DE4344287C1 - Supraleitender Magnet mit aktiver Schirmung für Kernspintomographieanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Magneten mit ak­ tiver Schirmung für Kernspintomographieanlagen mit einer er­ sten Spulenanordnung zur Erzeugung eines Grundmagnetfeldes in einem Untersuchungsvolumen und einer zweiten Spulenanordnung, die die erste Spulenanordnung umgibt und externe Streufelder des Magneten kompensiert, wobei jede Spulenanordnung aus min­ destens zwei symmetrisch zum Untersuchungsvolumen angeordne­ ten Teilspulen besteht und diese Teilspulen von je einem elektrisch leitenden Ring umgeben sind und wobei ferner ein Gradientenspulensystem zur Erzeugung eines entlang der Spu­ lenachse verlaufenden Magnetfeldgradienten vorgesehen ist, das ebenfalls aus mindestens zwei symmetrisch zum Untersu­ chungsraum angeordneten Teilspulen besteht.

Ein derartiger Magnet ist aus der EP-A2-0 468 415 bekannt. In den leitenden Ringen wird durch Änderung des Magnetfeldes im Quenchfall ein Strom induziert. Dieser Strom erzeugt ein Ma­ gnetfeld, das denjenigen Magnetfeldern entgegengerichtet ist, die durch in leitenden Teilen der Magnetanordnung induzierte Ströme hervorgerufen werden. Diese Ringe haben jedoch den Nachteil, daß darin störende Wirbelströme durch Magnetfeld­ gradienten in Richtung der Spulenachse verursacht werden.

Aus der US-Patentschrift 5,200,701 ist eine Meßanordnung für die Zeitabhängigkeit des Grundmagnetfeldes eines Kernspinto­ mographiegerätes bekannt. Dabei sind an zwei gegenüberliegen­ den Enden des Untersuchungsraums Sensorspulen vorgesehen. Um den Einfluß von Magnetfeldgradienten auf die Messung zu eli­ minieren, sind die beiden Sensorspulen über Kreuz miteinander verbunden.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Magnetkonstruktionen der eingangs genannten Art Wirbelströme in den Ringen zu ver­ meiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Ring eine Unterbrechung aufweist und daß an den Unterbre­ chungsstellen die Ringe derart in Reihe geschaltet sind, daß sich die durch Änderung des Stromes im Gradientenspulensystem in beiden Ringen induzierten Ströme in beiden Ringen aufheben und die bei Änderung des Grundmagnetfeldes in den Ringen induzierten Ströme gleichsinnig sind. Dabei wird zum einen die Wirkung dieser Ringe im Quenchfall nicht beeinträchtigt, zum anderen werden jedoch Wirbelstromfelder beim Schalten von Gradienten vermieden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Unter­ anspruch angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 9 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Schnitt durch ein Magnetsystem gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 die elektrische Verschaltung der Spulen

Fig. 3 vereinfacht die Anordnung von Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradientenfeldes in Y-Richtung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 4 vereinfacht die Anordnung von Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradientenfeldes in Z-Richtung gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 5 den Stromfluß in den leitenden Ringen bei Einschal­ ten der Z-Gradientenspule gemäß dem Stand der Tech­ nik,

Fig. 6 den Stromfluß in den leitenden Ringen im Quenchfall gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 7 die Verschaltung der leitenden Ringe gemäß der Er­ findung und den daraus resultierenden Strom bei Ein­ schalten der Z-Gradientenspule.

Fig. 8 die Verschaltung der leitenden Ringe gemäß der Er­ findung und den daraus resultierenden Stromfluß im Quenchfall,

Fig. 9 die Verschaltung weiterer leitender Ringe 11, 11′.

