DE3514819A1

DE3514819A1 - Magnetfelderzeugungs-spule fuer ein mit kernmagnetischer resonanz arbeitendes abbildungsgeraet

Info

Publication number: DE3514819A1
Application number: DE19853514819
Authority: DE
Inventors: Yuji Tokio/Tokyo Inoue; Hideto Hachiohji Tokio/Tokyo Iwaoka
Original assignee: Yokogawa Medical Systems Ltd; Yokogawa Hokushin Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1984-04-26
Filing date: 1985-04-24
Publication date: 1985-11-07
Also published as: GB2158247A; JPS60227403A; US4623864A; GB2158247B; JPH0314215B2; DE3514819C2; GB8509735D0

Description

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Magnetfelderzeugungs-Spule für ein mit kernmagnetischer Resonanz arbeitendes Abbildungsgerät

Die Erfindung betrifft eine Magnetfelderzeugungs-Spule für ein mit kernmagnetischer Resonanz arbeitendes Abbildungsgerät und bezieht sich insbesondere auf die Verbesserung der Gleichmäßigkeit oder Gleichförmigkeit eines kernlosen Spulen- oder Luftspulen-Magneten für ein mit kernmagnetischer Resonanz arbeitendes bzw. sog. NMR-Abbildungsgerät.

Eiⁿ NMR-Abbildungsgerät ist bekanntlich eine Vorrichtung zur Gewinnung eines Bilds einer gewählten (Schnitt-) Ebene eines Körpers ohne jeden Eingriff in diesen. Bei einem NMR-Gerät dieser Art wird eine kernlose Spule oder Luftspule zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfelds (speziell eines statischen Magnetfelds) benutzt.

Beim Wickeln einer Luftspule zu einer Einfach- oder Doppel-Scheiben- oder -Flachspule wird im allgemeinen ein Draht auf die in Fig. 1 gezeigte Weise um einen (zylindrischen oder säulenförmigen) Spulenkörper 1 herumgewickelt. Im Bereich der ersten Windung des Drahts verbleibt dabei zwischen diesem und dem Spulenkörper 1 ein Zwischenraum 3, so daß die jeweils folgenden Windungen des Drahts keine vollkommen runde Fläche bilden (da der erforderliche Gleichförmigkeitsgrad eines

Magneten für kernmagnetische Resonanz in der Größenordnung von 10 liegt, kann eine derartige Spule nicht als kreisrunde Ringspule betrachtet werden, und es ist daher eine gewisse Korrektur nötig.

Fig. 2 veranschaulicht beispielhaft den Aufbau einer Luftspule für NMR-Abbildungsgeräte. Dabei sind vier Luftspulenanordnungen CS1, CS2, CL1 und CL2 auf derselben Achse so angeordnet, daß der Gleichförmigkeitsgrad des Innenraums (im Abbildungsbereich) einem Mehrfachen von 10 ppm entspricht. Jede Luftspulenanordnung besteht aus einer Anzahl von Spulenelementen in Lagen, und jedes Spulenelement ist aus einem auf die in Fig. 1 gezeigte Weise gewickelten Draht 2 ausgebildet.

Wenn es diesen Spulenelementen jedoch an einer vollkommenen Rundheit mangelt, wird der Gleichförmigkeitsgrad, bezogen auf das Magnetfeld, im Vergleich zur Sollgröße erheblich beeinträchtigt. Eine Möglichkeit zum Korrigieren der Gleichförmigkeit besteht z.B. in der Verwendung von Zwischen- oder Trimmspulen (shim coils); diese Maßnahme ist jedoch unzweckmäßig, weil verschiedene Kombinationen solcher Trimmspulen je nach der gewünschten Korrektur des Gleichförmigkeitsgrads benötigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer kernlosen Spule der Luftspule für NMR-Geräte, die eine Korrektur des Gleichförmigkeitsgrads des internen oder inneren Magnetfelds der Luftspule mittels einer Verbesserung des Spulenwickelverfahrens und des Verfahrens für den Verdrahtungsanschluß zwischen den Spulenelementen beim Übereinanderlegen der einzelnen Spulenelemente ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Magnetfelderzeugungs-Spule aus zwei inneren Spulenanordnungen und zwei äußeren Spulen-

