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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Magnetfeldgradientenspulenanordnung, die innerhalb der Bohrung einer
Magnetresonanzvorrichtung angeordnet ist, um Magnetfeldgradienten über einen
ausgewählten
Teil eines Objekts zu erzeugen, das sich in einem Hauptmagnetfeld
der Bohrung befindet, wobei die Gradientenspulenanordnung Folgendes
umfasst: einen zylindrischen dielektrischen Spulenkörper; ein
erstes Paar verteilter Spulenwicklungsabschnitte, die sich gegenüberliegend
neben einem ersten Ende des dielektrischen Spulenkörpers angebracht
sind, wobei das erste Paar verteilter Spulenwicklungsabschnitte
Stromimpulse empfängt, um
erste Magnetfeldgradientenimpulse über den ausgewählten Teil
des Objekts zu induzieren, der von einer geometrischen Mitte des
zylindrischen Spulenkörpers
in Richtung des ersten Endes verschoben ist, wobei die Stromimpulse
mit dem Hauptmagnetfeld in Wechselwirkung treten, um an dem zylindrischen
dielektrischen Spulenkörper
ein erstes Drehmoment über
die geometrische Mitte des Spulenkörpers zu erzeugen; und ein zweites
Paar verteilter Spulenwicklungsabschnitte, die sich gegenüberliegend
auf dem dielektrischen Spulenkörper
neben dem ersten Paar verteilter Spulenwicklungsabschnitte angebracht
sind, wobei das zweite Paar verteilter Spulenwicklungsabschnitte
Stromimpulse empfängt,
um zweite Magnetfeldgradientenimpulse über den ausgewählten Teil
des Objekts zu erzeugen, wobei die ersten und die zweiten Magnetfeldgradientenimpulse
kombiniert werden, um einen linearen und gleichförmigen Magnetfeldgradienten
zu erzeugen, der von einer geometrischen Mitte des zylindrischen
Spulenkörpers
in Richtung des ersten Endes verschoben ist, wobei die an das zweite
Paar verteilter Spulenwicklungsabschnitte angelegten Stromimpulse
mit dem Hauptmagnetfeld in Wechselwirkung treten, um an dem zylindrischen
dielektrischen Spulenkörper
ein zweites Drehmoment über
die geometrische Mitte des Spulenkörpers zu erzeugen, wobei das
genannte zweite Drehmoment gleich dem genannten ersten Drehmoment
und diesem entgegengesetzt ist, wodurch sich das erste und das zweite
Drehmoment gegenseitig aufheben, wobei ein Spulenwicklungsabschnitt
des genannten ersten Paares und ein Spulenwicklungsabschnitt des
genannten zweiten Paares um eine Seite des genannten zylindrischen dielektrischen
Spulenkörpers
herum gebogen sind und zusammen eine Hälfte einer x- oder y-Gradientenspule umfassen, und
der andere Spulenwicklungsabschnitt des genannten ersten Paares
und der andere Spulenwicklungsabschnitt des genannten zweiten Paares
um die 180° gegenüberliegende
Seite des genannten zylindrischen dielektrischen Spulenkörpers herum
gebogen sind und zusammen die andere Spiegelbildhälfte der genannten
x- oder y-Gradientenspule umfassen, wobei jede Hälfte der genannten x- oder
y-Gradientenspule einen Bereich positiver Stromverteilung und einen
angrenzenden Bereich negativer Stromverteilung umfasst, wobei in
jeder Hälfte
der genannten x- oder y-Gradientenspule die genannten Bereiche in
einer Ebene zusammentreffen, die senkrecht zur Achse des genannten
zylindrischen Spulenkörper
verläuft.
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Zu Magnetresonanzbildgebungssystemen
gehört
normalerweise eine Ganzkörpergradientenspule
mit großem
Durchmesser, die eine Patientenaufnahmebohrung umgibt. Weiterhin
ist die Bohrung entweder von supraleitenden oder widerstandsbehafteten
Hauptfeldmagneten und HF-Sende/Empfangsspulen umgeben. Obwohl die
Ganzkörpergradientenspulen
ausgezeichnete lineare Magnetfeldgradienten erzeugen, weisen sie verschiedene
Nachteile auf. Bei Gradientenspulen mit großem Durchmesser ist die Anstiegsgeschwindigkeit gering
genug, um einen begrenzenden Faktor für die Geschwindigkeit darzustellen,
mit der sich Gradientenmagnetfelder induzieren und verändern lassen.
