DE4419454B4

DE4419454B4 - Magnetsystem für die NMR-Tomographie

Info

Publication number: DE4419454B4
Application number: DE19944419454
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Phys. Dr.habil. Müller
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1994-04-13
Filing date: 1994-06-03
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2014-06-04
Also published as: DE4412755A1; DE4412755C2; DE4419454A1

Abstract

Magnetsystem für die Kernspinresonanz-Tomographie zur Erzeugung eines homogenen statischen Magnetfelds innerhalb eines Untersuchungsvolumens mit genau zwei bezüglich einer durch das Zentrum des Untersuchungsvolumens verlaufenden z-Achse koaxialen, beiderseits des Untersuchungsvolumens angeordneten Magnetspulen (S₁, S₂), wobei die erste Magnetspule bezüglich des Zentrums des Untersuchungsvolumens eine z-Position z_S1 einnimmt und einen mittleren Abstand r_s1 von der z-Achse aufweist und wobei die zweite Magnetspule bezüglich des Zentrums des Untersuchungsvolumens eine z-Position z_S2 einnimmt und einen mittleren Abstand r_S2 von der Achse aufweist, und beide Magnetspulen (S₁, S₂) bei Betrieb gleichsinnig von Gleichstrom durchflossen werden und wobei koaxial zu den beiden Magnetspulen (S₁; S₂) mehrere ferromagnetische Ringe (R₁₁, R₁₂; R₂₁, R₂₂) vorgesehen sind, die näher am Zentrum des Untersuchungsvolumen angeordnet sind als die ihnen jeweils benachbarte Magnetspule (S₁; S₂),
dadurch gekennzeichnet, dass
koaxial zu jeder Magnetspule (S₁; S₂) jeweils zwei ferromagnetische Ringe (R₁₁, R₁₂; R₂₁, R₂₂) vorgesehen sind, wobei für die z-Positionen...

Description

Die vorliegende Anmeldung ist eine Zusatzanmeldung zu DE 44 12 755 C2 vom 13.4. 1994, auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem für die Kernspinresonanz(NMR)-Tomographie zur Erzeugung eines homogenen statischen Magnetfelds innerhalb eines Untersuchungsvolumens mit genau zwei bezüglich einer durch das Zentrum des Unterschungsvolumens verlaufenden z-Achse koaxialen, beiderseits des Untersuchungsvolumens angeordneten Magnetspulen (S₁, S₂), wobei die erste Magnetspule bezüglich des Zentrums des Untersuchungsvolumens eine z-Position z_S1 einnimmt und einen mittleren Abstand r_S1 von der z-Achse aufweist und wobei die zweite Magnetspule bezüglich des Zentrums des Untersuchungsvolumens eine z-Position z_S2 einnimmt und und einen mittleren Abstand r_S2 von der Achse aufweist, und beide Magnetspulen (S₁, S₂) bei Betrieb gleichsinnig von Gleichstrom durchflossen werden und wobei koaxial zu den beiden Magnetspulen (S₁; S₂) mehrere ferromagnetische Ringe (R₁₁, R₁₂; R₂₁, R₂₂) vorgesehen sind, die näher am Zentrum des Untersuchungsvolumen angeordnet sind als die ihnen jeweils benachbarte Magnetspule (S₁; S₂).
Ein solches Magnetsystem ist beispielsweise bekannt aus GB 22 19 406 A1 .
NMR-Tomographiesysteme finden ihre medizinische Hauptanwendung in der Tomographie zur nicht-invasiven Untersuchung von Patienten. Dabei muß bei der Auslegung des Systems darauf geachtet werden, daß sowohl die Feldstärke als auch die Homogenität des statischen Magnetfelds möglichst hoch ist, damit u.a. eine hohe Auflösung der erzeugten Schnittbilder erzielt wird. Das Gewicht des Magnetsystems sollte möglichst gering sein, um Standortprobleme zu vermeiden. Um Klaustrophobie des Patienten zu vermeiden sollte die Baulänge möglichst gering, bzw. seitliche Öffnungen vorhanden sein, durch die u.U. sogar Überwachungs- und Therapiemaßnahmen während der Bildaufnahme möglich sein können. Selbstverständlich ist es auch wünschenswert, möglichst wenig teure Materialien zu verwenden und bei Betrieb möglichst wenig Energie zu verbrauchen.
