DE69929752T2

DE69929752T2 - Heliumtank für supraleitenden Magnet mit offener Architektur für die bildgebende magnetische Resonanz

Info

Publication number: DE69929752T2
Application number: DE69929752T
Authority: DE
Inventors: Xianrui Florence Huang; Jr. John Florence Scaturro; Peter L. Greer Sue
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1998-07-09
Filing date: 1999-07-08
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: EP0971240B1; EP0971240A3; JP2000040615A; EP0971240A2; US6078234A; DE69929752D1

Description

Diese Erfindung betrifft einen supraleitenden Magneten mit offener Architektur für eine Magnetresonanz-Bildgebungseinrichtung (hierin nachstehend als "MRI" bezeichnet) und insbesondere einen verstärkten Heliumdruckbehälter zur Verwendung in dem MRI-Gerät.
Wie es allgemein bekannt ist, kann ein supraleitender Magnet erzeugt werden, indem er in einer extrem kalten Umgebung, wie zum Beispiel durch Einschließen in einem Kryostaten oder Druckbehälter, der flüssiges Helium oder ein anderes Kryokältemittel enthält, platziert wird. Die extreme Kälte ermöglicht, dass die Magnetspulen supraleitend werden, so dass, wenn anfangs eine Energiequelle mit den Spulen verbundene wird, um einen Stromfluss durch die Spulen zu induzieren, der Strom selbst nach dem Entfernen der Energiequelle, aufgrund des vernachlässigbaren Spulenwiderstandes bei den Supraleitungstemperaturen weiterfließt, und dadurch ein Magnetfeld aufrechterhält. Supraleitende Magnete finden auf dem Gebiet der MRI breite Anwendung.
Die meisten MRI-Geräte verwenden Solenoidmagnete, die in einer einteiligen zylindrischen Struktur mit einer zentralen Bohrungsöffnung für den Patientenzugang eingeschlossen sind. Jedoch ist der Patient praktisch in der warmen Bohrung eingeschlossen, was bei einigen Patienten Klaustrophobie auslösen kann. Die Verwendung eines Aufbaus mit offener Architektur, in welcher der Patient im Wesentlichen nicht vollständig eingeschlossen ist, wurde seit langem als wünschenswertes Mittel für das Wohlbefinden des Patienten und zur Ermöglichung interventioneller Prozeduren durch den Chirurgen oder Gesund heitsfürsorgepersonal erkannt. Leider bringt ein Aufbau mit offener Architektur des Typs, welcher zwei im Abstand angeordnete "Donut"- oder zylindrisch geformte Ringspulen-Anordnungen verwendet, um einen offenen Raum und einen vertikalen oder zentralen Patientenzugangs-Zwischenraum zwischen den Spulanordnungen zu erzeugen, eine Reihe technischer Probleme und Herausforderungen mit sich. Ein Problem und eine Herausforderung besteht in der Schaffung einer Struktur, welche das erforderliche sehr homogene magnetische Bildgebungsfeld erzeugt, während gleichzeitig die getrennten Magnetspulenanordnungen unter den erheblichen elektromagnetischen Kräften und thermischen Kräften die während des Betriebs auftreten, angemessen gelagert werden. Die elektromagnetischen Kräfte beinhalten große axiale magnetische Kräfte zwischen den Teilspulen innerhalb jeder Donut-Spulenanordnung zusätzlich zu einer sehr großen axialen Nettokraft zwischen den zwei Donuts. Derartige magnetische Kräfte sind in der üblicheren einteiligen symmetrischen Supraleitungsmagnetanordnung ausgeglichen und wirken axial aufeinander zu, wobei die dazwischen liegende starre Verbindungsstruktur derartige Kräfte, welche sich im Wesentlichen im Gleichgewicht befinden aufnimmt und leicht handhabt.
