DE69019408T2

DE69019408T2 - Verfahren und Apparat zur Verminderung von Basisfeldveränderungen in einem magnetischen Resonanzgerät, verursacht durch gepulste magnetische Feldgradienten.

Info

Publication number: DE69019408T2
Application number: DE69019408T
Authority: DE
Inventors: Heinz Egloff
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Inc
Priority date: 1989-03-30
Filing date: 1990-03-19
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2010-03-20
Also published as: EP0389911A2; EP0389911A3; DE69019408D1; EP0389911B1; CA2008555A1; US4920316A; JPH03202049A; JP2854374B2; CA2008555C

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Anwendungsbereich der Erfindung

Die Erfindung betrifft magnetische Resonanz- (magnetic resonance - MR)-Geräte, wie beispielsweise Kernspin-Bildwiedergabesysteme und Spektrometer, und insbesondere ein Verfahren und einen Apparat zur weitgehenden Verringerung von Störungen bzw. Verzerrungen der in diesen Geräten erzeugten gepulsten Magnetfeldgradienten.

2. Beschreibung des Standes der Technik

MR-Systeme basieren auf dem Phänomen der kernmagnetischen bzw. Kernspin-Resonanz (nuclear magnetic resonance - NMR). Wird ein Objekt in ein Magnetfeld gelegt, so veranlaßt das Feld die Spinvektoren bestimmter Typen von Kernen (z.B. ¹H, ¹³C, ³¹P und ²³Na), sich bezüglich des angelegten Feldes einzustellen. Wenn die Kernspinvektoren mit der richtigen Energiemenge versorgt werden, stellen sie sich im Feld neu ein und emittieren oder absorbieren in dem Prozeß Energie. Die zur Störung der Kernspinvektoren erforderliche Energie liegt im Hochfrequenzbereich, und die spezifische Frequenz hängt von der Stärke des Magnetfeldes ab, das auf die Kerne wirkt. Bei MR-Geräten, die keine elektrische Steuerung der räumlichen Positionierung der angelegten Magnetfelder aufweisen, wird die Probe in ein großes, statisches magnetisches Gleichfeld gelegt. Die Probe wird durch einen hochfrequenten Energieimpuls gestört, und die Frequenzanwortsignale der Störung werden aufgezeichnet. Ein Maß der Signalintensität als Funktion der Resonanzfrequenz oder des Magnetfeldes am Kern wird in einer hinreichenden bekannten Weise erhalten und analysiert, um von der Probe ein Bild oder spektroskopische Informationen abzuleiten.
Abbildungs- und räumlich abhängige spektroskopische Analyseverfahren führen die Technik einen Schritt weiter, indem sie Magnetfeldgradienten zusätzlich zu einem primären homogenen Hintergrund-(Haupt-)- Magnetfeld verwenden. Da die Resonanzfrequenz der Kerne von der auf sie ausgeübten präzisen Magnetfeldstärke abhängt, werden angelegte Feldgradienten verwendet, um eine Technik zur räumlichen Codierung bereitzustellen. MR-Geräte nehmen eine Korrelation der Signalintensität bei einer gegebenen Frequenz mit der Probenkonzentration und den Relaxationsparametern in einem gegebenen Punkt vor. Dies stellt räumliche Informationen bereit, die zur Herstellung einer Karte oder eines Bildes des Objekts auf Basis der Signalintensitätsschwankungen aufgrund von Konzentrations- und/oder Relaxationszeitdifferenzen dienen. Bei einem Spektrometer gestatten diese Feldgradienten eine räumliche Auswahl eines bestimmten Abschnittes des zu analysierenden Probenobjekts. Die Feldgradienten werden von einem Satz Gradientenspulen erzeugt. Diese Spulen werden häufig als "gepulste Gradientenspulen" bezeichnet, da ihnen Energie durch Impulse zugeführt wird, wodurch das Hauptfeld in zwei oder mehr orthogonale Richtungen eingeteilt wird.
Die Abbildung z.B. des gesamten Körpers eines Patienten erfordert typischerweise ein gleichförmiges hochhomogenes Hauptfeld und hochlineare Gradienten im Bereich von z.B. 0,1 - 1,0 Gauß/cm mit möglichst kurzen Anstiegs- und Abfallzeiten, typischerweise in der Größenordnung von 0,1 bis 1,0 ms. Ein axialer Gradient (d.h. in der "Z"-Richtung) wird typischerweise durch Magnetspulen erzeugt, während radiale Gradienten (die die "X"- und "Y"-Koordinaten definieren) durch sattelförmige Spulen erzeugt werden, wie hinreichend bekannt ist.
Unabhängig von der Art, auf die das Hintergrundfeld erzeugt wird, z.B. durch ein supraleitendes Magnetsystem, werden die magnetischen Wechselfelder, die aus der Impulsgabe der Gradientenspulen resultieren, Wirbelströme in jedem in der Nähe befindlichen leitenden Medium (z.B. Strahlungsabschirmungen und Cryobehälter, wie sie in supraleitenden Magnetsystemen enthalten sind) induzieren. Diese Wirbelströme haben einen nachteiligen Einfluß sowohl auf die räumliche als auch die zeitliche Qualität der gewünschten Gradientenfelder. Die Wirbelströme selbst generieren ein Feld, das das von den Grandientspulen erzeugte Feld überlagert, wodurch das Gradientenspulenfeld sowohl räumlich als auch zeitlich gegenüber seinem gewünschten Niveau und seiner gewünschten Eigenschaft verzerrt wird. Das Ergebnis dieser Störung ist, daß die Amplituden- und Phasencharakteristik der MR-Signale verzerrt werden, wodurch die Genauigkeit der spektroskopischen Analyse oder die Qualität der generierten Bilder vermindert wird. Es ist deshalb erforderlich, die Wirbelströme sorgfältig zu kontrollieren, zu kompensieren oder auf ein unerhebliches Maß zu reduzieren.
Wie den mit MR-Geräten vertrauten Fachleuten bekannt ist, können die Auswirkungen der induzierten Wirbelströme in positionsabhängige (abhängig von der jeweiligen Position der Probe innerhalb des Gradientenfeldes) und in positionsunabhängige magnetische Effekte innerhalb des Gradientenfeldes eingeteilt werden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die durch Wirbelströme verursachten positionsunabhängigen Feldeffekte erheblich zu reduzieren.
Man könnte zwar annehmen, daß eine sorgfältige Fertigung in einem Ausgleich dieser Wirbelstromeffekte resultiert, jedoch übersteigen die Fertigungstoleranzen der Großkomponenten von MR-Geräten, insbesondere die Positionierung der Strahlungsabschirmungen, die erforderliche Genauigkeit für eine erfolgreiche Verwirklichung anspruchsvoller spektroskopischer und Bildwiedergabetechniken.
Eine vorhandene Lösung dieses Wirbelstromproblems ist die Bereitstellung einer Gradientenspule mit Selbstabschirmung, deren Konzept verhindert, daß das Gradientenfeld in die umgebende Struktur des Hauptmagneten eindringt. Das am 22. März 1988 erteilte U.S.-Patent 4,733,189 ist ein Beispiel für diese Technik und beschreibt eine aktive Abschirmung. Dieser Lösungsansatz weist verschiedene Nachteile auf. Erstens ist der Durchmesser der Gradientenspule aufgrund des Vorhandenseins der aktiven Abschirmung verringert. Dies beschränkt die Größe der Objekte, die untersucht werden können. Zweitens ist die Leistungsaufnahme der Gradientenspule aufgrund der unmittelbaren Nähe der aktiven Abschirmung zu den Gradientenspulen höher. Des weiteren erzeugt eine evtl. Exzentrizität zwischen der aktiven Abschirmung und den Gradientenspulen eine Verschiebung des Basisfeldes während des Aufbringens des Gradientenpulses.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und einen Apparat bereitzustellen, durch die die Effekte der positionsunabhängigen Feldverzerrungen aufgrund von Wirbel strömen in einer solchen Weise erheblich verringert werden, die die obigen Nachteile einer aktiven Abschirmung vermeidet.

