DE4412755C2

DE4412755C2 - Magnetsystem für die NMR-Tomographie

Info

Publication number: DE4412755C2
Application number: DE19944412755
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr Mueller
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1994-04-13
Filing date: 1994-04-13
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2014-04-14
Also published as: DE4412755A1; DE4419454A1; DE4419454B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem für die Kernspinre sonanz (NMR)-Tomographie zur Erzeugung eines näherungsweise in mindestens 8. Ordnung homogenen statischen Magnetfeldes innerhalb eines Untersuchungsvolumens mit einer das Magnet system umgebenden Eisenabschirmung und mit zwei bezüglich einer durch das Zentrum des Untersuchungsvolumens verlaufen den z-Achse koaxialen, beiderseits des Untersuchungsvolumens angeordneten Magnetspulen (S1, S2), die bezüglich des Zen trums des Untersuchungsvolumens (z=0) eine z-Position z_S1 bzw. z_S2 einnehmen, einen mittleren Abstand r_S1 bzw. r_S2 von der z-Achse aufweisen und bei Betrieb gleichsinnig von Gleichstrom durchflossen werden.

Ein solches Magnetsystem ist beispielsweise bekannt aus der DE 39 07 927 A1.

NMR-Tomographiesysteme finden ihr medizinisches Hauptanwen dungsfeld in der Ganzkörpertomographie zur nicht-invasiven Untersuchung von Patienten. Dabei muß einerseits bei der Auslegung des Systems darauf geachtet werden, daß die Homo genität des statischen Magnetfelds möglichst hoch ist, damit eine hohe Auflösung der erzeugten Schnittbilder erzielt wird, andererseits sollte der behandelnde Arzt möglichst gu te räumliche Zugangsmöglichkeiten zum untersuchten Patienten haben, damit beispielsweise auch eine gleichzeitige Behand lung des Patienten simultan mit der Schnittbilderzeugung er möglicht wird. Außerdem ist es zur Vermeidung von Klaustro phobie seitens des untersuchten Patienten wünschenswert, wenn die Strukturen eines solchen Ganzkörpertomographen mög lichst "offen" sind.

In der DE 36 16 078 C2 ist ein Elektromagnetsystem für die Kernspintomographie beschrieben, bei dem ein resistiver H-Magnet mit geeigneten Polschuhen verwendet wird. Bei die sem bekannten System besteht zwar die Möglichkeit eines transversalen, nicht jedoch eines freien axialen Zugangs zum Untersuchungsvolumen. Wegen der massiven Polschuhe ergeben sich in der Regel starke Wirbelstromprobleme. Das homogene Magnetfeld wird im wesentlichen nicht durch die Geometrie der Spulen, sondern durch die Form der Polschuhe erzeugt, was die Variationsmöglichkeiten bei der Gestaltung des Ma gnetfelds erheblich einschränkt. Gegenüber sogenannten "Luftspulenanordnungen", unter die auch das oben zitierte Magnetsystem nach der DE 39 07 927 A1 fällt, handelt es sich bei dem Polschuh-Elektromagnetsystem nach der DE 36 16 078 C2 um einen völlig anderen Magnettypen, der entsprechend seinen Eigenheiten ganz andere Probleme aufweist.

Aus der EP 0 011 335 B1 ist eine Magnetspulenanordnung be kannt, die unter den Magnettypus "Luftspule" fällt. Es han delt sich dabei um eine Doppel-Helmholtz-Anordnung mit min destens vier stromführenden Einzelspulen, bei der die Ströme im Betrieb parallel durch die Spulen fließen. Diese bekannte Anordnung stellt aufgrund der Geometrie der Magnetspulen nur ein äußerst schmaler Spalt für einen seitlichen Zugriff zur Verfügung, der von einem Therapeuten praktisch nicht genutzt werden könnte.

Bei der aus DE 32 45 944 C2 bekannten Spulenanordnung han delt es sich ebenfalls um eine Doppel-Helmholtz-Anordnung mit mindestens vier stromführenden Einzelspulen, bei der die Ströme im Betrieb parallel durch die Spulen fließen. Diese bekannte Anordnung läßt aufgrund der dort vorgesehenen Ei senabschirmung allerdings keinen transversalen Zugriff zu, da die Abschirmung allseits geschlossen ist. Selbst wenn die Eisenabschirmung weggelassen würde, stünde nur ein theore tisch möglicher transversaler Zugang ähnlich wie bei der An ordnung nach der oben genannten EP 0 011 335 B1 zur Verfügung.