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 diesem 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 Magnetfelds erheblich einschränkt. Gegenüber sogenannten „Luftspulenanordnungen", unter die auch ein Magnetsystem nach 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 bekannt, die unter den Magnettypus „Luftspule" fällt. Es handelt sich dabei um eine Doppel-Helmholtz-Anordnung mit mindestens vier stromführenden Einzelspulen, bei der die Ströme im Betrieb parallel durch die Spulen fließen. Diese bekannte Anordnung stellt aufgrund der Geometrie der Magnetspulen nur einen äußerst schmalen 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 handelt es sich schließlich ebenfalls um eine Doppel-Helmholtz-Anordnung mit mindestens vier stromführenden Einzelspulen, bei der der Strom im Betrieb gleichsinnig durch die Spulen fließt. Diese bekannte Anordnung läßt aufgrund der dort vorgesehenen Eisenabschirmung keinen transversalen Zugriff zu, da die Abschirmung allseits geschlossen ist.
Demgegenüber beschreibt die oben zitierte DE 39 07 927 A1 ein Luftspulensystem in Doppel-Helmholtz-Anordnung, bei der die vorgesehenen vier Teilspulen mit gegenläufigen Strömen beschickt werden, was eine wesentlich größere Beabstandung der Spulenpaare in axialer Richtung ermöglicht, so daß ein relativ großer transversaler Zugang von der Seite zum Untersuchungsvolumen her freibleibt. Dieses 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 besteht jedoch darin, daß die Spulenanordnung relativ kompliziert ist und daß durch die gegenläufige Beschickung der Spulen mit Strömen zur Erzeugung des Magnetfelds erheblich höhere Ampèrewindungszahlen 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.
Die US 4,771,243 befaßt sich mit einer Magnetspule, bei der die Positionen vom insgesamt sechs Teilspulen mit gleichem Radius auf einem Zylinder festgelegt sind. Das Feld wird praktisch ausschließlich durch diese Spulen erzeugt. An einem Gradientensystem befestigte Eisenringe gleichen Komponenten höherer Ordnung aus.
Die eingangs zitierte GB 22 19 406 A1 beschreibt ein Magnetsystem für die Kernresonanz-tomographie mit zwei koaxialen Spulen und koaxialen ferromagnetischen Ringen, bleibt jedoch insgesamt sehr vage und quantitative Ausführungsbeispiele fehlen. Insofern ist nicht ersichtlich, ob und ggf. wie ein hinreichend homogenes und großes Untersuchungsvolumen bei akzeptablen Abmessungen der Apparatur erreichbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Magnetsystem der eingangs genannten Art vorzustellen, bei dem zur Erzeugung des homogenen statischen Magnetfelds in einem mit dem bisheriger Anordnungen vergleichbaren Untersuchungsvolumen bei gleicher Feldstärke eine geringere Ampèrewindungszahl, bzw. eine geringere elektrische Leistung und damit geringere Anforderung an die Kühlung der Anordnung erforderlich sein sollen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß koaxial zu jeder Magnetspule (S₁; S₂) jeweils zwei ferromagnetische Ringe (R₁₁, R₁₂; R₂₁, R₂₂) vorgesehen sind, wobei für die z-Positionen z_R11, z_R12, z_R21, z_R22 der Ringe (R₁₁, R₁₂; R₂₁, R₂₂) gilt:
|zR_ij| < |z_Si| < 1,67 |Z_Ri1| und |r_Rij| < |r_Si| < 1,67 |r_Ri1| mit i,j = 1,2 sowie |z_Ri2| < |z_Ri1| und 0,6 |r_Si| < |r_Ri2| < |r_Si| mit i = 1,2 und daß
die Ringe (R_ij) derart positioniert und dimensioniert sind, daß das Magnetfeld im Zentrum des Untersuchungsvolumens bei Betriebsstrom durch die Magnetspulen (S₁, S₂) mindestens bis zur 10. Ordnung homogenisiert wird.
Vorzugsweise ist das Magnetfeld mindestens bis zur 12. Ordnung homogenisiert.
