DE4029477C2 - Tesserale Gradientenspule für Kernspin-Tomographiegeräte - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine tesserale Gradientenspule für Kern­ spin-Tomographiegeräte mit einem Grundfeldmagneten mit einem hohlzylindrischen Innenraum, dessen Zylinderachse in z-Richtung eines kartesischen x-y-z-Koordinatensystems liegt, wobei im Innenraum Gradientenspulen zur Erzeugung magnetischer Feld­ gradienten angeordnet sind, wobei jede Windung jeder tesseralen Gradientenspule aus zwei in azimutaler Richtung verlaufenden Segmenten und diese verbindenden Leitern besteht.

Derartige Gradientenspulen sind beispielsweise aus der EP-B1-00 73 402 bekannt. Die Gradientenspulen sind dabei aus sattelförmigen Einzelspulen zusammengesetzt, die auf einem zylindrischen Trägerkörper angeordnet sind, dessen Längsrichtung im allgemeinen als z-Richtung bezeichnet wird. In jedem Kern­ spin-Tomographiegerät werden drei Gradientenrichtungen benö­ tigt, und zwar in x-, y- und z-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems. Diejenigen Gradientenspulen, die Magnetfeld­ gradienten in einer Richtung senkrecht zur Zylinderlängsachse, also in x- und y-Richtung erzeugen, werden dabei als tesserale Gradientenspulen bezeichnet.

In einem Artikel von V. Bangert und P. Mansfield "Magnetic field gradient coils for NMR imaging" in Rev. Sci. Instrum., Vol. 15, (1982), S. 235-239 ist eine Gradientenspule beschrieben, die aus vier parallel zueinander verlaufenden geraden Leitern zur Erzeugung eines linearen Gradientenfeldes besteht. Durch geeignete Lage von ebenfalls geraden Rückführungen soll das Gradientenfeld möglichst linear gehalten werden. Eine derartige Anordnung wäre für Magneten mit hohlzylindrischem Innenraum nicht geeignet. Ein Hinweis auf parasitäre Felder ist nicht gegeben.

In der EP-A1-3 04 126 ist eine aktiv geschirmte Gradientenspule beschrieben, die aus herkömmlichen, radial beabstandeten Sattelspulen besteht. Es ist zwar von Leitern die Rede, die sich mehr oder weniger radial erstrecken. Diese Leiter verbinden jedoch nur die Sattelspulen auf den verschiedenen Radien und führen nicht zu einer Anordnung, bei der die einzelnen Windungsflächen im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Magneten liegen.

Aus der EP-A1-02 16 590 ist ein Gradientenspulensystem bekannt, bei dem auf einer ersten Zylindermantelfläche Sattelspulen ange­ ordnet sind, die das Nutzfeld für die Gradienten erzeugen. Auf einer zweiten Zylindermantelfläche mit größerem Durchmesser sind weitere Sattelspulen angeordnet, die das Feld der Gradien­ tenspulen nach außen hin kompensieren. Damit werden die durch Feldänderung der Gradientenspulen im Kälteschild des Grundfeld­ magneten induzierten Ströme erheblich reduziert. Diese Ströme sind insbesondere bei schnell geschalteten Gradienten störend.

Insbesondere beim sogenannten Echoplanar-Verfahren sind schnell geschaltete Gradienten notwendig. Hierbei wird nach einer ein­ zelnen Anregung ein Gradientenfeld in der Polarität so oft um­ geschaltet, bis man die Meßdaten für eine komplette Schicht eines Untersuchungsobjekts erhalten hat. Da dies erfolgen muß, bevor das Kernresonanzsignal abgeklungen ist, sind kurze Um­ schaltzeiten notwendig. Die dafür erforderliche schnelle Flußänderung dB/dt induziert nicht nur in dem die Gradienten­ spulen umgebenden Kälteschild des Grundfeldmagneten, sondern auch im Untersuchungsobjekt Ströme. Im Extremfall können die so induzierten Ströme Nerven von Patienten stimulieren und physiologisch unangenehm empfunden werden.