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anordnungen, die jeweils in vorbestimmten (gegenseitigen) Abständen koaxial auf der Achse Z angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Spulenanordnung aus mehreren Scheiben- oder Flachspulenelementen in Lagen aufgebaut ist, daß bei jedem Flachspulenelement die Konfiguration oder Gestalt eines Zwischenstücks, das unter einem Draht zum Ende einer Windung hin eingesetzt ist, zweckmäßig eingestellt oder angepaßt und die Windungslänge des Endabschnitts jedes Spulenelements eingestellt oder angepaßt ist, und daß die vier Spulenanordnungen und jedes der Spulenelemente durch Verdrehen derselben um die Achse Z in der Weise angeordnet sind, daß die Anschlußverdrahtung zwischen dem Endabschnitt jedes Spulenelements und dem Anfangsabschnitt des folgenden Spulenelements sowie die Anschlußverdrahtung zwischen den einzelnen vier Spulenanordnungen parallel zur Achse Z liegen, wodurch im Innenraum der Magnetfelderzeugungs-Spule ein Magnetfeld hoher Gleichförmigkeit erzielt wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung des Wickelzustands einer Flachspule,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung des Aufbaus eines Magneten für kernmagnetische Resonanz,

Fig. 3 eine Darstellung zur Erläuterung eines Verfahrens zum Einstellen oder Anpassen der Konfiguration eines Spulenelements gemäß der Erfindung,

Fig. 4 und 5 schematische Darstellungen eines Drahtanschlußverfahrens für Flachspulenelemente,

Fig. 6 und 7 graphische Darstellungen des bei einer

Spule gemäß der Erfindung erzielten Gleichförmigkeitsgrads des Magnetfelds,

Fig. 8 schematische Darstellungen eines Verfahrens zum Einstellen oder Anpassen der Konfiguration eines Spulenelements bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 9 und 10 schematische Darstellungen eines Drahtanschlußverfahrens für Doppelflachspulenelemente.

Nachstehend ist zunächst eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben.
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1. Verfahren zum Anpassen (adjusting) der Konfiguration einer Spule

Gemäß Fig. 3 wird am Spulenkörper 1 ein Abstand- oder Zwischenstück 31 befestigt, das den Zwischenraum unter dem Draht 2 im Bereich des Endes seiner ersten Windung ausfüllt. Die Konfiguration oder Gestalt des Zwischenstücks kann zum zweckmäßigen Korrigieren des Gleichförmigkeitsgrads beliebig gewählt werden. 25

2. Verfahren zum Anpassen der Länge des Drahtwindungsendes

Wenn das Spulenelement kreisringförmig ausgelegt ist, liegt sein Windungsende 2b üblicherweise auf derselben Achse Υ wie der Drahtwindungs-Anfangsteil 2a. Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß das unter 1. beschriebene Vorgehen allein nicht ausreicht, um einen zweckmäßigen Gleichförmigkeitsgrad im Magnetfeld zu erzielen, wird jedoch erfindungsgemäß der Gleichförmigkeitsgrad

durch Einstellung oder Anpassung der Länge des Endteils 2b des Spulenelements korrigiert.

c 3. Verfahren zum Anordnen von Flachspulenelementen

Fig. 4 veranschaulicht ein Beispiel für die Anordnung von Spulenelementen. Es hat sich gezeigt/ daß bei einem System aus einer Vierspulenanordnung der Gleichförmigkeitsgrad dadurch verbessert wird, daß der Drahtwindungsendteil der Spulenelemente der Spulenanordnungen CS1 und CS2 (Fig. 2) von der Achse Y (Fig. 3) weg verlegt wird. Wenn die Anschlußverdrahtung (connection wiring) zwischen jedem der vier Spulenelemente gemäß Fig. 5(a) so angeordnet ist, daß sie zu den Achsen Z und X schräg verläuft, wird die Wirkung der Verkürzung des Endteils des gewickelten Drahts aufgehoben, weil die Komponente X des im Verdrahtungsabschnitt fließenden elektrischen Stroms der Tatsache äquivalent ist, daß er (dieser Abschnitt) einen Teil des gewickelten Drahts bildet. Demzufolge werden gemäß Fig. 5(b) die Spulenelemente so angeordnet, daß die Anschlußverdrahtung zwischen zwei benachbarten Spulenelementen parallel zur Achse Z liegt.