Der mittlere Abstand r_Si der Spulen S_i von der z-Achse bzw. der mittlere Abstand r_ij der Ringe R_ij von der z-Achse wird jeweils vom Schwerpunkt der entsprechenden Querschnittsflächen der Spulen bzw. Ringe in einer von der z-Achse ausgehenden Halbebene bestimmt. Entsprechendes gilt für die Bestimmung der jeweiligen mittleren z-Positionen z_Si, z_Rij.
Gegenüber der Anordnung nach der DE 39 07 927 A1 sind bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem lediglich zwei stromführende Spulen erforderlich, die gleichsinnig beschickt werden. Damit ist eine optimale Ausnutzung der elektrischen Leistung, bzw. der verwendeten Ampèrewindungszahl zur Felderzeugung garantiert. Die bei der bekannten Anordnung zusätzlich erforderlichen Spulen werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung gewissermaßen ersetzt durch ferromagnetische Ringe. Die Ringpositionen unterscheiden sich jedoch deutlich von den Spulenpositionen. Auf diese Weise wird die Magnetanordnung entscheidend verkleinert und das relativ teure Spulenmaterial (Kupfer und andere elektrisch gut leitende Materialien) wird reduziert.
Einen besonders guten axialen Zugang zum Untersuchungsvolumen erhält man bei einer Ausführungsform, bei der der minimale Innendurchmesser d_iRij eines jeden Rings (R_ij) jeweils größer als 50%, vorzugsweise größer als 80%, seines maximalen Außendurchmessers d_aRij ist.
Besonders kompakt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, bei der die Magnetspulen (S₁, S₂) auf Spulenträgern aufgewickelt und zwei Ringe (R₁₁, R₂₁) zumindest teilweise in die Spulenträger integriert sind. Dabei können die Spulenträger vollständig oder aber auch nur teilweise aus ferromagnetischem Material bestehen und die oben definierten geometrischen Bedingungen für die beiden Ringe (R₁₁, R₂₁) erfüllen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine integrierte Eisenabschirmung um das Magnetsystem vorgesehen ist. Dadurch kann einerseits das Streufeld des Magneten nach außen hin abgeschirmt werden, andererseits wird aber auch das Untersuchungsvolumen, in dem das erzeugte Magnetfeld besonders homogen sein muß, gegen äußere Störfelder abgeschirmt. Überdies bewirkt eine Eisenabschirmung, daß bei gleichem Strom durch die Magnetspulen das erzeugte Feld im Untersuchungsvolumen eine noch höhere Feldstärke aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, daß die Eisenabschirmung im zentralen Bereich mindestens einen durchgängigen, um die z-Achse verlaufenden Ringspalt aufweist, so daß neben dem axialen Zugang zwischen den ferromagnetischen Ringen ein nahezu allseitiger transversaler Zugang ermöglicht wird.
Die Abschirmung kann dann insbesondere nach Art zweier Halbschalen 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 ist. Aufgrund des durchgängigen Ringspaltes im zentralen Bereich wird ein besonders guter transversaler Zugriff bei voller Rotationssymmetrie der ferromagnetischen Abschirmung ermöglicht, wobei die Rotationssymmetrie eine besonders hohe Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen ermöglicht.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems besitzt eine Faraday-Abschirmung für Hochfrequenzfelder, die zumindest teilweise in die Eisenabschirmung integriert ist, um die Gesamtanordnung möglichst kompakt zu halten.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die ferromagnetischen Ringe (R_ij, i,j = 1,2) zumindest teilweise Permanentmagnete sind. Damit 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 ggfs. die Abschirmung eine möglichst kleine elektrische Leitfähigkeit, um eine Ausbildung von Wirbelströmen beim Schalten von Magnetfeldgradienten und die dadurch verursachte Störung der Feldhomogenität zu verhindern.
Insbesondere können bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform die Ringe und ggfs. die Abschirmung geschlitzt, lamelliert oder beispielsweise aus einem Pulverwerkstoff gepreßt sein.
Bei einer symmetrischen und daher fertigungstechnisch besonders einfachen Ausführungsform sind die ferromagnetischen Ringe des erfindungsgemäßen Magnetsystems Kreisringe. Damit wird auch die höchstmögliche Homogenität des statischen Magnetfelds im Untersuchungsvolumen erzielt.
Beispielsweise für Anwendungen in der Mammographie, wenn beide Brüste gleichzeitig untersucht werden sollen, ist eine Ausführungsform besonders angepaßt, bei der die ferromagnetischen Ringe und die Hauptspulen elliptische oder näherungsweise rechteckige Form haben.