Ganzkörpergradientenspulen
mit großem
Durchmesser haben ein Gradientenfeld mit relativ wenig Ampere pro
Einheitenansteuerung für
eine gegebene Induktivität,
wodurch ihre Verwendung in einigen der schnellsten MR-Bildgebungsverfahren
eingeschränkt
wird. Die in den Gradientenspulen gespeicherte Energie verhält sich
im Allgemeinen proportional zu mehr als der fünften Potenz des Radius. Ganzkörperspulen
mit großem
Durchmesser erfordern daher große
Mengen an Energie. Darüber
hinaus sind bei supraleitenden Hauptmagneten Kälteisolierungen um die Bohrung
herum angeordnet. Je größer der
Durchmesser der der Gradientenspule ist, desto näher befindet sie sich an den
Kälteisolierungen
und desto mehr neigt sie dazu, Wirbelströme zu erzeugen. Um zu verhindern,
dass die Ganzkörpergradientenspulen
Wirbelströme
in die Kälteisolierungen
induzieren, ist eine stärkere
Isolierung erforderlich, als dies bei Spulen mit kleinerem Durchmesser
erforderlich wäre.
Aufgrund dieser und anderer Beschränkungen bei Ganzkörpergradientenspulen
wurden zahlreiche einführbare
Spulen entwickelt, die klein genug sind, um in die Bohrung mit dem
Patienten zu passen. Üblicherweise
sind die einführbaren
Spulen an einen bestimmten Körperbereich
angepasst, wie beispielsweise eine Kopfspule oder eine Herzspule.
Herkömmlicherweise
waren Kopfspulen ein Zylinder, der mit einem Durchmesser von beispielsweise
28 cm so bemessen war, dass er einen menschlichen Kopf leicht aufnehmen
konnte, während
Herzspulen biplanar ausgelegt waren, um einen menschlichen Torso aufzunehmen.
Die meisten Gehirnuntersuchungen drehen sich um einen Teil des Gehirns,
der sich im Wesentlichen in derselben Ebene wie die Augenhöhlen befindet.
In einer symmetrischen Spule sind sowohl das magnetische als auch
das physikalische Isozentrum so angeordnet, dass sie in einer gemeinsamen
Ebene mit den Augen oder dem Herzen des Patienten liegen.
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Als generelle Regel gilt: je länger die
zylindrische Kopfspule ist, desto größer ist der Bereich, über den hinweg
der Gradient linear ist, und desto linearer ist der Bereich. Allerdings
stellen die Schultern des Patienten einen begrenzenden Faktor für die Länge einer
symmetrischen Gradientenspule dar. Die Schultern begrenzen das Isozentrum
auf ca. 20 cm am Patientenende. Daher waren symmetrische Kopfspulen
bislang auf eine Länge
von ca. 40 cm begrenzt.
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Um die vorteilhaften Effekte einer
längeren
Kopfspule zu erzielen, wurden Kopfspulen entwickelt, bei denen das
magnetische Isozentrum vom physikalisch geometrischen Zentrum der
Spule in Richtung des Patienten verschoben ist. Siehe hierzu beispielsweise
die US-amerikanische Patentschrift Nr. 5.278.504 von Patrick, et.
al., oder die USamerikanische Patentschrift Nr. 5.177.442 von Roemer,
et. al. Obwohl sich asymmetrische Kopfspulen vorteilhaft auf die
Linearität
und die Größe des linearen
Bereichs auswirken, lässt
sich diese Verbesserung nur in Verbindung mit einem Versatzproblem
erzielen. Innerhalb des Hauptmagnetfeldes ist die asymmetrische
Gradientenspule durch das Zusammenwirken von Haupt- und Gradientenmagnetfeld
mechanischen Drehmomenten ausgesetzt. Um diesen Drehmomenten entgegenzuwirken,
werden die asymmetrischen Kopfspulen mit starren mechanischen Vorrichtungen
befestigt. Selbst wenn feste mechanische Strukturen an der Hauptfeldmagnetanordnung
verankert sind, neigt das Drehmoment weiterhin dazu, zumindest mechanische
Vibrationen und Geräusche
zu verursachen.
