DE4141514A1

DE4141514A1 - Gradientenspulensystem fuer ein kernspin-tomographiegeraet

Info

Publication number: DE4141514A1
Application number: DE4141514A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr Rer Nat Rogler; Dietmar Dipl Ing Lehne; Guenter Dipl Ing Theil; Guenther Pausch
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1991-02-07
Filing date: 1991-12-16
Publication date: 1992-08-13
Anticipated expiration: 2011-12-17
Also published as: DE4141514C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Gradientenspulensystem für ein Kern spintomographiegerät, wobei die einzelnen Gradientenspulen auf einem Tragrohr befestigt sind, das das Untersuchungsvolumen um schließt.

Ein derartiges Gradientenspulensystem ist beispielsweise aus der EP-A1-00 73 402 bekannt. Dabei sind auf einem hohlzylindri schen Rohr die Gradientenspulen für die x-, y- und z-Richtung aufgebracht, wobei die Gradientenspulen für die x- und y-Rich tung als Sattelspulen ausgeführt sind.

Die Gradientenspulen werden von pulsförmigen Strömen (Größen ordnung 100-200 A, Schaltzeit < 1 ms) durchflossen. Die dabei im Magnetfeld auf die Leiter wirkenden Kräfte regen das Gra dientenspulensystem als Einheit zum Schwingen an. Damit wird ein für den Patienten recht unangenehmes Klopfgeräusch verur sacht. Die Geräuschentwicklung läßt sich durch Dämm-Maßnahmen allein nicht in einem befriedigenden Maß reduzieren. Daher wurde versucht, die Geräuscherzeugung von vornherein dadurch zu reduzieren, daß die Spulensysteme nicht auf einen Träger aufge wickelt werden, sondern ein selbsttragendes System in einer korbartigen Anordnung bilden. Damit wird die Schall-Abstrahl fläche und damit die Lärmentwicklung reduziert. Beispiele für solche Konstruktionen sind beispielsweise in der EP-A1-03 04 127 und in der DE-A1-34 06 052 dargestellt. Auch mit diesen Konstruktionen läßt sich der Schalldruckpegel nicht auf ein befriedigendes Maß reduzieren.

Aus der EP-A-01 23 075 ist bekannt, die Gradientenspule im Vakuum des Kryostaten unterzubringen. Ein weiterer Vorschlag läuft darauf hinaus, den Untersuchungsraum von den Gradienten spulen durch ein evakuiertes Doppelrohr zu trennen. Derartige Konstruktionen würden jedoch einen hohen Aufwand bedingen und die Übertragung von Körperschall nicht verhindern konnen.

Auch mit der aus der DE-A-40 17 260 bekannten Anordnung, bei der die Wicklungen der Gradientenspulen mit einem Epoxy-Harz vergossen und zu einem Spulensystem verbunden werden, läßt sich die Geräuschentwicklung nicht zufriedenstellend vermindert. Die bei dieser Anordnung entstehenden Geräusche haben einen hohen niederfrequenten Anteil, der schwer zu dämpfen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, den durch die Gradientenspulen verursachten Schalldruckpegel im Untersuchungsraum mit geringem Aufwand zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Trag rohr aus zwei konzentrischen Schalen aufgebaut ist, die in Längsrichtung über Verbindungselemente schubsteif miteinander verbunden sind, und daß zwischen einer den Untersuchungsraum umschließenden Innenverkleidung und dem Tragrohr ein schall schluckendes Material angebracht ist. Durch den steifen Aufbau wird die Frequenz des globalen Biegemodes erhöht. Obwohl bei dieser Konstruktion im Gegensatz zur selbsttragenden Käfig-An ordnung das gesamte Tragrohr Schall abstrahlt, hat sich ge zeigt, daß der Schalldruckpegel im Untersuchungsraum dennoch verringert wird. Durch die Erhöhung der Frequenz des globalen Biegemodus der Gradientenspule wird das Eigenschwingungsver halten auf höhere Frequenzen abgestimmt. Bei höheren Frequenzen nimmt zwar die Empfindlichkeit des Gehörs zu, andererseits wird aber auch die Dämpfung von schallschluckendem Material größer. Es hat sich herausgestellt, daß damit der physiologisch bewer tete Schalldruckpegel insgesamt reduziert werden kann. Das Gra dientenspulensystem und die den Innenraum verkleidenden Ma terialien werden frequenzmäßig so aufeinander abgestimmt, daß eine optimale Reduzierung des Schalldruckpegels erreicht wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch die Ausführung einer Gradientenspule für die y-Richtung,

Fig. 2 schematisch die Ausführung einer Gradientenspule für die z-Richtung,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines Gradienten spulensystems gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 die Anordnung von schalldämmendem Material innerhalb des Kernspintomographiegerätes.