Besonders vorteilhaft läßt sich von der erfindungsgemäßen Neuerung bei resistiven Magnetspulen Gebrauch machen. Im Vergleich zu den oben zitierten bekannten Systemen, beispielsweise der Anordnung nach DE 39 07 927 A1 , verbraucht das erfindungsgemäße System zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds vergleichbarer Feldstärke eine erheblich geringere elektrische Leistung, ist wesentlich leichter, kompakter und enthält weniger Kupfer. Das erfindungsgemäße Magnetsystem kann allerdings auch supraleitende Magnetspulen enthalten, wobei dann aufgrund der geringeren erforderlichen Ampèrewindungszahl bei Erzeugung einer vergleichbaren magnetischen Feldstärke die Spulen erheblich kleiner als bei bekannten Anordnungen dimensioniert werden können.
Vorzugsweise beträgt die erzeugbare Stärke des homogenen statischen Magnetfelds ungefähr 0,1 Tesla bis 0,5 Tesla (entspricht etwa einer Protonenfrequenz zwischen 5 MHz bis 20 MHz). In diesem Feldstärkebereich ist die Leistungseinsparung, insbesondere bei Verwendung von resistiven Magnetspulen, besonders hoch und die Dimensionierung besonders einfach, da sie in diesem Bereich nur schwach von der Betriebsfeldstärke abhängt. Es ist sogar ein Betrieb bei unterschiedlichen Feldstärken möglich, da in diesem Bereich die ferromagnetischen Ringe magnetisch noch nicht gesättigt sind und daher ihr anteiliger Beitrag zum Gesamtfeld im wesentlichen nur von ihrer Positionierung und Formgebung (Entmagnetisierungsfaktor) und kaum von der Feldstärke abhängt. Die verbleibenden Feldabhängigkeiten können durch die in jedem Tomographiesystem vorhandenen Shimspulen mit ausgeglichen werden.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen 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 Patienten erzeugt werden können.
Die z-Achse des erfindungsgemäßen Magnetsystems kann vorzugsweise horizontal verlaufen, damit bei einem Ganzkörpertomographen der zu untersuchende Patient liegen kann, während bei Nutzung eines transversalen oder axialen Zugangs der untersuchende Therapeut, bzw. Operateur stehen oder sitzen kann. In einer alternativen Ausführungsform kann sie jedoch auch vertikal verlaufen, z.B. für orthopädische Untersuchungen unter Belastung.
Das Magnetsystem kann auch mehr als vier ferromagnetische Ringe enthalten, wodurch die Feldhomogenität noch weiter verbessert werden kann, allerdings i.a. auf Kosten des freien transversalen Zugangs. Dabei ist zudem zu beachten, daß für relativ große z-Werte der Ringe das Feld im Zentrum durch diese verstärkt wird, für kleine z-Werte jedoch geschwächt. Permanentmagnetische Ringe könnten allerdings gegenläufig magnetisiert sein, so daß diese prinzipiell auch für kleine z-Werte einen positiven Beitrag im Zentrum liefern können.
Obwohl zwei Magnetspulen ausreichen, könnte man diese in Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetsystems durch weitere gleichsinnig oder gegensinnig gewickelte ergänzen, etwa durch mehr oder weniger formales Aufspalten jeweils einer Spule in zwei Teilspulen oder durch Hinzufügen von gegensinnigen Spulen mit sehr kleinen Ampèrewindungszahlen zur marginalen weiteren Verbesserung der Homogenität, wobei aber der Hauptbeitrag zum Feld nach wie vor von den beiden Hauptspulen und den magnetisierten ferromagnetischen Ringen kommt.
Durch die Verwendung der ferromagnetischen Ringe kann das Magnetsystem vorzugsweise sehr kurz gebaut werden. Es wird bei einem Ganzkörpersystem dadurch durchaus möglich, Baulängen von weniger als 1,2 m, sogar von weniger als 1,05 m und in Extremfällen, wenn man im Homogenitätsvolumen eine kleine Welligkeit in Kauf nimmt, sogar von etwa 0,85 m zu erreichen. Dies stellt eine enorme Verbesserung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik dar. Aufstellungprobleme werden gemildert, Klaustrophobie vermieden und der axiale Zugang verbessert.