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Nicht alle einführbaren Gradientenspulen sind
zylindrisch. Wie bereits erwähnt,
sind einige zum Beispiel planar oder biplanar. Siehe hierzu beispielsweise
die USamerikanische Patentschrift Nr. 5.036.282 von Morich, et.
al. Planare und biplanare Gradientenspulen leiden ebenfalls unter
mechanischen Drehmomenten. Auch hier wurden feste mechanische Vorrichtungen
verwendet, die im Allgemeinen jedoch nicht ausreichend waren, um
alle mechanischen Vibrationen und Geräusche zu beseitigen.
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In der Patentschrift US-A-5.278.504
wird eine Magnetfeldgradientenspulenanordnung mit einem Untersuchungsbereich
beschrieben, der entlang einer z-Achse versetzt von einem geometrischen
Zentrum der Gradientenspulenanordnung definiert ist. Zylinder aus
einem nichtleitenden, nichtmagnetischen Material tragen x-, y- und
z-Gradientenspulen,
um orthogonale Magnetfeldgradienten im gesamten versetzten Untersuchungsbereich
zu erzeugen. Die z-Gradientenspule umfasst eine Vielzahl verteilter
Loop-Arrays mit
einem Wicklungsmuster, welches so ausgewählt wurde, dass in einem Bereich,
der in Richtung eines ersten Zylinderendes versetzt ist, in der
z-Richtung ein Bereich linearer Magnetfeldgradienten erzeugt wird.
Die x- und y-Gradientenspulen beinhalten jeweils zwei Paare entgegengesetzt
angeordneter Wicklungen, die ein Paar innerer, in Richtung des ersten
Zylinderendes versetzte Spiralen sowie eine äußere, sich darum herum erstreckende Spirale
enthalten. Die äußere Spirale
schließt
sich nach innen in Richtung des ersten Zylinderendes und öffnet sich
nach außen
in Richtung des zweiten Zylinderendes. Auf diese Weise erzeugen
die x-, y- und z-Gradientenspulen lineare Magnetfeldgradienten entlang
der x-, y- und z-Richtungen, die einen von ihrem geometrischen Zentrum
versetzten Bereich primärer
Linearität
aufweisen. Dies vereinfacht auch bei Spulen mit kleinem Durchmesser
die axiale Verschiebung des linearen Volumens der Spulenanordnung.
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Eine Magnetfeldgradientenspulenanordnung
der im einleitenden Absatz erwähnten
Art ist aus dem Artikel "Torque
Free Asymmetric Gradient Coils for Echo Planar Imaging", veröffentlicht
in "Magnetic Resonance in
Medicine", Band
31, Nr. 4, April 1994, Seiten 450 – 453, bekannt. In diesem Artikel
wird eine drehmomentfreie asymmetrische Gradientenspule vorgestellt,
die in der Lage ist, hochwertige axiale, sagittale und koronale Echo-Planar-Bilder
des menschlichen Kopfes zu erzeugen. Die Gradientenspule hat einen
ausgezeichneten Schulter-Spule-Abstand und bietet dadurch den Vorteil
eines guten Patientenzugangs zum linearen Bereich des Gradienten,
während
gleichzeitig ein Unbehagen des Patienten aufgrund von Klaustrophobie
minimiert wird. Das Nettodrehmoment der Gradientenspule wird ausgeglichen,
indem in Reihe mit dem asymmetrischen Gradienten ein zweiter Spulensatz
so hinzugefügt
wird, dass ein im zweiten Spulensatz fließender Strom dem von den Gradienten
erzeugten Drehmoment entgegenwirkt, wodurch sich das Nettodrehmoment
minimieren lässt.
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine Magnetfeldgradientenspulenanordnung der im einleitenden Absatz
erwähnten
Art, mit der sich die oben angesprochenen Probleme bewältigen lassen.