Bei herkömmlichen tesseralen Gradientenspulen ist das zur Er­ zeugung von Magnetfeldgradienten wirkende Nutzfeld kleiner als ein zusätzlich erzeugtes parasitäres Magnetfeld, so daß die induzierten Ströme im wesentlichen vom parasitären Magnetfeld herrühren.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Gradientenspulen der ein­ gangs genannten Art so aufzubauen, daß parasitäre, d. h. für die Erzeugung eines Gradientenfeldes nicht nutzbare Magnetfelder, verringert und damit die bei Stromänderungen von den Gradienten­ spulen induzierten Ströme im Untersuchungsobjekt und in der die Gradientenspulen umgebenden Struktur verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von den beiden jeder Windung zugeordneten, azimutal verlaufenden Seg­ menten eines auf einem möglichst geringen Radius und das zweite auf einem möglichst großen Radius bezüglich der Zylinderachse liegt. Damit werden die von der Gradientenspule in radialer Richtung erzeugten parasitären Magnetfeldkomponenten und damit die induzierten Ströme verringert. Die von der Gradientenspule umfaßte Fläche und damit auch die Induktivität wird kleiner, so daß kurze Schaltzeiten mit geringerem Aufwand realisiert werden können. Aufgrund der kleinen Spulenausdehnung wird auch die für die Windungen benötigte Leiterlänge klein und weist daher einen geringen ohmschen Widerstand auf. Die Lorentz-Kräfte wirken auf die Segmente radial und antiparallel, so daß sich die Einzelkräfte auf die beiden Segmente einer Windung nahezu aufheben. Dies führt bei geeigneter Abstützung der Segmente gegeneinander wiederum zu weniger mechanischen Schwingungen und zu einer Lärmverringerung.

Um ein Gradientenfeld in einem größeren Bereich zu homogeni­ sieren, kann jede Gradientenspule mehrere in axialem Abstand angeordnete Windungen aufweisen.

Dabei kann der Abstand zwischen den einzelnen Windungen in axialer Richtung variabel ausgeführt sein, wobei man über den Abstand der Windungen die Homogenität beeinflussen kann.

Eine Minimierung der parasitären radialen Feldkomponenten er­ reicht man, wenn die einer Windung zugeordneten Segmente je­ weils in derselben axialen Ebene liegen.

Die einer Windung zugeordneten Segmente können aber auch je­ weils axial zueinander versetzt sein, um hiermit eine verbesserte Homogenität zu erreichen. Je geringer der axiale Versatz ist, desto kleiner bleibt die parasitäre radiale Magnetfeldkompo­ nente.

Eine Optimierung der Homogenität kann auch dadurch erreicht werden, daß die Segmente unterschiedliche Winkel einschließen, z. B. daß das äußere und das innere Segment jeweils einen unterschiedlichen Winkel einschließen oder daß verschiedene Windungen unterschiedliche Winkel einschließen.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein Teil der Win­ dungen der Gradientenspule auf einer zum hohlzylindrischen Untersuchungsraum konzentrischen Zylinderfläche angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform werden insbesondere die Wirbel­ ströme im Kryostaten reduziert, wenn man so viele Windungen als äußere Segmente ausführt, wie für die aktive Schirmung notwen­ dig sind.