Zusammenfassung der Erfindung

Da der Erfinder erkannt hat, daß die positionsunabhängigen Wirbelstromeffekte in den Gradientenfeldern in erster Linie auf Wirbelströme in die Gradientenspule umgebenden leitenden Medien zurückzuführen sind, stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und einen Apparat bereit, um mindestens einen axialen Mittelpunkt des Magnetfeldes der Gradientenspule mit dem entsprechenden axialen Mittelpunkt des von den in den leitenden Medien induzierten Wirbelströmen generierten Magnetfeldes im wesentlichen aufeinander auszurichten, um dadurch die durch den Wirbelstrom generierten positionsunabhängigen Gradientenfeldverzerrungen in dieser Achse auszugleichen.
Die WO 88/09927 und die EP-A-0 362 931 beschreiben ein magnetisches Resonanzgerät, das folgendes umfaßt: einen Hauptmagneten mit einer durch diesen ausgeformten axialen Bohrung, in der ein Basisfeld gebildet wird, eine innerhalb der Bohrung des Hauptmagneten angeordnete Gradientenfeldausbildungseinrichtung zur Bereitstellung mindestens eines Feldgradienten entlang einer gegebenen Achse innerhalb der Bohrung und der Gradientenfeldausbildungseinrichtung, ein elektrisch leitendes in der Nähe der Gradientenfeldausbildungseinrichtung angeordnetes Medium, in dem Wirbelströme durch Änderung des Gradientenfeldes zur Erzeugung eines Verzerrungsmagnetfeldes entlang der gegebenen Achse induziert werden, und Gradientenpositionseinstelleinrichtungen, einschl. eines verstellbaren Positionierers zur Einstellung der Position der Gradientenfeldausbildungseinrichtung bezüglich der Bohrung des Hauptmagneten, so daß der Mittelpunkt des Magnetfeldes entlang der gegebenen Achse der Gradientenfeldausbildungseinrichtung im wesentlichen mit dem Mittelpunkt des Verzerrungsmagnetfeldes entlang der gegebenen Achse zusammenfällt. Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verbessert diese Geräte durch die Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Verringerung der Einflüsse von Verschiebungen des Basismagnetfeldes in der Bohrung einer supraleitenden Magneten, wie in Anspruch 11 dargelegt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die in dem leitenden Medium induzierten Wirbelströme im wesentlichen auf ein einziges leitendes Medium (z.B. die der Gradientenfeldausbildungseinrichtung nächstliegende Kalt- (Strahlungs-)-Abschirmung) beschränkt, um es zum dominanten Träger der Wirbelströme zu machen, und Positionseinstelleinrichtungen sind zur konzentrischen Ausrichtung der dominanten Kaltabschirmung mit der Gradientenfeldausbildungseinrichtung vorgesehen, so daß mindestens einer der entsprechenden axialen Mittelpunkte der jeweiligen Magnetfelder im wesentlichen zusammenfällt.
Die obigen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele und aus den Ansprüchen deutlich.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sei hiermit auf die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a und 1b stellen ein typisches magnetisches Resonanzgerät (Bildwiedergabegerät oder Spektrometer) teilweise in form eines Blockdiagramms und teilweise in Form einer Schnittansicht und einer perspektivischen Ansicht dar;
Fig. 2 ist eine vereinfachte Schnittansicht eines MR-Geräts, das entsprechend den Prinzipien der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
Fig. 3 stellt Einzelheiten eines in der Fig. 2 gezeigten vorderen verstellbaren Positionierers dar;
Fig. 4a-4e zeigen Einzelheiten eines in der Fig. 2 dargestellten hinteren verstellbaren Positionierers;
Fig. 5 stellt eine Wellenform dar, die zum Verständnis des Verfahrens zur Analyse der Basisfeldverschiebungen hilfreich ist, um die vorderen und hinteren verstellbaren Positionierer der Fig. 2 so zu steuern, daß die positionsunabhängigen Wirbelstromeinflüsse auf die Gradientenfelder erheblich reduziert werden;
Fig. 6 stellt eine Sondenspulenanordnung mit veränderlicher Position dar, die zur Einstellung des vorderen und hinteren Positionierers der Fig. 2 nützlich ist; und
Fig. 7 stellt Wellenformen dar, die zum Verständnis eines alternativen Verfahrens zur Analyse der Basisfeldverschiebungen hilfreich sind, um die vorderen und hinteren verstellbaren Positionierer der Fig. 2 so zu steuern, daß die positionsunabhängigen Wirbelstromeinflüsse auf die Gradientenfelder erheblich reduziert werden.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1a zeigt eine Schnittansicht einer supraleitenden Magnetanordnung 2 und ein Blockdiagramm eines zugehörigen elektronischen Systems 4 zur Betätigung des Magneten 2 und zur Entwicklung einer Analyse (bildlich oder spektral) eines darin befindlichen Testobjekts (nicht dargestellt). Die Fig. 1b zeigt eine perspektivische Ansicht eines Magneten mit einem Ausbruch zur Darstellung seiner supraleitenden magnetischen Feldwicklungen. Der supraleitende Magnet 2 enthält ein zylindrisches Gehäuse 6 und Endplatten 8 mit einem mittig darin angeordneten Loch, damit das Testobjekt in eine zylindrische Bohrung 10 des Magneten 2 eingebracht werden kann. Ein zylindrischer Behälter 12 innerhalb des Gehäuses 6 enthält eines Basis-(Haupt-)-Magnetfeldwicklung 14 zur Entwicklung eines Basismagnetfeldes H&sub0;, das axial in der Bohrung 10 ausgerichtet ist.
Zur Bereitstellung eines starken Magnetfeldes, d.h. in der Größenordnung von 1-10 Tesla, wird die Wicklung 14 durch Tauchen in flüssiges Helium, das sich innerhalb der Wandungen des Behälters 12 befindet, supragekühlt. Obwohl dies nicht detailliert dargestellt ist, enthält der Behälter 12 typischerweise eine Metallkammer mit Flüssigstickstoff, die eine weitere Metallkammer mit Flüssighelium umgibt. Mindestens ein Satz Strahlungsabschirmungen ist typischerweise in der Kammer 12 enthalten, um eine Isolierung zwischen den verflüssigten Gasen und die Verringerung ihrer Verdampfungsrate bedingt durch Wärmestrahlung zu erzielen.
Wie in der Fig. 1b gezeigt, dient ein Gradientenspulenkörper 16 zur Aufnahme der Gradientenspulenanordnung 18 mit X-, Y- und Z-Gradientenspulen und einer Hochfrequenz-(radio frequency RF)-Sonde 20. Die Gradientenspulenanordnung mit der RF-Sonde wird dann innerhalb der Bohrung 10 des Magneten 2 angeordnet.
Das Elektroniksystem 4 enthält eine primäre Stromversorgung 22 zur Lieferung von Strom (zumindest anfänglich) an die Primärwicklung 14, eine Gradienten-/Trimm-Stromversorgung 24 zur Lieferung von Strömen an die Gradientenwicklungsanordnung 18 (und an Trimmspulen, nicht dargestellt) und eine Sende- und Empfangs- (transmit/receive T/R)-Modul 26, das RF-Energie an die RF-Spule 20 schickt und von der Spule 20 aufgenommene magnetische Resonanzsignale empfängt, die aus der Präzession der Protonen in dem Testobjekt resultieren. Ein Host-Computer 28 steuert das Anlegen der Gradientensignale an die Gradientenspulenanordnung 18 sowie über seine Verbindung mit dem T/R-Modul 26 die Verarbeitung der Sende- und Empfangssignale zu und von der RF-Spule 20. Das T/R- Modul 26 verarbeitet die empfangenen Signale zur Entwicklung eines Bildsignals (oder einer Spektralanalyse) des Testobjekts, das dann zur Anzeige und/oder Aufzeichnung der Informationen über eine Anzeige/Aufzeichnungseinheit 30 herangezogen wird. Aufbau und Betrieb des obenbeschriebenen Apparates entsprechen denjenigen eines herkömmlichen MR-Geräts des dem Fachmann hinreichend bekannten Typs, wie es von verschiedenen Herstellern angeboten wird.
Im Betrieb generieren die Gradientenspulen 18 im wesentlichen konstante Magnetfeldgradienten Gx, Gy und Gz in derselben Richtung wie das Hauptmagnetfeld, wobei die Gradienten in gegenseitig orthogonaler X-, Y- und Z-Achsenrichtung eines kartesischen Koordinatensystems gerichtet sind. Das heißt, daß dann, wenn das vom Hauptmagneten 14 generierte Magnetfeld in der Z-Richtung verläuft und als B&sub0; bezeichnet wird, und das Gesamtmagnetfeld in der Z-Richtung als Bz bezeichnet wird, Gx = dBz/dx; Gy = dBz/dy und Gz = dBz/dz gilt, und das Magnetfeld in einem beliebigen Punkt als B(x, y, z) = B&sub0; + GxX + GyY + GzZ gegeben ist. Der Gx-Gradient hat keinen Einfluß auf die Ebene x=0 im Mittelpunkt der X- Achse. Analog haben Gy und Gz keinen Einfluß auf die Ebenen y=0 und z=0, die jeweils in den Mittelpunkten der Y- bzw. Z-Achse liegen. Der Punkt (0,0,0) wird als das "Isozentrum" bezeichnet und ist der Punkt im Raum, in dem keiner der Gradienten irgendeinen Einfluß hat. Das Isozentrum liegt normalerweise im wesentlichen im Mittelpunkt des statischen Magnetfeldvolumens.
Wie hinreichend bekannt ist, werden die Gradientenmagnetfelder zusammen mit den vom TR-Modul 26 gelieferten RF-Impulsen zur Codierung räumlicher Informationen in den von der zu untersuchenden Zone des Testobjekts emittierten MR- Signalen herangezogen. Im Betrieb regt die RF-Spule 20 bestimmte Protonen innerhalb des Testobjekts an und empfängt anschließend MR-Signale von den angeregten Protonen, wenn diese in eine Gleichgewichtsposition zurückkehren, die durch das Haupt- und die Gradientenmagnetfelder festgelegt wird.
Leider wird das auf das Testobjekt einwirkende zusammengesetzte Magnetfeld (Haupt- plus Gradientenfeld) durch Magnetfeldeffekte aufgrund von in einem oder mehreren der die Gradientenspulen umgebenden leitenden Medien induzierten Wirbelströmen gestört, z.B. in den Metallwandungen der nächstliegenden Strahlungsabschirmungen der Kammer 12 (allgemein als Kalt- oder Strahlungsabschirmungen bezeichnet). Die durch die Wirbelströme verursachte Störung verzerrt die Phase und die Amplitude der MR-Signale, wodurch die Bildqualität bzw. die spektroskopische Analysegenauigkeit von Bildwiedergabegeräten bzw. Spektrometers verringert wird.
Im einzelnen bedeutet dies, daß die in einer oder mehreren Kaltabschirmungen durch die an an die Gradientenspulen gelieferten Impulse induzierten Wirbelströme mit einer Zeitkonstante abklingen, die für die betreffende Kaltabschirmung charakteristisch ist. Die durch die Wirbelströme erzeugten Magnetfelder sind dem angelegten Gradientenfeld entgegengerichtet und haben ihre eigenen Magnetfeld-Isozentren, die durch die physikalische Position jeder Kaltabschirmung bestimmt werden. Fallen die magnetischen Isozentren der Kaltabschirmungen und der Gradientenspulen nicht zusammen, was normalerweise aufgrund von fertigungstoleranzbedingten Einschränkungen der Fall ist, entsteht eine deutliche Basisfeldverschiebung. Gibt es mehr als eine Kaltabschirmung, so wird die Basisfeldverschiebung entsprechend einer Funktion höherer Potenz abklingen.
Entsprechend einem Merkmal einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Wirbelströme im wesentlichen auf ein einziges leitendes Medium beschränkt. Gibt es mehrere leitende Medien, so muß eines davon dominant gemacht werden, beispielsweise das der Gradientenspule nächstgelegene. Dies kann man dadurch erreichen, daß man den ersten leitenden Zylinder innerhalb des Magneten mit einem sehr niedrigen Widerstand auslegt. Eine vollständige Beschränkung läßt sich erzielen, wenn die Wanddicke des Zylinders sehr viel größer als die Hauttiefe der niedrigstfrequenten Komponente einer bestimmten Gradientenschaltsequenz ist.
Die Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Schnittansicht des supraleitenden MR-Geräts 2, das eine Einrichtung zur Einstellung der Position der Gradientenspulen enthält, so daß die axialen Mittelpunkte seines Magnetfeldes im wesentlichen mit den axialen Mittelpunkten des Magnetfeldes der dominanten Kaltabschirmung der Kammer 12 zusammenfallen. In der dargestellten Ausführungsform ist die Gradientenspulenanordnung 18 so positioniert, daß ein Ende bündig mit dem vorderen Ende der Bohrung 10 verläuft, während das andere Ende aus dem hinteren Ende des Magneten 2 herausragt, um elektrische Anschlüsse mit dem Elektroniksystem 4 über einen Anschlußring 32 bereitzustellen. Aufgrund der aus der Bohrung des Magneten 2 herausgeführten Länge der Gradientenspulenanordnung 18 werden verschiedene Positionseinstelleinrichtungen zur Änderung der Position der Gradientenspulenanordnung 18 in ihrem vorderen und hinteren Abschnitt verwendet.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Einzelheiten eines vorderen bzw. eines hinteren verstellbaren Positionierers 34 bzw. 36, die zur Erzielung einer Ausrichtung der obengenannten Magnetfeldisozentren verwendet werden.
Wie in der Fig. 3 dargestellt, umfaßt der vordere Positionierer 34 einen Ring mit Außen- und Innendurchmesser, die im wesentlichen denen der Spulenaufnahme 16 entsprechen, so daß der Ring 34 auf dem vorderen Ende der Spulenaufnahme mittels Schrauben in sechs darin vorgesehenen Schraubenlöchern 38 befestigt werden kann. Innerhalb der Dicke des Rings 34 und um seinen gesamten Umfang verteilt sind drei verstellbare Positionierer 40 angeordnet. Jeder der verstellbaren Positionierer 40 umfaßt einen Rundbolzen, der innerhalb einer entsprechenden Bohrung 41, die in den Außenumfang des Rings 34 gebohrt ist, verschieblich ist. Ein entsprechender Einstellstift (nicht dargestellt) wird vom Innenumfang des Rings 34 aus in Richtung jedes der Bolzen 40 durch eine Gewindebohrung 43 geschraubt. Im Betrieb dienen die Einstellstifte zur Regelung des Überstands der Bolzen 40 über den Außenumfang des Rings 34 und damit des Abstands zwischen den Gradientenspulen und der Oberfläche der Bohrung 10. Mittels der drei verstellbaren Bolzen 40 kann das vordere Ende der Gradientenspule 18 in jeder X-, Y-Position innerhalb der Begrenzungen der Bohrung 10 gesichert werden, um die obengenannten gewünschte Konzentrizität der Magnetfeldisozentren zu erzielen.
Wie in der Fig. 4a dargestellt, hat der hintere verstellbare Positionierer 36 eine etwas andere Konfiguration, da er einen in eine obere und untere Hälfte 42 bzw. 44 geteilten Ring umfaßt. Der Innendurchmesser des Rings 36 ist etwas größer als der Außendurchmesser der Spulenaufnahme 16. Die untere Hälfte 44 enthält Löcher 46 zur Befestigung auf der Stirnseite des Magneten 2 etwa in der unteren Hälfte der Bohrung 10. In ähnlicher Weise wie bei dem Ring 34 sind Gewindebohrungen 48 durch die Dicke der Ringhälfte im Abstand angeordnet, und ein Ausschnitt 50 im Innenumfang des Rings 44 ist auf jede der Gewindebohrungen 48 ausgerichtet. Die Bohrungen 48 und die Ausschnitte 50 nehmen verstellbare Positioniereinrichtungen 52 auf, die in der Fig. 4b detailliert dargestellt sind. Jede der Positioniereinrichtungen 52 umfaßt Auflage 54, die mit einem Drehzapfen 56 gekoppelt ist, welcher innerhalb der Gewindebohrung 48 mittels eines Einstellstiftes 58 veränderlich positioniert ist. Eine Sicherungsmutter 59 ist ebenfalls vorgesehen, um die Position der Einrichtung 52, nachdem sie korrekt positioniert ist, zu sichern. Im Betrieb wird die Auflage 54 mittels des Stiftes 58 verbreitert, bis die Auflage 54 an der Außenfläche der Gradientenspulenanordnung 18 anliegt. Danach werden die Stifte 58 verstellt und die Gradientenspulenanordnung 18 in eine gewünschte X-, Y-, Z-Achsenposition der Gradientenspule 18 verschoben, was in der Ausrichtung ihres Magnetfeldisozentrums mit dem Magnetfeldisozentrum der dominanten Kaltabschirmung resultiert, wie nachstehend in Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 beschrieben wird. Die Fig. 4c, 4d und 4e zeigen die mechanischen Einzelheiten der Auflagen 54, der Drehzahpfen 56 bzw. der Stifte 58, die keiner weiteren Erläuterung bedürfen. Wenn die Einstellung abgeschlossen ist, wird die obere Hälfte 42 an der unteren Hälfte 44 mittels Schrauben 59 befestigt, die in Löcher 62 der unteren Hälfte 44 geschraubt werden. Dies sichert die Gradientenspulenanordnung 18 gegen eine weitere Verschiebung.
Zum Verständnis der korrekten Einstellung der Positionierer 34 und 36 wird anschließend die Art der Wirbelstromstörungen erläutert. Wie zuvor erwähnt, klingen sämtliche Wirbelstromeffekte mit einer für den jeweiligen leitenden Zylinder charakteristischen Zeitkonstante ab. Eine induktive Sondenspule, die sich in einem Abstand x zum Gradientenursprung befindet, spricht auf das Magnetfeld an, das I) von der Gradientenspule erzeugt wird, und II) auf das von den Wirbel strömen in den die Gradientenspule umgebenden Ohmschen Zylindern (d.h. in den Kaltabschirmungen) erzeugten Feld. Ein zeitabhängiger Feldgradient würde von der Sondenspule nach der ansteigenden Flanke eines Rechteck-Gradientenfeldpulses erfaßt werden. Verallgemeinert kann dieses Feld durch die nachstehende Gleichung ausgedrückt werden:
dabei:
Bx(t) = zeitabhängiges Gradientenfeld nach der ansteigenden Flanke eines Rechteck-Gradientenpulses
Gx = Intensität des Magnetfeldgradienten
x = Position entlang x
N = Anzahl der Ohmschen Zylinder in dem Magnet
αk= positionsproportionaler Wirbelstrom-Kopplungskoeffizient
βk = positionsunabhängiger Wirbelstrom-Kopplungskoffizient
Tk = Zeitkonstante Metallzylinder
Wie ohne weiteres ersichtlich ist, erhält man bei x=0 nur den zweiten Term der Gleichung, und dieser Term geht mit der Zeit exponentiell nach Null. Somit findet man den X-Achsenmittelpunkt der Gradientenspulenanordnung 18 (d.h. x=0), indem man die Sondenspule so positioniert, daß nach einer Verzögerungszeit td nach einem X-Achsengradientenpuls kein Signal mehr erfaßt wird. Die erforderliche Verzögerungszeit wird durch die längste Zeitkonstante im System bestimmt und so gewählt, daß
td > 5 τL [2]
wobei:
td = Zeitkonstante nach dem Gradientenpuls
τL= längste Zylinderzeitkonstante
Befindet sich die Sondenspule in der Position x=0, so wird das Gradientenfeld:
was nur die Basisfeldverschiebung darstellt und im wesentlichen innerhalb einer Zeit t > td auf Null reduziert wird.
Die Fig. 5 zeigt ein typisches Ausgangssignal eines Sondenspulenintegrators, wenn es zur Messung der Basisfeldverschiebung herangezogen wird. Wie daraus ersichtlich ist, enthält das Gradientenfeld bei x=0 eine erste Basisfeldverschiebung als Reaktion auf die Wirbelströme, die auf exponentielle Weise nach 0 abklingt. Wird also eine induktive Sondenspule veränderlicher Position im statischen Isozentrum des Gradientenspulenfeldes regelbar positioniert, wäre es möglich, das Magnetfeld-Isozentrum der Gradientenspule zu lokalisieren. Die Anlyse kann eine iterative Verschiebung der Sondenspule und die Erkennung, wann das Spulenausgangssignal nach der Zeit t > td Null ist, umfassen.
Die Fig. 6 zeigt eine induktive Sondenspulenanordnung veränderlicher Position, die sich zur Lokalisierung der obigen Isozentren eignet. Die Anordnung enthält einen Ring 66, der an der Außenseite der Gradientenspulenanordnung 18 befestigt ist, und einen inneren Abschnitt 68, der drehbar innerhalb einer zu dem Ring 66 gehörigen Spur (nicht dargestellt) gekoppelt ist. Der innere Abschnitt 68 enthält in seiner Mitte einen Schlitz 70, in dem ein Halter 72 selektiv positioniert werden kann. Ein Phenolstab 74 kann innerhalb des Halters 72 verschieblich positioniert werden und trägt an seinem Ende eine induktive Sondenspule 76. Zur Bestimmung der Magnetfeld-Isozentren kann entsprechend der folgenden Vorgehensweise verfahren werden. Zunächst wird die Sondenspule 76 an einer beliebigen Position der Y-Achse angeordnet, der als Ursprung des Koordinatensystems dienen soll. Danach wird das Y-Gradientenfeld angelegt und ein Magnetfeld so wie in der Gleichung [1] beschrieben erfaßt. Nach der Zeitspanne td nach dem Anlegen des Gradientenfeldes erhält man nur noch den linken Term der Gleichung [1]. Das heißt, daß die Terme mit dem Faktor e.t/τk auf Null reduziert sind. Unter nochmaligem Verweis auf die Gleichung [1] wird ersichtlich, daß sogar der linke Teil der Gleichung im Punkt y=0 Null wird. Der Halter 72 wird also bei einer Messung des Magnetfeldes nach der Verzögerungszeit td in Richtung der Y-Achse iterativ bewegt, bis kein Magnetfeld mehr erfaßt wird. Dies zeigt an, daß sich die Sondenspule in der Position y=0 befindet.
Nunmehr kann die Position y=0 des Magnetfeldes der Gradientenspule auf die Position y=0 des Magnetfeldes der dominanten Kaltabschirmung ausgerichtet werden. Wie aus der Fig. 5 ersichtlich ist, enthält das erfaßte Magnetfeld eine scharf ausgeprägte Störung in einer Zeitspanne, die erheblich kürzer ist als td, wobei diese Störung aus den von den Wirbelströmen verursachten Störungen resultiert. Um also das Zentrum der diese Basisfeldverschiebungen verursachenden dominanten Kaltabschirmung lokalisieren zu können, wird die Sondenspule 76 nicht relativ zu den Gradientenspulen bewegt, sondern statt dessen wird die gesamte Gradientenspulenanordnung unter Verwendung der in der Fig. 2 dargestellten verstellbaren Positionierer bewegt. Dann wird das Signal von der Sondenspule 76 nach einer nur kurzen Verzögerungszeit t « td mittels eines iterativen Prozesses analysiert, und die verstellbaren Positionierer der Fig. 2 werden justiert, bis selbst bei einer kurzen Verzögerungszeit keine Basisfeldverschiebung mehr feststellbar ist. Dieser Punkt entspricht der konzentrischen Ausrichtung der Punkte y=0 des Magnetfeldes der dominanten Kaltabschirmung und des Magnetfeldes der Gradientenspule.
Anschließend wird der innere Abschnitt 68 gedreht, so daß der Schlitz 70 in der X-Achse liegt, und die obige Vorgehensweise wird wiederholt, während die x-Gradientenspule angeregt wird, um die Sondenspule im Punkt x=0 des Gradientenspulenmagnetfeldes anzuordnen. Wenn dies abgeschlossen ist, wird die Gradientenspule neu positioniert, um diesen Punkt auf den Punkt x=0 der Magnetfeldes der dominanten Kaltabschirmung auszurichten. Schließlich wird der Punkt z=0 des Z-Achsen-Gradientenmagnetfeldes festgestellt, indem man den Stab 74 in Richtung der Z-Achse innerhalb des Halters 72 verschiebt und dann diesen Punkt auf den Punkt z=0 des Magnetfeldes der dominanten Kaltabschirmung ausrichtet, wozu der obere Abschnitt der Positionierer 34 und 36 entsprechend gelöst und die Gradientenspule in der Z-Achse verschoben wird.
Damit sind ein neuartiges Verfahren und ein neuartiger Apparat zur erheblichen Reduzierung der positionsunabhängigen durch Wirbelströme verursachten Basisfeldverschiebungen dargestellt und beschrieben worden. Für den Fachmann werden jedoch nach dem Studium dieser Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen, zahlreiche Änderungen, Modifikationen, Variationen sowie andere Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten der Erfindung offensichtlich. So könnten beispielsweise entsprechend den physikalischen Anforderungen der Gradientenspulenanordnung 18 beide Enden mit demselben Typ des verstellbaren Positionierers versehen werden, d.h. mit zwei Positionierern 34 oder zwei Positionierern 36. Außerdem kann ein vollkommen anderer Typ eines verstellbaren Positionierers zur Verschiebung der Gradientenspulenanordnung in nur einer Achse oder in allen drei Achsen verwendet werden. Außerdem könnte das Hauptmagnetfeld durch einen Ohmschen Magneten, einen Dauermagneten oder ein anderes ein Feld erzeugendes Gerät erzeugt werden. Des weiteren kann anstelle der iterativen Veränderung der Position einer induktiven Sondenspule zur Bestimmung des Magnetfeld-Isozentrums der dominanten Kaltabschirmung (was die direkte Messung der Basisfeldverschiebung beinhaltet) eine andere Technik verwendet werden, die sich eines indirekten Verfahrens zur Messung der Basisfeldverschiebungen durch Analysieren des MR-Signals bedient. Bei dieser Technik wird eine kleine Probe, die eine MR-aktive Substanz enthält, in einem Punkt (x,0,0) in der Gradientenspulenanordnung 18 angeordnet. Ein lang andauernder Magnetfeldgradientenimpuls wird angelegt, dem eine Verzögerungszeit td folgt. Danach wird ein kurzer 90º- Hochfrequenzimpuls angelegt. Das resultierende frei abklingende Induktionssignal (FID) wird erfaßt, digitalisiert, einer Fourier-Transformation unterzogen und analysiert (siehe Wellenformen a-d der Fig. 6). Die der Vorderflanke eines Gradientenimpulses folgende Winkelgeschwindigkeit der Resonanzfrequenz kann ausgedrückt werden als:
wobei:
Wx(t) = zeitabhängige Winkelgeschwindigkeit der Resonanzfrequenz in Punkt x
γ = gyromagnetisches Verhältnis
B&sub0; = Hauptmagnetfeld
Nach der Verzögerungszeit td sind alle wirbelstromabhängigen Effekte abgeklungen, und das Zentrum der Gradientenspule kann nunmehr als Position x bestimmt werden, wobei
Wx(t> td)=γB&sub0;
Bei der im Zentrum der Gradientenspulenanordnung 18 befindlichen Probe wird die einzige zeitabhängige Frequenzmodulation des FID-Signals durch die Basisfeldverschiebung verursacht und kann in der Frequenzebene über die direkte Proportionalität zwischen den Gradientenfeld und der Winkelgeschwindigkeit der Präzession gemessen werden.
Sämtliche dieser Änderungen, Modifikationen und Variationen, die nicht den Rahmen der Erfindung verlassen, gelten als durch die Erfindung abgedeckt, die nur durch die nachfolgenden Ansprüche begrenzt ist.

Claims

1. Magnetisches Resonanzgerät, mit einem Hauptmagneten (2) mit einer durch diesen hindurch ausgeformten axialen Bohrung (10), in der ein Basisfeld (H&sub0;) gebildet ist; einer innerhalb der Bohrung des Hauptmagneten angeordneten Gradientenfelderzeugungseinrichtung (18) zur Bereitstellung mindestens eines Feldgradienten entlang einer gegebenen Achse innerhalb der Bohrung und der Gradientenfelderzeugungseinrichtung; einem in der Nähe der Gradientenfelderzeugungseinrichtung angeordneten elektrisch leitenden Medium (12), in dem Wirbelströme durch Änderung der Gradientenfelder induziert werden, um ein Störmagnetfeld entlang der gegebenen Achse zu erzeugen; und mit Gradientenpositionsverstelleinrichtungen (34, 36), die einen einstellbaren Positionierer zur Einstellung der Position der Gradientenfelderzeugungseinrichtung relativ zur Bohrung des Hauptmagneten enthalten, um den Mittelpunkt des Magnetfeldes entlang der gegebenen Achse der Gradientenfelderzeugungseinrichtung zu veranlassen, mit dem Mittelpunkt des Störmagnetfeldes entlang der gegebenen Achse im wesentlichen zusammenzufallen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenpositionsverstelleinrichtungen Magnetfeldsensoreinrichtungen (66-76) enthalten, die innerhalb der Gradientenfelderzeugungseinrichtung angeordnet sind, um sowohl die von dem elektrisch leitenden Medium als auch von der Gradientenfelderzeugungseinrichtung generierten Magnetfelder abzutasten, und daß die Sensoreinrichtungen innerhalb der Gradientenfelderzeugungseinrichtung positionierbar sind, um einen axialen Mittelpunkt des Magnetfeldes lokalisieren zu können.

