DE4424580A1 - NMR-Scheibenspule - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem für einen
Kernspintomographen mit mindestens einer in einer
Mittelebene angeordneten felderzeugenden Magnetspule S₁ mit
Radius rS1, das in einem Untersuchungsvolumen ein entlang
einer zur Mittelebene senkrechten z-Achse gerichtetes
homogenes Magnetfeld erzeugt.
Ein solches Magnetsystem ist bekannt aus der EP 0 160 350 B1.
In der Druckschrift sind scheibenförmige Anordnungen von
Magnetspulen zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes für
die NMR-Tomographie beschrieben. Diese Scheibenspulen
bestehen aus ringförmig ineinander gesetzten konzentrischen
Teilspulen, die jeweils radial alternierend von elektrischen
Strömen mit entgegengesetzten Stromrichtungen durchflossen
werden. Auf diese Weise kann mit derartigen flachen
Spulenanordnungen in der Nähe des Zentrums des
Untersuchungsvolumens die erforderliche Homogenität des
NMR-Magnetfeldes erreicht werden.
Ein Vorteil derartiger scheibenförmiger
Magnetspulenanordnungen besteht darin, daß sie eine recht
gute Zugangsmöglichkeit zum Untersuchungsvolumen in axialer
Richtung sowie schräg von der Seite bzw. von oben
ermöglichen. Damit kann beispielsweise ein untersuchender
Arzt während der Untersuchung eines Patienten Manipulationen
an den im Untersuchungsvolumen befindlichen Körperteilen des
Patienten vornehmen. Insbesondere wird damit auch die
Möglichkeit eröffnet, minimal-invasive Chirurgie
durchzuführen, wobei dem behandelnden Arzt die NMR-Aufnahmen
während der Operation zumindest eine Orientierungshilfe im
Körper des Patienten bieten. Im Idealfall ist sogar ein
Monitoren der Operationsvorgänge aufgrund der erzeugten
NMR-Bilder möglich.
Eine ähnlich strukturierte scheibenförmige
Magnetspulenanordnung für die Felderzeugung bei der
NMR-Tomographie ist auch aus der WO 90/05369 bekannt. Diese
Anordnung enthält ebenfalls konzentrisch in der Mittelebene
angeordnete Einzelspulen mit unterschiedlichen Radien, wobei
mit axialem Abstand von der Scheibenspulenanordnung
symmetrisch zur Mittelebene Polplatten aus ferromagnetischem
Material vorgesehen sind, die auf einem die
Scheibenspulenanordnung umgebenden Eisengehäuse befestigt
sind, so daß ein im wesentlichen geschlossener magnetischer
Fluß des von der Scheibenspulenanordnung erzeugten
Magnetfeldes erreicht wird. Die Polplatten sollen die Kräfte
aufgrund des magnetischen Flusses in der Wand im
wesentlichen ausbalancieren.
Mit einer derartigen Anordnung wird allerdings kein
Homogenitätsvolumen im Zentrum der Scheibenspulenanordnung
erreicht, sondern es werden zwei Volumenbereiche mit hoher
Magnetfeldhomogenität jeweils beidseits der Mittelebene der
Anordnung mit axialem Abstand vor bzw. hinter der Scheibe
aufgebaut. Aufgrund der in axialer Richtung blockierenden
Metallplatten dieser bekannten H-Magnetanordnung bietet
dieses System weder in axialer Richtung noch schräg von der
Seite oder von oben eine gute Zugriffsmöglichkeit auf das
geometrische Zentrum der Anordnung.
Auch das aus der US 5,117,188 bekannte Magnetsystem, das
ebenfalls eine scheibenförmige Spulenanordnung aufweist,
bietet keinen beidseitigen axialen oder schräg seitlichen
Zugang zum Zentrum der Anordnung, der in diesem Fall auch
das Volumen größter Homogenität enthält. Bei dieser
Anordnung, bei der die z-Achse vertikal verläuft, ist
unterhalb der Ringspule eine asymmetrische ferromagnetische
Platte mit axialem Abstand von der Mittelebene der
Spulenanordnung vorgesehen, auf der beispielsweise ein zu
untersuchender Patient liegen kann. Mit Hilfe der
asymmetrisch geformten ferromagnetischen Platte wird das
Magnetfeld innerhalb des Untersuchungsvolumens verstärkt und
lokal homogenisiert.