Eine verbesserte Linearität des Gradientenfeldes läßt sich bei einer Ausführungsform erzielen, bei der die die Segmente verbin­ denden Leiter jeweils eine sich in z-Richtung erstreckende Schleife bilden. Damit wird die linearitätsstörende Wirkung dieser Leiter vom Untersuchungsvolumen nach außen verlagert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1-11 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt stark schematisiert die zur Erläuterung der Erfindung notwendigen Bauteile eines Kernspin-Tomographen. Das Grundmagnetfeld wird beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit einem supraleitenden Grundfeldmagneten erzeugt. Die hierfür be­ nötigten, in Fig. 1 nicht dargestellten Spulen sind in einem zylinderförmigen Kryostaten 1 angeordnet. Der Kryostat 1 weist einen zylinderförmigen Innenraum 1b auf. In diesem Innenraum 1b ist ein hohlzylinderförmiger Trägerkörper 2 für Gradienten­ spulen angeordnet. Innerhalb des Trägerkörpers 2 ist eine Hoch­ frequenzantenne vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel durch Stäbe 3 gebildet wird. Ferner ist innerhalb des Trägerkörpers 2 eine Patientenliege 4 angeordnet. Weitere, in einem Kernspin- Tomographiegerät üblicherweise vorhandene Elemente, z. B. Shim- Einrichtungen, sind in Fig. 1 nicht dargestellt, da sie zur Erläuterung der Erfindung nicht notwendig sind.

In Fig. 2 ist zur Erläuterung der Problemstellung schematisch ein bekanntes Gradientenspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in y-Richtung vorgesehen. Wie bereits eingangs erwähnt, sind bei Kernspin-Tomographiegeräten Magnet­ feldgradienten in drei aufeinander senkrecht stehenden Rich­ tungen x, y und z entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Koordinatenkreuz notwendig. Als z-Richtung ist dabei die Richtung des Grundmagnetfeldes B_z, d. h. die Längsachse des hohlzylindrischen Innenraums, definiert. Die zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten senkrecht zu dieser z-Achse dienenden Gradientenspulen werden dabei als "tesserale" Gradientenspulen bezeichnet.

Die Erfindung betrifft lediglich tesserale Gradientenspulen, so daß die zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in z-Rich­ tung dienenden Gradientenspulen, die einfach als Wicklungen auf dem Trägerkörper 2 ausgeführt werden können, der Übersichtlich­ keit wegen weggelassen sind.

In Fig. 2 ist lediglich das zur Erzeugung eines Magnetfeld­ gradienten in y-Richtung vorgesehene Gradientenspulensystem herkömmlicher Bauart dargestellt. Dieses Gradientenspulensystem besteht aus vier einzelnen Sattelspulen 5-8. Zur Erzeugung des Magnetfeldgradienten in y-Richtung, im folgenden kurz als Y-Gradienten bezeichnet, tragen im wesentlichen die inneren Bögen 5a-8a der Sattelspulen bei, die äußeren Bögen 5b-8b liegen außerhalb des eigentlichen Untersuchungsraums. Die Wirkung der inneren Bögen 5a-8a auf das Magnetfeld im Unter­ suchungsbereich ist in Fig. 2 mit Pfeilen gekennzeichnet. Im oberen Teil des Untersuchungsbereichs wird eine Verstärkung des Grundmagnetfelds B_z, im unteren Bereich eine Abschwächung des­ selben bewirkt, so daß also ein Magnetfeldgradient in y-Rich­ tung auftritt.

Zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in x-Richtung ist die gleiche Spulenanordnung lediglich um 90° um die Zylinderachse gedreht nochmals vorhanden, jedoch in Fig. 2 der Übersichtlich­ keit wegen nicht dargestellt.

Diese Gradientenspulenanordnung hat zwar den Vorteil, daß sie sehr flach gebaut werden kann, sie weist aber eine starke para­ sitäre Magnetfeldkomponente B_p in radialer Richtung auf, die stärker als die nutzbare Magnetfeldkomponente in z-Richtung ist. Durch dieses parasitäre Magnetfeld B_p werden bei Stromände­ rungen Ströme in der Innenwand des Kryostaten 1 und im Unter­ suchungsobjekt induziert, und zwar in stärkerem Maße als durch das Nutzfeld. Diese induzierten Ströme wirken sich um so stören­ der aus, je stärker die Stromänderung und damit die Flußände­ rung dB/dt ist, also z. B. vor allem bei der Bildgebung nach dem Echoplanar-Verfahren.