Bekanntlich erfolgt eine Ortsauflösung der Kernresonanzsignale in der Kernspintomographie dadurch, daß einem homogenen, stati schen Grundfeld in der Größenordnung von 1 Tesla ein Magnet feld-Gradient überlagert wird. Die Prinzipien der Bildgebung sind beispielsweise in dem Artikel von Bottomly "NMR-Imaging Techniques and Applications: A Review", in Review of Scientific Instrumentation, 53(9), 9/1982, Seiten 1319 bis 1337, erläutert.

Zur Ortsauflösung in drei Dimensionen müssen Magnetfeldgradien ten in drei, vorzugsweise senkrecht aufeinander stehenden Rich tungen erzeugt werden. In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein Koor dinatenkreuz x, y, z eingezeichnet, das die Richtung der jewei ligen Gradienten darstellen soll. Fig. 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Anordnung von Gradientenspulen für die Erzeugung eines Magnetfeldgradienten Gy in y-Richtung. Die Gradienten spulen 2 sind als Sattelspulen ausgeführt, die auf einem Trag rohr 1 befestigt sind. Durch die Leiterabschnitte 2a wird innerhalb eines kugelförmigen Untersuchungsvolumens 11 ein weitgehend konstanter Magnetfeldgradient Gy in y-Richtung er zeugt. Die Rückleiter erzeugen aufgrund ihrer größeren Ent fernung vom Untersuchungsvolumen 11 dort lediglich vernach lässigbare Magnetfeldkomponenten.

Die Gradientenspulen für den x-Magnetfeldgradienten sind iden tisch zu den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgradienten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in azimulta ler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen sind sie da her in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die Gradientenspulen 3 für den Magnetfeldgradienten in z-Rich tung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Spulen sind ringförmig ausgeführt und symmetrisch zum Mittelpunkt des Un tersuchungsvolumens 11 angeordnet. Da die beiden Einzelspulen 3a und 3b in der in Fig. 2 dargestellten Weise in entgegenge setzter Richtung stromdurchflossen sind, verursachen sie einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung.

Detailliertere Angaben zur Anordnung von Gradientenspulen sind in der bereits eingangs erwähnten EP-A1-00 73 402 zu finden.

Fig. 3 zeigt anhand eines Ausführungsbeispieles den Aufbau eines Gradientenspulensystems gemäß der Erfindung. Das Tragrohr 1 be steht aus einer inneren Schale 1a und einer äußeren Schale 1b. Beide Schalen 1a und 1b werden zweckmäßigerweise aus glasfaser verstärktem oder kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Die beiden Schalen 1a und 1b sind durch symmetrisch über den Umfang verteilte Verbindungselemente 4 schubsteif miteinander verbunden, so daß sich ein besonders starrer mechanischer Auf bau ergibt. Die Verbindungselemente 4 erstrecken sich in axi aler Richtung des Gradientenspulensystems und sind aus einer Vergußmasse hergestellt. Dazu werden zwischen die Schalen 1a, 1b zunächst U-Profile 5 eingelegt, die gleichmäßig über den Umfang des Tragrohres 1 verteilt sind. Dabei ist die offene Seite jedes U-Profils 5 der inneren Schale 1a zugewandt. Die Höhe der U-Profile 5 über der inneren Schale 1a ist zumindest annähernd so groß wie der Abstand zwischen den beiden Schalen 1a und 1b. Es soll lediglich noch ein gewisses Spiel zur Aus richtung der beiden Schalen 1a und 1b gegeneinander vorhanden sein.

