DE69632460T2

DE69632460T2 - Offene permanentmagnetstruktur zur hochgleichmässigen felderregung

Info

Publication number: DE69632460T2
Application number: DE69632460T
Authority: DE
Inventors: G. Manlio ABELE; Henry Rusinek; Jens Jensen
Original assignee: New York University NYU
Current assignee: New York University NYU
Priority date: 1995-03-13
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2016-03-13
Also published as: EP0815471A1; DE69632460D1; EP0815471B1; JPH11502141A; ES2220977T3; US5495222A; WO1996029614A1; EP0815471A4

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft Permanentmagnetstrukturen zur Erzeugung sehr starker jedoch hochgleichmäßiger Magnetfelder, die hauptsächlich, jedoch nicht ausschließlich, in medizinischen Anwendungen mit kernmagnetischer Resonanz verwendet werden können.
Medizinische Anwendungen mit kernmagnetischer Resonanz (NMR) verwenden hauptsächlich entweder supraleitende Magnete oder Permanentmagnete zur Erzeugung des für die Bildgebung erforderlichen hochgleichmäßigen Felds. Der wichtigste Vorteil supraleitender Magnete ist ihre Fähigkeit, hohe magnetische Felder zu erreichen. Die supraleitenden Spulen, die den elektrischen Strom führen, sind normalerweise in zylindrischen, an beiden Enden offenen Konstruktionen angeordnet, in die der Patient in axialer Richtung hinein geschoben wird, um in den Abbildungsbereich in der Mitte des Magneten zu gelangen. Durch diese Anordnung, die sich zwangsläufig aus der Spulengeometrie ergibt, entstehen eine Reihe von Problemen sowohl in klinischen als auch in chirurgischen Anwendungen. Beispielsweise wird die Echtzeitabbildung während eines chirurgischen Eingriffs dadurch erschwert, dass aufgrund der Magnetstruktur die Bildgebung durch die chirurgischen Instrumente behindert wird. Außerdem ist der Zugang zum Patienten und insbesondere zum Operationsfeld stark eingeschränkt.
Um diese Probleme zu umgehen wird in neueren Konstruktionen, die mit supraleitenden Magneten arbeiten, wie sie in "A System for MRI-guided interventional procedures" von P. B. Roemer, J. F. Schenck, F. A. Jolesz et al., Proceedings of II^nd meeting; Society at Magnetic Resonance, Bd. 1., S. 420, beschrieben werden, das Operationsfeld außerhalb der supraleitenden Spulen positioniert. Bei diesen Lösungen müssen die Spulen im Vergleich zu den Körpermaßen groß dimensioniert sein, damit im Operationsfeld der gewünschte Grad der Feldgleichmäßigkeit erreicht wird. Außerdem wird außerhalb des Interventionsgebiets und außerhalb des Magneten selbst ein Feld erzeugt, das viel größer ist, als das innerhalb des Abbildungsbereichs erzeugte Feld.
Die Verwendung von Permanentmagneten, die keine Energiezufuhr von außen benötigen und nicht gewartet werden müssen, gewinnt in der medizinischen Bildgebung immer mehr an Bedeutung, trotz ihrer Einschränkungen bei der Erzeugung hoher Felder. Die traditionellen Permanentmagnete können mit Jochgeometrien konstruiert werden, die einen breiten offenen Bereich um den Abbildungsbereich belassen, der sich in dem Spalt zwischen den Polschuhen befindet. Um jedoch Größe und Gewicht des Magneten innerhalb praktischer Grenzen zu halten, müssen die Polschuhe so dicht wie möglich am Körper liegen. Ein Beispiel für eine solche Struktur ist in EP-A-0 407 227 zu finden. Die großen Querabmessungen der Polschuhe, die sich aus der geforderten Feldgleichmäßigkeit innerhalb des Interventionsgebiets ergeben, schränken den Patientenzugang erneut ein und es entstehen Störungen durch die chirurgischen Instrumente. Außerdem nimmt die Leistungsfähigkeit eines herkömmlichen Permanentmagneten mit zunehmendem Feld innerhalb des Interventionsgebiets ab, was zu einem größeren Streufeld außerhalb des Spalts führt.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist eine offene Magnetstruktur, die in einem Haupt-Hohlraum innerhalb der Struktur ein hochgleichmäßiges Magnetfeld in einem Abbildungsbereich bereitstellt, gemäß Anspruch 1, und die einen Zugang zu dem Haupt-Hohlraum über eine große Öffnung entlang einer Seite der Struktur ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Permanentmagnetstruktur, bei der in einem Haupt-Hohlraum ein Patient zur NMR-Bildgebung aufgenommen wird, während gleichzeitig ein Chirurg einen chirurgischen Eingriff an dem Patienten durchführen kann.
Gemäß der Erfindung werden auf der Magnetstruktur Mittel bereitgestellt zum Ausgleichen von Feldverzerrungen, die durch die offenen Enden zur Patientenaufnahme entstehen, jedoch hauptsächlich auf die Diskontinuitäten durch die Öffnung in der oberen Wand zurückzuführen sind, die dem Arzt als Patientenzugang dient. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel dieses Aspekts der Erfindung umfasst eine äußere primäre Magnetstruktur eine erste Permanentmagnetstruktur und ferromagnetische Polschuhe, die einen ersten zentralen Hohlraum mit offenen Enden bilden, der auch über eine seitliche Zugangsöffnung verfügt, wobei die erste Permanentmagnetstruktur ein im Wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld innerhalb eines Abbildungsbereichs des zentralen Hohlraums erzeugt. In die ferromagnetischen Polschuhe ist eine innere sekundäre Magnetstruktur eingeschachtelt, die die jeweiligen seitlichen Hohlräume definiert, die sich auf beiden Seiten des Haupt-Hohlraums anschließen und in der dasselbe, im Wesentlichen gleichmäßige Magnetfeld erzeugt wird, wie in dem Haupt-Hohlraum. Die Bereitstellung des Haupt-Hohlraums, der über die seitliche Öffnung zugänglich ist, erzeugt Feldverzerrungen, die ausgeglichen werden müssen, um das im Wesentlichen gleichmäßige Magnetfeld im Interventionsgebiet zu erzeugen, um beispielsweise eine NMR-Bildgebung zu unterstützen. Die sekundäre Magnetstruktur unterstützt die Korrektur der Feldverzerrung, ohne die die NMR-Bildgebung nicht möglich wäre, indem sie im Wesentlichen dasselbe gleichmäßige Feld in den seitlichen Hohlräumen – an deren Schnittstelle mit dem Haupt-Hohlraum Feldsingularitäten entstehen würden, wenn es die sekundäre Magnetstruktur nicht gäbe – bereitstellt.
Durch die Verbindung des Haupt-Hohlraums mit den angrenzenden seitlichen Hohlräumen ergibt sich ein größerer Abbildungsbereich mit einem gleichmäßigen Magnetfeld zur Unterstützung der NMR-Bildgebung, ohne Erhöhung der Gesamtgröße der Magnetstruktur und mit einer tatsächlichen Reduzierung des Gesamtgewichts des benötigten magnetischen Materials.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird in Form einer einzigartigen Anordnung von permanentmagnetischen und weichmagnetischen Blöcken und einer Filterkonstruktion, mit der eine Reihe von räumlichen Oberschwingungen der Feldverzerrung ausgeglichen werden, ein Mittel zum Ausgleichen von Feldverzerrungen bereitgestellt.
Die Magnetstruktur der Erfindung ist besonders geeignet für medizinische Anwendungen, da sich der Abbildungsbereich über einen großen Teil des Haupt-Hohlraums erstreckt. Daher kann die Magnetstruktur in einem kompakten klinischen Scanner für die Ganzkörperabbildung eingesetzt werden. Zudem kann durch die Verwendung der modernen Hochenergieprodukte und der Seltenerdwerkstoffe eine Magnetstruktur erreicht werden, mit der Felder bis 0,5T innerhalb praktikabler Gewichts- und Größenbereiche erzeugt werden können. Die bemerkenswerte Nähe des Bereichs mit hoher Feldgleichmäßigkeit zu der seitlichen Magnetöffnung macht diese Konstruktion für chirurgische und therapeutische Eingriffe interessant. Durch die kompakte Magnetstruktur mit der großen Öffnung ist es möglich, in eine chirurgischen Abteilung ein Scanner-Gerüst bei minimaler Störung der chirurgischen Intervention zu integrieren.
Diese und andere Aufgaben und Ziele, zusammen mit einem umfassenderen Verständnis der Erfindung, werden anhand der folgenden Beschreibungen und Ansprüche, in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, die beispielhaft bevorzugte Ausführungen der Erfindung zeigen und bei denen gleiche Bezugszahlen gleiche oder sich entsprechende Teile bezeichnen, offenkundig und ersichtlich.
