DE69030968T2

DE69030968T2 - Ferromagnetische Kompensationsringe für Magnete hoher Feldstärke

Info

Publication number: DE69030968T2
Application number: DE69030968T
Authority: DE
Inventors: Raghavan Jayakumar
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-08-23
Filing date: 1990-08-22
Publication date: 1998-01-22
Anticipated expiration: 2010-08-23
Also published as: IL95295A; JPH0580125B2; EP0414528B1; EP0414528A3; US5001447A; EP0414528A2; JPH03138912A; CA2013936A1; DE69030968D1; IL95295A0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion von Gleichstrom-Magneten hoher Feldstärke und insbesondere auf ein Verfahren zum Verkürzen der axialen Länge derartiger Magnete, während ein hoher Grad an Feldhomogenität beibehalten wird.
Magnete hoher Feldstärke werden in einer Vielfalt von Anwendungen verwendet, zu denen Teilchenbeschleuniger, MR Spektroskopie-Geräte und Magnetresonanz-Bildgebungsgeräte gehören. In einem Magnetresonanz-Bildgebungsgerät ist eine hohe Gleichförmigkeit (Homogenität) des Magnetfeldes erforderlich, weil kleine Abweichungen in der magnetischen Feldstärke Artefakte in dem entstehenden Bild verzerren oder erzeugen können. Üblicherweise sind derartige Magnete supraleitend: konstruiert aus Magnetspulen, die aus supraleitendem Draht gewickelt und in ein Bad von flüssigem Helium eingetaucht sind, das in einem kryogenen Behälter oder Kryostaten gehalten ist.
Die höchst gleichförmigen Magnetfelder derartiger Magnete werden durch die Verwendung von zahlreichen Paaren von Magnetspulen realisiert, deren Anzahl und Volumen eine vergrößerte Magnetbohrungslänge erfordern. Als eine allgemeine Regel erfordern höchst gleichförmige Magnetfelder viele Spulenpaare über großen Bohrungslängen.
Magnete mit großen Bohrungslängen haben gewisse Nachteile. Das Gewicht und die Kosten des Magneten steigen, wenn die Länge anwächst, aufgrund des Erfordernisses für zusätzliche Halterungsstruktur. In dem Falle von selbst-abgeschirmten Magneten vergrößert eine größere Bohrungslänge die Größe und Kosten der erforderlichen Abschirmung. Der Patienten-Komfort während einer Magnetresonanz-Bildgebung, bei der der Patient in der Bohrung des Magneten angeordnet ist, kann in Magneten mit größerer Bohrungslänge geringer sein, die ein Gefühl des "Eingeschlossenseins" hervorrufen. Schließlich verhindern Raumbeschränkungen an vielen Institutionen die Verwendung von Magneten mit größerer Bohrungslänge.
EP-A-021 6404 beschreibt eine Magnetresonanz-Bildgebungseinrichtung, die einen vergleichsweise großen Meßbereich aufweist, wie er beispielsweise zur medizinischen Diagnose verwendet wird, wobei Beiträge hoher Ordnung zu dem Magnetfeld kompensiert werden durch den Zusatz von Ringpaaren, die aus einem weichmagnetischen Material hergestellt sind, so daß die Homogenität des Magnetfeldes lokal auf einen hohen Grad erhöht wird. Wenn diese Möglichkeit bei der Gestaltung des Magneten berücksichtigt wird, wird eine wesentlich kürzere Spule erhalten, während die Feldhomogenität in der Meßzone trotzdem verbessert wird.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen zum Verkürzen der Bohrungslänge in einer zylindrischen Magnetein richtung, die ein oder mehrere Magnetspulenpaare, die koaxial zu einer Bohrungsachse angeordnet sind zum Erzeugen eines Magnetfeldes entlang der Bohrungsachse, eine magnetische Abschirmung und einen oder mehrere ferromagnetische Kompensationsringe aufweist, die koaxial um die Bohrungsachse angeordnet sind zum Verkleinern von Magnetfeld-Inhomogenitäten, enthaltend die Schritte:
a) Wählen der Anzahl von Spulen und Ringe und Begrenzungen auf den axialen und radialen Spulenabmessungen und Begrenzungen auf den axialen und radialen Ringabmessungen;
