DE4421335C2

DE4421335C2 - Transversalgradientenspulensystem

Info

Publication number: DE4421335C2
Application number: DE4421335A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Ing Dr Westphal
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1994-06-17
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2014-06-18
Also published as: DE4421335A1; GB2290386B; GB2290386A; US5563567A; GB9512246D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Gradientenspulensystem zur Erzeu gung eines magnetischen Transversalgradienten G_x = dB_z/dx in einem Kernspinresonanz (NMR)-Tomographen oder -Spektrometer mit einem Hauptfeldmagneten zur Erzeugung eines homogenen statischen Hauptmagnetfeldes B_z in einem Meßvolumen, dessen Zentrum mit einem Koordinatenursprung eines kartesischen x-, y-, z-Koordinatensystems zusammenfällt, wobei das Haupt magnetfeld B_z längs der z-Achse und der magnetische Trans versalgradient G_x längs der x-Achse dieses Koordinaten systems ausgerichtet ist, wobei das Gradientenspulensystem aus vier Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) mit jeweils zwei Stromanschlüssen (A₁, A₂) besteht, die spiegelsymmetrisch zur xy-Ebene (z=0) und spiegelsymmetrisch zur zy-Ebene (x=0) angeordnet sind, wobei jede Teilspule ausschließlich Win dungsabschnitte auf einem inneren und einem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax um die z-Achse sowie jeweils in einer radialen Ver bindungsebene V_+x, V_-x parallel zur xy-Ebene enthält, wobei die Windungsabschnitte einer jeden Teilspule bei Betrieb in Serie von Strom durchflossen werden, und wobei die radialen Verbindungsebenen V_+x, V_-x derjenigen Teilspulen (S_1x, S_4x; S_2x, S_3x), die einander bezüglich der zy-Ebene gegenüberlie gen, identisch sind.

Ein derartiges Gradientenspulensystem ist bekannt aus GB 22 65 986 A.

Ein wesentlicher Bestandteil von NMR-Systemen, die in der Regel für die Tomographie, teilweise aber auch zur Spektro skopie eingesetzt werden, ist ein System von üblicherweise drei aus mehreren Teilspulen bestehenden Gradientenspulen, die unabhängig voneinander mit Strömen unterschiedlicher Stärke gespeist werden. Diese Spulen haben die Aufgabe, dem homogenen Magnetfeld B_0z des Hauptfeldmagneten konstante Feldgradienten mit einstellbarer Stärke überlagern, wobei die Richtung eines dieser Gradienten (dB_z/dz) in der Regel parallel zur Richtung des homogenen Grundfeldes B_0z, d. h. zur z-Achse (z-Gradient = Axial-Gradient), und die Richtun gen der beiden anderen Gradienten (dB_z/dX, dB_z/dy) dazu und zueinander orthogonal transversal zur Richtung des Grundfel des verlaufen (x- und y-Gradienten = Transversal-Gradien ten). 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.

Um die Wirkung der Gradientenspulen nach außen hin abzu schirmen, sind bei bekannten Systemen aktive Abschirmspulen zu jeder Teilspule des Gradientenspulensystems vorgesehen, die einen größeren radialen Abstand von der z-Achse aufwei sen, als die Gradientenspulen selbst. Beispielsweise aus der DE 42 10 217 A1 ist ein Transversal-Gradientenspulensystem, beispielsweise zur Erzeugung eines x-Gradienten G_x, bekannt, das neben den vier Teilspulen zur Erzeugung des x-Gradienten G_x weitere vier Teilspulen zur Abschirmung der Gradienten spulen aufweist. Das bekannte x-Gradientenspulensystem be steht also insgesamt aus acht Teilspulen, von denen die ei gentlichen Gradientenspulen auf einem inneren Zylinder, die Abschirmspulen auf einem äußeren Zylinder um die z-Achse an geordnet sind.

Ein Nachteil dieser bekannten Gradientenspulensysteme liegt darin, daß zur Erzeugung des Transversalgradienten nur die Teilspulenbereiche nützlich sind, die in der Nähe der xy- Ebene (z=0) liegen. Die Rückschlußabschnitte der Teilspulen hingegen sind unnütz bzw. sogar destruktiv im Hinblick auf die Linearität des zu erzeugenden Transversalgradienten. Au ßerdem vergrößern diese Rückschlußabschnitte den elektri schen Widerstand sowie die Gesamtinduktivität und die Ge samtlänge des Gradientenspulensystems.