Zusammenfassung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigt
1 eine schematische Anordnung einer permanentmagnetischen Schicht (leichte Schattierung) und einer weichferromagnetischen Schicht (dichtere Schattierung), die ein gleichmäßiges Feld in einem Luftspalt erzeugt;
2 zeigt in einer Struktur wie in 1, wie gemäß der Erfindung ein Übergang zwischen zwei Bereichen mit unterschiedlicher Dicke, die jeweils dasselbe Feld im Bereich des Luftspalts erzeugen, mit Hilfe zweier trapezförmiger Permanentmagnetkomponenten erreicht werden kann;
3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines dreidimensionalen Hybridmagneten mit rechteckigem prismatischem Hohlraum und einem Magnetfeld, das mit der y-Achse ausgerichtet ist; der Magnet in dieser Figur hat einen geschlossenen Hohlraum und ein äußeres Joch;
4 ist eine Detailansicht eines geschlossenen dreidimensionalen Hybridmagneten, ähnlich der in 3;
5 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Hybridmagnetstruktur im ersten Quadranten in der Ebene z = 0;
6 zeigt die Äquipotentiallinien in dem Hybridmagneten der 5;
7 zeigt die Unterteilung des Hybridmagneten in zwei voneinander unabhängige Strukturen durch Transformation der Äquipotentialfläche Φ = ±Φ₁ in μ = ∞ Oberflächen;
8 zeigt eine Hybridstruktur gemäß der Erfindung, wobei der Hohlraum in der x-Dimension erweitert ist und ferromagnetische Einsatzstücke eingefügt wurden;
9 zeigt die Struktur aus 8 gemäß der Erfindung nach Entfernung der Schnittstellen zwischen den Hohlräumen;
9A zeigt eine Modifizierung des Ausführungsbeispiels der 9, bei der das weichferromagnetische Material durch Permanentmagnete ersetzt wurde, und die 9B und 9C zeigen weitere Modifikationen, bei denen ein Teil des Permanentmagnetmaterials durch weichferromagnetisches Material ersetzt wurde;
10 zeigt gemäß der Erfindung eine Öffnung der Seitenwand und eine Entfernung eines Teils des Jochs in der Hybridmagnetstruktur der 9;
11 ist eine dreidimensionale Ansicht einer offenen Magnetform gemäß der Erfindung, bei der der Haupt-Hohlraum groß genug ist, um einen menschlichen Körper aufnehmen zu können;
12 zeigt die offene zweidimensionale Struktur der 11, aus der Einzelheiten zur Ausrichtung der Remanenz (Magnetisierung) der Magnetblöcke hervorgehen;
13 zeigt die Äquipotentiallinien innerhalb, und 14 außerhalb des Hohlraums der offenen Hybridstruktur der 11 und 12;
15 zeigt eine Kurve des Magnetfelds entlang der x-Achse und der y-Achse innerhalb des Hohlraums der Struktur aus 11;
16 zeigt eine Kurve des Magnetfelds entlang der y-Achse innerhalb des Hohlraums der Struktur aus 11 für zwei verschiedene Parameter;
17 ist eine Kurve, die bestimmte Beziehungen der Struktur aus 11 zeigt;
18, 19 und 20 zeigen eine Kurve von Hy, magnetische Eigenschaften bestimmter magnetischer/ferromagnetischer Konfigurationen und eine Kurve, welche die Veränderung des Potentials bei der Entwicklung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung darstellt;
21 zeigt eine Modifikation der in 10 gezeigten Struktur;
22 und 23 zeigen die Äquipotentiallinien für bestimmte Magnetstrukturen;
24 ist eine Kurve der Verteilung des Magnetfelds entlang der x-Achse für verschiedene Strukturen;
25 ist eine graphische Darstellung des Magnetfelds entlang der x- und der y-Achse innerhalb des Hohlraums der Struktur aus 11;
26 und 27 zeigen die Äquipotentiallinien außerhalb der Struktur aus 11 aus zwei verschiedenen Richtungen betrachtet;
28 zeigt die Intensität des Randfeldes;
29 zeigt die Äquipotentiallinien innerhalb des Hohlraums;
30 ist ein vergrößerter Querschnitt typischer Filterelemente;
31 ist eine Ansicht, ähnlich wie 10, in der die Entwicklung einer bevorzugten Methode zum Ausgleichen von Feldverzerrungen erläutert wird;
32 ist eine Tabelle mit Ausdehnungskoeffizienten vor und nach Anpassung der Filterstruktur;
33 ist eine Kurve mit den Verschiebungen, die zur Beseitigung der führenden Oberwellen notwendig sind;
34 zeigt den Abbildungsbereich, den man nach dem ersten Ausgleichsschritt erhält;
35 zeigt die Bereitstellung von magnetischen Einsatzstücken zur Reduzierung der Feldverzerrung;
36 ist eine Kurve, bei der die Feldgleichmäßigkeit unter zwei unterschiedlichen Bedingungen verglichen wird;
37 und 38 zeigen die Auswirkung auf den Abbildungsbereich nach dem zweiten bzw. dritten Ausgleichsschritt;
39–41 zeigen Filterstrukturen zur Reduzierung von Feldungleichmäßigkeiten;
40A–40C sind Kurven, welche die Wirkung von Singularitäten in der Magnetstruktur der Erfindung zeigen;
42 ist eine vergrößerte Ansicht einer Strukturform gemäß der Erfindung;
43 zeigt die Lage der Filterstrukturen in einem alternativen Ausführungsbeispiel für die Struktur aus 42;
44 zeigt, wie ein Körper in den Hohlraum der Struktur aus 42 passt;
45A–45C sind Querschnitte von modifizierten Strukturen gemäß der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird besser verständlich anhand einer Beschreibung der Grundsätze, die bei der Entwicklung eines Ausführungsbeispiels der Magnetstruktur der Erfindung angewandt wurden.
Kurz zusammengefasst nutzen wir die Tatsache, dass (a) leistungsstarke Permanentmagnete mit einer neuen Konstruktionsmethode konstruiert werden können, basierend auf der Verwendung moderner magnetischer Werkstoffe mit quasilinearen Entmagnetisierungseigenschaften [1], dass es (b) durch die Entwicklung von Seltenerd-Hochenergie-Produktlegierungen möglich ist, die Anwendung der Permanentmagnettechnologie auch auf große und starke Magnete auszuweiten und dass (c) exakte mathematische Verfahren bei der Konstruktion offener Magnetstrukturen befolgt werden können, welche die Effizienz eines Magneten durch Minimieren seiner Größe und seines Gewichts optimieren.
Wir beschreiben im Folgenden eine Magnetstruktur, die gemäß der neuen Methodik konstruiert wurde. Der Patientenzugang erfolgt über eine große Öffnung entlang einer Seite des Magneten, die zusätzlich zu den beiden offenen Enden der Struktur vorhanden ist. Obwohl die Abmessungen des in dieser Beschreibung vorgestellten Magneten speziell für klinische Eingriffe und die Chirurgie vorgesehen sind, kann eine ähnliche offene Struktur für andere klinische Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine breite Öffnung erforderlich ist, die einen Zugang zum Interventionsgebiet mit einem minimalen Streufeld zulässt.
1. Grundgeometrie des Magneten
Betrachten wir die schematische Darstellung aus 1, wo die beiden Oberflächen y = 0 und y = y_e Äquipotentialflächen bei einem Potential von Null sind. Es wird angenommen, dass das Medium in den beiden Zonen y < 0 und y > y_e ein ideales ferromagnetisches Medium von unendlicher magnetischer Permeabilität ist. Nehmen wir an, dass eine Platte 11 mit einer unendlichen magnetischen Permeabilität und einer Dicke y₂ – y₁ in die Zone y < y_e eingefügt wird. Es wird angenommen, dass es sich bei dem Medium 12 in der Zone y < y₁ um Luft und bei dem Medium in der Zone 14 y₂ < y < y_e um ein ideales magnetisches Medium handelt, mit folgenden magnetischen Eigenschaften:
hierbei ist
die magnetische Induktion,
die Remanenz,
₀ die Intensität des Magnetfelds, das mit der y-Achse ausgerichtet ist, und μ₀ ist die magnetische Permeabilität eines Vakuums. Es wird angenommen, dass die Remanenz
parallel zur Achse y ausgerichtet ist. Die Intensität
₀ des Feldes innerhalb der Zone 12 y < y₁ ist gegeben durch [1] μ0H0 = KJ, (1.2)hierbei gilt
Solange Gleichung (1.3) für einen gegebenen Wert K erfüllt ist, kann derselbe Wert des Feldes
₀ in dem Luftspalt 12 für einen Bereich mit den Dimensionen y₁, y₂ erreicht werden. Ein Grenzfall tritt ein, wenn y₁ → 0, y₂ → y_e; in diesem Fall wird die gesamte Zone zum ferromagnetischen Medium. Ein zweiter Grenzfall tritt ein, wenn die Dicke y₂ – y₁ des ferromagnetischen Mediums 11 auf Null reduziert wird, wodurch sich eine direkte Schnittstelle zwischen dem magnetischen Medium 14 und der Luft ergibt, was durch die gestrichelte Linie in 1 angedeutet wird.
Eine wichtige Aufgabe bei der Konstruktion eines Permanentmagneten ist der Übergang zwischen zwei Zonen mit unterschiedlichen Höhen y_1,1, y_1,2 des Luftspalts und unterschiedlichen Dicken y_2,1 – y_1,1 und y_2,2 – y_1,2 der ferromagnetischen Platten und eine Erzeugung desselben Feldes in dem Luftspalt. Wenn die beiden Zonen folgende Bedingung erfüllen
kann ein solcher Übergang mit Hilfe der in 2 gezeigten Technik ohne eine Verzerrung der Gleichmäßigkeit des Feldes erreicht werden. Die beiden Platten 18, 20 sind voneinander durch zwei trapezförmige Komponenten 22, 24 aus permanentmagnetischem Material getrennt. Die Winkel α, β der Schnittstellen zwischen den trapezförmigen Komponenten 22, 24 und die μ = ∞-Platten 18, 20 sind gegeben durch
Die Remanenzen der trapezförmigen Komponenten 22, 24 haben dieselbe Größe für
die die Remanenz in den magnetischen Schichten 26 aus 2 und sind senkrecht zu ihren Schnittstellen mit den μ = ∞-Platten 18, 20 ausgerichtet. Laut Gleichung (1.5) sind die Intensitäten der Magnetfelder in den beiden trapezförmigen Komponenten 18, 20 gleich und verhalten sich entgegengesetzt zu ihren Remanenzen, so dass sich folglich für beide Komponenten folgende Gleichung ergibt:
d. h., in den trapezförmigen Komponenten wird kein Fluss von
erzeugt. Die Struktur aus 2 stellt den grundlegenden Konstruktionsansatz für den in dieser Patentbeschreibung vorgestellten offenen Magneten dar. Eine ausführlichere Beschreibung der Funktionsweise der beiden trapezförmigen Komponenten findet sich in der U.S.-Patentschrift Nr. 5,162,771.
Der offene Magnet entsteht aus einem hybriden, dreidimensionalen Magneten 30 mit einem rechteckigen prismatischen Hohlraum 32, wie in 3 gezeigt, der so konstruiert wurde, dass er in dem prismatischen Hohlraum ein gleichmäßiges Intensitätsfeld
₀ erzeugt, das mit der y-Achse ausgerichtet ist. Die äußeren Komponenten, hier mit 31 bezeichnet, bilden ein äußeres Joch, das die Struktur umschließt. Die Eigenschaften von Hybridmagneten wurden bereits ausführlich erörtert [1]. (Die Zahlen in Klammern weisen auf beigefügte Veröffentlichungen hin.) Die Außenfläche des Magneten 30 ist umschlossen von einem idealen Joch 31 mit einer unendlichen Permeabilität μ. Die gesamte dreidimensionale Magnetstruktur 33 ist in 4 dargestellt und ihr Querschnitt im ersten Quadranten in der Ebene z = 0 in 5.
Die Verteilung der Remanenzen
₁,
₁₂,
₂₁ der Größenordnung J₀ wird durch die Gleichung (1.2) zu der Größenordnung der Intensität
₀ in Beziehung gebracht.
Vektor
₁ ist entlang der Achse y und die Vektoren
₁₂,
₂₁ senkrecht zu den Außengrenzen zweier dreieckförmiger Permanentmagnetkomponenten 36 (S, T, U) bzw. 37 (S, T, V) ausgerichtet, wie in 5 gezeigt. Die Geometrie der dreieckförmigen Komponenten ist so beschaffen, dass die Induktionen
₁₂ und
₂₁ in beiden Komponenten Null betragen [1]. Folglich ist der Fluss der Induktion in dem Hohlraum 32 auf die rechteckigen Komponenten des magnetischen Materials mit der Remanenz
beschränkt. Das ideale Joch, welches die rechteckigen Komponenten begrenzt, darf außerhalb des Intervalls UTV geschlossen werden und folgt einem beliebigen Pfad, weil das skalare Potential Φ in der Zone zwischen dem Joch 31 und der Außenfläche der dreieckförmigen Komponenten 36, 37 Null ist. Die Geometrie des idealen Jochs 31, die in 5 gezeigt wird, wird für die Konstruktion der hier vorgestellten tatsächlichen Jochstruktur ausgewählt.