Jedoch wirken in dem Falle eines getrennten Paares von Donut- oder Ringmagnet-Anordnungen (siehe zum Beispiel US-A-5 291 169), die nicht im Gleichgewicht befindlichen axialen magnetischen Kräfte jedes Donuts direkt auf die Heliumdruckbehälter, einschließlich deren Endflansche, was zu hohen Belastungen und einer möglichen Verformung der Behälter führt, was die Homogenität des sich ergebenden Magnetfeldes und die Qualität der Bildgebung beeinflusst. Dieses gilt insbesondere in dem Falle erwünschter leichter Magnete, einschließlich denen, die in einem transportierbaren MRI-Gerät eingesetzt wer den, in welchem das Gewicht ein Gesichtspunkt ist, der zu der gewünschten Verwendung von leichtgewichtigen Metalldruckbehältern führt.
Das Magnetfeld in der Bildgebungsbohrung muss für eine genaue Bildgebung sehr homogen und zeitlich konstant sein. Selbst leichte Biegungen in den Heliumbehältern und/oder deren internen supraleitenden Magnetspulendrähten verändern die räumliche Verteilung des Stromflusses durch die Spulen und die Homogenität des Bildgebungsmagnetfeldes ausreichend, um die Qualität der von dem MRI-Bildgebungssystem erzeugten Bilder zu verschlechtern.
Es gibt eine Reihe weiterer Probleme, einschließlich Probleme einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung und Kontraktion von Materialien und der Minimierung von Gewicht und Kosten. Alle diese einander überlagernden und widersprüchlichen Anforderungen müssen für eine praxisgerechte und nutzbringende MRI-Supraleitermagnetsstruktur erfüllt werden.
Es ist daher erwünscht, einen verbesserten leichten Kryokältemittel-Druckbehälter für einen supraleitenden Magneten in einer MRI mit offener Architektur zu schaffen, die den während des Betriebs auftretenden starken elektromagnetischen Kräften und thermischen Kräften widerstehen kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verwendet eine supraleitende MRI-Magnetanordnung mit offener Architektur zwei getrennte über axiale Abstandshalter miteinander verbunden ringförmige supraleitende Magnetanordnungen, wovon jede eine Magnetspulenanordnung enthält, die ein starkes magnetisches Bildgebungsfeld in dem vertikalen Patientenzugangs-Zwischenraum zwischen den Anordnungen bereitstellt.
Jede Magnetanordnung enthält einen Kryokältemittel-Druckbehälter mit einem Innenzylinder, der den Druckbehälter in zwei ringförmige Kammern mit mehreren Paaren nicht magnetischer Innenstreben unterteilt, die um die Achse des Magneten innerhalb der Kammern in Abstand herum angeordnet sind und sich in einem Winkel zwischen den axial getrennten Endflanschwänden erstrecken. Es befinden sich bis zu 16 Strebenpaare in jeder ringförmigen Anordnung, welche sich in einem Winkel von ± 60 Grad von den Außenseitenendflanschen jedes Druckbehälters zu dem gegenüberliegenden Endflansch erstrecken und gleichmäßig um die Achse jeder Anordnung herum in Abstand angeordnet sind.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine perspektivische Ansicht eines MRI-Supraleitermagneten ist, der die vorliegende Erfindung beinhaltet.
2 ein Querschnitt einer Ringanordnung von 1 entlang einer Linie 2-2 von 1 ist, die Details der vorliegenden Erfindung darstellt.
Gemäß 1 und 2 enthält die supraleitende Magnetanordnung 10 ein Paar Torus- oder Donut-förmiger Ringanordnungen 1 und 2, die durch vier sich axial erstreckende Abstandshalter 3 aus rostfreiem Stahl getrennt sind, die sich um und parallel zur Achse 5 einer im Wesentlichen zylindrischen zentralen Bildgebungsbohrung 4 erstrecken. Der Gesamtaufbau stellt einen im wesentlichen offenen Raum 11 zwischen den ringförmigen Anordnungen 1 und 2 bereit, welcher einen Einschluss vermei det, und medizinischem Personal einen Zugang zu dem Patienten bietet, der auf einer innerhalb der zentralen Bohrung 4 positionierten Patientenauflage positioniert ist. Die Magnetanordnung 10 ist auf vier an jeder Ecke positionierten Basiselementen 6 gelagert.
