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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen in oder im Zusammenhang
mit Magnetresonanztomographie-Systemen (MRT-Systemen) und betrifft
spezieller die Konstruktion einer in Verbindung mit diesen zu verwendenden
Shimming-Vorrichtung.
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Ein
MRT-System besteht aus einem Magnet, welcher ein Hauptmagnetfeld
erzeugt, einer Gradientenspule, die dazu bestimmt ist, das Hauptfeld
durch ein sich linear änderndes
Feld zu überlagern,
und einem Hochfrequenzspulen-Sende-/Empfangssystem, das verwendet
wird, um die Signale zu empfangen, welche verwendet werden, um das
Bild herzustellen. Für
die Erzeugung von Bildern guter Qualität ist eine gute Basis-Homogenität des Hauptmagnetfeldes
im System wesentlich, und aus diesem Grunde wurde das Verfahren
des Shimmings entwickelt, um eine gute Basis-Homogenität herzustellen.
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Shimming
ist das Verfahren, mit dessen Hilfe das Feld in einem MRT-Magnet
korrigiert wird. Es ist eine sehr wichtige Maßnahme, ohne die das System nicht
funktionieren kann. Eine Korrektur von Abweichungen des Magnetfeldes
kann mit Hilfe beliebiger Elemente vorgenommen werden, welche ein
Magnetfeld erzeugen. So ist bekannt, dass stromdurchflossene Leiter,
Weicheisen in Anwesenheit eines Magnetfeldes und Permanentmagneten
verwendet worden sind. Für
MRT-Magneten ist
die Anwendung von passivem Shimming weit verbreitet. Passives Shimming
ist als die Verwendung von Elementen aus magnetischem Material,
bei denen es sich um Weicheisen- oder Permanentmagnete handeln kann,
zur Korrektur von Magnetfeldern definiert. Die Anwendung von passivem
Shimming ist weit verbreitet, weil sie einfach und kostengünstig ist
und damit ein hohes Maß an
Homogenität
erzielt werden kann.
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Passives
Shimming erfordert die Anbringung von magnetischem Material an einer
oder mehreren Positionen um die Bohrung eines Magneten herum, um
die Korrektur des Feldes durchzuführen. Üblicherweise wird für den Prozess
eine Feldkarte des interessierenden Bereiches verwendet, der normalerweise
als ein kugelförmiges
Volumen definiert ist. Die Feldwerte werden dann auf eine in der
Technik wohlbekannte Art und Weise in sphärische Harmonische zerlegt,
welche die Änderung
des Feldes über
das Volumen beschreiben. Um ein passives Shimming durchzuführen, werden
folglich zwei Elemente benötigt,
nämlich
die Software, welche verwendet wird, um die Positionen der Teile
aus magnetischem Material vorherzusagen, die notwendig sind, um
die Feldkorrektur durchzuführen,
und die Hardware, welche als Shim-Set (Shim-Satz) bezeichnet wird
und die Teile aus magnetischem Material umfasst, die auf geeignete
Weise positioniert werden, um die Feldkorrektur zu bewirken.
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Bei
normalen Magneten mit Spulenwicklung (auch unter der Bezeichnung "Solenoidmagnete" bekannt) ist das
Shim-Set weiter nichts als die Teile, die benötigt werden, um die präzise Verteilung
des magnetischen Materials zu realisieren, das verwendet wird, um
Inhomogenitäten
im Magnetfeld zu korrigieren. In der Praxis sind eine oder mehrere
Trays (Schalen) in azimutaler Richtung über dem Shim-Set verteilt,
wobei jeder Tray eine Reihe von Vertiefungen aufweist, in denen
Shim-Eisen angebracht werden kann (siehe zum Beispiel EP-A-0 710
851). Die Menge des Shim-Eisens in den einzelnen Vertiefungen hängt von
der Inhomogenität
des Magnetfeldes ab. Bei der Gestaltung von Shim-Sets wurde üblicherweise
eine axiale und azimutale Symmetrie angewendet, und es bestand keine
Notwendigkeit, davon abzuweichen.
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Im
US-Patent 5.177.441 wird ein MRT-System mit einer Gradientenspule
mit ovalem Querschnitt offenbart.
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Im
US-Patent 5.708.360 wird ein MRT-System mit einer Gradientenspule
offenbart, die mit Aussparungen zur Aufnahme der Schultern eines
Patienten versehen ist.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein MRT-System bereitzustellen,
welches beim Shimming keine axiale und azimutale Symmetrie erfordert.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung werden ein Shim-Set und ein Magnetresonanztomographie-System
bereitgestellt, so wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind.
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Das
MRT-System gemäß der vorliegenden Erfindung
weist den Vorteil auf, dass größere Patienten
aufgenommen werden können,
ohne dass es erforderlich ist, die Abmessung der Bohrung des Magnets
zu vergrößern, da
die vorgesehenen ausgesparten Abschnitte die Schultern größerer Patienten
aufnehmen können.