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Zu diesem Zweck ist eine erfindungsgemäße Magnetfeldgadientenspulenanordnung
dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Ebene, in der die Bereiche
positiver und negativer Stromverteilung jeder Hälfte der x- oder y-Gradientenspulen
aufeinander treffen, von der geometrischen Mitte des Spulenkörpers in
Richtung des genannten ersten Endes versetzt ist, wobei die Wicklungsmuster
der genannten x- oder y-Gradientenspulen so konfiguriert sind, dass
sie die x- oder y-Gradientenlinearität in einem im Allgemeinen sphärischen Bereich
in der Mitte der genannten Ebene optimieren.
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Eine erfindungsgemäße Magnetfeldgradientenspulenanordnung
wird nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 ist
eine schematische Darstellung einer MR-Bildgebungsvorrichtung mit
einer erfindungsgemäßen Magnetfeldgradientenspulenanordnung;
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2 eine
vergößerte schematische
Darstellung der in 1 verwendeten
Magnetfeldgadientenspulenanordnung;
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3 ist
eine schematische Darstellung der Wicklungen einer x-Gradientenspule
für die
Verwendung in der Vorrichtung aus 1.
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Bezug nehmend auf 1 beinhaltet die Vorrichtung eine Vielzahl
primärer
Magnetspulen 10, die entlang einer Längs- oder z-Achse einer zentralen
Bohrung 12 ein temporär
konstantes Magnetfeld erzeugen. In einer bevorzugten supraleitenden
Ausführungsfonn
werden die primären
Magnetspulen 10 von einem Spulenkörper 14 getragen und
von einem torischen Heliumgefäß oder -Behälter 16 aufgenommen.
Der Behälter
ist mit flüssigem
Helium gefüllt,
um die primären
Magnetspulen 10 auf supraleitenden Temperaturen zu halten. Der
Behälter 16 ist
von einer oder mehreren supraleitenden Kälteisolierungen 18, 20 umgeben,
die sich in einem Vakuum-Dewar-Gefäß 22 befinden.
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Entlang der Bohrung 12 ist
eine Ganzkörper-Gradientenspulenanordnung 30 angebracht.
Vorzugsweise ist die Gradientenspulenanordnung 30 eine
selbst abschirmende Gradientenspulenanordnung, bestehend aus primären x-,
y- und z-Gradientenspulenanordnungen 32, die in einem dielektrischen
Spulenkörper
eingekapselt sind, und einer sekundären Gradientenspulenanordnung 34,
die sich in einem die Öffnung
definierenden Zylinder des Vakuum-Dewar-Gefäßes 22 befindet. In
der Gradientenspulenanordnung 30 ist eine Ganzkörper-Hochfrequenzspule 36 montiert.
Zwischen der Hochfrequenzspule 36 und der Gradientenspulenanordnung 34 befindet
sich eine Ganzkörper-Hochfrequenzabschirmung 38,
z. B. aus Kupferdrahtgeflecht.
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Im Zentrum der Bohrung 12 ist
eine entfernbare einführbare
HF-Spule 40 angebracht. Die einführbare Spulenanordnung umfasst
eine einführbare
Gradientenspulenanordnung 42, die von einem dielektrischen Spulenkörper getragen
wird. Im Inneren des dielektrischen Spulenkörpers ist eine einführbare HF-Spule 44 installiert.
Zwischen der einführbaren
HF-Spule und den Gradientenspulen ist eine HF-Abschirmung 46 angebracht.
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Eine Benutzerschnittstelle und Steuereinheit 50 umfassen
eine Anzeigevorrichtung, beispielsweise einen Videomonitor 52,
sowie Eingabemittel, einschließlich
einer Tastatur 54 und einer Maus 56. Ein Computersteuerungs-
und Rekonstruktionsmodul 58 umfasst Computer-Hardware und
Software zur Steuerung der HF-Spulen 36 und 44 und
der Gradientenspulen 30 und 42, um eine beliebige
aus der Vielzahl konventioneller MR-Bildgebungssequenzen, einschließlich Echo-Planar-
und Echo-Volumen-Bildgebungssequenzen,
zu implementieren. Echo-Planar- und Echo-Volumen-Bildgebungssequenzen sind durch kurze
Wiederholungsraten und kleine Flip-Winkel gekennzeichnet. Der Prozessor 58 beinhaltet
ferner einen digitalen Sender, um den HF-Spulen mit HF-Anregungs-
und Resonanzmanipulierungssignale zuzuführen, und einen digitalen Empfänger, um
die Magnetresonanzsignale zu empfangen und zu demodulieren. Die
empfangenen Magnetresonanzsignale werden von einem Array-Prozessor
und zugehöriger
Software zu einer Bilddarstellung rekonstruiert, die im Computerspeicher
oder auf einem Disk-Medium gespeichert wird. Ein Videoprozessor
extrahiert selektiv Teile der gespeicherten rekonstruierten Bilddarstellung
und formatiert die Daten für
die Anzeige durch den Videomonitor 52.