Jede ringförmige Anordnung 1 und 2 enthält ringförmige Magnetspulen 18 und 20 und weitere Hilfsspulen, wie zum Beispiel Kompensationsspulen 23 und 30 in einem Heliumbehälter 13, welcher innerhalb des Vakuumbehälters 12 angeordnet ist. Hauptmagnetspulen 18 und 20 und eine Kompensationsspule 23 sind in Hohlräumen oder ringförmigen Nuten 19 bzw. 21 mit rechteckigem Querschnitt auf Magnetspulenformen 22 bzw. 24 gewickelt. Eine Kühlung wird durch einen allgemein bei 14 dargestellten Kryokühler bereitgestellt, welcher die Kühlung für den Innenraum des Heliumdruckbehälter 13 liefert, um die Hauptmagnetspulen 18, 20 und Kompensationsspulen 23 und 30 und zugehörige (nicht dargestellte) Spulen auf Supraleitungstemperaturen zu kühlen. Energie zur anfänglichen Erregung der Spulen 18, 20 wird mittels (nicht dargestellter) geeigneter elektrischer Verbindungen zugeführt.
Die Kompensationsspulen 23 und 30 sind von der Bohrung 4 entfernt positioniert, um eine aktive Magnetfeldabschirmung oder ein Magnetfeld zu erzeugen, welches die Effekte äußerer Magnetfelder auf die supraleitende Magnetfeldanordnung 10 minimiert und auch magnetische Streufelder minimiert, welche ansonsten von der Magnetanordnung ausgehen können und andere elektronische Geräte, wie zum Beispiel medizinische Diagnosegeräte in der Nähe der Magnetanordnung stören. Es ist anzumerken, dass die Breiten- oder Längendimension der Magnetspulen 18 und 20 im Wesentlichen senkrecht und parallel bezüglich der Achse 5 sind.
Der Aluminium-Innenzylinder 34 erstreckt sich senkrecht zwischen axial in Abstand angeordneten parallelen Endwänden oder Endflanschen 36 und 38 des Heliumdruckbehälters 13 im Wesentlichen parallel dazu und konzentrisch um die Achse 7, und ist bei 40 und 41 entlang des Umfangs seiner Enden verschweißt. Der Innenzylinder 34 unterteilt den Innenraum des Heliumdruckbehälters 13 in zwei ringförmige Kammern 42 und 44. Eine erste Aluminiumstrebe 46 erstreckt sich aus der Schweißstelle 40 innerhalb der Kammer 42 in einem Winkel 47 von angenähert 45 Grad zu einem Endbereich 49 in der Nähe zu der entfernten oder innenseitigen Ecke des Endflansches 36 und erstreckt sich somit im Wesentlichen zwischen den Endflanschen 36 und 38.
Eine zweite Aluminiumstrebe 54 erstreckt sich innerhalb der Kammer 44 zwischen dem an die Schweißstelle 40 angrenzenden Endflansch 38 zu dem zentralen Abschnitt des Innenseitenendflansches 36 in einem Winkel 51 in dem Bereich von 5 bis 10 Grad, was einen Winkel 60 zwischen den Streben 40 und 54 angenähert in dem Bereich von 50 bis 65 Grad ausbildet. Die Aluminiumstreben 46 und 54 sind rechteckige Aluminiumstäbe von 7,62 cm (3 inches) Breite und 1,27 cm (0,5 inches) Dicke. Die Verwendung von Aluminium trägt nicht nur zur Minimierung des Gewichtes der supraleitenden Magnetanordnung 10 bei, sondern ist auch ein nicht-magnetisches Material, um eine Wirbelstrombelastung und Beeinträchtigung der von den Magnetspulen 18, 20, 23 und 30 erzeugten Magnetfelder zu vermeiden. Der Aluminium-Innenzylinder 34 und die Aluminiumstreben 46 und 54 werden innerhalb des Heliumdruckbehälters 13 vor dem Verschweißen von einer von der Endwand oder dem Endflansch 36 oder 38 zum Verschließen der ringförmigen Gehäuse befestigt.
