DE69609257T2

DE69609257T2 - Supraleitende Magnetanordnung mit offener Architektur für die bildgebende magnetische Resonanz

Info

Publication number: DE69609257T2
Application number: DE69609257T
Authority: DE
Inventors: Timothy John Havens; R. Smith
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1996-07-31
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2016-08-01
Also published as: DE69609257D1; EP0757256A3; EP0757256A2; US5696476A; EP0757256B1; JPH09120912A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Magnetanordnung mit offener Architektur für ein Magnetresonanz- Bildgebungssystem (nachfolgend "MRI" genannt), und insbesondere auf eine verbesserte und vereinfachte Spulenanordnung in einer derartigen Baugruppe.
Wie hinreichend bekannt ist, kann ein supraleitfähiger Magnet supraleitend gemacht werden, indem man ihn in eine extrem kalte Umgebung einbringt, zum Beispiel indem man ihn in einen flüssiges Helium oder ein anderes Kryogen enthaltenden Kryostat oder Druckbehälter einbringt. Die extreme Kälte stellt sicher, daß die Magnetspulen supraleitend sind, so daß, wenn eine Leistungsquelle anfänglich mit der Spule verbunden wird (zum Beispiel für einen Zeitraum von nur 10 Minuten), um einen Stromfluß durch die Spulen zu veranlassen, der Strom infolge des Fehlens eines Widerstandes bei der Supraleitungstemperatur weiterhin durch die Spulen fließen wird, selbst nachdem die Stromeinspeisung weggenommen wird, und dabei ein starkes Magnetfeld aufrecht erhält. Supraleitende Magnete finden breite Anwendung auf dem MRI Feld.
Während der Einsatz von flüssigem Helium für die Erzielung von Tiefsttemperaturen weithin praktiziert wurde und zufriedenstellend ist für einen MRI Betrieb, ist Helium lediglich an wenigen Stellen kommerziell erhältlich. Im Ergebnis hat sich die Schaffung einer steten Lieferquelle von flüssigem Helium für MRI Einrichtungen über die ganze Welt als schwierig und kostenaufwendig herausgestellt. Dies hat dazu geführt, daß man erhebliche Anstrengungen auf solche supraleitenden Materialien und Magnetstrukturen richtet, die für einen MRI Einsatz bei relativ höheren Temperaturen, zum Beispiel bei zehn Grad Kelvin (10K) supraleitend gemacht werden können, was mit mechanischer, auf Kryokühlung basierter Leitungskühlung erreicht werden kann.
Ein weiteres bei den meisten MRI Geräten anzutreffendes Problem besteht darin, daß sie Elektromagnete verwenden, die in zylindrischen Strukturen eingeschlossen sind mit einer zentralen Bohrungsöffnung für den Patientenzugang. In einer solchen Einrichtung ist der Patient jedoch praktisch in der warmen zentralen Bohrung eingeschlossen, was in einigen Patienten Klaustrophobie hervorrufen kann. Daß ein MRI Magnet mit einer offenen Architektur wünschbar ist, in der der Patient nicht notwendigerweise total eingeschlossen ist, hat man seit langem erkannt. Leider wirft ein MRI Magnet mit offener Architektur eine Reihe von zusätzlichen und besonderen technischen Problemen und Herausforderungen auf. Ein Problem besteht darin, eine geeignete supraleitende Struktur zu schaffen, die das erforderliche Magnetfeld liefert, aber dabei viel weniger Platz einnimmt als konventionelle zylindrische MRI Magnetstrukturen, und dabei gleichwohl das erforderliche starke und extrem gleichförmige Magnetfeld liefern kann, obwohl sich die im Abstand angeordneten Magnetspulen unter erheblichen elektromagnetischen Kräften befinden, und zusätzlich unter thermischen Kräften, denen man während des Abkühlens von der Umgebungstemperatur auf die Supraleitungstemperaturen begegnet. Eine MRI mit offener Architektur, mit der die vorliegende Erfindung benutzt werden könnte, wird beschrieben in dem am 14. Februar 1995 erteilten US Patent mit der Nr. 5,389,909 von Timothy J. Havens mit dem Titel "Open Architecture Magnetic Resonance Passively Shimmed Imaging Superconducting Magnet Assembly", das auf denselben Anmelder wie die vorliegende Erfindung lautet.
