-
Die
Erfindung betrifft Magnetspulenstrukturen und betrifft insbesondere
Gradientenspulenstrukturen zur Verwendung bei der Kernspintomographie und – spektroskopie
(MRIS).
-
Es
gibt bekannte MRIS-Systeme, die eine Mehrzahl konzentrischer Spulen
umfassen, die um einen Bereich herum angeordnet sind, innerhalb
dessen eine Person positioniert werden kann. Die Spulen umfassen
eine äußerste Gs-Spule,
die zum Bereitstellen eines starken, gleichbleibenden Magnetfeldes
verwendet wird, eine innere Funkfrequenzspulenanordnung, die konzentrisch
innerhalb der Gs-Spule angeordnet ist, und eine Gradientenspulenanordnung,
die sich zwischen der innere Funkfrequenzspule und der äußeren Gs-Spule
befindet. Die Gradientenspulenanordnung kann ein sich mit der Zeit
veränderndes
Magnetfeld erzeugen, was dazu führt,
dass sich die Ansprechfrequenz und -phase der Zellkerne des Patienten
von deren Lage innerhalb des Magnetfeldes abhängt.
-
Es
sind Anordnungen dieses Typs bekannt, bei welchen die Spulen zylindrisch
sind. Die Gradientenspulenanordnungen gestehen gewöhnlich aus
einer Gruppe von drei Spulen, die als X-, Y- und Z-Gradientenspulen
bezeichnet werden. Ein unabgeschirmter Gradient kann ausgebildet
werden, indem ein Leitermuster auf die Oberfläche eines Zylinders gewickelt
wird. Gewöhnlich
ist jedoch jede der Gradientenspulen mit einem anderen Leitermuster
abgeschirmt, das auf einen weiteren Zylinder gewickelt sind, welcher
die Gradientenspulen umgibt.
-
In
jüngster
Zeit wurden alternative Geometrien entwickelt. In einer solchen
Anordnung umfasst der Magnet zwei im Wesentlichen gesonderte Anordnungen,
die durch einen Zwischenraum getrennt sind. Zwischen diesen Anordnungen
wird das entscheidende Magnetfeld erzeugt, und dieser Typ der Konfiguration
wird allgemein als Querfeldmagnet bezeichnet. Das Magnetfeld kann
mit einem Dauermagneten, einem Widerstandselektromagneten oder einem
supraleitenden Magneten erzeugt werden. Die abzubildende Person
wird zwischen die Magnetanordnungen gebracht. Bei solchen Anordnungen
ist eine zylindrische Gradientenspulenkonfiguration nicht mehr geeignet.
Eine typische Geometrie einer solchen Gradientenspule umfasst zwei
im Allgemeinen planare Scheiben, die über und unter der abzubildenden
Person angeordnet sind. Die Scheiben können wahlweise zusätzliche
Abschirmwicklungen enthalten.
-
Abschirmspulen
für die
MRIS in Querfeldkonfigurationen lassen sich im Allgemeinen unabhängig von
den Hauptspulen konstruieren, welche das homogene Magnetfeld erzeugen. 1 zeigt einen Querschnitt einer biplanaren
Gradientenspule mit einer bekannten Konfiguration, bei welcher die Abschirmspulen 10 an
einem einzigen Klemmenpaar in Reihe mit den Hauptspulen 11 verbunden
sind. 1b zeigt das Wicklungsmuster
für die
Hauptgradientenspule X und die Abschirmspule der biplanaren Gradientenspule,
wobei in jedem Fall eine von vier Wicklungen gezeigt ist. Mit dieser
Konfiguraton werden gute Abschirmeigenschaften erzeugt, insbesondere
wenn die Abschirmspule einen größeren Durchmesser
als die Hauptspule aufweist. Die Anordnung führt jedoch zu einer Anord nung
mit sehr großem
Durchmesser. Die Drehungen am Umfang der Hauptspule und der Abschirmspule
löschen
einander im Wesentlichen magnetisch aus, sind jedoch bezüglich Induktivität und Widerstand
kostspielig; deshalb ist die ganze Anordnung verhältnismäßig ineffektiv.
