DE3814260C2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern für ein Magnetresonanz-Bildgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern für ein Magnetresonanz-Bildgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei bekannten Magnetresonanz-Bildgeräten, im folgenden auch MRI-Geräte genannt, wird ein gleichmäßiges, statisches Ma­ gnetfeld erzeugt, das Untersuchungsobjekt in dieses stati­ sche Magnetfeld gebracht und in einer Richtung senkrecht zu dem statischen Magnetfeld ein HF-Magnetfeld angelegt, so daß die Magnetresonanz-Erscheinung nur inner­ halb einer vorgegebenen Scheibe des Untersuchungsobjektes auftritt. Nach Beendigung der Beaufschlagung mit dem HF- Feld werden lineare Gradientenmagnetfelder angelegt, um Ma­ gnetresonanzsignale (im folgenden MR-Signale genannt) zu erfassen, die von den Atomkernen des Untersuchungsobjektes erzeugt werden, und diese MR-Signale werden einer Fourier- Transformation unterworfen, um ein Bild zu rekonstruieren.

Das MRI-Gerät ist mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung ausgestattet, die, wie in Fig. 1 dargestellt, ein stati­ sches Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zur Körper­ achse des Untersuchungsobjektes P erzeugt, das zwischen zwei Permanentmagneten 1 und 2, die einander in einem vor­ gegebenen Abstand gegenüberliegen, plaziert wird. Die Ma­ gnetfelderzeugungseinrichtung benutzt "parallele vier Drähte", um Gradientenmagnetfelder in Z- und X-Richtung, die aufeinander senkrecht stehen, zu erzeugen, wobei die Körperachse des Untersuchungsobjektes P in Z-Richtung liegt. Die parallelen vier Drähte, die in Fig. 1 darge­ stellt sind, werden benutzt zur Erzeugung des Gradientenma­ gnetfeldes in X-Richtung und umfassen Abschnitte von Spulen 3, 4, 5 und 6, die um den Permanentmagneten 1 bzw. 2 und das Eisenjoch 7 gewickelt sind. D.h., Abschnitte der Spulen 3, 4, 5 und 6, die an gegenüberliegenden Seiten der Perma­ nentmagneten 1 und 2 liegen, sind so angeordnet, daß sie geradlinig und parallel zueinander verlaufen, und diese parallelen Spulenabschnitte 3a, 4a, 5a und 6a bilden die parallelen vier Drähte. Dies gewährleistet einen Aufnahme­ raum, in dem das Untersuchungsobjekt P untergebracht wird. Jede der Spulen 3, 4, 5 und 6 von Fig. 1 weist drei Windun­ gen auf.

Da bei der beschriebenen Anordnung die Spulen um das Eisen­ joch 7 gewickelt sind, wird die Induktivität der Spulen groß. Dies führt zu einer Verschlechterung der Anstiegs­ kennlinien der Gradientenmagnetfelder. Ferner erzeugen die Spulenabschnitte 3b, 4b, 5b und 6b der parallelen vier Drähte Magnetfelder in Richtungen, die entgegengesetzt zu jenen der vorgegebenen Gradientenmagnetfelder liegen, so daß die Intensität der Magnetfelder abnimmt und die Li­ nearität der Gradientenmagnetfelder verschlechtert wird.

Wenn in Richtung der Körperachse des Untersuchungsobjektes P, wie in Fig. 2 dargestellt, ein statisches Magnetfeld B₀ erzeugt wird, kann ein Gradientenmagnetfeld in Y-Richtung erzeugt werden durch Anordnung der Spulen 8a und 8b in Richtung der Körperachse. Um eine vorgegebene Magnetfeld­ stärke zu erhalten, können die Spulen 8a und 8b mit einer Vielzahl von Windungen in Richtung der Körperachse des Un­ tersuchungsobjektes P versehen werden, wie die Spulen 9a und 9b, die in Fig. 3 dargestellt sind. Wenn jedoch das statische Magnetfeld B₀ in einer senkrecht zur Körperachse des Untersuchungsobjektes P liegenden Richtung erzeugt wird, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, verengen die Spu­ len 10a und 10b, die in Richtung des statischen Magnetfeldes gewickelt sind, den Aufnahmeraum, in den das Untersuchungsobjekt P bei der Untersuchung einzufügen ist, da die Perma­ nentmagneten 1 und 2 in Richtung des statischen Magnet­ feldes angeordnet sind. Insbesondere müssen zum Erzeugen der Gradientenmagnetfelder in X-, Y- und Z-Richtung ent­ sprechende Spulen innerhalb des Aufnahmeraums, der zum Ein­ setzen des Untersuchungsobjektes P vorgesehen ist, angeord­ net werden.

Im Hinblick hierauf ist es erwünscht, daß die Induktivität der zum Erzeugen der Gradientenmagnetfelder benutzten Spu­ len klein ist, die Gradientenmagnetfelder eine ausreichende Intensität und Linearität aufweisen und außerdem ein genü­ gend großer Raum für das zu prüfende Untersuchungsobjekt gewährleistet ist.