Demgegenüber beschreibt die eingangs zitierte DE 39 07 927 A1 ein Luftspulensystem in Doppel-Helmholtz-Anordnung, bei der die vorgesehenen vier Teilspulen mit gegenläufigen Strö men beschickt werden, was eine wesentlich größere Beabstan dung der Spulenpaare in axialer Richtung ermöglicht, so daß ein relativ großer transversaler Zugang von der Seite zum Untersuchungsvolumen her frei bleibt. Diese Anordnung würde es einem Therapeuten, insbesondere einem Operateur in der Tat ermöglichen, eine direkte Behandlung des untersuchten Patienten vorzunehmen, während die Behandlungswirkung durch simultane Übertragung der aufgenommenen Tomogramme auf einen Monitor in Sichtweite des Therapeuten überwacht werden kann. Ein Nachteil des Magnetsystems nach der DE 39 07 927 A1 be steht jedoch darin, daß die Spulenanordnung relativ kompli ziert ist und daß durch die gegenläufige Beschickung der Spulen mit Strömen zur Erzeugung des Magnetfelds erheblich höhere Amperewindungszahlen erforderlich sind als bei den oben genannten Doppel-Helmholtz-Anordnungen mit paralleler Strombeschickung, wie sie beispielsweise aus der EP 0 011 335 B1 oder der DE 32 45 944 C2 bekannt sind. Insbesondere bei resistiven Magnetspulen ist damit auch eine wesentlich höhere elektrische Leistung zur Erzeugung des Magnetfelds erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber ein Magnetsystem der eingangs genannten Art vorzustellen, bei dem ein besonders guter transversaler und axialer Zugang zum Untersuchungsvolumen ermöglicht wird, wobei die Spulenanord nung gegenüber den bekannten Anordnungen vereinfacht und we sentlich kompakter aufgebaut sein soll und zur Erzeugung des homogenen statischen Magnetfelds bei gleicher Feldstärke ei ne geringere Ampèrewindungszahl, bzw. eine geringere elek trische Leistung und damit geringere Anforderungen an die Kühlung der Anordnung erforderlich sein sollen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ko axial zu den beiden Magnetspulen (S1, S2) jeweils ein ferro magnetischer Ring (R1 bzw. R2) vorgesehen ist, der näher am Zentrum des Untersuchungsvolumens angeordnet ist als die ihm jeweils benachbarte Magnetspule (S1 bzw. S2), wobei die Rin ge (R1 bzw. R2) radial und axial unmittelbar an die Magnet spulen (51, 52) angrenzen oder zumindest teilweise in die Ma gnetspulen (51, 52) integriert sind und derart positioniert und dimensioniert sind, daß das Magnetfeld im Zentrum des Untersuchungsvolumens bei Betriebsstrom durch die Magnet spulen (S1, S2) bis zur 8. Ordnung homogenisiert wird, und wobei der axiale Abstand g_S der beiden Magnetspulen (S1, S2) zwischen 1/4 und 3/4, vorzugsweise 1/2 der Summe r_S1 und r_S2 der mittleren Abstände der beiden Magnetspulen (S1, S2) von der z-Achse beträgt, und der axiale Abstand g_R der beiden Ringe (R1, R2) geringfügig, d. h. um bis zu 15% kleiner ist als der axiale Abstand G_S der beiden Magnetspulen (S1, S2).

Der mittlere Abstand r_S1, r_S2 der Spulen S1, S2 von der z-Achse bzw. mittlere Abstand r_R1, r_R2 der Ringe R1, R2 von der z-Achse wird jeweils vom Schwerpunkt der entsprechenden Querschnittsflächen der Spulen bzw. Ringe in einer von der z-Achse ausgehenden Halbebene bestimmt. Das gleiche gilt für die Bestimmung der jeweiligen mittleren z-Positionen z_S1, z_S2, z_R1, z_R2.

Durch die Anordnung einer Eisenabschirmung um das Magnetsy stem kann einerseits das Streufeld des Magneten nach außen hin abgeschirmt werden, andererseits wird aber auch das Un tersuchungsvolumen, in dem das erzeugte Magnetfeld besonders homogen sein muß, gegen äußere Störfelder abgeschirmt. Über dies bewirkt eine Eisenabschirmung, insbesondere wenn sie axial zumindest teilweise durchgängig ist, daß bei gleichem Strom durch die Magnetspulen das erzeugte Feld im Untersu chungsvolumen eine höhere Feldstärke aufweist.

