DE3855493T2

DE3855493T2 - Stabilisierte, selbstabgeschirmte Gradientespulen

Info

Publication number: DE3855493T2
Application number: DE3855493T
Authority: DE
Inventors: Kenneth Marel Bradshaw; Peter Bernard Roemer
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1987-11-25
Filing date: 1988-10-25
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2008-10-26
Also published as: FI884398A; US4794338A; IL87965A0; JPH01212412A; JPH0563087B2; EP0317775A2; FI884398A0; DE3855493D1; EP0317775A3; EP0317775B1; CA1275693C; IL87965A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Spulen, die in Magnetresonanz(MR)-Einrichtungen verwendbar sind, und insbesondere auf eine abgeglichene Konfiguration für selbst-abgeschirmte Gradientenspulen.
Magnetresonanz-Bildgebungs-(MRI, Magnetic Resonance Imaging)Systeme werden derzeitig verwendet zur Herstellung tomographischer Bilder von der inneren menschlichen Anatomie. In derartigen Systemen wird ein Patient in einem statischen Magnetfeld angeordnet und hochfrequenten elektromagnetischen Pulsen ausgesetzt, um Kernspins anzuregen. Die Magnetresonanz der Atomkerne des Patienten werden mit einer Empfangsspule detektiert, um eine Information zu liefern, aus der ein Bild vom demjenigen Abschnitt des Patienten, der diese Kerne enthält, gebildet werden kann. Das Magnetfeld besitzt Gradienten, die während jeder Detektionssequenz pulsartig eingeschaltet werden, so daß die Lage der schwingenden Kerne ermittelt werden kann. Diese gleichen Erscheinungen werden in der Magnetresonanz-Spektroskopie zum Analysieren von Eigenschaften und Strukturen von Substanzen verwendet.
Ein abgeschirmter Typ der Gradientenspule ist aus EP- A-0 231 879 bekannt. Eine abgeschirmte Gradientenspule soll verschiedene Interaktionen bzw. Wechselwirkungen der Gradientenfelder mit anderer Struktur verkleinern, wie beispielsweise dem Hauptmagnetfeld. Die Interaktionen enthalten räumliche und zeitliche Feldveränderungen, Energieableitung und störender hörbarer Schall.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der früheren Erfindung werden konzentrische innere und äußere Spulen für jede Gradientenachse verwendet. Die inneren und äußeren Spulen für jede Achse sind in Reihe geschaltet. Die Oberflächenstromverteilungen von jedem Spulensatz haben ein Gradientenmagnetfeld innerhalb des Spulensatzes und ein Feld von im wesentlichen Null außerhalb des Spulensatzes zur Folge.
Typische MRI-Systeme verwenden Gradientenmagnetfelder entlang drei orthogonalen Achsen in den x-, y- und z-Richtungen. Die z-Achse ist gewöhnlich als mit der Richtung des statischen Hauptmagnetfeldes (das gewöhnlich entlang der Achse des zylindrischen Hauptmagneten verläuft) zusammenfallend definiert, und die x- und y-Achsen sind senkrecht zu dem statischen Feld. Der Gradientenspulensatz für jede Achse hat seinen eigenen entsprechenden Gradientenverstärker, der unter der Steuerung des Bildgebungssystems ist.
Die Spulensätze müssen in großer Nähe zueinander arbeiten. Es wurde jedoch gefunden, daß Probleme während gepulster Vorgänge der Gradientenspulen auftreten können, die aus Interaktionen zwischen getrennten Spulensätzen resultieren. Beispielsweise können die Gradientenverstärker instabil werden.
EP-A-0 144 171 beschreibt eine MR-Magnetanordnung mit inneren und äußeren supraleitenden Spulenanordnungen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, um ein gleichförmiges Magnetfeld in einem Arbeitsvolumen zu erzeugen. Die elektrischen Verbindungen zwischen den Spulen von einem Ausführungsbeispiel sind wie folgt. Eine Leistungsversorgung ist über einen Schalter und einen Schutzwiderstand von 0,5 Ohm parallel dazu mit äußeren Spulen D-F verbunden. Jeder Satz der äußeren Spulen D-F ist mit inneren Spulen A, A'-, C, C' in Reihe geschaltet. Zusätzliche 0,5 Ohm Schutzwiderstände sind parallel zu allen inneren Spulen A, A'-, C, C' bzw. den äußeren Spulen B, B'-, C, C' angeordnet. Die Anordnung soll jedoch nicht ein dynamisches Feld liefern, das ein lineares Gradientenfeld enthält.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Arbeitsweise von Gradienteneinrichtungen in MRI-Systemen zu verbessern.
