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Die
Erfindung bezieht sich auf eine im Wesentlichen donut-förmige supraleitende
Magnetanordnung für
einen Magnetresonanzbildgebungsmagneten in offener Architektur.
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Wie
es wohlbekannt ist, kann ein supraleitender Magnet supraleitend
gemacht werden, indem er in einer extrem kalten Umgebung angeordnet
wird, z.B. indem er in einem Kryostaten oder einem Druckgefäß eingeschlossen
wird, das flüssiges
Helium oder ein anderes Kryogen enthält. Die extreme Kälte stellt
sicher, dass die Magnetspulen supraleitend gemacht werden können, so
dass aufgrund des Fehlens des Widerstandes ein Strom weiter durch
die Spulen fließt,
nachdem eine Energiequelle entfernt worden ist, wenn die Energiequelle
zu Beginn (für eine
relativ kurze Zeitdauer) an die Magnetspulen angeschlossen wird,
wodurch ein starkes Magnetfeld aufrecht erhalten wird. Supraleitende
Magneten finden breite Anwendungsgebiete in dem Bereich der Magnetresonanzbildgebung
(hierin im Folgenden als MRI bezeichnet).
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Ein
anderes Problem, auf das konventionelle und frühe MRI-Geräte gestoßen sind, besteht darin, dass
sie Spulenmagneten verwenden, die in zylindrischen Strukturen mit
einer zentralen Öffnung
als Zugang für
einen Patienten eingeschlossen sind. In einer solchen Anordnung
ist der Patient jedoch praktisch in der warmen Öffnung bzw. dem Patiententunnel
eingeschlossen, was bei einigen Patienten Klaustrophobie hervor rufen
kann. Das Wünschenswerte eines
Magneten in offener Architektur, in dem der Patient nicht notwendigerweise
vollständig
eingeschlossen ist, ist seit langem bekannt. Leider wirft eine offene
Architektur eine Anzahl technischer Probleme und Herausforderungen
auf.
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Ein
Magnettyp in offener Architektur verwendet ein geteiltes Dewargefäß oder geteilte
Flüssigheliumgefäße, wobei
das untere Heliumgefäß und das obere
Heliumgefäß an einem
Ende der Gefäße durch eine
oder mehrere Halterungen verbunden sind, siehe z.B. EP-A-0940687.
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Solche
supraleitenden Magneten in offener Architektur können Eisenringe verwenden oder
erfordern, um das Magnetfeld zu formen und zu begrenzen. Die Feldstärke solcher
Magneten beeinträchtigt den
Rauschabstand und die Bildqualität.
Supraleitende Magneten in offener Architektur erzeugen im Vergleich
zu konventionelleren zylindrischen Magneten jedoch eine allgemein
niedrige Feldstärke.
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Probleme,
die als ein Ergebnis der Einbeziehung von Eisenringen auftreten,
enthalten die Wechselwirkung des starken Magnetfeldes der supraleitenden
Magnetspule mit den Eisenringen. Zusätzlich stellen die unterschiedliche
Wärmeexpansion
und -kontraktion des Eisenrings und der magnetischen Komponenten
bei den Temperaturzyklen von über 400°F, die beim
Hochfahren des Magneten in den supraleitenden Betrieb oder dem Erwärmen nach
einer Unterbrechung des supraleitenden Betriebs auftreten, Schwierigkeiten
bei der Ausführung
eines geeigneten Magnetaufbaus dar. Weiterhin muss die Magnetanordnung
einen genauen Abstand zwischen dem Eisenring und den Magnetspulen
herstellen und einhalten.
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Es
ist auch in hohem Maße
wünschenswert, den
Patientenraum zwischen den supraleitenden Magnetspulen am nächsten an
dem Bildgebungsbereich zu maximieren, während gleichzeitig eine ausreichende
Halterung für
die Magnetspulen geschaffen wird.