Um die in der Innenwand des Kryostaten induzierten Ströme zu reduzieren, ist es aus der bereits eingangs genannten EP-A1-02 16 590 bekannt, eine Gradientenspule mit einer aktiven Schirmung zu versehen. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Dabei liegen zwei Sattelspulen 5 und 9 auf zwei konzentrischen Zylinderflächen. Die Sattelspulen 5 und 9 sind gegensinnig von Strom durchflossen. Die innere Sattel­ spule 5 erzeugt das Nutzfeld für den Magnetfeldgradienten, während die Sattelspule 9 das Magnetfeld der Sattelspule 5 nach außen hin kompensiert. Bei einer derartigen Anordnung ist je­ doch die doppelte Anzahl von Spulen erforderlich, wobei außer­ dem die äußere Sattelspule 9 auch das Nutzfeld der inneren Sattelspule 5 schwächt.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 dar­ gestellt. In Fig. 4 sind nur die beiden rechten Gradientenspulen 5 und 7 des Gradientenspulensystems für die y-Richtung darge­ stellt. Die Windungen dieser Gradientenspulen liegen dabei in einer Ebene senkrecht zur Längsachse, wobei zwei Segmente 5a und 5b bzw. 7a und 7b auf einem unterschiedlichen Radius bezüg­ lich der Zylinderlängsachse liegen. Dabei wird jeweils das innere Segment 5b, 7b auf einem möglichst geringen Radius r1 angeordnet, wobei hier die Begrenzung im notwendigen Durch­ messer des Untersuchungsraums liegt. Das jeweils äußere Segment 5a wird auf einem möglichst großen Radius r2, der konstruktiv durch den Innendurchmesser des Kryostaten 1 bzw. durch eine an der Innenwand des Kryostaten angeordnete Shim-Einrichtung begrenzt ist, angeordnet. Die Verbindungsleiter 5c, 5d, 7c, 7d zwischen den Segmenten 5a, 5b, 7a, 7b liegen in radialer Rich­ tung. Die Spulenachse einer derartigen Gradientenspule er­ streckt sich nun nicht mehr wie beim Stand der Technik nach den Fig. 2 und 3 in radialer Richtung, sondern in axialer Richtung. Die parasitäre radiale Feldkomponente ist wesentlich kleiner. Damit werden auch die durch Feldänderungen im Kryostaten 1 und im Untersuchungsobjekt induzierten Ströme kleiner. Somit er­ zielt man ein günstiges Wirbelstromverhalten und physiologische Effekte werden deutlich verringert, was insbesondere bei sehr kurzen Schaltzeiten der Gradienten vorteilhaft ist. Da Gra­ dientenspulen dieser Bauform eine sehr kleine Fläche ein­ schließen, weisen sie auch nur eine geringe Induktivität und eine kleine Energiespeicherung auf. Auch der ohmsche Widerstand der Windungen bleibt aufgrund der kurzen Leitungslängen klein. Aufgrund dieser Faktoren werden an die Gradientenstromversor­ gung geringere Anforderungen gestellt.

Die Lorentz-Kräfte wirken auf die Segmente 5a, 5b und 7a, 7b radial und antiparallel. Im Magnetfeld entstehen daher in der Summe geringere Gesamtkräfte, so daß mechanische Schwingungen konstruktiv einfach gedämpft werden können und damit auch der durch die Gradientenschaltung verursachte Lärm deutlich redu­ ziert werden kann.

Zur Verbesserung der Homogenität des Gradientenfeldes können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Gemäß Fig. 5 können beispielsweise mehrere Gradientenspulen 5, 7 (im Ausführungs­ beispiel drei) in axialem Abstand zueinander angeordnet werden.

Fig. 6 zeigt die entsprechende Anordnung in Seitenansicht, wobei die Wirkung auf das Grundfeld B_z durch Pfeile symbolisiert ist. Mit einer derartigen Anordnung kann das Gradientenfeld über einen längeren Untersuchungsbereich homogenisiert werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 weisen die einzelnen Win­ dungen in axialer Richtung einen gleichen Abstand auf. Unter Umständen kann jedoch ein noch lineareres Gradientenfeld er­ zielt werden, wenn man den Abstand der Windungen entsprechend Fig. 7 variabel gestaltet.