Die Streben 46 und 54 treffen sich somit an einer Verbindungsstelle 45 und erstrecken sich in einem Winkel zu den und zwischen den Endflanschen 36 und 38, um Auslenkungen oder Verformungen des Druckbehälters 13 und der Endflansche, einschließlich der Verformung der Ecken, wie zum Beispiel 64, durch Druck und Ausdehnungskräfte der gegenüberliegenden Magnetfelder zu widerstehen, welche durch die Wechselwirkung der Magnetfelder der die Magnetspulen 18, 20, 23 und 30 umfassenden Magnetspulen innerhalb der und zwischen den Anordnungen 1 und 2 erzeugt werden.
Die Streben und Spulenplatzierung innerhalb der Spulenanordnung 2 ist das Spiegelbild der Spulenanordnung 1, das heißt, ihre (nicht dargestellten) zu 46 und 54 äquivalenten Strebensätze treffen sich bei Verbindungsstellen, wie zum Beispiel 45, welche von der Verbindungsstelle 45 im Gehäuse 1 entfernt sind so, dass sich die Verbindungsstellen auf den gegenüberliegenden Außenseitenendflanschwänden des Druckbehälters 13 der Spulenanordnungen befinden.
Es gibt 16 Sätze von Winkelstreben 46 und 54, die im gleichen Winkel in Abstand um die Achse 5 und den Umfang des Druckbehälters 13 angeordnet sind. 1 stellt zwei Paare 37 und 39 derartiger Streben dar.
Auslenkungen oder Bewegungen während der Supraleitungsbetriebs des Heliumdruckbehälters 13 könnten Spannungen oder Auslenkungen auf die Supraleiter ausüben, mit welchen die Magnetspulen 18, 20, 23 und 30 gewickelt sind, was die Homogenität des resultierenden Magnetfeldes des Patienten-Bildgebungsbereichs innerhalb der zentralen Bohrung 4 beeinflusst, was das MRI-Bildgebungsverhalten des supraleitenden Magneten 10 verschlechtern würde. Jedoch wirkt der vorliegen de Aufbau derartigen potentiellen Auslenkungen entgegen und gleicht diese aus, um derartige unerwünschte Inhomogenitäten des Magnetfeldes zu vermeiden.
Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung eine MRI mit offener leichtgewichtiger Architektur bereit, welche den im Einsatz anzutreffenden erheblichen elektromagnetischen und thermischen Kräften und Belastungen widerstehen kann, während gleichzeitig die notwendigen elektrischen, magnetischen und strukturellen Eigenschaften bereitgestellt werden. Der Aufbau mit offener Architektur stellt Öffnungen oder einen offenen Raum 11 zwischen den Anordnung 1 und 2 bereit, um den Einschluss des Patienten zu minimieren, und interventionelle Prozeduren durch einen Arzt unter gleichzeitiger Beobachtung der MRI-Bildgebung des Patienten in dem Bereich der Prozeduren zu ermöglichen.