In dem bestimmten offenbarten Ausführungsbeispiel soll eine Interaktion zwischen Spulensätzen in großer Nähe kompensiert und ein instabiler Betrieb von Gradientenverstärkern vermieden werden, die in Verbindung mit selbst-abgeschirmten Gradientenspulen verwendet werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine Spulensatzanordnung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Die äußere Spule ist koaxial zu der inneren Spule angeordnet. Das Zusammenwirken der inneren und äußeren Spulen sorgt für ein vorbestimmtes Magnetfeld innerhalb des Spulensatzes und für ein im wesentlichen Null betragendes Magnetfeld außerhalb des Spulensatzes. Die Verbindungseinrichtung sorgt für eine elektrische Zwischenverbindung zwischen den inneren und äußeren Spulen, so daß ein Versorgungsstrom für den Spulensatz durch einen Teil von einer der inneren und äußeren Spulen, durch wenigstens einen Teil der äußeren Spule und dann durch einen weiteren Teil der einen Spule fließt. Auf diese Weise ist die Impedanz des Spulensatzes symmetrisch abgeglichen und Interaktionen können vermieden werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die neuartigen Merkmale der Erfindung sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen angegeben. Die Erfindung selbst jedoch, sowohl bezüglich ihres Aufbaues als auch des Arbeitsverfahrens zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon, kann am besten anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen :
Figur 1 eine perspektivische Ansicht von einem selbstabgeschirmten Gradientenspulenpaar ist;
Figur 2 eine Endansicht von zwei Spulensätzen zum Erzeugen zweier orthogonaler Gradientenfelder ist;
Figur 3 ein schematisches Diagramm von einem bekannten Verbindungsschema ist;
Figur 4 eine schematische Darstellung von einem Verbindungsschema gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
Figur 5 ein Verdrahtungsdiagramm für die inneren und äußeren Spulen in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Gemäß Figur 1 enthält ein Spulenpaar eine innere Spule 10 und eine konzentrische äußere Spule 13, die jeweils zylindrisch und mit der z-Achse ausgerichtet sind. Der Spulensatz ist longitudinal in bezug auf das statische Hauptfeld Bo angeordnet, um ein Gradientenmagnetfeld in einem Bildgebungsvolumen in seinem Inneren zu liefern.
Die innere Spule 10 weist ein zylindrisches Substrat 11 auf, das Gradientenwicklungen trägt, von denen ein Teil als 12a zu sehen ist. In ähnlicher Weise weist die äußere Spule 13 ein Substrat 14 und Gradientenwicklungen einschließlich 15a und 15b auf. Die Substrate können üblicherweise aus einem flexiblen Material gedruckter Schaltkarten gebildet sein, und die Wicklungen können üblicherweise geätzte Leiter sein, die sich auf der einen oder beiden Seiten der Schaltkarte befinden können und mit einem Isoliermaterial überdeckt sind. Die Wicklungen auf jeder Schaltkarte ähneln vier Fingerabdrücken, die miteinander verbunden sind, um orthogonale Gradientenfelder zu bilden (siehe auch Figur 5). Jede räumliche Stelle auf den Spulen kann durch ihre x-, y- und z-Koordinaten oder durch Zylinderkoordinaten z, r und θ angegeben werden, wie dies in Figur 1 gezeigt ist.
Figur 2 zeigt einen x-Gradientenspulensatz 20 zur Lieferung des x-Gradienten δBz/δx und einen konzentrischen y- Gradientenspulensatz 21 zur Lieferung des y-Gradienten δBz/δy. Jeder Spulensatz ist mit einer getrennten Leistungsversorgung verbunden, so daß die getrennten Gradienten unabhängig gepulst werden können. Beispielsweise kann in der üblichen Spin-Warp-Bildgebungs-Pulssequenz der y- Gradient während eines räumlichen Kodierungsschrittes gepulst sein, und dann kann der x-Gradient später während eines MR-Singalausleseschrittes gepulst sein. Es ist auch üblich für die x- und y-Gradienten, gleichzeitig gepulst zu werden.
Figur 3 zeigt eine typische Leistungsversorgungs-Verbindung für die Spulensätze in Figur 2. Der x-Gradientensatz 20 enthält eine innere Spule 23,und eine äußere Spule 24, die mit einem x-Gradienten-Haupt(Master)verstärker 25 und einem x-Gradienten-Neben(Slave)verstärker 26 in Reihe geschaltet sind. In ähnlicher Weise enthält der y-Gradientenspulensatz 21 eine innere Spule 30 und eine äußere Spule 31, die mit einem y-Gradienten-Haupt(Master)verstärker 32 und einem y-Gradienten-Neben(Slave)verstärker 33 in Reihe geschaltet sind. Die Verbindungsstelle zwischen jedem Verstärkerpaar ist mit Erde bzw. Masse verbunden.
