DE3752332T2 - Selbstgeschmirmte Gradientspulen für Abbildung in kernmagnetischer Resonanz - Google Patents

Selbstgeschmirmte Gradientspulen für Abbildung in kernmagnetischer Resonanz

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DE3752332T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Spulensystem zum Erzeugen eines Gradienten-Magnetfeldes, welches bei der Abbildung und Spektroskopie mittels magnetischer Resonanz benutzt wird, und insbesondere ein Spulensystem zum Erzeugen eines Magnetfeldes, welches im Inneren des Spulensystems einen linearen Gradienten und außerhalb des Spulensystems einen im Wesentlichen Nullwert hat.
  • Magnetische Resonanz-(MR)-Abbildungssysteme werden derzeit bei der Bildung von tomografischen Bildern der inneren menschlichen Anatomie verwendet. In solchen System wird ein Patient in ein statisches Magnetfeld platziert und elektromagnetischen Hochfrequenzimpulsen ausgesetzt. Die magnetische Resonanz der Atomkerne des Patienten werden mit einer Antenne erfasst, um Informationen zu liefern, aus welchen ein Bild des Teils des Patienten, der die Kerne enthält, gebildet werden kann. Das Magnetfeld besitzt in jeder der drei Raumdimensionen lineare Gradienten, so dass die Position der resonierenden Kerne bestimmt werden kann. Die gleichen Phänomene werden bei der magnetischen Resonanzspektroskopie zum Analysieren der Eigenschaften von Kernen verwendet.
  • Typischerweise bildet ein Hauptmagnet ein einheitliches Magnetfeld großer Stärke, und diesem Magnetfeld werden lineare Gradienten überlagert durch Gradientenspulen, welche im Inneren des Hauptmagneten angeordnet sind. Der Hauptmagnet kann aus einer supraleitenden Spule, einer Widerstandsspule oder einem Satz von Permanentmagneten bestehen. Eine Gradientenspule kann aus Windungen bestehen, die auf eine flexible gedruckte Leiterplatte geätzt sind, welche gekrümmt ist, um einen Zylinder zu bilden, oder kann aus Leitern bestehen, welche durch einen Rahmen an ihren geeigneten Orten gehalten werden.
  • Wenn man die innere Bohrung des Hauptmagneten nahe zum Abbildungsvolumen bringt, und daher nahe zu den Gradientenspulen, wird die Wirksamkeit des Magneten bezüglich des Materialaufwandes, der Kosten und, ausgenommen für Permanentmagneten, des Energieverbrauchs gesteigert. Die große Nähe des Magneten zu den Gradientenspulen führt jedoch zu unerwünschten Wechselwirkungen zwischen diesen.
  • Wenn der Hauptmagnet z.B. elektrisch leitfähiges Material aufweist (z.B. Neodym-Permanentmagnete oder der Cryostat eines supraleitenden Magneten), induzieren die wechselnden Magnetfelder der Gradientenspulen Ströme im leitfähigen Material. Diese Ströme verzerren das Magnetfeld im Abbildungsvolumen sowohl zeitlich als auch räumlich. Wenn Permanentmagnete benutzt werden, zerstreuen die Wirbelströme darüber hinaus Energie, welche als Wärme auftritt, was das Magnetfeld noch mehr verzerrt. Die Lösung des Anordnens einer leitenden Abschirmung zwischen den Gradientenspulen und den Magneten verschiebt die Wirbelströme lediglich zu der Abschirmung, und die Verzerrungen der Gradientenfelder bestehen somit fort.
  • Magnetische Wechselwirkung zwischen dem Hauptmagneten und den Gradientenspulen ergibt auch anziehende und abstoßende Kräfte, welche belästigende hörbare Geräusche erzeugen. Es sind strukturelle Träger mit hoher Festigkeit und Steifigkeit verwendet worden in dem Versuch, das hörbare Geräusch von den Gradientenspulen zu reduzieren, aber mit beschränktem Erfolg.