Es seien 2x₀, 2y₀, 2z₀ die Dimensionen des rechteckigen prismatischen Hohlraums 32. Die Koordinaten y_e, y₀ der Punkte U, S werden in Beziehung gebracht in der Gleichung
und die Koordinaten des Punktes T sind
Es sei Φ₀ das Potential der Schnittstelle zwischen dem Hohlraum 32 und den rechteckigen Komponenten 39 des magnetischen Materials bei y = y₀. Die Äquipotentiallinien 35 im ersten Quadranten des Querschnitts z = 0 sind in 6 dargestellt. Bei jeder der 6 bis 10 wurde zur Vereinfachung ein äußeres Joch für den Rückflussweg, entsprechend Teil 31, das in 5 als dicke Linie dargestellt ist, weggelassen.
Nehmen wir an, dass die beiden Äquipotentialflächen 41, 43 Φ = ±Φ1(|Φ1| < |Φ0|) (1.9)in μ = ∞ Flächen transformiert werden. Die Feldkonfiguration wird durch diese Transformation nicht betroffen und der daraus resultierende Magnetquerschnitt in der Ebene z = 0 ist in 7 dargestellt, wo die dicke Linie 38 die Äquipotentialfläche definiert, die durch die Gleichung (1.9) gegeben ist.
In 7 wurde die ursprüngliche Struktur in zwei voneinander unabhängige magnetische Strukturen 40, 41 unterteilt durch die Linien
Weil (x_T – x₀)/y₀ und y_T/y₀ unabhängig von der Geometrie des Magneten sind, kann die Dimension x des Hohlraums 32 verlängert werden auf 2x1 > 2x0 (1.11)
Die Verlängerung der Hohlraumdimension in Richtung x erfordert eine entsprechende Verlängerung der rechteckigen Komponenten 39 aus magnetischem Material in der Zone zwischen den Äquipotentiallinien Φ = ±Φ₁ und dem äußeren Joch. Die sich daraus ergebende Struktur, beschränkt auf die Zone y > 0, ist in 8 dargestellt, wo die dicht schraffierten Bereiche den Querschnitt der ferromagnetischen Polschuhe 35 mit μ = ∞ darstellen. 8 zeigt etwas, das im Folgenden jeweils als Teil eines zentralen Hohlraums 46 bezeichnet wird, von den angrenzenden seitlichen Hohlräumen 42, 44 getrennt durch eine hypothetische Membrane 43.
Die Schnittstellen zwischen den drei Hohlräumen 42, 44, 46 in 8 können entfernt werden, ohne die Feldkonfiguration in dem zentralen Hohlraum 46 zu beeinflussen, woraus sich die in 9 gezeigte Struktur ergibt. Die Feldgleichmäßigkeit bleibt in dem neuen Haupt-Hohlraum 48 erhalten, trotz der Diskontinuität der Hohlraumgrenze bei x = ±x₀.
Die Transformation der Äquipotentiallinien ±Φ₁ zu μ = ∞ Flächen erlaubt auch eine Vergrößerung der Dimension z (der senkrecht zur Zeichnung liegenden Ebene) des Haupt-Hohlraums auf einen neuen Wert 2z1 ≥ 2z0 (1.12)der unabhängig von 2x₁ ausgewählt werden kann.
Das ferromagnetische Material in den dicht schraffierten Bereichen der 9 kann durch magnetisches Material ersetzt werden, dessen Remanenz so ausgewählt wird, dass die Bedingung
erfüllt ist, womit diese Bereiche äquipotential werden. Die Verteilung von
in beiden Bereichen wird in 9A gezeigt. Die vier Vektoren sind parallel zu den Schnittstellen mit den dreieckförmigen Komponenten ausgerichtet. Nach Gleichung (1.5) sind die Größenordnungen der Remanenz
wobei B₃₁, B₃₂, B₃₃, B₃₄ die Größenordnungen der Induktion in den vier Bereichen sind. Gleichung (1.14) zeigt, dass man in dem Bereich 0 < K < 1 (1.15) J21 = J23 < J0 (1.16)hat. Andererseits sind J₃₂ und J₃₄ im Bereich von K kleiner als J₀
Wenn also die magnetische Struktur mit dem maximal verfügbaren Wert der Remanenz J₀ entworfen wird, stellt Gleichung (1.17) den maximalen Wert für K bereit, der mit der magnetischen Struktur 50' aus 9A erreicht werden kann.
Jede Kombination aus ferromagnetischem Material und magnetischem Material, welche die Gleichung (1.13) erfüllt, kann zur Erzeugung der Äquipotentialfläche verwendet werden, die erforderlich ist, um die Dimension x des Hohlraums zu vergrößern. Eine derartige Konfiguration 50'' wird beispielsweise in 9B gezeigt, wo das ferromagnetische Material auf den dicht schraffierten Bereich 38 beschränkt ist.
Eine Kombination von Materialien mit unterschiedlicher Remanenz kann ebenfalls verwendet werden, um die dreieckförmigen und trapezförmigen Komponenten zu entwerten, welche die Gleichung (1.6) erfüllen. 9C zeigt die Geometrie der beiden dreieckförmigen Bereiche (STU) und (STV) aus 5, wo die Größenordnung der Remanenzen
₁₃ und
₁ beide J₀ entsprechen und die Größenordnung der Remanenz
₁₂ kleiner ist, als J₀. Der neue Wert des Winkels α₂ der Komponente (STV) ist gegeben durch
Der größere Winkel α₂ > α, der sich aus dem Austausch der Komponente (STV) gegen ein Material mit geringerer Remanenz ergibt, kann sehr nützlich sein bei einem Magneten, der für einen kleinen Wert von K entworfen wurde, wo ein kleiner Winkel α₁ zu schwierigen Herstellungs- und Magnetisierungsproblemen führen kann.
Die geschlossene Magnetstruktur 50 aus 9 muss offen sein, damit der Abbildungsbereich zugänglich ist. Die Öffnung des Magneten verzerrt das Feld und die Verzerrung muss soweit ausgeglichen werden, bis das Feld den zugewiesenen Grad der Gleichmäßigkeit innerhalb des Abbildungsbereichs beibehält. Der Effekt der Öffnung hängt ab von der Feldausrichtung in Bezug zu der Öffnung. Es konnte gezeigt werden, dass eine Feldausrichtung senkrecht zur Öffnung sowohl die Verzerrung des Felds innerhalb des Hohlraums als auch die Streuung des Felds außerhalb des Magneten [2] minimiert. Folglich ist der Magnethohlraum 48 entlang der Dimension z an beiden Enden offen, damit ein Patient in den Magneten eingeschoben werden kann, außerdem ist die Seitenwand 52 des Hohlraums bei x = x₁ offen, 53, um einen Zugang zum Interventionsgebiet am Körper des Patienten von Außen zu ermöglichen. Die Öffnung 53 erfordert die Entfernung einiger Komponenten aus magnetischem Material sowie eines Teils des äußeren Jochs (in 10 nicht gezeigt), woraus sich die grundlegende Struktur 54 des Schemas aus 10 ergibt.
Die Auswahl der geometrischen Parameter der Struktur aus 10 ist das Ergebnis eines Kompromisses zwischen mehreren miteinander in Konflikt stehenden Einschränkungen, die sich aus den gewünschten Dimensionen des Abbildungsbereichs, aus dem Patientenzugang und aus der Komplexität des Ausgleichs der Feldverzerrung innerhalb des Abbildungsbereichs ergeben. 11 zeigt perspektivisch die komplette Struktur 71 aus 10, einschließlich des Jochs, um 90° aus ihrer normalen Ausrichtung gedreht, so dass die Öffnung 56 in der Seitenwand oben liegt. In dem Schema der 11 wurden die Dimensionen 2x₀, 2y₀, 2z₀ des Hohlraums 58 so ausgewählt, dass sie den vollen Querschnitt eines auf dem Rücken liegenden menschlichen Körpers aufnehmen können. Der Hohlraum ist an beiden Enden vollständig offen und die Länge 2z₀ wurde so ausgewählt, dass sie ausreicht, um die durch die Öffnungen bei z = ±z₀ verursachte Feldverzerrung zu minimieren. Die Breite 2y₁ der Öffnung 56 in der oberen Wand des Hohlraums wurde so ausgewählt, dass der Zugang zum Interventionsgebiet am Körper des Patienten minimiert ist. Die Verlängerung x₁ – x₀ der Hohlraumdimension wird so ausgewählt, dass eine Filterstruktur eingefügt werden kann, die für den Ausgleich einer Reihe von räumlichen Oberwellen der Feldverzerrung erforderlich ist, wie im folgenden Abschnitt erörtert wird. Die Verlängerung des Hohlraums in z-Richtung ist unnötig, wenn keine zusätzliche Filterstruktur an beiden Enden des Magneten hinzugefügt wird, d. h., der Magnet kann mit z₁ = z₀ konstruiert werden.
2. Feldeigenschaften
In diesem Abschnitt wird die Konfiguration des Magnetfelds analysiert, das von den offenen Hybridstrukturen, die in Abschnitt 1 vorgestellt wurden, erzeugt wird. Diese Struktur 71 ist in den 11 und 12 in der Perspektive dargestellt. Die ferromagnetischen Abschnitte sind in beiden Figuren stark schraffiert, die permanentmagnetischen Abschnitte sind in 11 leicht und in 12 überhaupt nicht schraffiert, um die einzelnen Blöcke und ihre Magnetisierungsrichtungen durch die Pfeile anzuzeigen. Die gezeigte Struktur 71 umfasst eine allgemein C-förmige Struktur mit Seitenwänden 71-1 und einer Bodenwand 71-2, mit offenen Enden an den gegenüberliegenden Seiten entlang der z-Achse, um einen Patientenzugang zu dem inneren Hohlraum 58 zu ermöglichen, und mit einer großen Öffnung 56 an der oberen Wand, um den Zugang eines Chirurgen zum Patienten während eines NMR-Scannings zu ermöglichen. Ein gleichmäßiges Feld erstreckt sich in y-Richtung innerhalb des Hohlraums 58 und die Mitte des Abbildungsbereichs oder Interventionsgebiets liegt dicht am Ursprung 0 des gezeigten x-y-z-Koordinatensystems. Die Struktur umfasst in jeder Seitenwand ein inneres Rechteck 62, das durch obere und untere dreieckige Permanentmagnetblöcke 64, 66 abgeschlossen wird, die in das äußere Rechteck 63 geschachtelt sind, welches abgeschlossen wird durch obere und untere trapezförmige Permanentmagnetblöcke 65, 67, 68. Ferromagnetische Polschuhe 60, 61 mit hoher Permeabilität trennen die ineinander geschachtelten Magnetblöcke. Die beschriebene Konstruktion ist umschlossen von einem ferromagnetischen Joch 70, um die von den Magnetblöcken erzeugten Flusslinien zu schließen.