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Demnach
zeigen sich Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung der Bildqualität und bei
der Erhaltung einer genauen Halterung der magnetischen Komponenten
und einer festen relativen Positionierung in Gegenwart von solchen
harten und gegensätzlichen
Umgebungs- und Betriebserfordernissen.
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Folglich
besteht ein besonderer Bedarf an einer Magnetanordnung für einen
supraleitenden Magneten in offener Architektur, um die zuvor genannten Probleme
zu überwinden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird eine im Wesentlichen donut-förmige supraleitende
Magnetanordnung geschaffen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Eine Magnetanordnung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist aus US-A-5
883 558 bekannt.
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Die
Spulenformen können
aus gewickeltem und bearbeitetem glasfaserverstärkten Kunststoff bzw. FRP mit
einem von den Spulen, die auf sie gewickelt sind, entfernten Kranz
bestehen, wobei sich Schrauben bzw. Stifte durch den Kranz hindurch
erstrecken.
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Die
Spulenformen können
eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Zunge auf dem Umfang neben
dem ferromagnetischen Ring enthalten, die mit Umfangsnuten auf den
jeweiligen Sei tenflächen des
Rings zusammenpassen, um die Spulen auf dem Ring in einer vorbestimmten
axialen Position relativ zu jeder einzelnen Spule axial zu positionieren
und um eine axiale Bewegung der Spulenformen und der Spulen zu verhindern,
wenn sie an dem Ring befestigt sind.
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Die
Cartridge kann durch radiale innere Schlitze entlang des Innenumfangs
des Gehäuses innerhalb
des Gehäuses
befestigt sein.
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In
dem Kryogengefäß kann um
die Magnetcartridge herum ein flüssiges
Kryogen vorhanden sein.
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Mehrere
Haltestifte, die um den äußeren Rand
des ferromagnetischen Rings herum beabstandet angeordnet sind, können mit Öffnungen
in dem Rand der äußeren Spulenform
zusammenpassen, um die Magnetanordnung während des Transports derselben
zu haltern.
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Das
Gehäuse
kann aus Aluminium bestehen, und die mit Gewinde versehenen Stifte
können aus
rostfreiem Stahl sein, wodurch die Stifte den starken magnetischen
Kräften
widerstehen, die dazu neigen, die Verbindungen zwischen dem Ring
und den Spulenformen zu öffnen.
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Ein
Gehäuse
kann die Magnetanordnung umschließen, und das Gehäuse kann
innere Nuten aufweisen, in denen die äußeren Enden der Spulenformen
der Magnetanordnung angeordnet und befestigt sind.
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Wenigstens
eines der Umfangsenden des Gehäuses
kann lösbar
sein, um ein Einsetzen der Magnetanordnung zur Bildung einer Magnetcartridge zum
Einsetzen in das Kryogendruckgefäß des supraleitenden
Magneten zu ermöglichen.
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Die
Enden der radialen Stifte können
mit Gewinde versehen sein, und Sicherungsmuttern können mit
den mit Gewinde versehenen Enden zusammenwirken, um die Spulenformen
und den Eisenring aneinander zu befestigen.
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In
dem Gehäuse
können
periphere Stifte vorhanden sein, um die Magnetanordnung innerhalb des
Gehäuses
zu haltern.
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Die
zweite Spulenform kann aus FRP bestehen und eine Spulentasche mit
offenem Ende mit einem Flansch aus rostfreiem Stahl aufweisen, der
das offene Ende schließt,
um den offenen Patientenraum zwischen den Magnetspulen zu maximieren.
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Zwischen
der zweiten Spule und dem Flansch aus rostfreiem Stahl kann ein
Isolator angeordnet sein.
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Mehrere
Schrauben können
sich durch den Isolator hindurch zu dem Flansch aus rostfreiem Stahl
erstrecken und diesen befestigen.