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In der Ausführungsform aus 2 werden die aktiven Gradientenspulenwicklungen
der einführbaren Gradientenspulenanordnung 40 von
einem zylindrischen dielektrischen Spulenkörper 60 getragen.
Vorzugsweise ist der Spulenkörper
von einer x-Gradientenspule 62,
einer y-Gradientenspule 64 und radial ganz außen von
einer z-Gradientenspule 66 umgeben.
Die x-, y- und z-Gradientenspulen können mit Epoxidharz ummantelt
sein, um einheitlicher Bestandteil des Spulenkörpers zu werden, oder sie können sich
auf zwei oder mehr getrennten Spulenkörpern befinden, um Kühlungspassagen
zwischen den Gradientenspulen zu schaffen. Vorzugsweise sind die
x-, y- und z-Gradientenspulen verteilte Spulen, obwohl auch gebündelte Wicklungen
verwendet werden können.
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Die verteilten oder Fingerprint-Spulen
haben ein asymmetrisches Wicklungsmuster, so dass der "Sweet Spot", d. h. der Bereich
der Spule mit optimaler Linearität und
Gleichförmigkeit,
vom geometrischen Zentrum in Richtung eines Patientenendes der Spule
versetzt ist.
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Das verteilte Wicklungsmuster aus 3 ist zur Hälfte eine
x- oder y-Gradientenspule.
Die Hälfte
ist um eine Seite des dielektrischen Zylinders herumgezogen, und
eine Spiegelbildhälfte
ist 180° gegenüberliegend
um den Zylinder herum angebracht. Ein ähnliches Paar von Gradientenspulenhälften ist
um 90° um
die z-Achse gedreht montiert und fungiert als die andere der x-
und y-Gradientenspulen. Das Wicklungsmuster ist so konfiguriert,
dass es die x- oder y-Gradientenlinearität in einem im Allgemeinen sphärischen
Bereich 68 innerhalb der auf einer Ebene 70 zentrierten
Spule optimiert. Ein weiterer das Drehmoment korrigierender Wicklungsmusterabschnitt 72 ist
vorgesehen, so dass das erzeugte Magnetfeld ein Nettodrehmoment
von Null bewirkt. Das heißt,
ein primäres
Wicklungsmuster 74 und das Drehmomentneutralisierungsmuster 72 wirken
zusammen, um (1) einen gleichförmigen,
auf der Ebene 70 zentrierten Gradienten zu erzeugen, und
(2) ein Nettodrehmoment von Null zu erzeugen. Anders ausgedrückt erzeugen
die primären
und die das Drehmoment ausgleichenden Spulenabschnitte gleiche und
entgegengesetzte Drehmomente relativ zu einem geometrischen Mittelpunkt
der Spule. Für
die Justierung der relativen Drehmomente werden verschiedene Verfahren
in Betracht gezogen. Beispielsweise kann die Länge der Gradientenspule entlang
der z-Achse vergrößert oder verkleinert
werden, um den "Hebelarm" zu verändern, mit
dem die Drehmomentkorrekturspule wirkt. Vorzugsweise ist die Länge der
z-Gradientenspule jedoch festgelegt, und das Wicklungsmuster der
primären
und der Drehmomentkorrekturwicklungen ist so konstruiert, dass die
Länge der
Spule in der z-Achse als einschränkender
Faktor verwendet wird.