Ein NMR-Magnetsystem ohne Eisenabschirmung ist aus der GB 2 219 406 A bekannt. Mit Ausnahme der Eisenabschirmung weist das bekannte Magnetsystem alle eingangs beschriebenen Merkmale auf und darüber hinaus auch noch zwei axial und ra dial innerhalb der beiden Magnetspulen angeordnete Ringe aus ferromagnetischem Material, mit denen das Magnetfeld im Zen trum des Untersuchungsvolumens bei Betriebsstrom durch die Magnetspulen homogenisiert werden soll. Nachteiligerweise ist bei dem bekannten Magnetsystem jedoch der transversale Zugang zum Untersuchungsvolumen geometrisch so ausgestaltet, daß einem Operateur nur wenig Spielraum für Manipulationen am untersuchten Patienten bleiben würde. Das gleiche gilt auch für den axialen Zugang zum Untersuchungsvolumen bei dem bekannten System, da die dort verwendeten, ferromagnetischen Ringe einen sehr kleinen Radius im Verhältnis zum Radius der Magnetspulen aufweisen. Das bekannte Magnetsystem ist über dies aufgrund seines geometrischen Aufbaus im Verhältnis zur erzielbaren Magnetfeldstärke sowohl radial als auch axial relativ ausgedehnt.

Gegenüber der Anordnung nach der DE 39 07 927 A1 sind bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem lediglich zwei stromfüh rende Spulen erforderlich, die in gleicher Richtung be schickt werden können. Damit ist eine optimale Ausnutzung der elektrischen Leistung, bzw. der verwendeten Ampèrewin dungszahl zur Felderzeugung garantiert. Die bei der bekann ten Anordnung zusätzlich erforderlichen Spulen werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung gewissermaßen ersetzt durch die beiden ferromagnetischen Ringe. Auf diese Weise wird auch das relativ teure Spulenmaterial (Kupfer und entspre chende Legierungen) reduziert. Aufgrund der speziellen Geo metrie der erfindungsgemäßen Anordnung ist dabei ein ver hältnismäßig großer transversaler Zugang zum Untersuchungs volumen frei.

Einen besonders guten axialen Zugang zum Untersuchungsvolu men erhält man bei einer Ausführungsform, bei der der mini male Innendurchmesser d_iR1, d_iR2 eines jedem Rings (R1, R2) jeweils größer als 50%, vorzugsweise größer als 80% seines maximalen Außendurchmessers d_aR1, d_aR2 ist.

Besonders kompakt ist eine Ausführungsform des erfindungsge mäßen Magnetsystems, bei der die Magnetspulen (S1, S2) auf Spulenträgern aufgewickelt und die Ringe (R1, R2) zumindest teilweise in die Spulenträger integriert sind. Dabei können die Spulenträger vollständig oder aber auch nur teilweise aus ferromagnetischem Material bestehen und die oben defi nierten geometrischen Bedingungen für die beiden Ringe (R1, R2) erfüllen.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, daß die Eisenabschirmung im zentralen Bereich einen durchgängigen, um die z-Achse verlaufenden Ringspalt aufweist, so daß neben dem transversalen Zugang ein großer axialer Zugang ermög licht wird.

Die Abschirmung kann dann insbesondere nach Art zweier Halb schalen angeordnet sein, so daß das geschlossene magnetische Joch fehlt. Aufgrund der Kraftentwicklung bei Betrieb der Magnetspulen muß zwar ein Abstandshalter vorgesehen sein, der jedoch nicht ferromagnetisch sein muß. Aufgrund des durchgängigen Ringspaltes im zentralen Bereich wird ein be sonders guter transversaler Zugriff bei voller Rotationssym metrie der ferromagnetischen Abschirmung ermöglicht, wobei die Rotationssymmetrie eine besonders hohe Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen ermöglicht.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsy stems besitzt eine Faraday-Abschirmung für Hochfrequenzfel der, die zumindest teilweise in die Eisenabschirmung inte griert ist, um die Gesamtanordnung möglichst kompakt zu hal ten.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die ferromagnetischen Ringe (R1, R2) Permanentmagnete sind. Da mit kann bei kleinerer Querschnittsfläche der Ringe die gleiche Feldstärke im Untersuchungsvolumen erzeugt werden, wie bei nicht vollständig gesättigten weichmagnetischen Ringen.

Vorzugsweise besitzen die Ringe und ggf. die Abschirmung eine möglichst kleine elektrische Leitfähigkeit, um eine Ausbildung von Wirbel strömen beim Schalten von Magnetfeld gradienten und die dadurch verursachte Störung der Feldhomo genität zu verhindern.

Insbesondere können bei einer Weiterbildung dieser Aus führungsform die Ringe und ggf. die Abschirmung geschlitzt, lamelliert oder beispielsweise aus einem Pulverwerkstoff ge preßt sein.