Da Feldeigenschaften von dem Konstruktionsparameter K, den Dimensionen des Hohlraums 58, x₀, y₀, der Höhe y₁ der Öffnung 56 und der Breite x₁ – x₀ der inneren ferromagnetischen Blöcke 60, 61 beeinflusst werden, wird die Wirkung dieser Parameter zuerst analysiert. Die numerischen Berechnungen basieren auf der Randelementmethode (BEM), die in Referenz [1] formuliert wurde. Die BEM wird deswegen angewendet, weil sie eine effiziente Lösung der magnetostatischen Probleme bei Annahme linearer Entmagnetisierungseigenschaften und eines geringen Polarisierbarkeitswerts erlaubt, die für modernes magnetisches Material typisch sind.
Für praktische Strukturen ist die Länge z₀ tendenziell größer als y₀, wodurch die Auswirkungen eines stumpfen Abbruchs der Feldkonfiguration im zentralen Abbildungsbereich minimiert werden.
10 zeigt die Geometrie des offenen Hybridmagneten, der für K = 0,3 entworfen wurde. Aus Gleichung (1.8) ergeben sich folgende Koordinaten für die Punkte A₁, A₂ in 10
Andere geometrische Parameter der offenen Struktur sind x0 = 0,5y0, y1 = 0,5y0, (x1 – x0) = 0,3y0 (2.2)
Für diese besondere Magnetkonfiguration, die in 13 ohne das äußere Joch dargestellt ist, zeigt 13 die Äquipotentiallinien innerhalb des zentralen Hohlraums und 14 zeigt die Verteilung der Äquipotentiallinien außerhalb des Magneten. Für J₀, auf Eins normalisiert, beträgt der berechnete Wert des Potentials der beiden Komponenten μ = ∞ Φ1 ≈ –0,1371 (2.3)
15 zeigt die y-Komponente des Magnetfelds entlang der Achsen x und y innerhalb des Hohlraums für die Magnetstruktur. Das Feld in der geometrischen Mitte des Hohlraums ist 0,283J₀, was ungefähr 6% weniger als das Feld für die ideale geschlossene Struktur ist. Das Zentrum der Gleichmäßigkeit wird zur negativen Richtung der x-Achse verschoben, also weg von der Öffnung. Die Feldgleichmäßigkeit innerhalb eines Abbildungsbereichs mit dem Durchmesser 0,5y₀ beträgt 0,35%.
Für K = 0,3 berücksichtigt 16 die Geometrie der Magnetstruktur für die beiden Fälle y1 = 0,6y0, (x1 – x0) = 0,3y0 (2.4) y1 = 0,5y0, (x1 – x0) = 0,4y0 (2.5)
Vergleicht man 16 mit 15, kann man erkennen, dass eine größere Öffnung y₁ mit einem stärkeren Verlust der Feldintensität in der geometrischen Mitte des Hohlraums einhergeht, während eine größere Breite x₁ – x₀ des ferromagnetischen Blocks eine Feldzunahme bewirkt.
Wie in 15 zu sehen ist, zeigt die offene Konfiguration einen Verlust der Feldintensität bis auf 0,28 im Vergleich zu der idealen geschlossenen Struktur, bei der das Feld den Wert 0,30 aufweist. 17 zeigt das Verhältnis zwischen den geometrischen Parametern y₁ und x₁, die einen konstanten Feldwert 0,28 in der geometrischen Mitte des Hohlraums aufrechterhalten. Das Verhältnis zwischen diesen beiden Parametern weist darauf hin, dass der Magnetentwurf einen Kompromiss zwischen der Breite der seitlichen Öffnung und der Länge des Übergangsbereichs beinhalten muss.
Laut Gleichung (1.2) ist das Feld innerhalb des Hohlraums beim geschlossenen Hohlraum proportional zum Wert des Parameters K. Tabelle 2.1 ist eine Aufstellung der Querschnittsfläche, des Werts des Feldes H₀ an der geometrischen Mitte des offenen Magneten, und H₀ normalisiert zum Feld H₀ ^c in dem idealen geschlossenen Magneten für K im Bereich 0,1–0,5. Während die Feldintensität H₀ in der offenen Struktur im Wesentlichen proportional zu K bleibt, nimmt der Feldverlust im Verhältnis zu einem geschlossenen Magneten mit K zu.
Tabelle 2.1
Wie Abschnitt 1 zeigt, ist das Feld in dem vollständig geschlossenen Magneten nicht von der Entfernung der μ = ∞-Schnittstellen zwischen dem Haupt- und dem Seiten-Hohlraum betroffen. Das ist jedoch bei dem offenen Magneten nicht mehr der Fall, weil das Feld in dem offenen zentralen Hohlraum nicht gleichmäßig ist. Die Wirkung ist in 18 dargestellt, welche die Komponente H_y auf der Linie y = y₁ vor und nach der Entfernung der Schnittstellen zwischen dem zentralen und dem seitlichen Hohlraum bei dem zweidimensionalen Hohlraum zeigt. In 18 zeigt Kurve (a) die allmähliche Zunahme von H_y im Verhältnis zu x vor der Entfernung und Kurve (b) zeigt, dass nach Entfernung der Schnittstelle eine große Feldverzerrung im Bereich der Ecken des Materials μ = ∞ zu erwarten ist.
Um die Felddiskontinuität an den Ecken A₁, A₂ (10) zu analysieren, betrachte man das zweidimensionale Schema aus 19, wo σ die Oberflächenladungsdichte bezeichnet, die durch das Feld in dem zentralen Hohlraum an den Schnittstellen bei y = y₁ in Abwesenheit des seitlichen Hohlraums induziert wird. Im dem Bereich –x₁ < x < x₁ ist die Oberflächenladungsdichte σ gegeben durch σ = μ0Hy(x, y1) = –KJ0f(x) (2.6)wobei die dimensionslose Funktion f(x) positiv ist, wenn H_y in der positiven Richtung von Achse y ausgerichtet ist. In der Grenze des vollständig geschlossenen Magneten erhält man f(x) = –1 (2.7)
Der in 19 gezeigte Keil aus magnetischem Material ist die dreieckförmige Komponente des seitlichen Hohlraums, dessen Kante angeordnet ist bei x = x0, y = y1 (2.8)
Es sei
die Remanenz des Keils aus magnetischem Material senkrecht zu seiner Oberfläche
wobei der Winkel α gegeben ist durch sinα = K. Die Oberflächenladungsdichten σ₁, σ₂, die durch
auf der Oberfläche des Keils induziert werden, sind gegeben durch
Die Vektoren
₀,
₁,
₂ in 19 sind Einheitsvektoren parallel zu den Schnittstellen, wo die Ladungen σ₀, σ₁, σ₂ liegen und zeigen von den Schnittstellen weg. Aus Gleichung (2.10) erhält man
Vektor Σ ist also immer in Richtung der Achse x ausgerichtet, wie in 19 angegeben. Laut dem Theorem der Existenz eines gleichmäßigen Felds in einer prismatischen Struktur aus magnetischem Material [1] muss Vektor Σ Vektor σ₀
₀ aufheben, d. h.,
Wenn also die Größe von
_y geringer ist als H₀, erhält man J < J0 (2.13)
Weil das Feld innerhalb des Hohlraums nicht gleichmäßig ist, erfordert die Aufhebung der Feldsingularität, die an Punkt A₂ der Koordinaten x = x0, y = y1 (2.14)durch die Entfernung der Schnittstelle μ = ∞ erzeugt wird, einen anderen Wert für
in den dreieckigen Keilen. Die Singularitäten an den Punkten A₁, A₂ werden also aufgehoben durch die richtige Auswahl des Werts von
in den dreieckförmigen Keilen. Aufgrund der Ungleichheit, die sich aus Gleichung (2.13) ergibt, ist jedoch die Bedingung des Vorhandenseins eines gleichmäßigen Felds an den entfernten Ecken B₁, B₂ des seitlichen Hohlraums in 14 nicht erfüllt und an diesen Ecken wird eine Feldsingularität erzeugt. Wegen der größeren Entfernung dieser Punkte von dem zentralen Hohlraum ist die Feldverzerrung im Abbildungsbereich minimiert und kann durch die Filterstrukturen [4] ausgeglichen werden. Die Analyse der Filterstrukturen, die zur Erzielung des gewünschten Grads an Feldgleichmäßigkeit entworfen wurden, wird im folgenden Abschnitt vorgestellt.
Die Fehlanpassung des Felds an der Schnittstelle zwischen dem zentralen und dem seitlichen Hohlraum kann reduziert werden, indem man die seitlichen Hohlräume für einen Wert K_i entwirft, der geringer als K ist. In 20 ist das Potential auf der Linie A₁, A₂ (13) für mehrere Werte K/K aufgetragen, woraus eine wesentliche Reduzierung der Ungleichmäßigkeiten im zentralen Bereich des Magnethohlraums hervorgeht.
Wie in Abschnitt 1 gezeigt wird, können die äquipotentialen ferromagnetischen Komponenten entweder komplett oder teilweise durch magnetische Werkstoffe ersetzt werden, deren Remanenz so ausgewählt wird, dass sie der magnetischen Induktion entspricht. Das Schema aus 10 kann also in die Struktur der 21 umgewandelt werden, in der die fett gedruckten Pfeile die Ausrichtung der Remanenz in den neuen Komponenten anzeigen.
Um die Feldverzerrung aufgrund der Öffnung des Magneten zu minimieren, müssen die Feldsingularitäten an den beiden neuen Ecken A₁, A₂ beseitigt werden. Die Aufhebung der Singularitäten ist ein besonderer Fall der Konfiguration aus 22, der zeigt, wie der Keil μ = ∞ eine Schnittstelle mit den beiden Medien bildet, wo die Feldintensitäten
₀,
₁ senkrecht zu den Keilflächen stehen. Der Keil ist äquipotential und die Oberflächenladungsdichten auf seinen Flächen sind wie folgt: σ0 = μ0H0, σ1 = μ1H1 (2.15)
Die Ladungsdichte σ auf der Schnittstelle zwischen den beiden Keilen beträgt σ = μ0H0cos(α0 – α) + μ0H1cosα (2.16)wobei Winkel α die Grenzbedingung H0sin(α0 – α) = H1sinα (2.17)erfüllt.
Angenommen die Zone mit der Intensität
₀ ist ein nicht magnetisches Medium und die Zone mit der Intensität
₁ ein magnetisches Medium mit der Remanenz
. Laut Gleichung (2.17) erfüllt
die Gleichung
wobei der Einheitsvektor
senkrecht zu der Schnittstelle zwischen magnetischen und nichtmagnetischen Medien verläuft und zum nichtmagnetischen Medium ausgerichtet ist, wie in 22 gezeigt wird. Die Komponente von
parallel zu der Schnittstelle zwischen magnetischen und nichtmagnetischen Medien kann beliebig gewählt werden. So kann die Ausrichtung von
so ausgewählt werden, dass der Fluss sowohl im magnetischen als auch im ferromagnetischen Medium in dieselbe beliebige Richtung gelenkt wird.