Die Hauptverstärker 25 und 32 empfangen Strombefehle von einem MR-System (nicht gezeigt). Um sicherzustellen, daß der Sollstrom tatsächlich zu den Gradientenspulen fließt, verwenden die Hauptverstärker 25 und 32 einen Regelkreis unter Verwendung eines Stromsensors, wie beispielsweise eines Stromabtastwiderstandes. Die Neben(Slave)Verstärker 26 und 33 folgen direkt ihrem entsprechenden Haupt(Master)Verstärker, werden aber durch den Hauptverstärker gesteuert. Jeder Nebenverstärker liefert Spannung in der entgegengesetzten Richtung zu seinem Hauptverstärker. Somit sind die Verstärker strommäßig gestapelt, was eine in gewünschter Weise erhöhte Schienenspannung zur Folge hat.
Aufgrund der großen Leiterfläche, die zur Bildung jedes Spulensatzes verwendet wird, und aufgrund der großen Nähe zwischen Spulensätzen entsteht eine große Kapazität zwischen Spulensätzen. Diese Kapazität ist als eine Eigenkapazität 35 in Figur 3 gezeigt. Ein Pfad 36 mit kleiner Impedanz einschließlich der Kapazität 35 von dem einen Spulensatz zum anderen kann Instabilitäten der Gradientenverstärker während des Gradientenpulsbetriebs oder andere Probleme hervorrufen.
Durch den Aufbau verkettet jede äußere Spule 24 und 31 keinen resultierenden Fluß (dies ist fur eine gute Abschirmung erforderlich). Somit ist jede äußere Spule im wesentlichen auf einem konstanten Potential, sogar während eines Strompulses, abgesehen von einem kleinen widerstandsbedingten Spannungsabfall. Wenn eine äußere Spule mit der einen Seite der Master-Slave-Verstärkerkombination verbunden ist, steigt sie auf das volle Potential dieser Seite des Verstärkers an, wenn er gepulst ist (nahezu die gesamte Spannung fällt über der inneren Spule ab). Infolgedessen fließt ein kapazitiver Strom von der gepulsten äußeren Spule zu den Wicklungen des anderen Spulensatzes und durch den Haupt(Master)- oder Neben(Slave)-Verstärker des anderen Spulensatzes nach Erde bzw. nach Masse. Dieser Strom wird durch die Hauptverstärker von beiden Gradientenachsen abgetastet, was zu der Instabilität zwischen Verstärkern führt, wobei jeder den Strom zu korrigieren versucht, der durch den anderen erregt ist.
Idealerweise sollte kein ungewollter Strom durch die Hauptverstärker 25 oder 32 fließen, da sie mit einer Stromrückführung arbeiten. Jedoch kann ein üblicher Verstärker den kapazitiven Stromfluß nicht verhindern. Somit kann der Strom durch sowohl den Haupt- als auch Nebenverstärker fließen (d. h. der Pfad 36 ist gerade einer von mehreren möglichen Pfaden).
Um die Probleme zu eliminieren, die mit Wechselwirkungen zwischen Spulensätzen verbunden sind, beseitigt die vorliegende Erfindung im wesentlichen den kapazitiven Stromfluß, indem die Gradientenspulen verbunden werden, wie es in Figur 4 gezeigt ist. In dem x-Gradientenspulensatz ist die innere Spule 23 in zwei Hälften 23a und 23b geteilt. Die äußere Spule 24 ist zwischen die inneren Spulenhälften 23a und 23b geschaltet. Andere geteilte Konfigurationen von entweder einer oder beiden Spulen sind ebenfalls möglich, solange die Konfiguration symmetrisch ist und die Spulensatz-Induktivität in bezug auf die Kapazität abgeglichen ist. Durch Verwenden eines symmetrisch abgeglichenen Spulensatzes für jede Gradientenachse fließt kein resultierender Strom zwischen getrennten Spulenachsen, da es für jeden lokalisierten Strom einen gleichen und entgegengesetzten Strom woandershin zwischen den Spulensätzen geben wird.
Obwohl man entweder die inneren oder äußeren Gradientenspulen oder beide teilen kann, ist es bevorzugt, die inneren Spulen 23 und 30 zu teilen, wie es in Figur 4 gezeigt ist. Es gibt gewöhnlich einen großen Raum für zusätzliche Verbindungen auf der inneren Spule, da die äußere Spule gewöhnlich sehr nahe an anderen Strukturen angeordnet ist, wie beispielsweise den Shim-Spulen. Auch ist die äußere Spule größer und hat mehr Kapazität, so daß, wenn die gesamte äußere Spule auf oder nahe Null-Potential ist (aufgrund der geteilten Leistungsversorgungs-Verstärkerkonfiguration), insgesamt weniger lokalisierten Stromfluß gibt.
Figur 5 zeigt die Wicklungskonfiguration für das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 mit mehr Einzelheiten. So ist eine Reihenverbindung von dem Hauptverstärker, durch eine Hälfte (zwei Fingerabdrücke) der inneren Spule 23, durch die gesamte äußere Spule 24, durch die zweite Hälfte der inneren Spule 23 und zu dem Nebenverstärker gebildet. Somit ist ein symmetrisch abgeglichener Spulensatz gebildet, der Wechselwirkungen zwischen Spulensätzen reduziert oder eliminiert und der Gradientenverstärker-Instabilitäten vermeidet.

