DE3441174C2

DE3441174C2 - Gradientenfeld-Erzeugungseinrichtung

Info

Publication number: DE3441174C2
Application number: DE3441174A
Authority: DE
Inventors: Stephen Geoffrey Lipson; Zvi Kamil
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: Elscint Ltd
Priority date: 1983-11-13
Filing date: 1984-11-10
Publication date: 1996-09-12
Anticipated expiration: 2004-11-11
Also published as: US4595900A; JPH0535562B2; NL8403470A; IL70211A0; IL70211A; FR2555009B1; FR2555009A1; JPS60180104A; DE3441174A1; NL192009C; NL192009B

Description

Die Erfindung betrifft eine Gradientenfeld-Erzeugungseinrich tung für Abbildungen mit kernmagnetischer Resonanz.

Um 1973 wurden lineare Feldgradienten zum ersten Mal für Einrichtungen mit kernmagnetischer Resonanz verwendet, um von Objekten zu lokalisieren. Damit war es möglich, Bilder von Objekten zu rekonstruieren, die dadurch entstanden sind, daß die in hohen statischen Magnetfeldern angeordneten Objekte vorübergehend rotierenden HF-Feldern ausgesetzt wurden. Seit dieser Zeit versuchen Wissenschaftler auf diesem Gebiet, Spulenanordnungen zu entwickeln, die möglichst stabile, homogene, orthogonale und lineare Gradientenfelder ergeben. Unter anderem müssen die Gradientenfelder in kurzen Zeit perioden ein- und ausgeschaltet werden, so daß es notwendig ist, daß zueinander angeordnet relativ niedrige Induktivitäten haben.

Bekannte, Gradienten erzeugende Spulen weisen u. a. vier theoretisch unendlich lange Leiter auf, die in den vier Quadranten der Ebene, die durch die Richtung des statischen Feldes und die Richtung des Gradienten definiert ist in gleichem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Leiter verlaufen senk recht zu dieser Ebene. Somit wird ein Gradient ∇X durch Leiter senkrecht zur XZ-Ebene erzeugt. Praktisch sind die Gradientenspulen jedoch Leiter mit begrenzter. Länge, und die Spulen sind rechteckförmig, trapezförmig, sattelförmig usw. Um die Induktivität so gering wie möglich zu halten, besitzen die Gradien tenspulen eine relativ geringe Anzahl von Windungen, wodurch die magnetische Feldstärke des Gradienten reduziert wird.

Auch haben die Spulen eben Eigenwiderstand und erzeugen deshalb Wärme, die einen Energieverlust darstellt. Zusätzlich zu der durch den Widerstand erzeugten Wärme treten Wirbelstrom verluste in den Spulen auf. Somit beeinflussen die bekannten, Gradienten erzeugenden Spulen die FID-Signale nachteilig.

Aus der DE-OS 31 33 873 ist ein Gradientenspulensystem für eine Einrichtung der Kernspinresonanztechnik bekannt, bei dem die Gradientenspulen in herkömmlicher Weise aus linienförmi gen Leitern bestehen. Das Spulensystem ist hierbei auf einem hohlzylindrischen Trägerkörper angeordnet, dessen Zylinder achse in Z-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems mit dem Koordinatenursprung im Zentrum eines Abbildungsbereiches verläuft. Neben ringförmigen Einzelspulen zur Erzeugung von weitgehend konstanten Feldgradienten ist zusätzlich ein Satz von symmetrisch angeordneten Paaren sattelförmiger Einzelspu len vorgesehen, die zur Erzeugung von im Abbildungsbereich weitgehend konstanten Feldgradienten in X-Richtung und in Y-Richtung vorgesehen sind. Diese sattelförmigen Einzelspulen weisen jeweils gerade, in Z-Richtung verlaufende Leiterstücke und bogenförmige, senkrecht zur Z-Achse in Umfangsrichtung des Trägerkörpers verlaufende Leiterstücke auf. Um einen Abbildungsbereich dreidimensionaler Gestalt mit weitgehend konstanten Feldgradienten zu erhalten, ist den der Symmetrie ebene zugewandten bogenförmigen Leiterstücken der Einzelspu len zur Erzeugung der X- bzw. Y-Feldgradienten jeweils ein weiteres bogenförmiges Leiterstück parallel geschaltet.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, verbesserte Gradientenfeld-Erzeugungseinrichtungen zu schaffen, die lineare und homogene Gradienten ergeben.

