DE4008887A1

DE4008887A1 - Kompakte, abgeschirmte gradientenspulenanordnung

Info

Publication number: DE4008887A1
Application number: DE4008887A
Authority: DE
Inventors: Ratson Morad
Original assignee: Elscint Ltd
Current assignee: Elscint Ltd
Priority date: 1989-03-26
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1990-11-15
Also published as: IL89743A0; US5083085A; GB2229820B; GB9006199D0; GB2229820A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Magnetresonanz abbildung (MRI) und insbesondere auf Anordnungen zur Erzeu gung eines linearen Gradienten des magnetischen Feldes im Abbildungsvolumen.

Die Technik der Magnetresonanzabbildung ist eine bekannte medizinische Diagnosemethode, die gute Resultate ergibt, insbesondere bei Hauptmagnetfeldern von 0,5 Tesla und darüber. Das Hauptmagnetfeld ist ein statisches Feld, das stabil und homogen sein soll. Bei den meisten Anordnungen werden supraleitende Magneten verwendet, es gibt jedoch auch Anordnungen, die widerstandsbehaftete Magneten und Permanent magneten verwenden, insbesondere für Felder unter 0,5 Tesla.

Da die Resonanzfrequenz der Kerne eine Funktion der Magnet feldstärke ist, verwenden die MRI-Techniken Feldgradienten im Magnetfeld, um eine eindeutige Kodierung für jeden Punkt im Abbildungsvolumen zu erzielen. Die Gradientenspulen, die verwendet werden, um die Feldgradienten zu erzeugen, haben üblicherweise die Form eines Zylinders für die Gradientenspu le in der Z-Richtung (axial) und die Form eines Sattels oder einer "Strömungsfunktion" für die Gradientenspulen in der X- und Y-Richtung (quer).

Die Gradientenspulen werden durch Impulse erregt. Das sich ändernde Magnetfeld der Gradientenspulen induziert Ströme in einem benachbarten, elektrisch leitenden Material. Diese induzierten Ströme oder Wirbelströme stören das Magnetfeld im Abbildungsvolumen sowohl in Hinblick auf Raum als auch Zeit, und beeinflussen somit die Qualität der Bilddarstellungen nachteilig.

Einer der Parameter, der die Kosten und die Abbildbarkeit der Hauptmagnetanordnung bestimmt, ist der freie Bohrungsdurch messer. Wird der Durchmesser der freien Bohrung des Magneten reduziert, wird die Effektivität des Magneten in Hinblick auf Kosten und Feldstärke erhöht. Dies gilt für Magneten unabhän gig davon, ob sie supraleitend, ohmisch oder Permanentmagne ten sind.

Ein entscheidender Vorteil bei der Verringerung des Durchmes sers der freien Bohrung des Magneten besteht darin, daß das Volumen, das innerhalb der 5 Gauss-Linie (die zur Messung des magnetischen Interferenzvolumens verwendet wird), einge schlossen ist, ebenfalls verringert wird. Somit lassen sich Probleme in Hinblick auf Abschirmung und Sicherheit wesent lich einfacher beheben. Der Hauptnachteil bei der Verringer ung des Durchmessers der freien Bohrung liegt darin, daß daraus eine Zunahme der Wirbelströme resultiert, die das Magnetfeld im Abbildungsvolumen nachteilig beeinflußt.

Beim Stand der Technik gibt es zwei Hauptlösungen für die Wirbelstromprobleme. Die erste Lösung besteht darin, eine Abschirmung aus stromleitendem Material zu verwenden, die zwischen die Gradientenspule und den Magneten eingesetzt wird. Die Abschirmung schützt das Magnetsystem, es werden jedoch Wirbelströme in dieser Abschirmung induziert, die das Hauptfeld in vielen Fällen, abhängig von der Impulsfolge, stören.

Die zweite Methode ist die Verwendung eines zusätzlichen Satzes von Gradientenspulen, die einen größeren Durchmesser als der erste Satz von Gradientenspulen haben. Der erste Spulensatz erzeugt ein Gradientenfeld im Abbildungsvolumen, aber auch ein Magnetfeld außerhalb der Spule. Der zweite Satz von Spulen erzeugt ein Feld außerhalb der Spulen, das gleich dem durch den ersten Satz erzeugten Feld ist, das jedoch entgegengesetzte Richtung hat. Dies führt dazu, daß außerhalb des Gradientensystems das Gradientenfeld sehr niedrig ist. Es wird jedoch auch die Feldstärke im Abbildungsvolumen verrin gert. Um die gewünschte Feldstärke im Abbildungsvolumen zu erzielen, wird die Leistung in beiden Sätzen von Spulen erhöht.

