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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf einen offenen supraleitenden Magneten, der verwendet wird,
um ein gleichmäßiges Magnetfeld
als Teil eines Diagnosesystem mit Magnetresonanzbildgebung (MRI
= magnetic resonance imaging) zu erzeugen.
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MRI-Systeme, die supraleitende oder
andere Arten von Magneten benutzen, werden auf verschiedenen Gebieten,
wie beispielsweise medizinischer Diagnostik verwendet. Bekannte
supraleitende Magneten umfassen mit flüssigem Helium gekühlte und Kryokühler-gekühlte supraleitende
Magneten. Für
einen Kryokühler-gekühlten Magneten
umfasst die supraleitende Spulenanordnung typischerweise eine supraleitende
Hauptspule, die von einer thermischen Abschirmung umgeben wird,
die von einem abgeschlossenen Vakuumraum umgeben wird. Ein Kryokühler-Kaltkopf
ist extern an dem abgeschlossenen Vakuumraum angebracht, wobei seine
erste Stufe in thermischem Kontakt mit der thermischen Abschirmung
und seine zweite Stufe in thermischem Kontakt mit der supraleitenden
Hauptspule ist.
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Bekannte supraleitende Magnetausgestaltungen
umfassen geschlossene Magneten und offene Magneten. Geschlossene
Magnete (siehe z. B. das an Ige et al. erteilte US-Patent 5 237
300) weisen typischerweise eine einzige röhrenförmige supraleitende Spulenanordnung
mit einem Loch auf. Die supraleitende Spulenanordnung umfasst mehrere
radial ausgerichtete und longitudinal voneinander beabstandete supraleitende
Hauptspulen, die jeweils einen großen identischen Strom in der
gleichen Richtung führen.
Die supraleitenden Hauptspulen sind somit ausgestaltet, um ein Magnetfeld
hoher Gleichförmigkeit
innerhalb eines sphärischen
Bildgebungsvolumen zu erzeugen, das innerhalb des Lochs des Magneten
zentriert ist, wo das abzubildende Objekt platziert wird. Eine einzige
röhrenförmige supraleitende Abschirmungsanordnung
kann ebenfalls verwendet werden, um zu verhindern, dass das hohe
Magnetfeld, das von den Hauptspulen erzeugt wird und diese umgibt,
nachteilig mit elektronischen Gerät in der Nähe des Magneten wechselwirkt.
Eine derartige Abschirmungsanordnung umfasst mehrere radial ausgerichtete
und longitudinal voneinander beabstandete supraleitende Abschirmungsspulen,
die jeweils einen elektrischen Strom einer im allgemeinen gleichen
Stromstärke
jedoch in einer zu dem in den Hauptspulen geführten elektrischen Strom entgegengesetzten
Richtung führen,
und radial äußerlich
von den Hauptspulen positioniert sind.
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Offene Magneten (siehe z. B. das
an Ige et al. erteilte US-Patent 5 291 169) benutzen typischerweise
zwei voneinander beabstandete supraleitende Spulenanordnung, wobei
der Raum zwischen den Anordnungen einen Zugriff durch medizinisches
Personal für
Chirurgie oder andere medizinische Verfahren während der MRI-Bildgebung ermöglichen.
Der Patient kann in diesem Raum oder ebenfalls in dem Loch der torusförmigen Spulenanordnung
positioniert sein. Der offenen Raum hilft dem Patienten, etwaige
Gefühle
einer Klaustrophobie zu überwinden, die
bei einer geschlossenen Magnetausgestaltung empfunden werden können. Offene
Magnete können passiv
abgeschirmt werden, wobei dies jedoch die Offenheit des Magneten
wegnehmen würde.
Die Abschirmung des Raums (anstelle des Magneten) ist zu kostenaufwendig,
um es bei vielen Installationen in Betracht zu ziehen.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen offenen supraleitenden MRI-Magneten mit supraleitender Abschirmung
bereit.