Gemäß der Erfindung wird dies mit den Merkmalen des Anspruches 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die massiven, Segmente eines Hohlzylinders darstellenden Platten anstelle bekannter Leiterdrähte ergeben ein Magnet feld, das parallel zur Längsachse des Hohlzylinders, d. h. um jedes der massiven Segmente parallel zur Längsachse verläuft. Das kombinierte Feld variiert im wesentlichen linear in einer Ebene, die jeden der longitudinalen, massiven zylindrischen Abschnitte schneidet und die Längs achse enthält. Das kombinierte Feld hat ein positives Maximum dort, wo es einen der massiven zylindrischen Abschnitte schneidet, und ein negatives Maximum an der Schnittstelle des anderen massiven zylindrischen Abschnittes. Das kombinierte Feld ist ferner Null in einer Ebene, die die zylindrische Achse enthält, und verläuft senkrecht zu dieser Schnittebene. In der in den Figuren dargestellten Einrichtung ist die erste Ebene die XZ-Ebene, und die zweite oder Nullfeldebene die YZ-Ebene. Bei den Gradientenspulenplat ten nach der Erfindung fließt der Strom in jeder der Platten in gleicher Richtung entsprechend den an die Platten gelegten Polaritäten.

Die die Gradientenfelder erzeugenden Einrichtungen nach der Erfindung ergeben ausgezeichnete Gleichförmigkeit, Linearität und Orthogonalität der Gradientenfelder auf Grund der Verwendung massiver Platten anstelle von herkömmlichen Spulen aus Leiterdrähten, und es ist besonders zweckmäßig, Leiter hoher Stromkapazität zum Verbinden der Platten mit der Stromquelle zu verwenden.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich nung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 bekannte, Gradientenfelder erzeugende Einrichtungen,

Fig. 3 eine Darstellung einer Einrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 4 die Darstellung der Methode des mathematischen Analysierens der Einrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 5 und 6 Darstellungen weiterer Ausführungsformen der Erfindung.

Bisher sind Gradientenfelder durch Einrichtungen erzeugt worden, wie sie schematisch in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind. In beiden Figuren sind die stromführenden Leiter, die die Magnetfelder erzeugen, relativ zu den X-, Y- und Z-Achsen eines Koordinatensystems dargestellt. Die Spiegelsymmetrieebene ist die YZ-Ebene. Bei solchen Systemen verläuft das statische Magnetfeld im allgemeinen parallel zur Z-Achse. Die erfindungsgemäße Einrichtung ergibt Gradienten in der X- und in der Y-Richtung. Darstellung und Beschreibung sind auf Gradienten in der X-Richtung abgestellt, sie gelten jedoch in gleicher Weise für Gradienten in der Y-Richtung, wobei lediglich eine Drehung um 90° erforderlich ist.

Eine bekannte, Gradientenfelder erzeugende Einrichtung 11 nach Fig. 1 weist vier theoretisch unendlich lange Leiter drähte 12, 13, 14 und 16 auf, die an den vier Eckpunkten eines imaginären Rechteckes dargestellt sind, wobei der Nullpunkt des orthogonalen Koordinatensystems in der Mitte des Rechteckes liegt.

Der Strom durchfließt jeden der Leiterdrähte in Pfeilrichtung in gleicher Richtung. Entsprechend sind die erzeugten Magnetfelder in den XY- und YZ-Ebenen gleich Null. Das Feld hat einen Gradienten längs der Achse X in der XZ-Ebene (und Ebenen parallel dazu).

Der Gradient ist

Die praktisch verwendeten Leiterdrähte haben endliche Länge. Bei bekannten Einrichtungen finden solche, wie in Fig. 2 dargestellt, Verwendung. Die Einrichtung 17 nach Fig. 2 wird häufig als Sattel bezeichnet. Sie entspricht in vielen Hinsichten der nach Fig. 1. Es sind vier Leiterdrähte 18, 19, 21 und 22 vorgesehen, die parallel zur XZ-Ebene angeordnet sind und deren jeder Strom in der gleichen Richtung führt, wie durch Pfeile angedeutet. Die Leiterdrähte 18 und 22 sind durch die Leiterdrähte 23 und 24, die Leiterdrähte 19 und 21 durch die Leiterdrähte 26 und 27 miteinander verbunden. Die aus den Leiterdrähten 18, 23, 22, 24 sowie 19, 26, 21, 27 gebildeten Schleifen werden mit einer konstanten Stromquelle I_c über die Stromleiter 28, 29 gekoppelt. Hierbei wird der Gradient

erzeugt.

Diese bekannten Einrichtungen entsprechen den Spulen, bei denen die vorstehend erläuterten Probleme auftreten.