  • Aus der EP-A-0 167 243 ist eine magnetische Abschirmung eines Magneten wie eines ersten Satzes von supraleitenden Spulen, wie sie in magnetischen Kernresonanzanwendungen verwendet werden, bekannt, welche einen zweiten Satz von Spulen um den ersten Satz der Spulen herum und im Abstand von diesem aufweist. Der magnetische Fluss des zweiten Satzes von Spulen steht dem magnetischen Fluss des ersten Satzes von Spulen im Bereich außerhalb des zweiten Satzes der Spulen entgegen und versetzt diesen, aber ist geringer als der magnetische Fluss des ersten Satzes von Spulen im Bereich innerhalb des ersten Satzes von Spulen. Die Gleichmäßigkeit des magnetischen Flusses innerhalb des ersten Satzes von Spulen wird nicht ungünstig beeinflusst durch den durch den zweiten Satz von Spulen erzeugten magnetischen Fluss. Die Verwendung der das äußere Feld löschende Methode kann es erlauben, die Gradientenfelder beim NMR-Abbilden mit erheblich reduzierten Problemen bezüglich der Wirbelströme zu erzeugen.
  • Die US-A-3 466 499, welche einen Teilchenbeschleuniger betrifft, offenbart ein Spulensystem zum Erzeugen eines Gradienten-Magnetfeldes in dem von einer ersten Spule, welche auf einer ersten zylindrischen Oberfläche vorgesehen ist, umschlossenen Volumen, wobei die erste Spule von einer zweiten Spule auf einer zweiten zylindrischen Oberfläche umgeben ist und wobei die Stromverteilungen derart sind, dass das außerhalb der zweiten Spule vorhandene Magnetfeld im wesentlichen Null ist. Hierbei ist das Magnetfeld im inneren Volumen vertikal zur axialen Richtung orientiert.
  • In der älteren, nicht vorveröffentlichten EP-A-0 216 590 ist ein Spulensystem mit einer Gradienten-Magnetfeldspule und zwei äußeren Abschirmungsspulen offenbart.
  • Demzufolge ist es eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wechselwirkung zwischen dem Hauptmagneten und den Gradientenspulen eines MR- Abbildungssystems zu reduzieren.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Spulensystem zum Erzeugen eines Magnetfeldes zu schaffen, das einen im Wesentlichen linearen Gradienten im Inneren des Spulensystems und außerhalb des Spulensystems im Wesentlichen einen Nullwert hat.
  • Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, Ströme in dem Hauptmagneten, welche durch die Magnetfelder der Gradientenspulen induziert werden, praktisch zu eliminieren.
  • Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, hörbare Geräusche von den Gradientenspulen eines Kernmagnetresonanz-Abbildungssystems zu reduzieren.
  • Diese und andere Aufgaben werden in einem Spulensystem und in einem Verfahren zum Bereitstellen eines Spulensystems zum Erzeugen eines in Abhängigkeit von der Zeit sich verändernden, im Wesentlichen linearen Gradienten- Magnetfeldes in einem NMR-Gerät gelöst, wie sie in den Ansprüchen 1 und 10 definiert sind. Vorteilhafte Ausführungsformen des Spulensystems sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 beansprucht.
  • Die Erfindung, was die Organisation und Methode des Betriebsweise angeht, zusammen mit weiteren Zielen und Vorteilen, kann am besten verstanden werden unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung in Verbindung mit der Zeichnung, in welcher:
  • Fig. 1A eine perspektivische Ansicht einer einzelnen Spule auf einer gedruckten Leiterplatte zum Erzeugen eines Gradientenfeldes ist,
  • Fig. 1B ein Diagramm der Spule der Fig. 1A im abgewickelten Zustand ist, um die Konfiguration der Windungen zu zeigen,
  • Fig. 2A eine Querschnittansicht der Spule der Fig. 1A ist,
  • Fig. 2B eine Querschnittansicht eines Spulensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
  • Fig. 3 ein Windungsmuster für eine konventionelle Gradientenspule ist,
  • Fig. 4 ein Diagramm einer beispielhaften Windungskonfiguration eines Teils der inneren Spule der Fig. 2B ist,
  • Fig. 5 ein Diagramm der Windungskonfiguration eines Teils der äußeren Spule der Fig. 2B ist, derart, dass das äußere Feld Null ist, wenn sie mit der Windungskonfiguration der Fig. 4 verwendet wird,
  • Fig. 6 eine Querschnittansicht eines Magnetresonanzsystems unter Verwendung der Erfindung ist,
  • Fig. 7 eine stromlinienförmige Darstellung einer inneren Spule eines z- Gradientenspulensatzes ist,
  • Fig. 8 eine stromlinienförmige Darstellung einer äußeren Spule entsprechend der Darstellung der inneren Spule der Fig. 7 ist,
  • Fig. 9-11 Magnetfelddarstellungen von Gradientenspulen sind, welche die durch die Verwendung von Abschirmungsspulen erzielte Verbesserung zeigen.
