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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Magnetresonanzbildgebungsgerät, das ein
Gradientenspulensystem zum Erzeugen eines Magnetgradientenfeldes
in einem Bildgebungsvolumen des Geräts umfasst, wobei das Gradientenspulensystem
eine erste Spule zum Erzeugen eines ersten Teils des Gradientenfeldes
und eine zweite Spule zum Erzeugen eines zweiten Teils des Gradientenfeldes
umfasst.
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Ein
Magnetresonanzbildgebungsgerät
für medizinische
Zwecke, auch als MRI-Gerät
bezeichnet, ist vorgesehen, um Bilder von den Querschnitten eines
Körpers
zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird in einem derartigen Gerät auf bekannte
Weise ein starkes, homogenes Feld in einem für die Bildgebung vorgesehenen
Volumen (dem Bildgebungsvolumen) erzeugt. Diesem homogenen Feld
wird ein Gradientenfeld überlagert,
um den Ort des abzubildenden Querschnitts anzugeben. Das Gradientenfeld
wird realisiert, indem ein zeitabhängiger Strom durch eine Gradientenspule
geleitet wird. Dieses zeitabhängige
Stromsignal variiert in impulsartiger Weise, wobei der Impuls ungefähr die Form
eines Trapezes hat. Die Anstiegszeiten liegen in der Größenordnung
von 0,2 bis 0,6 ms und die Impulsdauer (d.h. die Dauer des mehr
oder weniger konstanten Teils des Impulses) liegt in der Größenordnung
von 1 bis 5 ms.
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Je
nach beabsichtigter Anwendung und/oder den Wünschen des Benutzers kann der
Entwurf des Gradientenspulensystems darauf ausgerichtet sein, ein
mehr oder weniger hohes Maß an
Linearität
des Gradientenfeldes oder eine mehr oder weniger hohe Geschwindigkeit
bei der Erzeugung der Gradientenimpulse zu erreichen.
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In
diesem Kontext ist unter Linearität das Maß an Konstantheit der (räumlichen)
Ableitung der Feldstärke
des Gradientenfeldes über
das Bildgebungsvolumen hinweg zu verstehen (zum Beispiel die Ableitung der
z-Komponente des Gradientenfeldes nach der x-Koordinate: dB2/dx). Für
unverzerrte Bilder wird ein hohes Maß an Linearität in dem
Bildgebungsvolumen angestrebt. Aus Gründen der Energieeffizienz wird
es bevorzugt, das Feld außerhalb
des Bildgebungsvolumens beim Erzeugen eines sehr linearen Feldes
so schnell wie möglich
(d.h. über
einen möglichst
kurzen Abstand vom Bildgebungsvolumen) auf Null abnehmen zu lassen. Dies
ist darauf zurückzuführen, dass
die zum Erzeugen eines Magnetfeldes erforderliche Energie proportional zu
dem Volumenintegral des Quadrats der Feldstärke ist. Diese beiden Anforderungen
(Linearität
innerhalb des Bildgebungsvolumens und schnelle Feldabnahme außerhalb
des Bildgebungsvolumens) müssen
unter den praktischen Bedingungen eines MRI-Gerätes erfüllt werden, d.h. dass das Bildgebungsvolumen
nicht vollkommen von Stromleitern umgeben sein darf, weil dieses
Volumen für
einen Patienten zugänglich
bleiben muss, und dass die Stromleiter nicht direkt auf der Begrenzungsoberfläche des
Bildgebungsvolumens angeordnet sein dürfen. Angesichts der grundlegenden
Gesetze des elektromagnetischen Feldes sind unter diesen Bedingungen
die genannten Anforderungen hinsichtlich Linearität und schneller
Feldabnahme nicht miteinander zu vereinen, so dass eine vergleichsweise
hohe Energie erforderlich ist, um ein sehr lineares Feld zu erzeugen.