Bei einer symmetrischen und daher fertigungstechnisch be sonders einfachen Ausführungsform sind die ferromagnetischen Ringe des erfindungsgemäßen Magnetsystems Kreisringe. Damit wird auch die höchstmögliche Homogenität des statischen Ma gnetfelds im Untersuchungsvolumen erzielt.

Beispielsweise für Anwendungen in der Mammographie, wenn beide Brüste gleichzeitig untersucht werden sollen, ist eine Ausführungsform besonders angepaßt, bei der die ferromagne tischen Ringe und die Hauptspulen elliptische oder näh erungsweise rechteckige Form haben.

Besonders vorteilhaft läßt sich von der erfindungsgemäßen Neuerung bei resistiven Magnetspulen Gebrauch machen. Im Vergleich zu den oben zitierten bekannten Systemen, bei spielsweise der Anordnung nach DE 39 07 927 A1, verbraucht das erfindungsgemäße System zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds vergleichbarer Feldstärke eine erheblich gerin gere elektrische Leistung. Das erfindungsgemäße Magnetsystem kann allerdings auch supraleitende Magnetspulen enthalten, wobei dann aufgrund der geringeren erforderlichen Ampère windungszahl bei Erzeugung einer vergleichbaren magnetischen Feldstärke die Spulen kleiner als bei bekannten Anordnungen dimensioniert werden können.

Vorzugsweise beträgt die erzeugbare Stärke des homogenen statischen Magnetfelds ungefähr 0,1 Tesla bis 0,4 Tesla (entspricht einer Protonenfrequenz zwischen 5 MHz bis 15 MHz). In diesem Feldstärkebereich ist die Leistungseinspa rung, insbesondere bei Verwendung von resistiven Magnetspu len, besonders hoch.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungs gemäßen Magnetsystems, bei dem in einem Untersuchungsvolumen mit einem Durchmesser < 0,3 m eine Magnetfeldhomogenität < 10^-4 erreicht werden kann, so daß in einem besonders großen Untersuchungsraum immer noch hinreichend hoch aufgelöste Schnittbilder des Meßobjekts, bzw. des untersuchten Patien ten erzeugt werden können.

Die z-Achse des erfindungsgemäßen Magnetsystems sollte vor zugsweise horizontal verlaufen, damit bei einem Ganzkörper tomographen der zu untersuchende Patient liegen kann, wäh rend der untersuchende Therapeut, bzw. Operateur stehen oder sitzen kann.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be schreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merk male erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehre ren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die ge zeigten beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als ab schließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an hand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a einen schematischen Querschnitt senkrecht zur z-Achse eines erfindungsgemäßen Magnetsystems;

Fig. 1b einen schematischen, die z-Achse enthaltenden Längsschnitt durch das Magnetsystem von Fig. 1a;

Fig. 2 eine schematische, perspektivische Darstellung ei nes erfindungsgemäßen Magnetspulensystems mit zwei halbschalenförmigen Abschirmelementen

Fig. 3 ein gerechnetes Diagramm der Linien gleicher Feld abweichung ± 100 ppm eines in 8. Ordnung homogenen Magnetfeldes in einer erfindungsgemäßen Magnetspu lenanordnung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Linien gleicher Feldstärke (Streufeld) in einem senkrecht zur z-Achse geschnittenen Quadranten eines erfindungs gemäßen Magnetspulensystems;

Fig. 5 eine Darstellung der Feldlinien bei einer halb schalenförmigen magnetischen Abschirmung;

Fig. 6 eine teilweise horizontale Schnittdarstellung mit einer die z-Achse enthaltenden Ebene durch ein er findungsgemäßes Magnetspulensystem mit einer Pati entin und einem Operateur in senkrechter Draufsicht von oben;

Fig. 7 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemä ßen Magnetspulensystems in geschnittener Horizon talsicht mit einer die z-Achse enthaltenden hori zontalen Schnittebene und einem schematisch von oben gesehenen Operateur, nämlich

a) Variante TRI
b) Variante HA
c) Variante INT
d) Variante INT A
e) Variante INT B
f) Variante AIMSL; und

Fig. 8 eine Schnittansicht einer Ausführungsform des er findungsgemäßen Spulensystems mit einer die z-Achse enthaltenden vertikalen Ebene und angedeuteter Pa tientin in der Apparatur.