Zur Erläuterung der Problemstellung wird zunächst anhand von Fig. 1 ein Schnitt durch einen beispielsweise aus der EP-A2-0 468 415 bekannten supraleitenden Magneten für Kern­ spintomographen gezeigt. Ein innerer, unmagnetischer zylin­ drischer Träger 2 umschließt einen Untersuchungsraum 5 mit einer Achse 4. Radial außerhalb des Trägers 2 ist koaxial zur Achse 4 ein zylindrischer Aluminiumträger 5 vorgesehen. Auf dem Träger 5 sind drei Paare von Spulen A, A′, B, B′, C, C′ symme­ trisch zur Mittelebene 6 und senkrecht zur Achse des Magneten aufgebracht. Ferner ist eine siebte Spule D in der Mittel­ ebene 6 vorgesehen. Jede der Spulen A-D besteht aus supralei­ tendem Material und ist separat gewickelt. Die Spulen werden in Wachs oder in einem Epoxidharz eingebettet und sind je­ weils zwischen Paaren von ringförmigen Rippen 5A, 5B des Trägers 5 positioniert. Damit wird eine Bewegung der Spulen­ windungen verhindert, da bereits kleine Bewegungen mit Wärme­ entwicklung verbunden sein könnten, die zu einem Quench (Verlust des supraleitenden Zustandes) führen würde.

Ein zweiter Träger 7 aus Aluminium ist radial außerhalb des Trägers 5 angeordnet. Auf den Träger 7 sind vier Teilspulen E, E′-F, F′ einer zweiten Spulenanordnung angebracht, die eben­ falls symmetrisch zur Mittelebene 6 des supraleitenden Magne­ ten liegen. Alle Teilspulen D bis F′ sind - ähnlich wie die Teilspulen A bis D - zwischen Paaren von Rippen 7E, 7F des Trägers 7 angeordnet. Um eine Bewegung der Windungen zu reduzieren, können sie ebenfalls in Wachs oder Epoxidharz eingebettet sein.

Damit die Teilspulen A bis F′ einen supraleitenden Zustand erreichen, ist es notwendig, diese auf etwa 4,2 Kelvin zu kühlen. Dies wird erreicht, indem die beiden Träger 5 und 7 in einem mit Helium gefüllten Behälter liegen, der durch eine äußere zylindrische Wand 8 und eine innere zylindrische Wand 9 definiert ist. Der Behälter wird durch ein Paar von Ring­ elementen 12 geschlossen. Die Wände 8 und 9 und die Ringele­ mente 12 dürfen nicht magnetisch sein.

Um eine Erwärmung und damit eine Verdampfung der Helium­ füllung möglichst weitgehend zu verhindern, werden koaxial jeweils radial außerhalb und innerhalb des heliumgefüllten Gefäßes Strahlungsschilde 15, 15′, vorgesehen, die einen evakuierten Raum 16 zwischen den Schilden 15, 15′ und dem Heliumbehälter definieren. Die Schilde 15, 15′ werden durch Kontakt mit Helium über einen nichtdargestellten Wärmeaus­ tauscher gekühlt, der den Strahlungsschilden 15, 15′ Wärme entzieht und an das kalte Heliumgas abgibt, das aus dem heliumgefüllten Behälter verdampft. Radial außerhalb und innerhalb der Schilde 15, 15′ sind weitere Strahlungsschilde 17, 17′ vorgesehen, die einen evakuierten Raum 18 definieren. Im Betrieb wird einem ringförmigen Tank 26, dessen Wand durch das Schild 17 gebildet wird, flüssiger Stickstoff zugeführt bzw. er wird mittels eines Kühlaggregats auf niedriger Temperatur gehalten. Schließlich ist um das Schild 17 ein äußeres Gehäuse 20 angeordnet, das einen Vakuumraum 21 definiert.

Die elektrische Verschaltung der in Fig. 1 dargestellten Spulen ist in Fig. 2 dargestellt. Die Teilspulen A bis F′ sind alle in Serie geschaltet, so daß sie vom selben Strom durch­ flossen sind. Die Teilspulen sind durch einen Schalter 28 kurzgeschlossen. Ein Schutzschalter 29 überbrückt den Schal­ ter 28.