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Der offene Magnet für die Magnetresonanzbildgebung
der Erfindung umfasst eine torusförmige supraleitende erste Spulenanordnung
mit einer ringförmigen
supraleitenden ersten Hauptspule, einer torusförmigen supraleitenden zweiten
Spulenanordnung, die longitudinal von der ersten Spulenanordnung
beabstandet ist und eine ringförmige
supraleitende zweite Hauptspule aufweist, und mindestens zwei voneinander
beabstandete parallele Zwischenspulen-Montagesäulen, die jeweils ein an der
ersten Spulenanordnung befestigtes erstes Ende und jeweils ein an
der zweiten Spulenanordnung befestigtes zweites Ende aufweisen,
wobei der Magnet ebenfalls eine ringförmige supraleitende erste Abschirmungs anordnung
mit einen Innendurchmesser aufweist, der größer als der Außendurchmesser
der ersten Spule ist, wobei die erste Abschirmungsanordnung longitudinal
von der ersten Spulenanordnung in entgegengesetzter Richtung zu
der zweiten Spulenanordnung beabstandet ist, und der Magnet ebenfalls mindestens
zwei voneinander beabstandete erste Montagesäulen aufweist, die jeweils
ein Ende an der ersten Spulenanordnung und ein anderes Ende an der
ersten Abschirmungsanordnung befestigt haben. Der Magnet umfasst
ferner eine ringförmige
supraleitende zweite Abschirmungsanordnung mit einer ringförmigen supraleitenden
zweiten Abschirmungsspule, die einen Innendurchmesser aufweist,
der größer als
der Außendurchmesser
der zweiten Hauptspule ist, wobei die zweite Abschirmungsanordnung
longitudinal von der zweiten Spulenanordnung beabstandet ist und
der Magnet ferner mindestens zwei voneinander beabstandete zweite
Montagesäule
umfasst, die jeweils ein Ende an der zweiten Spulenanordnung und
ein anderes Ende an der zweiten Abschirmungsanordnung befestigt
haben. Alle ersten und zweiten Spulenanordnungen und Hauptspulen sowie
die ersten und zweiten Abschirmungsanordnungen und Abschirmungsspulen
sind koaxial ausgerichtet.
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Verschiedener Nutzen sowie verschiedene Vorteile
werden aus der Erfindung hergeleitet. Die ringförmige Abschirmungsspulenanordnung
(mit supraleitender Abschirmungsspule) und voneinander beabstandete
Montagesäulenausgestaltung,
die zu jeder der supraleitenden Spulenanordnungen hinzugefügt wird,
ergibt einen offenen MRI-Magneten, der abgeschirmt wird, während die
Offenheit des Magneten beibehalten wird. Eine derartige Offenheit
ermöglicht
den Zugriff durch medizinisches Personal für Chirurgie oder andere medizinische
Verfahren während
der MRI-Bildgebung sowie ebenfalls dem Patienten zu helfen, etwaige
Gefühle
von Klaustrophobie zu überwinden,
die ansonsten empfunden werden können.
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Die begleitenden Zeichnungen veranschaulichen
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, in denen zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht des offenen supraleitenden MRI-Magneten
der Erfindung mit der supraleitenden Abschirmung des Magneten, wobei
jedoch der begleitenden Kryokühler-Kaltkopf
und die Bodenhalterung zwecks Klarheit weggelassen sind; und
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2 eine
schematische Seitenquerschnittsaufriss des MRI-Magneten von 1, wobei ein Kryokühler-Kaltkopf
und eine Magnetbodenhalterung hinzugefügt sind.