Das in den Fig. 1a und 1b dargestellte erfindungsgemäße Ma gnetspulensystem für die Kernspinresonanz (NMR)-Tomographie weist beiderseits eines Untersuchungsvolumens 1 koaxial be züglich einer z-Achse angeordnete Magnetspulen S1, S2 auf, die bei Betrieb gleichsinnig von Gleichstrom durchflossen werden. Koaxial zu den beiden Magnetspulen S1, S2 ist je weils ein ferromagnetischer Ring R1 bzw. R2 vorgesehen, der näher am Zentrum des Untersuchungsvolumens angeordnet ist als die ihm jeweils benachbarte Magnetspule. Die Ringe R1, R2 sind derart positioniert und dimensioniert, daß das Ma gnetfeld im Zentrum des Untersuchungsvolumens 1 bei Strom fluß durch die Magnetspulen S1, S2 bis zur 8. Ordnung homo genisiert wird.

Die in den Fig. 1a und 1b gezeigte Tomographieanordnung er laubt einem Therapeuten oder einem Operateur einen guten transversalen Zugang zu einem im Tomographen liegenden, zu untersuchenden Patienten. Fig. 1a zeigt schematisch den transversalen Zugriffeines Operateurs von großer bzw. von kleiner Statur auf eine im Tomographen liegende Patientin. Fig. 1b zeigt einen Vertikalschnitt durch die Anordnung von Fig. 1a, der die z-Achse enthält, wobei eine Patientin in der vorgesehenen Untersuchungslage im Tomographen angedeutet ist.

Das in den Fig. 1a und 1b gezeigte System wurde realisiert mit einer Feldstärke von 0,2 Tesla, einer Leistung der resistiven, wassergekühlten Magnetspulen S1 und S2 von 30 kW und einem transversalen Zugangsspalt für den Operateur, der sich von einer maximalen Ausdehnung parallel zur z-Achse von 550 mm auf eine minimale Spaltbreite von 350 mm einengt. Das Untersuchungsvolumen 1, in dem eine Homogenität des erzeug baren Magnetfeldes von < 10^-4 herrscht, hat einen Durch messer von 350 mm. Das Gewicht der Apparatur beträgt ca. 60.000 N, die Länge 1,1 m und der Durchmesser 1,43 m. Eine Hauptanwendung des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems ist die Ganzkörpertomographie, insbesondere auch die Mammo graphie. Vorteilhafterweise lassen sich als Magnetspule S1 und S2 bereits aus üblichen resistiven Systemen bekannte Hauptfeldspulen verwenden. Dadurch ist der zur Verwirk lichung des erfindungsgemäßen Systems notwendige Zusatzauf wand äußerst gering.

Von einer Feldhomogenität 8. Ordnung, wie sie bei bekannten Systemen mit Doppelspulenpaaren in einer exakten Doppelhelm holtz-Anordnung erreicht werden kann, kann im konkreten Fall etwas abgewichen werden, wobei aber die Homogenität in der Nähe der exakten Lösung 8. Ordnung liegen sollte. Mit einem sogenannten "overshoot" der Homogenität kann ein System 6. Ordnung realisiert werden, das aber nahezu den Homogenitäts anforderungen des Systems 8. Ordnung genügt. Der Vorteil ei nes solchen Systems mit "overshoot" liegt in einem größeren Homogenitätsradius, wobei als Nachteil eine geringe Wellig keit der Homogenität im zentralen Bereich der Apparatur in Kauf genommen werden muß.

Vorteilhaft ist die Verwendung eines Eisenschildes als Ab schirmung des in der Apparatur erzeugten Magnetfeldes nach außen sowie zur Abschirmung des Untersuchungsvolumens gegen Störungen von außen, wobei als zusätzlicher positiver Effekt bei der Verwendung eines solchen Eisenschildes bei gleicher elektrischer Leistung in einem resistiven Spulensystem eine höhere Magnetfeldstärke im Untersuchungsvolumen erreicht wird.

Fig. 2 zeigt eine derartige Eisenabschirmung 2 in einer halbschalenförmigen Anordnung. Ein nicht-ferromagnetischer Abstandshalter 3 trennt die beiden Hälften der Eisenabschir mung voneinander; im zentralen Bereich weist die Eisenab schirmung einen durchgängigen breiten Ringspalt 4 auf, der einen transversalen Zugriff bei voller Rotationssymmetrie der ferromagnetischen Abschirmung ermöglicht, wodurch die hohe Homogenität des im Untersuchungsvolumen erzeugten Ma gnetfeldes erhalten bleibt.

Bei einer nicht dargestellten C-förmigen Ausbildung des Ei senjoches kann durch einen geeigneten Luftspalt (Purcell spalt) eine gleichmäßigere Verteilung des magnetischen Flusses über den Spulenquerschnitt erreicht werden.

