt. So ist das Segment 32 in Abschnittti 44, 46, 47 und 43 unterteilt. Jeder Abschnitt ist gegenüber dem anschließenden Abschnitt isoliert. Die äußeren Abschnitte 43 und 44 sind kurzer als die inneren Abschnitte, so daß Ll = L4 < L2 = L3, wobei jeder Abschnitt den gleichen Strom führt, jedoch unterschiedliche Stromdichten vorliegen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform gilt L1/L3 = 7/9, mit L = 1,6 R.

Es wurde festgestellt, da8 die Gleichförmigkeit der Gradienten in den X- und Y-Richtungen durch Veränderungen des Wertes von ψ erzielt werden. Werte von jzf bis zu 1,00 Radianten ergeben eine gute Gleichförmigkeit in der X-Richtuno, während Werte von ßf bei etwa 1,21 Radianten eine gute Gleichförmigkeit in der Y~Richtung ergeben.

Desweiteren sind Vorrichtungen vorgesehen, um die Empfindlichkeit der Gleichförmigkeit der Felder, die durch die in Abschnitte unterteilten Segmente nach Fig. 5 erzeugt werden, in Änderungen im Wert von $ so gering wie möglich zu halten. Insbesondere wird eine gute Gleichförmigkeit sowohl in der X-als auch der Y-Richtung erzielt, selbst wenn eine gewisse Änderung im Wert von / auftritt, wenn Einrichtungen 51 nach Fig. 6 verwendet werden. Hierbei werden stromführende longitudinale Segmente 53 und 54 der Anordnung 43 nach Fig. 5 hinzugefügt. Die Segmente 53 und 54 verlaufen parallel zur Z-Achse in der XY-Ebene. Dies beeinflußt die Gradienten

umgekehrt in der X und Y-Richtung, und kompensiert deshalb die Einflüsse in Änderungen von jüf auf die Gleichförmigkeit der Feldgradienten in der X- und der Y-Richtung.

Die Abschnitte 53 und 54 sind gegen die anderen Abschnitte von Segmenten isoliert und werden mit ihnen in Serie geschaltet. Die Verbindungen zwischen den Segmenten sind in F.ig, 7 dargestellt. Die drei Abschnitte in jedem Quadranten bilden, wie in fig. 6 gezeigt, effektiv drei Spulenu/indungen. Strom, der über den Leiter 55 eintritt, fließt durch das Segment in den Leiter 56. Über den Leiter 56 fließt Strom in das Segment 48. Der Strom fließt durch das Segment 48 in den Leiter 57, der zum Segment 54 und dort zum Leiter 5Π führt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Segmente 53 und 54 besonders effektiv, uenn jflf einen Viert von 0.23 Radianten und fi einen Wert von 1,21 Radianten hat.

Im Betrieb ergeben die Gradientenfelder erzeugenden Anordnungen ausgezeichnete Gleichförmigkeit, Linearität und GrthogonalitS'c der Gradientenfelder durch Verwendung von leitenden gekrümmten Platten anstelle der drahtgeviickelten Spulen. Es ist besonders zweckmäßig, Leiter hoher Stromkapazität zu verwenden, um die Platten mit der Stromquelle zu koppeln.

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Claims

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Patentansprüche

1/ Gradientßnfelderzeugungscinrichtung für die Abbildung mit kernmagnetiseher Resonanz, gekennzeichnet durch ein Paar von gegenüberliegend angeordneten elektrischen stromleitenden Segmenten (32, 33) eines Hohlzylinders, die im wesentlicnen im gleichen Abstand von einer gemeinsamen Längsachse versetzt sind, und

eine Vorrichtung (Ic, 37, 38, 39, 41), die bewirkt, daß der Strom in jedem der Segmente (32, 33) in der gleichen R i c h t u η g fließt,

wobei die Stromrichtung ein Magnetfeld um jedes der Segnente, das parallel zur Längsachse verläuft, erzeugt, das kombinier te Feld um jedes der Segmentpaare an allen Punkten in einer ersten Ebene, die die Spiegelsymmetrieebenc ist, welche eines der Segmentpaare auf das andere der Segmentpaare bezieht, Null ist das kombinierte Feld, das sich im wesentlichen linear in einer zweiten, die Längsachse enthaltenden Ebene ändert, senkrecht zur ersten Ebene verläuft und das Secjmentpaar in Längsrichtung schneidet, und

das -laenetfeld ein positives Maximum dort hat, wo die zweite Ebene das erste Segment des Segmentpaares schneidet, und ein negatives Maximum dort hat, wo die zweite Ebene das andere Segment des Segmentpaares schneidet.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die die Gleichförmigkeit des Gradientenfeldes verändert,
3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Veränderung der Längen der stromleitenden Segments relativ zum Abstand der Segmente von der gemeinsamen Längsachse.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Veränderung der Winkelgröße des Paares von stroi.iloilondun Segmenten,
5. Einrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eins Vorrichtung zur Veränderung der Längen der Segment«? relativ zum Abstand der Segmente von der gemeinsamen Längsachse.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Steuerung der Stromdichte an den Enden der Segmente.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Unterteilung der Segmente in Abschnitte, die aus äußeren Abschnitten an den Enden der Segmente und aus inneren Abschnitten bestehen, wobei die äußeren Abschnitte kleiner sind als die inneren Abschalten, eine Vorrichtung zum Isolieren der Abschnitte gegeneinander, und eine Vorrichtung, die die Abschnitte in Reihe schaltet.
3. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment in vier Abschnitte unterteilt ist, aobei die beiden äußeren Abschnitte kleiner sind als die beiden inneren Abschnitte.
9. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge der äußeren Abschnitte zur Länge der inneren Abschnitte 7/9 beträgt, und daß die Gesamtlänge jedes der Segmente das 1,6-fache des Abstandes zwischen den Segmenten und der Längsachse beträgt.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Minimieren der Empfindlichkeit der Felderzeugungseinrichtungen gegenüber Änderungen in der Winkelgröße der Segnente.
11. Linrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein kleineres Segment, das mit jedem der Segmente über die Längsmittelpunkte der Segmente befestigt und von ihnen isoliert ist sowie sich im wesentlichen über die gesamte Länge eines jeden Segmentes erstreckt.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,. daß die V-inkelgröße der kleineren Segmente gleich 0,20 Radianten beträgt, wenn die VJinkelgröße eines jeden der Paare von Segmenten 1,21 Radianten beträgt.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die die kleineren Segmente in Reihe mit den Abschnitten des Segmentes schaltet, mit welchen das kleinere Segment befestigt ist.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daS sie in einem orthogonalen Koordinatensystem angeordnet ist, bei dem die Spiegelsymmetrieebene die YZ-Ebene und die zweite Ebene die XZ-Ebene ist, wobei der Gradient ein Magnetfeld 3z ergibt und dargestellt ist durch