Eine Verbesserung stellt demgegenüber das Gradientenspulen system nach der oben zitierten GB 22 65 986 A dar. Pro Gra dientenrichtung enthält das dort vorgestellte System ledig lich vier statt acht Teilspulen, wobei jede Spule zwei zy lindrische Abschnitte und einen die beiden Abschnitte ver bindenden planaren Abschnitt in einer Ebene senkrecht zur z-Achse aufweist. Die Rückschlußbögen werden gegenüber der Anordnung nach DE 42 10 217 A1 gewissermaßen in einer Ebene radial nach außen geführt und schließen sich auf einem Ab schirmzylinder mit größerem Radius. Dabei befindet sich die Verbindungsebene V der Abschnitte einer jeden Teilspule je weils auf dem der xy-Ebene abgewandten Teil der Spule, also maximal weit von der Mittelebene beabstandet.

Das Gradientenspulensystem nach der GB 22 65 986 A besitzt einen kleineren elektrischen Widerstand, eine geringere In duktivität und eine kleinere axiale Ausdehnung längs der z-Achse als das beispielsweise in der DE 42 10 217 A1 be schriebene System. Außerdem ergeben sich mit diesem Gradien tenspulensystem Transversalgradienten von besserer Lineari tät und es wird keine "Gradientenumkehr" im Bereich der Rückschlußbögen beobachtet.

In der GB 22 65 986 A sind jedoch nur Anordnungen angegeben, bei denen sich die auf dem äußeren Zylinder befindlichen Ab schirmwindungen von der radialen Verbindungsebene V zur Mit telebene (z=0) hin erstrecken. Die Verbindungsebenen V der beiden Zylinder, in denen sich die radialen Abschnitte der Wicklungen der jeweiligen Teilspulen befinden, ist daher ma ximal weit von der xy-Ebene entfernt. Eine solche Anordnung schirmt im allgemeinen die Wirkung des Transversal-Gradien ten nach außen hin nicht perfekt ab, weil im Bereich der je weiligen Verbindungsebene V unabgeschirmte Streufelder üb rigbleiben, die nur durch Ströme kompensiert werden könnten, die von der Mittelebene (z=0) aus gesehen jenseits der Ver bindungsebene V fließen müßten. Dies ist jedoch bei der Gra dientenspulenanordnung nach GB 22 65 986 A nicht verwirk licht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Gradientenspulensystem der eingangs geschilderten Art vorzu stellen, das eine nahezu perfekte Abschirmwirkung zeigt, wo bei jedoch die Vorteile des aus der GB 22 65 986 A bekannten Systems gegenüber dem beispielsweise aus der DE 42 10 217 A1 bekannten System erhalten bleiben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso überraschend einfache wie wirkungsvolle Art dadurch gelöst, daß die Teil spulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) so ausgebildet sind, daß die Windungsabschnitte auf dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax axial von der xy-Ebene weiter beabstandet sind als die jeweilige radiale Verbindungsebene V_+x, V_-x, und daß der axiale Abstand d_vx der Verbindungsebenen V_+x, V_-x voneinan der kleiner ist als der radiale Abstand d_zx zwischen dem in neren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax.

Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß eine nahezu ideale Abschirmung im allgemeinen verlangt, daß sich zumindest einige Rückschlußbögen auf dem äußeren Zylinder von der radialen Verbindungsebene V nicht zur Mittelebene (z=0) hin, sondern axial von ihr weg erstrecken. Dies läßt sich am einfachsten und wirkungsvollsten durch die oben be schriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen erreichen.

Aus der DE 40 29 477 A1 sind zwar relativ primitive Geo metrien von Gradientenspulen bekannt, bei denen die Win dungsabschnitte der Teilspulen auf dem inneren und dem äuße ren Zylinder axial von der xy-Ebene weiter beabstandet sind als die jeweilige radiale Verbindungsebene, jedoch kann da mit keine besonders gute Abschirmwirkung erreicht werden. Würde man andererseits von diesen primitiven Spulenanordnun gen abweichen um eine bessere Abschirmung zu erzielen, wäre die in der Regel notwendige räumliche Verschachtelung der x- und y-Gradientenspulensysteme durch die dann erforderliche Anzahl von Verbindungsleitern nicht mehr möglich.

