DE3938167A1

DE3938167A1 - Gradientenspulen-system fuer einen kernspintomographen

Info

Publication number: DE3938167A1
Application number: DE3938167A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Siebold; Konrad Meier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1988-11-28
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1990-05-31
Also published as: JPH02257936A; US5012191A; US5088185A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gradientenspulen-System für einen Kernspintomographen, dem ein hohlzylindrischer Trägerkör per zugeordnet ist, dessen Zylinderachse in z-Richtung eines rechtwinkligen x-y- z-Koordinatensystems mit dem Koordinatenur sprung im Zentrum eines Abbildungsbereiches verläuft. In der z- Richtung ist auch ein magnetisches Grundfeld B _z orientiert, dem jeweils Paare von Sattelspulen für einen Gradienten ^xG in x- Richtung und einen Gradienten ^yG in y-Richtung zugeordnet sind, deren Windungen aus geraden Leiterteilen und Leiterbogen beste hen und im Wickelbett des Trägerkörpers angeordnet sind.

Es sind Geräte zum Erzeugen von Schnittbildern eines Untersu chungsobjektes, vorzugsweise eines menschlichen Körpers, be kannt, deren Wirkungsweise auf magnetischer Kernresonanz be ruht. Diese sogenannten Kernspintomographen enthalten einen Grundfeldmagneten, der die Kernspins im menschlichen Körper ausrichtet, und ferner ein Hochfrequenzsystem zur Anregung der Kernspins und zum Empfang der von den angeregten Kernspins emittierten Signale. Für die Schichtselektion und die räumliche Zuordnung der Signale in der Schicht sind ferner Gradientenspu len erforderlich, die ein in Richtung des Grundfeldes verlau fendes und sich in dieser Richtung linear änderndes Magnetfeld erzeugen. Weitere Gradientenspulen erzeugen ebenfalls ein in Richtung des Grundfeldes verlaufendes Magnetfeld, das sich je doch in zwei dazu senkrechten Richtungen ändert. Durch Erregung dieser Gradientenspulen wird die Phase des im Anschluß an die Erzeugung des Grundfeldes in dem Hochfrequenzsystem induzierten Signals in Abhängigkeit von der Kernspinverteilung in dem un tersuchten Körperbereich beeinflußt, so daß es möglich ist, aus der Kernspinverteilung ein Bild einer Schnittebene des Körpers abzuleiten.

Eine bekannte Ausführungsform eines Kernspintomographen enthält ein System aus Gradientenspulen, die einen Hohlzylinder mit dem Radius R nachbilden, dessen Zylinderachse in z-Richtung eines rechtwinkligen x-y- z-Koordinatensystems mit dem Koordinatenur sprung im Zentrum eines Abbildungsbereiches verläuft. In dieser Richtung erstreckt sich auch das magnetische Feld B _z des Grund feldmagneten. Zum Erzeugen eines im Abbildungsbereich wenig stens annähernd konstanten Feldgradienten G _z in Richtung des Grundfeldes sind wenigstens zwei ringförmige symmetrisch zur x-y-Ebene angeordnete und gegensinnig stromdurchflossene Ein zelspulen vorgesehen. Ferner enthält das Gradientenspulen-Sy stem für den y-Gradienten ^yG und den x-Gradienten ^xG jeweils einen Satz mit Paaren von sattelförmigen Einzelspulen. Die Paare sind jeweils symmetrisch zur x-y-Ebene, das ist zugleich die Abbildungsebene eines herzustellenden Körperschnittbildes, angeordnet. Diese Sattelspulen dienen zum Erzeugen eines im Abbildungsbereich weitgehend konstanten Feldgradienten in x- Richtung

und eines entsprechenden Feldgradienten in y-Richtung

Die Sattelspulen enthalten jeweils gerade, in z-Richtung ver laufende Leiterstücke und azimutal zur z-Achse in Umfangsrich tung des Zylinders verlaufende Leiterbogen. In den einander benachbarten geraden Leiterstücken der beiden Einzelspulen jedes Spulenpaares sind die Stromflußrichtungen gleich. Die Stromflußrichtungen sind jedoch entgegengesetzt in den ent sprechenden, symmetrisch bezüglich der x-y-Ebene angeordneten Leiterstücken. Die der x-y-Ebene zugewandten Leiterbogen der Sattelspulen sind jeweils derart aufgeteilt, daß ein weiterer Leiterbogen entsteht. Die Leiterbogen sind in vorbestimmten Abständen von der x-y-Ebene angeordnet und mit zunehmendem Abstand von dieser Ebene hat die Durchflutung in den Leiterbo gen größere Werte (US-Patent 44 86 711).