Im stationären Betriebszustand fließt durch die Träger 5, 7, auf die die supraleitenden Teilspulen gewickelt sind, kein Strom. Die Teilspulen A bis D der inneren Spulenanordnung und die Teilspulen E,F der äußeren Spulenanordnung sind so ausge­ legt, daß sie außerhalb des supraleitenden Magneten entgegen­ gesetzt wirken und damit das Streufeld innerhalb vorgegebener Grenzen halten. Da in den Trägern 5, 7 kein Strom fließt und diese nicht magnetisch sind, müssen diese bei der Magnetfeld­ auslegung nicht berücksichtigt werden. Bezüglich der Ausle­ gung der Teilspulen selbst wird auf die EP-A-0 144 171 verwiesen.

In einem Übergangszustand (z. B. einem Quench) gilt das oben Gesagte nicht mehr. In diesem Fall können in den Trägern 5, 7 und den Schilden 15, 15′, 17, 17′ hohe Ströme induziert werden, die große und sich schnell ändernde magnetische Felder her­ vorrufen, die die Kompensation der Magnetfelder außerhalb des supraleitenden Magneten stören. Daher wird das Streufeld des Systems schnell erhöht. Damit werden die für den stationären Betriebszustand vorgegebenen Sicherheitsgrenzen bezüglich des maximal zulässigen Streufeldes nicht mehr eingehalten. Um diesen Effekt zu verhindern, ist es bekannt, Ringe 10, 10′ aus leitendem Material vorzusehen, die so dimensioniert und angeordnet sind, daß der in Übergangszuständen in den Ringen 10, 10′ induzierte Strom ein Magnetfeld erzeugt, das dem Magnetfeld, das durch den in den Trägern 5, 6 induzierten Strom erzeugt wird, entgegengerichtet ist. Damit wird verhin­ dert, daß das Streufeld vorgegebene Grenzen überschreitet. Im dargestellten Fall sind vier Ringe 10, 10′, 11, 11′ radial außerhalb der Spulen C, C′ und E, E′ angeordnet. In der bereits obengenannten EP-A2-0 468 415 ist im Detail ausgeführt, wie die Größe und die Position der Ringe berechnet werden kann, damit das vorgegebene Ziel erreicht wird. Dort ist auch angegeben, daß die beiden inneren Ringe 11, 11′ über den inneren Spulen C, C′ im wesentlichen dafür vorgesehen sind, daß eine Überkompensation durch die Ringe 10, 10′ verhindert wird.

Bei der beschriebenen Anordnung stellt jeder Ring eine kurz­ geschlossene Spule mit einer einzigen Windung dar. Die Ringe sind untereinander nicht verbunden.

Ein Nachteil dieser Ringe besteht darin, daß durch in der MR- Bildgebung notwendige magnetische Gradientenfelder in den Ringen Wirbelströme induziert werden, die das Magnetfeld verfälschen. Zur Erläuterung dieses Effekts sind in den Fig. 3 und 4 typische Gradientenspulensysteme dargestellt. Dabei zeigt Fig. 3 ein Gradientenspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in Y-Richtung, Fig. 4 ein Gra­ dientenspulensystem zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfel­ des in Z-Richtung. Die Richtungen sind dabei jeweils auf ein kartesisches Koordinatensystem bezogen, wobei die Z-Richtung in Längsrichtung des Untersuchungsraumes 3 liegt. Beide Gradientenspulensysteme sind auf einem Tragrohr 30 aufge­ bracht, jedoch in den Fig. 3 und 4 der Übersichtlichkeit wegen getrennt dargestellt. Das Gradientenspulensystem für den Y-Magnetfeldgradienten nach Fig. 3 besteht aus vier sattelförmigen Spulen 31 bis 34. Wirksam für die Erzeugung eines Magnetfeldgradienten im kugelförmigen Untersuchungsvo­ lumen 35 sind jeweils nur die inneren Leiterbögen 31a bis 34a, während die äußeren Leiterbögen 31b bis 34b so weit vom kugelförmigen Untersuchungsvolumen 35 entfernt sind, daß sie auf das darin bestehende Magnetfeld nur einen vernachlässig­ bar kleinen Einfluß haben.