In dem besonderen Fall, der in 23 dargestellt ist, wo α = α0 (2.19)erhält man H₁ = 0, d. h., der Bereich des magnetischen Werkstoffs ist äquipotential, und laut Gleichung (2.15) und (2.16) σ1 = 0, σ = σ0 (2.20)
Somit ist das Theorem der Existenz eines gleichmäßigen Felds in der Nähe der Keilkante erfüllt. Wenn die Remanenz
so ausgewählt wird, dass sie parallel zu der Schnittstelle zwischen dem Keil μ = ∞ und dem magnetischen Werkstoff liegt, wo
=
ist, liegen die Flusslinien der magnetischen Induktion parallel zu derselben Schnittstelle in beiden Medien, wie in 23 gezeigt.
Die Transformation der magnetischen Struktur aus 10 zu der Struktur aus 21 führt dazu, dass A₁, A₂ die Schnittpunkte nur von magnetischem Material sind. Mit der Entfernung des Materials μ = ∞ von A₁ und A₂ wird eine Singularität der Feldintensität an beiden Punkte beseitigt, wenn die Ladungsdichten σ₁, σ₂, die durch die Gleichungen (2.10) definiert werden, folgende Bedingung erfüllen:
wobei
₀,
₁,
₂ die in 19 definierten Einheitsvektoren sind und σ die durch Gleichung (2.18) gegebene Oberflächenladungsdichte ist. Die Feldsingularitäten an den Punkten A₁, A₂ werden also beseitigt, unabhängig von der Feldverteilung innerhalb des Hohlraums.
Wie in dem Schema der 14 gezeigt wird, erzeugt die Seitenöffnung des Magnethohlraums bei der zweidimensionalen Struktur eine relativ kleine Störung des gleichmäßigen Felds. Um die Feldverteilung eines dreidimensionalen offenen Magneten zu analysieren, nehmen wir an, dass die Struktur aus 14 an den Ebenen z = ±z₀ stumpf abgeschnitten ist, wie in 11 gezeigt. 24 zeigt das Magnetfeld H_y entlang der x-Achse des Hohlraums für mehrere Werte der Länge z₀. Man sieht hier, dass, wenn die Länge 2z₀ entsprechend größer als die Querdimension 2y₀ des Hohlraums ist, eine weitere Vergrößerung der Länge nur begrenzt zu Verbesserungen der Feldstärke und ihrer Gleichmäßigkeit führt. Ebenso kann man erkennen, dass die zweidimensionale Berechnung ziemlich genau die Verteilung des Magnetfelds im zentralen Bereich des Magneten beschreibt.
Eine dreidimensionale Berechnung wurde durchgeführt, um das Verhalten des Randfeldes mit zunehmender Entfernung vom Magneten zu analysieren. Als Beispiel nehmen wir eine Länge z₀ des offenen Magneten z0 = 1,25y0 (2.22)an. Die Äquipotentiallinien außerhalb des Magneten werden in den 26 und 27 gezeigt. In einer großen Entfernung vom Magneten entsprechen die Äquipotentiallinien dem Feld eines magnetischen Dipols, der im Zentrum des Magneten angeordnet und in Richtung der y-Achse ausgerichtet ist.
Die Größenordnung des Feldes auf der Ebene x = 0 für eine durch Gleichung (2.22) gegebene Struktur ist in 28 dargestellt. Das Randfeld wird dargestellt durch Auftragen der Kurven des Gleichfelds, der Größe von H unter der Annahme K = 0,3 und J₀ = 1,25T was einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung entspricht, wobei magnetische Werkstoffe mit hoher Energie aus Seltenerdmetallen verwendet werden. Insbesondere ist das Streufeld, trotz der großen Öffnung in der Seitenwand, mit der 5-Gauss-Linie gering, von der normalerweise angenommen wird, dass sie das Ausmaß des Randfelds definiert, das dicht am Bereich des Radius 6.7 y₀ zu finden ist.
Die Kurve der y-Komponente des Magnetfelds entlang der x- und der y-Achse innerhalb des Hohlraums 72 ist in 25 dargestellt. Man kann sehen, dass der Bereich mit der höchsten Gleichmäßigkeit im zentralen Bereich des Hohlraums liegt, im Gegensatz zu der Feldkonfiguration traditioneller C-Magnete. Das Zentrum der Gleichmäßigkeit liegt am Punkt x = –0,15, y = 0, und die Feldgleichmäßigkeit innerhalb eines Abbildungsbereichs vom Durchmesser 0,5y₀ beträgt 0,35%. 29 ist ein Querschnitt durch die gesamte Struktur, der die äquipotentialen Feldlinien in dem Hohlraum zeigt.
3. Filterstruktur
In diesem Abschnitt wird das Problem des Ausgleichens der Feldverzerrung innerhalb des Abbildungsbereichs des offenen Magneten aus 11 analysiert. Der Ausgleich basiert auf der zusätzlichen Verwendung einer Filterstruktur, die zur Unterdrückung der dominanten räumlichen Oberwellen des Felds innerhalb des Abbildungsbereichs entworfen wurde. Es werden so viele Oberwellen unterdrückt, wie zur Erzielung der gewünschten Feldgleichmäßigkeit erforderlich sind.
Die grundlegende Theorie des Entwurfs von Filterstrukturen wurde in jüngsten Veröffentlichungen von den Autoren dargestellt [4, 5, 6]. Die Theorie basiert auf der Modulation des magnetostatischen Potentials an der Schnittstelle zwischen der Magnetstruktur und dem zentralen Hohlraum, die dadurch erreicht wird, dass man Elemente aus permanentmagnetischem Material 200 sandwichartig zwischen den Hauptkörper der weichferromagnetischen Komponenten 202 und die magnetisch isolierten Platten aus weichferromagnetischem Material 204 bringt, wie in der Schemazeichnung aus 30 [6] dargestellt.
Aus Gründen der Vereinfachung beschränkt sich dieser Abschnitt auf das zweidimensionale Problem des Ausgleichens der Feldverzerrung, die durch die Öffnung des Magneten in der Grenze z₀ = ∞ verursacht wird, und die notwendigen Modifizierungen werden nur für die Magnethälfte im Bereich y > 0 beschrieben, wobei die entsprechenden symmetrischen Änderungen an der anderen Magnethälfte implizit sind. Die weiter unten beschriebene 40B zeigt die Feldverzerrung und insbesondere die Singularitäten, die durch die Fehlanpassung des Feldes zwischen dem zentralen und dem seitlichen Hohlraum entstehen. Um diese Fehlanpassung zu minimieren, verläuft eine bevorzugte Form des Ausgleichs der Feldverzerrung in drei Schritten.
Im ersten Schritt wird das Vorhandensein einer hypothetischen μ = ∞-Membran 206 zwischen dem zentralen Hohlraum 208 und dem seitlichen Hohlraum 210 (31) angenommen. Den Ausgleich der Feldverzerrung in dem zentralen Hohlraum 208 erreicht man mit Hilfe einer Filterstruktur 212, die auf der Oberfläche der ferromagnetischen Polschuhe 202 im Bereich x0 < |x| < x1 (3.1)angeordnet ist. Diese Filterstruktur, die so entworfen werden kann, dass sie ein hochgleichmäßiges Feld in dem zentralen Hohlraum 208 erzeugt und die in vergrößertem Maßstab in 30 dargestellt ist, stellt den Hauptteil des Feldausgleichs dar.
Weil der Ausgleich der Feldverzerrung in dem zentralen Hohlraum 208 nicht den Wert des Felds in dem geschlossenen Magneten wieder herstellen soll, besteht der zweite Schritt in einer Modifizierung des seitlichen Hohlraums 210, um die Wirkung der Fehlanpassung des Feldes nach der Entfernung der μ = ∞-Membran 206 zu minimieren. Die Modifizierung kann entweder eine Herabsetzung der Remanenzen der magnetischen Komponenten in dem seitlichen Hohlraum oder des Werts K des seitlichen Hohlraums sein, wie in Abschnitt 2 erörtert wurde. Um die Störung, die durch die Entfernung der μ = ∞-Membran verursacht wurde, weiter zu verringern, kann ein Teil der ferromagnetischen Komponenten 202 ersetzt werden durch Einsatzstücke aus magnetischem Material 215 (siehe 35), die dazu dienen, die Gleichmäßigkeit des Feldes aufrecht zu erhalten. Der dritte Schritt ist eine Feinabstimmung der Filterstruktur und geringfügige Anpassungen der Remanenzen ausgewählter magnetischer Komponenten, um den größtmöglichen Abbildungsbereich zu erhalten.
Der erste Schritt des Ausgleichs beginnt damit, dass das Potential des zentralen Hohlraums entwickelt wird, und zwar wie folgt:
[ancosh(nπx/y1) + bnsinh(nπx/y1)]
Hierbei ist Φ₁ das Potential der μ = ∞-Membran, welche den seitlichen Hohlraum bei y = y₁ schließt. Um die Gleichmäßigkeit des Feldes zu verbessern, ist die Filterstruktur so konstruiert, dass eine vorgegebene Anzahl von Oberwellen in der Entwicklung (3.2) unterdrückt wird. Da die Koeffizienten a_n und b_n mit größer werdendem n schnell kleiner werden, müssen nur die ersten wenigen Oberwellen unterdrückt werden, um ein hoch gleichmäßiges Feld zu erhalten.
31 zeigt den Magnet mit einer Filterstruktur 212, die zur Aufhebung der Terme mit n ≤ 3 entworfen wurde. Die magnetischen Sandwichelemente des Filters sind mit einem Index 1 = ±1, ±2, ..., gekennzeichnet, wobei positive I den Sandwichelementen mit positiven x-Koordinaten entsprechen und negative I denen mit negativen x-Koordinaten. Das Sandwichelementpaar, das die größte Entfernung zur Mitte des Magneten hat, ist gekennzeichnet mit 1 = ±1, das nächste Paar mit 1 = ±2, und so weiter. Die Größenordnungen der Potentialverschiebungen, die von den Sandwichelementen erzeugt werden müssen, um die vorgeschriebenen Oberwellen zu unterdrücken, können durch Auswahl der horizontalen Breite Δx₁ für das 1. Sandwichelement des Filters minimiert werden nach der Regel [2]
Die Koeffizienten a_n und b_n hängen linear von den Potentialen der Sandwichelemente ab und deswegen können die Potentiale, die zur Unterdrückung der ausgewählten Oberwellen erforderlich sind, bestimmt werden durch Lösung eines Systems von linearen Gleichungen [4, 5, 6]. Die Tabelle in 32 zeigt die Oberwellenkoeffizienten vor und nach der Unterdrückung der Oberwellen, wobei für die Geometrie, die in 31 gezeigt ist, n ≤ 3 beträgt, und 33 zeigt das Potential bei y = y₁, wobei die Verschiebungen, die von den Sandwichelementen erzeugt werden müssen, in Form von 6 Schritten dargestellt sind, um die führenden Oberwellen zu unterdrücken. 34 zeigt den Umriss des Abbildungsbereichs 230, mit einer Gleichmäßigkeit von über 50 ppm. Die ungefähre Periodizität des Umrisses reflektiert die n = 4 Oberwellen, welche die dominanten verbleibenden Terme in der Entwicklung (3.2) sind.