Die zwischen den U-Profilen 5 verbleibenden Zwischenräume zwi schen den beiden Schalen 1a und 1b werden mit einem Gießharz vergossen, das nach Aushärtung zu einem Gießharzformstoff die Verbindungselemente 4 darstellt. Der Gießharzformstoff muß einen hohen E-Modul aufweisen, um zur Steifigkeit des Gradi entenspulensystems beizutragen. Ferner ist es günstig, wenn der Gießharzformstoff bei Betriebstemperatur des Gradientenspulen systems auch eine gute Schalldämpfung erreicht. Günstige Vor aussetzungen für diesen Zweck zeigen Gießharze auf Epoxidbasis, insbesondere säureanhydridhärtbare Epoxidgießharze. Aufgrund ihres hohen Vernetzungsgrades zeigen füllstoffhaltige säurean hydridgehärtete Epoxidharzformstoffe hohe Festigkeitswerte mit E-Moduli von ca. 10⁴ bis 10⁵ N/mm² (vgl. Jahn, Epoxidharze, VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie S. 218 ff). Daneben läßt sich deren Zusammensetzung so einstellen, daß bei Betriebs temperatur beide Forderungen, nämlich ausreichend hoher E-Modul und gute Schalldämpfung, erfüllt werden. Mit Hilfe geeigneter Flexibilisatorzusätze lassen sich die Dämpfungseigenschaften positiv beeinflussen. Häufig verwendet man Flexiblisatoren auf der Basis von monomeren Diolen, wie 1,6-Hexandiol oder höher molekulare Diole wie Polyoxyalkylenglykole. Bevorzugte Verbin dungen dieses Typs sind Polyoxyethylenglykol und Polyoxyal kylenglykol (vgl. EP-A-1 32 685). Auch Diole auf der Basis von Polyurethanprepolymeren sind verwendbar. Glycidylether der ge nannten Diole sind ebenfalls geeignete Flexibilisatoren. Je nach Aufbau und Kettenlänge lassen sich die Eigenschaften damit hergestellter Epoxidharzformstoffe in weiten Grenzen beein flussen.

Auch über den Füllstoff lassen sich die Formstoffeigenschaften hinsichtlich des Einsatzes in Gradientenspulensystemen positiv beeinflussen. So wird beispielsweise über den Füllstoff der Ausdehnungskoeffizient erniedrigt und damit die Temperatur wechselbeständigkeit erhöht, sowie die Wärmeleitfähigkeit ver bessert. Für säureanhydridhärtbare Epoxidharze geeignete Füll stoffe sind beispielsweise Quarzmehl, Quarzgutmehl, Aluminium oxid und Wollastonit.

Eine weitere gute Möglichkeit zur Herstellung von Gießharzform stoffen, die neben einem hohen E-Modul in bestimmten Tempera turbereichen eine hohe Dämpfung zeigen, sind elastifizierte Gießharze. Bei der Härtung bilden sie einen Formstoff mit zwei Phasen, einer hochsteifen Epoxidphase und einer feindispers darin verteilten hochdämpfenden Kautschukphase. Beispiele dafür sind Epoxidharze mit funktionellen Polybutadienoligomeren (A. Hussain, F. McGarry, MIT Research Report R80 (1980)) oder mit funktionellen Urethanprepolymeren.

Neben säureanhydridhärtbaren Epoxidgießharzen sind für die be schriebene Anwendung unter anderen auch füllstoffhaltige Epoxidgießharze mit aminischen Härtern bzw. Epoxid/Isocyanat- Harze geeignet. Auch hier lassen sich die Dämpfungseigenschaf ten sowohl in homogenen einphasigen als auch in elastifizierten zweiphasigen Reaktionsharzformstoffen in bestimmten Temperatur bereichen erhöhen, ohne daß der E-Modul stark abnimmt (L.T. Manzione, J.K. Gillham, C.A. McPherson, J. Appl. Polym. Sci. 26 (1981), pp 907-919; S. Numata, N. Kinjo, Polymer J. 14 (8), pp 671-673 (1982) und DE 33 23 153). Auch Polyurethangießharze sind für den Verguß von Gradientenspulensystemen geeignet.

Für den Verguß von Gradientenspulensytemen als geeignet er wiesen hat sich beispielsweise ein Gießharz, bestehend aus einem Epoxidharz auf der Basis von Bisphenol-A-diglycidylether (Epoxidwert 0,51 mol/100 g), einem Isomerengemisch von Methyl tetrahydrophtalsäureanhydrid als Härter und ca. 20% (be zogen auf den Härter) eines Flexibilisatorgemisches aus Poly oxyethlenglykol und Polyoxypropylenglykol (mittleres Moleku largewicht ca. 400). Als Füllstoff enthält das Gießharz 66% Quarzmehl, als Härtungsbeschleunigers ca. 0,4% (bezogen auf die Harzmatrix) eines Ammoniumphenolats. Die Verarbeitung derartiger Gießharze erfolgt vorzugsweise im Vakuumverguß. Dabei wird das Gießharz bei erhöhter Temperatur sorgfältig aufbereitet und dann das ebenfalls im Vakuum konditionierte Spulensystem damit vergossen und bei erhöhter Temperatur ausgehärtet. Dadurch wird gewährleistet, daß ein homogener, lunkerfreier Gießharzformstoff entsteht und auch schmale Spalten und Hinterschneidungen mit Gießharz gefüllt sind.

Die Innenräume der U-Profile 5 können als Lüftungskanäle er halten bleiben. Da die Teilspulen 9 der Gradientenspulen auf der Außenseite der inneren Schale 1a angeordnet sind, ist ein guter Wärmeübergang zu den von den U-Profilen 5 gebildeten Lüftungskanälen sichergestellt.

Es muß verhindert werden, daß das Gießharz in die Innenräume der U-Profile 5 eindringt. Dazu werden zweckmäßigerweise die U-Profile 5 zunächst auf die mit den Teilspulen 9 versehene Innenschale 1a geklebt und dann an den Längskanten abgedichtet.

Alternativ können die von den U-Profilen 5 gebildeten Kanäle 5a auch mit einem aushärtenden Gießharz ausgegossen werden, das bezüglich hoher Schalldämmung optimiert ist, wobei der E-Modul weitgehend außer Betracht bleiben kann. In diesem Fall könnte man dann das Gießharz für die Tragelemente 4 auf hohen E-Modul optimieren.

Eine weitere Verringerung des Schalldruckpegels wird erreicht, wenn man die Gradientenspulen aus zwei Teilspulen aufbaut, wo bei die erste Teilspule 9 wie beschrieben auf der Außenseite der inneren Schale 1a und die zweite Teilspule 10 auf der Au ßenseite der äußeren Schale 1b angeordnet ist. Beide Teilspulen 9 und 10 werden von dem gleichen Strom, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen, durchflossen. Bei starrer Ankopplung an das zwei schalige Tragrohr wirken auf dieses nur die resultierenden Kräfte der Teilspulen 9 und 10. Beide Teilspulen 9 und 10 wer den unter der Randbedingung optimiert, daß die globalen Biege modi der beiden Teilsysteme aufeinander abgestimmt sind und die lokalen Biegekräfte minimiert werden. Dabei ist eine starre Ankopplung der beiden Teilsysteme (innere Schale 1a, Teilspule 9 - äußere Schale 1b, Teilspule 10) wichtig. Messungen ergaben eine zusätzliche Reduzierung des Schalldruckpegels von ca. 6 db (A) gegenüber einer einfachen Gradientenspule.

Eine Kühlung der äußeren Teilspule 10 ist problemlos möglich, wenn man zur umgebenden Struktur einen Lüftungskanal frei läßt.

Durch den gegenläufigen Strom in beiden Teilspulen heben sich die resultierenden Magnetfelder nach außen weitgehend auf. Als positiven Nebeneffekt erhält man dabei eine Reduzierung der Ströme in denen das Gradientenspulensystem umgebenden leiten den Strukturen. Natürlich wird auch das resultierende Gradien tenfeld im Untersuchungsraum geschwächt, was mit einer höheren Stromdichte kompensiert werden muß.

Der Schalldruckpegel im Untersuchungsraum kann durch eine schalldämmende Verkleidung weiter reduziert werden. Dies ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Dabei ist mit 1 wieder das be schriebene zweischalige Tragrohr bezeichnet. Die Gradientenspu len selbst sind der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Mit 12 ist ein Resonatorsystem bezeichnet, mit dem das Untersuchungs objekt mit Hochfrequenz bestrahlt wird bzw. die Kernresonanz signale empfangen werden. Der zu untersuchende Patient wird auf einer Liege 14 mit einer Liegenführung 13 in den Untersuchungs raum 6 eingeführt. Die Liegenführung 13 mit der Liege 14 ist so konstruiert, daß sie nirgendwo einen starren Kontakt mit der inneren Struktur des Kernspinresonanzgerätes aufweist, so daß keine Körperschallübertragung stattfindet.

Beidseitig der Liege 14 sind Kabelschienen 15 vorgesehen, die die Anschlußkabel für die Verbindung von Geräten am Patienten oder an der Liege 14 aufnehmen, z. B. für EKG-Messungen oder Oberflächenspulen.

Der gesamte Untersuchungsraum ist mit einer Innenverkleidung 8 versehen. Zwischen dieser Innenverkleidung 8 bzw. der Liege 14 und der Struktur des Kernspintomographiegerätes sind schall schluckende Matten, z. B. aus Steinwolle, vorgesehen. Dadurch wird der Schalldruckpegel zusätzlich reduziert. Von besonderem Vorteil dabei ist die Tatsache, daß durch die Erhöhung der Frequenz des globalen Biegemodus durch den oben beschriebenen Aufbau des Tragrohres 1 die Wirksamkeit der Schalldämm-Maß nahmen gegenüber niedrigen Frequenzen deutlich erhöht wird.

Die Innenverkleidung 8 soll an keiner Stelle eine starre Ver bindung mit der Struktur des Kernspintomographen haben, um eine Übertragung von Körperschall zu vermeiden.