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Mit Bezug nun auf die Zeichnungen,
bei denen gleiche Ziffern überall
gleiche Elemente darstellen, zeigen 1 bis 2 den offenen Magneten für die Magnetresonanzbildgebung
(MRI-Magnet) 10. Der Magnet 10 umfasst eine torusförmige supraleitende erste
Spulenanordnung 12, eine torusförmige supraleitende zweite
Spulenanordnung 14, die longitudinal von der ersten Spulenanordnung 12 beabstandet
ist, und eine Mehrzahl (vorzugsweise vier) beabstandeter paralleler
Zwischenspulenmontagesäulen 16,
die jeweils ein an der ersten Spulenanordnung 12 befestigtes
erste Ende 18 und ein an der zweiten Spulenanordnung 14 befestigtes
zweites Ende 20 aufweisen. Der Magnet 10 umfasst
ebenfalls eine ringförmige supraleitende
erste Abschirmungsanordnung 22, die von der ersten Spulenanordnung 12 beabstandet
ist, gegenüberliegend
der Zwischenspulenmontagesäulen 16,
und ebenfalls eine Mehrzahl (vorzugsweise sechs) voneinander beabstandeter
erster Montagesäulen 24 umfasst,
die jeweils ein an der ersten Abschirmungsanordnung 22 befestigtes
Ende 26 und ein an der ersten Abschirmungsanordnung befestigtes
andere Ende aufweisen. Der Magnet 10 umfasst ferner eine
ringförmige
supraleitende zweite Abschirmungsanordnung 30, die von
der zweiten Spulenanordnung 14 beabstandet ist, gegenüberliegend
den Zwischenspulenmontagesäulen 16,
und umfasst ferner eine Mehrzahl (vorzugsweise sechs) beabstandeter
zweiter Montagesäulen 32,
die jeweils ein an der zweiten Spulenanordnung 14 befestigtes
eine Ende 34 und ein an der zweiten Abschirmungsanordnung 30 befestigtes
anderes Ende 36 aufweisen.
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Die erste Spulenanordnung 12 umfasst
eine ringförmige
supraleitende erste Hauptspule 38, und die erste Abschirmungsanordnung 22 umfasst
eine ringför mige
supraleitende erste Abschirmungsspule 40 mit einem Innendurchmesser,
der größer als
der Außendurchmesser
der Hauptspule 38 ist. Ebenso umfasst die zweite Spulenanordnung 14 eine
ringförmige
supraleitende zweite Hauptspule 42 und die zweite Abschirmungsanordnung 30 eine
ringförmige supraleitende
zweite Abschirmungsspule 44 mit einem Innendurchmesser,
der größer als
der Außendurchmesser
der zweiten Hauptspule 42 ist. Alle ersten und zweiten
Spulenanordnungen 12 und 14, die Hauptspulen 38 und 42,
die ersten und zweiten Abschirmungsanordnungen 22 und 30 und
die Abschirmungsspulen 40 und 44 sind koaxial
mit einer gemeinsamen Längsachse 46 ausgerichtet.
Es sei bemerkt, dass die ersten und zweiten Montagesäulen 24 und 32 die
axial abstoßende
elektromagnetische Kraft an der ersten und zweiten Abschirmungsspulen 40 und 44 tragen.
Um die Magnetfeldinhomogenität innerhalb
des Bildgebungsvolumens 48 (in 2 mit gepunkteter Linie gezeigt) des
offenen MRI-Magneten 10 auf Pegel zu verringern, die zur
medizinischen Bildgebung annehmbar sind, umfasst die erste Spulenanordnung 12 zusätzlich eine
erste Kompensationsspule 50 und die zweite Spulenanordnung 14 zusätzlich eine
zweite Kompensationsspule 52.
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Die erste Hauptspule 38 führt einen
elektrischen Strom in einer ersten Richtung. Als erste Richtung
wird definiert, entweder eine Umfangsrichtung im Uhrzeigersinn oder
entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn um die Längsachse 46 zu sein,
wobei eine etwaige geringfügige
longitudinale Komponente der Stromrichtung ignoriert wird. Die erste
Abschirmungsspule 40 (sowie auch die erste Kompensationsspule 50)
führt einen
elektrischen Strom in einer der ersten Richtung entgegengesetzten
Richtung (d.h. in einer Richtung entgegengesetzt der Richtung des
von der ersten Hauptspule 38 geführten elektrischen Stroms).
Die zweite Hauptspule 42 führt einen elektrischen Strom
in der gleichen Richtung wie für denjenigen
der ersten Hauptspule 38, wobei die zweite Abschirmungsspule 44 einen
elektrischen Strom in der gleichen Richtung wie derjenige der ersten
Abschirmungsspule 40 führt,
und die zweite Kompensationsspule 52 einen elektrischen
Strom in der gleichen Richtung wie für denjenigen der ersten Kompensationsspule 50 führt. Vorzugsweise
weisen alle Ströme
eine gleiche Stromstärke
auf.