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Es
gibt auch MRI-Anwendungen, bei denen großer Wert auf eine hohe Geschwindigkeit
gelegt wird und die Linearität
weniger wichtig ist. Derartigen Anwendungen begegnet man in Situationen,
bei denen Bilder mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden müssen, zum
Beispiel bei beweglichen Teilen des Körpers. Beispiele in dieser
Hinsicht sind die Beobachtung eines schlagenden Herzens oder das
Verfolgen des Fortschreitens eines Kontrastmittels in einem Gefäßsystem,
wie dies bei der Perfusionsbildgebung des Gehirns der Fall ist. Wie
bekannt, ist bei der Magnetresonanzbildgebung die Auflösung des
zu erzeugenden Bildes (d.h. die Anzahl noch voneinander zu unterscheidender
Bildpunkte in der abzubildenden Schicht) proportional zu der Oberfläche des
Gradientenimpulses. Verdoppelt man jetzt zum Beispiel die Geschwindigkeit,
während
die Auflösung gleich
bleibt, also bei gleichbleibender Oberfläche des Gradientenimpulses,
so wird die Amplitude des Impulses doppelt so groß werden
müssen;
das bedeutet, dass die Steigung der Impulsflanken der trapezförmigen Impulse
vier Mal so groß werden
muss, also die antreibende Spannung V dieser Spule (die sich nahezu
wie eine reine Selbstinduktivität
L beträgt,
d.h. V = L(dI/dt)) auch vier Mal so groß werden muss. Da die Stromamplitude
I also doppelt so groß geworden
ist, wird die Spitzenleistung V × I acht Mal so groß. Dieses
Zahlenbeispiel veranschaulicht das Problem der erforderlichen Ansteuerungsleistung
bei hoher Geschwindigkeit.
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Würde man
ein Gradientensystem wünschen,
das sowohl ein hohes Maß an
Linearität
als auch eine hohe Geschwindigkeit liefern kann, wären hierfür Ansteuerungsverstärker erforderlich,
die für
die Lieferung einer sehr großen
Leistung ausgelegt sind, was entsprechend störend ist. Außerdem bringt
eine hohe Ansteuerungsleistung auch eine hohe Wärmeabstrahlung mit sich, was
Kühlprobleme
und mechanische Instabilität aufgrund
von thermischer Drift zur Folge hat.
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Das
in der genannten US-amerikanischen Patentschrift beschriebene MRI-Gerät umfasst
ein Gradientenspulensystem, das aus einer Reihenschaltung einer
ersten und einer zweiten Spule besteht, wobei entweder die erste
Spule alleine oder die erste und auch die zweite Spule angeregt
wird. Ein derartiges Verfahren zum Betrieb des Spulensystems ermöglicht eine
erhöhte
Geschwindigkeit bei der Erfassung von Bildern in dem Fall, dass
ein abzubildender Teil eines Patienten kleiner ist als das Bildgebungsvolumen.
Eine Situation dieser Art tritt zum Beispiel auf, wenn Bilder des
menschlichen Gehirns erstellt werden, das eine Abmessung in der
Größenordnung
von 20 cm hat, während
der Durchmesser des Bildgebungsvolumens ca. 45 cm beträgt. Das
Gradientenfeld wird über
die genannten 20 cm linearer sein als über den Durchmesser von 45
cm, so dass die Anforderung in Bezug auf die Linearität über das
gesamte Bildgebungsvolumen in diesem Fall weniger streng zu sein
braucht. Die Reduzierung der Linearität kann dann einer erhöhten Geschwindigkeit
zugute kommen. Wenn nur die erste Spule angeregt wird, ist es möglich, ein
schnelles Magnetfeld mit einer gegebenen Linearität in einem
gegebenen Bildgebungsvolumen zu realisieren. Wenn sowohl die erste
als auch die zweite Spule angeregt wird, ist das Volumen mit der
genannten gegebenen Linearität
größer als
das Bildgebungsvolumen in dem ersten Fall, oder anders gesagt ist
bei der Anregung beider Spulen die Linearität innerhalb des erstgenannten
Volumens, also des Bildgebungsvolumens, höher.