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt Fig. 1A eine zylindrische Gradientenspule 10 mit einer Länge L und einer zentralen Achse A zum Erzeugen eines Gradienten-Magnetfeldes in ihrem Inneren. Die drei Raumrichtungen x, y und z erstrecken sich vom Ursprung O aus, wobei sich die z-Koordinate parallel zur Achse A, die x-Koordinate horizontal und die y-Koordinate vertikal erstrecken. Es sind auch zylindrische Koordinaten r, θ und z gezeigt, welche aus den x-, y- und z-Koordinaten wie folgt definiert werden können:
  • z = z, r = (x² + y²)1/2 und θ = arctan(y/x).
  • Die Koordinatensysteme definieren Punkte auf der zylindrischen Spule 10, in ihrem Inneren und außerhalb der Spule.
  • Die Windungen der Spule 10 können auf einer flexiblen gedruckten Leiterplatte 11, wie in Fig. 1B gezeigt, gebildet werden. Windungen 12a-12d (auch als Fingerabdrücke bezeichnet) werden auf die Platte 11 geätzt und haben eine Konfiguration, welche das gewünschte Gradienten-Magnetfeld erzeugt, wenn die Platte 11 zu einem Zylinder aufgerollt ist und an die Windungen 12a-12d Strom angelegt wird. Das Windungsmuster (d.h. die Oberflächenströme), gezeigt in Fig. 1B, entspricht einer Gradientenspule, wie sie in EP-A-140 259 beschrieben ist. Das Ätzen von flexiblen Leiterplatten ist in EP-A-140 259 beschrieben.
  • Die zylindrische Spule 10 ist in Fig. 2A im Querschnitt gezeigt. In diesem Falle sind die Oberflächenströme auf einen Zylinder mit einem Radius r&sub1; beschränkt. Die Spezifikation eines gewünschten Gradienten-Magnetfelds innerhalb der Spule 10 im Bereich I bestimmt allein die erforderliche Oberflächenstromverteilung der Spule 10 sowie ein von Null verschiedenes Magnetfeld außerhalb der Spule 10 im Bereich II. Daher wird jede Struktur im Bereich II (z.B. der Hauptmagnet) einem sich in Abhängigkeit von der Zeit verändernden Magnetfeld von der Spule 10 ausgesetzt, wodurch Wirbelströme induziert werden, welche ihrerseits den Gradienten im Bereich I verzerren.
  • Der Spulensatz der vorliegenden Erfindung ist im Querschnitt in Fig. 2B gezeigt. Eine erste Spule 20 mit einem Radius ri ist koaxial zu einer zweiten Spule 30 mit einem Radius r&sub0;. Die Spulen 20 und 30 sind vorzugsweise in Reihe geschaltet, so dass eine einzige Spannungsquelle gleichen Strom zu jeder Spule liefern kann. Ein erster Oberflächenstrom &sub1; kann in der Spule 20 und ein zweiter Oberflächenstrom &sub2; kann in der Spule 30 fließen. In diesem Falle bestimmt die Spezifikation eines gewünschten Gradienten-Magnetfeldes im Bereich I nicht allein die zwei Stromverteilungen. Es ist möglich, die weitere Bedingung aufzuerlegen, dass das Magnetfeld überall im Bereich III gleich Null ist. In diesem Falle bestimmt das Festlegen eines Oberflächenstromes und der Radien der Spulen den anderen Oberflächenstrom. Eine beispielhafte Methode zum Auffinden eines Paars von zylindrischen Oberflächenströmen, welche den gewünschten Gradienten im Bereich I und ein Nullfeld im Bereich III ergeben, wird unten beschrieben.
  • Eine geeignete Methode zum Beschreiben der Oberflächenströme einer Gradientenspule erfolgt mit Hilfe von Stromfunktionen. Eine Stromfunktion S beschreibt einen Fluss, in welchem jeder Bereich des Flusses frei von Quellen oder Senken ist (d.h. von Punkten, wo Fluss erzeugt wird oder verschwindet). Linien konstanter S-Funktion sind parallel zum Fluss (z.B. Fluss des Oberflächenstroms ). Der Oberflächenstrom (z, θ) bezieht sich auf Ableitungen der Stromfunktion S(z, θ) und die - und -Einheitsvektoren wie folgt:
  • (z, θ) = -(∂S/∂z) + (1/r)(∂S/∂z) .