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Asymmetrische zylindrische Gradientenspulen
haben weniger gespeicherte Energie und schnellere Gradientenanstiegszeiten
als ihre symmetrischen zylindrischen Gegenstücke, teilweise infolge fehlender
strikter Längenbeschränkungen
für die
Gradientenspulenstruktur im Zusammenhang mit asymmetrischen zylindrischen
Gradientenspulen. Das vorliegende Verfahren eliminiert Drehmomenteffekte
in einer asymmetrischen zylindrischen Spulenkonstruktion. Aufgrund
der Symmetrie in der radialen Richtung sind es die transversalen Gradientenspulenstrukturen,
bei denen Drehmomenteffekte auftreten. Insbesondere wenn die Symmetrie
in der Längsvariablen
z verloren geht, hat dies ein Nettodrehmoment zur Folge. Demzufolge
werden die Ausdrücke
beider Komponenten der Oberflächenstromdichte
für die
Gradientenspule so gewählt,
dass sie ein transversales Gradientenfeld mit der gewünschten
Linearität
und Gleichförmigkeit
erzeugen und zudem das Net todrehmoment beseitigen, das durch das
Zusammenwirken der Stromdichte und der z-Komponente des Hauptmagnetfelds des
MR-Bildgeräts
erzeugt wird. Für
eine zylindrische Spule endlicher Größe lauten die Ausdrücke für die beiden
Komponenten der Stromdichte:
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Beide Größen sind Null für |z| > L/2 mit k
1n =
2 mπ/L,
k
2n = 2 (m – 1)π/L, wobei L die Gesamtlänge des Zylinders
darstellt. Indem man das Magnetfeld und die gespeicherte Energie
als Stromdichte j
a und Green-Funktion für zylindrische
Koordinaten ausdrückt,
hat die entsprechende Funktion E folgende Form:
wobei
W die gespeicherte Energie ist, λ
j die Lagrange-Multiplikatoren sind, B
z (
r
j) der berechnete Wert des Magnetfelds an
den Beschränkungspunkten
r
j ist,
und B
zsc (
r
j) die Beschränkungswerte des Magnetfelds
an den Beschränkungspunkten
sind. Indem man E im Hinblick auf die Stromdichte minimiert, erhält man folgende
Matrixgleichung für
j
a
Φ1n in und j
a
Φ2n:
wobei:
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Indem man mit Hilfe der Beschränkimgsgleichung
für das
Magnetfeld die Lagrange-Multiplikatoren λj ermittelt,
erhält
man die kontinuierliche Stromdichteverteilung für die azimutalen Komponenten
Ja
Φ und die axialen Komponenten
Ja
z der Stromdichte.
Durch das Anwenden von Stromfunktionsverfahren auf die kontinuierliche
Stromdichteverteilung werden die positiven und negativen Strommuster
für die
Stromdichte erzeugt, um hochwertige transversale Gradientenfelder
zu bewirken. Das Magnetfeld wird innerhalb und außerhalb
des Abbildungsvolumens neu bewertet, indem die Biot-Sauart-Formel
auf die diskrete Stromverteilung angewandt wird. In 3 hat die asymmetrische zylindrische
Gradientenspule eine positive Stromverteilung 76, bei der jede
der 20 Windungen einen Strom von 325 Ampere führt, und eine negative Stromverteilung 78,
bei der jede der 17 Windungen einen Strom von 325 Ampere führt. Unter
Verwendung der Einschränkungen
einer x-Gradientenspule, die eine Länge von 0,85 und einen Durchmesser
von 0,36 m hat sowie von vier Beschränkungspunkten, um ein Gradientenfeld
mit einer Stärke
von 40 mT/m zu erzeugen, bei 5% Linearität auf den Achsen und 10% Gleichförmigkeit
außerhalb
der Achsen an den Rändern
eines sphärischen
Volumens von 29 cm Durchmesser, erhält man die Stromversteilung
aus 3.
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Alternativ können die Strommuster verändert werden,
um entweder eine bessere Linearität auf Kosten der Spuleneffizienz
oder eine größere Spuleneffizienz
auf Kosten der Linearität
zu erzielen. Analog dazu kann man einen größeren Versatz des Zentrums
des Gradientenabbildungsvolumens auf Kosten der Linearität oder der
Effizienz oder einer Kombination aus beiden erzielen. Ähnliche
Konstruktionsbeschränkungen
können
auf aktiv abgeschirmte Gradientenspulen angewandt werden, so dass
Wirbelstromeffekte weiter vermieden werden. Die aktiven Abschirmungsspulen
werden unter Verwendung der oben beschriebenen Verfahren konzipiert.
wobei:
