DE4142263C2 - Gradientenspulensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von kern­ magnetischen Resonanzen (NMR) mit einer Feldspule zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B_z in Richtung einer z-Achse und einem System von Gradientenspulen zur Erzeugung mindestens eines magnetischen Feldgradienten innerhalb eines Meßvolumens, wobei das System von Gradientenspulen mindestens ein Untersys­ tem von Transversal-Gradientenspulen zur Erzeugung von magne­ tischen Feldgradienten G_x bzw. G_y in einer zur z-Achse senkrech­ ten Richtung x bzw. y und ein Untersystem von Axial-Gradienten­ spulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldgradienten G_z in Richtung der z-Achse aufweist, wobei das Untersystem von Trans­ versal-Gradientenspulen unsymmetrisch bezüglich der das Meßvo­ lumen halbierenden Ebene z = 0, jedoch im wesentlichen spiegel­ symmetrisch zu einer die z-Achse enthaltenden, das Meßvolumen ebenfalls halbierenden Ebene x = 0 bzw. y = 0 aufgebaut ist und aus lediglich zwei Teilspulen besteht, deren Windungen jeweils dieselbe Wicklungsrichtung bezüglich der durch die Gradientenrichtung vorgegebenen Achse besitzen, und wobei die Axial-Gradientenspulen zylindersymmetrisch bezüglich der z-Achse und total unsymmetrisch bezüglich der das Meßvolumen halbierenden Ebene z = 0 angeordnet sind, und die Axial-Gradien­ tenspulen aus mindestens zwei Teilspulen bestehen, die auf verschiedenen Seiten bezüglich der Ebene z = 0 angeordnet sind, wobei die Teilspulen auf der einen Seite überwiegend die umge­ kehrte Wicklungsrichtung aufweisen wie die Teilspulen auf der anderen Seite der Ebene z = 0 und wobei die Anzahl der Windungen mit einem bestimmten Wickelsinn ungleich der Anzahl der Win­ dungen mit entgegengesetztem Wickelsinn ist, wobei das Meßvo­ lumen im homogenen Bereich im Innern der Feldspule liegt, wobei das System von Gradientenspulen einen wenigstens annähernd konstanten magnetischen Feldgradienten innerhalb des Meßvolumens erzeugen kann, und wobei auf einem Zylinder um die z-Achse, der einen größeren Radius aufweist als der die Gradientenspulen enthaltende Zylinder, aktive Abschirmspulen angeordnet sind, die im wesentlichen die gleichen Symmetrieeigenschaften wie die Gradientenspulen besitzen.

Ein NMR-Aufbau mit Feldspule und einem System von Gradienten­ spulen ist beispielsweise aus der DE-OS 31 33 873 bekannt.

Ein wesentlicher Bestandteil derartiger NMR-Systeme, die in der Regel für die Kernspintomographie eingesetzt werden, ist ein System von drei Gradientenspulen, die unabhängig voneinander mit Strömen unterschiedlicher Stärke gespeist werden. Diese Spulen haben die Aufgabe, dem homogenen Magnetfeld B_z der Grund- Feldspule konstante Feldgradienten mit einstellbarer Stärke zu überlagern, wobei die Richtung eines dieser Gradienten (dB_z/dz) in der Regel parallel zur Richtung des homogenen Grundfeldes B₀ ^z, d. h. zur Achse des Grundfeldmagneten (z-Gradient = Axial- Gradient), und die Richtungen der beiden anderen Gradienten (dB_z/dx, dB_z/dy) dazu und zueinander orthogonal transversal zur Richtung des Grundfeldes verlaufen (x- und y-Gradienten = Trans­ versal-Gradienten). Der räumliche Bereich, in dem das Magnetfeld dieser Gradientenspulen näherungsweise linear verläuft, kann für ortsauflösende NMR-Verfahren (Bildgebung, ortsselektive Spektroskopie) genutzt werden, sofern dieser Bereich nicht durch Inhomogenitäten des Grundfeldes weiter eingeschränkt wird. Die Gradientenspulen sind in der Regel auf einem zylin­ drischen Tragerohr befestigt, das den Patienten umschließt.