  • Die Stromlinien (d.h. die Linien konstanter S-Funktion), welche sich durch die Stromfunktionen ergeben, sind eine Reihe von konzentrischen geschlossenen Kurven, welche eine idealisierte Darstellung des Oberflächenstroms sind. Der tatsächliche Oberflächenstrom wird abgeleitet durch Aufzeichnen einer Anzahl von Stromlinien, welche durch eine vorbestimmte Schrittgröße in S getrennt sind, Unterbrechen jeder geschlossenen Kurve an einem Punkt und Verbinden jeder Kurve mit der benachbarten Kurve, um ein spiralförmiges Windungsmuster zu bilden. Die Unterbrechungspunkte sind vorzugsweise im Wesentlichen kolinear, so dass eine Leitung, welche von außerhalb der Spule eingebracht wird, um den innersten Teil des spiralförmigen Windungsmusters zu verbinden, in einer parallelen Anordnung platziert werden kann, welche im Wesentlichen die Wirkungen des Unterbrechens der Stromlinien eliminiert.
  • Fig. 3 ist ein Windungsmuster ähnlich einem Gradientenspulen-Windungsmuster, welches derzeit in kommerziellen NMR-Systemen zum Erzeugen eines x- gerichteten oder eines y-gerichteten Gradienten benutzt wird. Die Darstellung entspricht einem Fingerabdruck, welcher vier Mal in der Gradientenspule wiederholt wird. Die Gradientenspule hat eine Länge L und einen Radius ri. Jeder Fingerabdruck trägt einen Strom I, hat N Windungen, hat eine Länge in z-Richtung von L/2 und eine Höhe in θ von π Radiants.
  • In einem Aspekt der Erfindung können die Windungsmuster der inneren und äußeren Spulen gleichzeitig entworfen werden durch Auswählen anderer Stromfunktionen zum Beschreiben der Oberflächenströme. Eine beispielhafte Stromfunktion S&sub1; für eine innere x-Gradientenspule oder eine innere y-Gradientenspule ist:
  • wobei die Koeffizienten An Optimierungsparameter sind und zi eine Hälfte der Länge der Spule ist. Ähnlich lautet die äußere Spulenstromfunktion S&sub2;:
  • wobei Bm Optimierungskoeffizienten sind und z&sub0; eine Hälfte der abgebrochenen Länge der äußeren Spule ist. Mit diesen Stromfunktionen allgemeinerer Form können wir vorgehen, um die Stromfunktionskoeffizienten aufzufinden, welche die Oberflächenströme beschreiben, welche die gewünschten Magnetfelder erzeugen.
  • Es wird eine Reihe von Punkten im Raum als Repräsentation des Gradienten- Magnetfeldes im Abbildungsvolumen nahe des Ursprungs ausgewählt. Nach Auswählen einer anfänglichen inneren Spulenlänge von 2·zi und eines anfänglichen Satzes von Koeffizienten, mit denen gearbeitet wird, wird das Feld an jedem Punkt in dem Abbildungsvolumen für jeden Koeffizienten berechnet. Die Koeffizienten werden dann verändert, um die Summe der Quadrate der Differenz zwischen dem gewünschten Gradienten und dem berechneten Gradienten zu minimieren und um eine solche Abschirmung zu schaffen, dass das Magnetfeld außerhalb des Spulensatzes im Wesentlichen Null ist. Iterationen werden durchgeführt durch Erhöhen oder Verringern der Länge der inneren Spule und durch Einschließen einer geringeren oder größeren Anzahl von Koeffizienten, bis eine vernünftige Kombination von Linearität, Stromdichte, Energieanforderungen und Gesamtlänge erreicht wird.
  • Im Allgemeinen ist es wünschenswert, einen möglichst kleinen Satz von Koeffizienten und eine möglichst kurze Länge zu benutzen. Eine kürzere Länge stört die Linearität, aber erniedrigt die gespeicherte Energie im Magnetfeld. Ein größerer Satz von Koeffizienten ergibt eine verbesserte Linearität, erhöht jedoch auch die gespeicherte Energie und verursacht große Variationen in der Stromdichte.