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Man
hat also bei dem bekannten MRI-Gerät die Wahl zwischen einem ersten
Gradientenmodus, in dem nur die erste Spule aktiviert wird, so dass
nur diese erste Spule angeregt wird, während die zweite Spule nicht
angeregt wird, und einem zweiten Gradientenmodus, in dem die erste
und die zweite Spule gleichzeitig aktiviert werden, so dass der
gleiche Strom durch die beiden Spulen fließt. Durch die Wahl zwischen
den genannten beiden Gradientenmodi hat der Benutzer also die Möglichkeit,
entweder eine vergleichsweise hohe Linearität bei einer vergleichsweise
niedrigen Geschwindigkeit oder eine hohe Geschwindigkeit bei einer
vergleichsweise geringen Linearität zu wählen.
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Die
in der genannten US-amerikanischen Patentschrift gezeigte zweite
Spule ist auf eine solche Weise ausgelegt, dass sie ein Feld erzeugt,
dessen lineare Komponente einen wesentlichen Bestandteil der linearen Komponente
des durch das Gradientensystems erzeugten Gesamtfeldes darstellt.
Das bedeutet, dass beim Deaktivieren der zweiten Spule die gesamte
lineare Feldkomponente um einen nicht vernachlässigbaren Betrag kleiner wird,
so dass in diesem Fall die Anregung der ersten Spule entsprechend
stärker
erfolgen muss, um die gleiche Stärke
der gesamten linearen Feldkomponente zu erhalten, was eine nachteilige
Auswirkung auf die Energieeffizienz beim Erzeugen des lineares Feldes
hat.
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In
der ISMRM-Zusammenfassung ISMRM 1997, S. 1467, werden eine erste
Volumengradientenspule, die für
die ultraschnelle (EPI-) Bildgebung geeignet ist, und eine zweite
Volumenspule beschrieben, die einen herkömmlichen Leistungsmodus für eine große Abdeckung
inklusive des Rückgrats
sorgt. In der US-amerikanischen Patentschrift
US-4 644 277 wird ein Spulensystem
genannt, dessen Magnetfeld nichtlinear im Raum variiert, um zu erreichen,
dass die räumliche
Auflösung
der codierten Magnetresonanzsignale mit dem Gradienten des Magnetfeldes
variiert. Die US-amerikanische Patentschrift
US-4 959 613 betrifft eine Gradientenspule
aufgeteilt in eine Vielzahl von Einheitsspulen, die durch einzelne
Treiber angesteuert werden.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, ein MRI-Gerät der beschriebenen Art zu
schaffen, das eine größere Anzahl
von Einsatzmöglichkeiten
in Bezug auf die Linearität
und die Geschwindigkeit des zu erzeugenden Gradientenfeldes bietet,
ohne größere Kompromisse
in Bezug auf die Energieeffizienz während der Erzeugung des Gradientenfeldes
zu machen.
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Dies
wird durch das Magnetresonanzgerät
der Erfindung erreicht, wie es in Anspruch 1 definiert ist.
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In
der Technik der Magnetresonanzbildgebung wird davon ausgegangen,
dass ein tatsächliches
Gradientenfeld aus der Summe eines idealen linearen Feldes und der
Abweichung des tatsächlichen
Gradientenfeldes in Bezug auf das genannte ideale lineare Feld besteht.
Wie es in dieser Technik üblich
ist, wird die Linearität
eines Gradientenfeldes in einem gegebenen Volumen beschrieben durch
das Verhältnis
R = (maxdev)/(maxlin).
Dabei ist maxlin der maximale Wert des idealen
linearen Feldes in dem Volumen und maxdedev ist der
maximale Wert der Abweichung des tatsächlichen Gradientenfeldes in
dem Volumen relativ zum maximalen Wert des idealen linearen Feldes.
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In Übereinstimmung
mit einem Grundgesetz der Theorie elektromagnetischer Felder ist
der maximale Wert eines Magnetfeldes auf einer gegebenen geschlossenen
Oberfläche
(in diesem Fall der Oberfläche
des Bildgebungsvolumens) gleich dem maximalen Wert dieses Feldes
in dem durch diese Oberfläche
umschlossenen Volumen (in diesem Fall dem Bildgebungsvolumen), was
bedeutet, dass die genannten maximalen Werte ermit telt werden können, indem
man die betreffende Feldstärke
auf der Oberfläche
ermittelt.