Durch Anordnung der vier Spulenanordnungen in der Weise, daß die Endabschnitte jedes Spulenelements (die mit den umrahmten Ziffern bezeichneten Abschnitte) gemäß Fig. 4 zu den jeweiligen anderen Abschnitten und zur Ebene ZY symmetrisch liegen, wird symmetrische Gleichförmigkeit auf den Achsen X und Y erzielt.

Die Spulenanordnungen CS1 und CS2 gemäß Fig. 4 sind Doppelflachspulenelemente, und die Verdrahtung für die Verbindung benachbarter Spulenelemente (in Fig. 4 durch die mit Kreisen verbundenen Linien angedeutet, welche

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die Mittenachsen der Doppelflachspulen angeben) liegt parallel zur Achse Z.

Der auf diese Weise erzielte Gleichförmigkeitsgrad im Magnetfeld ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt, in denen jeweils auf der Abszisse die Achse Y (X = Y = 0) und auf der Ordinate der Gleichförmigkeitsgrad (AB/B-) in Beziehung zur Dichte B_Q des Magnetflusses am Zentrum einer Spule (0, 0, 0) in Einheiten von ppm aufgetragen sind.

Fig. 6 zeigt den bei Einstellung oder Anpassung der Konfiguration des Zwischenstücks 31 erzielten Gleichförmigkeitsgrad. Da das Vorzeichen des Gleichförmigkeitsgrads in der Richtung +Y in diesem Fall negativ ist/ kann dies dadurch korrigiert werden, daß der Drahtwindungs-Endteil des Spulenelements (in Fig. 3 mit 2b bezeichneter Abschnitt) etwas langer ausgebildet wird. Fig. 7 veranschaulicht den durch diese Einstellung erzielten Gleichförmigkeitsgrad im Magnetfeld.

Nachstehend ist eine andere Ausführungsform der Erfindung erläutert. Dabei sind die äußeren Spulenanordnungen CS1 und CS2, die jeweils aus neun Spulenelementen in Lagen bestehen, die jeweils ein 15 Windungen aufweisendes Doppelflachspulenelement mit einem Innendurchmesser von etwa 960 mm bilden, sowie die inneren Spulen CL1 und CL2, die jeweils aus fünfzehn Spulenelementen in Lagen bestehen, welche (ihrerseits) ein 7 Windungen aufweisendes Doppelf lachspulenelement mit einem Innendurchmesser von etwa 1000 mm bilden, auf die in Fig. 2 gezeigte Weise angeordnet. Für jedes Spulenelement wird die im folgenden beschriebene Einstellung (Anpassung) und Anordnung vorgesehen.

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1. Verfahren zum Anpassen der Länge des Drahtwindungsendes

Die Spulenelemente werden in der Weise übereinandergelegt, daß der öffnungswinkel zwischen der Mittelposition 8a des Stromanschlusses zwischen den einzelnen, die Spulenanordnungen CL1 und CL2 bildenden Spulenelementen und dem Übergangszentrum (center of transition) 8b jedes Doppelflachspulenelements gemäß Fig. 8(a) 1° beträgt.

Andererseits werden die die Spulenanordnungen CS1 und CS2 bildenden Spulenelemente so übereinandergelegt, daß die Mittelposition 8a des Stromanschlusses und das Übergangszentrum 8b gemäß Fig. 8(b) miteinander übereinstimmen.

Durch diese Einstellung des öffnungswinkels zwischen den Achsen 8a und 8b wird die Länge des Drahtwindungs-Endteils jedes Doppelflachspulenelements eingestellt oder angepaßt.

2. Anordnung der Spulenelemente

Die Anordnung der Spulenelemente in den Spulenanordnungen CL1 und CL2 ist in Fig. 9 dargestellt. Da einander benachbarte Doppelflachspulenelemente gemäß Fig. 8(a) mit einem Öffnungswinkel von 1° verbunden sind, beträgt der Öffnungswinkel α zwischen dem Zentrum des Stromanschlusses 9bs des ersten Doppelflachspulenelements und dem Zentrum des Stromanschlusses 9be des fünfzehnten Doppelflachspulenelements 15 .

Fig. 9(b) zeigt die Anordnung der Spulenelemente in den Spulenanordnungen CS1 und CS2. Dabei liegt das Zentrum des Stromanschlusses zwischen den einzelnen Spulenelementen parallel zur Achse Z.

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Fig. 10 veranschaulicht den Aufbau der Spulenanordnungen CS1, CS2, CL1 und CL2, die jeweils durch Übereinanderlegen oder Stapeln (overlaying) der beschriebenen Spulenelemente gebildet sind. Der Gesamt-Öffnungswinkel α des Zentrums des Stromanschlusses der vier Spulenanordnungen beträgt 30 .

Die vorstehend beschriebene Erfindung ermöglicht somit die praktische Anwendung eines Magneten für kernmagnetische Resonanz dadurch, daß der Gleichförmigkeitsgrad des internen Magnetfelds durch Verbesserung der Konfiguration oder des Anschlußzustands des Spulenelements selbst und ohne die Notwendigkeit für die Hinzufügung einer Trimmspule oder einer umständlichen Anpassung der Trimmspule eingestellt oder justiert werden kann.

Selbstverständlich ist die Erfindung keineswegs auf die vorstehend dargestellten und beschriebenen, derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedenen weiteren Änderungen und Abwandlungen zugänglich.

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

/1 j Magnetfelderzeugungs-Spule aus zwei inneren Spulenanordnungen und zwei äußeren Spulenanordnungen, die jeweils in vorbestimmten (gegenseitigen) Abständen koaxial auf der Achse Z angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spulenanordnung aus mehreren Scheiben- oder Flachspulenelementen in Lagen aufgebaut ist, daß bei jedem Flachspulenelement die Konfiguration oder Gestalt eines Zwischenstücks, das unter einem Draht zum Ende einer Windung hin eingesetzt ist, zweckmäßig eingestellt oder angepaßt und ._t"

T-die Windungslänge des Endabschnitts jedes Spulen- \

elements eingestellt oder angepaßt ist, und daß die vier Spulenanordnungen und jedes der Spulenelemente durch Verdrehen derselben um die Achse Z in der Weise angeordnet sind, daß die Anschlußverdrahtung zwischen dem Endabschnitt jedes Spulenelements und dem Anfangsabschnitt des folgenden Spulenelements sowie die Anschlußverdrahtung zwischen den einzelnen vier Spulenanordnungen parallel zur Achse Z liegen, wodurch im Innenraum der Magnetfelderzeugungs-Spule ein Magnetfeld hoher Gleichförmigkeit erzielt wird.
2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden inneren Spulen(anordnungen) jeweils aus mehreren Doppelflachspulenelementen in Lagen aufgebaut sind, daß in jedem Spulenelement die Windungslänge des Endabschnitts des Spulenelements so eingestellt ist, daß die Windungszahl im Bereich eines Öff-

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nungswinkels von etwa 1 verkleinert ist, und daß in den beiden äußeren Spulen(anordnungen) der Endabschnitt jedes Spulenelements und der Anfangsabschnitt des folgenden Spulenelements in derselben Position liegen.
3. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Spulen(anordnungen) jeweils aus mehreren Doppelflachspulenelementen in Lagen aufgebaut sind, daß in jedem Spulenelement die Windungslänge des Endabschnitts des Spulenelements so eingestellt ist, daß die Windungszahl im Bereich eines Öffnungswinkels von etwa 3,5 verkleinert ist, und daß in den beiden inneren Spulen(anordnungen) der Endabschnitt jedes Spulenelements und der Anfangsabschnitt des folgenden Spulenelements in derselben Position liegen.