Das Gradientenspulensystem für den Z-Magnetfeldgradienten nach Fig. 4 besteht aus zwei symmetrisch zur Symmetrieachse 6 des Kernspintomographen angeordneten Spulenpaaren 40, 41, die jeweils als Ringspulen ausgeführt sind. Die beiden Ein­ zelspulen 40a, 40b und 41a, 41b sind, wie in Fig. 4 angedeu­ tet, in der gleichen Richtung von Strom durchflossen, während die beiden Spulenpaare 40, 41 entgegengesetzte Stromrichtung aufweisen.

Auf dem Tragrohr 30 ist ferner ein weiteres Gradientenspulen­ system zur Erzeugung eines Magnetfeldgradienten in X-Richtung aufgebracht. Dieses ist wie das Gradientenspulensystem für den Magnetfeldgradienten in Y-Richtung nach Fig. 3 aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 30 um 90° verdreht. In den Figuren ist es daher der Übersichtlichkeit wegen nicht darge­ stellt. Die Auslegung der Gradientenspulen ist im US-Patent 4,486,711 im Detail dargestellt.

Das Rohr 30 mit den Gradientenspulensystemen wird in der Öffnung des supraleitenden Magneten 1 montiert. In dieser Öffnung muß ferner eine Hochfrequenzantenne vorgesehen sein, die jedoch zur Erlauterung der Erfindung nicht erforderlich und daher nicht dargestellt ist.

Wenn man nun während des Betriebs des Kernspintomographen auf die Spulen 40a bis 41b einen Strom in der in Fig. 4 einge­ zeichneten Richtung aufschaltet, so wird in den Ringen 10, 10′ ein Wirbelstrom induziert, dessen Stromrichtung in Fig. 5 dargestellt ist. Die Wirbelströme erzeugen ein störendes Magnetfeld, das die Abbildungsqualität beeinträchtigt. Pro­ bleme bereitet dabei insbesondere die lange Zeitkonstante der von den Ringen 10, 10′ erzeugten Wirbelstrommagnetfelder.

In Fig. 6 ist die Stromrichtung in den Ringen 10, 10′ im Quench-Fall dargestellt.

Es ist darauf hinzuweisen,daß die Z-Gradientenspulen 40a bis 41b zwar auch in den Teilspulen A bis D, A′ bis C′ des Grund­ feldmagneten eine Spannung induzieren. Aufgrund des symmetri­ schen Aufbaus, der entgegengesetzten Stromrichtung in den Spulenpaaren 40 und 41 und der Verschaltung der Teilspulen A bis D, A′ bis C′ nach Fig. 2 sind jedoch die induzierten Spannungen entgegengesetzt gerichtet, so daß kein Strom induziert wird. Durch die Gradientenspulen 31 bis 34 wird weder in den Teilspulen A bis D, A′ bis C′ des Grundfeldma­ gneten noch in den Ringen 10, 10′ ein Strom induziert, da die Stromrichtung der oberen Spulen 31, 33 der Stromrichtung der unteren Spulen 32, 34 entgegengerichtet ist.

Um auch die Wirbelstromerzeugung durch die Gradientenspulen­ paare 40, 41 für die Z-Richtung zu verhindern, werden entspre­ chend den Fig. 6 und 7 die Ringe 10, 10′ auf einer Seite aufgetrennt und kreuzweise miteinander verbunden. Damit sind, wie in Fig. 7 dargestellt, die durch die Z-Gradientenspulen 40, 41 induzierten Spannungen entgegengerichtet, so daß sich kein Strom aufbauen kann.

