DE69322369T2

DE69322369T2 - Magnetstruktur mit reflektor

Info

Publication number: DE69322369T2
Application number: DE69322369T
Authority: DE
Inventors: Manilo G. New York Ny 10016 Abele; Henry Great Neck Ny 11203 Rusinek
Original assignee: New York University NYU
Current assignee: New York University NYU
Priority date: 1992-09-01
Filing date: 1993-08-18
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2013-08-19
Also published as: EP0610493A4; DE69332568T2; CA2127258A1; ATE229690T1; ES2187721T3; WO1994006132A1; EP0610493A1; EP0828263A1; EP0828263B1; US5278534A; ATE174128T1; EP0610493B1; DE69332568D1; ES2124323T3; DE69322369D1; AU5080493A

Description

Diese Erfindung ist auf die Bildung einer magnetischen Struktur zum Produzieren eines gleichförmigen Felds in einem Hohlraum gerichtet. Während die Erfindung insbesondere zur Verwendung bei einer NMR Abbildung geeignet ist, ist sie nicht auf dieses Feld einer Anwendung beschränkt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Eine NMR Brust-Abbildung, zum Beispiel, kann mit Ganzkörperabtasteinrichtungen durch Positionieren des Bereichs, der von Interesse ist, auf der Brustwand nahe der Mitte des Abbildungsbereichs durchgeführt werden. In traditionellen Abtasteinrichtungen ist der Abbildungsbereich gewöhnlich als ein quasi-sphärisches Volumen, konzentrisch zu der Mitte der Abtasteinrichtung, definiert, wobei das Feld die Gleichförmigkeits-Niveaus erfüllt, die durch die diagnostischen Erfordernisse vorgegeben sind. Falls eine solche Abtasteinrichtung für eine Brust-Abbildung verwendet wird, führt eine außermittige Position des Körpers zu einer sehr ineffizienten Nutzung eines Abtastinstruments, dessen Hohlraum so ausgelegt ist, groß genug zu sein, um den gesamten Körper eines Patienten aufzunehmen.
Im Prinzip kann irgendein Magnet so aufgebaut bzw. ausgelegt werden, um ein Feld zu erzeugen, dessen Mitte wahlweise innerhalb seines Hohlraums ausgewählt wird. Gewöhnlich führt eine Verschiebung der Mitte des Felds von der geometrischen Mitte des Hohlraums weg zu einer niedrigeren Gütezahl, d. h. mehr Energie ist erforderlich, um dasselbe Feld zu erzeugen. Falls der Magnethohlraum geschlossen würde, würde die Verschiebung der Feldmitte nicht notwendigerweise die Gleichförmigkeit des Felds beeinflussen. In einer praktischen Situation verschlechtern sich allerdings, falls der Hohlraum offen sein muß, sowohl die Gütezahl als auch die Gleichförmigkeit des Felds schnell, wenn sich die Feldmitte der Magnetöffnung annähert. Um denselben Wert des Felds und dieselbe Dimension des Abbildungsbereichs beizubehalten, muß demzufolge die Magnetgröße vergrößert werden.
Ein Beispiel dieses Phänomens ist ein superleitfähiger Flachbett-Magnet, wobei das Spulensystem unterhalb einer flachen Plattform, 3,9 Meter im Durchmesser, liegt und der Abbildungsbereich oberhalb der Plattform bei ungefähr 15 cm von seiner Oberfläche liegt. Das Streufeld eines solchen Magneten ist ziemlich groß, wobei die 5 Gauß Linie bei mehr als 10 Metern von der Mitte der Struktur liegt, wenn das Feld innerhalb des Abbildungsbereichs 0,2T beträgt (siehe "New Magnet Designs for MR", D. Hawksworth. Magnetic Resonance in Medicine, Vol. 9, Seiten 27-32, 1991).
Eine mit Joch versehene, offene Struktur zum Erzeugen eines gleichförmigen Felds in einem Hohlraum ist in "IEEE Transactions on Magnetics, Vol.28, No.1, Januar 1992, Seiten 931-934", beschrieben. Ein unterschiedliches Beispiel einer magnetischen Struktur, die konische Sektionen zum Erzeugen eines gleichförmigen Felds in einem zylindrischen Hohlraum umfaßt, insbesondere zum Fokussieren von Elektronenstrahlen in Elektronenröhren, ist in der US-A-3,227,931 offenbart.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Kurz angegeben ist die vorliegende Erfindung auf das Bilden einer magnetischen Struktur gerichtet, die einen Hohlraum definiert. Die Struktur umfaßt ein erstes Teil aus einem Material mit einer hohen Permeabilität, das eine flache Oberfläche besitzt, die eine erste Wand des Hohlraums definiert, und einen Teil eines permanentmagnetischen Materials, das von der flachen Oberfläche beabstandet ist, und ein gleichförmiges, magnetisches Feld in dem Hohlraum produziert. Das Teil aus permanentmagnetischem Material kann zwei oder mehr Schichten besitzen, wobei die Schichten nach außen des Hohlraums aus einem Material sind, das eine Remanenz besitzt, die nicht größer als die angrenzenden, inneren Schichten ist.