b) Einstellen eines Zielflusses mit dem gewünschten Homogenitätspegel für eine Anzahl von Feldpunkten in einem interessierenden Volumen in der Magnetbohrung;
c) Berechnen der axialen und radialen Spulenpositionen und Ampere-Windungen und der axialen und radialen Ring positionen auf der Basis des Zielflusses;
d) Ermitteln der Homogenität in dem interessierenden Volumen durch Berechnen der Feldverteilungen aus der Abschirmung und den Ringen;
e) Konstanthalten der Feldverteilung von der Abschirmung und den Ringen;
f) erneutes Berechnen der axialen und radialen Spulenpositionen auf der Basis des neuen Zielflusses;
g) Wiederholen der Schritte d-f, bis die gewünschte Homogenität erreicht worden ist;
h) Herstellen einer zylindrischen Magneteinrichtung auf der Basis der im Schritt g) ermittelten Konstruktion.
Erfindungsgemäß weist ein Magnet mit verkürzter Bohrungslänge ein oder mehrere Magnetspulenpaare auf, die koaxial um eine Bohrungsachse und symmetrisch gegenüberliegend zu einem Mittelpunkt der Bohrungsachse angeordnet sind. Ein oder mehrere ferromagnetische Kompensationsringpaare sind koaxial um die Magnetbohrungsachse angeordnet, wobei jeder Ring ebenfalls symmetrisch gegenüberliegend zu dem Mittelpunkt der Bohrungsachse ist. Die Abmessungen der Spule: Radius, axiale Lage und Ampere- Windungen, und die Abmessungen der Kompensationsringe: Radius und axiale Lage, können gewählt werden, um die Magnetfeld-Inhomogenitäten zu verkleinern. Es werden Anfangswerte für die Anzahl von Spulen und ferromagnetischen Ringe und die Grenzwerte der Magnetbegrenzungen gewählt. Es wird eine Zielflußdichte für gewisse Punkte in einem interessierenden Volumen innerhalb der Magnetbohrung gewählt, und die Abmessung der Spulen und Ringe, innerhalb der vorbestimmten Grenzwerte, werden ermittelt durch einen iterativen Prozeß, der auf dieser Zielflußdichte basiert. Das Optimierungsverfahren geht davon aus, daß die Ringe einen Sättigungsfluß haben, und zunächst wird der Beitrag von irgendeiner Abschirmung ignoriert. Dann wird ein Modell endlicher Elemente (finite element model) konstruiert, um die Feldbeiträge an den Zielflußpunkten zu ermitteln, die aus der Abschirmung und dem tatsächlichen Fluß der Kompensationsringe resultieren. Wenn die Homogenität des Feldes, wie sie durch das Modell endlicher Elemente ermittelt ist, nicht den gewünschten Wert hat, wird der Feldbeitrag aus der Abschirmung und den Ringen konstant gehalten, und die Iteration wird wiederholt, wobei nur die Spulenabmessungen eingestellt werden, bis die gewünschte Homogenität erreicht ist.
Durch Anwendung der Erfindung kann ein Magnet erzeugt werden, der eine kürzere Bohrungslänge und trotzdem eine Feldhomogenität hat, die mit Magneten mit einer größeren Bohrungslänge vergleichbar ist. Die ferromagnetischen Ringe verändern die lokale Magnetfeldstruktur, um Inhomogenitäten zu verringern, die aus der kürzeren Bohrungslänge oder weniger Magnetspulenpaaren resultieren.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden für den Fachmann aus der Beschreibung von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung deutlich, die folgt. In der Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen. Dieses Beispiel ist jedoch nicht erschöpfend bezüglich der verschiedenen anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In den Zeichnungen:
Figur 1 ist eine isometrische Ansicht von einem Magnetresonanz-Bildgebungsmagneten gemäß der Erfindung;
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht von dem Magneten gemäß Figur 1 entlang den Linien 2-2 in Figur 1;
Figur 3 ist eine Querschnittsansicht von dem Magneten gemäß Figur 1 entlang den Linien 3-3 in Figur 2;
Figur 4 ist ein Fließbild von dem Verfahren zum Anord nen der Spulenpaare und Kompensationsringe in dem Magneten gemäß Figur 1.