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Um
ein besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen, wird nunmehr, und zwar
lediglich als Beispiel, auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen,
wobei:
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1 die
Verteilung von Shim-Trays in einem MRT-System zeigt;
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2 einen
Shim-Tray zeigt;
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3 ein
Querschnitt eines bekannten MRT-Systems ist;
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4 einen
Querschnitt eines MRT-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt; und
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5 eine
isometrische Darstellung eines Teils eines MRT-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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1 zeigt
ein Shim-Set 10 für
einen Magnet (nicht dargestellt), um den herum eine Vielzahl von
Shim-Trays 12 in azimutaler Richtung verteilt ist. In 2 ist
ein Shim-Tray 12 dargestellt. Wie dargestellt, weist jeder
Tray 12 eine Reihe von Vertiefungen 14 auf, in
denen Shim-Eisen angebracht werden kann. Die Menge des in den einzelnen
Vertiefungen 14 angebrachten Shim-Eisens hängt von
der Inhomogenität
des Magnetfeldes ab.
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Es
wird nun auf 3 Bezug genommen, welche den
normalen Aufbau eines bekannten MRT-Magnets 20 zeigt. Der
Magnet 20 umfasst ein Shim-Set 22 und eine Gradientenspule 24,
wie dargestellt. Das Shim-Set 22 hat die Form, die in den 1 und 2 dargestellt
ist. Bei der Benutzung liegt ein Patient innerhalb der Bohrung 26 des MRT-Systems
und innerhalb des Magnets 20. Deshalb bestimmt die Größe der Bohrung 26 die
maximale Größe des Patienten,
der innerhalb des Magnets 20 aufgenommen werden kann, da
die Schultern des Patienten in die Bohrung 26 passen müssen.
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Die
Kosten von MRT-Systemen hängen
von der physischen Größe des Systems
ab. Würde
man eine größere Bohrung
vorsehen, um größere Patienten
aufnehmen zu können,
so würde
dies die physische Größe des Systems
und folglich die Kosten erhöhen.
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Dieses
Problem wird durch die Bereitstellung eines MRT-Systems von der
in 4 dargestellten Art überwunden, welches einen Magnet 30,
ein Shim-Set 32, eine Gradientenspule 34 und eine
Bohrung 36 umfasst. Das Shim-Set 32 weist ein
Paar einander diametral gegenüberliegender
ausgesparter Abschnitte 38 auf. Ähnliche ausgesparte Abschnitte 40 sind
in der Gradientenspule 34 vorgesehen und bezüglich der
ausgesparten Abschnitte 38 im Shim-Set 32 ausgerichtet.
Dies bedeutet, dass ein größerer Patient 42 in
der Bohrung 36 aufgenommen werden kann, indem die ausgesparten
Abschnitte 38, 40 verwendet werden, um die Schultern
des Patienten 42 aufzunehmen.
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Daher
sind das Shim-Set 32 und die Gradientenspule 34 so
konstruiert, dass sie keine axiale und azimutale Symmetrie aufweisen.
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5 zeigt
eine isometrische Darstellung eines Teils 50 eines MRT-Systems
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Teil 50 umfasst ein Shim-Set 52,
das eine Vielzahl von um seinen Umfang herum angeordneten Shim-Trays
aufweist, wobei im Interesse der Klarheit nur zwei Shim-Trays 54, 56 dargestellt
sind, und eine Gradientenspule 58. Gemäß der vorliegenden Erfindung
weisen das Shim-Set 52 und die Gradientenspule 58 jeweils ähnliche
ausgesparte Abschnitte 60, 62 auf, die zueinander
ausgerichtet sind.
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Durch
die Verwendung von Aussparungen und die Möglichkeit, passives Shimming
bei Vorhandensein von Aussparungen durchzuführen, entfällt die Notwendigkeit, die
Bohrung des Magnets zu vergrößern. Damit
wird ein MRT-System gemäß der vorliegenden
Erfindung bereitgestellt, das sowohl hinsichtlich des Preises als
auch der Größe einen
Wettbewerbsvorteil bietet, da jede Vergrößerung einen längeren Magnet
und mehr Draht erfordert, wodurch sich die Kosten des Systems erhöhen.
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Wie
in 5 dargestellt, ist es nicht erforderlich, dass
sich die ausgesparten Abschnitte 60, 62 über die
gesamte Länge
des Magnetsystems erstrecken. Die tatsächliche Länge der Aussparung wird durch
die spezielle Anwendung bestimmt; sie kann sich über einen erheblichen Teil
der Länge
des Magnets oder sogar über
dessen gesamte Länge
erstrecken.
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Bei
den oben beschriebenen Ausführungsformen
ist die Verwendung von zwei Aussparungen vorgesehen. Es besteht
jedoch kein Grund, die Konstruktion auf zwei Aussparungen zu begrenzen, wenn
die Anwendung eine andere Anzahl von Aussparungen erfordert. Zum
Beispiel kann es wünschenswert
sein, über
eine einzige Aussparung zu verfügen
und den Patienten eine bezüglich
der Längsachse
der Bohrung versetzte Lage zu bringen.
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Der
Shim-Satz, welcher zusammen mit dem Magnet zu verwenden ist, der
unter Bezugnahme auf 4 beschrieben ist, kann wie folgt
bestimmt werden:
Es wird ein kompletter Shim-Satz ohne Aussparungen
entworfen. Somit ist eine axiale und azimutale Symmetrie gegeben.
Dies ermöglicht
die optimale Konstruktion für
das Shimming zur Unterdrückung von
Harmonischen, welche entweder konstruktionsbedingt oder auf Herstellungsfehler
zurückzuführen sind,
wodurch für
die am besten geeignete Verteilung von Trays und Vertiefungen, wie
oben beschrieben wurde, gesorgt wird.
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Der
nächste
Schritt besteht darin, zu bestimmen, ob die Aussparungen irgendeine
Beeinträchtigung
der durch das Shimming erzielten Homogenität verursachen werden. Dies
kann geschehen, indem man die Vertiefungen bestimmt, welche infolge
der Aussparungen nicht zur Verfügung
stehen würden, und
die Analyse wie oben durchführt,
wobei man diese speziellen Vertiefungen aus dem Optimierungsprozess
ausschließt.
Auf diese Weise kann die Auswirkung der Aussparung beurteilt werden.
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Der
Optimierungsprozess erfordert die Minimierung einer Bewertungsfunktion
(Merit-Funktion), welche ein Maß für die Homogenität des Magnetfeldes
ist. Die verwendete Bewertungsfunktion (ϕ) ist die gewichtete
Summe der Quadrate der Harmonischen und kann in der Form
ausgedrückt werden, wobei W
ij das Gewicht ist und A
i j und B
i j die
Harmonischen sind.
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Die
Gewichte werden auf geeignete Weise gewählt, so dass die wichtigen
Harmonischen stärker gewichtet
werden als die unwichtigen. Die Verwendung von Harmonischen ist
wichtig, da sich die Inadäquatheit
einer Shim-Gestaltung in den verbleibenden Harmonischen widerspiegelt.
Die Eignung für das
Shimming wird beurteilt, indem ein Shimming von durch einen Host-Computer erzeugten
theoretischen Daten-Plots von Harmonischen, die für den Magnet
typisch und atypisch sind, durchgeführt wird.
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Bei
einer speziellen Anwendung gemäß der vorliegenden
Erfindung bestand das Shim-Set aus 24 Trays mit jeweils 17 Vertiefungen.
Die Vertiefungen in jedem Tray hatten eine Tiefe von ungefähr 6 mm,
womit sie die Anbringung einer maximalen Stapelhöhe von 6 mm Eisen in jeder
Vertiefung ermöglichten.
Die Trays wurden auf einem Durchmesser von ungefähr 590 mm angebracht, und die
Gesamtlänge
des Shim-Sets betrug 890 mm. Die Tiefe der Ausschnitte betrug 355
mm. Es ist leicht zu erkennen, dass die Asymmetrie bedeutend war.
Das Shim-Set wurde
verwendet, um auf einem kugelförmigen
Volumen mit einem Durchmesser von 22 cm das Shimming eines Magnets
von ungefähr
346 ppm (Millionsteln) bis auf weniger als 1 ppm durchzuführen.
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Im
obigen Beispiel war die Kombination von Harmonischen so beschaffen,
dass die Masse des Eisens, die für
das Shimming des Magnets erforderlich war, um ungefähr 10 Prozent
größer war
als im Falle des Nichtvorhandenseins von Aussparungen. Die eingebaute
maximale Stapelhöhe
erhöhte
sich jedoch um etwa 25 Prozent.
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Aufgrund
der Unmöglichkeit,
das Eisen im Bereich der Aussparung anzubringen, führt die
Optimierung zu einer erhöhten
Masse und Stapelhöhe
in anderen Vertiefungen. Der Preis, der für die Verwendung von Aussparungen
gezahlt werden muss, besteht folglich in mehr Eisen und größeren Stapelhöhen in den
Vertiefungen.
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Wie
oben erwähnt
wurde, kann der Konstruktionsprozess für eine beliebige Anzahl von
Aussparungen angewendet werden, obwohl dies natürlich die Harmonischen begrenzt,
die durch Shimming unterdrückt
werden können.
Außerdem
kann der Konstruktionsprozess auch für Aussparungen mit unterschiedlichen
Längen
und für
sich über
die gesamte Länge
erstreckende Aussparungen angewendet werden.