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Die erste Spulenanordnung 12 umfasst
eine erste Hauptspulenform 54, die die erste Hauptspule 38 (und
die erste Kompensationsspule 50) trägt, eine thermische Abschirmung 56,
die allgemein von der ersten Hauptspule 38 und der ersten
Hauptspulenform 54 beabstandet ist und diese umgibt, und
ein Gehäuse 58,
das von der thermischen Abschirmung 56 der ersten Spulenanordnung 12 beabstandet
ist und diese umgibt. Die erste Abschirmungsanordnung 22 umfasst
eine erste Abschirmungsspulenform 60, die die erste Abschirmungsspule 40 trägt, eine
thermische Abschirmung 62, die von der ersten Abschirmungsspule 40 und
der ersten Abschirmungsspulenform 60 beabstandet ist und
diese umgibt, und ein Gehäuse 64,
das von der thermischen Abschirmung 62 der ersten Abschirmungsanordnung 22 beabstandet
ist und diese umgibt. Mindestens eine (und vorzugsweise alle) der
ersten Montagesäulen 24 umfasst
ein zentrales Element 66, das in thermischen Kontakt mit
der ersten Abschirmungsspulenform 60 und der ersten Hauptspulenform 54 ist,
eine thermische Abschirmung 68, die das erste zentrale
Element 66 umgibt und in thermischen Kontakt mit der thermischen
Abschirmung 62 der ersten Abschirmungsanordnung 22 und
der thermischen Abschirmung 56 der ersten Spulenanordnung 12 ist,
und ein Gehäuse 70, das
von der thermischen Abschirmung 68 der mindestens einen
ersten Montagesäule 24 beabstandet ist
und diese umgibt und in thermischen Kontakt mit dem Gehäuse 64 der
ersten Abschirmungsanordnung 22 und dem Gehäuse 58 der
ersten Spulenanordnung 12 ist.
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Die zweite Spulenanordnung 14 ist
ein Spiegelbild der ersten Spulenanordnung 12 um eine Ebene 72 (hochkant
als eine gestrichelte Linie in 2 gezeigt),
die senkrecht zu den Zwischenspulenmontagesäulen 16 (und senkrecht
zu der Längsachse 46) orientiert
und äquidistant
von den ersten und zweiten Spulenanordnungen 12 und 14 angeordnet
ist. Ebenso ist die zweite Abschirmungsanordnung 30 ein Spiegelbild
der ersten Abschirmungsanordnung 22 um die Ebene 72,
und die Mehrzahl der voneinander beabstandeten zweiten Montagesäulen 32 ist
ein Spiegelbild der Mehrzahl der um die Ebene 72 voneinander
beabstandeten ersten Montagesäulen 24.
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Ein Kryokühler-Kaltkopf 74 (wie
beispielsweise derjenige eines herkömmlichen Gifford Mc Mahon-Kryokühlers),
der ebenfalls Teil des Magneten 10 ist, umfasst ein an
dem Gehäuse 58 der
ersten Spulenanordnung 12 befestigtes Gehäuse 76.
Der Kryokühler-Kaltkopf 74 weist
eine erste und eine zweite Stufe 80 auf. Die erste Stufe 78 ist
in thermischen Kontakt mit der thermischen Abschirmung 56 der
ersten Spulenanordnung 12 und wird bei einer Temperatur
von 40 Kelvin gehalten. Die zweite Stufe 80 ist
in thermischen Kontakt mit der ersten Hauptspulenform 54 der
ersten Spulenanordnung 12 und wird bei einer Temperatur
von 10 Kelvin gehalten.
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Mindestens eine (und vorzugsweise
alle) der Zwischenspulenmontagesäulen 16 weist
ein inneres Element 82 auf, das in thermischen Kontakt
mit der ersten Hauptspulenform 54 ist. Die mindestens eine Zwischenspulenmontagesäule 16 weist
ebenfalls eine thermische Abschirmung 84 auf, die von dem
inneren Element 82 getrennt und dieses umgibt und in thermischen
Kontakt mit der thermischen Abschirmung 56 der ersten Spulenanordnung 12 ist.