Wenn man die μ = ∞-Membrane 206 an diesem Punkt entfernen würde, würden an den Ecken durch die Öffnung zu dem seitlichen Hohlraum 210, wie in Abschnitt 2 beschrieben, starke Singularitäten erzeugt werden, welche die Gleichmäßigkeit des zentralen Felds stören würden. Um dies zu verhindern, wird entweder für J oder für K des seitlichen Hohlraums ein niedrigerer Wert gewählt, so dass das hierdurch erzeugte Feld zu dem Feld in dem zentralen Hohlraum unmittelbar unterhalb der Mitte der μ = ∞-Membrane passt. Zusätzlich ersetzen Einsatzstücke 215 aus permanentmagnetischem Material einen Teil der ferromagnetischen Komponenten 202 in der Nähe des seitlichen Hohlraums 208, wie in 35 dargestellt. Die Remanenzen der Einsatzstücke werden so ausgewählt, dass das Magnetfeld in ihnen verschwindet. Diese Bedingung garantiert, dass das Feld in dem zentralen Hohlraum 208, bei dem die μ = ∞-Membrane noch vorhanden ist, unverändert bleibt. Die geforderten Remanenzen sind ungleichmäßig und können ermittelt werden aus der Gleichung
wobei H_y(x) das Magnetfeld unmittelbar unterhalb der Ebene y = y₁ vor dem Einsetzen der Einsatzstücke ist. Das obere Vorzeichen gilt für das Einsatzstück mit x > 0 und das untere Vorzeichen für dasjenige mit x < 0, die Ausrichtung
in den Einsatzstücken ist senkrecht zu derjenigen in den angrenzenden Dreiecken 36, 37 aus magnetischem Material (5).
Zweck der Einsatzstücke 215 ist die Fixierung der magnetischen Ladung im Bereich der Öffnung des seitlichen Hohlraums 210, so dass die Ladung mit dem hochgleichmäßigen Feld aus dem ersten Ausgleichsschritt konsistent ist. 36 vergleicht das Magnetfeld über der Öffnung mit dem seitlichen Hohlraum 210 vor (gepunktet) und nach (durchgezogen) der Entfernung der Membrane μ = ∞, 206. Bemerkenswerterweise wird die Gleichmäßigkeit des Feldes tatsächlich durch die Entfernung der Membrane verbessert, was nahe legt, dass der seitliche Hohlraum 210 als Feldstabilisator für den zentralen Hohlraum 208 dient. Der Grund hierfür ist, dass die Entfernung der Membrane das Feld, und nicht nur das Potential, dazu zwingt, über der Öffnung kontinuierlich zu sein.
Nach Entfernung der Membrane μ = ∞ bleibt eine Restverzerrung des zentralen Felds, wie in 37 bei 250 durch die Größe der 50-ppm-Abbildungsbereiche angedeutet. Dies kann durch kleine Anpassungen der magnetischen Sandwichelemente der Filterstruktur 212 sowie durch geringfügige Modifizierungen der Remanenzen ausgewählter Komponenten aus magnetischem Material korrigiert werden. Da die erforderlichen Korrekturen gering sind, besteht hinsichtlich der Wahl, welche magnetischen Komponenten geändert werden sollen, eine beträchtliche Flexibilität.
Um die Korrekturen zu berechnen, wird das Potential wie in Gleichung (3.2) entwickelt, wobei aber y₁ durch y₂, der Entfernung vom Ursprung bis zur Spitze des seitlichen Hohlraums, und Φ₁ durch Φ₂, dem Potential an der Spitze des seitlichen Hohlraums, ersetzt wird. Wieder kann eine Anzahl von Oberwellen unterdrückt werden, entsprechend der Anzahl der verfügbaren Freiheitsgrade. Weil Y₂ > y₁, muss eine große Anzahl von Oberwellen unterdrückt werden, um einen Abbildungsbereich zu erzielen, der mit demjenigen vergleichbar ist, der vor der Entfernung der Membrane μ = ∞ vorhanden war. Wie im ersten Ausgleichsschritt nutzt die Berechnung die lineare Abhängigkeit der Ausdehnungskoeffizienten vom Freiheitsgrad.
Für das in 37 gezeigte Beispiel können die 10 Oberwellen mit n ≤ 5 unterdrückt werden, indem man die 6 magnetischen Sandwichelemente der Filterstruktur 212 und die Remanenzen von 4 Komponenten aus magnetischem Material anpasst, wobei die richtigen Anpassungen gefunden werden durch Lösen eines Systems von 10 linearen Gleichungen. Der 50-ppm-Abbildungsbereich 220, den man aus einer derartigen Berechnung erhält, ist in 38 dargestellt. Die 4 Komponenten aus magnetischem Material, die geändert wurden, sind jeweils mit einem + markiert. Man beachte, dass sich der Abbildungsbereich bis zur Spitze 222 des seitlichen Hohlraums 210 erstreckt und dass es keine unterscheidbare Auswirkung der Ecksingularitäten gibt. Tatsächlich schneidet der endgültige Abbildungsbereich im Vergleich zu dem, bei dem die Membrane μ = ∞ noch vorhanden ist (34), günstiger ab.
Wir möchten hier außerdem weiter den Ursprung der Feldverzerrungen und Singularitäten erläutern und beschreiben eine alternative Lösung, bei der Filterstrukturen sowohl auf den Flächen der Polschuhe als auch auf der oberen Fläche des Magneten verwendet werden, der den seitlichen Hohlraum begrenzt, wodurch die Bereitstellung von magnetischen Einsatzstücken vermieden wird.
Wie weiter oben erläutert wurde, wenn die Magnetstruktur geöffnet wird, werden an den Ecken der inneren Magnete 73, die dem Abbildungsbereich am nächsten liegen, Singularitäten erzeugt. An diesen Singularitäten, A₁, A₂, divergiert das Magnetfeld. Die Singularitäten können aufgehoben werden, indem man die Remanenz des Materials in dem inneren Magneten verändert. 40B ist eine Kurve, die das Feld veranschaulicht, das sich entlang der Linie A₁-A₂ ergibt, und 40C zeigt das entsprechende magnetostatische Potential. Die gestrichelte Linie 80 zeigt die y-Komponente des Magnetfeldes in der Ebene der Ecken, in diesem Fall y = y₀/2, vor dem Verändern der Remanenz. Die Singularitäten 81 treten auf bei x = ±y₀/2. Die durchgezogene Linie 82 zeigt das Feld, das man nach Aufhebung der Singularitäten erhält (K = 0,3). Die gestrichelte Linie 83 in 40C zeigt das Potential bei y = y₀/2 für den Magneten vor der Aufhebung der Singularitäten. Die Einsattelung entspricht der Öffnung zum inneren Magneten. Wie man an der durchgezogenen Linie 84 sieht, ist das Potential nahezu konstant, nachdem die Singularitäten aufgehoben wurden (K = 0,3).
Auch nach Aufhebung der Singularitäten bleibt an der Öffnung zum inneren Magneten eine Rest-Ungleichmäßigkeit bestehen. Wie in 40A gezeigt wird, zeigt die gestrichelte Linie 85 das Potential für y = y₀2 auf einer gedehnten Skale. Die Gleichmäßigkeit kann verbessert werden, indem man zu dem inneren Permanentmagneten eine Filterstruktur hinzufügt. Die durchgezogene Linie 86 zeigt das Potential, das man erhält, wenn die ersten 3 Oberwellen mit Hilfe der hinzugefügten Filterstruktur unterdrückt werden.
Die Filterstruktur kann mehrere Formen annehmen. Die bevorzugte Struktur sind die Magnetfilter 99, die aus Permanentmagnetblöcken zwischen Platten mit hoher Permeabilität bestehen, wie in 39 und 40 dargestellt, bei denen die beiden hoch permeablen Platten 100, 102, die beispielsweise aus Weicheisen bestehen, zwischen sich eine Magnetscheibe 103 aufnehmen, beispielsweise aus Hartferrit. In dem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Filterstruktur 99 vorzugsweise als innere Auskleidung der Weichferromagnetblöcke 60, 61 bzw. der Magnetplatte 62 angeordnet, wie in 41 als primäre, 105, und sekundäre, 107, Filterstrukturen dargestellt.
41 zeigt 6 Primärelemente und 5 Sekundärelemente 107. Das Potential der äußeren Platte eines jeden Elements lässt sich kontinuierlich variieren, indem man die Menge des darin enthaltenen magnetisierten Materials verändert. Wie man erkennen kann, haben die Elemente des sekundären Filters 107 die gleiche Größe, während die Elemente des primären Filters seitlich proportional zu ihrem Abstand von der Hohlraummitte an Größe zunehmen.
42 ist eine ähnliche Ansicht wie 11, in der auch die einzelnen Permanentmagnetblöcke 141, 147, 148, 144, 164, 166, 167 und die inneren, 152, und äußeren, 172, Weicheisenkomponenten gezeigt werden. Die äußere Weicheisenkomponente 172 oder das Joch ist dick, wo die Flussdichte am größten ist, und dünn, wo die Flussdichte abnimmt. Die dünne Linie 142 stellt den Boden des Hohlraums 140 dar und wäre typischerweise die obere Fläche einer Stützplattform 150 (44). Ein Patient 151, dargestellt als Phantomzeichnung, würde, auf dem Rücken liegend, den Hohlraum 140 ausfüllen. Der Abbildungsbereich wäre sehr dicht am Ursprung des dargestellten xyz-Koordinatensystems zentriert. In dem Hohlraum 140 ist das Feld in y-Richtung ausgerichtet, wie durch die Äquipotentiallinien im inneren Bereich des in 29 gezeigten Magneten dargestellt. Die Struktur aus 42 wurde auf zwei Feldstärkestufen entwickelt, 3500 × 10^–4 Tesla und 5000 × 10^–4 Tesla (3,500 Gauss und 5,000 Gauss). Eine Feldgleichmäßigkeit von über 50 ppm erreicht man in einem Abbildungsbereich mit der Mindestabmessung 2r₀ = 24 cm. Das Magnetmaterial ist eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung mit einer nominellen Remanenz Br = 12900 × 10^–4 Tesla (B_r = 12,900 Gauss) und einer Eigen-Koerzitivkraft 14000 × 79,58 A/m (H_ci = 14,000 Oersteds). Das Gewicht des magnetischen Materials beträgt 2,5 Tonnen bei 3500 × 10^–4 Tesla (3,500 Gauss) und 3,5 Tonnen bei 5000 × 10^–4 Tesla (5,000 Gauss). Das Gesamtgewicht, einschließlich des Jochs, beträgt 7,5 Tonnen für das Feld mit 3500 × 10^–4 Tesla (3,500 Gauss) und 11 Tonnen für das Feld mit 5000 × 10^–4 Tesla (5,000 Gauss). Trotz der großen Öffnung ist das Streufeld gering, wie in 28 durch die Linien mit gleicher Feldgröße in der Ebene x = 0 gezeigt wird.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden zur Erreichung der beschriebenen Feldgleichmäßigkeit die Filterstrukturen 105, 107 hinzugefügt, wie in 43 gezeigt, und zwar sowohl an den Innenseiten 154, 155 der inneren ferromagnetischen Komponente 160, als auch an der Innenseite des inneren permanentmagnetischen Blocks 141. Die Details für den Entwurf dieser bevorzugten Filterstrukturen sind zu finden in zwei von uns veröffentlichten Abhandlungen, und zwar einmal in J. Appl. Phys. 76(10), 15. Nov. 1994, Seite 6247–6262, und zum anderen unter dem Titel "Linear Theory of Pole Piece Design in Permanent Magnets" in Proc. of the Thirteenth Int. Workshop on Rare Earth magnets and their Applications, 11.–14. September 1994, Birmingham, U.K.