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Die
Erfindung wird nun im Wege eines Beispiels unter Bezug auf die Zeichnungen
genauer beschrieben:
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1 zeigt
eine vereinfachte seitliche Querschnittsansicht eines supraleitenden
Magneten, der die vorliegende Erfindung beinhaltet.
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2 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
eines Ausschnitts aus 1, die Details zeigt, die zur
Erklärung
der Erfindung nützlich
sind.
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3 zeigt
eine vergrößerte detaillierte
Ansicht einer der Magnetspulenformen aus der 1 und 2.
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Unter
Bezug auf die 1 und 2: Ein supraleitender
Magnet 10 in offener Architektur enthält beabstandete parallele Poleelemente 12 und 13, die
am an einem Ende durch ein Paar nicht magnetischer Verbindungselemente
oder Pfosten 14 getrennt und gehaltert sind. Die Polelemente 12 und 13 bestehen
aus einem ferromagnetischen Material, wie z.B. Eisen. Die Polflächen 16 sind
so geformt 18, dass sie die Homogenität des Magnetfeldes innerhalb
eines Bildgebungsbereiches 20 entlang der Achse 22 des
supraleitenden Magneten verbessern. Stützen 24 befestigen
den Magneten 10 am Untergrund bzw. Fußboden 26.
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Das
Hauptmagnetfeld B0, das allgemein durch
einen Pfeil 28 innerhalb des Bildgebungsbereiches 20 bezeichnet
ist, wird durch Magnetspulen 29 und 30 in Heliumgefäßen 32 und 33 erzeugt.
Die beabstandeten Heliumgefäße 32 und 33 sind
zylindrische Elemente, die zu dem Bildgebungsbereich 20 hin
ein offenes Ende 31 aufweisen. Eine Magnetfeldabgleich-
bzw. Shimmingvorrichtung, wie z.B. (nicht gezeigte) Korrekturspulen
in den Kryogengefäßen 32 und 33 und
passive Ausgleichsscheiben in externen Abgleichvorrichtungen, die
allgemein mit 36 bezeichnet sind, gleichen Inhomogenitäten des
Magnetfeldes in dem Bildgebungsbereich 20 auf die in der Fachwelt
wohlbekannte Weise aus. Ein Recondenser 34 und ein zugehöriger mechani schen
Kryokühler 35 (der
ein zweistufiger Giffort-McMahon-Kryokühler sein
kann) kondensiert das Heliumgas, das bei dem supraleitenden Betrieb
entsteht, wieder zurück
in flüssiges
Helium. Das wieder kondensierte flüssige Helium strömt von dem
Recondenser 34 durch Schwerkraft in das obere Heliumgefäß 32.
Ein vertikales Überführungsrohr 37 verbindet
die Heliumgefäße 32 und 33 und
ermöglicht
die Gravitationsströmung
von Helium von dem oberen Heliumgefäß 32 zu dem unteren
Heliumgefäß 33.
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Wie
es am besten in 2 gezeigt ist, sind die supraleitenden
Magnetspulen 29 und 30 zu einer Magnetanordnung 33 montiert,
wobei ein kalter Eisenring 40 zwischen den Spulen angeordnet
ist. Die Spulen 29 und 30 sind jeweils auf Spulenträgern 44 bzw. 42 aus
einem Glasfaser-Epoxid-Verbundwerkstoff in Taschen 46 bzw. 48,
die für
die Spulen eingearbeitet worden sind, gehaltert. Die Tasche 46 ist L-förmig und
mit einem offenen Ende versehen und liegt an einer mit einem offenen
Ende versehenen rechteckigen Tasche 50 an, die in das Endelement 52 eingearbeitet
ist, und ist mit einem dünnen
Flansch 54 aus rostfreiem Stahl montiert, um die Tasche
zu vervollständigen.
Der Flansch 54 ist mechanisch an dem Spulenträger 44 befestigt,
um die Magnetspule 29 vor der Montage der Magnetanordnung 33 an
der Stelle zu halten.
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Bei
einem Magneten in offener Architektur, wie er z.B. in 1 gezeigt
ist, lässt
die Anordnung der Magnetspule 29 zur Erzeugung der notwendigen Magnetfeldstärke und
-qualität
für eine
MRI-Bildgebung weniger vertikalen Raum, der zwischen der Spule und
dem Bildgebungsbereich 20 verfügbar ist, als es erwünscht ist,
weil ein Ziel darin besteht, für den
Komfort des Patienten so viel vertikalen offenen Raum wie möglich zu erhalten.
Es ist jedoch wichtig, dass der Spulenträger 44 sowohl axialen
als auch radialen Halt bietet, um jede Bewegung der Leiter der Magnetspule 29 zu
vermeiden, die zu einer schlechten Qualität der Bildgebung oder sogar
zu einem Quench oder einer Unterbrechung des supraleitenden Betriebs
des supraleitenden Magneten 10 führen könnte. Ein Quench kann zu erheblichen
Kosten und einer erheblichen Stillstandzeit der MRI-Geräte führen, bevor
der supraleitende Magnet 10 wieder mit flüssigem Helium
gefüllt
und der Magnet in den supraleitenden Betrieb hochgefahren werden
kann.
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Demnach
wird es wichtig, eine Spulenformanordnung zu schaffen, die eine
richtige Wicklung und Positionierung der Magnetspule am nächsten an dem
Bildgebungsbereich 20 ermöglicht, und die in Gegenwart
der starken Magnetfelder, die während des
supraleitenden Betriebs erzeugt werden, auch eine gute radiale und
axiale Spulenhalterung schafft.
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3 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
der Anordnung 45 der Magnetspulen 29. Unter Bezug
auf 3: Eine FRP-Spulenform 44 enthält eine
offene Spulentasche 46 für die Magnetspule, wobei die
Spulentasche in die Spulenform eingearbeitet ist. Vor dem Wickeln
der Spulen 29 wird das offene Ende der Spulentasche 46 durch
eine isolierende Schicht 47 und einen Flansch 54 aus
rostfreiem Stahl geschlossen, der einen vertikalen Randabschnitt 55 zur
Anordnung an der Spulenform 44 enthält. Mehrere Befestigungsschrauben 61 um
den Rand der Spulenform 44 herum befestigen die isolierende
Schicht 47 und den Flansch 54 aus rostfreiem Stahl
an der Spulenform. Der rostfreie Stahlflansch 54 ist viel
stärker und
steifer als es für
ein FRP-Gegenstück
erforderlich ist. Als Ergebnis ist eine viel geringere Dicke erforderlich,
wodurch ein vergrößer ter Patientenraum zwischen
der Spule 29 und dem Bildgebungsbereich 20 geschaffen
wird.
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Wenn
es erwünscht
ist, kann ein dickerer Verstärkungsring 59 als
Halterung in der Wicklung der Magnetspule 29 auf der Spulenform 44 verwendet
werden, nach der er entfernt werden kann.
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Die
Magnetanordnung 33 enthält
weiterhin mehrere mit Gewinde versehene Stifte 58 (siehe 2)
aus rostfreiem Stahl, die sich durch Öffnungen 60 in dem
Eisenring 40 hindurch erstrecken und mit Öffnungen 62 und 64 in
den Spulenträgern 42 und 44 zusammenpassen,
wobei die Enden 58 jedes Stiftes jeweils in zylindrischen
Nuten 69 und 71 angeordnet sind. Die Enden 58 der
Stifte 60 sind durch Muttern 68 gesichert. Eine
Anzahl von 16 Kombinationen aus Stiften oder Sicherungsstangen 58 und Muttern 68 sind
um den Eisenring 40 herum gleichmäßig beabstandet, um die Spulen 29 und 30 fest und
sicher um den Eisenring 40 herum anzuordnen und zu befestigen.