Weitere Möglichkeiten, die Linearität des Gradientenfeldes zu beeinflussen, sind in den Fig. 8 und 9 dargestellt. Gemäß Fig. 8 schließen die Windungen jeder Gradientenspule 5 und 7 einen unterschiedlichen Winkel ein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 sind die inneren und äußeren Segmente 5a, 5b bzw. 7a, 7b teilweise in axialer Richtung versetzt. Damit wird zwar die parasitäre Feldkomponente in radialer Richtung etwas erhöht, dafür aber unter Umständen die Homogenität des Gra­ dientenfeldes verbessert.

Eine Kombination des Prinzips der herkömmlichen Sattelspule mit dem erfindungsgemäßen Prinzip ist für eine einzelne Gradienten­ spule in Fig. 10 dargestellt. Dabei erhält das äußere Segment 5a nur so viele Windungen, wie für die Schirmung nach außen in der Nähe des Untersuchungsraums optimal sind, alle anderen Windungen 5e liegen wie bei herkömmlichen Sattelspulen auf einer Zylinderfläche mit dem inneren Segment 5b.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel mit dem Ziel einer verbesser­ ten Linearität des Gradientenfeldes zeigt Fig. 11. Dabei be­ steht jede Windung aus einem inneren Segment 5b und einem äußeren Segment 5a. Die beiden Segmente 5a und 5b sind durch Leiterschleifen 5f, 5g verbunden, die sich in Richtung der Zylinderachse erstrecken.

Claims (8)

1. Tesserale Gradientenspule für Kernspin-Tomographiegeräte mit einem Grundfeldmagneten mit einem hohlzylindrischen Innen­ raum (1b), dessen Zylinderachse in z-Richtung eines kartesischen x-, y-, z-Koordinatensystems liegt, wobei im Innenraum (1b) Gradientenspulen (5-8) zur Erzeugung magnetischer Feld­ gradienten angeordnet sind, wobei jede Windung jeder tesseralen Gradientenspule (5-8) aus zwei in azimutaler Richtung verlaufen­ den Segmenten (5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b) und diese ver­ bindenden Leitern besteht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von den beiden jeder Windung zugeord­ neten, azimutal verlaufenden Segmenten (5a, 5b, 7a, 7b) eines auf einem möglichst geringen Radius (r1) und das zweite auf einem möglichst großen, durch den Innendurchmesser des Grundfeldmagneten begrenzten Radius (r2) bezüglich der Zylinderachse liegt, wobei sich die Spulenachsen der tesseralen Gradientenspulen im wesentlichen in z-Richtung erstrecken, so daß die parasitären radialen Feldkomponenten sowohl im Meßobjekt als auch im umgebenden Kryostaten gering bleiben.

2. Tesserale Gradientenspule nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß jede Gradientenspule (5-8) mehrere in axialem Abstand angeordnete Windungen aufweist.

3. Tesserale Gradientenspule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den einzelnen Windungen in axialer Richtung nicht konstant ist.

4. Tesserale Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Windung zugeordneten Segmente (5a, 5b, 7a, 7b) jeweils in der­ selben axialen Ebene liegen.

5. Tesserale Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einer Windung zugeordneten Segmente (5a, 5b, 7a, 7b) jeweils axial zueinander versetzt sind.

6. Tesserale Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (5a, 5b, 7a, 7b) unterschiedliche Winkel einschließen.

7. Tesserale Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (5e) der Windungen der Gradientenspule (5) auf einer zum hohl­ zylindrischen Untersuchungsraum konzentrischen Zylinderfläche angeordnet ist.

8. Tesserale Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Segmente (5a, 5b, 7a, 7b) verbindenden Leiter (5f, 5g) je­ weils eine sich in z-Richtung erstreckende Schleife bilden.