KURZE FIGURENBESCHREIBUNG

Damit die Erfindung deutlicher verstanden wird, wird sie nun in größerem Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen offenbart werden, wobei:
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer magnetischen Struktur gemäß der Erfindung; und
Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Quadranten einer Modifikation der magnetischen Struktur der Fig. 1.

DETAILLIERTE OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der Erfindung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, ist eine magnetische Struktur aus einem hoch starken Permanentmagneten 10, der zu einem rechwinkligen Hohlraum 20 hinweist, aufgebaut. Zum Beispiel kann der Permanentmagnet aus einem hoch starken, magnetischen Material, wie beispielsweise eine Nd · Fe-Legierung, aufgebaut sein. Ein magnetisches Element 11 mit einem dreieckförmigen Querschnitt ist mit einer Seite davon an eine Seite des Magneten 10 anstoßend positioniert und ein magnetisches Element 12 mit einem dreieckförmigen Querschnitt ist mit einer Seite davon an die gegenüberliegende Seite des Magneten 10 anstoßend positioniert. Ein weiteres magnetisches Element 13 mit einem dreieckförmigen Querschnitt ist mit einer Seite an eine Seite des magnetischen Elements 11 anstoßend und mit der anderen Seite eine zweite Seite des Hohlraums definierend positioniert. Ein weiteres magnetisches Element 14 mit einem dreieckförmigen Querschnitt ist mit einer Seite an eine Seite des magnetischen Elements 12 anstoßend und mit der anderen Seite eine dritte Seite des Hohlraums definierend positioniert. Die magnetischen Elemente der Struktur, die in Fig. 1 dargestellt ist, können gemäß dem US-Patent Nr. 5,162,771, herausgegeben am 10. November 1992, mit der Ausnahme aufgebaut werden, daß sich die magnetische Struktur der vorliegenden Erfindung nur auf einer Seite der Achse der Struktur, definiert in diesem Dokument, erstreckt.
Die Struktur, die in Fig. 1 dargestellt ist, kann ein Joch 15 besitzen. Gemäß der Offenbarung des vorstehenden Dokuments kann das Joch einen Bereich 16, der an die Seite des Magneten 10 gegenüberliegend des Hohlraums anstößt, und Bereiche 17 und 18, die sich unter rechten Winkeln von den Enden des Jochbereichs 16 zu der Ebene der verbleibenden Seite des Hohlraums 20 erstrecken, haben. Die Jochbereiche 17, 18 können von den äußeren Seiten der magnetischen Elemente 1-14 mit dem dreieckförmigen Querschnitt beabstandet sein.
Es wird natürlich verständlich werden, daß die Erfindungen nicht auf eine magnetische Struktur des vorstehenden Typs beschränkt sind, wobei es nur notwendig ist, eine magnetische Struktur zu schaffen, die drei Seiten eines rechtwinkligen Hohlraums definiert und einen gleichförmigen, magnetischen Fluß in dem Hohlraum produziert und normal zu der Ebene der offenen Seite des Hohlraums gerichtet ist.
Gemäß der Erfindung ist die vierte Seite des rechtwinkligen Hohlraums durch ein Element 30, wie beispielsweise ein Platte aus einem Material einer hohen Permeabilität, geschlossen. Für die Zwecke dieser Erfindung wird verständlich, daß sich der Ausdruck "hohe Permeabilität" auf ein Material bezieht, das eine Permeabilität größer als 10 besitzt. Es ist natürlich ersichtlich, daß das Element 30 von anderen Formen sein kann, so lange wie es eine flache Seite besitzt, die zu dem Hohlraum 20 hinweist. Dieses Element 30 besitzt einen hohen Permeabilitäts-"Spiegel" für das magnetische Feld. Aufgrund des Vorhandenseins des Spiegels ist der Abbildungsbereich in dem Hohlraum, wenn der Hohlraum in NMR-Anwendungen eingesetzt wird, ungefähr die Hälfte eines Sphäroids, der eine Mitte an der Spiegeloberfläche besitzt und wobei seine kleinere Dimension senkrecht zu der Spiegelfläche liegt. Die Anordnung der Fig. 1 eliminiert dadurch die Hälfte des magnetischen Materials, das, wie in einer herkömmlichen, magnetischen Struktur, erforderlich sein würde, falls der Abbildungsbereich ein voller Sphäroid sein würde.
Der Abbildungsbereich eines halben Sphäroids, der durch die Anordnung der Fig. 1 gebildet ist, ist besser für einige Abbildungsvorgänge als die herkömmlichen Strukturen geeignet. Er ist insbesondere für die Abbildung einer Teilkörperabbildung geeignet, wie zum Beispiel für eine NMR-Brustabbildung für eine Mammographie, wobei in einem solchen Fall der Patient mit dem Gesicht nach unten in dem Hohlraum mit den Brustwänden gegen oder nahe dem Spiegel positioniert wird. Diese Anordnung ermöglicht eine wesentliche Reduktion der Größe des Magneten aus dem Grund, daß die untere Hälfte der herkömmlichen Strukturen weggelassen wird.