Bedingt durch die geometrische Anordnung konventioneller Grad­ ientenspulen besitzt nun das Tragerohr zu beiden Seiten des Zentrums des linearen Bereichs eine axiale Ausdehnung, die das 0.6- bis 1.5fache des Durchmessers des Tragerohrs beträgt. Bei einem typischen Wert von 0.7 m für den Durchmesser des Trage­ rohres sind dies 0.42 m bis 1.05 m. Der Patient wird also von einer relativ langen, engen Röhre umschlossen. Dies kann bei empfindlichen Patienten leicht zu Zuständen der Platzangst (Klaustrophobie) führen. Ein weiterer Nachteil konventioneller Gradientenspulensysteme besteht darin, daß es nicht möglich ist, bei speziellen Teilkörperuntersuchungen wie z. B. Unter­ suchungen des Kopfes oder von Extremitäten objektnahe Gradien­ tenspulen zu verwenden, da die Spulen wegen des großen axialen Abstandes des linearen Bereiches bis zu den Enden des Trage­ rohres die Schultern des Patienten mit umschließen müssen, also einen Durchmesser von mindestens 0.5 m besitzen müssen. Objektnahe Gradientenspulen mit geringem Durchmesser besäßen nämlich den Vorteil einer bei gegebener Gradientenstärke pro Stromeinheit erheblich reduzierten Induktivität, wodurch ent­ sprechend kleinere Gradientenanstiegszeiten ermöglicht würden. Dies ist insbesondere für die Durchführbarkeit moderner NMR- Untersuchungsmethoden (Echo-Planar-Verfahren etc.) vorteilhaft.

Der relativ große Abstand von den axialen Enden eines konventio­ nellen Gradientenspulensystems bis zum Zentrum des linearen Untersuchungsbereiches wird hauptsächlich durch die Geometrie der Transversal-Gradientenspulen verursacht. Eine solche kon­ ventionelle Spulenanordnung besteht aus vier symmetrisch auf der Oberfläche eines Zylinders mit dem Radius R angeordneten Teilspulen. Die Spulenanordnung ist im wesentlichen spiegel­ symmetrisch zur Ebene z = 0 sowie zur Ebene y = 0 im Falle von y-Gradientenspulen bzw. zur Ebene x = 0 im Falle von x-Gra­ dientenspulen. Außerdem besitzen die beiden Teilspulen im Be­ reich z < 0 unter Berücksichtigung der Flußrichtung des elek­ trischen Stromes dieselbe Wickelrichtung, z. B. im Uhrzeiger­ sinn bezüglich der durch die Gradientenrichtung vorgegebenen Achse, während die beiden Teilspulen im Bereich z < 0 die ent­ gegengesetzte Wickelrichtung aufweisen.

Wegen der Spiegelsymmetrie solcher Spulen wird nun unabhängig von der detaillierten Führung der Windungen ein Magnetfeld erzeugt, das dieselbe Symmetrie wie der gewünschte Transversal- Gradient (x- bzw. y-Gradient) besitzt, das also bezüglich der Ebene z = 0 eine gerade Funktion und bezüglich der Ebene y = 0 eine ungerade Funktion ist. Die detaillierte Führung der Windun­ gen wird dabei so gewählt, daß die Abweichung der z-Komponente des Magnetfeldes in einem möglichst großen Bereich von der gewünschten Funktion B_z = ay gering ist.

Die unerwünscht große axiale Ausdehnung solcher Spulen wird nun ersichtlich durch die "Rückflußabschnitte" der Windungen verursacht, die zur Erzeugung eines hinreichend großen Volumens mit annähernd linearem Feldverlauf (z. B. mit einer relativen Abweichung vom ideal-linearen Verlauf von ± 5% in einem kugel­ förmigen Volumen mit einem Durchmesser von 50% des die Gradien­ tenspule kennzeichnenden Zylinderdurchmessers d) mindestens bei z = ± 0,6 d liegen müssen. Die Beeinträchtigung der Lineari­ tät durch Rückschlußteile der Windungen mit relativ kleinem Abstand z von der Mittelebene ist aufgrund der Überlegung er­ sichtlich, daß diese Teile im Bereich ihrer axialen Position einen Gradienten mit entgegengesetzter Richtung im Vergleich mit dem durch die Windungsabschnitte in der Umgebung der Mittel­ ebene z = 0 erzeugten Feldgradienten verursachen. Eine große axiale Ausdehnung des linearen Untersuchungsvolumens ist also nur mit solchen Gradientenspulen möglich, deren Rückschlußab­ schnitte einen großen Abstand von der Mittelebene z = 0 be­ sitzen.

Daher muß also ein Patient, bei dem beispielsweise ein Tomogramm des Schädelinneren aufgenommen werden soll, mit dem Kopf voran über eine lange axiale Strecke längs der z-Achse in eine lange enge Röhre geschoben werden, damit der Kopf des Patienten im Meßvolumen in der Mittelebene z = 0 zu liegen kommt. Falls der Durchmesser d der Gradientenspulen, z. B. zum Zweck der Reali­ sierung hoher Gradientenstärken oder geringer Induktivität, geringer ist als die Schulterbreite des Patienten, würde der Patient, wenn er in den Magneten geschoben wird, mit den Schul­ tern hängen bleiben und der Kopf könnte gar nicht in das axial entfernter liegende Meßvolumen eingebracht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine NMR-Vor­ richtung so zu modifizieren, daß einerseits einer Klaustrophobie des Patienten entgegengewirkt wird, andererseits auch eine Kopfuntersuchung mit einer Apparatur möglich ist, deren lichter Innendurchmesser zwar größer als der Durchmesser eines menschli­ chen Kopfes, jedoch kleiner als die durchschnittliche Schulter­ breite eines Menschen ist.