Fig. 3 zeigt ein gerechnetes Diagramm der Linien gleicher Feldabweichung (besonders hervorgehoben die Linien mit ± 100 ppm Abweichung) in einer Ebene senkrecht zur z-Achse, wobei die linke obere Ecke des Bildes mit dem Zentrum des Untersuchungsvolumens 1 in der Apparatur zusammenfällt. Die Seitenlängen der gerechneten Darstellung entsprechen in der Natur jeweils 0,35 m. Man erkennt in dem Diagramm von Fig. 3 vier "Strahlenbündel", was ein System 8. Ordnung in der Feld-Homogenität anzeigt.

Das Diagramm von Fig. 4 enthält einen Quadranten der erfin dungsgemäßen Spulen-Ring-Anordnung mit einem Schnitt durch Magnetspule S1 und den Ring R1 sowie einem Abschirmelement 2. Dargestellt ist der Verlauf von Linien gleicher Magnet feldstärke im Außenraum (Streufeld), die sich im Abschirm element 2 konzentrieren.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten berechneten Diagramm ist in einer ähnlichen Schnittdarstellung durch einen Quadranten des erfindungsgemäßen Systems die Verteilung der Feldlinien gezeigt, wobei das Abschirmelement 2 eine Schnittdarstellung der in Fig. 2 gezeigten "Halbschalenanordnung" der Ab schirmung darstellt.

Fig. 6 zeigt einen teilweisen Horizontalschnitt durch ein erfindungsgemäßes Magnetsystem, wobei die horizontale Schnittebene die z-Achse enthält. Zur Verdeutlichung der räumlichen Verhältnisse ist eine im Tomographen liegende Pa tientin sowie ein links neben ihr stehender Therapeut in Draufsicht von oben gezeigt. Man erkennt den besonders guten transversalen Zugang des Therapeuten zum Untersuchungsvolu men bei der erfindungsgemäßen Anordnung.

Im folgenden werden weitere Einzelheiten von Ausführungsfor men der Erfindung gezeigt. Die Ausbildung des erfindungsge mäßen Systems für besonders vorteilhafte Anwendungen läßt eine Reihe von Gestaltungsmöglichkeiten zu, die unter ande rem folgende Punkte umfassen:
Durch Skalierung lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Durchmesserverhältnisse erreichen.

Die felderzeugenden und feldbestimmenden Elemente lassen sich in konischer Weise so ausbilden, daß der freie Zugang zum Untersuchungsvolumen optimiert wird.

Die Feldstärkenabhängigkeit der Homogenität beim erfindungs gemäßen Magnetsystem kann besonders gering gehalten werden, so daß Schwankungen der Betriebsstromstärke keine Aus wirkungen auf die Homogenität haben und der Magnet auch bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken betrieben werden kann.

Bei Ausführungsformen kann von der Rotationssymmetrie abge wichen werden und beispielsweise elliptische bzw. rechtecki ge Ringe und Spulen Verwendung finden. Dies kann beispiels weise bei der Mammographie von Vorteil sein.

Zur Homogenisierung kann ein Shimsystem eingesetzt wer den, wobei passives Shimen für das erfindungsgemäße Magnet system besonders geeignet ist.

Die Ausbildung der Flußrückführung kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. In den gezeigten Beispielen sind zylindri sche, symmetrische und asymmetrische Möglichkeiten angespro chen. Je geringer die Symmetrie wird, umso schwieriger läßt sich aber eine Homogenisierung des Feldes bewerkstelligen. Bei einem C-förmigen Joch der Abschirmung wird der freie Zu gang optimiert, wobei durch geeignete Ausbildung des Luftspaltes (Purcell-Spalt) eine gleichmäßigere Verteilung des magnetischen Flusses erreicht werden kann.

Tabelle 1 im Anschluß an die Beschreibung zeigt einen Systemvergleich einer berechneten Ausführungsform des er findungsgemäßen Magnetsystems (AIMS = Accessible Imaging Magnet with integrated Screen) in Anlehnung zu der aus der DE 32 45 944 C2 bekannten Anordnung (SIR IV) und der aus der DE 39 07 927 A1 bekannten Anordnung (Transversal). Die der vergleichenden Berechnung zugrunde gelegte erreichbare Feld stärke beträgt 0,2 T.

Der Leistungsverbrauch im resistiven Fall ist beim er findungsgemäßen System AIMS vergleichbar mit dem bekannten System SIR IV, während der Leistungsverbrauch bei dem hypo tetischen "Transversal"-System etwa viermal höher ist, wes halb sich das letztgenannte System nur für den Betrieb mit supraleitenden Spulen eignet. Das Kupfergewicht und damit ein bedeutender Kostenfaktor des Tomographen ist bei dem er findungsgemäßen System deutlich am niedrigsten, da lediglich ein einziges Magnetspulenpaar verwendet wird, während bei den beiden anderen Systemen in der Doppelhelmholtz-Anordnung mindestens zwei Spulenpaare eingesetzt werden müssen. Das Gesamtgewicht des erfindungsgemäßen Systems ist in etwa ver gleichbar mit SIR IV und liegt bei etwas über dem Doppelten des relativ kompakten "Transversal"-Systems ohne magnetische Abschirmung.