Die Bohrungsgröße des Magneten wird primär durch den Körperquerschnitt vorgegegeben, wenn ein NMR-Magnet für eine Ganzkörperabbildung eingesetzt wird. Da in der Anordnung gemäß der Erfindung der Rücken des Patienten außerhalb des Abbildungsbereichs liegt, kann ein Freiraum zwischen dem Körper und der oberen Oberfläche des Magnethohlraums auf ein Minimum vergleichbar mit dem Einsatz der herkömmlichen Gradienten- und HF-Spulen (nicht dargestellt) verringert bzw. reduziert werden. Die sich ergebende Kosteneinsparung kann sehr wesentlich sein, da sie eine Reduktion in dem Volumen der Seltenerdlegierungen ermöglicht, die herkömmlich in solchen Magneten eingesetzt werden.
In der Anordnung der Fig. 1 ist es bevorzugt, daß der Magnet 10 und die Elemente 11-14 mit dreieckförmigem Querschnitt aus einem Material sind, wie beispielsweise eine Seltenerdlegierung. Das Volumen des Seltenerdmaterials, das erforderlich ist, kann allerdings durch Einsetzen von Techniken minimiert werden, wie sie in der PCT-Patentanmeldung WO-94/02951, veröffentlicht am 3. Februar 1994, offenbart sind. Demzufolge ermöglicht, wie in Fig. 2 dargestellt ist, eine Vielschichtanordnung das Erhalten einer mittleren Feldstärke unter viel geringeren Kosten als für ein Design mit einer einzelnen Schicht. Das optimale Design für ein Feld mit 0,4 Tesla besteht aus einem Zweischichtdesign, wobei die innere Schicht 10, 11, 12 eine Nd.Fe.B-Legierung ist, die gemäß der Offenbarung des US-Patents 5,162,771 aufgebaut ist, und die externe Schicht 40, 50, 60 ist aus Ferrit, das eine niedrigere Remanenz als diejenige der inneren Schicht besitzt, gemäß der PCT-Patentanmeldung WO-94/02951. Die äußere Schicht umfaßt ein Ferrit-Element 40, das im wesentlichen parallel zu dem Element 10 liegt, einen dreieckförmigen Abschnitt 50, der an die Enden des Abschnitts 40 anstößt, und einen weiteren, dreieckigen Querschnitt 60, der sich zwischen dem Abschnitt 50 und dem Spiegel 30 erstreckt. In der dargestellten Struktur sind sowohl die innere Schicht als auch die äußere Schicht Hybrid- Strukturen, wobei jede so ausgelegt ist, um ein Feld mit 0,2 Tesla innerhalb des rechtwinkligen Hohlraums zu erzeugen. Die äußere, starke Linie 62 bezeichnet ein Joch, dessen Funktion diejenige ist, den Fluß, der nur durch die Ferrit-Schicht erzeugt ist, zu schließen.
Fig. 2 stellt auch ein Teiljoch 65 dar, das die Nd.Fe.B-Schicht von der Ferrit-Schicht von der Ferrit-Struktur und eine Hochpermeabilitätsplatte 70 an der Zwischenfläche zwischen der Nd.Fe.B-Struktur und dem Hohlraum trennt. Die Platte 70 ist so ausgelegt, um die räumlichen Hoch-Frequenzkomponenten der Magnetisierungs- Toleranzen herauszufiltern. Andere Filterkomponenten und Trimmelemente sind nicht dargestellt.
Zusätzlich stellt Fig. 2 die Vorsehung eines Shunts bzw. Nebenschlusses 80 aus magnetischem Material, zum Beispiel aus Ferrit, dar, der sich zwischen dem Joch 65 und dem Spiegelelement 30 erstreckt. Dieser Shunt, wie er in der PCT Patentanmeldung WO-94/02951 offenbart ist, ermöglicht weitere Reduktionen in der erforderlichen Menge eines hoch festen bzw. hoch starken, magnetischen Materials in der magnetischen Struktur.
Zwei wesentliche Merkmale der Anordnung der Fig. 2 sind:
1. Aufgrund der relativ kleinen, vertikalen Dimension des Abbildungsbereichs relativ zu der Höhe des Hohlraums (in der Größenordnung von 0,2) ist ein hoher Grad einer Feldgleichförmigkeit leichter erhaltbar als in einer herkömmlichen Ganzkörperabtasteinrichtung, wobei das Verhältnis derselben zwei Dimensionen in der Größenordnung von 0,5 liegt.
2. Das Vorhandensein des magnetischen Spiegels gestaltet die abschließende Trimmung der magnetischen Struktur so effektiv, als wäre sie auf einer geschlossenen Oberfläche, die vollständig den Abbildungsbereich umschließt, ausgeführt, da der Spiegel auch die trimmenden bzw. schimmernden Komponenten abbildet, die auf der innenseitigen Oberfläche der magnetischen Struktur verteilt sind.
Die Magnetstruktur gemäß der Erfindung besitzt die nachfolgenden Vorteile:
1. Ein Doppel-Schicht-Design, das ein Produktmaterial mit einer niedrigen Energie für eine äußere Schicht verwendet, macht es ökonomisch durchführbar, ein Feld mit 0,4T mit der Magnetstruktur der Erfindung zu erzeugen.
2. Ein Hybrid-Design für jede Schicht einer solchen Struktur stellt eine effiziente Nutzung des Materials sicher.
3. Das Schließen des Flusses der inneren Schicht über ein Produktmaterial mit niedriger Energie reduziert weiterhin die Kosten der Struktur.
4. Der magnetische Spiegel plaziert den Abbildungsbereich auf der unteren, horizontalen Seite des Magnethohlraums, um dadurch besser die magnetische Struktur an einige Typen einer Abbildung, wie beispielsweise eine Brustwandabbildung, anzupassen.
5. Ein Trimmen der magnetischen Struktur der Erfindung nutzt nur die Harmonischen, die symmetrisch in Bezug auf den Spiegel sind.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine beschränkte Anzahl von Ausführungsformen offenbart und beschrieben worden ist, wird ersichtlich werden, daß Variationen und Modifikationen darin vorgenommen werden können.

