-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern zur
Verwendung in Kernresonanz- (Nucelar Magnetic Resonance - NMR) Geräten.
-
Herkömmlicherweise besitzt ein NMR-Gerät einen großen, solenoidalen Magneten, der
ein Magnetfeld mit hoher Stärke innerhalb seiner Bohrung erzeugt, mit einem
Arbeitsbereich in der Mitte der Bohrung, wo die Magnetfeldstärke im wesentlichen gleichförmig
ist. Um die hohen Stärken, die für NMR-Abbildungsexperimente erforderlich sind, zu
erreichen, müssen supraleitende Solenoide verwendet werden, wobei das supraleitende
Material in großen Cryostaten untergebracht ist. Zusätzlich wird, um ein Experiment
durchzuführen, ein Gradientenspulensystem vorgesehen, das gewöhnlich aus
Widerstandsleitern gebildet ist, um magnetische Gradienten dem Feld innerhalb des
Arbeitsbereichs zu überlagern. Im Betrieb wird eine Probe, die untersucht werden soll, in die
Bohrung des Magneten so eingesetzt, daß der Bereich der Probe, der untersucht
werden soll, innerhalb des gleichförmigen Arbeitsbereichs angeordnet ist, und das
Experiment wird dann durchgeführt. Um einen maximalen Raum für die Probe zuzulassen, wird
das Gradientenfeldsystem nahe zu der inneren Oberfläche der Hauptspulen positioniert
und dies führt zu einer Anzahl von Nachteilen. Insbesondere ist eine signifikante
Kopplung zwischen den Gradientenspulen und der umgebenden Magnetstruktur vorhanden.
Zum Beispiel ändern sich, immer wenn der Strom in einer Gradientenspule geändert
wird, die den Fluß schneidenden, leitenden Teile der Magnetstruktur so, um eine EMK
und einen entgegengesetzten Wirbelstrom zu induzieren. Dies reduziert die
Geschwindigkeit, bei der jede Gradientenänderung erreicht werden kann, und demzufolge die
Geschwindigkeit des gesamten Experiments. Weiterhin müssen hohe Ströme auf die
Gradientenspulen beaufschlagt werden, um nützliche Magnetfeldgradienten zu erreichen,
und Änderungen in diesen Strömen führen auch zu großen Wirbelströmen.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zum Erzeugen von
Magnetfeldern zur Verwendung in einem NMR-Gerät eine ein primäres Magnetfeld erzeugende
Einrichtung zum Erzeugen eines primären Magnetfelds, das im wesentlichen homogen
in einem Arbeitsbereich ist, wobei die das primäre Magnetfeld erzeugende Einrichtung
so aufgebaut ist, daß ein Objekt, das geprüft werden soll, von der Außenseite der
Vorrichtung in den Arbeitsbereich in einer Richtung quer zu der Richtung eines
Magnetflusses durch den Arbeitsbereich eingeführt werden kann; und eine ein
Gradientenmagnetfeld erzeugende Einrichtung zum Aufbringen eines oder mehrerer
Magnetfeldgradient(en) durch den Arbeitsbereich auf, wobei die das Gradientenmagnetfeld
erzeugende Einrichtung relativ zu der das primäre Magnetfeld erzeugenden Einrichtung zum
Positionieren lokal zu der Position eines Objekts, das in dem Arbeitsbereich untersucht
werden soll, bewegbar ist.
-
Man hat eine vollständig neue Form einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds
konstruiert, die eine neue Maßnahme zum Aufbau und zur Verwendung eines
NMR-Geräts darstellt. Die das Gradientenmagnetfeld erzeugende Einrichtung (typischerweise in
der Form von geeignet aufgebauten Spulen) kann angrenzend zu oder innerhalb des
Arbeitsbereichs selbst plaziert werden und sogar in Kontakt mit dem Objekt, das
untersucht werden soll, und so entfernt von der das primäre Magnetfeld erzeugenden
Einrichtung. Dies hat eine Anzahl von signifikanten Vorteilen
-
1. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird durch Erniedrigung der Separation
zwischen der das Gradientenmagnetfeld erzeugenden Einrichtung und dem Objekt
verbessert.