  • Fig. 4 und 5 zeigen Windungsmuster, welche durch diese Methode abgeleitet und benutzt worden sind, um jeweils die inneren und äußeren Spulenwindungen für ein x-Gradienten- oder ein y-Gradienten-Spulensystem zu ätzen. Spulen für einen z-Gradienten können in ähnlicher Weise ebenfalls verwendet werden und haben eine Form, welche abgeleitet werden kann entsprechend den obigen Methoden durch Ändern der Ordnung der Bessel-Funktionen, welche in den Lösungen zu einer Nullordnung benutzt werden. Beispielhafte Stromliniendarstellungen für die inneren und äußeren Spulen eines solchen z-Gradienten-Spulensystems sind jeweils in den Fig. 7 und 8 gezeigt. Die Stromlinien würden zu einer kontinuierlichen Bahn vereinigt werden, wie in den vorausgehenden Beispielen, um das gewünschte Windungsmuster zu bilden.
  • Fig. 9-11 sind Darstellungen von Linien konstanter Magnetfeldgröße, erzeugt durch die verschiedenen im Vorhergehenden beschriebenen Gradientenspulen, wenn sie mit Strom versorgt werden. Die Darstellungen zeigen die Wirksamkeit des Spulensatzes der Erfindung in der Schaffung einer magnetischen Abschirmung.
  • Fig. 9 zeichnet das Magnetfeld einer einzelnen x-Gradienten- oder y- Gradientenspule mit einem Windungsmuster der Fig. 3 auf. Es ist offensichtlich, dass sich ein signifikantes Magnetfeld bis über zweimal den Spulenradius von 0,33 Meter erstreckt.
  • Fig. 10 und 11 zeigen ähnliche Ergebnisse für ein z-Gradientenspulensystem. Eine einzelne z-Gradientenspule mit einem Windungsmuster des Standes der Technik und einem Radius von 0,33 Meter erzeugt das in Fig. 10 aufgezeichnete Magnetfeld. Fig. 11 zeichnet das Magnetfeld auf, das sich ergibt, wenn die inneren und äußeren z-Gradientenspulen verwendet werden, welche Windungsmuster, welche von den Stromlinienaufzeichnungen der Fig. 7 und 8 abgeleitet sind, und jeweils Radien von 0,33 und 0,44 Meter haben.
  • Fig. 6 ist eine Querschnittansicht eines magnetischen Resonanzsystems mit einem Hauptmagneten 40. Innerhalb des Hauptmagneten 40 ist ein Gradientenspulensatz 41 gemäß der Erfindung angeordnet. Eine HF-Spule 42 erzeugt elektromagnetische Impulse zum Stimulieren von Resonanz in einem Gegenstand 44, der in einem Abbildungsvolumen 45 angeordnet ist. Die magnetische Resonanz des Gegenstands 44 wird durch eine Antenne 43 erfasst. Das Signal der Antenne 43 wird verwendet, um eine Abbildung des Gegenstandes zu konstruieren.
  • Im Vorhergehenden ist ein Gradientenspulensystem mit reduzierter Wechselwirkung mit dem Hauptmagneten beschrieben worden. Das Spulensystem erzeugt ein Magnetfeld mit einem linearen Gradienten im Inneren des Spulensystems und mit einem im Wesentlichen Nullwert außerhalb des Spulensystems. Die Eliminierung von induzierten Wirbelströmen verbessert die Stabilität des Gradientenfeldes. Wenn die inneren und äußeren Spulen des Gradientenspulensystems fest zusammengefügt sind, löschen sich die Kräfte zwischen den Gradientenspulensatz und dem Hauptmagneten im Wesentlichen aus, so dass hörbare Geräusche verringert werden.