Um eine optimale Abschirmwirkung zu erzielen, sollte der Ab stand d_vx der Verbindungsebenen V_+x, V_-x voneinander so klein wie möglich sein.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradienten spulensystems ist der axiale Abstand d_vx der Verbindungsebe nen V_+x, V_-x voneinander kleiner als 20% des radialen Ab stands d_zx zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax, vorzugsweise kleiner oder gleich 10% des Abstands d_zx.

Bei einer anderen Ausführungsform ist der axiale Abstand d_vx der Verbindungsebenen V_+x, V_-x voneinander kleiner als 10 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm.

Bevorzugt ist eine fertigungstechnisch besonders einfach herstellbare Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradien tenspulensystems, bei der der innere und der äußere Zylinder Z_ix, Z_ax um die z-Achse jeweils ein Kreiszylinder ist.

Bei einer Weiterbildung dieser Ausführung ist der axiale Ab stand d_vx der Verbindungsebenen V_+x, V_-x voneinander kleiner als 10% des Radius des inneren Zylinders Z_ix, vorzugsweise kleiner oder gleich 4% dieses Radius.

Damit wird eine besonders gute Abschirmwirkung des Gradien tenspulensystems erreicht.

Idealerweise ist der axiale Abstand d_vx der Verbindungsebe nen V_+x, V_-x voneinander ungefähr Null. Die radialen Verbin dungsebenen der Teilspulen stoßen dann bis auf eine dünne Isolierschicht unmittelbar aneinander.

Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes x-Gradienten spulensystem, bei dem auch ein y-Gradientenspulensystem zur Erzeugung eines magnetischen Transversalgradientenfeldes G_y = dB_z/dy in y-Richtung vorgesehen ist, dessen Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) gegenüber dem x-Gradientenspulensystem um 90° um die z-Achse verdreht angeordnet sind.

Ebenso wie bei dem erfindungsgemäßen x-Gradientenspulensy stem kann vorgesehen sein, daß das y-Gradientenspulensystem aus vier Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) mit jeweils zwei Stromanschlüssen besteht, die spiegelsymmetrisch zur xy-Ebe ne (z=0) und spiegelsymmetrisch zur zx-Ebene (y=0) angeord net sind, wobei jede Teilspule ausschließlich Windungsab schnitte auf einem inneren und einem äußeren Zylinder Z_iy, Z_ay um die z-Achse sowie in einer radialen Verbindungsebene V_+y, V_-y parallel zur xy-Ebene enthält, wobei die Windungs abschnitte einer jeden Teilspule bei Betrieb in Serie von Strom durchflossen werden, und wobei die radialen Verbin dungsebenen V_+y, V_-y derjenigen Teilspulen (S_1y, S_4y, S_2y, S_3y), die einander bezüglich der zx-Ebene gegenüberliegen, identisch sind.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung dieses Systems, bei dem das y-Gradientenspulensystem nach Art des oben be schriebenen x-Gradientenspulensystems ausgebildet ist. Da durch ergeben sich die geschilderten Vorteile des erfin dungsgemäßen Gradientenspulensystems auch für den y-Gradien ten.

Topologisch am günstigsten ist eine Weiterbildung dieses Gradientenspulensystems, bei der der äußere Zylinder Z_ay des y-Gradientenspulensystems einen kleineren Radius als der äu ßere Zylinder Z_ax des x-Gradientenspulensystems, der innere Zylinder Z_iy des y-Gradientenspulensystems einen größeren Radius als der innere Zylinder Z_ix des x-Gradientenspulensy stems aufweist, und bei der die Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) des y-Gradientenspulensystems in die Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) des x-Gradientenspulensystems in z-Richtung eingeschoben sind.

Alternativ dazu ist eine Ausführungsform, die sich dadurch auszeichnet, daß auf dem äußeren Zylinder Z_ay der Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) des y-Gradientenspulensystems Wick lungsabschnitte mit größerem und Wicklungsabschnitte mit kleinerem Abstand von der xy-Ebene (z=0) als dem Abstand d_vy/2 der Verbindungsebene V_+y, V_-y der jeweiligen Teilspule von der xy-Ebene vorgesehen sind.