-
Es
wurde vorgeschlagen, die äußeren Teile einer
solchen Spulenkonfiguration abzuschneiden, indem in der Praxis die
Wicklungen von jedem über einen
bestimmten Radius hinaus ausgesondert werden und viele der dadurch
ausgebildeten Teildrehungen an der Hauptspule mit den Teildrehungen
der Abschirmspule verbunden werden. Ebenso wurde vorgeschlagen,
die Hauptspule planar und die Abschirmspulen bei Betrachtung von
dem Bildgebungsbereich aus im Wesentlichen konkav oder im Wesentlichen
konisch zu gestalten. Dieser Typ einer bekannten Anordnung ist in
2a der
Zeichnungen dargestellt, in welcher die planaren Hauptspulen bei
14 und
die konischen Abschirmspulen bei
15 gezeigt sind.
2b zeigt
die Wicklungsmuster der Hauptgradientenspule und der konischen Abschirmspule, wobei
für jede
Spule eine von vier Wicklungen gezeigt ist. Anordnungen dieses Typs
sind in
US 5939882 ,
US 6448774 , WO 02/27345
(die eine Gradientenspulenstruktur gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 zeigt) und WO 02/27346 beschrieben. Eine weitere bisherige Anordnung
ist in EP-A-0580324 beschrieben.
-
Dieser
Typ der Konfiguration führt
zu einer sehr kompakten Spule. Sie enthält jedoch einen Konstruktionskompromiss.
Da sich die Abschirmspule nicht mehr über die Hauptspule hinaus erstreckt,
vermindert sich ihre Wirksamkeit, und es können größere Streufelder entstehen.
Dadurch können
Wirbelströme
in leitende Teile des Magneten eingebracht werden. Solche Wirbelströme können zusätzliche und
schädliche,
sich mit der Zeit verändernde
Magnetfelder in dem Bildgebungsbereich erzeugen. Wenn das Hauptmagnetfeld
von einer supraleitenden Spule erzeugt wird, dann können die
Wirbelströme
weiterhin auch eine Zerstreuung in der Tieftemperaturstruktur des
Magneten erzeugen und dadurch dessen Tieftemperaturleistung verschlechtern.
-
Um
diese Probleme zu vermindern, wurde die vorliegende Erfindung entwickelt.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Gradientenspulenstruktur zur Verwendung in einer MRI-Vorrichtung von dem
Typ geschaffen, der zwei derartige, in einer zugewandten Beziehung
auf gegenüberliegenden
Seiten eines Bildgebungsvolumens angeordnete Strukturen verwendet,
wobei die Struktur eine Haupgradientenspule und eine Gradientenabschirmspule
umfasst, wobei beide Spulen einen zentralen Spulenabschnitt und
einen peripheren Spulenabschnitt aufweisen, wobei der zentrale Spulenabschnitt
der Gradientenabschirmspule von dem zentralen Spulenabschnitt der
Hauptgradientenspule relativ zu dem Bildgebungsvolumen nach außen angeordnet
ist, wobei die Spulen derart konfiguriert sind, dass die peripheren
Spulenabschnitte miteinander im Wesentlichen zusammenfallen, wobei
die Gradientenspulenstruktur dadurch gekennzeichnet ist, dass in
einem Querschnitt durch die Mitte des Bildgebungsvolumens die peripheren
Spulenabschnitte gerade sind und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen,
wobei die peripheren Spulenabschnitte unter einem Winkel bezüglich des
zentralen Spulenabschnitts der Hauptgradientenspule derart verlaufen, dass
die Hauptgradientenspule von dem Bildgebungsvolumen aus konkav erscheint.
-
Die
Abschirmspule kann im Wesentlichen konisch sein. Das zentrale Gebiet
der Hauptspule kann planar sein, und der Winkel zwischen dem übereinstimmenden
Gebiet und dem zentralen Gebiet der Hauptspule kann stumpf sein.
-
Mit
Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung
wird für
eine verbesserte Abschirmleistung gesorgt. Auf Grund der fast übereinstimmenden
Ströme
an der Haupt- und der Abschirmspule werden im Allgemeinen im Übereinstimmungsbereich
auswechselbar, und der Strom kann wieder zwischen den Spulen zugeordnet
werden, um die Bedingungen für die
Herstellung zu erfüllen.
-
Die
Erfindung wird nunmehr nur beispielhaft besonders an Hand der anliegenden
Zeichnungen beschrieben.