Der axiale Zugang der gerechneten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Magnetsystems ist ein wenig geringer als bei den anderen Vergleichssystemen, während der transversale Zu gang größer ist als beim "Transversal"-System, während bei SIR IV überhaupt kein transversaler Zugang möglich ist.

Die Homogenitätsbereiche (angegeben in Millimeter) mit 20 ppm-Feldabweichung (dsv = diameter spherical value) sind bei allen drei Systemen vergleichbar. Die axiale Ausdehnung der Abschirmung in z-Richtung bei der in Tabelle 1 vorgestellten berechneten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnet systems (AIMS) ist etwas geringer als die von SIR IV und er heblich geringer als die des "Transversal"-Systems. Der Durchmesser des erfindungsgemäßen Systems senkrecht zur z-Achse ist etwas größer als bei den beiden anderen Systemen.

Tabelle 2 zeigt die relevanten Daten von insgesamt sechs be rechneten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetsy stems, die in den Fig. 7a bis 7f jeweils als Horizontal schnitt in der Art der Fig. 6 dargestellt sind.

Die in Fig. 7a gezeigte Variante TRI beinhaltet stufenförmig erweiterte Spulen S1 und S2. Diese Ausführungsform ist für geringe Feldstärken besonders gut geeignet (z. B. für eine Protonenfrequenz von 6 MHz). Durch die stufenartige Ausbil dung der Spulen S1 und S2 wird der transversale Zugang ver größert, wobei außerdem auch ein guter axialer Zugang zum Untersuchungsvolumen gegeben ist. Das Gesamtgewicht dieser Ausführungsform sowie die Masse an verwendetem Kupfer ist besonders gering.

Die in Fig. 7b gezeigte Variante HA weist einen besonders großen axialen Zugang zum Untersuchungsvolumen auf und ist durch nach innen abgekröpfte "Nasen" 5 bei der Abschirmung 2 gekennzeichnet. In axialer Richtung ergibt sich ein beson ders breiter, frei durchgehender Bereich mit konstantem Durchmesser.

Die in Fig. 7c gezeigte Variante INT zeichnet sich aus durch zumindest teilweise in die Magnetspulen S1 und S2 integrier te ferromagnetische Ringe R1, R2. Die ferromagnetischen Rin ge R1, R2 können im Bereich des transversalen Zugriffs teil weise abgeschrägt sein, was den transversalen Zugang des Operateurs zum Untersuchungsvolumen weiter erleichtert. Durch die Integration der Ringe kann eine kompakte Einheit gefertigt werden, was die Produktion des Systems erheblich vereinfacht. Der axiale Zugang zum Untersuchungsvolumen die ser Ausführungsform ist ausreichend gut; die Variante INT kann ungefähr bis zu einer Protonenfrequenz von etwa 12 MHz verwendet werden.

Bei der in Fig. 7d gezeigten Variante INT A sind die Ringe R1, R2 ganz in die Magnetspulen S1, S2 integriert. Produkti onstechnisch ist diese Variante besonders einfach zu handha ben. Es ergibt sich ein ausreichend großer axialer Zugang.

Die in Fig. 7e gezeigte Variante INT B ergibt einen beson ders großen axialen Zugang zum Untersuchungsvolumen. Dieser kann beispielsweise für ein optimiertes Gradientensystem von Vorteil sein. Allerdings steigt der Leistungsbedarf gegen über der Variante INT A merklich. Der Spulenabstand in axia ler Richtung ist ebenfalls größer als bei der vorher be schriebenen Ausführungsform.

Bei der in Fig. 7f gezeigten Variante AIMSL schließlich be finden sich die Ringe R1, R2 radial innerhalb der zugehöri gen Magnetspulen S1, S2. Die Magnetspulen sind im Durchmes ser deutlich größer als bei den anderen Varianten. Zwischen den Spulen ergibt sich ein besonders großer, freier trans versaler Zugang (im konkreten Beispiel mit einem lichten Durchmesser von bis zu 600 mm) . Das Verhältnis von ver brauchter elektrischer Leistung zu Kupfergewicht wird etwas ungünstiger, die Gesamtlänge der Apparatur steigt ein wenig an.