Dabei kann der Durchmesser des Systems vorzugsweise unter 1,5 m bzw. sogar unter 1,3 m gehalten werden, was das Gerät sehr kompakt macht und die Platzprobleme weiter reduziert.
Durch die effektive Nutzung der Beiträge der ferromagnetischen Ringe kann das Gesamtgewicht bevorzugter Ausführungsformen, selbst inklusive einer integrierten Eisenabschirmung, gering gehalten werden, beispielsweise unter 55000 N oder sogar unter 32000 N, was selbstverständlich Transport- und Aufstellungsprobleme verkleinert.
Insbesondere kann in vorteilhafter Weise das Gewicht der Magnetspulen verkleinert werden, da ein wesentlicher Beitrag zum Feld von den ferromagnetischen Ringen kommt und die Anordnung insgesamt effektiver ist. Vorzugsweise beträgt das Drahtgewicht der Magnetspulen weniger als 21000 N, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weniger als 13000 N.
Bei einem extrem kompakten System kann unter geringfügigem Verzicht auf Homogenität und freiem Zugang sogar ein Spulengewicht von weniger als 8000 N und ein Gesamtgewicht von weniger als 22000 N erreicht werden.
Bei resistiven Systemen verringern sich dadurch neben den Materialkosten auch die Leistungsaufnahme und die Kühlprobleme. Bei supraleitenden Systemen wird teurer Supraleiterdraht eingespart, und durch die leichteren und kompakteren Spulen wird auch die Kryostatenkonstruktion einfacher. Vorzugsweise befinden sich bei supraleitenden Magnetspulen auch zumindest ein Teil der ferromagnetischen Ringe innerhalb eines Kryostaten auf tiefer Temperatur.
Vorzugsweise besteht ein axialer Zugang von mindestens 0,5 m bzw. mindestens 0,6 m, d.h. auch die Innendurchmesser der Spulen und Ringe sind größer als dieser Wert. Dadurch wird in Anwendungsformen das Einschieben eines Patienten gerade noch möglich.
In Ausführungsformen mit teilweise unterbrochener oder ganz entfallender Eisenabschirmung besteht in vorteilhafter Weise zwischen den ferromagnetischen Ringen ein transversaler Zugang, d.h. die äußeren Ringe R_i1 haben einen Abstand von mindestens 0,4, vorzugsweise 0,5 m, die beiden inneren R_i2 einen von mindestens 0,2 m, vorzugsweise 0,24 m. Auf diese Weise kann ein Patient während der Untersuchung beobachtet oder therapiert werden oder der Zugang kann für Zuleitungen genutzt werden. Zudem verringert sich die Klaustrophobiegefahr, dadurch, daß der Patient nach außen blicken kann (wofür einigermaßen transparente Gradienten- und HF-Systeme erforderlich sind).
Zum Ausgleich von Montagefehlern und Fertigungstoleranzen ist es schließlich vorteilhaft, wenn die Magnetspulen und/oder die ferromagnetischen Ringe, insbesondere bei den resistiven Ausführungsformen, mechanisch justierbar sind. Sie können dazu in einem Rahmen montiert sein, so daß beispielsweise über Justierschrauben Translations-, Dreh- und Kippfreiheitsgrade bestehen.