Ein Nachteil einer derartigen Lösung ist, daß zur Erzielung einer guten Abschirmung der Radius des äußeren Satzes von Spulen wesentlich größer als der Radius des ersten Satzes von Spulen sein muß, und daß die freie Bohrung des Magneten nicht verkleinert werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Leistung, die für den gleichen Gradienten im Mittel punkt des Abbildungsvolumens erforderlich ist, erhöht werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, das Magnetfeld im Abbildungsvolumen gegenüber Störungen zu schützen, die sich aufgrund von Wirbelströmen ergeben, und lineare Gradienten im Abbildungsvolumen vorzusehen. Des weiteren ist Aufgabe der Erfindung, den Außendurchmesser des Gradientenspulensystems so zu verringern, daß der Durchmesser der freien Bohrung des Magneten verringert werden kann, wodurch Kosteneinsparungen möglich sind, und wodurch auch das von dem Hauptmagneten erzeugte Streufeld reduziert werden kann. Auch ist es Aufgabe der Erfindung, Gradientenspulen mit verhältnismäßig starkem mechanischem Aufbau zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird eine kompakte, abgeschirmte Gradien tenspulenanordnung vorgeschlagen, die ein lineares Gradien tenfeld innerhalb des Abbildungsvolumens erzeugt und die das Abbildungsvolumen gegen Interferenz aufgrund von Wirbelströ men schützt, die außerhalb des Gradientensystems auftreten. Die Anordnung weist einen ersten Satz von Spulen mit einem inneren Radius R 0 und einem äußeren Radius R 1 auf. Eine leitende Abschirmung umgibt den ersten Satz von Spulen. Die leitende Abschirmung hat einen Innenradius R 2, der vorzugs weise gleich dem Radius R 1 und einem Außenradius R 3 ist. Ein zweiter Satz von Spulen hat einen Innenradius R 4, der vorzugsweise gleich dem Radius R 3 ist, sowie einen Außenra dius R 5 auf. Der erste Satz von Spulen erzeugt ein Gradien tenfeld im Abbildungsvolumen, führt jedoch auch Wirbelströme in die stromleitende Abschirmung ein. Der zweite Satz von Spulen erzeugt Wirbelströme in der stromleitenden Abschir mung, die in entgegengesetzter Richtung zu den Wirbelströmen fließen, welche durch den ersten Spulensatz erzeugt werden.

Die ersten und zweiten Sätze von Spulen und die stromleitende Abschirmung sind in der Lage, ein lineares, geschütztes Gradientenfeld innerhalb des Abbildungsvolumens sowohl im Übergangszustand als auch im stetigen Zustand zu erzeugen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens Spulen des zweiten Satzes auf die stromleitende Abschirmung gewickelt, um Gradientenspulen zu erzielen, die einen verhältnismäßig kräftigen mechanischen Aufbau ergeben.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich nung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer Gradientenanordnung nach der Erfindung, und

Fig. 2 eine detailliertere Schnittansicht einer Gradienten anordnung nach der Erfindung.

Die Gradientenanordnung 11 nach der Erfindung ist im Quer schnitt in Fig. 1 gezeigt. Ein erster Satz von Spulen 12 mit einem Innenradius R 0 ist koaxial zu einer stromleitenden Abschirmung 13 mit einem Innenradius R 2 angeordnet. Sowohl der erste Satz von Spulen 12 als auch die Abschirmung 13 sind koaxial zueinander ausgebildet, wobei ein zweiter Satz von Spulen 14 einen Innenradius R 4 hat. Die Wicklungen des ersten Satzes von Spulen 12 oder die Windungen des zweiten Satzes von Spulen 14 oder die Windungen beider Sätze von Spulen sind vorzugsweise auf der stromleitenden Abschirmung 13 befestigt, die damit die Spulen mechanisch abstützt und der Gradienten anordnung eine zusätzliche Festigkeit gibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Spule, und zwar der erste und der zweite Satz, mit zwei Ausgängen der gleichen Speisequelle 15 verbunden, so daß eine einzige Speisequelle verwendet werden kann. Zur Speisung jeder Spule mit unter schiedlichem Strom für unterschiedliche Gradientenfolgen sind Vorkehrungen, z.B. in Form von veränderlichen Widerständen 25 vorgesehen. Zur Erzielung unterschiedlicher Zeitabhängigkei ten sind ferner Vorkehrungen in Form von Schaltern SW 1 getroffen, die durch das (nicht dargestellte) Steuergerät des Systems gesteuert werden.

Wenn der erste Spulensatz erregt wird, wird ein lineares Gradientenfeld in dem Abbildungsvolumen erzeugt und es werden Wirbelströme in der stromleitenden Abschirmung induziert. Gleichzeitig wird der zweite Spulensatz erregt und induziert Wirbelströme in der stromleitenden Abschirmung in entgegenge setzter Richtung zu der, die durch den ersten Satz induziert wird. Die Gesamtwirkung auf das Abbildungsvolumen 16 in der Mitte des Feldes ist ein linearer Gradient. Wenn der indu zierte Strom in der stromleitenden Abschirmung abfällt, wird der Strom in beiden Spulensätzen reduziert, und der lineare Gradient im Mittelfeld bleibt konstant.