Diese Erfindungsaufgabe wird durch eine Vorrichtung mit der eingangs genannten Merkmalskombination gelöst.

Dadurch wird der Abstand z₀ zwischen dem patientenseitigen Ende eines Gradientenspulensystems und dem Zentrum des linearen Untersuchungsbereichs erheblich verkleinert. Die Geometrie des Gradientenspulensystems ist bei der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung so umgestaltet, daß der für NMR-Untersuchungen nutzbare Bereich mit linearem Magnetfeld und Gradientenverlauf bereits an dem patientenseitigen Ende des Gradientenspulensystems be­ ginnen kann. Die detaillierte Führung der Windungsabschnitte an der Patientenseite wird dabei so ausgeführt, daß sich hier ein für NMR-Untersuchungen hinreichend großer Bereich mit einem Feldverlauf ergibt, der hinreichend geringe Abweichungen vom ideallinearen Gradientenfeldverlauf aufweist.

Ausgehend von der Geometrie konventioneller Gradientenspulen läßt sich die Geometrie der erfindungsgemäßen Gradientenspulen in folgender Weise ableiten:
Der patientenseitige Rückschlußabschnitt einer konventionellen Gradientenspule, der einerseits den großen Abstand zum Zentrum des linearen Bereiches verursacht und andererseits die Größe des für NMR-Untersuchungen geeigneten linearen Bereiches prinzi­ piell reduziert, wird auf die dem Patienten abgewandte Seite verlegt. Die sich dadurch ergebende unsymmetrische Störung des Feldverlaufs im Bereich der für NMR-Untersuchungen vorgesehenen Zone kann einerseits durch die Verlegung der Rückschlußabschnit­ te der Windungen mit einem großen Abstand von dieser Zone klein gehalten werden, andererseits kann diese Störung durch die detaillierte Führung der Windungsabschnitte an der Patienten­ seite weitgehend kompensiert werden.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Transversal-Gra­ dientenspule läßt sich also die oben genannte Aufgabe, nämlich die Verkleinerung des Abstandes z₀ zwischen der patientenseiti­ gen Stirnseite des Gradientenspulensystems und dem Zentrum des für die NMR-Untersuchungen geeigneten Meßvolumens mit einfachen Mitteln lösen.

In der Regel enthält eine Vorrichtung zur Erzeugung von kern­ magnetischen Resonanzen auch ein Untersystem von Axial-Gradien­ tenspulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldgradienten G_z in Richtung der z-Achse. Bei den Axial-Gradientenspulen ist die axiale Ausdehnung der Spule zu beiden Seiten des Zentrums des linearen Feldbereichs geringer als bei den Transversal-Gradien­ tenspulen. Sie beträgt bei Spulen hinreichender Linearität in der Regel mehr als das 0.44fache (das √3/4fache) des Durch­ messers der Spule. Bei Gradientenspulen, die für Ganzkörper­ untersuchungen am erwachsenen Menschen geeignet sind, und in der Regel einen Durchmesser d von 0.7 m aufweisen, sind dies etwa ± 0.3 m. Dieser Wert ist also deutlich kleiner als bei den Transversal-Gradientenspulen.

Bei herkömmlichen Axial-Gradientenspulen sind die Windungen der Spule zylindersymmetrisch auf der Oberfläche eines Zylinders mit dem Radius R um die z-Achse angeordnet. Die Anordnung der Windungen ist in der Regel unter Berücksichtigung der Richtung des Stromes anti-symmetrisch bezüglich der Ebene z = 0. Die detaillierte Anordnung der Windungen ist wie im Fall der Trans­ versal-Gradientenspulen so beschaffen, daß sich ein möglichst großes Volumen mit einem Feldverlauf ergibt, dessen Abweichungen gegenüber dem idealen Verlauf B_z = az hinreichend gering sind.

Bei Verwendung von erfindungsgemäßen Transversalgradientenspulen und herkömmlichen Axial-Gradientenspulen wird der oben erwähnte Abstand z₀ zwischen der patientenseitigen Stirnseite des Gra­ dientenspulensystems und dem Zentrum des für die NMR-Unter­ suchungen geeigneten Meßvolumens in der Regel durch die axiale Ausdehnung der Axial-Gradientenspulen bestimmt.