Beim Einsatz der Gradientenspulen in einem Kernspintomographen für schnelle Pulsfolgen steigt der Anteil der höheren Audiofre quenzen von etwa 1 kHz bis 10 kHz, der im Spektrum der Pulsfol gen enthalten ist. Um sowohl einen erhöhten Leistungsbedarf als auch Feldverzerrungen in diesem Bereich aufgrund des Skin-Ef fekts in massiven Leitern zu vermeiden, können für die Windun gen der Gradienten-Spulen Litzen- oder Seilleiter verwendet werden. Die Einzelsättel eines Spulensatzes der Gradientenspu len für eine vorbestimmte Raumkoordinate müssen auf möglichst kurzen Wegen und induktivitätsarm miteinander verbunden werden. Da Seilleiter voneinander isolierte Einzeldrähte enthalten, entsteht mit der Kontaktierung dieser Leiterenden ein massiver Block aus Lot, der störende Wirbelströme verursachen kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Wickel- und Schaltungsschema für ein Gradientenspulen-System mit Sattelspu len anzugeben, das in einfacher Weise herzustellen ist und es erlaubt, mehrere Paare von Sattelspulen ohne Zwischenkontakte zu wickeln.

Ein weiteres bekanntes Gradientenspulen-System für einen Kern spintomographen ist auf einem hohlzylindrischen Träger angeord net, dessen Zylinderachse in der z-Richtung eines rechtwinkli gen Koordinatensystems mit dem Koordinatenursprung im Zentrum eines Abbildungsbereiches verläuft. In der z-Richtung ist auch das magnetische Grundfeld orientiert. Für den x- und den y-Gra dienten ist jeweils ein Spulensatz mit vier Sattenspulen vorge sehen, die jeweils aus drei Teilspulen bestehen, die in der gleichen Zylinderfläche angeordnet sind. Der Leiterbogen der äußeren Teilspule und der mittleren Teilspule verlaufen nahe der Symmetrieebene z =0, während der Leiterbogen der inneren Teilspule von dieser Ebene weiter entfernt ist. Ein Leiterbogen der mittleren Teilspule enthält eine konkave Krümmung. Dieses Spulensystem kann deshalb nicht ohne größeren Aufwand gewickelt werden (EP-A-02 74 149).

Die genannte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die einzelnen Sat telspulen enthalten nur abgerundete Ecken und auch nur konvexe Biegungen des gemeinsamen flexiblen Seilleiters. Die einzelnen Sattelspulen können vorzugsweise jeweils aus drei Teilspulen bestehen, die als Flachspulen (pancake coils) ausgebildet und in der gleichen Zylinderfläche des Trägerkörpers angeordnet sind. Die Windungszahlen dieser Teilspulen von der äußeren zur inneren Teilspule werden vorzugsweise im Verhältnis 1:1:4 ge wählt.

Die Anordnung der Verbindungsleitungen der einzelnen Sattel spulen untereinander wird vorzugsweise so gewählt, daß die Zu leitung zu einer der Sattelspulen mit deren Ableitung jeweils eine bifilare Leiteranordnung ergibt. Störende Streufelder durch diese Leiterteile sind somit ausgeschlossen.

Die Sattelspulen für den x-Gradienten können vorzugsweise in einer weiteren Zylinderebene mit etwas erhöhtem Druchmesser an geordnet und in bekannter Weise jeweils gegenüber dem Spulen satz für den y-Gradienten um 90° versetzt werden. Die Anordnung für den x-Gradienten wird dann vorzugsweise so gewählt, daß sich die Unterführungen für die Zuleitungen zu den einzelnen Sattelspulen jeweils an einem Ort der Zylinderfläche befinden, an dem ein Spulenteil des y-Gradienten nicht vorhanden ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung von Gradientenspulen für den x- und den y-Gradienten als Querschnitt schematisch veranschaulicht ist. Fig. 2 zeigt die Anordnung und den Aufbau von Gradientenspulen, die als Sat telspulen aufgebaut sind. Ein Ausführungsbeispiel für den Auf bau von Gradientenspulen für den x-Gradienten ist in Fig. 3 dargestellt.