Die kompakte, abgeschirmte Gradientenanordnung, die in Fig. 2 gezeigt ist, weist einen ersten Satz von Gradientenspulen auf, der Z-Gradienten-Spulenelemente 17, Y-Gradienten-Spu lenelemente 18 und X-Gradienten-Spulenelemente 19 umfaßt. Die Z-Gradienten-Spulenelemente werden vorzugsweise durch Solenoid-Spulen dargestellt. Die X- und Y-Gradienten-Spulen elemente werden jeweils vorzugsweise durch Sattel- oder Strömungsfunktions-Spulen dargestellt. Die stromleitende Abschirmung 13, die vorzugsweise aus einem elektrisch gut leitenden Material, z.B. Aluminium besteht, ist koaxial zum ersten Spulensatz angeordnet. Die Z-Gradientenspule des ersten Satzes kann auf die Innenseite der stromleitenden Abschirmung gewickelt sein und gibt dem Spulensatz eine zusätzliche mechanische Festigkeit.

Die kompakte, abgeschirmte Anordnung weist ferner einen zweiten Satz von Gradientenspulen auf, der Z-Gradienten- Spulenelemente 20, Y-Gradienten-Spulenelemente 21 und X-Gradienten-Spulenelemente 22 aufweist. Die Z-Gradienten elemente 20 werden vorzugsweise durch eine Solenoidspule dargestellt, die X- und Y-Gradientenspulenelemente 21 und 22 werden jeweils vorzugsweise durch Sattel- oder "Strömungs funktions"-Spulen dargestellt.

Die Z-Gradientenspulen des zweiten Satzes sind vorzugsweise auf die Außenseite der stromleitenden Abschirmung gewickelt und können zu Isolationszwecken auf einem bearbeiteten, glasfaserverstärkten Kunststoff angeordnet sein.

Der innere Satz, der äußere Satz und die stromleitende Abschirmung werden so zusammengebaut, daß im Betrieb Wirbel ströme, die durch den ersten Spulensatz in der stromleitenden Abschirmung induziert werden, durch entgegengesetzte Wirbel ströme aus dem zweiten Spulensatz unterdrückt werden, so daß sich im wesentlichen Nullströme in der Abschirmung und den linearen Gradienten im Abbildungsvolumen ergeben. Die innere Spule wird erregt, um das benötigte Feld im Abbildungsvolumen zu erzeugen. Wirbelströme, die in der Abschirmung induziert werden, werden durch die Wirbelströme mit entgegengesetzter Richtung, die durch den zweiten Satz von Gradientenspulen induziert werden, unterdrückt.

Wenn die Wirbelströme in der stromleitenden Abschirmung abklingen, wird der Strom im äußeren Satz verringert. Der Einfluß des äußeren Satzes auf das Abbildungsvolumen ist wegen der stromleitenden Abschirmung sehr gering, die das Abbildungsvolumen gegenüber Änderungen schützt, welche außerhalb der Abschirmung auftreten. Daraus resultiert eine Leistungseinsparung verglichen mit anderen Lösungen für das Wirbelstromproblem. Die beiden Sätze von Spulen sind mit kleinen Spalten dazwischen ausgelegt und hergestellt; dies ergibt kleinere Außendurchmesser für den abgeschirmten Gradienten. Deshalb kann ein Magnet mit kleinerer Bohrung verwendet werden, was eine Einsparung an Kosten für den Magneten ergibt. zusätzlich wird eine Reduzierung in der 5 Gauss-Linie erreicht.

Claims

1. Kompakte, abgeschirmte Gradientenanordnung zum Einbau in einem Hauptfeldmagnet eines Magnetresonanzsystems, gekennzeichnet durch

a) einen ersten Satz von Gradientenspulen (12),
b) eine elektrisch leitende Abschirmung (13), die sich um den ersten Satz von Gradientenspulen (12) und koaxial zu diesem erstreckt,
c) einen zweiten Satz von Gradientenspulen (14), die die Abschirmung (13) umgeben, und
d) eine Vorrichtung zum Befestigen des Systems im Haupt magnetfeld, um ein lineares Gradientenfeld im Abbil dungsvolumen (16) zu erreichen und das Abbildungsvolu men gegen äußere Wirbelströme zu schützen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz von Gradientenspulen (12) auf der stromleiten den Abschirmung (13) befestigt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Satz von Gradientenspulen (14) auf der stromleiten den Abschirmung (13) befestigt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der erste als auch der zweite Satz von Gradienten spulen (12, 14) auf der stromleitenden Abschirmung (13) befestigt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Satz von Gradientenspulen (12) einen ersten Satz von Wirbelströmen in der stromleitenden Abschirmung (13) erzeugt, und daß der zweite Satz von Gradientenspulen (14) einen zweiten Satz von Wirbelströmen in der stromleitenden Abschirmung (13) erzeugt, wobei der erste und der zweite Satz von Wirbelströmen in entgegengesetzten Richtungen fließen.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß X-, Y- und Z-Gradientenspulen (19, 18, 17) vorgesehen sind, um X-, Y- und Z-Gradienten zu erzeugen, und daß die Z-Gradi entenspulen zylindrisch sowie die X- und Y-Gradientenspu len sattelförmig ausgebildet sind.

7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß isolierendes Material zwischen den Spulensätzen (12, 14) und der elektrisch leitenden Abschirmung (13) angeordnet ist.