Obwohl die eingangs erwähnte EP 0 160 350 B1 eine
scheibenförmige Magnetspulenanordnung beschreibt, bei der
der axiale und schräg-radiale Zugang zum
Untersuchungsvolumen relativ groß ist, weist das bekannte
Magnetsystem jedoch den Nachteil auf, daß aufgrund der
alternierenden Stromrichtungen der Teilspulen der
scheibenförmigen Anordnung die im Untersuchungsvolumen
erzeugten Magnetfeldstärken trotz hoher Einzelströme relativ
gering sind, da sich die erzeugten Teilfelder zum großen
Teil gegenseitig aufheben. Um eine ausreichend hohe
Magnetfeldstärke bei gleichwohl großer Feldhomogentität im
Untersuchungsvolumen zu erreichen, müssen derartige Systeme
relativ groß gebaut werden. Außerdem wird bei resistiven
Spulen eine sehr hohe elektrische Leistung für den
Magnetfeldaufbau verbraucht, was bei Erzeugung höherer
Magnetfeldstärken zu einer Erhitzung der Spulen bzw. zu
Kühlproblemen führt. Schließlich ist auch der Platzbedarf
für derartige Systeme relativ hoch.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
Magnetsystem der eingangs genannten Art vorzustellen, das
einerseits gute Zugangsmöglichkeiten zum
Untersuchungsvolumen in axialer Richtung von vorn und
zumindest schräg von der Seite ermöglicht, das andererseits
aber bei vergleichbarer erzeugbarer Magnetfeldstärke relativ
kompakt gebaut werden kann bzw. gegenüber bekannten
Magnetsystemen bei gleicher Amperewindungszahl und gleicher
Feldhomogenität in einem vergleichbar großen
Untersuchungsvolumen ein Magnetfeld mit wesentlich höherer
Feldstärke zu erzeugen vermag.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf verblüffend einfache,
aber wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß in der
Mittelebene konzentrisch zur Magnetspule S₁ mindestens ein
ferromagnetischer Ring R₁ mit Radius rR1 vorgesehen ist. Ein
solcher ferromagnetischer Ring kann geometrisch derart
gestaltet werden, daß er eine zweite Magnetspule mit
gegenüber der ersten Magnetspule S₁ entgegengesetzter
Stromrichtung zur Homogenisierung des erzeugten Magnetfelds
im Untersuchungsvolumen ersetzen kann. Damit wird die volle
elektrische Leistung des durch die Magnetspule S₁
geschickten elektrischen Stromes zur Erzeugung des
Magnetfelds im Untersuchungsvolumen genutzt, so daß das
Magnetsystem bei gleicher erzeugbarer Feldstärke wesentlich
kompakter gebaut werden kann und wesentlich weniger
elektrische Leistung verbraucht.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Magnetsystems, bei der mindestens zwei
Magnetspulen Si vorgesehen sind, die im wesentlichen
konzentrisch angeordnet und so verschaltet sind, daß sie im
Betrieb von gleichsinnigen Strömen durchflossen werden.
Aufgrund der zweiten und jeder weiteren Magnetspule werden
dem Gesamtsystem weitere Freiheitsgrade eröffnet, so daß mit
einer derartigen Anordnung eine besonders hohe Homogenität
des erzeugten Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen
erreichbar ist. Theoretisch läßt sich bereits bei der
Verwendung von zwei Magnetspulen eine Feldhomogenität bis
zur achten Ordnung erreichen. Bei i < 2 können sogar
Magnetfelder mit noch höheren Ordnungen der Homogentität
erzeugt werden.
Ergänzend oder alternativ sind bei einer weiteren besonders
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Magnetsystems mindestens zwei ferromagnetische Ringe Ri mit
Radien rRi vorgesehen, die in der Mittelebene im
wesentlichen konzentrisch zur Magnetspule S₁ angeordnet
sind. Auch durch das Vorsehen weiterer ferromagnetischer
Ringe werden dem Magnetsystem zusätzliche Freiheitsgrade für
die Homogenisierung des erzeugten Magnetfeldes eröffnet.