Die Wirkung im Quench-Fall bleibt jedoch, wie in Fig. 8 dargestellt, erhalten. In diesem Fall fließt der induzierte Strom in beiden Ringen 10, 10′ in der gleichen Richtung und in Serie durch beide Ringe 10, 10′. Wie bei der herkömmlichen Schaltung der Ringe können auch hier die X- und Y-Gradienten­ spulen keinen Strom induzieren.

Bei der Magnetanordnung nach den Fig. 1 und 2 sind - wie bereits beschrieben - zusätzlich zu den Ringen 10, 10′ noch weitere Ringe 11, 11′ vorhanden. Auch in diesen Ringen 11, 11′ kann - wie in Fig. 9 dargestellt - eine Wirbelstrombildung auf dieselbe Weise verhindert werden, d. h., auch hier werden die Ringe 11, 11′ aufgetrennt und wie die Ringe 10, 10′ kreuz­ weise miteinander verbunden. Grundsätzlich könnten auch noch mehr Quenchringe vorgesehen sein. Dabei gilt, daß sämtliche Quenchringe eine Trennstelle aufweisen und jeweils bezüglich der Mittelebene des Magneten symmetrisch angeordnete Quench­ ringe kreuzweise miteinander verbunden sind.

Durch die erläuterte Verschaltung der Quenchringe gelingt es auf einfache Weise, die Induktion von Wirbelströmen in diesen Quenchringen beim Schalten von Z-Gradienten zu verhindern und damit eine Verschlechterung der Bildqualität zu vermeiden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß im Falle eines Quen­ ches in einer Teilspule eine Quenchfortschaltung auf die entsprechend symmetrisch dazu angeordnete Teilspule erzwungen wird. Dies ist ein höchst erwünschter Effekt, da bei supra­ leitenden Magneten ein Quench sich so schnell wie möglich über das gesamte Magnetsystem ausbreiten soll. Damit wird ein lokaler Abbau der im Magneten gespeicherten Energie verhin­ dert.

Claims (2)

1. Supraleitender Magnet mit aktiver Schirmung für Kern­ spintomographieanlagen mit einer ersten Spulenanordnung (A-D, A′-D′) zur Erzeugung eines Grundmagnetfelds in einem Untersu­ chungsvolumen (35) und einer zweiten Spulenanordnung (E, E′), die die erste Spulenanordnung umgibt und externe Streufelder des Magneten kompensiert, wobei jede Spulenanordnung aus mindestens zwei symmetrisch zum Untersuchungsvolumen (35) angeordneten Teilspulen (A-D, A′-C′, E, E′) besteht und wobei mindestens zwei symmetrisch zueinander angeordnete Teilspulen (A-D, A′-C′, E, E′) jeweils von mindestens einem elektrisch lei­ tenden Ring (10, 10′, 11, 11′) umgeben sind und wobei ferner ein Gradientenspulensystem (40, 41) zur Erzeugung eines entlang der Spulenachse verlaufenden Magnetfeldgradienten vorgesehen ist, das ebenfalls aus mindestens zwei symmetrisch zum Unter­ suchungsraum ringförmig um die Spulenachse angeordneten Teil­ spulen (40, 41) besteht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Ring (10, 10′, 11, 11′) eine Unter­ brechung aufweist und daß an den Unterbrechungsstellen je zwei symmetrisch zum Untersuchungsvolumen (35) liegende Ringe (10, 10′, 11, 11′) derart in Reihe geschaltet sind, daß sich die durch Änderung des Stroms im Gradientenspulensystem (40, 41) in den Ringen (10, 10′, 11, 11′) induzierten Ströme in den Rin­ gen (10, 10′, 11, 11′) aufheben und die bei Änderung des Grund­ magnetfelds in den beiden Ringen induzierten Ströme gleich­ sinnig sind.

2. Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrechungsstellen der Ringe (10, 10′, 11, 11′) azimutal gesehen auf einer Seite des Magneten liegen und kreuzweise überbrückt sind.