-
In
den Zeichnungen ist:
-
1a eine
Querschnittsansicht einer bekannten planaren Gradientenspulenanordnung;
-
1b eine
Draufsicht, welche die Wicklungsmuster der Haupt- und der Abschirmspule
gemäß 1a zeigt;
-
2a eine
Querschnittsansicht einer anderen bekannten Gradientenspulenanordnung;
-
2b eine
auf eine Ebene projizierte Ansicht, welche die Wicklungsmuster der
Haupt- und der Abschirmspule gemäß 2a zeigt;
-
3a eine
Querschnittsansicht einer Gradientenspulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
3b eine
auf eine Ebene projizierte Ansicht, welche die Wicklungsmuster der
Haupt- und der Abschirmspule gemäß 3a zeigt;
und
-
4a eine schematische Ansicht, welche ein
MRIS-System mit einer Gradientenspulenanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung darin zeigt.
-
In 3a umfasst
eine Gradientenspulenanordnung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Hauptspule 20 und eine
Abschirmspule 21. Es ist zu erkennen, dass 3a faktisch
zwei Gradientenspulenanordnungen zeigt, eine über und eine unter dem Bildgebungsbereich 22.
Die Hauptspule 20 weist einen planaren Zentralgebiet 24 und
einen konisch verlaufenden äußeren Bereich 25 auf.
Die Gradientenspule ist im Wesentlichen konisch und stimmt in ihrem äußeren Bereich
im Wesentlichen mit dem konischen Bereich 25 der Hauptspule überein.
In 3b sind die Wicklungsmuster für die Hauptgradientenspule
und die Abschirmspule gezeigt, wobei für jede Spule eine von vier
Wicklungen gezeigt ist.
-
Mithin
ist zu sehen, dass die Abschirmspule und die Hauptspule effektiv
gemeinsam von der planaren Vorderseite 24 der Hauptspule
nach vorn erstreckt sind und stimmen in diesem Bereich im Wesentlichen übereinstimmen.
Zum Abschirmen muss etwas Nettostrom in dem Erstreckungsbereich 25 fließen. Auf
Grund der Fast-Übereinstimmung
werden die Rollen der Abschirmspule und die Hauptspule in dem erstreckten
Bereich effektiv auswechselbar, und der Strom kann wieder zwischen
den Spulen zugeordnet werden, um die Bedingungen für die Herstellung
zu erfüllen.
-
Die
Haupt- und die Abschirmspule sind derart konstruiert, dass sich
ihre jeweiligen Leiter an den Rändern
des Erstreckungsbereiches treffen, wo sie in geeigneter Weise verbunden
werden können.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Hauptspule bei Betrachtung von
dem Bildgebungsbereich aus konkav ist und die Abschirmspule ebenfalls,
jedoch in einem höheren
Maße,
konkav ist.
-
Es
wurde festgestellt, dass die Konfiguration gemäß 3,
beispielsweise relativ zu der den Stand der Technik zeigenden Anordnung
gemäß 2 ähnliche
Felder in dem Bildgebungsbereich erzeugt, jedoch eine wesentlich
verbesserte Abschirmwirkung aufweist. Die Streufelder werden bis
zu einem Faktor 2 vermindert, was zu einer ungefähr vierfachen Abnahme in dem
Beitrag zu Wärmebelastung bei
Tieftemperatur führt.
Ebenso vermindert sich wahrscheinlich die Bildverschlechterung auf
Grund von Wirbelströmen
wesentlich.
-
Die
in 3 der Zeichnungen gezeigte Anordnung
dient dem speziellen Fall einer Gradientenanordnung X und ihrer
zugeordneten konischen Abschirmspule. Der Fachmann wird erkennen,
dass eine Gradientenanordnung Y eine ähnliche Konstruktion aufwiese,
jedoch um 90° um
die Axis des Konus gedreht wäre.
Es ist auch zu erkennen, dass eine Gradientenspulenanordnung Z mit
Hilfe ähnlicher Prinzipen
konstruiert werden kann, in diesem Fall jedoch die Leiter im Wesentlichen
kreisförmig
und koaxial mit dem Konus sind.
-
4 der
Zeichnungen stellt dar, wie die Gradientenspulenanordnung X gemäß 3 in eine MRIS-Vorrichtung eingebaut werden kann. In 4 sind
die obere und die untere Magnetanordnung einer MRIS- Vorrichtung bei 30 und 31 mit
dazwischen verlaufenden Abstützungen 32 gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass in den Anordnungen 30 Spulen untergebracht
sind, welche das im Wesentlichen homogene Magnetfeld, das für die MRIS
erforderlich ist, zusammen mit den Funkfrequenzfeldern erzeugen. Jede
Magnetanordnung 30, 31 weist eine konisch geformte
Ausnehmung 34 auf, in der eine Gradientenspulenanordnung 35 des
an Hand von 3 beschriebenen Typs untergebracht
ist.