-
2. Das kleine Volumen, das durch die das Gradientenmagnetfeld erzeugende
Einrichtung definiert ist, und der offene Zugang zu der das primäre Magnetfeld
erzeugenden Einrichtung entfernt den größten Teil des Wirbelstroms zwischen den beiden.
-
3. Die Verwendung der Vorrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern des Typs mit
offenem Zugang in dem Fall einer NMR-Abbildung eines menschlichen Körpers
ermöglicht, daß ein Patient innerhalb des Hauptfelds quer zu seinem Körper
positioniert werden kann, was die Verwendung von solenoidalen HF-Spulen zum
Liefern der HF-Impulse, die bei einem Abbildungsexperiment notwendig sind,
ermöglicht.
-
4. Abschnitte spezifischer HF-Spulen können so aufgebaut werden, daß sie einen
hohen Q-Faktor für eine höhere Effektivität haben.
-
5. Starke, ein Gradientenmagnetfeld erzeugende Einrichtungen nahe zu dem Objekt
verbessern die Auflösung.
-
6. Schnelle Gradientenanstiegsraten sind möglich.
-
7. Ein hoher Patientenkomfort und niedrige, akustische Emissionen werden erreicht,
die insbesondere in dem Fall einer Abbildung eines menschlichen Körpers
vorteilhaft sind.
-
8. Kostengünstige Komponenten können für traditionell teure Elemente verwendet
werden.
-
9. Eine höhere Effektivität wird erreicht, da weniger Strom für einen gegebenen
Gradienten verglichen mit einem herkömmlichen NMR-Gerät benötigt wird.
-
Ebenso wie das Schaffen einer ein lokales Gradientenmagnetfeld erzeugenden
Einrichtung ermöglicht die Erfindung auch, daß lokale HF-Spulen verwendet werden, und in
einer besonders vorteilhaften Anordnung können die das Gradientenmagnetfeld
erzeugende Einrichtungen und die HF-Spulen auf demselben Schablonenteil, ob nun flach
oder in der Form eines kleinen, zylindrischen Rohrs, befestigt werden, was zu einer
besonders effizienten, mechanischen Einheit führt.
-
Die das primäre Magnetfeld erzeugende Einrichtung kann verschiedene Formen
annehmen, wie dies zum Beispiel in der EP-A-01 87691 (US-A-4689591) oder der
EP-A-0186998 beschrieben ist. Eine weitere Möglichkeit ist ein C-förmiger Magnet.
-
Typischerweise wird die ein primäres Magnetfeld erzeugende Einrichtung durch eine
supraleitende Anordnung gebildet werden, wie beispielsweise eine oder mehrere
supraleitende Spule(n), obwohl eine Anordnung, die Hochtemperatur-Keramiksupraleiter
oder Permanentmagneten verwendet, auch möglich sein kann.