In der Ausführungsform eines Gradientenspulen-Systems gemäß Fig. 1 soll ein Sattelspulen-System aus vier Sattelspulen be stehen, von denen in der Figur nur zwei sichtbar und mit 2 und 3 bezeichnet sind. Diese Sattelspulen sollen beispielsweise einen Gradienten ^yG in Richtung der y-Achse eines rechtwinkli gen Koordinatensystems erzeugen, von dem auch die x-Achse in der Figur dargestellt ist. Die Sattelspulen 2 und 3 sind je weils einander gegenüber im Wickelbett eines in der Figur le diglich strichpunktiert angedeuteten hohlzylindrischen Träger körpers 6 angeordnet. Das magnetische Grundfeld des Kernspin tomographen soll in z-Richtung dieses Koordinatensystems ver laufen. Die Länge der Bogenleiter der Sattelspulen 2 und 3 ist so gewählt, daß sich ein Abstand von der Mittelebene der je weils einander gegenüberliegenden Spulenpaare 2 und 3 ergibt, der durch einen Winkel ϕ bestimmt ist. In einer weiteren Zylin derfläche des Trägerkörpers 6 ist ein Gradientensystem für ei nen x-Gradienten vorgesehen, von dem lediglich zwei Spulen in der Figur sichtbar und mit 52 und 53 bezeichnet sind. Die Zy linderfläche, in der diese Spulen 52 und 53 angeordnet sind, ist in der Figur zur Verdeutlichung mit etwas vergrößertem Durchmesser dargestellt.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 besteht ein Spulensatz für den y-Gradienten aus den Sattelspulen 2 und 3 und den weiteren Sattelspulen 4 und 5. Jedes Paar von Sattelspulen ist symme trisch zur Ebene z =0 angeordnet, die zugleich eine Abbil dungsebene zum Herstellen eines Schnittbildes sein soll.