Um Inhomogenitäten in den MRI Magneten auszugleichen und um gleichförmige Magnetfelder in der zentralen Bohrung zu erhalten, sind verschiedene Anordnungen unter Einschluß des Gebrauchs von negativen Fokussierungsspulen eingesetzt worden, um das Magnetfeld in dem Mittelabschnitt von dem MRI Magnet zu fokussieren und zu konzentrieren, wo der Bildgebungsvorgang für den Patienten erfolgen muß.
Vorhandene supraleitende Magnetkonstruktionen verwenden negative Fokussierungsspulen, die wegen der Anforderungen des Magnetfelds einen Satz von Spulen enthalten, die gegenüber den Hauptmagnetspulen kleiner sind und sich demgegenüber in einem davon unterschiedlichen radialen Abstand von der Magnetachse befinden.
Im Fall von leitungsgekühlten Nb&sub3;Sn supraleitenden Bandmagneten macht dies Schwierigkeiten bei der Spulenleiterführung und hinsichtlich einer möglichen Beschädigung der zerbrechlichen Nb&sub3;Sn Bandleiter. Eine Beschädigung an den Leitern kann eine erhebliche Zeit für die Reparatur erfordern; und in einigen Fällen können die Leiter gar nicht repariert werden, was zu einem Magnet mit einem driftenden Magnetfeld führt. Eine Beschädigung der Leiter kann es notwendig machen, die Magnetbaugruppe aufzuschneiden, um die Leiter zu reparieren und/oder die betroffenen Spulen zu ersetzen. Dies stellt eine sehr zeitaufwendige und teure Maßnahme dar. Um die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Leiter zu verringern und um die obigen sowie weitere Probleme möglichst gering zu halten, muß die Leiterführung so einfach wie möglich gemacht werden, insbesondere in einer MRI mit offener Architektur, wenn mehrere im Abstand angeordnete Magnetanordnungen verwendet werden.
Schließlich gibt es eine Anzahl von weiteren Problemen, denen man bei supraleitenden Temperaturen begegnet, unter Einschluß von Problemen hinsichtlich unterschiedlicher thermischer Ausdehnung und Kontraktion Von Materialien, einer Kostenminimierung sowie hinsichtlich der Beherrschung der von den beträchtlichen erforderten Magnetfeldern erzeugten Kräfte. Alle diese sich überlappenden und zu Zeiten miteinander im Konflikt stehenden Anforderungen müssen für eine praktikable und befriedigende supraleitende Magnetstruktur für MRI erfüllt sein. Die US-A-471Q741 beschreibt eine Spulenanordnung für die Erzeugung eines Magnetfeldes von hoher Homogenität, wie es zum Beispiel bei einer Magnetresonanz-Bildgebung erforderlich ist, welche ein einzelnes Paar von identischen ringförmigen Spulen enthält, die koaxial in einer beabstandeten Lage zueinander angeordnet sind, sowie ein Paar von ringförmigen Teilen aus ferromagnetischem Material, das koaxial zu den Spulen angeordnet ist und symmetrisch in Bezug auf die Ebene liegt, die senkrecht die Achse der Spulen in der Mitte zwischen ihnen schneidet. Die Spulen sowie die ferromagnetischen Teile weisen Abmessungen auf und sind relativ zueinander so positioniert, daß, wenn die Spulen gleiche speisende Ströme führen, die signifikanteren sphärischen harmonischen Koeffizienten eliminiert werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte supraleitende Magnetspulenanordnung für einen MRI Magnet mit offener Architektur zu schaffen, die die gewünschte Feldhomogenität und Fokussierung liefert und dabei die Leiterverbindungen verbessert und vereinfacht.