Die mindestens eine Zwischenspulenmontagesäule 16 umfasst ferner
ein Gehäuse 86,
das von der thermischen Abschirmung 84 der mindestens einen
Zwischenspulenmontagesäule 16 beabstandet
ist und diese umgibt und in thermischen Kontakt mit dem Gehäuse 58 der
ersten Spulenanordnung 12 ist. Eine Bodenhalterung 88 trägt den Magneten 10.
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Ein abgeschlossener Vakuumraum wird durch
die Kombination des Gehäuses 64 der
ersten Abschirmungsanordnung 22, des Gehäuses 70 der ersten
Montagesäulen 24,
des Gehäuses 58 der
ersten Spulenanordnung 12, des Gehäuses 86 der Zwischenspulenmontagesäulen 16 und
den entsprechenden Gehäusen
(in 2 nicht gezeigt
jedoch beschriftet) der zweiten Spiegelbildspulenanordnung 14,
der zweiten Spiegelbildmontagesäulen 32 und der
zweiten Spiegelbildabschirmungsanordnung 30 gebildet. Ein
thermischen Abschirmungsarray wird durch die Kombination der thermischen
Abschirmung 62 der ersten Abschirmungsanordnung 22,
der thermischen Abschirmung 68 der ersten Montagesäulen 24,
der thermischen Abschirmung 56 der ersten Spulenanordnung 12,
der thermischen Abschirmung 84 der Zwischenspulenmontagesäulen 16 und
der entsprechenden thermischen Abschirmungen (in 2 gezeigt jedoch nicht beschriftet) der
zweiten Spiegelbildspulenanordnung 14, der zweiten Spiegelbildmontagesäulen 32 und
der zweiten Spiegelbildabschirmungsanordnung 30 gebildet.
Eine thermische Leiterstruktur wird durch die Kombination der ersten Abschirmungsspulenform 60 der
ersten Abschirmungsanordnung 22, der ersten zentralen Elemente 66 der
ersten Montagesäulen 24,
der ersten Hauptspulenform 54 der ersten Spulenanordnung 12,
den inneren Elementen 82 der Zwischenspulenntontagesäulen 16 und
den entsprechenden Elementen (in 2 gezeigt
jedoch nicht beschriftet) der zweiten Spiegelbildspulenanordnung 14,
der zweiten Spiegelbildmontagesäulen 32 und
der zweiten Spiegelbildabschirmungsanordnung 30 gebildet.
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Vorzugsweise bestehen die supraleitenden Spulen 38, 40, 50, 42, 44 und 52 aus
einem supraleitenden NbSn-Band (mit einem hinzugefügten parallelen
Kupferstabilisator), die zusammen eine ununterbrochene Länge (oder
weniger wünschenswert, eine
Mehrzahl von durch supraleitende Verbindungen zusammen verbundenen
Länge)
auf, wobei ein derartiges Band gewickelt wird, um alle supraleitenden
Spulen 38, 40, 50, 42, 44 und 52 zusammen
als einen einzigen elektrischen Pfad zu erzeugen. Die erste Hauptspulenform 54 besteht
typischerweise aus Fiberglas (mit einem in den Figuren nicht gezeigten
Aluminiumring, um eine thermische Leitung und eine Trägereinrichtung
an die sich radial nach außen erstreckenden
elektromagnetischen Kraft auf die großen Hauptspulen 38 und 42 bereitzustellen),
und die ersten Abschirmungsspulenform 60 besteht typischerweise
aus nichtmagnetischem rostfreien Stahl. Die ersten zentralen Elemente 66 der
ersten Montagesäulen 24 und
der inneren Elemente 82 der Zwischenspulenmontagesäulen 16 bestehen
typischerweise aus Kupfer. Die thermischen Abschirmungen 62, 68, 56 und 84 bestehen
typischerweise aus Aluminium, und die Gehäuse 64, 70, 58 und 86 bestehen typischerweise
aus nichtmagnetischem rostfreien Stahl. Die verschiedenen voneinander
beabstandeten Elemente (z. B. die von der ersten Hauptspulenform 54 beabstandete
thermische Abschirmung 56) werden durch thermische Isolierrohre
und dergleichen voneinander beabstandet (in den Figuren nicht gezeigt
und sind typischerweise aus Fiberglas). Thermisch leitende Ringe,
Platten, Streifen und dergleichen (in den Figuren nicht gezeigt
und sind typischerweise aus Kupfer oder Aluminium und können hier
nach Bedarf hinzugefügt
werden, um thermische Pfade für
zu entfernende Wärme
von allen supraleitenden Spulen 38, 40, 50, 52, 54 und 42 (und
von der vorher definierten thermischen Leiterstruktur) durch die
zweite Stufe 80 des einzelnen Kryokühler-Kaltkopfes 74 bereitzustellen.