Selbstverständlich enthält ein komplettes Magnetsystem für die Kernspintomographie weitere Details und ergänzende Komponenten wie Gradietensysteme, Shimsysteme, Netzgeräte, HF-Einrichtungen usw., die dem Fachmann aus dem allgemeinen Stand der Technik geläufig sind und auf die daher hier nicht näher eingegangen wird. Erwähnt sei nur noch, daß Gradienten- und HF-System an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt sind und dabei einerseits die Zugangsmöglichkeiten möglichst erhalten und andererseits die im eigentlichen Magnetsystem freibleibenden Räume zwischen Spulen und Ringen möglichst ausnutzen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die erwähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1: einen schematischen, die z-Achse enthaltenden Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Magnetsystems;
2: einen schematischen, die z-Achse enthaltenden Längsschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetsystems mit transversaler Zugangsmöglichkeit;
3: eine perspektivische Darstellung mit einem Joch, das den transversalen Zugang ermöglicht;
4: einen schematischen, die z-Achse enthaltenden Längsschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetsystems mit axialem Zugang;
5: eine Darstellung der Feldlinien in einem Quadranten bei einer halbschalenförmigen ferromagnetischen Abschirmung;
6: eine Darstellung eines Magneten mit vertikaler Richtung der z-Achse;
7: ein gerechnetes Diagramm der Linien gleicher Feldabweichung ±100 ppm eines in 12. Ordnung homogenen Magnetfelds in einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Magnetspulensystem für die Kernspinresonanz(NMR)-Tomographie weist beiderseits eines Untersuchungsvolumens 1 koaxial bezüglich einer z-Achse angeordnete Magnetspulen S₁, S₂ auf, die bei Betrieb gleichsinnig von Gleichstrom durchflossen werden. Koaxial zu den beiden Magnetspulen S₁, S₂ sind jeweils zwei ferromagnetische Ringe R₁₁, R₁₂ bzw. R₂₁, R₂₂ vorgesehen, die näher am Zentrum des Untersuchungsvolumens 1 angeordnet sind als die ihnen jeweils benachbarte Magnetspule. Die Ringe R₁₁, R₁₂ bzw. R₂₁, R₂₂ sind derart positioniert und dimensioniert, daß das Magnetfeld im Zentrum des Untersuchungsvolumens 1 bei Stromfluß durch die Magnetspulen S₁, S₂ bis zur 12. Ordnung homogenisiert wird.
Das in 1 gezeigte System wurde realisiert mit einer Feldstärke von 0,2 Tesla, einer Leistung der resistiven, wassergekühlten Magnetspulen S₁ und S₂ von 38 kW. Das Un tersuchungsvolumen 1, in dem eine Homogenität des erzeugbaren Magnetfeldes von < 10^–4 herrscht, hat einen Durchmesser von 320 mm. Das Gewicht der Apparatur beträgt 31 000 N, die Länge nur 1,00 m und der Durchmesser 1,28 m. Der axiale Zugang hat eine Öffnung von 0,55 m. Transversal bleiben zwischen den ferromagnetischen Ringen R_i1 50 cm, zwischen den Ringen R_i2 24 cm frei. Die Kupferspulen wiegen zusammen 12000 N.
Die äußeren Ringe R_i1 sind teilweise in die Spulenträger integriert. Sie könnten auch separat sein, wobei dann die Spulen radial ganz außerhalb der Ringe liegen und ihren rechteckigen Querschnitt beibehalten können.
Das System ist von einer integrierten Eisenabschirmung 2 umgeben, die grundsätzlich auch entfallen kann (bei entsprechender Anpassung der Spulen- und Ringgeometrien, bzw. -Positionen). Die Eisenabschirmung 2 muß sich nicht vollkommen rotationssymmetrisch um die Magnetachse z erstrecken sondern sie kann i.a. in symmetrischer Weise im zentralen Bereich unterbrochen sein um zwischen den Ringen transversale Zugangsmöglichkeiten zu schaffen. Im Extremfall können sogar ein oder mehrere komplette Ringspalte freigelassen werden, die nur durch urimagnetische Abstützungen überbrückt sind, bzw. die Eisenabschirmung 2 kann auch vollständig entfallen. Zur Veranschaulichung der Größenverhältnisse sind in 1 eine Patientin 100 auf einer Patientenliege 101 sowie ein Therapeut 102 eingezeichnet.
Eine Hauptanwendung des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems ist die Ganzkörpertomographie, insbesondere auch die Mammographie.
In Tabelle 1 ist dieses Magnetsystem (CIMS = Compact Imaging Magnet with integrated Screen) der 1 einem herkömmlichen kommerziellen System (SIR) mit vier Spulen, das im wesentlichen auf dem in der DE 31 23 493 A1 beschriebenen Konzept beruht, gegenübergestellt. Bei gleicher Feldstärke und gleich großem Homogenitätsbereich fallen vor allem die auf 2/3 reduzierte Länge, das mehr als halbierte Gesamtgewicht und die auf ein Drittel drastisch reduzierte Kupfermenge auf, bei etwa gleicher Leistungsaufnahme, merklich reduziertem Außendurchmesser, aber auch kleinerem Innendurchmesser der Spulen.
In Tabelle 2 sind beispielhaft drei Ausführungsformen der Erfindung einander gegenübergestellt. Sie haben alle denselben Grundaufbau und auch dieselbe Magnetfeldstärke im Homogenitätsvolumen, unterscheiden sich jedoch in Details, da sie auf etwas unterschiedliche Anwendungen zugeschnitten sind. Die Tabelle soll nur die grundsätzliche Variabilität des Konzepts veranschaulichen. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf den Rahmen dieser Beispiele eingeschränkt. So kann, wie gesagt, die Eisenabschirmung entfallen oder die Feldstärke kann, insbesondere bei supraleitenden Varianten, etwas höher liegen.
In 2 ist der mögliche transversale Zugang veranschaulicht. Bezugszeichen entsprechen der der 1. Im Bereich des transversalen Zugangs ist die Eisenabschirmung 2 unterbrochen. Dies kann, muß jedoch nicht, über den ganzen Umfang geschehen.
3 zeigt aufgebrochen perspektivisch einen Magneten mit Eisenabschirmung 2 in Jochform, die einen besonders guten transversalen Zugang zum Patienten ermöglicht. Das Joch weist eine zweizählige Rotationssymmetrie bezüglich der z-Achse auf.
4 veranschaulicht für eine besonders kompakte Variante der Erfindung den dann besonders guten axialen Zugang für einen Therapeuten 102.
Das Diagramm der 5 enthält einen Quadranten der Spulen-Ring-Anordnung mit einem Schnitt durch die Magnetspule S₁ und die Ringe R₁₁ und R₁₂, sowie einer Eisenabschirmung 2. Dargestellt ist der Verlauf der magnetischen Feldlinien für eine halbschalen-förmige ferromagnetische Abschirmung, die rotationssymmetrisch um die z-Achse ist und bei z = 0 über den ganzen Umfang einen Ringspalt freiläßt. Eine solche halbschalen-förmige Abschirmung ist im Detail der Stammanmeldung DE 44 12 755 C2 , dort im Zusammenhang mit 2, beschrieben.
In 6 ist eine Anwendung gezeigt, bei der die Magnetachse z in vertikaler Richtung verläuft. In dieser Anordnung ist die Untersuchung am Menschen unter Belastung möglich. Für die Orthopädie sind Untersuchungen des Knies oder der Lendenwirbelbereiche unter Belastung besonders wichtig. Der Magnet steht auf einer vertikal verschiebbaren Einrichtung 103, die einerseits einen bequemen Einstieg für den Patienten 100 erlaubt, andererseits eine genaue vertikale Positionierung des Zentrums des Homogenitätsvolumens. Alternativ könnte auch bei fixiertem Magneten der Patient 100 über ein vertikal verfahrbares Podest einsteigen und positioniert werden.
7 zeigt für einen Quadranten 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 jeweils 0,35 m. Man erkennt in dem Diagramm von 7 sechs „Strahlenbündel", was ein System 12. Ordnung der Feldhomogenität anzeigt.
Von einer Feldhomogenität 12. Ordnung kann im konkreten Fall etwas abgewichen werden, wobei aber die Homogenität in der Nähe der exakten Lösung 12. Ordnung liegen sollte. Mit einem sogenannten „overshoot" der Homogenität kann beispielsweise ein System 10. Ordnung realisiert werden, das aber nahezu den Homogenitätsanforderungen des Systems 12. Ordnung genügt. Der Vorteil eines solchen Systems mit „overshoot" liegt in einem größeren Homogenitätsradius, wobei als Nachteil eine geringe Welligkeit des Feldverlaufs im Homogenitätsbereich der Apparatur in Kauf genommen werden muß. Durch die weniger strikten Randbedingungen wird es auch möglich, die Positionen der Ringe soweit zu verändern, daß ein wesentlich besserer transversaler Zugang möglich wird.

Claims

Magnetsystem für die Kernspinresonanz-Tomographie zur Erzeugung eines homogenen statischen Magnetfelds innerhalb eines Untersuchungsvolumens mit genau zwei bezüglich einer durch das Zentrum des Untersuchungsvolumens verlaufenden z-Achse koaxialen, beiderseits des Untersuchungsvolumens angeordneten Magnetspulen (S₁, S₂), wobei die erste Magnetspule bezüglich des Zentrums des Untersuchungsvolumens eine z-Position z_S1 einnimmt und einen mittleren Abstand r_s1 von der z-Achse aufweist und wobei die zweite Magnetspule bezüglich des Zentrums des Untersuchungsvolumens eine z-Position z_S2 einnimmt und einen mittleren Abstand r_S2 von der Achse aufweist, und beide Magnetspulen (S₁, S₂) bei Betrieb gleichsinnig von Gleichstrom durchflossen werden und wobei koaxial zu den beiden Magnetspulen (S₁; S₂) mehrere ferromagnetische Ringe (R₁₁, R₁₂; R₂₁, R₂₂) vorgesehen sind, die näher am Zentrum des Untersuchungsvolumen angeordnet sind als die ihnen jeweils benachbarte Magnetspule (S₁; S₂), dadurch gekennzeichnet, dass koaxial zu jeder Magnetspule (S₁; S₂) jeweils zwei ferromagnetische Ringe (R₁₁, R₁₂; R₂₁, R₂₂) vorgesehen sind, wobei für die z-Positionen z_R11, z_R12, z_R21, R₂₂ der Ringe (R₁₁, R₁₂; R₂₁, R₂₂) gilt: |z_Rij| <|z_Si| < 1,67 |z_Ri1| und |r_Rij| <|r_Si| < 1,67 |r_Ri1|mit i,j = 1,2 sowie |z_Ri2| <|z_Ri1| und 0,6 |r_Si| < |r_Ri2| <|r_Si| mit i = 1,2 und dass die Ringe (R_ij) derart positioniert und dimensioniert sind, dass das Magnetfeld im Zentrum des Untersuchungsvolumens bei Betriebsstrom durch die Magnetspulen (S₁, S₂) mindestens bis zur 10. Ordnung homogenisiert wird.
Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld im Zentrum des Untersuchungsvolumens bei Betriebsstrom durch die Magnetspulen (S₁, S₂) mindestens bis zur 12. Ordnung homogenisiert wird.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale Innendurchmesser d_iRij eines jeden Rings (R_ij) jeweils größer als 50%, vorzugsweise größer als 80% seines maximalen Außendurchmessers ist.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen (S_i) auf Spulenträgern aufgewickelt sind und dass mindestens zwei der Ringe (R_ij) zumindest teilweise in die Spulenträger integriert sind.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine integrierte Eisenabschirmung (2) um das Magnetsystem vorgesehen ist.
Magnetsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenabschirmung (2) im axial zentralen Bereich mindestens einen durchgängigen, um die z-Achse verlaufenden Ringspalt aufweist.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Ringe (R_ij) zumindest teilweise Permanentmagnete sind.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (R) eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen.
Magnetsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (R_ij) geschlitzt, lamelliert oder aus Pulverwerkstoff gepresst sind.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetischen Ringe (R_ij) Kreisringe sind.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen (S_i) resistiv sind.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfeldstärke des homogenen statischen Magnetfelds 0,1 Tesla bis 0,5 Tesla, vorzugsweise etwa 0,2 Tesla beträgt.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Untersuchungsvolumen (1) mit einem Durchmesser > 0,3 m eine Magnetfeldhomogenität < 10^–4 erreicht wird.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Achse horizontal verläuft.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es für den Betrieb bei verschiedenen Magnetfeldstärken geeignet ist.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mehr als vier ferromagnetische Ringe enthält.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seine axiale Länge weniger als 1,2 m, vorzugsweise weniger als 1,05 m beträgt.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Durchmesser weniger als 1,5 m, vorzugsweise weniger als 1,3 m beträgt.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sein Gesamtgewicht weniger als 55 000 N, vorzugsweise weniger als 32 000 N, beträgt.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Magnetspulen (S_i) weniger als 21000 N, vorzugsweise weniger als 13000 N beträgt.
Magnetsystem nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewicht der Magnetspulen (S_i) weniger als 8000 N und das Gesamtgewicht weniger als 22000 N betragen.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Zugang mit einem Durchmesser von mindestens 0,5 m vorhanden ist.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ringen R_i1 ein transversaler Zugang von mindestens 0,4 m, vorzugsweise mindestens 0,5 m verbleibt und zwischen den Ringen R_i2 einer von mindestens 0,2 m, vorzugsweise mindestens 0,24 m.
Magnetsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Magnetspulen (S_i) und/oder die ferromagnetischen Ringe (R_ij) mechanische Justiermöglichkeiten vorgesehen sind.