Durch die eingangs beschriebene geometrische Gestaltung der Axial-Gradientenspulen wird erreicht, daß die Ausdehnung z₀ der Spule patientenseitig vom Betrage her kleiner ist als die √3d/4, wobei d der zylindrische Durchmesser der Wicklung ist.

Da sich beim Schalten der elektrischen Ströme durch die oben beschriebenen asymmetrischen Gradientenspulen aufgrund der feh­ lenden Symmetrie bezüglich der das Meßvolumen halbierenden Ebene z = 0 entsprechend unsymmetrische und störende Wirbel­ ströme in der umgebenden Metallstruktur des Grundfeldmagneten einstellen können, werden die Gradientenspulen aktiv abgeschirmt (siehe z. B. EP-A1 0 216 590).

Aus der EP 399 789 A2 ist ein Kernspintomographiegerät zur Ausnutzung von Randfeldern bekannt, bei dem das Meßvolumen nicht im homogenen Bereich des durch die Feldspule erzeugten Magnetfeldes, sondern in dessen stark inhomogenen Randbereich liegt. Zwar ist in der Druckschrift unter anderem auch ein zweiteiliges Axial-Gradientenspulensystem offenbart, dessen Teil spulen bezüglich der das Meßvolumen halbierenden Ebene z = 0 auf verschiedenen Seiten angeordnet sind, jedoch sind dabei die Axial-Gradientenspulen keineswegs total unsymmetrisch be­ züglich der Ebene z = 0 angeordnet. In Fig. 4 der EP 399 789 A2 ist zwar eine bezüglich der Ebene z = 0 total unsymmetrische Anordnung einer Axial-Gradientenspule gezeigt, jedoch ist diese Gradientenspule lediglich einteilig. Außerdem ist das in der Druckschrift beschriebene asymmetrische Gradientenspulensystem ausschließlich im Zusammenhang mit der Ausnutzung des extrem inhomogenen Randfelds des Grundmagneten offenbart, wobei dem Fachmann suggeriert wird, daß es in diesem ohnehin vom Normal­ fall krass abweichenden Sonderfall auch auf eine Konstanz des verwendeten Gradientenfeldes gar nicht mehr ankommt. Insofern hätte aufgrund der Offenbarung in der EP 399 789 A2 der Fachmann eben gerade keinen Denkanstoß in der Richtung bekommen, daß er ein asymmetrisches Gradientenspulensystem auch im homogenen Bereich des Grundmagnetfeldes einsetzen könnte. Schließlich zeigt die Druckschrift auch keine aktiven Abschirmspulen, die im wesentlichen die gleichen Symmetrieeigenschaften wie die asymmetrischen Gradientenspulen besitzen. Diese wären bei der Anordnung nach der EP 399 789 A2 auch völlig sinnlos, da der dort offenbarte Randfeldmagnet ohnehin Streufelder in großem Umfang erzeugt und erzeugen soll, andererseits aber nicht die geringsten Anforderungen an die Magentfeldhomogenität im Meß­ volumen gestellt werden. Da die aktiven Abschirmspulen zudem noch zu zusätzlichen Platzproblemen führen würden, wäre ihr Einsatz bei der in der EP 399 789 A2 beschriebenen Anordnung unsinnig.

Die Verwendung aktiver Abschirmspulen, die im wesentlichen die gleichen Symmetrieeigenschaften wie die Gradientenspulen be­ sitzen, ist an sich beispielsweise aus der EP 433 002 A2 be­ kannt, jedoch sind die dort offenbarten Gradientenspulen und damit auch die entsprechenden Abschirmspulen symmetrisch. Durch ihre asymmetrische Anordnung können im Gegensatz dazu die er­ findungsgemäßen aktiven Abschirmspulen nicht nur die beim Schal­ ten von Gradienten erzeugten Wirbelströme abschirmen, die bei einer Vorrichtung nach der EP 399 789 A2 wegen der ohnehin krassen Feldinhomogenitäten im Meßvolumen gar keine Rolle spie­ len würden, sondern sie erzeugen auch ein Gegenmoment zu dem bei Stromdurchfluß durch die asymmetrischen Gradientenspulen erzeugten Drehmoment. Daß derartige mechanische Probleme über­ haupt auftreten, liegt eben an der asymmetrischen Struktur der erfindungsgemäßen Gradientenspulen. In einer klassischen sym­ metrischen Anordnung, wie sie beispielsweise in der EP 433 002 A2 offenbart ist, würde ein solches Problem gar nicht aufkommen können und müßte dementsprechend auch nicht gelöst werden.