Gradientenspulen mit den vorbeschriebenen und anderen Spuleneinrichtungen sind beschrieben in "Magnetic Field Gradient Coils for NMR Imaging" von V. Bangert und P. Mansfield, Seiten 235 ff, Journal of Physics E. (Scientific Instruments), Band 15, 1982 und in "NMR Imaging in Biomedi cine" von P. Mansfield und P.G. Morris, 1982, Verlag Academic Press.

Die erfindungsgemäße Einrichtung 31 nach Fig. 3 verwendet gekrümmte Platten 32 und 33 anstelle der bekannten Leiter drähte oder Spulen zum Führen des felderzeugenden Stromes I. Die Platten 32 und 33 sind vorzugsweise Segmente eines Hohlzylinders. Der Strom fließt jeweils von oben nach unten und erzeugt entgegengesetzt gerichtete Felder. Die Stromver teilung und damit die Gleichförmigkeit des Feldes wird durch die Geometrie der felderzeugenden Spulen nicht beeinflußt, da es sich nicht um aus Leiterdrähten bestehende Spulen handelt. Vielmehr ist die Stromquelle I_c durch die Leiter 34 und 36 parallel zu den oberen Enden der Platte 32 und 33 gekoppelt, während die unteren Enden der Platten über die Stromleiter 37 und 38 parallel geschaltet sind. Die parallelen Leiter sind mit der Stromquelle durch Leiter 39 und 41 gekoppelt. Der Strom in den Platten ist im Vergleich zum Strom in Spulen extrem gleichförmig.

Die variablen physikalischen Eigenschaften, nämlich die Länge ZL und die Winkelgröße Θ der Platten, dienen dazu, die Symmetrie, die Linearität und die Gleichförmigkeit des Gradientenfeldes zu maximieren. Die mathematischen Zusammen hänge für die Beschreibung der Platten können dadurch analysiert werden, daß ein Streifen einer Platte mit einer Höhe d1 und einer Länge 2L betrachtet wird, der in dem X Y Z Koordinatensystem vorgesehen ist. Das Feld eines bestimmten Punktes P (X, Y, Z) wird unter Verwendung der Integration des Bio-Savart′schen Gesetzes und der Simpson′schen Regel berechnet. Für das Feld gilt:

wobei bedeuten:

µ₀ = die Permeabilität von Luft
I = die Stromdichte im Streifen
z = die lineare Länge des Feldes Bz
L = die Hälfte der Länge des Streifens
r = den radialen Abstand von P vom Streifen, und
Θ = den Winkelabstand Z von der X-Achse.

Dabei ist nur das magnetische Feld Bz relevant, da die Felder By und Bx senkrecht zu dem angelegten Feld Bz verlaufen und deshalb diese Felder nur untergeordnete Einflüsse haben.

Das vollständige Feld Bz wird durch Integrieren von dBz über das gesamte Segment erzielt, sobald die Werte von Θ und r in die Gleichung eingeführt werden. Die Erfindung ist nicht auf die Integrationsmethode beschränkt. Es wurde festgestellt, daß die maximale Gradientengleichförmigkeit erzielt wird, wenn der Winkel Θ etwa π/3 beträgt. Ferner wurde festge stellt, daß das Segment ausreichend lang ist, um eine Gleichförmigkeit sicherzustellen, wenn L = 2R, wobei R der Radius des Zylinders ist.

Mit der Erfindung werden Vorkehrungen vorgeschlagen, die zylindrischen Segmente zu kürzen und/oder die Gleichförmig keit des Feldes zu verbessern. Insbesondere wird die Strom dichte gegen das Ende der Segmente vergrößert. Bei einer bevorzugten Einrichtung 43 nach Fig. 5 sind die Segmente 32 und 33 jeweils in vier Abschnitte unterteilt, z. B. das Segment 32 in die Abschnitte 44, 46, 47, 48. Jeder Abschnitt ist gegenüber dem benachbarten Abschnitt isoliert. Die äußeren Abschnitte 48 und 44 sind kürzer als die inneren Abschnitte, so daß L1 = L4 < L2 = L3, wobei jeder Abschnitt den gleichen Strom führt, jedoch unterschiedliche Stromdich ten auftreten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform gilt L1/L3 = 7/9, wobei L = 1,6 R.

Die Gleichförmigkeit der Gradienten in den X- und Y-Richtun gen wird durch Veränderungen des Wertes von Φ erzielt. Werte von Φ bis zu 1,08 Radianten ergeben eine gute Gleichförmig keit in der X-Richtung, während Werte von Φ bei etwa 1,21 Radianten eine gute Gleichförmigkeit in der Y-Richtung ergeben.