Claims

1. Magnetischer Aufbau, der einen Hohlraum (20) mit einem rechtwinkligen Querschnitt mit einem gleichförmigen, magnetischen Feld darin besitzt, der ein Element aus einem Material (30) mit einer hohen Permeabilität, das eine flache Oberfläche besitzt und so positioniert ist, um eine Wand des Hohlraums (20) zu definieren, und eine magnetische Struktur (10-14) zumindest teilweise aus einem permanentmagnetischen Material, das drei weitere Wände des Hohlraums (20) definiert, aufweist, wobei die magnetische Struktur (10-14) ein erstes, magnetisches Teil (10) eines rechtwinkligen Querschnitts, das eine Oberfläche besitzt, die von der flachen Oberfläche des Elements aus Material (30) mit hoher Permeabilität beabstandet ist, aufweist, wobei die flache Oberfläche und die Oberfläche der Struktur des magnetischen Materials (10) gegenüberliegende Wände des Hohlraums (20) definieren, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Struktur (10-14) weiterhin eine Vielzahl von zweiten, magnetischen Teilen (11-14) in der Form von dreieckförmigen Prismen aufweist, die flache Oberflächen besitzen, die sich zwischen gegenüberliegenden Enden des ersten Teils (10) und der flachen Oberfläche erstrecken.

2. Magnetischer Aufbau nach Anspruch 1, der weiterhin ein Teiljoch (65) auf der magnetischen Struktur (10-14) und beabstandet von der flachen Oberfläche und einen magnetischen Shunt (80) aus magnetischem Material mit einer Remanenz niedriger als diejenige der magnetischen Struktur (10-14), die sich zwischen dem Joch (65) und der flachen Oberfläche erstreckt, aufweist.

3. Magnetischer Aufbau nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberfläche der magnetischen Struktur (10-14) flach ist und parallel zu der flachen Oberfläche liegt.

4. Magnetischer Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, der weiterhin eine Schicht (40, 50, 60) aus magnetischem Material, das die magnetische Struktur (10-14) auf den Seiten davon außerhalb des Hohlraums (20) umgibt, aufweist, wobei die Schicht (40, 50, 60) aus einem magnetischen Material einer niedrigeren Remanenz als diejenige der magnetischen Struktur (10-14) aufgebaut ist.

5. Magnetischer Aufbau nach Anspruch 4, der weiterhin ein Joch (62) auf der Schicht (40, 50, 60) des magnetischen Materials aufweist.

6. Magnetischer Aufbau nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich die Schicht (40, 50, 60) des magnetischen Materials zu der flachen Oberfläche hin erstreckt.