Insbesondere in Verbindung mit der oben beschriebenen
Ausführungsform mit mehreren Magnetspulen Si, die von
gleichsinnigen Strömen durchflossen werden, können bei
extrem hoher Homogenität Magnetfelder sehr hoher Feldstärke
im Untersuchungsvolumen erzeugt werden.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die
Magnetspulen Si von einem ferromagnetischen Joch umgeben
sind. Dadurch kann das von den Magnetspulen erzeugte
Streufeld nach außen hin relativ klein gehalten werden,
andererseits wird aber auch das Untersuchungsvolumen, in dem
das erzeugte Magnetfeld besonders homogen sein muß, gegen
äußere Störfelder abgeschirmt. Außerdem wird durch eine
konzentrierte Rückführung des magnetischen Flusses in der
Abschirmung eine Erhöhung der magnetischen Feldstärke im
Untersuchungsvolumen bewirkt.
Wenn die verwendeten Magnetspulen Si resistiv sind, so wird
für die gesamte Anordnung kein aufwendiges Kryosystem
erforderlich. Ein solches Magnetsystem ist für kleine zu
erzeugende Magnetfeldstärken besonders preisgünstig
herstellbar. Da bei der Erzeugung vergleichbarer
Magnetfeldstärken mit dem erfindungsgemäßen Magnetsystem
eine wesentlich geringere elektrische Leistung als bei
bekannten Magnetsystem erforderlich ist, sind die
Anforderungen an die Kühlung des Systems ebenfalls erheblich
geringer.
Alternativ dazu können bei einer anderen bevorzugten
Ausführungsform die Magnetspulen Si supraleitend sein und
sich (evtl. zusammen mit den ferromagnetischen Ringen R₁)
innerhalb eines Kryostaten befinden. Mit einem solchen
Magnetsystem können besonders hohe Magnetfeldstärken
erreicht werden, wobei im Gegensatz zu resistiven Systemen
zumindest im supraleitenden Kurzschlußbetrieb keine
permanente Zufuhr elektrischer Energie zur Felderzeugung
erforderlich ist.
Besonders kompakt ist eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Magnetsystems, bei der die Magnetspulen Si
auf Spulenträgern aufgewickelt und die Ringe Ri 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 Ringe Ri
erfüllen.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Magnetsystems besitzt eine Faradayabschirmung für
Hochfrequenzfelder, die zumindest teilweise in die
Eisenabschirmung integriert ist, um die Gesamtanordnung
möglichst kompakt zu halten.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die
ferromagnetischen Ringe Ri 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 ggf. 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 ggf. 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 R₁ und die Magnetspulen Si
elliptische oder näherungsweise rechteckige Form haben.
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
Leistungseinsparung, insbesondere bei Verwendung von
resistiven Magnetspulen, besonders hoch. Bei Erzeugung
höherer Magnetfeldstärken können die ferromagnetischen Ringe
in magnetische Sättigung geraten, was zu nicht-linearem
Verhalten und zu Komplikationen bei der Homogenisierung des
Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen führt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Magnetsystems, bei dem in einem
Untersuchungsvolumen mit einem Durchmesser < 0,2 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.
Das erfindungsgemäße Magnetsystem kann so ausgebildet sein,
daß es bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken betreibbar
ist. Dadurch können mit der gleichen Anordnung verschiedene
Kernresonanzfrequenzen angeregt werden. Bei anderen
Betriebsfrequenzen kann beispielsweise eine günstigere
Leistungsaufnahme des Hauptmagneten und/oder ein besseres
Kontrastverhältnis bei der Bilderzeugung erreicht werden.