Weiterhin sind Vorkehrungen getroffen, um die Empfindlichkeit der Gleichförmigkeit dem Felder, die durch die in Abschnitte unterteilten Segmente nach Fig. 5 erzeugt werden, in Änderun gen des Wertes von so gering wie möglich zu halten. Mit einer Einrichtung nach Fig. 6 wird eine gute Gleichförmigkeit sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung erzielt, auch wenn eine gewisse Änderung des Wertes von Φ auftritt. Hierbei werden stromführende Längssegmente 53 und 54 in der Einrich tung 43 nach Fig. 5 vorgesehen. Diese Segmente 53 und 54 verlaufen parallel zur Z-Achse in der XY-Ebene. Dies beein flußt die Gradienten in der X- und Y-Richtung umgekehrt und kompensiert deshalb die Einflüsse von Änderungen von Φ auf die Gleichförmigkeit der Feldgradienten der X- und der Y-Richtung.

Die Längsabschnitte 53, 54 sind gegen die anderen Abschnitte von Segmenten isoliert und mit ihnen in Serie geschal tet. Die drei Abschnitte in jedem Quadranten bilden, wie Fig. 6 zeigt, effektiv drei Spulenwindungen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Segmente 53 und 54 besonders effektiv, wenn Φ₄ einen Wert von 0,20 Radianten und Φ einen Wert von 1,21 Radianten hat.

Claims

1. Gradientenfeld-Erzeugungseinrichtung für Abbildungen mit kernmagnetischer Resonanz, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspulen als massive, stromleitende Segmente (32, 33) eines Hohlzylinders ausgebildet sind, dessen Achse (Z) parallel zur Richtung des Hauptmagnetfeldes (B₀) verläuft, und daß die beiden stromleitenden Segmente (32, 33) jeweils an ihren eng benachbarten Kanten (34, 36; 37, 38) kontaktiert und bezüglich zweier Symmetrieachsen (Y, X) des Systems symmetrisch ausgebildet sind, nämlich zu einer ersten Ebene, die die Richtung des Hauptmagnetfeldes enthält und zwischen den Segmenten verläuft, und zu einer zweiten Ebene, die diese Achse ebenfalls enthält und senkrecht zur ersten Ebene steht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Segmenten (32, 33) ein gesamtes Gradientenspulensystem für eine Koordinatenrichtung bilden, wobei die beiden Paare symmetrisch zu einer dritten Ebene angeordnet sind, die senkrecht zu den beiden erstgenannten Ebenen steht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden jeweils eng benachbarten Kanten (34, 36; 37, 38) der beiden Segmente (32, 33) stromdurchflossen sind, und daß das kombinierte, von den Paaren von Segmenten erzeugte Feld an allen Stellen der ersten Symmetrieachse Null ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichförmigkeit des Gradientenfeldes durch Änderung der Länge (L) und der Winkelgröße (Θ) der stromleitenden Segmente (32, 33) veränderbar ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L) der stromleitenden Segmente (32, 33) relativ zum Abstand der Segmente von der gemeinsamen Längsachs (Z) veränderbar ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgröße (Θ) des Paares von stromleitenden Segmenten (32, 33) veränderbar ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromdichte an den Enden der Segmente (32, 33) steuerbar ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (32, 33) in Abschnitte (44, 46, 47, 48) unterteilt sind, die aus äußeren Abschnitten (44, 48) an den Enden der Segmente und aus inneren Abschnitten (46, 47) bestehen, wobei die äußeren Abschnitte kleiner sind als die inneren Abschnitte.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Segment (32, 33) in vier Abschnitte unterteilt ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Länge der äußeren Abschnitte zur Länge der inneren Abschnitte (7/9) und die Gesamtlänge jedes der Segmente das 1,6fache des Abstandes zwischen den Segmenten und der Längsachse beträgt.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit der Felderzeugungseinrichtungen gegenüber Änderungen der Winkelgröße (Θ) der Segmente (32, 33) minimierbar ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein longitudinales kleineres Segment (53, 54), das mit jedem der Abschnitte (44, 46, 47, 48) über die Längsmittelpunkte der Abschnitte befestigt und gegen diese isoliert ist, wobei sich das longitudinale kleinere Segment im wesentlichen über die gesamte Länge eines jeden Segmentes erstreckt und mit den Abschnitten in Reihe geschaltet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelgröße der kleineren Segmente 0,20 Radianten beträgt, wenn die Winkelgröße eines jeden der Paare von Segmenten 1,21 Radianten ist.