Zwar werden diese Filterstrukturen bevorzugt, doch versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf diese Strukturen beschränkt ist, um die beschriebenen Feldverzerrungen auszugleichen, und dass noch andere Ausgleichsstrukturen an ihrer Stelle verwendet werden können.
Grundsätzlich kann die Struktur aus 42 wie folgt betrachtet werden. Eine generell C-förmige Struktur, offen entlang der z-Richtung, die einen generell rechteckigen Haupt-Hohlraum 140 definiert, mit einer Breite in y-Richtung und einer Höhe in x-Richtung. Der rechteckige Haupt-Hohlraum 140 verbindet den zentralen Hohlraum 208 (31) und die beiden angrenzenden seitlichen Hohlräume 210. Ein horizontales Magnetfeld wird erzeugt in der y-Richtung durch innere Magnetblöcke 141, die sich in x-Richtung in beiden Seitenwänden 142, 143 erstrecken, und übereinander geschichtete äußere rechteckige Magnetblöcke 144, ebenfalls in beiden Seitenwänden. Die Bodenwand wird mit 174 bezeichnet. Die inneren Magnetblöcke 141 haben jeweils oben und unten Magnetblöcke, deren Remanenzen (Größenordnung und Richtung) so beschaffen sind, dass extern eine Induktion von Null erzeugt wird. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen sind die oberen und unteren Magnetblöcke jeweils aus dreieckigen Abschnitten 147, 148 oben und den Abschnitten 149, 150 unten gebildet, wie in Zusammenhang mit 5 erläutert wird. Anders ausgedrückt, die Form (Winkel) und die Remanenz der dreieckigen Abschnitte werden so ausgewählt, dass in den dreieckigen Abschnitten 147–150 kein Fluss stattfindet. Die äußeren Magnetblöcke 144, ebenfalls rechteckig, dienen der Verstärkung des Felds innerhalb des Hohlraums 140. Aus diesem Grund ist die Remanenz der inneren magnetischen Abschnitte 141, 147–150, vorzugsweise höchstens gleich der Remanenz der äußeren Magnetblöcke 144. Ein innerer ferromagnetischer Block 152 mit gegenüberliegenden Polflächen 154, 155 trennt die übereinander geschichteten und ineinander geschachtelten magnetischen Abschnitte 141, 144 und dient als Stütze für die Filterelemente (in 42 nicht gezeigt) sowie zur Verbesserung der Feldgleichmäßigkeit. Die äußeren rechteckigen magnetischen Abschnitte 144 werden oben und unten durch Magnetblöcke abgeschlossen, die der Erhaltung der Feldgleichmäßigkeit trotz der Übergänge an den Oberflächen 160 und 161 dienen, die magnetisches Material unterschiedlicher Dicken darstellen und einen anderen Abstand als der Luftspalt an dem Hohlraum 140 haben, mit anderen Worten, durch die seitlich (in den zusätzlichen Magnetblöcken in y-Richtung) herausstehenden Abschnitte 180, 182, die zur Erhaltung der Äquipotentiallinien in der x-Richtung benötigt werden, wie in 13 gezeigt. In den bevorzugten Ausführungsbeispielen sind diese Abschlussblöcke trapezförmige magnetische Abschnitte 164 oben und 166 und 167 unten. Wie in Zusammenhang mit 2 erläutert wurde, haben diese trapezförmigen Abschnitte 164, 166, 167 dieselbe Remanenzgrößenordnung wie die rechteckigen Abschnitte 144. Die Größen aller Magnetblöcke können mit der oben beschriebenen Methodik leicht bestimmt werden, nachdem das magnetische Material ausgewählt wurde, bei dem es sich vorzugsweise um den beschriebenen Hochenergietyp handeln sollte. Die Dimensionierung des inneren ferromagnetischen Körpers 152 wird bestimmt vom Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen 154, welcher die Öffnung der Seitenwand, 170, bestimmt, und der Größe des Materials, das zum Tragen des von den magnetischen Abschnitten erzeugten Magnetflusses benötigt wird. Die Form des äußeren Jochs 172, das die Seitenwände 142, 143 umschließt und die Bodenwand 174 der Struktur bildet, wird wiederum von der getragenen Flussdichte bestimmt. Filterstrukturen 104, 105, 112 werden auf den Innenflächen 154, 155 der ferromagnetischen Körper 152 bereitgestellt, wie in Zusammenhang mit 34 und 41 erläutert wurde, um die restlichen Feld-Ungleichmäßigkeiten auszugleichen. Mit ihnen wird die Struktur so abgestimmt, dass die in 7 dargestellten Äquipotentiallinien entstehen, wobei diese in dem Hohlraum parallel zur Ebene x-z verlaufen. Vorzugsweise, wie in Zusammenhang mit 35. beschrieben, umfasst der Feldausgleich nicht nur die primären Filterstrukturen 212, sondern auch die magnetischen Einsatzstücke 215. Alternativ, wie in 41 gezeigt wird, sind die Feldausgleichsmittel Filterstrukturen 105, die auf den Innenflächen 154, 155 der ferromagnetischen, seitlich herausstehenden Abschnitte bereitgestellt werden, und Filterstrukturen 107, die auf den Innenflächen der beiden rechteckigen magnetischen Abschnitte 141 bereitgestellt werden. Die Filterstrukturen auf den gegenüberliegenden Flächen sind in 41 nicht zu sehen, entsprechen jedoch den auf der gegenüberliegenden Fläche gezeigten.
Die Erfindung kann auch als eine erste unabhängige magnetische Struktur 144, 164, 166, 167 betrachtet werden, wobei die Polschuhe 160 ein gleichmäßiges Magnetfeld innerhalb eines zentralen Hohlraums erzeugen, mit einer zweiten unabhängigen magnetischen Struktur 141, 147, 148, 149, 150, die in die Polschuhe 160 eingefügt ist, um seitliche Hohlräume bereitzustellen, die an gegenüberliegende Seiten des zentralen Hohlraums angrenzen und einen insgesamt größeren Haupt-Hohlraum 140 zur Aufnahme eines menschlichen Körpers für die NMR-Bildgebung bereitstellen. Die zweite unabhängige magnetische Struktur stellt in den seitlichen Hohlräumen dasselbe gleichmäßige magnetische Feld bereit, um die Korrektur von Feldverzerrungen innerhalb des zentralen Hohlraums zu unterstützen, die durch die Öffnung in der Seitenwand 170 entstehen. In der in Abschnitt 1 beschriebenen Methode entspricht der Entwurf nicht dem traditionellen Entwurf offener Magnete, sondern der Magnethohlraum ist die Kombination einzelner Hohlräume voneinander unabhängiger magnetischer Strukturen, die in die Polschuhe einer äußeren, nach außen hin offenen Struktur eingefügt sind. Die voneinander unabhängigen internen Strukturen sind nach außen hin nicht offen und wurden so konstruiert, dass sie innerhalb ihrer jeweiligen Hohlräume ein gleichmäßiges Feld erzeugen. Folglich tragen sie zur Korrektur der Feldverzerrung innerhalb des Hohlraums der äußeren offenen Magnetstruktur bei.
Dieser Entwurf führt zu der Logik des Ausgleichs der in Abschnitt 3 beschriebenen Feldverzerrung. Die Hauptkorrektur der Verzerrung erreicht man mit einer Filterstruktur, die an den Polschuhen der äußeren offenen Struktur des Magneten angebracht wird, die Korrektur höherer Ordnung erreicht man durch eine Modifizierung der Entwurfsparameter der magnetischen Komponenten, einschließlich der Komponenten der inneren geschlossenen Strukturen. Ein wesentlicher Teil der Korrektur höherer Ordnung ist der Ausgleich von Feldsingularitäten in Zusammenhang mit einer Rest-Fehlanpassung des Feldes an der Schnittstelle zwischen den Hohlräumen der einzelnen magnetischen Strukturen, wie in den Abschnitten 2 und 3 erörtert.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht beschränkt ist auf die besonderen Formen und Größen der hier dargestellten Komponenten und dass auch andere Konfigurationen, die man erhält, wenn man der beschriebenen Entwurfsmethode folgt und die sich aus einer Auswahl unterschiedlicher magnetischer Parameter und von Öffnungen mit unterschiedlicher Größe ergeben, innerhalb des Erfindungsbereichs liegen. Beispielsweise stellt das Ausführungsbeispiel aus 42 einen rechteckigen Haupt-Hohlraum bereit. 45A veranschaulicht ein anderes Ausführungsbeispiel, das unterschiedlich geformte dreieckige Magnete 230 anwendet, um die entsprechenden inneren Magnete 147, 148, 149, 150 in dem Ausführungsbeispiel der 42 zu ersetzen und einen Haupt-Hohlraum in Form eines Sechsecks zu bilden. Das Ausführungsbeispiel in 45B verwendet trapezförmige Magnetblöcke 232, um die entsprechenden äußeren Magnete 164, 166, 167 in 42 zu ersetzen. Das Ausführungsbeispiel in 45C kombiniert die inneren Magnete aus 45A mit den äußeren Magneten aus 45B. Das Joch 172 ist in allen drei Figuren durch die dickeren Außenlinien dargestellt.
Das hoch gleichmäßige Feld, das in dem Haupt-Hohlraum des in dieser Beschreibung vorgestellten offenen Magneten erzeugt wird, ist das Ergebnis des in Abschnitt 1 definierten Entwurfsansatzes und der Entwicklung der Filter- und Ausgleichsstrukturen, die in den Abschnitten 2 und 3 analysiert wurden.
Der hier vorgestellte Magnet ist offensichtlich geeignet für medizinische Anwendungen, insbesondere wegen der bemerkenswerte Nähe des Bereichs mit hoher Feldgleichmäßigkeit zu der Öffnung des Magneten. Die große Öffnung eines solch kompakten Magneten macht es möglich, ein Scanner-Gerüst in eine chirurgischen Abteilung mit minimaler Störung der chirurgischen Instrumente zu integrieren.