-
Wie vorstehend erwähnt worden ist, ist einer der Hauptvorteile der Erfindung die lokal
positionierte, ein Gradientenmagnetfeld erzeugende Einrichtung. In einer
Ausführungsform ist dasjenige, das vorgesehen ist, eine Gradientenspulenstruktur (ebenso wie ein
HF-Meßfühler), die eng mit dem abgebildeten Objekt derart gekoppelt ist, daß für
irgendeine Abtastung das Sichtfeld den ungefähr linearen Bereich des Gradientenfelds
anpaßt. Die Aufgabe ist es, intensive Gradientenimpulse zu schaffen, um Spins aus der
Phase zu bringen, allerdings schwächere Gradienten für eine Echosammlung zu
verwenden, um übermäßige Abbildungsbandbreiten zu vermeiden. Eine sehr signifikante
S/N-Verstärkung ist durch eine frühere Echoerfassung (aufgrund des exponentiellen
Abfalls des Signals) und eine weitere Verstärkung durch eine aufeinanderfolgende
Echoaddition, wenn die Echozeit kurz verglichen zu T2 ist, errreichtbar. Typischerweise
entspricht eine frühere Echomessung um einen Faktor 2 einer Erhöhung im Feld
ungefähr einem Faktor 1,6, in diesem Fall ein Feld von 0,24T. Weiterhin ist dabei eine
Erhöhung von ungefähr einem Faktor 1,5 in S/N vorhanden, wenn 6 aufeinanderfolgende
Echos für ein Verhältnis 0,2 Echozeit zu T2 addiert werden, was in der Theorie
bedeutet, daß man nun ein Feld von 0,36T erreichen kann. Um von diesen Aspekten
Gebrauch zu machen, kann eine Zielgröße von weniger als 10ms Echozeit eingestellt
werden. Es ist anzumerken, daß eine typische Echozeit von 20m5 auf "herkömmlichen"
Systemen erreicht wird und Gewebe-T2 in der Größenordnung von Soms oder mehr
liegen. Ganzkörpersysteme liefern etwa 0,1 Gauß/cm bis höchstens 1,0 Gauß/cm, und hier
schlägt man vor, mindestens 10 Gauß/cm zu erreichen. Weiterhin muß erkannt werden,
daß eine Echo-Addition gewöhnlich nicht möglich ist, ohne daß HF-Impulse verwendet
werden, um eine statische Inhomogenität zu refokussieren.
-
Ein sehr wichtiger Aspekt für eine schnelle Gradientenumschaltung ist die
entsprechende Erzeugung von Wirbelströmen. Der Permanent-C-Sektionsmagnet sollte eine ihm
eigene niedrigere und geringer anhaltende (kürzere Dauer) Wirbelstromeigenheit
aufgrund der Natur der Materialien des Aufbaus haben. Eine Anzahl von Vorteilen werden
in der Bildqualität durch Arbeiten unter Abwesenheit von Wirbelströmen erhalten. Die
Felder, die durch Wirbelströme hervorgerufen werden, erzeugen zeitabhängige
Störungen des Felds, was die Abbildung verzerrt und die Auflösung herabsetzt. Dies
kann ernsthafte Konsequenzen haben, wenn eine Abbildung mit der Hilfe von
ableitenden Diagnostikinformationen basierend auf irgendwelchen volumetrischen Analysen von
Bildmerkmalen vorgenommen wird. Die Abwesenheit von zeitabhängigen Feldfehlern
ermöglicht viel längere Echozüge, die erreicht werden, um S/N zu verstärken. Durch
Bewegen der Gradientenspulenstrukturen von leitenden Oberflächen weg werden
Wirbelströme reduziert, da ein erhöhter Flußrückführpfad verfügbar ist, und ein größerer Spalt
zwischen einer primären Gradientenspule und leitenden Oberflächen liefert einen
erhöhten Raum, um ein effizientes Gradientenabschirmfeld zu entfalten.
-
Solenoidale HF-Spulen können verwendet werden, um die Probe zu umgeben, wenn die
Orientierung des Bo-Felds des Magnets unter rechten Winkeln zu der Hauptabmessung
der Probe liegt. Weniger effiziente, sattelförmige Spulen müssen in Verbindung mit
herkömmlichen Solenoidmagneten verwendet werden. Die solenoidale HF-Spule kann die
Probe umgeben, um einen hohen Füllfaktor zu geben und einen hohen Spulen-Q-Faktor
beizubehalten. Dies kann zu einer Verstärkung von bis zu 3 in S/N gegenüber
Sattelspulen führen.
-
Einzelwindungs- "Oberflächenspulen" könnten verwendet werden, um vollständig die
Probe zu umgeben, um weitere S/N-Verstärkungen zu erzeugen, da nur der Bereich, der
abgebildet wird, zu einem Rauschen beitragen würde. Eine Verlängerung zu einer
Vielfachscheibenabbildung könnte so sein, daß eine Reihe von Spulen verwendet wird, die
aktiv während der vollständigen Erfassungssequenz umgeschaltet werden.