In der folgenden Erläuterung der Anordnung eines Seilleiters 10 und der Herstellung der Spulen sind die verschiedenen Positio nen des gemeinsamen Leiters 10 der Spulen 2 bis 5 lediglich durch Richtungspfeile angedeutet, die zugleich eine Stromrich tung im Betrieb der Gradientenspulen darstellen können. Die Zuführung 24 des Leiters 10 ist etwas aus der Ebene ϕ=0° ver setzt. Nach einer Unterführung des Leiters 10 bei der Position 25, die in der Figur strichpunktiert dargestellt ist und aus einer entsprechenden Vertiefung im Wickelbett des Trägerkörpers 6 bestehen kann, wird eine Teilspule 11 gewickelt, die bei spielsweise aus 16 Windungen bestehen kann und die innere Teil spule der Sattelspule 2 darstellt. Diese Spule besteht ledig lich aus geraden Leitern in z-Richtung und Bogenleitern in Um fangsrichtung des Trägerkörpers 6 und ihre Windungen sind alle in der gleichen Zylinderfläche des Trägerkörpers 6 angeordnet. Nach der Fertigstellung dieser Teilspule 11 beginnt bei der Position 26 eine weitere Teilspule 12 mit beispielsweise vier Windungen, deren Bogenleiter bei der Position 27 in der Berech nung durch eine Ellipse angenähert sein können. Auch diese Win dungen liegen in der gleichen Zylinderfläche. Nach Fertigstel lung von vier Windungen erfolgt bei der Position 28 ein Über gang zu einer neuen Teilspule 13 mit ebenfalls vier Windungen, deren der Abbildungsebene z =0 zugewandten Bogenleiter bei der Position 29 lediglich eine Krümmung in Umfangsrichtung des Trä gerkörpers 6 aufweisen. Nach der Fertigstellung dieser Teilspu le 13 mit ebenfalls vier Windungen wird der Leiter 10 bei der Position 30 abgebogen und mit Hilfe einer Unterführung im Be reich der Position 31 der Sattelspule 3 zugeführt, deren innere Teilspule 14 ebenfalls aus 16 Windungen bestehen soll. Nach Fertigstellung dieser 16 Windungen erfolgt bei der Position 32 ein Übergang zu einer weiteren Teilspule 15 mit ebenfalls vier Windungen und einer Teilspule 16, die auch mit vier Windungen versehen wird. Nach der Fertigstellung der Sattelspule 3 er folgt bei der Position 33 eine Ableitung und bei der Position 34 ein Übergang an der Zylinderfläche des Trägerkörpers 6 über die Ebene ϕ=0° und bei der Position 35 die Zuführung zur Sat telspule 4. Im Bereich der Position 36 ist die Unterführung des Leiters 10 in einer entsprechenden Vertiefung des Wickelbettes des Trägerkörpers 6 wieder strichpunktiert dargestellt. Nach Fertigstellung einer inneren Teilspule 17 mit beispielsweise 16 Windungen erfolgt bei der Position 37 der Übergang zur zweiten Teilspule 18 mit vier Windungen und anschließend bei der Posi tion 38 der Übergang zur Teilspule 19 mit ebenfalls vier Win dungen und nach der Ableitung in der Position 39 die Zuführung zur Sattelspule 5 mit einer Unterführung im Bereich der Posi tion 40. Nach Fertigstellung einer inneren Teilspule 20 erfolgt wieder bei der Position 41 der Übergang zur zweiten Teilspule 21 mit vier Windungen und anschließend bei der Position 42 der Übergang zur dritten Teilspule 22 mit ebenfalls vier Windungen. Nach der Fertigstellung der Sattelspule 5 mit ihrer äußeren Teilspule 22 erfolgt bei der Position 43 die Ableitung von die ser Spule bei der Position 44 und die Rückleitung von den Sat telspulen 2 bis 5 für den y-Gradienten bei der Position 45. Diese Ausführungsform der Sattelspulen 2 bis 5 erzeugt auf einer Kugeloberfläche mit dem normierten Radius r=R _a/R _G= 0,5 des Radius des Trägerkörpers 6 Verzeichnungen des Schnitt bildes der x-y-Ebene von weniger als 1%. Sehr geringe Störun gen von B (5,5)=-0,27% und B (7,1)=0,1% entstehen durch die Abrundung des errechneten Wertes auf ganze Windungszahlen.

In dieser Ausführungsform der Sattelspulen 2 bis 5 für den y- Gradienten können weder durch die Zu- und Ableitung bei den Po sitionen 24 bzw. 45 noch durch die Verbindungsleiter, bei spielsweise bei den Positionen 34 und 44 sowie 35 und 39, mit jeweils gegenparalleler Stromführung zusätzliche störende Fel der entstehen. Durch die Wicklung der vier Sattelspulen 2 bis 5 aus einem gemeinsamen Seilleiter 10 können auch keine Verluste durch Wirbelströme in massiven Leiterverbindungen entstehen. Da die Teilspulen der Sattelspulen 2 bis 5 lediglich aus geraden Leitern und Bogenleitern mit der gleichen Krümmung bestehen und der der Abbildungsebene zugewandte Bogen der Teilspulen 12, 15, 18 und 21 durch Annäherung einer Ellipse berechnet werden kann, ergibt sich sowohl eine einfache Berechnung als auch eine ein fache Herstellung dieser Sattelspulenpaare.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind für einen x-Gradien ten außer den Sattelspulen 52 und 53 noch zwei weitere Sattel spulen 54 und 55 vorgesehen, die ebenfalls jeweils aus drei Teilspulen bestehen, die in der Figur mit 61 bis 72 bezeichnet sind. Auch in dieser Ausführungsform sind sowohl die Zuleitung und Rückleitung 81 bzw. 82 als auch die Verbindungsleiter zwi schen den Spulen 83 und 84 sowie 85 und 86 und auch 87 und 88 durch gegenparallele Stromführung bifilar angeordnet. Die Unterführung der Zuleitung zu den inneren Teilspulen 61, 64, 67 und 70 erfolgt jeweils bei den Positionen 91 bis 94 an einem Ort auf dem Umfang des Trägerkörpers 6 bei oder in der Nähe der Ebene d=0, an dem gemäß Fig. 1 die Gradientenspulen 2 und 3 für den y-Gradienten nicht vorhanden sind. Man benötigt für die Anordnung der Sattelspulen 52 bis 55 für den x-Gradienten somit nur eine einzige zusätzliche Zylinderfläche auf dem Trägerkör per 6, deren Durchmesser nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser der des Spulensystems mit den Sattelspulen 2 bis 5 für den y-Gradienten. Dies ist vorteilhaft, weil der Blindlei stungsbedarf von Gradientenspulen mit der fünften Potenz des Radius ansteigt.