Ein solches y-Gradientenspulensystem hat zwar nicht sämtli che Vorteile des oben geschilderten erfindungsgemäßen x-Gra dientenspulensystems, entfaltet jedoch immer noch eine bes sere Abschirmwirkung als beispielsweise ein System gemäß der GB 22 65 986 A.

Um das y-Gradientenspulensystem räumlich kompakt zusammen mit dem erfindungsgemäßen x-Gradientenspulensystem in einer NMR-Apparatur anordnen zu können, gibt es im wesentlichen vier Möglichkeiten, nämlich,
daß der äußere Zylinder Z_ay einen kleineren Radius als der äußere Zylinder Z_ax und der innere Zylinder Z_iy ei nen kleineren Radius als der innere Zylinder Z_ix auf weist; oder
daß der äußere Zylinder Z_ay einen größeren Radius als der äußere Zylinder Z_ax und der innere Zylinder Z_iy ei nen größeren Radius als der innere Zylinder Z_ix auf weist; oder
daß der äußere Zylinder Z_ay einen kleineren Radius als der äußere Zylinder Z_ax und der innere Zylinder Z_iy einen größeren Radius als der innere Zylinder Z_ix aufweist; oder
daß der äußere Zylinder Z_ay einen größeren Radius als der äußere Zylinder Z_ax und der innere Zylinder Z_iy ei nen kleineren Radius als der innere Zylinder Z_ix auf weist.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Gradientenspulensystems, bei der die Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x, S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) sogenannte "streamline"-Spulen mit flächigen Leiterabschnitten und quasi-kontinuierlicher Stromverteilung sind.

Derartige "streamline"-Spulen sowie Verfahren, zu deren op timaler Berechnung und zu ihrer Herstellung sind bei spielsweise in der oben bereits zitierten DE 42 10 217 A1 ausführlich beschrieben, auf die an dieser Stelle vollin haltlich Bezug genommen wird.

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 Anwendung finden. Die be schriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaf ten Charakter.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung der elektrischen Se rienschaltung eines erfindungsgemäßen Gradienten spulensystems in x- und y-Richtung;

Fig. 2 eine räumliche Darstellung einer Ausführungsform einer Teilspule des erfindungsgemäßen x-Gradienten spulensystems;

Fig. 3 Abwicklungen einer Teilspule des erfindungsgemäßen x-Gradientenspulensystems, und zwar der Windungsab schnitte

a) auf dem äußeren Zylinder Z_ax
b) auf einer radialen Verbindungsebene V_x
c) auf dem inneren Zylinder Z_ix;

Fig. 4 schematische Schnitte eines x-Gradientenspulensy stems durch die zx-, bzw. zy-Ebene, und zwar

a) mit erfindungsgemäß angeordneten Teilspulen
b) mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Teilspulen
c) mit Teilspulen nach dem Stand der Technik (GB 22 65 986 A);

Fig. 5 wie Fig. 4a, aber mit im x-Gradientenspulensystem verschachteltem y-Gradientenspulensystem, welches im wesentlichen die Merkmale des erfindungsgemäßen x-Gradientenspulensystems aufweist; und

Fig. 6a bis 6d schematische Schnitte von zusammengehörigen Teil spulen jeweils eines x-Gradientenspulensystems ge mäß Fig. 4a und eines y-Gradientenspulensystems entsprechend Fig. 4b in unterschiedlichen räumli chen Zuordnungen zueinander.

Das in Fig. 1 dargestellte Schaltschema eines erfindungsge mäßen Gradientenspulensystems zeigt ein Netzgerät P_x, wel ches elektrisch in Reihe geschaltete Teilspulen S_1x, S_2x, S_3x und S_4x eines x-Gradientenspulensystems mit Strom be schickt. Ebenso ist die elektrische Reihenschaltung eines y- Gradientenspulensystems mit den Teilspulen S_1y, S_2y, S_3y und S_4y, sowie ihre Stromversorgung durch ein weiteres Netzgerät P_y gezeigt.