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte supraleitende Magnetspulenanordnung zu schaffen für einen in offener Architektur ausgeführten leitungsgekühlten MRI Magnet, der Nb&sub3;Sn Bandspulen mit vereinfachten Leiterverbindungen verwendet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine unkomplizierte Fokussierungseinrichtung in einem MRI Magnet mit offener Architektur zu schaffen, die keine elektrischen Verbindungen benötigt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet ein supraleitender MRT Magnet mit offener Architektur zwei im Abstand angeordnete supraleitende Magnetanordnungen, wobei jede eine Hauptmagnetspule auf einer Spulenhalterungsstruktur in einem Gehäuse enthält sowie ein Paar von ferromagnetischen Ringen außerhalb des Gehäuses, um ein homogenes Feld zu schaffen. Insbesondere bestehen die Ringe aus kohlenstoffarmem Stahl und enthalten an den von der Mitte der MRI Bohrung entfernten Enden eine Aussparung. Die Spule ist gewickelt aus Nb&sub3;Sn Band, und bei der Kühlung handelt es sich um eine Kryo- bzw. Tiefsttemperaturkühlung.
Ein Magnetresonanz-Bildgebungsmagnet gemäß der Erfindung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im Querschnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines die vorliegende Erfindung enthaltenden supraleitenden Magneten für MRI;
Fig. 2 eine vereinfachte seitliche Schnittdarstellung von Fig. 1, welche Details der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme zunächst auf Fig. 1 enthält eine supraleitende Magnetanordnung 10 ein Paar von ringförmig ausgebildeten Vakuumbehältern oder Gehäusen 1 und 2 aus rostfreiem Stahl mit Endplatten 5 aus kohlenstoffarmem Stahl, die getrennt sind durch 3 oder 4 sich in axialer Richtung erstreckende Abstandsstücke aus rostfreiem Stahl, zum Beispiel 3, die in der Nähe der Spitze und des Bodens um die Achse der Mittelbohrung 4 herum angeordnet sind. Die Struktur ist symmetrisch um die Bohrung 4 der supraleitenden Magnetanordnung 10 herum angeordnet. Es ist zu bemerken, daß die insgesamte durch die Vakuumbehälter 1 und 2 sowie die Abstandsstücke 3 gebildete Struktur erhebliche Öffnungen oder einen offenen Raum 11 zwischen den Vakuumbehältern 1 und 2 bereitstellt, was eine Einschließung des Patienten vermeidet, der auf dem allgemein durch das gestrichelte Bauteil 8 dargestellten Patiententisch positioniert wird. Der offene Raum schafft den Zugang seitens eines Arztes, zum Beispiel eines Operateurs, zu einem Patienten, während dieser mittels der MRI Einrichtung abgebildet wird.
Die ringförmigen Zylinder 14 und 15 von rechteckigem Querschnitt stellen Strahlungsabschirmungen dar zwischen den supraleitenden Magnetspulenanordnungen 12 bzw. 13 sowie den Vakuum behältern 1 bzw. 2. Jede supraleitende Magnetanordnung 12 und 13 enthält eine ringförmige Hauptmagnetspule 57, die in Hohlräumen und ringförmigen Rillen mit rechteckigem Querschnitt innerhalb der Magnetspulenform 61 gewickelt ist. Die Magnetspulen 57 sind gewickelt aus einem kupferstabilisierten Bandleiter aus Niob-Zinn (Nb&sub3;Sn).
Die Leitungskühlung wird geleistet von einem Gifford McMahon Kryo- bzw. Tiefsttemperaturkühler, zum Beispiel einem Leybold Modell RGD580. Der Kryokühler 19, am besten gezeigt in Fig. 2, leistet die Kühlung durch thermische Verbindungen (links) 51 in den Leitungen 53 zum Inneren der ringförmigen Zylinder 14 und 15 der Vakuumbehälter 1 bzw. 2, um die Hauptmagnetspulen 57 abzukühlen auf Supraleitungstemperaturen in der Größenordnung von 10 Grad Kelvin (10K), um den Gebrauch von flüssigem Helium für die Tiefsttemperaturkühlung zu vermeiden. Die Leistung für die Energiezuführung an die Magnetspule 57 wird geliefert über (nicht gezeigte) geeignete elektrische Verbindungen.
Die Magnetbaugruppen 12 und 13 können auf der Achse 7 konfiguriert und angeordnet werden, um eine negative Komponente des Magnetfeldes in der Bohrung auszuschließen und um ein im wesentlichen positives Magnetfeld 22 im Mittelabschnitt der Bohrung nahe der Mittelebene 21 entsprechend dem oben genannten US Patent 5,389,909 zu liefern.
Ein Band oder Ring 58 aus Eisen ist auf der Außenfläche der Gehäuse 1 und 2 montiert, und zwar die zentrale Bohrung 4 umgebend sowie in axialer Richtung von den Hauptmagnetspulen 57 versetzt, wie das am besten in Fig. 2 gezeigt ist. Der Ring 58 besteht aus kohlenstoffarmem Stahl C 1006 oder einem anderen ferromagnetischen Material mit ähnlichen ferromagnetischen Eigenschaften.
Die Eisenringe 58 sind auf der inneren Bohrung der Gehäuse 1 und 2 angeordnet, jedoch derart in axialer Richtung verschoben oder versetzt von den Hauptmagnetspulen 57, daß sie näher an der Mittelebene 21, die sich senkrecht zur Bohrung 4 erstreckt, liegen als ihre nächste Hauptmagnetspule.
Die Eisenringe 58 sind an die Gehäuse 1 und 2 angeschweißt und erstrecken sich etwa 63,5 mm in der radialen Richtung von der Bohrungsachse 7 aus sowie etwa 152 mm in der axialen Richtung parallel zur Achse 7. Eine Aussparung 31 von etwa 5,1 mm mal 25,4 mm auf dem von der Mittelebene 21 entfernten inneren Ende schafft eine Feineinstellung für die Magnethomogenität. Es sind gebohrte und gestanzte Bolzenlöcher 33, 35 und 37 am Umfang der Eisenringe 58 vorgesehen, um selektiv kleinere Shim- bzw. Beilagebauteile, zum Beispiel 39, anzuordnen und zu befestigen, um die magnetische Homogenität in dem Abbildungsabschnitt um die Mittelebene 21 in der Bohrung 4 herum zu trimmen oder anzupassen.
Fokussierungsbänder oder -ringe 58 vermeiden die Notwendigkeit von negativen Fokussierungsspulen. Da es nicht erforderlich ist, die Fokussierungsringe 58 auf Supraleitungstemperaturen zu kühlen, wird die thermische oder Kühllast auf dem Kryokühler 19 herabgesetzt, was mit dazu beiträgt, die für eine supraleitende Magnetbaugruppe 10 erforderlichen Tiefsttemperaturen bereitzustellen. Der sich ergebende verringerte Querschnitt des ringförmigen Zylinders oder der Druckbehälter 14 und 15, ermöglicht durch die Beseitigung von negativen Fokussierungsspulen von innerhalb der Druckbehälter, reduziert das zu kühlende Volumen, was weiterhin die thermische Belastung auf dem Kryokühler 19 herabsetzt, wobei es sich dabei um ein Gerät mit sehr begrenzten Kühlungseigenschaften verglichen zum Beispiel mit einer flüssiges Helium verwendenden Tiefsttemperaturkühlung handelt. Die verringerten Anforderungen an die Kühlung vereinfachen in starkem Maße die thermische Auslegung sowie die Kühlungsanforderungen für die supraleitende Magnetbaugruppe 10.
Der resultierende Durchmesser der Bohrung 4 wird ebenfalls erhöht, weil der Wegfall von Fokussierungsspulen von innerhalb der Behälter 14 und 15 gleichzeitig den Bedarf für eine etwa 50,8 mm starken Vakuumraumisolation beseitigt, die andernfalls zwischen den Fokussierungsspulen und den Behältern erforderlich wäre.
Bei der Verwendung von ferromagnetischen Bändern in der beschriebenen Weise wurde gefunden, daß sich die axiale Kraft auf die Hauptmagnetspule 57 signifikant erhöhte. Die Erhöhung gegenüber früheren Konstruktionen war überraschend groß, von etwa 18.140 kg auf etwa 22.680 kg, oder etwa 25%. Diese erhöhte Kraft kann zum Teil ausgeglichen werden durch ein Ersetzen der äußeren Gehäuseflansche 5, die in typischen Fällen aus rostfreiem Stahl gemacht sind, durch entsprechend dimensioniertes ferromagnetisches Material. In der hier beschriebenen Ausführung bestanden die Flansche aus etwa 38,1 mm starkem kohlenstoffarmen Stahl, zum Beispiel C1006 und C1020.