Eine Vorrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern für ein Magnet­ resonanz-Bildgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist zum Beispiel aus der US-PS 4,318,043 bekannt. Durch ebene Aus­ bildung der Spulenanordnungen zum Erzeugen von Gradientenma­ gnetfeldern und durch Anbringung der Spulen innerhalb eines Paares von Permanentmagneten sollen eine kleine Induktivität und großer Raum für ein Untersuchungsobjekt erzielt werden. Aus der EP 0 178 216 A2 ist eine Vorrichtung ähnlich der oben in Verbindung mit der Fig. 4 beschriebenen Vorrichtung bekannt, wobei die Spulenanordnungen zum Erzeugen der Gradien­ tenmagnetfelder durchwegs als kreis- oder spiralförmige Spulen ausgebildet sind.

Aus der DE 27 55 956 C2 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern für ein Magnetresonanz-Bildgerät bekannt, bei dem die Gradientenspulen eine "Doppel-D-Form" aufweisen. Einzelne Spulenabschnitte besitzen sehnenförmige geradlinige und zueinander parallele Abschnitte und kreisförmige Strom-Rückführabschnitte. In einer Ausführungsform soll das statische Magnetfeld parallel zur Längsachse des Untersuchungsobjekts erzeugt werden. Alternativ ist vorgesehen, das statische Magnetfeld senkrecht zur Längsachse des Untersuchungsobjekts zu erzeugen. Das statische Magnetfeld wird nicht durch Permanentmagneten, sondern durch einander gegenüberliegende Spulen erzeugt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern für ein Magnetresonanz-Bildgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, bei dem die Gradientenmagnetfelder eine hohe Intensität und Linearität aufweisen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung. Eine bevorzugte Ausgestaltung dieser Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel anhand von siebzehn Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Spulenanordnung zur Er­ zeugung von Magnetfeldern;

Fig. 2 eine Anordnung zur Erzeugung eines Gra­ dientenmagnetfeldes längs der Körper­ achse eines Untersuchungsobjektes;

Fig. 3 Spulen zur Erzeugung eines Gradienten­ magnetfeldes mit einer vorgegebenen Intensität in der Anordnung nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Anordnung von Spulen zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfeldes in einer zur Körperachse des Untersuchungsobjek­ tes nach Fig. 1 senkrechten Richtung;

Fig. 5 eine Anordnung der Spulen zur Erzeugung von Magnetfeldern gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht längs der Linie C-C′ von Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Ansicht zur Erläu­ terung der Form der in Fig. 6 darge­ stellten Spule;

Fig. 8 die Anordnung der Spulen zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfeldes in Y-Rich­ tung von Fig. 5;

Fig. 9 eine Schnittansicht längs der Linie D-D′ von Fig. 8 und

Fig. 10 eine schematische Ansicht zur Erläu­ terung der Form der Spule von Fig. 9.

Bei der Vorrichtung gemäß den Fig. 5 und 6 sind Spu­ len 30 bis 33 zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfeldes in X-Richtung, Spulen 46a, 46b, 47a und 47b zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfeldes in Y-Richtung und Spulen 34 bis 37 zum Erzeugen eines Gradientenmagnetfeldes in Z- Richtung alle zwischen einem Paar von Permanentmagneten 11a und 11b angeordnet. Die in Fig. 5 dargestellten Spulen 46a, 46b, 47a und 47b sind in Fig. 6 nicht dargestellt. Die in dem Nähe des Permanentmagne­ ten 11b liegenden Spulen 30 und 33 enthalten erste geradli­ nige Abschnitte 40 bzw. 41, zweite geradlinige Abschnitte 42 bzw. 43, die parallel zu den ersten geradlinigen Ab­ schnitten 40 bzw. 41 verlaufen, sowie Rückführabschnitte 44 bzw. 45, wie dies Fig. 7 zu entnehmen ist. Die geradlini­ gen Abschnitte 40 bis 43 liegen parallel zur Körperachse (Z-Richtung) des Untersuchungsobjektes P und die Rück­ führabschnitte 40 und 45 auf einem Kreis vom Radius R3, dessen Mittelpunkt sich mit dem Mittelpunkt einer Linie deckt, die die Mittelpunkte der ersten geradlinigen Ab­ schnitte 40 und 41 verbindet. Wenn der Abstand zwischen den Spulen 30 und 31 (Spulen 32 und 33) mit WL1 bezeichnet wird, dann stellt sich der Abstand L1 zwischen dem ersten geradlinigen Abschnitt 40 (41) und der Mittellinie sowie der Abstand L2 zwischen dem zweiten geradlinigen Abschnitt 42 (43) und der Mittellinie als

L2 = a · WL1 (1)

L1 = b · L2 (2)

dar, wobei 0,1 a 1,3, 0,1 b < 1.

Ferner entspricht das Produkt I · N1 aus dem durch die er­ sten geradlinigen Abschnitte 40 und 41 fließenden Strom mit der Anzahl der Windungen und das Produkt I · N2 aus dem durch die zweiten geradlinigen Abschnitte 42 und 43 fließenden Strom mit der Anzahl der Windungen der Beziehung

I · N1 = c · I · N2 (3),

wobei 0,1 c < 1.