Gemäß Figur 1 ist eine MR Magnetanordnung 10 in einem Vakuumbehälterzylinder 12 enthalten, wobei Endplatten 16 und ein Bohrungszylinder 14 um eine Bohrungsachse 36 zentriert sind. Der Vakuumzylinder 12 und die Endplatten 16 können aus einem ferromagnetischen Material, wie beispielsweise einer gewalzten Weicheisenplatte für abgeschirmte Magnete, oder nichtmagnetischem Material für unabgeschirmte Magnete gebildet sein, während der Bohrungszylinder 14 aus einem nicht-magnetischen rostfreiem Stahl gebildet ist. Diese Elemente werden zusammengeschweißt, um eine vakuumdichte, ringförmige Kammer 15 zu bilden. Für abgeschirmte Magnete passen die Endplatten 16 fest gegen den Vakuumbehälterzylinder 12, um Magnetfluß dazwischen zu leiten und das Magnetfeld außerhalb des Magnetbohrungszylinders 14 zu verkleinern, wie es allgemein bekannt ist. Der Bohrungszylinder 14 ermöglicht, daß das Magnetfeld die Magnetbohrung durchdringt, wo während der MR Abtastung ein Patient angeordnet ist. Es ist die Hauptaufgabe der Magnetanordnung 10, ein starkes und homogenes Magnetfeld innerhalb dieser Bohrung des Magneten zu schaffen.
Gemäß Figur 2 umschließt die vakuumdichte, ringförmige Kammer 15 eine erste Wärmeabschirmung, die aus zylindrischen, konzentrischen äußeren und inneren Wänden 26 bzw. 24 gebildet ist, die um die Bohrungsachse 36 herum angeordnet sind. Die Räume zwischen den Enden der äußeren Wand 26 und der inneren Wand 24 sind durch Endplatten 28 geschlossen.
Eine zweite Wärmeabschirmung, die aus zylindrischen, konzentrischen äußeren und inneren Wänden 32 und 30 gebildet ist, die um die Bohrungsachse 36 herum angeordnet sind, ist innerhalb der ersten Wärmeabschirmung eingeschlossen. Die Räume zwischen den Enden der äußeren Wand 32 und der inneren Wand 30 sind durch Endplatten 34 geschlossen.
Innerhalb des Raumes, der von den äußeren und inneren Wänden 32 und 30 der zweiten Wärmeabschirmung umschlossen ist, befindet sich ein Flüssighelium-Behälter, der ebenfalls aus zylindrischen, konzentrischen äußeren und inneren Wänden 20 und 18 gebildet ist, die ebenfalls koaxial zu der Bohrungsachse 36 sind. Die Räume zwischen den Enden der äußeren Wand 20 und der inneren Wand 18 sind durch Endplatten 22 geschlossen.
Die erste und zweite Wärmeabschirmung und der Hehumbehälter sind aus einem nicht-magnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium, hergestellt.
Innerhalb des Raumes, der durch den Hehumbehälter eingeschlossen ist, befindet sich ein zylindrischer Spulenkörper 38, der ebenfalls koaxial zu der Bohrungsachse 36 ist. Er trägt eine Reihe von Magnetspulen 40, die entlang der Bohrungsachse 36 im Abstand angeordnet sind. Die Spulen 40 sind koaxial zu der Bohrungsachse 36 und sie sind in Paaren symmetrisch zu einem Mittelpunkt 44 entlang der Bohrungsachse 36 angeordnet. Die Konstruktion eines derartigen Spulenkörpers, der für eine Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist in unserer europäischen Patentanmeldung 98121268. (EP-A-0371350) mit dem Titel: "Support Structure for High Field Magnet Coils" beschrieben.
Während des Betriebs des Magneten 10 ist der Flüssighehumbehälter mit flüssigem Hehum 46 gefüllt, um so die Magnetspulen 40 in einen supraleitenden Zustand zu kühlen. Die von den Spulen 40 erzeugten Magnetfelder bewirken, daß die Spulen 40 einander anziehen oder abstoßen, und deshalb müssen die Spulen 40 gegen eine axiale Bewegung gehaltert sein durch eine Reihe von Halterungsflächen 39, die den Umfang des Spulenkörpers 38 ringförmig umgeben. Diese Halterungsflächen 39 dienen auch dazu, die Magnetspulen 40 in Bezug zueinander genau zu positionieren.
Die Konstruktion von einem supraleitenden Magneten, der für eine Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet ist, ist weiterhin im Detail in unseren folgenden US-Patenten beschrieben: 4 771 256 "Integral Shield for MR Magnet"; 4 724 412 "Method of Determining Coil Arrangement of an Actively Shielded Magnetic Resonance Magnet"; 4 800 354 "Superconducting Magnetic Resonance Magnet and method of Making Same"; 4 721 934 "Axial Strap Suspension System for a Magnetic Resonance Magnet".
Ein Paar ferromagnetischer Kompensationsringe 52 ist an der äußeren Oberfläche von dem Bohrungszylinder 14 koaxial zu der Bohrungsachse 36 und symmetrisch angeordnet zu dem Mittelpunkt 44 der Bohrungsachse angeschweißt. Die Kompensationsringe 52 können aus einem Stahl mit kleinem Kohlenstoffgehalt oder Flußeisen oder einem anderen Material mit einer hohen Sättigungsflußdichte hergestellt sein.
Für einen 0,5 Tesla Magneten mit drei Spulenpaaren A, B und C mit 216834,8, 90650,0 bzw. 51489,2 Amperewindungen sind die folgenden Abmessungen erfolgreich verwendet worden, um die Inhomogenitäten in einem Kugelvolumen von 40 cm Durchmesser, zentriert an dem Bohrungsmittelpunkt 44, auf weniger als 18 ppm zu verkleinern:
Die Magnetanordnung 10 hat einen Vakuumbehälterzylinder 12 aus Eisen, der als eine magnetische Abschirmung dient; der Zylinder 12 hat einen Außenradius von 837,36 mm (32,967 Zoll) und eine Dicke von 47,37 mm (1,865 Zoll). Die Endplatten 16 haben einen Bohrungsradius von 424,99 mm (16,732 Zoll) und eine Dicke von 47,37 mm (1,865 Zoll).
Die genauen Abmessungen und die Zusammensetzung der Kompensationsringe werden in Abhängigkeit von der jeweiligen Konfiguration des Magneten einschließlich der Amperewindungen der Magnetspulen, ihrer Radien und des axialen Abstands variieren.
Die gewünschte Länge des Magneten und die Anzahl der Spulenpaare und die Anzahl der Kompensationsringe sind vorbestimmt auf der Basis der Anwendung des Magneten und der physikalischen und kostenmäßigen Beschränkungen auf das System. Im allgemeinen gibt es einen Ausgleich (tradeoff) zwischen der Magnetlänge und der Anzahl der Spulen, Homogenität und Kosten. Wie erwähnt, kann die Verfügbarkeit an Raum an der Institution, die den Magneten benutzt, die Magnetlänge begrenzen.
Die Ermittlung der Lage der Spulen und ferromagnetischen Kompensationsringe in dem Magneten wird durch den nichtlinearen Einfluß der ferromagnetischen Kompensationsringe und der magnetischen Abschirmung auf das Magnetfeld kompliziert gemacht. Dies verhindert die einfache Superposition der Effekte auf jede Spule und jeden Ring bei der Ermittlung des Magnetfeldes innerhalb der Magnetbohrung. Stattdessen wird ein zweiteiliges, iteratives Verfahren verwendet, wie es in Figur 4 gezeigt ist.
Gemäß Figur 4 und Verfahrensblock 60 wird die Anzahl der Spulen 40 und Kompensationsringe 52 gewählt, wie auch die Begrenzungen für die Spulen- und Ringvariablen, speziell die axialen und radialen Abmessungen und Amperewindungen der Spulen und die axialen und radialen Abmessungen der Ringe. Die Begrenzungen sind Grenzen, außerhalb derer die Variablen sich nicht bewegen können. Beispielsweise ist die maxiale Magnetlänge spezifiziert, was die maxiale axiale Lage der Spulen und Ringe begrenzt. Ähnliche Begrenzungen bestehen für den minimalen und maximalen Spulen- und Ringradius und für die maxialen und minimalen Amperewindungen. Diese Beschwänkungen sind vorbestimmt auf der Basis der oben erörterten Ausgleiche. Die Abmessungen für die magnetische Abschirmung, falls vorhanden, werden ebenfalls gewählt.
Weiterhin wird am Prozeßblock 60 eine Zielflußdichte festgelegt, die Werte der Flußdichte an einer Reihe von Feldpunkten innerhalb des interessierenden Volumens 54 darstellt. Die Anfangswerte des Zielflusses werden gewählt, um für den gewünschten Wert der Homogenität des Magnetfeldes zu sorgen. Die Anzahl der Feldpunkte in dem Zielfluß wird gleich der Anzahl der Freiheitsgrade in der Spulenstruktur sein, wie es nachfolgend erläutert wird.
Am Prozeßblock 62 werden die Abmessungen der Spulen und Ringe unter Verwendung eines iterativen Newton-Raphson Verfahrens ermittelt, um den Zielfluß zu erzeugen, der an den jeweiligen Feldkpunkten spezifiziert ist. Dieses Verfahren wird auf einem Hochgeschwindigkeits-Computer durchgeführt, wie beispielsweise der VAX, die von Digital Equipment Corporation hergestellt wird. Die Variablen, die verändert werden können, und dementsprechend die Freiheitsgrade der Iteration sind: die axiale und radiale Lage und die Amperewindungen der Spulen, für jede Spule, und die axiale und radiale Lage der Ringe für jeden Ring. Die Flußdichte der Ringe wird als an ihrem Sättigungswert angenommen, und der Beitrag von jedem Ring und jeder Spule zu dem Feld an den Feldpunkten wird unter Verwendung des Biot-Savart Gesetzes berechnet.
Die in dem Prozeßblock 62 gewählten Variablen werden in ein Magnetmodellprogramm endlicher Elemente eingegeben, das ebenfalls auf einer VAX oder einem ähnlichen Computer laufen gelassen werden kann. Das Programm endlicher Elemente berechnet die tatsächliche Wirkung der magnetischen Abschirmung der Ringe auf das Magnetfeld an den Feldpunkten in dem interessierenden Volumen, wie es durch den Prozeßblock 63 angegeben ist.
Die Homogenität des axialen Magnetfeldes innerhalb des interessierenden Volumens wird an einem Entscheidungsblock 64 geprüft, und wenn die gewünschte Homogenität erreicht worden ist, wird das Programm am Prozeßblock 66 verlassen und die Spule wird mit den in dem Prozeßblock 62 ermittelten Variablen gefertigt.
Wenn die gewünschte Homogenität nicht erreicht worden ist, wird der Beitrag der magnetischen Abschirmung und der Kornpensationsringe auf das Magnetfeld an den Feldpunkten in der Newton-Raphson Iteration durch den Prozeßblock 68 konstant gehalten, und die Spulenpositionen werden durch das iterative Newton-Raphson Verfahren am Prozeßblock 70 erneut berechnet, wobei aber die Ringvariablen fest sind und nur die Spulenvanablen verändert werden. Die Schleife, die durch die Prozeß- und Entscheidungsblöcke 63 - 70 gebildet ist, wird wiederholt, bis die gewünschte Homogenität erhalten worden ist.
Programme endlicher Elemente (finite element programs), die zum Berechnen der Homogenität von Magnetfeldern geeignet sind, die durch stromführende Spulen in der Gegenwart von einer ferromagnetischen Abschirmung und ferromagnetischen Ringen erzeugt werden, sind kommerziell erhältlich von einer Anzahl von Lieferanten Computer-gestützter Ingenieurprodukte, wozu gehören: The MacNeal-Schwendler Corporation in Milwaukee, Wisconsin, und die Magnus Software Corporation in Woodlands, Texas, die beide ein Magnetmodellprogramm endlicher Elemente erzeugen, das für dieses iterative Verfahren geeignet ist.
Für den Fachmann wird deutlich, daß die Symmetrie von einem zylindrischen Magneten und die Symmetrie der Spulen- und Ringanordnung um den Bohrungsmittelpunkt 44 herum Einsparungen bei den Berechnungen erzielt. Es muß nur eine die Bohrungsachse enthaltende zweidimensionale Ebene betrachtet werden, und nur ein Viertel dieser Ebene, wie es durch die Bohrungsachse und eine laterale Achse definiert ist, die den Mittelpunkt 44 der Bohrungsachse in rechten Winkeln zu der Bohrungsachse 36 schneidet.
Die vorstehende Beschreibung ist diejenige von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Für den Fachmann wird deutlich, daß viele Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können Monte Carlo, steilster Abfall, oder lineare Programmiertechniken verwendet werden, um die optimalen Spulenund Ringpositionen mit den geeigneten Einschränkungen in den Magnetabmessungen und Amperewindungen zu ermitteln. Es können auch zusätzliche Ringe mit geeigneten Einstellungen in den Ring- und Spulenpositionen und -abmessungen verwendet werden.

Claims

1. Verfahren zum Verkürzen der Bohrungslange in einer zylindrischen Magneteinrichtung, die ein oder mehrere Magnetspulenpaare, die koaxial zu einer Bohrungsachse angeordnet sind zum Erzeugen eines Magnetfeldes entlang der Bohrungsachse, eine magnetische Abschirmung und einen oder mehrere ferromagnetische Kornpensationsringe aufweist, die koaxial um die Magnetbohrungsachse angeordnet sind zum Verkleinern von Magnetfeld-Inhomogenitäten, enthaltend die Schritte:

a) Wählen der Anzahl von Spulen und Ringe und Begrenzungen auf den axialen und radialen Spulenabmessungen und Begrenzungen auf den axialen und radialen Ringabmessungen;

b) Einstellen eines Zielflusses mit dem gewünschten Hornogenitätspegel für eine Anzahl von Feldpunkten in einem interessierenden Volumen in der Magnetbohrung;

c) Berechnen der axialen und radialen Spulenpositionen und Ampere-Windungen und der axialen und radialen Ringpositionen auf der Basis des Zielflusses;

d) Ermitteln der Homogenität in dem interessierenden Volumen durch Berechnen der Feldverteilungen aus der Abschirmung und den Ringen;

e) Konstanthalten der Feldverteilung von der Abschirmung und den Ringen;

f) erneutes Berechnen der axialen und radialen Spulenpositionen auf der Basis des neuen Zielflusses;

g) Wiederholen der Schritte d) - f), bis die gewünschte Homogenität erreicht worden ist;

h) Herstellen einer zylindrischen Magneteinrichtung auf der Basis der im Schritt g) ermittelten Konstruktion.