In der EP 108 421 schließlich ist eine NMR-Apparatur für dia­ gnostische Zwecke offenbart, die zwar eine asymmetrische Axial­ gradientenspulenanordnung, jedoch ausschließlich symmetrische Transversalgradientenspulen aufweist. Aktive Abschirmspulen mit dem gleichen asymmetrischen Aufbau wie die zugehörigen Gradientenspulen sind nicht vorgesehen.

Bei Ausführungsformen der Erfindung können die Transversal- Gradientenspulen bezüglich des Meßvolumens asymmetrisch ange­ ordnete Sattelspulen sein, während sie bei anderen Ausführungs­ formen in Bezug auf das Meßvolumen asymmetrisch angeordnete stromlinienförmige Spulen sind, die den in der EP-0 320 285 gezeigten konventionellen symmetrisch angeordneten stromlinien­ förmigen Spulen entsprechen, mit welchen eine Optimierung der Spuleninduktivität L sowie eine besonders hohe Linearität des jeweils zu erzeugenden Feldgradienten erreicht werden kann.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der er­ findungsgemäßen NMR-Vorrichtung findet eine Feldspule zur Er­ zeugung des homogenen Magnetfeldes B_z Verwendung, welche extrem geringe axiale Ausdehnung aufweist, wie z. B. in der EP-0 160 350 A2 beschrieben. Diese sogenannte "Scheiben"-Feldspule hat bei sehr flachem geometrischen Aufbau einen Homogenitäts­ bereich bis an den Rand der Spule. Bei Verwendung herkömmlicher Gradientenspulen für tomographische Zwecke geht jedoch dieser Vorteil weitgehend wieder verloren, während mit den erfindungs­ gemäß modifizierten asymmetrischen Gradientenspulen der Meßbe­ reich bis an den Rand der "Scheiben"-Feldspule ausgenutzt werden kann, was z. B. in der Mammographie von großem Nutzen sein kann.

Damit eine gute Abschirmwirkung erzielt wird, muß die axiale Ausdehnung der Abschirmspulen größer sein als die der Gradien­ tenspulen selbst, und zwar auch in Richtung der Patientenseite. Da jedoch die aktiven Abschirmspulen vorzugsweise einen um etwa einen Faktor 1.15 bis 1.4 größeren Durchmesser als die Gradientenspulen besitzen, werden dadurch die guten Eigenschaf­ ten des erfindungsgemäßen asymmetrischen Gradientenspulensystems in Hinblick auf die gewünschte Reduzierung von Klaustrophobie und die bessere Ausnutzung des Meßvolumens nicht beeinträchtigt.

Um eine optimale Abschirmwirkung zu erzielen, sind bei einer bevorzugten Ausführungsform die Abschirmspulen auf einer beider­ seits der Ebene z = 0 größeren axialen Länge als die Gradienten­ spulen vorgesehen.

Insbesondere bei der Verwendung einer sehr flachen "Scheiben"- Feldspule würden dadurch jedoch die Wicklungen der Abschirm­ spulen am patientenseitigen Ende der Vorrichtung über das axiale Ende der Gradientenspule hinausragen und damit den Vorteil der extrem geringen axialen Ausdehnung wieder zunichte machen.

Vorzugsweise für diesen Fall können bei einer Ausführungsform die Windungen der Abschirmspulen an der durch das axiale Ende der Gradientenspule vorgegebenen Position (z = - |Z₀|) in der Ebene z = - |Z₀| geführt und radial verteilt werden. Die Ver­ teilung der Windungen der Abschirmspule in der Ebene z= - |Z₀| sowie im Bereich z < - |Z₀| auf der die anderen Teile der Abschirmspule mit Radius Rs enthaltenden Zylinderoberfläche ist so zu gestalten, daß dies durch die Gradientenspule erzeugte Magnetfeld in dem Halbraum z < - |Z₀|, Radius r < Rs minimal wird.

Damit ist das patientenseitige Ende der Abschirmspulen, das sonst in axialer Richtung auf den Patienten ragen würde, ge­ wissermaßen radial nach außen "abgekröpft" und behindert nicht mehr den axialen Zugang zum Meßvolumen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er­ läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen:

Fig. 1a eine schematische Darstellung der erfindungs­ gemäßen asymmetrischen Sattel-Gradientenspulen mit angedeutetem kugelförmigen Meßvolumen;

Fig. 1b konventionelle sattelförmige Transversal-Gra­ dientenspulen nach dem Stand der Technik;

Fig. 2a eine ebene Abwicklung der erfindungsgemäßen Doppelsattel-Transversal-Gradientenspulen mit angedeuteter Lage des Meßvolumens und Strom­ richtungspfeilen;