Claims (10)

  1. Ein Spulensystem zum Erzeugen eines in Abhängigkeit von der Zeit sich verändernden, im wesentlichen linearen Gradienten-Magnetfelds in einem NMR-Gerät, aufweisend:
    eine erste Spule (20), die geeignet ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, zum Schaffen einer ersten Oberflächen-Stromverteilung auf der Oberfläche eines ersten Zylinders mit einem Radius ri und einer axialen Länge 2zi; und
    eine zweite Spule (30), die geeignet ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, zum Schaffen einer zweiten Oberflächen-Stromverteilung auf der Oberfläche eines zweiten Zylinders, der im wesentlichen koaxial zum ersten Zylinder ist, und einen Radius r&sub0; größer als ri und eine axiale Länge 2z&sub0; hat;
    wobei die erste Oberflächen-Stromverteilung und die zweite Oberflächen- Stromverteilung gleichzeitig entworfen werden und wechselseitig ein Magnetfeld schaffen mit dem Gradienten in einer vorbestimmten Richtung und einem im wesentlichen konstanten Wert über die anderen beiden Richtungen innerhalb des Volumens, das von der ersten Spule eingeschlossen wird, und einem im wesentlichen Nullwert im Volumen außerhalb der zweiten Spule, wobei
    a) eine Reihe von Punkten als Repräsentation des gewünschten Gradienten-Magnetfelds in dem Abbildungsvolumen, das durch die erste Spule eingeschlossen wird, nahe des Ursprungs gewählt und die weitere Bedingung auferlegt wird, daß das Magnetfeld außerhalb der zweiten Spule Null ist,
    b) eine anfängliche innere Spulenlänge und ein anfänglicher Satz von Stromfunktionskoeffizienten, mit denen zu arbeiten ist, ausgewählt wird, wobei die Stromfunktionskoeffizienten als Optimierungsparameter der Stromfunktion der ersten und zweiten Spule definiert sind und die Oberflächen-Stromverteilung der ersten und zweiten Spule beschreiben,
    c) das Magnetfeld außerhalb der zweiten Spule und an jedem ausgewählten Punkt in dem Abbildungsvolumen, das von der ersten Spule eingeschlossen wird, für jeden Koeffizienten berechnet wird, und
    d) die Koeffizienten dann modifiziert werden, um die Summe der Quadrate der Differenz zwischen dem gewünschten Gradienten- Magnetfeld und dem berechneten Gradienten-Magnetfeld in dem Volumen, das von der ersten Spule eingeschlossen wird, zu minimieren und um die Summe der Quadrate der Differenz zwischen dem gewünschten Null-Magnetfeld und dem berechneten Magnetfeld außerhalb der zweiten Spule zu minimieren, um eine Abschirmung zu schaffen, derart, daß das Magnetfeld in dem Volumen außerhalb der zweiten Spule im wesentlichen Null ist.
  2. 2. Spulensystem nach Anspruch 1, wobei die Spulen (20, 30) in Reihe geschaltet sind.
  3. 3. Spulensystem nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Spule (20, 30) aus Windungen bestehen, die jeweils auf erste und zweite gedruckte Leiterplatten geätzt sind, wobei jede gedruckte Leiterplatte gebogen wird, um die Zylinder zu formen.
  4. 4. Spulensystem nach Anspruch 1, wobei die Spulen (20, 30) Fingerabdrücke sind.
  5. 5. Spulensystem nach Anspruch 1, wobei die Spulen (20, 30) Leiter sind.
  6. 6. Spulensystem nach Anspruch 1, wobei die Spulen (20, 30) mit einer einzigen Stromversorgung verbunden sind.
  7. 7. Spulensystem nach Anspruch 1, wobei die innere erste Spule (20) geeignet ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, und einen Radius ri und eine axiale Länge 2zi hat zum Schaffen einer inneren Oberflächen-Stromverteilung, die im wesentlichen gleich der Ableitung einer ersten Stromfunktion ist, wobei die erste Stromfunktion definiert ist über variable z und Θ, wobei z die axiale Koordinate ist, welche von -zi bis +zi variiert, und wobei Θ die Umfangskoordinate ist, welche von 0 bis 2π variiert, wobei die Stromfunktion eine Vielzahl von Koeffizienten An aufweist, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis zu einer vorbestimmten Zahl N ist, wobei die erste Stromfunktion definiert ist durch die Gleichung
    und wobei die äußere zweite Spule (30) geeignet ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, und im wesentlichen koaxial zu der inneren ersten Spule ist und einen Radius r&sub0; und eine axiale Länge 2z&sub0; hat zum Schaffen einer äußeren Oberflächen-Stromverteilung, die im wesentlichen gleich der Ableitung einer zweiten Stromfunktion ist, wobei z von -z&sub0; bis +z&sub0; variiert, wobei die zweite Stromfunktion eine Vielzahl von Koeffizienten Bm aufweist, wobei m eine ganze Zahl von 1 bis zu einer vorbestimmten Zahl M ist, wobei die zweite Stromfunktion definiert ist durch die Gleichung
    wobei die Koeffizienten Werte haben, welche innerhalb der vorbestimmten Grenzen der Summe der Quadratdifferenz zwischen dem gewünschten Gradienten des Magnetfelds und dem erzeugten Gradienten minimiert werden.