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
gezeigten beschriebenen 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:
Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung
eines längs der z-Achse vertikal aufgeschnittenen
erfindungsgemäßen Magnetsystems (entspricht Magnet
2 in der Tabelle);
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch die Mittelebene
in einem Quadranten eines erfindungsgemäßen
Magnetsystems (entspricht Magnet 2 in der Tabelle);
Fig. 3 einen Schnitt durch die Mittelebene in einem
Quadranten eines Magnetsystems nach dem Stand der
Technik (entspricht Magnet 1 in der Tabelle);
Fig. 4 einen Schnitt durch die Mittelebene in einem
Quadranten einer weiteren Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Magnetsystems (entspricht Magnet
3 in der Tabelle);
Fig. 5 eine schematische, perspektivische Darstellung der
unteren Hälfte des Magnetsystems gemäß Fig. 4
(entspricht Magnet 3 in der Tabelle) nach einem horizontalen Schnitt längs der z-Achse;
(entspricht Magnet 3 in der Tabelle) nach einem horizontalen Schnitt längs der z-Achse;
Fig. 6 eine schematische, perspektivische Darstellung
der rechten Hälfte einer bevorzugten Ausführungs
form des erfindungsgemäßen Magnetsystems (ent
spricht Magnet 4 in der Tabelle) nach einem
Vertikalschnitt längs der z-Achse;
Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch die Mittelebene
in einem Quadranten des erfindungsgemäßen
Magnetsystems nach Fig. 6 (entspricht Magnet 4 in
der Tabelle);
Fig. 8 ein gerechnetes Diagramm der Linien gleicher Feld
abweichung ± 100 ppm eines in 8. Ordnung homogenen
Magnetfeldes in einem Quadranten im Untersuchungs
bereich des Magnetsystems nach Fig. 7;
Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung wie Fig. 7,
aber verkleinert und mit Magnetfeldlinien;
Fig. 10 eine schematische Darstellung wie Fig. 9, aber
verkleinert und mit den Linien gleicher Feldstärke
im Außenbereich (Streufeld); und
Fig. 11 einen schematischen Vertikalschnitt durch ein er
findungsgemäßes Magnetsystem (entspricht Magnet 4
in der Tabelle) längs der z-Achse mit angedeuteten
Linien gleicher Feldstärke im Untersuchungsbereich,
mit untersuchtem Patient und untersuchendem
Operateur.
Das erfindungsgemäße Magnetsystem für einen
Kernspintomographen zur Erzeugung eines entlang einer
z-Achse senkrecht zur Mittelebene des Systems gerichteten
statischen Magnetfeldes, dessen Homogenität im
Untersuchungsvolumen besser als 10-4 ist, weist mindestens
eine in der Mittelebene des Magnetsystems angeordnete
felderzeugende Magnetspule S₁ mit Radius rS1 sowie in der
Mittelebene konzentrisch zur Magnetspule S₁ mindestens einen
ferromagnetischen Ring R₁ mit Radius rR1 auf. Im einfachsten
Fall kann damit die gleiche Magnetfeldhomogenität im
Untersuchungsvolumen erreicht werden, wie mit einem
herkömmlichen zweispuligen System, bei dem die beiden
Magnetspulen in der Mittelebene des Magnetsystems
konzentrisch zueinander angeordnet sind und von
gegenläufigen Strömen durchflossen werden.
In Fig. 1 ist eine Hälfte einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Magnetsystems gezeigt, bei der zusätzlich
zur ersten felderzeugenden Magnetspule S₁ und zum ersten
ferromagnetischen Ring R₁, der in die Spule S₁ integriert
ist, konzentrisch dazu in der Mittelebene ein weiterer
ferromagnetischer Ring R₂ sowie eine weitere felderzeugende
Magnetspule S₂ vorgesehen sind. Die beiden Magnetspulen S₁
und S₂ sind derart verschaltet, daß sie im Betrieb von
gleichsinnigen Strömen durchflossen werden und auf diese
Weise gemeinsam additiv zum Aufbau eines homogenen
statischen Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen um das
Zentrum der Anordnung beitragen.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt in Richtung
der z-Achse durch einen Quadranten des Magnetsystems nach
Fig. 1. Ebenso wie die Fig. 3, 4 und 7 ist die
Schnittdarstellung in Fig. 2 maßstäblich, so daß außer den
explizit gezeigten Größen des Innendurchmessers di, des
Außendurchmessers da und der Länge l des Magnetsystems
jeweils auch die Größen und Positionen der verwendeten
Elemente (Magnetspulen Si, Ringe Ri) entnommen werden
können. Da es sich bei Fig. 2 ebenso wie bei den genannten
Fig. 3, 4 und 7 jeweils um die Z-Achse enthaltende
Horizontal-Schnitte durch einen Quadranten des Systems
handelt, sind nur die Größen di/2, da/2 und 1/2 dargestellt.