Fig. 2b eine Abwicklung von konventionellen symmetrisch angeordneten Doppelsattel-Spulen nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine NMR-Vorrichtung in der x = 0- oder y = 0-Ebene mit

• a) erfindungsgemäßen asymmetrischen Gradienten­ spulensystemen;
• b) konventionellen symmetrischen Gradientenspulen­ systemen nach dem Stand der Technik;

Fig. 4a oben: Einen schematischen Schnitt durch eine erfin­ dungsgemäße NMR-Vorrichtung mit asymmetrischen Axial-Gradientenspulen
unten: Ein Diagramm des zugehörigen Magnetfeldverlaufes in Richtung der z-Achse;

Fig. 4b oben: Einen vertikalen Schnitt durch eine konventio­ nelle NMR-Vorrichtung
unten: Schema des zugehörigen Magnetfeldverlaufes;

Fig. 5 Schema eines Vertikalschnittes durch eine er­ findungsgemäße NMR-Vorrichtung mit asymmetrischen Gradientenspulen und patientenseitig "abgekröpf­ ten" Abschirmspulen.

Die in Fig. 1b schematisch dargestellte Anordnung von konventio­ nellen, einfach-sattelförmigen Transversal-Gradientenspulen weist eine Spiegelsymmetrie der vier Teilspulen 11′, 11′′, 11′′′ und 11′′′′ bezüglich der Symmetrieebenen z = 0 und y = 0 auf. Durch die in Pfeilrichtung fließenden Ströme wird in einem Meßvolumen 1 ein ungefähr linear in y-Richtung verlaufender magnetischer Feldgradient erzeugt. Das Meßvolumen 1 wird an­ nähernd von einer Kugel definiert, deren Mittelpunkt im Schnitt­ punkt der drei Symmetrieebenen z = 0, x = 0 und y = 0 liegt. Zur Erzeugung des linearen transversalen Feldgradienten im Meßvolumen 1 tragen lediglich die "nützlichen Sattelteile" 12′, 12′′, 12′′′ und 12′′′′ bei, während die restlichen Teile der Teilspulen 11′, 11′′, 11′′′ und 11′′′′, insbesondere die vom Meßvolumen abgewandten "Rückflußsattelteile" 13′, 13′′, 13′′′ und 13′′′′ lediglich dem Rückfluß des Stromes durch die Teil­ spulen dienen. Fig. 1b zeigt deutlich, daß der Zugang zum Meß­ volumen 1 in Richtung der z-Achse insbesondere durch die in axialer Richtung vom Meßvolumen wegragenden Rückflußsattelteile 13′, 13′′, 13′′′ und 13′′′′ behindert wird.

Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen asymmetrischen Anordnung von Transversal-Gradientenspulen die Rückflußsattel­ teile 23′, 23′′ der zugehörigen nützlichen Sattelteile 22′, 22′′ der Teilspulen 21′, 21′′ auf die vom Betrachter aus gesehen rechte Seite des Meßvolumens 1 geklappt. Gegenüber der kon­ ventionellen Anordnung sind die weiteren Teilspulen 21′′′, 21′′′′, die ebenfalls auf der rechten Seite der Ebene z = 0 angeordnet sind, unverändert geblieben. Aus geometrischen Grün­ den umgreifen die Sattelteile der modifizierten Teilspulen 21′, 21′′ diese unveränderten Teilspulen 21′′′, 21′′′′. Es bilden daher die Teilspulen 21′, 21′′′ zusammen eine Teilspule 20′ und die Teilspulen 21′′, 21′′′′ zusammen eine Teilspule 20′′. Infolgedessen ist die Gesamtanordnung der erfindungsge­ mäßen asymmetrischen Transversal-Gradientenspulen aus lediglich zwei Teilspulen 20′, 20′′ aufgebaut, die sich symmetrisch bezüg­ lich der Ebene y = 0 gegenüber liegen. Der Tatsache, daß die nützlichen Sattelteile 21′, 21′′ eine etwas unterschiedliche Feldverteilung erzeugen als die etwas kleineren nützlichen Sattelteile 22′′′, 22′′′′, kann durch unterschiedliche Wick­ lungszahlen der entsprechenden Teilspulen und durch eine An­ passung der genauen axialen Positionen der Sattelteile 21′, 21′′ Rechnung getragen werden. Damit ist es möglich, im Meß­ volumen 1 einen annähernd linearen Feldgradientenverlauf zu erzeugen. In Fig. 1a wird deutlich, daß der axiale Zugang zum Meßvolumen 1 in z-Richtung auf der vom Betrachter links der z = 0-Ebene liegenden Seite der Anordnung durch das "Wegklappen" der Rückflußsattelteile 23′, 23′′ entscheidend verbessert worden ist.