Claims

Supraleitender Magnet (10) mit offener Architektur zur Magnetresonanzbildgebung unter Verwendung eines getrennten Paares supraleitender Magnetspulenanordnungen, die eine axiale Bohrung (4) und zwischen den Spulenanordnungen ein zugängliches offenes Bildgebungsvolumen (11) ausbilden, aufweisend: ein erstes ringförmiges Magnetanordnungsgehäuse (1), das um die Achse (5) der axialen Bohrung herum positioniert ist; ein zweites ringförmiges Magnetanordnungsgehäuse (2), das um die Achse herum positioniert ist und im Abstand zu der ersten Magnetanordnung und im Wesentlichen parallel zu dieser angeordnet ist; wobei jede von den Magnetanordnungen einen Kryokältemittel-Druckbehälter (13) und wenigstens eine supraleitende Magnetspule (18, 20) in dem Druckbehälter enthält, um innerhalb des Bildgebungsvolumens ein Magnetfeld zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass die Kryokältemittel-Druckbehälter jeweils einen Innenzylinder (34) enthalten, der das Gehäuse in zwei benachbarte ringförmige Kammern (42, 44) mit Endflanschen (36, 38) unterteilt, die deren axial getrennten Enden verschließen; sich mehrere Streben (46, 54) in jeder von den benachbarten ringförmigen Kammern zwischen den Endflanschen in einem Winkel zu der Achse erstrecken; und die Streben den von dem Magnetfeld erzeugten magnetischen Kräften auf die Gehäuse widerstehen.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 1, wobei die magnetischen Kräfte Kompressions- und Expansionskräfte auf das Gehäuse beinhalten und die Streben innerhalb jedes Druckbehälters Strebenpaare enthalten, wobei ein Ende (40) jedes Strebenpaars (37, 39) an demselben Bereich (45) eines der Endflansche (38) befestigt ist und sich in einem Winkel (47, 60) innerhalb der benachbarten Kammern zu dem gegenüberliegenden Endflansch (36) hin erstreckt.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 2, wobei der eine von den Endflanschen der axial von dem Bereich zwischen den Druckbehältern weiter weg liegende Endflansch ist.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 3, wobei die mehreren Strebenpaare um die Achse herum innerhalb der ringförmigen Kammern in Abstand angeordnet sind.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 4, wobei eine Anzahl von 16 Strebenpaaren konzentrisch in Abständen von angenähert 22,5 Grad voneinander um die Achse und um den Umfang der Kammern herum angeordnet ist.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 5, wobei sich eine der Streben der Strebenpaare in einem ersten Winkel (51) angenähert in dem Bereich von 5 Grad bis 10 Grad zu dem Innenzylinder erstreckt.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 6, wobei die Strebenpaare in einem Winkel zueinander liegen und sich im Wesentlichen an der Spitze eines zweiten Winkels an dem Schnittpunkt des Innenzylinders und einem der Endflansche treffen.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 7, wobei der zweite Winkel (47) angenähert in dem Bereich von 40 Grad bis 50 Grad liegt.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 7, wobei sich die Streben des Strebenpaares zwischen den gegenüberliegenden Endflanschen des Druckbehälters, in welchem es enthalten ist, erstrecken und diese schneiden.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 4, welcher wenigstens eine von den supraleitenden Magnetspulen in jeder Kammer enthält.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 10, wobei jede von den supraleitenden Magnetspulen eine längere Abmessung enthält, welche in rechten Winkeln zu der längeren Abmessung der anderen supraleitenden Magnetspule liegt.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 10, wobei eine Kompensationsspule (23, 30) in wenigstens einer von den Kammern weiter weg von der Achse und den supraleitenden Magnetspulen enthalten ist, um die Wechselwirkung von außer halb der Gehäuse entfernt von dem Bildgebungsvolumen erzeugten magnetischen Feldern und dem von den supraleitenden Magnet erzeugten Magnetfeld zu minimieren.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 12, wobei sich die Kompensationsspule in einem Winkel von angenähert 90 Grad zu einer von den supraleitenden Magnetspulen erstreckt.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 4, wobei die Streben aus einem nicht-magnetischen Material bestehen.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 13, wobei die Streben rechteckige Aluminiumstäbe sind.
Supraleitender Magnet nach Anspruch 15, wobei die Aluminiumstäbe einen Querschnitt von angenähert 1,27 × 7,62 cm (0,5 × 3 inches) aufweisen.