Claims

1. Spulensatzanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einer Magnetresonanzeinrichtung mit einem Spulensatz (20, 21), enthaltend:

eine radial innere Spule (23, 30)

eine radial äußere Spule (24, 31), die koaxial zu der inneren Spule (23, 30) angeordnet ist, wobei die inneren und äußeren Spulen in der Lage sind, ein vorbestimmtes Magnetfeld in der inneren Spule (23, 30) und ein Magnetfeld von im wesentlichen Null außerhalb der äußeren Spule (24, 31) zu liefern,

wobei die inneren und äußeren Spulen jeweils einen Leiter in der Form von mehreren Fingerabdrücken haben und das vorbestimmte Magnetfeld einen linearen gepulsten Gradienten entlang einer vorbestimmten Richtung besitzt, gekennzeichnet durch Verbindungsmittel zum elektrischen Verbinden der inneren und äußeren Spulen derart, daß der speisende Strom für den Spulensatz durch einen Teil von einer der inneren und äußeren Spulen, durch wenigstens einen Teil von der anderen der inneren und äußeren Spulen und dann durch einen weiteren Teil von der einen Spule fließt, so daß die Impedanz des Spulensatzes symmetrisch abgeglichen ist.

2. Spulensatzanordnung nach Anspruch 1, mit einem ersten und zweiten Spulensatz (20, 21), wobei jeder Satz eine innere und eine äußere Spule (23, 30, 24, 31) aufweist, wobei der erste Spulensatz (20) ein Gradientenfeld orthogonal zu einem zweiten Gradientenfeld liefert, das durch den zweiten Spulensatz (21) gebildet wird, der zweite Spulensatz (21) koaxial zu dem ersten Spulensatz (20) angeordnet ist, wodurch sich kapazitiv gekoppelte lokalisierte Ströme aufheben und kein resultierender Strom zwischen dem ersten Spulensatz (20) und dem zweiten Spulensatz (21) fließt.

3. Spulensatzanordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit ersten und zweiten Verstärkern (25, 26, 32, 33), die mit den inneren Spulen (23, 30) verbunden sind, wobei die Verstärker als Master-Slave-Verstärker angeordnet sind.

4. Spulensatzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der eine Teil (23a, 30a) und der weitere Teil (23b, 30b) der inneren Spule im wesentlichen gleich sind.

5. Spulensatzanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Teil des Leiters von der anderen der inneren oder äußeren Spulen die gesamte Spule ist.

6. Spulensatzanodnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Leiter von einer oder beiden der inneren oder der äußeren Spulen (23, 30, 24, 31) geteilt sind.

7. Spulensatzanordnung nach Anspruch 6, wobei die innere Spule halbiert ist.