Die in Fig. 2b gezeigte schematische Abwicklung eines Systems von vier konventionellen Doppelsattelspulen, die ein Gradienten­ feld von höherer Linearität als die in Fig. 1b gezeigten Ein­ fach-Sattelspulen erzeugen, besteht wiederum aus vier Teilspulen 30′, 30′′, 30′′′ und 30′′′′. Das Meßvolumen 1 ist bei der Ab­ wicklung doppelt angedeutet. Jede der Doppelsattelspulen besteht jeweils aus einer Ineinanderschachtelung von zwei Teilspulen 31′, 31′′, deren nützliche Sattelteile 32′, 32′′ in Richtung der z-Achse voneinander im axialen Abstand gehalten sind und bei Stromfluß durch die Spulen zum Aufbau des transversalen Magnetfeldgradienten beitragen, während die entsprechenden Rückflußsattelteile 33′, 33′′ auf der axial vom Meßvolumen 1 abgelegenen Seite parallel zusammenliegend geführt sind.

Demgegenüber besteht das in Fig. 2a gezeigte erfindungsgemäße asymmetrische Untersystem von Transversal-Gradientenspulen wiederum aus nur zwei gegenüber liegenden Teilspulen 40′, 40′′, bei denen die zu den nützlichen Sattelteilen 42′, 42′′; 42′′′, 42′′′′ gehörenden Rückflußsattelteile 43′, 43′′; 43′′′, 43′′′′ auf die von den nützlichen Sattelteilen abgewandte Seite der Ebene z = 0 geklappt sind. Dadurch entsteht auf der vom Be­ trachter linken Seite der in Fig. 2a dargestellten asymmetri­ schen Doppelsattelspulen wieder ein bedeutend erleichterter axialer Zugriff zum Meßvolumen 1 in z-Richtung, da der Abstand Z₀ zwischen dem patientenseitigen Ende des Gradientenspulen­ systems und dem Zentrum des linearen Untersuchungsbereiches gegenüber dem konventionellen System erheblich verkleinert wurde.

Derselbe Effekt zeigt sich auch im Vergleich von Fig. 3b, wo ein konventionelles NMR-System mit symmetrischen Gradienten­ spulen im Transversalschnitt schematisch dargestellt ist, mit dem erfindungsgemäßen System in Fig. 3a. Angedeutet sind hier jeweils die Feldspule 2, aktive Abschirmspulen 3 und 6 und in Fig. 3b symmetrische Axial-Gradientenspulen 4 bzw. in Fig. 3a erfindungsgemäß modifizierte asymmetrische Axial-Gradienten­ spulen 5. Auch hier wird im Falle der asymmetrischen Gradienten­ spulen der Abstand Z₀ erheblich verkleinert.

Fig. 4b zeigt nochmals einen schematischen Vertikalschnitt durch eine herkömmliche NMR-Vorrichtung mit Feldspule 2, aktiven Abschirmspulen 3 und symmetrisch angeordneten Axial-Gradienten­ spulen 4, die ein Meßvolumen 1 einschließen. Darunter ist eben­ falls schematisch der bezüglich der Ebene z = 0 anti-symmetri­ sche Verlauf des damit erzeugten magnetischen Feldgradienten in Richtung der z-Achse angedeutet. Fig. 4a hingegen zeigt die erfindungsgemäßen asymmetrischen Axial-Gradientenspulen 5 mit den zugehörigen, ebenfalls asymmetrisch angeordneten aktiven Abschirmspulen 6. Der zugehörige Feldverlauf B_z (z) ist bezüg­ lich der Ebene z = 0 nicht mehr anti-symmetrisch sondern total unsymmetrisch. Durch entsprechende Anordnung der Windungen der Axial-Gradientenspulen 5 kann ein für NMR-Untersuchungen hin­ reichend großer Bereich mit lediglich geringen Abweichungen vom ideal linearen Gradientenverlauf erreicht werden.

Da die bei herkömmlichen anti-symmetrischen Axial-Gradienten­ spulen 4 gegebene Eigenschaft eines verschwindenden Feldwertes aus B_z = 0 in der Ebene z = 0 keine Voraussetzung für die Durchführbarkeit von ortsselektiven NMR-Verfahren ist, lassen sich die Eigenschaften der erfindungsgemäßen unsymmetrischen Axial-Gradientenspulen 5 im Hinblick auf eine Verkleinerung des Abstandes Z₀ und/oder eine Verbesserung der Linearität durch die Realisierung eines Gradientenfeldverlaufes mit folgenden Eigenschaften weiter verbessern: In dem für die NMR-Untersuchungen vorgesehenen Bereich des Meßvolumens 1 wird näherungsweise ein Feldverlauf der Form

B_z (z) = B₀ + (B₁/Z₁) Z

realisiert. Die Koordinate z = 0 liegt dabei etwa im Zentrum des für NMR-Untersuchungen vorgesehenen Bereiches. Außerdem besitzen B₀ und B₁/Z₁ das gleiche Vorzeichen und B₁ ist ungefähr gleich B₀. Damit kann dann insgesamt der in Fig. 4a unten an­ gegebene Feldverlauf näherungsweise realisiert werden.

Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt, wo die an die Symmetrie der total unsymmetrischen Axial-Gradientenspulen 5 angepaßten aktiven Abschirmspulen 6 im patientennahen Bereich nicht wie herkömmlich in z-Richtung die Axial-Gradientenspulen überragen, sondern durch radiale Verteilung in einer Ebene gewissermaßen "abge­ kröpft" sind. Damit ergibt sich eine weitere Verbesserung des axialen Zugriffs des Meßvolumen 1 bzw. eine Verringerung des Abstandes Z₀.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von kernmagnetischen Resonanzen (NMR) mit einer Feldspule (2) zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B_z in Richtung einer z-Achse und einem System von Gradientenspulen zur Erzeugung mindestens eines magne­ tischen Feldgradienten innerhalb eines Meßvolumens (1), wobei das System von Gradientenspulen mindestens ein Unter­ system von Transversal-Gradientenspulen zur Erzeugung von magnetischen Feldgradienten G_x bzw. G_y in einer zur z-Achse senkrechten Richtung x bzw. y und ein Untersystem von Axial-Gradientenspulen (5) zur Erzeugung eines magne­ tischen Feldgradienten G_z in Richtung der z-Achse aufweist, wobei das Untersystem von Transversal-Gradientenspulen unsymmetrisch bezüglich der das Meßvolumen (1) halbierenden Ebene z = 0, jedoch im wesentlichen spiegelsymmetrisch zu einer die z-Achse enthaltenden, das Meßvolumen (1) eben­ falls halbierenden Ebene x = 0 bzw. y = 0 aufgebaut ist und aus lediglich zwei Teilspulen (20′, 20′′; 40′, 40′′) besteht, deren Windungen jeweils dieselbe Wicklungsrichtung bezüglich der durch die Gradientenrichtung vorgegebenen Achse besitzen, und wobei die Axial-Gradientenspulen (5) zylindersymmetrisch bezüglich der z-Achse und total unsym­ metrisch bezüglich der das Meßvolumen (1) halbierenden Ebene z = 0 angeordnet sind, und die Axial-Gradientenspulen (5) aus mindestens zwei Teilspulen bestehen, die auf ver­ schiedenen Seiten bezüglich der Ebene z = 0 angeordnet sind, wobei die Teilspulen auf der einen Seite überwiegend die umgekehrte Wicklungsrichtung aufweisen wie die Teil­ spulen auf der anderen Seite der Ebene z = 0 und wobei die Anzahl der Windungen mit einem bestimmten Wickelsinn ungleich der Anzahl der Windungen mit entgegengesetztem Wickelsinn ist, wobei das Meßvolumen (1) im homogenen Bereich im Innern der Feldspule (2) liegt, wobei das System von Gradientenspulen einen wenigstens annähernd konstanten magnetischen Feldgradienten innerhalb des Meßvolumens (1) erzeugen kann, und wobei auf einem Zylinder um die z-Achse, der einen größeren Radius aufweist als der die Gradienten­ spulen enthaltende Zylinder, aktive Abschirmspulen (6) angeordnet sind, die im wesentlichen die gleichen Symme­ trieeigenschaften wie die Gradientenspulen besitzen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transversal-Gradientenspulen in bezug auf das Meß­ volumen asymmetrisch angeordnete Sattelspulen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transversal-Gradientenspulen in bezug auf das Meß­ volumen asymmetrisch angeordnete stromlinienförmige Spulen sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Feldspule (2) zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes B_z extrem geringe axiale Ausdehnung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschirmspulen (6) einen um einen Faktor 1.15 bis 1.4 größeren Durchmesser als die Gradientenspulen aufweisen.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Abschirmspulen (6) auf einer beiderseits der Ebene z = 0 größeren axialen Länge als die Gradientenspulen vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, und vorzugsweise nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Begrenzung der Abschirmspulen (6) auf der Seite der das Meßvolumen (1) halbierenden Ebene z = 0, die den geometrischen Mittelpunkt der Vorrichtung nicht enthält, an dem axialen Ende der Gradientenspulen vorgesehen ist, wobei die Windungen der Abschirmspulen (6) an diesem Ende in einer Ebene radial verteilt sind.