Claims

1. Magnetresonanz-Bildgebungsmagnet (10) mit offener Architektur, der ein getrenntes Paar von supraleitenden Magnetspulenanordnungen (12, 13) verwendet, die um seine Achse (7) herum angeordnet sind und eine axiale Bohrung (4) zur Aufnahme von Patienten formen, und der einen offenen radialen Raum (11) zwischen den Magnetspulenanordnungen bildet, um die Einengung des Patienten in der Bohrung zu minimieren und den Zugang zu dem Patienten zu maximieren, enthaltend:

eine erste ringförmige supraleitende Magnetanordnung (12), die um die Achse herum angeordnet ist,

eine zweite ringförmige supraleitende Magnetanordnung (13), die um die Achse herum angeordnet und im Abstand von und im wesentlichen parallel zu der ersten Magnetspulenanordnung angeordnet ist, wobei

die Bohrung (4) durch die mittleren Abschnitte der ersten und zweiten Magnetanordnungen um die Achse herum gebildet ist,

jede der Magnetanordnungen wenigstens eine supraleitende Magnetspule (57) in einem Gehäuse (1, 2) und ein Mittel (19) aufweist, um das Innere des Gehäuses und die Magnetspule auf eine supraleitende Temperatur zu kühlen, um ein Magnetfeld innerhalb der Bohrung auszubilden,

jede der Magnetanordnungen ferner einen ferromagnetischen Ring (58) aufweist und

die ferromagnetischen Ringe in einem radialen Abstand von der Achse angeordnet sind, der sich von dem radialen Abstand der Magnetspulen von der Achse unterscheidet und von den Magnetspulen axial versetzt ist in Richtung auf den Mittelabschnitt der Bohrung, um für Gleichförmigkeit des Magnetfeldes ohne Fokussierungsspulen und ohne leitende Leiter zu sorgen, die die Ringe verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß

das Mittel zum Kühlen Leitungskühlung ist und die Magnetspule mehrere Windungen von Band aufweist, das durch die Leitungskühlung supraleitend gemacht werden kann, und daß die Ringe (58) auf dem Äusseren der Gehäuse nahe der Bohrung angeordnet sind,

wobei jeder der Ringe an einem der Gehäuse (1, 2) befestigt ist und axial von der zugeordneten supraleitenden Magnetspule (57) in dem Gehäuse in Richtung auf eine Mittelebene (21) senkrecht zu der Achse (7) verschoben ist, und

wobei die Ringe auf den von der Mittelebene (21) entfernten Enden Aussparungen (31) benachbart zu den Gehäusen (1, 2) aufweisen.

2. Magnetresonanz-Bildgebungsmagnet (10) mit offener Architektur nach Anspruch 1, wobei das Band Nb&sub3;Sn ist.

3. Magnetresonanz-Bildgebungsmagnet (10) mit offener Architektur nach Anspruch 2, wobei die supraleitende Temperatur etwa 10 Grad Kelvin beträgt.

4. Magnetresonanz-Bildgebungsmagnet (10) mit offener Architektur nach Anspruch 2, wobei sich die Ringe etwa 63,5 mm in einer Richtung radial zur Achse erstrecken und sich etwa 152 mm in einer axialen Richtung im wesentlichen parallel zur Achse erstrecken.

5. Magnetresonanz-Bildgebungsmagnet (10) mit offener Architektur nach Anspruch 4, wobei um den Umfang der Ringe herum mehrere Bolzenlöcher (33, 35, 37) angeordnet sind, um die Befestigung passiver Shims zu ermöglichen.

6. Magnetresonanz-Bildgebungsmagnet (10) mit offener Architektur nach Anspruch 1 oder 5, wobei jedes Gehäuse wenigstens eine Endplatte (5) aus kohlenstoffarmem Stahl aufweist, die relativ zur Achse radial verläuft.

7. Magnetresonanz-Bildgebungsmagnet (10) mit offener Architektur nach Anspruch 6, wobei die Endplatten etwa 38,1 mm dick sind.