In der Zeichnung nicht gezeigt, aber durchaus vorteilhaft
können Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetsystems
sein, bei denen entweder nur eine einzige Magnetspule S₁
zusammen mit zwei ferromagnetischen Ringen R₁, R₂ oder zwei
Magnetspulen S₁, S₂ mit lediglich einem ferromagnetischen
Ring R₁ verwendet werden. Beide Systeme können durchaus ein
statisches Magnetfeld erzeugen, das im Untersuchungsvolumen
eine Homogenität von achter Ordnung erreicht. Die erstere
Variante mit lediglich einer Spule hat den Vorteil, daß sie
besonders billig herzustellen ist, da der Preis der
Gesamtanordnung im wesentlichen vom Preis der verwendeten
Magnetspule (n) abhängt.
Umgekehrt können bei anderen Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Magnetsystems auch mehr als zwei
Magnetspulen Si und/oder mehr als zwei ferromagnetische
Ringe Ri verwendet werden, was ebenfalls in der Zeichnung
nicht dargestellt ist. Derartige Systeme haben den Vorteil,
daß noch mehr Parameter zur Optimierung der Feldhomogenität
im Untersuchungsvolumen vorhanden sind, so daß damit eine
noch höhere als die achte Ordnung der Homogenität erreicht
werden kann.
Fig. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 einen
Schnitt durch die Mittelebene in einem Quadranten eines
Magnetsystemes für einen Kernspintomographen, wobei in Fig.
3 allerdings ein Magnetsystem nach dem Stand der Technik
dargestellt ist. Es enthält keine ferromagnetischen Ringe Ri
wie die erfindungsgemäßen Magnetsysteme, dafür aber
Magnetspulen Si′, die mit Strömen beschickt werden, deren
Richtung in radialer Abfolge der einzelnen Spulen
alterniert. Bei dem dargestellten Magnetsystem sind die
Ströme durch die Spulen S₁′ und S₃′ jeweils gleichgerichtet,
während die Ströme durch die Spule S₂′ und S₄′ diesen
jeweils entgegengerichtet sind. Dadurch läßt sich zwar
ebenfalls wie bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem im
Untersuchungsvolumen ein Feld hoher Homogenität erzeugen,
jedoch zu Lasten der Magnetfeldstärke, da die Spulen mit
umgekehrten Stromrichtungen sich gegenseitig im Aufbau des
erzeugten Magnetfeldes schwächen. Auf diese Weise wird für
die Erzeugung einer bestimmten Feldstärke im
Untersuchungsvolumen mit resistiven Spulen erheblich mehr
elektrische Leistung verbraucht, als bei den
erfindungsgemäßen Magnetsystemen, bei denen die Magnetspulen
Si bei Betrieb gleichsinnig von Strom durchflossen werden.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Eisenschildes
als Abschirmung 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. 4 zeigt in einem Schnitt durch die Mittelebene eines
Quadranten eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Magnetsystems, die der in Fig. 2 gezeigten sehr ähnlich ist,
wobei hier zusätzlich eine Abschirmung in Form eines
ferromagnetischen Joches J um das Magnetsystem herum
vorgesehen ist.
In Fig. 5 ist räumlich die untere Hälfte des Magnetsystems
nach Fig. 4 gezeigt, wobei die Blickrichtung schräg von oben
auf die horizontale Schnittfläche zwischen den beiden
Systemhälften verläuft. Mit einer derartigen, das gezeigte
Magnetsystem bis auf die axialen Zugangslöcher um die
z-Achse herum vollständig umgebenden Eisenabschirmung können
die magnetischen Streufelder im Außenraum bei Betrieb der
Magnetspulen nahezu bei Null gehalten werden.
Eine etwas geringere Abschirmwirkung hat die
Eisenabschirmung J′ bei der in Fig. 6 in einer räumlichen
Schnittdarstellung gezeigten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Magnetsystems. Dafür ist die Anordnung
aber wesentlich kompakter und behindert den axialen Zugriff
auf das Untersuchungsvolumen sowie den Zugriff schräg von
der Seite nur minimal. Die Abschirmung durch das Eisenjoch
J′ ist bei dieser Ausführungsform besonders eng am
Hauptspulensystem anliegend gestaltet. Zum Größenvergleich
ist in Fig. 6 außerdem ein maßstabsgerechter Operateur neben
dem erfindungsgemäßen Magnetsystem dargestellt.
Fig. 7 gibt einen Schnitt durch die Mittelebene eines
Quadranten der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Magnetsystems wieder. Der Zeichnung kann
wiederum die genaue Dimensionierung dieser Ausführungsform
entnommen werden.
Fig. 8 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 der in Fig. 7 schematisch gezeigten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems
zusammenfällt. Die Seitenlängen der gerechneten Darstellung
entsprechen in der Natur jeweils 0,35 m. Man erkennt in dem
Diagramm von Fig. 8 vier "Strahlenbündel", was ein System
von achter Ordnung in der Feld-Homogenität anzeigt.
Das Diagramm von Fig. 9 enthält denselben Quadranten der
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, wie er
in Fig. 7 dargestellt ist, wobei die Elemente des
Magnetsystems gegenüber der Darstellung in Fig. 7 etwas
verkleinert gezeichnet sind.
Fig. 9 stellt zudem den Verlauf der Magnetfeldlinien bei
Stromdurchfluß durch die Spulen S₁, S₂ in den äußeren
Bereichen des Magnetsystems dar. Inbesondere zeigt sich eine
Konzentration der magnetischen Feldlinien im
ferromagnetischen Ring R₂ und in dem als Abschirmung
wirkenden Eisenjoch J′, die eine entsprechende Konzentration
des magnetischen Flusses durch die genannten Elemente
anzeigt.
Das Diagramm von Fig. 10 enthält wiederum einen Schnitt
durch die Mittelebene in einem Quadranten der in Fig. 7
gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Magnetsystems, wobei die Einzelelemente noch kleiner als in
Fig. 9 dargestellt sind. Zusätzlich ist in Fig. 10 der
Verlauf von Linien gleicher Magnetfeldstärke im Außenraum (=
Streufeld) gezeigt, die sich in dem abschirmenden Eisenjoch
J′ konzentrieren. Die dargestellten Streufeldlinien sind mit
abnehmender Stärke beginnend mit der 5 mT-Linie bis zur
0,5 mT-Linie dargestellt.
Fig. 11 schließlich zeigt in einem schematischen
Vertikalschnitt längs der z-Achse eine komplette
Kernspintomographieanlage, bei der das erfindungsgemäße
scheibenförmige Magnetsystem 1 mit dem Homogenitätsbereich 2
im Untersuchungsvolumen gezeigt ist. Ein liegender Patient 3
ist so positioniert, daß sein Kopf im Zentrum des
Magnetsystems 1 zum Liegen kommt. Die Anlage weist außerdem
ein Gradientensystem und gegebenenfalls eine Abschirmung für
dieses Gradientensystem auf.
Weiterhin erkennt man in der Darstellung von Fig. 11 stehend
einen Operateur 4, der einen bequemen Zugang zu dem
Kopfbereich während der Untersuchung des Patienten 3 hat.
Der Patient 3 ist in bezug auf das bildgebende System
fixiert, so daß eine eindeutige Zuordnung der räumlichen
Position zu den in der Anlage erstellten Tomogrammen möglich
ist.
Im folgenden werden weitere Einzelheiten von möglichen
Ausführungsformen der Erfindung angegeben. Die Ausbildung
des erfindungsgemäßen Magnetsystems für besonders
vorteilhafte Anwendungen läßt eine Reihe von
Gestaltungsmöglichkeiten zu, die unter anderem folgende
Punkte umfassen:
Durch Skalierung lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher
Durchmesserverhältnisse erreichen. Damit kann das
erfindungsgemäße Magnetsystem optimal an konkrete
Randbedingungen angepaßt werden.
Die felderzeugenden und feldbestimmenden Elemente lassen
sich in konischer Weise so ausbilden, daß der freie axiale
Zugang zum Untersuchungsvolumen sowie eine
Zugriffsmöglichkeit schräg zur z-Achse optimiert wird.
Die Magnetspulen Si können entweder resistiv sein oder
supraleitendes Material enthalten. Im letzteren Falle werden
sie zusammen mit den ferromagnetischen Ringen Ri innerhalb
eines Kryostaten untergebracht.
Die Magnetspulen Si können auf Spulenträgern aufgewickelt
sein, in welche die ferromagnetischen Ringe Ri zumindest
teilweise integriert sein können.
In der Eisenabschirmung, die bei den oben beschriebenen
Ausführungsformen durch ferromagnetische Joche J, J′
realisiert ist, kann eine Faradayabschirmung zumindest
teilweise integriert sein.
Die ferromagnetischen Ringe R₁ können Permanentmagnete sein.
Um bei Gradientenschaltungen in der Tomographieanordnung das
Anwerfen elektrischer Wirbelströme zu vermeiden, die in der
Regel starke Verzerrungen des Magnetfelds im
Untersuchungsvolumens zur Folge haben, weisen die
ferromagnetischen Ringe Ri eine möglichst geringe
elektrische Leitfähigkeit auf. Insbesondere können sie
geschlitzt, lamelliert oder aus Pulverwerkstoff gepreßt
sein.
Die ferromagnetischen Ringe Ri sowie die Magnetspulen Si
können je nach Einsatzgebiet die Form von Kreisringen,
elliptischen Ringen oder rechteckigen Ringen aufweisen. Dies
kann beispielsweise beim Anwendungsfall der Mammographie von
Vorteil sein.
Die Feldstärkenabhängigkeit der Homogenität beim
erfindungsgemäßen Magnetsystem kann besonders gering
gehalten werden, so daß Schwankungen der Betriebsstromstärke
keine Auswirkungen auf die Homogenität haben und der Magnet
auch bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken betrieben
werden kann.
Zur Homogenisierung kann ein Shim-System eingesetzt werden,
wobei passives Shimen für das erfindungsgemäße Magnetsystem
besonders geeignet ist.
Die Ausbildung der Flußrückführung kann in unterschiedlicher
Weise durch Vorsehen eines Eisenmantels, beispielsweise in
Form der oben beschriebenen magnetischen Joche J, J′
erfolgen.
Die Tabelle im Anschluß an die Beschreibung zeigt einen
Systemvergleich von berechneten Ausführungsformen des
erfindungsgemäßen Magnetsystems (Magnete 2, 3 und 4
entsprechend Fig. 2, 4 und 7) mit einem Magnetsystem nach
dem Stand der Technik (Magnet 1 entsprechend Fig. 3).
Bei dem herkömmlichen Magneten 1 besteht das Magnetsystem
aus insgesamt vier Teilspulen, von denen zwei mit positivem
und zwei mit relativ dazu negativem Strom bei Betrieb
durchflossen werden. Typischerweise werden mit einem
derartigen bekannten Magnetsystem bei resistiven
Magnetspulen Feldstärken von etwa 0,05 T erreicht.
Bereits der unabgeschirmte Magnet 2 mit dem
erfindungsgemäßen Magnetsystem erreicht demgegenüber bei
vergleichbarem elektrischen Leistungsverbrauch eine
Feldstärke von 0,117 T, wobei der Innendurchmesser di
erheblich größer ist als bei dem bekannten Magneten 1, so
daß sich ein wesentlich besserer Zugang in axialer Richtung
und schräg zur z-Achse auf das Untersuchungsvolumen ergibt.
Das Kupfergewicht bei dem erfindungsgemäßen Magneten 2 ist
gegenüber dem bekannten Magnet 1 nur unwesentlich erhöht.
Bei gleicher erzeugter Feldstärke würde der Magnet 2 nur
etwa 18,2% der Leistung von Magnet 1 benötigen.