Der mit der beschriebenen Konstruktion erreichte Schalldruck pegel wurde für verschiedene Ausführungen gemessen. Dabei waren die Meßbedingungen wie folgt:

Grundfeldstärke
1 Tesla
Strom	100 A, Anstiegs- und Abfallzeit je 1 ms
Pulsfolge	12 ms Strom, 36 ms Pause
Meßort	Mitte Magnetachse, Radius 100 mm (Ohrzylinder)

Verwendet wurde eine zweischalige Gradientenspule mit einem E-Modul von 200 000 N/mm². Die äußere Schale war 10 mm dick. Je nach Ausführung ergaben sich folgende Schalldruckpegel:

Gradientenspule ohne Zusatzmaßnahme
93 dB (A)
Zwischenraum der Schale mit einem im Vakuumverguß applizierten Gießharz bei Raumtemperatur	85 dB (A)
wie oben, jedoch bei Arbeitstemperatur	81dB (A)
zusätzlich 20 mm Steinwolle und freitragende Innenraumverkleidung	72dB (A)

Gegenüber herkömmlichen Anlagen wurde damit eine erhebliche Re duzierung des Schalldruckpegels erreicht, was den Patientenkom fort bei der Untersuchung erhöht.

Claims

1. Gradientenspulensystem für ein Kernspintomographiegerät, wobei die einzelnen Gradientenspulen (2, 3) auf einem Tragrohr (1) befestigt sind, das das Untersuchungsvolumen umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragrohr (1) aus zwei konzentrischen Schalen (1a, 1b) aufgebaut ist, die in Längsrichtung über Verbindungselemente (4) schub steif miteinander verbunden sind, und daß zwischen einer den Untersuchungsraum (6) umschließenden Innenverkleidung (8) und dem Tragrohr (1) ein schallschluckendes Material (7) angebracht ist.

2. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenverkleidung (8) keine starre Kopplung mit dem Gradientenspulensystem aufweist.

3. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente (4) aus einem ersten ausgehärteten Reaktionsharzformstoff mit einem hohen E-Modul bestehen.

4. Gradientenspulensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Schalen (1a, 1b) gleichmäßig über den Umfang verteilte Profile (5) vorgesehen sind, deren offene Seiten auf einer der beiden Schalen (1a, 1b) aufliegen, wobei die Profile (5) Kanäle (5a) bilden, die frei von dem ersten Vergußmittel bleiben.

5. Gradientenspulensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Profilen (5) gebildeten Kanäle (5a) als Lüftungskanäle offen bleiben.

6. Gradientenspulensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Profilen (5) gebildeten Kanäle (5a) mit einem zweiten, thermisch härtbaren Gießharz vergossen werden, das nach Härtung einen Reaktions harzformstoff mit hoher Dämpfung ergibt.

7. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Reaktionsharzformstoff bei Arbeitstemperatur des Kernspin-Tomographiegerätes bei hohem E-Modul gleichzeitig eine hohe Schalldämpfung aufweist.

8. Gradientenspulensystem nach Anspruch 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Reaktionsharzformstoff aus einem füllstoffhaltigen Epoxid gießharz hergestellt sind.

9. Gradientenspulensystem nach Anspruch 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Reaktionsharzformstoff aus einem flexibilisierten, füllstoffhaltigen Epoxidgießharz hergestellt wird.

10. Gradientenspule nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite Reaktionsharzformstoff aus einem flexibilisierten, säureanhydridhärtbaren, füllstoffhaltigen Epoxidgießharz hergestellt wird.

11. Gradientenspule nach Anspruch 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbietung der Re aktionsharze im Vakuumverguß geschieht.

12. Gradientenspulensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspulen (2, 3) auf dem äußeren Umfang der inneren Schale (1a) befestigt sind und daß die Profile (5) zu den Gradientenspulen (19) hin offen sind.

13. Gradientenspulensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspule für jede Gradientenrichtung aus zwei Teilspulen (9, 10) besteht, von denen eine (9) auf der inneren und eine (10) auf der äußeren Schale angebracht ist, wobei die einer Gradientenrichtung zugeordneten Teilspulen (9, 10) so von Strom durchflossen sind, daß sie entgegengesetzte Magnetfelder erzeu gen.

14. Gradientenspulensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die globalen Biegemodi der Teilspulen (9, 10) aufeinander abgestimmt sind.

15. Gradientenspulensystem nach Anspruch 12 oder 13, da durch gekennzeichnet, daß die Teil spulen (9, 10) jeweils auf der Außenseite der beiden Schalen (1a, 1b) angebracht sind.