Fig. 2 zeigt eine konkrete Ausführungsform einer Teilspule S_1x eines erfindungsgemäßen x-Gradientenspulensystems, bei der auf einem inneren Zylinder Z_ix um die z-Achse eines kar tesischen x-, y-, z-Koordinatensystems derjenige Teil der Gradientenspulenwicklungen positioniert ist, der im wesent lichen zum Aufbau eines linearen x-Gradienten beiträgt. Zur Abschirmung der Gradientenwirkung nach außen sind Wicklungs abschnitte auf einem äußeren Zylinder Z_ax der Teilspule S_1x vorgesehen. Eine Verbindung der Wicklungsabschnitte auf dem inneren Zylinder Z_ix mit denen auf dem äußeren Zylinder Z_ax wird durch radiale Wicklungsabschnitte in einer Ebene V_+x bewirkt, die parallel zur xy-Ebene verläuft. Schematisch dargestellt sind auch die beiden Stromanschlüsse A₁ und A₂ der Teilspule S_1x. Der Koordinatenursprung in Fig. 2 mar kiert gleichzeitig das Zentrum des Homogenitätsvolumens ei ner NMR-Apparatur, in der die dargestellte Teilspule S_1x ei nes x-Gradientenspulensystems eingesetzt ist.

Fig. 3a zeigt eine ebene Abwicklung des Wicklungsabschnittes einer Teilspule S_1x auf einem äußeren Zylinder Z_ax, Fig. 3b die entsprechende Abwicklung der Wicklungsabschnitte auf ei ner radialen Verbindungsebene V_x zwischen dem äußeren Zylin der Z_ax und dem inneren Zylinder Z_ix und Fig. 3c die Abwick lung der Wicklungsabschnitte auf dem inneren Zylinder Z_ix.

Zur Berechnung derartiger Wicklungsverteilungen sei auf be kannte Verfahren, beispielsweise auf Berechnungsverfahren nach der DE 42 10 217 A1 verwiesen. Eine prinzipielle Metho de zur Berechnung der Windungsführung des Abschirmungsteils einer Teilspule, d. h. also der Bögen auf dem äußeren Zylin der Z_ax wäre die folgende:

a) Man nimmt eine beliebige Windungsführung der Teilspule auf dem inneren Zylinder Z_ix entsprechend der jeweiligen Linearitätsanforderung an das Gradientenfeld an.
b) In der radialen Verbindungsebene werden die Wicklungen weitgehend radial vom inneren Zylinder Z_ix nach dem äu ßeren Zylinder Z_ax geführt und werden entlang der Schnittlinie der radialen Verbindungsebene mit dem äußeren Zylinder Z_ax in azimutaler Richtung geschlossen.
c) Man stellt sich einen supraleitenden äußeren Zylinder Z_ax um den inneren Zylinder Z_ix herum angeordnet vor, in welchem supraleitende Abschirmströme entsprechend den Strömen im inneren Zylinder Z_ix angeworfen werden. Der stromdichteverlaufim äußeren Zylinder Z_ax wird durch die diskrete Führung der Windungen im Abschirmzylinder approximiert, wobei eine unvermeidliche Singularität des berechneten Stromes in der Verbindungsebene V_x nicht be rücksichtigt wird. Auf diese Weise erhält man einen ent sprechend optimierten Wicklungsverlauf auf dem äußeren Zylinder Z_ax.

In den Fig. 4a bis 4c sind jeweils schematische Schnitte durch die zx-, bzw. zy-Ebene in einem x-Gradientenspulensy stem mit vier Teilspulen gezeigt. Das erfindungsgemäße x-Gradientenspulensystem ist in Fig. 4a dargestellt. Spie gelsymmetrisch zur xy-Ebene liegen sich jeweils die Teilspu len S_1x und S_2x, bzw. S_3x und S_4x gegenüber. Die inneren Zy linder Z_ix sind von den äußeren Zylindern Z_ax um eine Strec ke d_zx beabstandet. Die radialen Verbindungsebenen V_+x und V_-x, in denen die Wicklungsabschnitte der jeweiligen Teil spulen untergebracht sind, mit denen die Wicklungsabschnitte auf dem äußeren und auf dem inneren Zylinder verbunden wer den, sind um eine Strecke d_vx beabstandet und sollten sich so nah wie möglich gegenüberliegen. Im theoretischen Optimum fallen die radialen Verbindungsebenen V_+x und V_-x mit der xy-Ebene zusammen, während in der Praxis eine Isolationsfo lie die Wicklungen in beiden Ebenen elektrisch und räumlich trennen wird.

Die in Fig. 4b schematisch dargestellte Gradientenspulen anordnung stellt für sich gesehen bereits eine Verbesserung gegenüber bekannten Anordnungen dar, da aufgrund derjenigen Wicklungsabschnitte auf den äußeren Zylindern, die von der xy-Ebene weiter beabstandet sind als die Verbindungsebenen V, eine erheblich bessere Abschirmwirkung als bei Anordnun gen nach dem Stand der Technik erzielt wird. Gegenüber der in Fig. 4a gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung können der artige Transversal-Gradientensysteme jedoch nur bedingt ein gesetzt werden, beispielsweise nur als y- oder nur als x-Gradientenspulensysteme, da eine Verschachtelung mit dem jeweils orthogonalen Transversal-Gradientensystem aus topo logischen Gründen nicht möglich ist.

Ein System nach dem Stand der Technik (GB 22 65 986 A) ist in Fig. 4c schematisch gezeigt. Ein derartiges Gradienten spulensystem läßt sich zwar gleichzeitig sowohl als x- als auch als y-Gradientensystem in der gleichen Apparatur ent sprechend verschachtelt einsetzen, hat jedoch eine wesent lich geringere Abschirmwirkung als das in Fig. 4b gezeigte System und eine ganz erheblich geringere Abschirmwirkung als das in Fig. 4a gezeigte erfindungsgemäße Gradientenspulen system.

In Fig. 5 ist schematisch in einem Schnitt durch die zx-Ebe ne eine Verschachtelung zweier erfindungsgemäßer Gradienten spulensysteme entsprechend Fig. 4a gezeigt, wobei das äußere einen Transversal-Gradienten G_x in x-Richtung und das innere Spulensystem einen Transversal-Gradienten G_y in y-Richtung erzeugt. Die beiden Transversal-Gradientenspulensysteme sind azimutal um 90° um die z-Achse gegeneinander gedreht.

Die Fig. 6a bis 6d schließlich zeigen jeweils eine Teilspu le eines erfindungsgemäßen x-Gradientenspulensystems ent sprechend Fig. 4a, verschachtelt mit einem zugehörigen y-Gradientenspulensystem entsprechend Fig. 4b. Es handelt sich wiederum um schematische Schnittdarstellungen in der zx-Ebene, wobei, wie oben beschrieben, das x-Gradientenspu lensystem gegenüber dem y-Gradientenspulensystem um 90° azi mutal verdreht ist.

Claims

1. Gradientenspulensystem zur Erzeugung eines magnetischen Transversalgradienten G_x = dB_z/dx in einem Kernspin resonanz (NMR)-Tomographen oder -Spektrometer mit einem Hauptfeldmagneten zur Erzeugung eines homogenen stati schen Hauptmagnetfeldes B_z in einem Meßvolumen, dessen Zentrum mit einem Koordinatenursprung eines kartesi schen x-, y-, z-Koordinatensystems zusammenfällt, wobei das Hauptmagnetfeld B_z längs der z-Achse und der magne tische Transversalgradient G_x längs der x-Achse dieses Koordinatensystems ausgerichtet ist, wobei das Gradien tenspulensystem aus vier Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) mit jeweils zwei Stromanschlüssen (A₁, A₂) be steht, die spiegelsymmetrisch zur xy-Ebene (z=0) und spiegelsymmetrisch zur zy-Ebene (x=0) angeordnet sind, wobei jede Teilspule ausschließlich Windungsabschnitte auf einem inneren und einem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax um die z-Achse sowie jeweils in einer radialen Verbin dungsebene V_+x, V_-x parallel zur xy-Ebene enthält, wo bei die Windungsabschnitte einer jeden Teilspule bei Betrieb in Serie von Strom durchflossen werden, und wo bei die radialen Verbindungsebenen V_+x, V_-x derjenigen Teilspulen (S_1x, S_4x, S_2x, S_3x), die einander bezüglich der zy-Ebene gegenüberliegen, identisch sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) so ausgebildet sind, daß die Windungsabschnitte auf dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax axial von der xy-Ebene weiter beabstandet sind als die jeweilige radiale Ver bindungsebene V_+x, V_-x, und daß der axiale Abstand d_vx der Verbindungsebenen V_+x, V_-x voneinander kleiner ist als der radiale Abstand d_zx zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax.

2. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der axiale Abstand d_vx der Verbindungs ebenen V_+x, V_-x voneinander kleiner als 20% des radia len Abstands d_zx zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder Z_ix, Z_ax, vorzugsweise kleiner oder gleich 10% des Abstands d_zx ist.

3. Gradientenspulensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand d_vx der Verbin dungsebenen V_+x, V_-x voneinander kleiner als 10 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm ist.

4. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der innere und der äußere Zylinder Z_ix, Z_ax um die z-Achse jeweils ein Kreiszylinder ist.

5. Gradientenspulensystem nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß der axiale Abstand d_vx der Verbindungs ebenen V_+x, V_-x voneinander kleiner als 10% des Radius des inneren Zylinders Z_ix, vorzugsweise kleiner oder gleich 4% dieses Radius ist.

6. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Ab stand d_vx der Verbindungsebenen V_+x, V_-x voneinander ungefähr Null ist.

7. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein y-Gradien tenspulensystem zur Erzeugung eines magnetischen Trans versalgradienten G_y = dB_z/dy in y-Richtung vorgesehen ist, dessen Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) gegenüber dem x-Gradientenspulensystem um 90° um die z-Achse ver dreht angeordnet sind.

8. Gradientenspulensystem nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, daß das y-Gradientenspulensystem aus vier Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) mit jeweils zwei Strom anschlüssen besteht, die spiegelsymmetrisch zur xy-Ebe ne (z=0) und spiegelsymmetrisch zur zx-Ebene (y=0) an geordnet sind, wobei jede Teilspule ausschließlich Win dungsabschnitte auf einem inneren und einem äußeren Zy linder Z_iy, Z_ay um die z-Achse sowie in einer radialen Verbindungsebene V_+y, V_-y parallel zur xy-Ebene ent hält, wobei die Windungsabschnitte einer jeden Teilspu le bei Betrieb in Serie von Strom durchflossen werden, und wobei die radialen Verbindungsebenen V_+y, V-y der jenigen Teilspulen (S_1y, S_4y, S_2y, S_3y), die einander bezüglich der zx-Ebene gegenüberliegen, identisch sind.

9. Gradientenspulensystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß das y-Gradientenspulensystem nach Art des x-Gradientenspulensystems gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist.

10. Gradientenspulensystem nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der äußere Zylinder Z_ay des y-Gradienten spulensystems einen kleineren Radius als der äußere Zy linder Z_ax des x-Gradientenspulensystems, der innere Zylinder Z_iy des y-Gradientenspulensystems einen grö ßeren Radius als der innere Zylinder Z_ix des x-Gradien tenspulensystems aufweist, und daß die Teilspulen (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) des y-Gradientenspulensystems in die Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x) des x-Gradientenspulen systems in z-Richtung eingeschoben sind.

11. Gradientenspulensystem nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß auf dem äußeren Zylinder Z_ay der Teilspu len (S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) des y-Gradientenspulensystems Wicklungsabschnitte mit größerem und Wicklungsabschnit te mit kleinerem Abstand von der xy-Ebene (z=0) als dem Abstand d_vy/2 der Verbindungsebene V_+y, V_-y der jewei ligen Teilspule von der xy-Ebene vorgesehen sind.

12. Gradientenspulensystem nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der äußere Zylinder Z_ay einen kleine ren Radius als der äußere Zylinder Z_ax und der innere Zylinder Z_iy einen kleineren Radius als der innere Zy linder Z_ix aufweist.

13. Gradientenspulensystem nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der äußere Zylinder Z_ay einen größe ren Radius als der äußere Zylinder Z_ax und der innere Zylinder Z_iy einen größeren Radius als der innere Zy linder Z_ix aufweist.

14. Gradientenspulensystem nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der äußere Zylinder Z_ay einen kleine ren Radius als der äußere Zylinder Z_ax und der innere Zylinder Z_iy einen größeren Radius als der innere Zy linder Z_ix aufweist.

15. Gradientenspulensystem nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß der äußere Zylinder Z_ay einen größe ren Radius als der äußere Zylinder Z_ax und der innere Zylinder Z_iy einen kleineren Radius als der innere Zy linder Z_ix aufweist.

16. Gradientenspulensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspulen (S_1x, S_2x, S_3x, S_4x, S_1y, S_2y, S_3y, S_4y) sogenannte "streamline"-Spulen mit flächigen Leiterabschnitten und quasi-kontinuierlicher Stromverteilung sind.