Zusammenfassend führt die hier beschriebene Permanentmagnetentwurfsmethodik zu einer offenen prismatischen Struktur (2), welche die beim herkömmlichen Entwurf anzutreffenden Probleme minimiert. Der Patientenzugang erfolgt über die große Öffnung oben sowie über die Enden der Struktur. Der rechteckige Hohlraum des Magneten wurde für eine horizontale Patientenposition entworfen. Im Gegensatz zu der Feldkonfiguration sowohl eines traditionellen C-Magneten als auch des supraleitenden offenen Magneten liegen die maximale Intensität des Feldes und der Bereich mit der höchsten Gleichmäßigkeit im zentralen Bereich des rechteckigen Hohlraums um die Mitte herum angeordnet. In einem Ausführungsbeispiel sind die Abmessungen des Hohlraums wie folgt: Höhe 40 cm, Breite 80 cm, Länge 100 cm und Breite der oberen Öffnung 40 cm.
Die Ergebnisse zeigen, dass ein Magnetfeld, das eine Feldstärke bis maximal 5,000 Gauss erzeugt, mit praktikablen Abmessungen des neuartigen Magneten erreicht werden kann. Insbesondere erreicht man, sofern die obere Feldgrenze nicht von diagnostischen Erfordernissen bestimmt wird, das geringere 350·10^–3 Tesla (3,500 Gauss)-Feld und ein geringes Streufeld mit einer bemerkenswert kompakten Struktur mit moderatem Gewicht.
Zwar wurde die Erfindung in Zusammenhang mit spezifischen Ausführungsbeispielen beschrieben, doch ist für den Fachmann klar, dass viele Alternativen, Modifikationen und Variationen angesichts der obigen Beschreibung offenkundig sind. Die Erfindung schließt demnach sämtliche Alternativen, Modifikationen und Variationen ein, die in den Bereich der Ansprüche im Anhang fallen.
Anhang

[1] M. Abele: Structures of permanent magnets. John Wiley and Sons, New York, 1993.
[2] J. H. Jensen; M. G. Abele: Effects of field orientation on field uniformity in permanent magnet structures. J. Appl. Phys. 76(10), 6853–6855, 1994.
[3] M. G. Abele, H. Rusinek: Field computation in permanent magnets with linear characteristics of magnetic media and ferromagnetic materials. Technical Report 24, New York University, 15. August 1991.
[4] M. G. Abele, J. Jensen, H. Rusinek: Linear Theory of Pole Piece Design in Permanent Magnets. Proceeding of XIII International Workshop on Rare-Earth Magnets and Applications. C. A. F. Manwaring, D. G. R. Jones, A. J. Williams und I. R. Harris, Eds, University of Birmingham, Edgbaston, United Kingdom, Seite 167–176, 1994.
[5] M. G. Abele: Generation of highly uniform fields with permanent magnets. Technical Report No. 26, Department of Radiology, New York University School of Medicine, 15. Juni 1994.
[6] M. G. Abele: Generation of highly uniform fields with permanent magnets (Gastvortrag). J. Appl. Phys. 76(10), 6247–6252, 1994.

Claims

Hybridmagnetstruktur, aufweisend: a) mit einem Zwischenraum angeordnete Seitenwände (71-1) und eine verbindende Bodenwand (71-2), welche einen inneren Hohlraum (58, 140, 208) eines xyz-Koordinatensystems definieren, das seinen Ursprung im Allgemeinen im Zentrum des Hohlraums hat und bei dem die x-Achse in vertikaler Richtung aufwärts von der Bodenwand verläuft, die y-Achse horizontal im Allgemeinen parallel zur Bodenwand verläuft und die z-Achse in Längsrichtung des inneren Hohlraums im Allgemeinen parallel zur Boden- und Seitenwand verläuft; b) ein Primärmagnetsystem, welches eine erste Permanentmagnetstruktur (63, 65, 67, 68) und mit einem Zwischenraum angeordnete, einander gegenüberliegende erste und zweite ferromagnetische Polschuhe (60, 61) auf der Magnetstruktur aufweist, die den inneren Hohlraum (58, 140, 208) flankieren, wobei dieses System mindestens an einem Ende eine Zugangsöffnung besitzt, die entlang der z-Achse angeordnet ist und einer seitlichen Zugangsöffnung (56) im Primärmagnetsystem gegenüberliegt, wobei das Primärmagnetsystem ein einheitliches Magnetfeld innerhalb eines ersten Bereichs des inneren Hohlraums erzeugt und wobei dieser erste Bereich über die Öffnungen am Ende und an der Seite zugänglich ist; c) eine Sekundärmagnetstruktur, aufweisend zweite und dritte einander gegenüberliegende Permanentmagneten (62, 64, 66), von denen jeder in einen von den ersten und zweiten ferromagnetischen Polschuhen (60, 61) eingesetzt ist, wobei der zweite und der dritte Permanentmagnet so konfiguriert sind, dass sie erste und zweite seitliche Hohlräume (210) definieren, die neben bzw. zwischen dem inneren Hohlraum (58, 140, 208) und dem zweiten und dritten Permanentmagneten (62, 64, 66) liegen, wobei die Sekundärmagnetstruktur innerhalb der zweiten und dritten Bereiche innerhalb der ersten und zweiten seitlichen Hohlräume jeweils im Wesentlichen dasselbe einheitliche Magnetfeld erzeugt, welches innerhalb des ersten Bereichs in dem inneren Hohlraum (58, 140, 208) durch das Primärmagnetsystem erzeugt wird, um dadurch einen vergrößerten Bereich bereitzustellen, welcher den ersten, zweiten und dritten Bereich verbindet und ein einheitliches Magnetfeld besitzt.
Hybridmagnetstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: c) die Hybridmagnetstruktur Vorrichtungen (104, 105, 112) an den Oberflächen der Polschuhe aufweist, um Feldverzerrungen innerhalb des inneren Hohlraums auszugleichen, die durch die seitliche Zugangsöffnung (56) verursacht werden.
Hybridmagnetstruktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass: die Ausgleichsvorrichtungen eine Filterstruktur (105, 112, 212) aufweisen, die an den Oberflächen der Polschuhe (160, 202), welche zum inneren Hohlraum (58, 140, 208) zeigen, angebracht werden.
Hybridmagnetstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass: die Ausgleichsvorrichtung Sandwich-Strukturen mit Magneteinssatzstücken (200) aufweist, die in Bereichen zwischen den Polschuhen und der Sekundärmagnetstruktur angeordnet sind.
Hybridmagnetstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass: die Ausgleichsvorrichtung eine sekundäre Filterstruktur (107) aufweist, die auf den Oberflächen der Sekundärmagnetstruktur (141) angebracht werden, welche zu den seitlichen Hohlräumen zeigen.
Hybridmagnetstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: d) jede Seitenwand (71-1) einen rechteckförmigen ersten Permanentmagnetblock (141) aufweist, der parallel zur x-z-Ebene verläuft und in y-Richtung magnetisiert wird, mit oberen und unteren zweiten (148) und dritten (150) Permanentmagnetblöcken, die in y-Richtung verlaufen und mit dem ersten Permanentmagnetblock eine Magnetstruktur bilden, in der die Außenfläche im Wesentlichen ein Äquipotential von Null besitzt und in der das einheitliche Magnetfeld innerhalb des inneren Hohlraums in y-Richtung erzeugt wird. e) jede Seitenwand ferner vierte (160) und fünfte (160) Weichferromagnetblöcke aufweist, die in y-Richtung verlaufen und außerhalb der zweiten (148) beziehungsweise dritten (150) Permanentmagnetblöcke angeordnet sind, wobei die vierten Ferromagnetblöcke in einander gegenüberliegenden Seitenwänden mit einem Zwischenraum zueinander angeordnet sind und eine im Allgemeinen längliche obere Öffnung (170) an der Oberseite der Struktur definieren und in z-Richtung verlaufen. f) ein Ferromagnetjoch (172), das die Seiten- und Bodenwände der Struktur umgibt, um den Weg des Flusses zu schließen, der von den Permanentmagnetblöcken erzeugt wird.
Hybridmagnetstruktur nach Anspruch 6, ferner aufweisend sechste (144) und siebente (144) Permanentmagnetblöcke, die an beiden Seitenwänden angeordnet sind und die jeweiligen ersten Permanentmagnetblöcke (141) umgeben und die in derselben y-Richtung magnetisiert werden, um äquipotentiale Feldlinien zu erzeugen, die in dem Hohlraum in x-Richtung verlaufen.
Magnetstruktur nach Anspruch 7, ferner aufweisend achte (164) und neunte (167) trapezförmige Permanentmagnetabschnitte, die in den Seitenwänden im Anschluss an die oberen und unteren Seiten der sechsten (144) bzw. siebenten (144) Permanentmagnetblöcke angeordnet sind.
Magnetstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass: die ersten (105) Filterstrukturen auf den zueinander zeigenden, mit einem Zwischenraum angeordneten Flächen (154) der vierten (160) und fünften (160) Weichferromagnetblöcke angebracht sind.
Magnetstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass: die ersten Permanentmagnetblöcke (141) Innenflächen haben, welche die ersten bzw. zweiten seitlichen Hohlräume (210) begrenzen, sowie dadurch, dass zweite Filterstrukturen (107) an den Innenflächen der ersten Permanentmagnetblöcke (141) angebracht sind.
Hybridmagnetstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: d) jede Seitenwand einen rechteckförmigen ersten (141) Permanentmagnetblock aufweist, der in x-Richtung verläuft und in y-Richtung magnetisiert wird, mit oberen und unteren dreieckförmigen zweiten (148) und dritten (150) Permanentmagnetblöcken, die in y-Richtung verlaufen; e) jede Seitenwand ferner vierte und fünfte Weichferromagnetblöcke (160) aufweist, die in y-Richtung verlaufen und jeweils außerhalb der zweiten bzw. dritten Permanentmagnetblöcke angeordnet sind, wobei die vierten Ferromagnetblöcke in gegenüberliegenden Seitenwänden zwischen sich einen Zwischenraum haben und eine im Allgemeinen längliche obere Öffnung (170) an der Oberseite der Struktur definieren und in z-Richtung verlaufen; f) ein Ferromagnetjoch (172) die Seiten- und Bodenwände der Struktur umgibt; g) sechste (144), siebente (164) und achte (166) Paare von Permanentmagnetblöcken zwischen den ersten (141, 148, 150, 160) bis fünften (172) Blöcken und dem Joch (172) angeordnet sind, wobei die sechsten (144) Blöcke rechteckig sind und jeweils hinter einem ersten Block (141) angeordnet sind und in derselben Richtung wie die ersten Blöcke magnetisiert werden, wobei die siebenten Blöcke (164) einen trapezförmigen Querschnitt haben und auf gegenüberliegenden Seiten der oberen Öffnung (170) angeordnet sind und wobei die achten Blöcke (166) einen trapezförmigen Querschnitt haben und angrenzend an die Bodenwand (174) angeordnet sind.
Magnetstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass: jeder der ersten bis dritten (141, 148, 150) und sechsten bis achten Blöcke (144, 164, 166) Außenflächen hat und jeder in einer Richtung senkrecht zu seiner Außenfläche magnetisiert wird.