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Die
Umfangspositionierungsnuten 80 und 92 jeweils
um den Außenumfang
bzw. den Innenumfang des ferromagnetischen Eisenrings 40 herum
schaffen eine feststehende Positionierung und Halterung für die Spulenformen 42 und 44 durch
Zungen oder umlaufende passende Fortsätze 98 und 90,
die sich von den Spulenformen in die Positionierungsnuten hinein
erstrecken.
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Acht
Haltestifte 95, die an dem Endflansch 91 gleichmäßig beabstandet
um den Umfang herum angeordnet sind, passen mit Öffnungen 97 in der Spulenform 42 entlang
des von dem Bildgebungsbereich 20 entfernten äußeren Endes
zusammen. Die Stifte 95 halten die Magnetanordnung 33,
wenn der supraleitende Magnet 10 nicht mit Energie beaufschlagt
ist und während
des Transports des Magneten. Die Anordnung 33 sitzt in
einer rechteckigen Tasche 50 in einem Aluminiumendflansch 52 am
nächsten
zu der Achse 22 (siehe 1). Der
Endflansch 52 ist dicker als es für die Druckgrenze erforderlich ist.
Eine unterschiedliche Kontraktion zwischen der Anordnung 33 und
den Endflanschen 52 und 91 beansprucht die Anordnung
einschließlich
der Spulen 29 und 30 in der Radialrichtung.
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Die
Magnetanordnung 33 ist innerhalb eines Aluminiumgehäuses angeordnet,
das die Endflanschringe 91 und 52 um die Enden
herum und unterlegscheibenförmigen
Seiten 102 und 104 enthält. Die vollständige Anordnung
ist eine Cartridge 100, in dem die Magnetkomponenten genau
und fest positioniert sind und das ihre Positionierung in Gegenwart starker
Magnetfelder während
des supraleitenden Betriebs und der starken, auf den Eisenring 40 ausgeübten Kräfte radial
und axial aufrecht erhält.
Ein flüssiges
Kryogen, wie z.B. flüssiges
Helium 106, erzeugt kryogenische Temperaturen für einen
supraleitenden Betrieb des supraleitenden Magneten 10.
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Eine
zylindrische donutförmige
Magnetcartridgeanordnung 100 kann folglich montiert werden, bevor
sie in einen durch ein Kryogendruckgefäß 70 (siehe 1)
gebildeten Holraum eingesetzt wird, das aus Baualuminium von hoher
Festigkeit hergestellt ist. Die Cartridge 33 enthält die supraleitenden Magnetspulen 29 und 30,
die in den Spulenträgern 42 und 44 gehaltert
sind. Die Spulenträger 42 und 44 sind
ihrerseits durch die Stifte 58 und die Schrauben 68 auf
den gegenüberliegenden
Seiten des Eisenrings 40 befestigt.
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Die
rostfreien Stahlschrauben 68 halten an den Verbindungen 74 und 76 jeweils
die Kompression zwischen dem Eisenring 40 und den zugehörigen Spulenanordnungen 42, 30 sowie 44, 29 aufrecht. Das
Aufrechterhalten der Kompression der Verbindung verhindert eine
Trennung der Verbindung 74 und 76 während eines
Warmtransportes des supraleitenden Magneten 10. Wenn der
supraleitende Magnet 10 während der Perioden des supraleitenden Betriebs
abkühlt,
führt die
Differenz der Wärmekontraktion
zwischen dem Eisenring 40 und den rostfreien Stahlstiften
und Muttern 62, 68 zu einer ausreichenden Druckkraft,
um eine Trennung an den Verbindungen 74, 76 auszuschließen. Die
Verwendung von Sicherungsmuttern für die Muttern 68 verhindert ein
Lösen der
Anordnung 33. Das flüssige
Helium 102 zwischen der Cartridge 100 und dem
Kryogen- oder Heliumdruckgefäß 10 erzeugt
eine kryogenische Kühlung.