Der Vergleich der in den Fig. 7a bis 7e beschriebenen Aus führungsformen zeigt einen gewissen Rahmen, innerhalb dessen eine Variation der jeweils wichtigen Parameter möglich ist. Das Gesamtgewicht einer konkreten Ausführungsform wird ent scheidend durch die Ausbildung des Jochs bei Eisenabschir mung und den freien Zugang von der transversalen Seite her bestimmt. Die Varianten INT, INT A, INT B, AIMSL lassen sich kühltechnisch so auslegen, daß eine Protonenfrequenz von 10 bis 12 MHz erreicht werden kann. Es empfiehlt sich je doch, höchstens ein vorgegebenes Feld von 0,2 T anzustreben, um mit dem Leistungsbedarf in vernünftigen Grenzen zu blei ben.

Fig. 8 schließlich zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Magnetsystems ohne axialen Zugang zum Untersuchungsvolumen 1. Bei dieser Anordnung kann die z-Achse der Apparatur eben falls horizontal gewählt werden, so daß der Patient seitlich in die Apparatur hineintritt und im Stehen untersucht wird.

Tabelle 1

Claims

1. Magnetsystem für die Kernspinresonanz (NMR)-Tomographie zur Erzeugung eines näherungsweise in mindestens 3. Ord nung homogenen statischen Magnetfeldes innerhalb eines Untersuchungsvolumens (1) mit einer das Magnetsystem um gebenden Eisenabschirmung (2) und mit zwei bezüglich ei ner durch das Zentrum des Untersuchungsvolumens (1) ver laufenden z-Achse koaxialen, beiderseits des Untersu chungsvolumens (1) angeordneten Magnetspulen (S1, S2), die bezüglich des Zentrums des Untersuchungsvolumens (z=0) eine z-Position z_S1 bzw. z_S2 einnehmen, einen mittleren Abstand r_S1 bzw. r_S2 von der z-Achse aufweisen und bei Betrieb gleichsinnig von Gleichstrom durchflos sen werden, wobei koaxial zu den beiden Magnetspulen (S1, S2) jeweils ein ferromagnetischer Ring (R1 bzw. R2) vorgesehen ist, der näher am Zentrum des Untersuchungs volumens (1) angeordnet ist als die ihm jeweils benach barte Magnetspule (S1 bzw. S2), wobei die Ringe (R1, R2) radial und axial unmittelbar an die Magnetspulen (S1, S2) angrenzen oder zumindest teilweise in die Magnetspu len (S1, S2) integriert sind, und derart positioniert und dimensioniert sind, daß das Magnetfeld im Zentrum des Untersuchungsvolumens (1) bei Betriebsstrom durch die Magnetspulen (S1, S2) bis zur 8. Ordnung homogeni siert wird, und wobei der axiale Abstand g_S der bei den Magnetspulen (S1, S2) zwischen 1/4 und 3/4, vorzugs weise 1/2 der Summe r_S1 und r_S2 der mittleren Abstände der beiden Magnetspulen (S1, S2) von der z-Achse be trägt, und der axiale Abstand g_R der beiden Ringe (R1, R2) geringfügig, d. h. um bis zu 15% kleiner ist als der axiale Abstand g_S der beiden Magnetspulen (S1, S2).

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der minimale Innendurchmesser d_iR1, d_iR2 eines jeden Rings (R1, R2) jeweils größer als 50%, vorzugsweise größer als 80% seines maximalen Außendurchmessers d_aR1, d_aR2 ist.

3. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (S1, S2) auf Spulenträgern aufgewickelt sind, und daß die Ringe (R1, R2) zumindest teilweise in die Spulenträger inte griert sind.

4. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenabschirmung (2) im zentralen Bereich einen durchgängigen, um die z-Achse verlaufenden Ringspalt (4) aufweist.

5. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Faraday-Abschirmung vorgesehen ist, die zumindest teilweise in die Eisenab schirmung (2) integriert ist.

6. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe (R1, R2) Permanentmagnete sind.

7. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (R1, R2) eine mög lichst geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.

8. Magnetsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (R1, R2) geschlitzt, lamelliert oder aus Pulverwerkstoff gepreßt sind.

9. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe (R1, R2) Kreisringe sind.

10. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe (R1, R2) elliptisch sind.

11. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (S1, S2) resistiv sind.

12. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugbare Stärke des homogenen statischen Magnetfeldes 0,1 Tesla bis 0,4 Tes la (entspricht einer Protonenfrequenz von 5 MHz bis 15 MHz) beträgt.

13. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Untersuchungsvolu men (1) mit einem Durchmesser < 0,3 m eine Magnetfeld homogenität < 10^-4 erreicht werden kann.

14. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die z-Achse horizontal ver läuft.

15. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es für den Betrieb bei ver schiedenen Magnetfeldstärken geeignet ist.