Es sei bemerkt, dass ein getrennter Kryokühler-Kaltkopf nicht benötigt wird, um
die supraleitenden Spulen 42, 44 und 52 zwischen
der zweiten Spulenanordnung 14 und der zweiten Abschirmungseinheit 30 zu
kühlen.
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Eine Computersimulation des Magneten 10 wurde
für einen
2500-Pfund-Magneten
durchgeführt, der
ausgestaltet ist, um ein Magnetfeld von 0,3 Tesla innerhalb eines
sphärischen
Bildgebungsvolumen, das einen Durchmesser von 25 Zentimeter und
eine Spitze-zu-Spitze-Magnetfeldinhomogenität von 7,4 ppm (parts per million)
aufweist, zu erzeugen. Der Anmelder gestaltete die Abschirmung für diesen
besonderen Magneten 10 mit den hier vorher offenbarten
Prinzipien der vorliegenden Erfindung zusammen mit der herkömmlichen
Magnetfeldanalyse, wie es in dem Können des Technikers liegt.
Die erste Hauptspule 38 umfasste 414.600 Amperewindungen,
die erste Abschirmungsspule 40 umfasste – 118.680
Amperewindungen und die erste Kompensationsspule 50 umfasste – 104.400
Amperewindungen. Die erste Hauptspule 38 umfasste einen
mittleren Radius von 36,o Zentimeter und war longitudinal einen
mittleren Abstand von 120,6 Zentimeter von der zweiten Hauptspule 42 angeordnet.
Die erste Abschirmungsspule 40 war einen mittleren Abstand
von 35,3 Zentimeter radial nach außen und 39,0 Zentimeter longitudinal
nach außen
von der ersten Hauptspule 38 angeordnet. Die erste Kompensationsspule 50 war
einen mittleren Abstand von 15,1 Zentimeter radial nach innen und
von 6,8 Zentimeter longitudinal nach innen von der ersten Hauptspule 38 angeordnet.
Es sei bemerkt, dass der "mittlere
Radius" die Hälfte der
Summe der Innen- und Außenradien
ist. Es sei ferner bemerkt, dass der "mittlere Abstand" zwischen zwei Spulen der dichteste
Abstand zwischen einem Kreis in jeder Spule ist, wobei ein derartiger
Kreis eine an der Längsachse
der Spule angeordnete Mitte aufweist, die äquidistant zu den longitudinalen
Grenzen der Spule ist und einen Radius aufweist, der gleich dem
mittleren Radius der Spule ist. Computersimulationen zeigten, dass mit
der Abschirmung der Erfindung das Streufeld von 5 Gauß einen Längsabstand
von 2,5 Meter und einen Radialabstand von 3,5 Meter von der Mitte
des Bildgebungsvolumens 48 des Magneten 10 positioniert
war. Ohne eine derartige Abschirmung der Erfindung war das Streufeld
von 5 Gauß einen
Längsabstand
von 7,6 Meter und einen Radialabstand von 6,2 Meter von der Mitte
des Bildgebungsvolumens 48 des Magnetes 10 angeordnet.
Es ist ersichtlich, dass die von Erfindung bereitgestellte aktive
supraleitende Magnetabschirmung keine flüssigen Kryogene verwendet, der
offene Magnet 10 in medizinischen Untersuchungsräumen ohne
weiteres untergebracht werden kann und die Offenheit der offenen
Magnetausgestaltung beibehalten wird.