Bei Magnet 3 ist gegenüber Magnet 2 ein ferromagnetisches
Joch als Abschirmung vorgesehen, was zu einer weiteren
Erhöhung der erzeugten Magnetfeldstärke bei gleicher
elektrischer Leistung in einem resistiven System führt.
Gegenüber Magnet 1 erzeugt Magnet 3 bei etwa gleicher
elektrischer Leistung ungefähr ein Magnetfeld von
dreieinhalbfacher Feldstärke bzw. bei gleicher erzeugter
Magnetfeldstärke werden von dem Magneten 3 nur etwa 11% der
Leistung des Magneten 1 benötigt.
Der Magnet 4 schließlich ist ähnlich aufgebaut wie Magnet 3,
wobei jedoch die Eisenabschirmung kompakter um die Spulen
und ferromagnetischen Ringe angeordnet ist. Dadurch tritt
eine etwas schlechtere Abschirmwirkung ein und auch das im
Untersuchungsvolumen erzeugte Magnetfeld ist bei gleicher
elektrischer Leistung etwas schwächer. Dafür benötigt das
Magnetsystem mit dem Magneten 4 erheblich weniger Platz.
Eine weitere Magnetkonfiguration mit den erfindungsgemäßen
Vorteilen ergibt sich, wenn die Spule S₁ des Magneten 4
weggelassen und in den Ring R₂ in der Mittelebene ein Spalt
eingeführt wird. Durch den Spalt in dem Ring R₂ entsteht ein
Ringpaar, das symmetrisch um die Mittelebene angeordnet ist.
Das System besteht demnach aus einer magnetisierenden Spule
S₂′ einem Ringpaar und einem inneren Ring R₁. Ein solches
System erzeugt ebenfalls ein homogenes Magnetfeld 8.
Ordnung. Ein zusätzliches Joch schirmt das Magnetfeld ab und führt zu einer höheren Grundfeld.
Ordnung. Ein zusätzliches Joch schirmt das Magnetfeld ab und führt zu einer höheren Grundfeld.
Claims (16)
1. Magnetsystem für einen Kernspintomographen mit minde
stens einer in einer Mittelebene angeordneten felderzeu
genden Magnetspule S₁ mit Radius rS1, das in einem Un
tersuchungsvolumen ein entlang einer zur Mittelebene
senkrechten z-Achse gerichtetes homogenes Magnetfeld er
zeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß
in der Mittelebene konzentrisch zur Magnetspule S₁ min
destens ein ferromagnetischer Ring R₁ mit Radius rR1
vorgesehen ist.
2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens zwei Magnetspulen Si vorgesehen sind, die
im wesentlichen konzentrisch angeordnet und so verschal
tet sind, daß sie im Betrieb von gleichsinnigen Strömen
durchflossen werden.
3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß mindestens zwei ferromagnetische Ringe Ri
mit Radien rRi vorgesehen sind, die in der Mittelebene
im wesentlichen konzentrisch zur Magnetspule S₁ angeord
net sind.
4. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen Si von ei
nem ferromagnetischen Joch (J, J′) umgeben sind.
5. Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Faradayabschirmung vorgesehen ist, die zumin
dest teilweise in das ferromagnetische Joch (J, J′) in
tegriert ist.
6. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen Si resistiv
sind.
7. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetspulen Si supraleitend
sind und sich innerhalb eines Kryostaten befinden.
8. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen Si auf Spu
lenträgern aufgewickelt sind, und daß die ferromagneti
schen Ringe R₁ zumindest teilweise in die Spulenträger
integriert sind.
9. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe
Ri Permanentmagnete sind.
10. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen
Ringe Ri eine möglichst geringe elektrische Leitfähig
keit aufweisen.
11. Magnetsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die ferromagnetischen Ringe Ri geschlitzt,
lamelliert oder aus Pulverwerkstoff gepreßt sind.
12. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe
Ri Kreisringe sind.
13. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe Ri
elliptisch sind.
14. 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.
15. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß in einem Untersuchungsvolu
men mit einem Durchmesser < 0,2 m eine Magnetfeld
homogenität < 10-4 erreicht werden kann.
16. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß es für den Betrieb bei ver
schiedenen Magnetfeldstärken geeignet ist.
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