-
Ein reduziertes Sichtfeld und die kollektiven S/N-Vorteile eines probenspezifischen
Gradienten und von HF-Spulen bedeutet, daß verwendbare 3D-Datensätze möglich sind
-
Abschätzungen für eine Abbildungszeit können für ein gegebenes HF-Spulenvolumen
und ein entsprechendes Voxel zu einem Empfängerspulenvolumenverhältnis
vorgenommen werden, wenn Protonen in flüssigkeitsähnlichen Proben abgetastet werden.
Proben, die ungefähr ein Abbildungsvolumen von 3 Kubikzentimetern erfordern und mit
unter 10ms Echozeiten, würden eine Vielfachscheibensequenz von 1 mal 1 mal 4mm
Auflösung in etwa einer halben Minute erhalten. Als ein anderes Beispiel könnten Proben
mit Dimensionen 10 mal 10 mal 5 cm Volumen in 10 einen halben cm dicken Scheiben
abgebildet werden, und zwar mit einer Auflösung von 2mm in 3 Minuten, wiederum mit
10ms Echozeit, und zwar unter Verwendung einer Solenoidspule. Für Proben in der
Form von Blättern bzw. Tafeln könnte eine Oberflächenspule oberhalb der Probe
verwendet werden, um einen Bereich mit einer kubischen Geometrie auszuwählen, wobei
ein Volumen von 10 mal 10 mal 5 cm in 5 einen cm dicken Scheiben mit einer Auflösung
von 2mm in 6 Minuten abgebildet werden würde.
-
Für eine wahre 3D-Abbildung sind gesteuerte Gleichgewichtssequenzen für die
"Nebelverstreuungs" bzw. "Fog Dispersal" -Maßnahme gut geeignet, da ein vollständiger Satz
Phasencodier-Schritte schnell angewandt werden kann (in der Größenordnung von
20ms pro Schritt), was eine erste 2D-Abbildung in ein paar Sekunden liefert und ein
3D-Volumen in einer Minute oder dergleichen. Die Abschätzungen vorstehend basieren
auf einer "erfolgreichen" Abbildungszeit bei 0,5T.
-
Die Erfindung kann in einer breiten Vielfalt von Bereichen angewandt werden,
einschließlich, allerdings nicht nur ganzer Körper, Körperteile und einer
Kernmagnetresonanzabbildung bei Tieren, sondern auch bei anderen industriellen und kommerziellen
Anwendungen, die die Identifikation, die Charakterisierung, Messung,
Qualitätssicherstellung und Steuerung von Materialien, Komponenten und Vorrichtungen einschließen.
Während nicht beabsichtigt ist, daß dies erschöpfend ist, könnten einige spezifische
Beispiele dieser Anwendungen eine Identifikation von Drogen oder explosiven
Materialien sein, eine Charakterisierung von Grünkörperkeramiken, eine Messung von
Ölsättigung und Permeabilität in gebohrten Kernen, eine Qualitätssicherstellung in einer
Polymer- und Keramikbearbeitung und einer Qualitätskontrolle bei Nahrungsmitteln oder
laminat- oder faserverstärkten Komposits.
-
Einige Beispiele von ein magnetisches Feld erzeugenden Anordnungen gemäß der
Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, in denen: --
-
Figur 1 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines ersten Beispiels;
-
Figur 2 stellt den C-Magneten in Figur 1 detaillierter dar;
-
Figur 3 zeigt eine schematische, perspektivische Ansicht eines zweiten Beispiels;
-
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch den primären Magneten, der in Figur 3 dargestellt
ist, detaillierter;
-
Figur 5 stellt einen kombinierten HF- und Gradientenspulensatz dar;
-
Figur 6 stellt die aktiven Bahnen der X-Gradientenspule und den schematischen
Flußpfad von jeder Gradientenhälfte, die über eine Symmetrie aufeinander einwirken, um
den notwendigen Gradienten von Bz mit Richtung X zu liefern, dar;
-
Figur 7 zeigt an, wie Bz in der Intensität mit x variiert; und
-
Figur 8 stellt ein Beispiel eines Gradientensystems basierend auf dem Beispiel der
Figur 6 dar.
-
Das Beispiel der Figur 1 basiert auf der Verwendung eines C-förmigen Magneten 1, der
einen U-förmigen Eisenkörper 2 (Figur 2) und ein Paar Ferritpolteile 3 aufweist. Ein
nicht-magnetischer Tisch 4 ist zwischen den Polteilen 3 positioniert, auf denen eine
Probe, die geprüft werden soll, bei der Verwendung liegt. Es wird anhand Figur 1 ersichtlich
werden, daß eine Probe in dem Bereich zwischen den Polteilen 3 sehr leicht positioniert
werden kann, wobei das meiste der Probe nicht durch die Magnetstruktur umgeben wird.
-
Ein zweites Beispiel ist in Figur 3 dargestellt, bei dem ein Solenoid-Magnet 5 auf einer
Seite eines Tischs 6 positioniert ist und einen vorspringenden, gleichförmigen Bereich
erzeugt, durch den der Tisch 6 hindurchführt. Der Aufbau des Solenoid 6 kann in
weiterem Detail in Figur 4 gesehen werden und ist ähnlich zu dem Solenoid, der in der
EP-A-0187691 beschrieben ist. Der Magnet 5 besitzt einen Satz koaxialer,
supraleitender Spulen, die innerhalb eines Cryostaten 5B positioniert sind.
-
Figur 5 stellt ein Beispiel eines kombinierten HF- und Gradientenspulensatzes zur
Verwendung mit irgendeinem der Systeme dar, die in den Figuren 1 und 3 dargestellt sind.
Die Gradientenspulen weisen ein Paar Z-Gradientenspulen 7A, 7B auf, die symmetrisch
um einen Ursprung 8 des Gradientenspulensatzes zum Erzeugen eines magnetischen
Gradienten in der Z-Richtung vorgesehen sind. Vier Paare von Y-Gradientenspulen 9A,
9B sind symmetrisch um den Ursprung 8 zum Erzeugen eines magnetischen
Feldgradienten in der Y-Richtung positioniert. Vier Paare von X-Gradientenspulen 10A, 10B
sind symmetrisch um den Ursprung 8 positioniert, um ein Gradientenmagnetfeld in der
X-Richtung zu erzeugen.
-
In der Praxis können unterschiedliche Anzahlen von X-, Y- und Z-Gradientenspulen
verwendet werden. In einem praktischen Beispiel sind die Leiter, die die
X-Gradientenspulen definieren, 42 an der Zahl, 21 in der Ebene Z = - 23 cm und 21 in der Ebene Z = + 23
cm relativ zu dem Ursprung 8. Die Leiter erstrecken sich von Y = - 40 cm bis
Y = + 40 cm und sind (Mittellinie) bei ± X = 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28, 32, 36, 40 cm und
X = 0 angeordnet.
-
Zusätzlich zu den Gradientenspulen sind zwei Paare von HF-Spulen 11A, 11B und 12A,
12B symmetrisch um den Ursprung 8 vorgesehen.
-
Alle Gradienten- und HF-Spulen sind auf einer Schablone (nicht dargestellt) befestigt,
so daß sie relativ zu dem Hauptmagneten bewegt und lokal zu der Probe, die inspiziert
werden soll, positioniert werden können.
-
Figur 6 stellt die X-Gradientenspulen 10A, 10B und in unterbrochenen Linien die Art und
Weise, in der sich die Komponente des magnetischen Felds in der Z-Richtung (Bz) in
der Intensität mit X variiert, dar.
-
Diese Variation ist auch in Figur 7 angegeben.
-
Figur 8 stellt schematisch ein Beispiel eines Gradientenspulensystems zur Verwendung
mit einem "flachen" Magneten des Typs dar, der in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist. Das
System weist zwei Sätze von Gradientenspulen 14, 15 auf, die Spulensätze des Typs
umfassen, der in Figur 5 dargestellt ist. Ein Arbeitsbereich wird zwischen den
Spulensätzen 14, 15 definiert. Die Spulensätze sind von jeweiligen Paaren Trägern 16, 17 in
der Form langgestreckter Stäbe frei hängend, wobei sich die Stäbe durch Öffnungen 18
in einer Platte 19 erstrecken und von einer Trägerplatte 20 abhängen. Die Öffnungen 18
umfassen Befestigungen (nicht dargestellt), die ermöglichen, daß die Stäbe 16, 17 an
irgendeiner Position befestigt werden, während ermöglicht wird, daß die Stäbe unter
Druck in der X-Richtung geglitten werden. Die laterale Position der Platte 19 und
demzufolge der Spulensätze 14, 15 entlang der Z-Achse wird durch Halten der Platte an
einem Stab 21, der gleitbar in einer Öffnung 22 eines Trägers 23 befestigt ist, kontrolliert.
-
Der Träger 23 ist gleitbar auf einer kreisförmigen Führung 24 gehalten, die sich durch
eine Bohrung 25 in dem Träger 23 erstreckt, um zu ermöglichen, daß der Träger 23
entlang der Führung geglitten wird und sich demzufolge die Gradientenspulensätze 14, 15
in der Y-Richtung bewegen.
-
Um die Vorteile lokal positionierter Gradientenspulen zu erkennen, wurden einige
einfache Berechnungen, basierend auf der Verwendung von solenoidalen Gradientenspulen,
ausgeführt. Aus diesen Berechnungen erhöht sich, wenn man einen Bogenradius
erniedrigt, dann das Bo-Feld mit 1/r und der Gradient erster Ordnung mit 1/r². Dies
bedeutet, daß eine Erniedrigung eines Zylinderschablonenteils von beispielsweise 750mm im
Durchmesser bis etwa 1 Somm eine Erhöhung in der Gradientenstärke nominal 25 mal
liefert. Eine Einstellung so, um eine Linearität beizubehalten, kann diese Verstärkung
reduzieren und flache Sätze können nicht möglich mit derselben Stärke pro Amp. wie
zylindrische Sätze sein. Allerdings erscheint es durchführbar, die Stärke von
Gradientspulen in dem Beispiel einer spezifischen Form um eine Größenordnung zu erhöhen.
-
Implikationen dieser Gradientenspulenstärke erhöhen sich mit den Leistungsverlusten
und Steuererfordernisse sind wesentliche Kosten. Kleinere Ströme produzieren
traditionelle Gradientenstärken und Spuleninduktanzen werden reduziert, um so dieselben
Steuerspannungen zu ermöglichen, um ein Gradientenfeld schneller umzuschalten. In
der Tabelle nachfolgend ist dieser Punkt für einen Gradientensatz, um zu einem
Scheibenmagnet von 1,2 m in der Länge zu passen, dargestellt. Es wird als durchführbar
angesehen, flache Abschnitte spezifischer Gradientenspulen schneller als zylindrische
Sätze zu steuern, die eng zu der Bohrung von solenoidalen Magneten passen, vielleicht
zwei- bis dreimal, während noch kostengünstige, lineare Leistungsverstärker, die für
etwa 150 Amp. bei 150 Volt ausgelegt sind, verwendbar sind. Grad ienten, die stärker als
diejenigen sind, die von den gesamten Körper-NMR-Sätzen verfügbar sind, würden
verfügbar sein, vielleicht bis zu 20mT/m mit einer schnellen Umschaltung, um große
Proben, wie beispielsweise Tragflächen, zu behandeln. Eine Linearität ist nicht untersucht
worden, allerdings unter Verwendung von Techniken, die für Ganzkörperspulen
entwikkelt worden sind, die Strömungsfluktuationen einsetzen, erscheint es, daß die
erforderliche Linearität für akzeptable Spuleneffektivitäten erzeugt werden kann.
TABELLE