  8. 8. Magnetisches Resonanzsystem, aufweisend:
    einen Hauptmagnet (40) zum Erzeugen eines einheitlichen Magnetfeld in einem Abbildungsvolumen im Inneren des Hauptmagnets;
    Hochfrequenzeinrichtungen (42) zum Pulsieren des Abbildungsvolumens mit elektromagnetischer Energie zur Stimulierung der Kernresonanz an Kernen innerhalb des Abbildungsvolumens;
    Erfassungseinrichtungen (43) zum Messen der Kernmagnetresonanz der Kerne innerhalb des Abbildungsvolumens; und
    ein Spulensystem, wie es in einem der Ansprüche 1 bis 7 definiert ist.
  9. 9. Magnetisches Resonanzsystem nach Anspruch 8, welches weiterhin zweite und dritte Gradientenspulensysteme aufweist zum Erzeugen von Magnetfeldern, welche Gradienten jeweils in jeder der zwei verbleibenden Dimensionen innerhalb der jeweiligen Spulensätze aufweisen und außerhalb der jeweiligen Spulensätze im wesentlichen Null sind.
  10. 10. Verfahren zum Bereitstellen eines Spulensystems zum Erzeugen eines in Abhängigkeit von der Zeit sich verändernden im wesentlichen linearen Gradienten-Magnetfeldes in einem NMR-Gerät, welches folgende Schritte aufweist:
    Schaffen einer ersten Spule (20), die geeignet ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, zum Schaffen einer ersten Oberflächen- Stromverteilung auf der Oberfläche eines ersten Zylinders mit einem Radius ri und einer axialen Länge 2zi; und
    Schaffen einer zweiten Spule (30), die geeignet ist, mit einer Stromquelle gekoppelt zu werden, zum Schaffen einer zweiten Oberflächen- Stromverteilung auf der Oberfläche eines zweiten Zylinders, der im wesentlichen koaxial zum ersten Zylinder ist, und einen Radius r&sub0; größer als ri und eine axiale Länge 2z&sub0; hat;
    Bestimmen der ersten und zweiten Oberflächen-Stromverteilungen durch gleichzeitiges Entwerfen und wechselseitiges Schaffen eines Magnetfeldes, welches den Gradienten in einer vorbestimmten Richtung hat und über die anderen beiden Richtungen innerhalb des Volumens, das von der ersten Spule eingeschlossen wird, einen im wesentlichen konstanten Wert hat und in dem Volumen außerhalb der zweiten Spule im wesentlichen Null ist,
    durch
    a) Wählen einer Reihe von Punkten als Repräsentation des gewünschten Gradienten-Magnetfelds in dem Abbildungsvolumen, das von der erste Spule umschlossen wird, nahe des Ursprungs, und Auferlegen der weiteren Bedingung, daß das Magnetfeld außerhalb der zweiten Spule Null ist,
    b) Auswählen einer anfänglichen inneren Spulenlänge und eines anfänglichen Satzes von Stromfunktionskoeffizienten, mit denen zu arbeiten ist, wobei die Stromfunktionskoeffizienten als Optimierungsparameter der Stromfunktion der ersten und zweiten Spule definiert sind und die Oberflächen-Stromverteilung der ersten und zweiten Spule beschreiben,
    c) Berechnen des Magnetfelds außerhalb der zweiten Spule und an jedem ausgewählten Punkt in dem Abbildungsvolumen, das von der ersten Spule eingeschlossen wird, für jeden Koeffizienten, und
    d) Verändern der Koeffizienten, um die Summe der Quadrate der Differenz zwischen dem gewünschten Gradienten-Magnetfeld und dem berechneten Gradienten-Magnetfeld in dem Volumen, das von der ersten Spule eingeschlossen wird, zu minimieren und um die Summe der Quadrate der Differenz zwischen dem gewünschten Null-Magnetfeld und dem berechneten Magnetfeld außerhalb der zweiten Spule zu minimieren, um eine Abschirmung zu schaffen, derart, daß das Magnetfeld in dem Volumen außerhalb der zweiten Spule im wesentlichen Null ist.
DE3752332T 1986-02-06 1987-01-29 Selbstgeschmirmte Gradientspulen für Abbildung in kernmagnetischer Resonanz Expired - Lifetime DE3752332T2 (de)

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