In der Ausführungsform eines Gradientenspulen-Systems gemäß Fig. 1 ist ein gemeinsamer hohlzylindrischer Trägerkörper 6 für die beiden Gradientenspulensätze vorgesehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, für die beiden Spulensätze jeweils einen eigenen Trägerkörper vorzusehen.

Claims

1. Gradientenspulen-System für einen Kernspintomographen mit folgenden Merkmalen:

a) Das Gradientenspulensystem ist auf einem hohlzylindrischen Trägerkörper angeordnet,
b) die Zylinderachse des Trägerkörpers verläuft in z-Richtung eines rechtwinkligen Koordinatensystems mit dem Koordinaten ursprung im Zentrum eines Abbildungsbereiches,
c) in der z-Richtung ist ein magnetisches Grundfeld B _z orien tiert,
d) für einen x-Gradienten und einen y-Gradienten ist jeweils ein Spulensatz von vier Sattelspulen vorgesehen,
e) der Spulensatz des x-Gradienten und des y-Gradienten ist jeweils in einer eigenen Zylinderfläche angeordnet, die durch einen Trägerkörper bestimmt sind,
f) die Sattelspulen (2 bis 5 für den y-Gradienten und 52 bis 55 für den x-Gradienten) bestehen jeweils aus drei Teilspu len (11 bis 22 für den y-Gradienten bzw. 61 bis 72 für den x-Gradienten), die in einer Zylinderfläche für den x-Gra dienten und in einer weiteren Zylinderfläche für den y-Gra dienten angeordnet sind,

gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

g) die drei Teilspulen (11 bis 22 bzw. 52 bis 55) bestehen aus einem Seilleiter (10) und sind ausschließlich mit konvexer Krümmung gewickelt,
h) die der Ebene z=0 zugewandten Bogenleiter der mittleren Teilspulen (12, 15, 18, 21 bzw. 62, 65, 68, 71) sind in ihrer Form einem Ellipsenbogen angenähert.

2. Gradientenspulen-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spulensatz (2 bis 5 bzw. 22 bis 55) aus einem einzigen gemeinsamen Seilleiter (10) besteht.

3. Gradientenspulen-System nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch Windungszahlen von der äußeren Teil spule (13, 16, 19, 22) zur mittleren Teilspule (12, 15, 18, 21) und zur inneren Teilspule (11, 14, 17, 20) im Verhältnis 1 : 1 : 4.

4. Gradientenspulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine gegenparallele Strom führung der Zufuhrung des Stromes und der Ableitung des Stromes an den einzelnen Sattelspulen (24, 30; 34, 44; 35, 39).

5. Gradientenspulen-System nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für den y-Gradienten, gekennzeichnet durch die Anordnung der Sattelspulen (2 bis 5) für den x-Gradienten in einer weiteren radial versetzten Zylinderfläche des Träger körpers (6) derart, daß sich die Unterführungen (91 bis 94) an den Zuleitungen zu den einzelnen Sattelspulen (52 bis 55) und die Ableitungen von den einzelnen Sattelspulen (52 bis 55) je weils an einem Ort des Trägerkörpers (6) befinden, an denen eine Spule für den y-Gradienten nicht vorhanden ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Gradientenspulen-Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Teilspulen (11 bis 13) einer der Sattelspulen (2) nacheinander in der gleichen Zylinderfläche aufgewickelt werden, daß anschließend die Teilspulen (14 bis 16) der in Umfangsrichtung des Trägerkörpers (6) benachbarte Sattelspule (3) ebenfalls nacheinander gewickelt werden und daß dann die zur Ebene z=0 gespiegelte Sattelspule (4) in glei cher Weise gewickelt wird und anschließend die dieser in Um fangsrichtung des Trägerkörpers (6) benachbarte Sattelspule (5) ebenfalls in dieser Weise gewickelt wird.