Darüber hinaus bestimmt sich der Radius R3 zu

R3 = d · WL1 (4),

wobei 0,7 d < 1,5.

Wenn der Abstand zwischen den Spulen 34 und 35 (Spulen 36 und 37) mit WL2 bezeichnet wird, lassen sich die Gleichun­ gen (1) und (4) ausdrücken durch Ersetzen des Abstands WL1 durch den Abstand WL2.

Somit erzeugen die geradlinigen Abschnitte ein Gradienten­ magnetfeld in der gleichen Richtung, so daß die Feldstärke nicht verringert und die Feldlinearität nicht verschlech­ tert wird. Jede Spule ist durch Leitungsdrähte an eine Stromversorgungsquelle angeschlossen. Die Spulen 34 und 37 zum Erzeugen des Gradientenmagnetfeldes in Z-Richtung wei­ sen die gleiche Form auf, wie die Spulen 30 und 33 zum Er­ zeugen des Gradientenmagnetfeldes in X-Richtung, sie sind aber in der Z-X-Ebene um 90° gegenüber den Spulen 30 und 33 gedreht.

Es wird nun anhand der Fig. 8, 9 und 10 die Spulenanord­ nung zum Erzeugen des Gradientenmagnetfeldes in Y-Richtung beschrieben.

Die Spulen 46a und 47a; 46b und 47b zum Erzeugen des Gra­ dientenmagnetfeldes in Y-Richtung sind auf konzentrischen Kreisen der Radien WR1 und WR2 in der Nähe der beiden Per­ manentmagneten 11a und 11b angeordnet und liegen einander mit einem vorgegebenen Abstand gegenüber. Die Radien WR1 und WR2 der konzentrischen Spulen, d. h. der Spulen 46a und 47a bestimmen sich durch die folgenden Gleichungen.

WR2 = e · GL (5)

WR1 = f · WR2 (6),

wobei 0,3 e 1,5, 0,1 f < 1 und GL der Abstand der Spulen 46a, 47a und 46b, 47b ist.

Der durch die Spulen 46a und 47a fließende Strom I2 und die Windungszahlen N3 und N4 der Spulen 46a und 47a gehorchen der Beziehung

I2 · N3 = g · I2 · N4 (7),

wobei 0,05 g < 1; wenn WR1 < WR2, I2 · N3 < I2 · N4.

Es müssen die Rückführabschnitte der Spulen zum Erzeugen der Gradienten­ magnetfelder in X- und Z-Richtung nicht auf einem Kreis liegen. Obgleich jede der Spulen zum Erzeugen der Gradien­ tenmagnetfelder in X- und Z-Richtung in zwei Abschnitte un­ terteilt ist, ist die Zahl der Spulen nicht auf zwei be­ schränkt.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern für ein Magnetresonanz- Bildgerät mit
einer Einrichtung zum Erzeugen eines statistischen Magnetfeldes in einer Rich­ tung senkrecht zur Längs-Achsrichtung eines Untersuchungsobjektes (P) in einem Aufnah­ meraum durch Anordnen eines Paares von Permanentmagneten (11a, 11b), die einander gegenüberliegen;
einer ersten Spulenanordnung, die mindestens ein Paar erster ebener Spulen (46a, 46b; 47a, 47b) umfaßt, die zum Erzeugen eines ersten Gradientenmagnetfeldes (Gy) innerhalb des Aufnahmeraums innerhalb des Paares von Permanentmagneten (11a, 11b) einander gegenüberliegen, wobei jede erste Spule (46a, 46b; 47a, 47b) mindestens eine kreisförmige Windung enthält und diese Windungen konzentrisch zueinander angeordnet sind;
einer zweiten Spulenanordnung, die mindestens ein Paar zweiter ebener Spulen (30, 31, 32, 33) umfaßt, die zum Erzeugen eines zweiten Gradientenmagnetfeldes (Gx) innerhalb des Aufnahmeraums innerhalb des Paares von Permanentmagneten (11a, 11b) einander gegenüberliegen, wobei jede der zweiten Spulen (30, 31, 32, 33) mindestens eine Windung enthält, und
einer dritten Spulenanordnung, die zum Erzeugen eines dritten Gradientenma­ gnetfeldes (Gz) innerhalb des Aufnahmeraums mindestens ein Paar dritter ebener Spulen (34, 35, 36, 37) umfaßt, die innerhalb des Paares von Permanentmagneten (11a, 11b) ein­ ander gegenüberliegen, wobei jede der dritten Spulen (34, 35, 36, 37) mindestens eine Windung enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Windung der zweiten Spulen (30, 31, 32, 33) und jede Windung der dritten Spulen (34, 35, 36, 37) mehrere sehnenför­ mige, geradlinige und zueinander parallele Abschnitte (41 bis 43) und einen gemeinsamen bogenförmigen Rückführungsabschnitt (44; 45) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rückführungsabschnitte (44, 45) auf einem Kreis liegen.