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Die
Kombinationen 90, 92 sowie 98, 80 aus Zunge
und Nut schaffen eine radiale Anordnung und Ausrichtung von Spule
zu Spule. Wenn die Anordnung 33 während des Hochfahrens des supraleitenden
Magneten 10 in den supraleitenden Betrieb abkühlt, erzeugt
die unterschiedliche Kontraktion zwischen dem Eisenring 40 und
den Spulenformen 42 und 44 jeweils eine Selbstausrichtung
der Zungen 98 und 90 in den Nuten 80 und 92.
Eine axiale Positionierung der supraleitenden Magnetspulen 29 und 30 wird
durch eine Maßkontrolle
der Magnetkomponenten zu einem gemeinsamen Bezugspunkt an dem Endflansch 91 der äußeren Spule 30 erreicht,
wodurch die Möglichkeit
einer Abmaßsummierung
verhindert wird.
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Die
Magnetanordnung 33 vereinfacht demnach die Montage der
magnetischen Komponenten in eine Magnetcartridge 100 und
positioniert auch die magnetischen Komponenten während des Transports und während des
Hochfahrens oder Abkühlens auf
supraleitende Temperaturen zur Aufnahme des supraleitenden Betriebs
und während
des anschließenden
Aufwärmens
auf Umgebungstemperatur nach der Unterbrechung der supraleitenden
Betriebstemperatur genau, die Änderungen
und Temperaturzyklen von über
400°F erzeugen,
und hält
die Position der magnetischen Komponenten aufrecht. Die großen Temperaturschwankungen üben in Folge
der unterschiedlichen Expansion und Kontraktion der verschiedenen
Materialien der Cartridge 100 in Abhängigkeit von Temperaturänderungen
erhebliche Drücke
aus. Die Magnetanordnung 33 und die Magnetcartridge 100 erzeugen
auch Festigkeit und Steifigkeit während des Transports des Magneten,
ob von der Fabrik zu dem Ort seines Einbaus oder zwischen verschiedenen
MRI-Testorten oder medizinischen Kliniken im Falle eines mobilen
MRI, das von mehreren medizinischen Einrichtung gemeinsam genutzt
wird.
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Die
vorgegebene und konsistente Ausrichtung der magnetischen Komponenten,
der Spulen 29 und 30 und des Eisenrings 40,
trägt bei
der MRI-Bildgebung erheblich zur Abbildungsqualität in dem
Bildgebungsbereich 20 bei und trägt auch zur Einhaltung der
Positionierung der magnetischen Komponenten beim Transport des supraleitenden
Magneten 10 bei. Die Magnetanordnung 33 widersteht
auch den Wirkungen der magnetischen Kräfte und Wechselwirkungen zwischen
den supraleitenden Magnetspulen 29 und 30 und
im Eisenring 40.
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In
einem supraleitenden Magneten, in dem zwei supraleitende Magnetspulen 29 und 30 durch
einen Eisenring getrennt sind, sind die Kräfte von den Magnetspulen nach
außen
von dem Eisenring 40 weg gerichtet. Die Netto-Auswärtskraft
auf das Heliumgefäß 70 wird
auf die Magnetaufhängungsanordnung 33 ü bertragen,
und die Wechselwirkung zwischen den Magnetspulen und dem Eisenring
neigt zum Öffnen
der Verbindungen 74 und 76 zwischen dem Eisenring
und den Magnetspulen. Die starke zwangsläufige Positionierung, sowohl
radial als auch axial, die durch die Magnetanordnung 33 und
die Magnetcartridge 100 erzeugt wird, widersteht jedoch
einem solchen Öffnen
oder einer solchen Bewegung, die anderenfalls die Qualität der MRI-Bildgebung in dem
Bildgebungsvolumen 20 verschlechtern würde.