2. Gerät nach Anspruch 1, bei dem die Sensoreinrichtung im axialen Mittelpunkt der Gradientenfelderzeugungseinrichtung positioniert ist, wobei einstellbare Positionierer so justierbar sind, daß die Gradientenfelderzeugungseinrichtung neu positioniert wird, um ihren axialen Mittelpunkt so zu verlegen, daß dieser im wesentlichen mit einem entsprechenden axialen Mittelpunkt des Störmagnetfeldes entlang derselben Achse zusammenfällt.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Hauptmagnet eine supraleitende magnetische Struktur umfaßt.

4. Gerät nach Anspruch 3, bei dem das elektrisch leitende Medium eine zylindrische, dominante Kaltabschirmung umfaßt, die der supraleitenden Magnetstruktur zugehörig ist.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der einstellbare Positionierer mindestens einen Abschnitt eines ringförmigen Halters umfaßt, der an einer Stirnfläche des Hauptmagneten am Umfang von dessen Bohrung befestigt ist, wobei dieser Halter eine Vielzahl im Abstand zueinander angeordneter einstellbarer Positioniereinrichtungen enthält, die sich radial durch diesen in Richtung der Bohrungsinnenseite erstrecken, um die Gradientenspule relativ zu der Bohrung in mindestens zwei zueinander orthogonalen Achsrichtungen zu verschieben.

6. Gerät nach Anspruch 5, bei dem jede der einstellbaren Positioniereinrichtungen eine mit einem Drehzapfen gekoppelte Auflage umfaßt, die radial entlang eines Durchmessers des ringförmigen Halters einstellbar ist.

7. Gerät nach Anspruch 6, bei dem ein Innenumfang des ringförmigen Halters einen Ausschnitt enthält, der so ausgeführt ist, daß er die Auflage aufnimmt.

8. Gerät nach Anspruch 5, bei dem der einstellbare Positionierer einen ringförmigen Halter mit trennbaren oberen und unteren Hälften umfaßt, wobei die untere trennbare Hälfte an der Stirnfläche des Magneten befestigt ist und eine Vielzahl der einstellbaren Positioniereinrichtungen enthält, und die obere Hälfte an der unteren Hälfte befestigt ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Gradientenfelderzeugungseinrichtung die form eines Hohlzylinders mit Innen- und Außendurchmesser hat und der einstellbare Positionierer einen ringförmigen Halter umfaßt, dessen Innen- und Außendurchmesser im wesentlichen dem Innen- und Außendurchmesser der Gradientenfelderzeugungseinrichtung entsprechen, und der an einem von deren Enden befestigt ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, bei dem der Halter eine Vielzahl im Abstand zueinander angeordneter einstellbarer Positioniereinrichtungen enthält, die sich radial durch diesen hindurch in Richtung der Bohrungsaußen-seite erstrecken, um die Gradientenspule relativ zu der Bohrung in mindestens zwei zueinander orthogonalen Achsrichtungen zu verschieben.

11. Verfahren zur Verringerung der Auswirkungen von Verschiebungen des Basismagnetfelds in der Bohrung eines supraleitenden Magneten aufgrund von Wirbel strömen, die in mindestens einer leitenden Abschirmung induziert werden, welche in der Nähe einer gepulsten Gradientenspule angeordnet ist, wodurch diese ein Störmagnetfeld erzeugt,

gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Bereitstellen einer Positionsverstelleinrichtung für eine der Gradientenspulen oder für den supraleitenden Magneten, die die relative Lage der Gradientenspule innerhalb der Bohrung verändern kann;

Bereitstellen einer Magnetfeldsensoreinrichtung mit veränderlicher Position in der Gradientenspule zur Messung des Gradientenfeldes entlang mindestens einer gegebenen Achse innerhalb der Gradientenspule;

Analysieren des gemessenen Gradientenfeldes entlang dieser Achse, um den axialen Mittelpunkt des Magnetfeldes dieser Gradientenspule zu bestimmen;

Einstellen der Position der positionsveränderbaren Magnetfeldsensoreinrichtung als Reaktion auf den Analysierschritt, so daß sie im axialen Mittelpunkt des Magnetfeldes dieser Gradientenspule liegt;

Analysieren des gemessenen Gradientenfeldes zur Bestimmung des Mittelpunktes des Magnetfeldes der leitenden Abschirmung entlang derselben Achse; und

Einstellen der einstellbaren Positioniereinrichtung als Reaktion auf den zweiten Analysierschritt, um den axialen Mittelpunkt des Magnetfeldes dieser Gradientenspule im wesentlichen konzentrisch mit dem axialen Mittelpunkt des Magnetfeldes der leitenden Abschirmung auszurichten.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der erste Analysierschritt die Analyse des gemessenen Gradientenfeldes nach einer Verzögerungszeit td umfaßt, nach der die Exponentialkomponenten des Störmagnetfeldes im wesentlichen auf Null reduziert worden sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der zweite Analysierschritt die Analyse des gemessenen Gradientenfeldes nach einer wesentlich kürzeren Verzögerungszeit als die Verzögerungszeit td umfaßt.