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Wie
eine Spule geformt werden muss, wenn das durch diese Spule gebildete
Feld gegeben ist, ist dem Fachmann an sich bekannt, so dass dieser
ohne übermäßige Anstrengung
die gewünschte
Spulenform von den oben beschriebenen Anforderungen an das Gradientenfeld
ableiten kann. Ein Verfahren dieser Art ist zum Beispiel in der
USamerikanischen Patentschrift Nr.
5.574.373 beschrieben.
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Zu
einer sehr linearen Gradientenspule (d.h. einer Spule, die ein sehr
lineares Feld erzeugt) gehört
in der Praxis ein Wert von R, der in der Größenordnung von 0,05 bis 0,15
liegt. Wenn eine Spule daher ein Feld mit einem Wert von R erzeugt,
der größer als
1 ist, bedeutet dies, dass diese Spule (das Feld dieser Spule) sehr
unlinear ist.
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Das
zu bildende Gradientenfeld kann jetzt aus einer Anzahl möglicher
Kombinationen aus der ersten Spule und der zweiten Spule gebildet
werden. Dabei kann die erste Spule eine sehr lineare Spule sein
oder eine Spule mit weniger linearen Eigenschaften, wobei die Eigenschaften
der zweiten Spule dann so gewählt werden
müssen,
dass die Kombination die gewünschte
Linearität
oder Geschwindigkeit bieten kann. Im Folgenden werden drei Fälle ausführlicher
dargelegt.
- 1) Das erfindungsgemäße Gradientensystem
kann aus der Kombination einer sehr linearen Spule (der ersten Spule)
und einer sehr unlinearen Spule (der zweiten Spule) bestehen. Wenn
in diesem Fall eine hohe Geschwindigkeit während der Erzeugung der Gradientenimpulse
benötigt
wird, kann für
das gesamte Gradientenfeld die Summe der Felder der ersten und der
zweiten Spule genommen werden, also insgesamt ein vergleichsweise
unlineares Feld, das bekanntermaßen eine hohe Geschwindigkeit
erlaubt. Wenn in diesem Fall ein hohes Maß an Linearität benötigt wird,
kann man für
das gesamte Gradientenfeld lediglich das Feld der ersten Spule nehmen,
also insgesamt ein vergleichsweise lineares Feld.
- 2) Das erfindungsgemäße Gradientensystem
kann auch aus der Kombination einer vergleichsweise unlinearen Spule
(der ersten Spule) und einer sehr unlinearen Spule (der zweiten
Spule) bestehen. In diesem Fall ist die zweite Spule auf eine solche
Weise bemessen, dass das Feld dieser Spule addiert zu dem Feld der
ersten Spule ein sehr lineares Feld ergibt. Wenn in diesem Fall
eine hohe Geschwindigkeit beim Erzeugen der Gradientenimpulse gewünscht wird,
kann man für
das gesamte Gradientenfeld lediglich das Feld der ersten Spule nehmen,
also insgesamt ein vergleichsweise unlineares Feld. Wenn in diesem
Fall jedoch ein hohes Maß an
Linearität
gewünscht
wird, kann man für
das gesamte Gradientenfeld die Summe der Felder der ersten und der
zweiten Spule nehmen, also insgesamt ein sehr lineares Feld.
- 3) Es ist noch eine Zwischenform möglich, wobei die Linearität der ersten
Spule zwischen der des erstgenannten Falls und der des letztgenannten
Falls liegt. Bei dieser Zwischenform wird zum Erhalten eines sehr linearen
Feldes das Feld der zweiten Spule in der gleichen Richtung angelegt
wie das der ersten Spule, und wird zum Erhalten eines resultierenden
unlineares Feldes das Feld der zweiten Spule entgegengesetzt zum
Feld der ersten Spule angelegt. Außerdem ist eine weitere Zwischenform
möglich,
bei der die zweite Spule nicht mit Energie versorgt wird.
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Es
ist für
die Erfindung von entscheidender Bedeutung, dass die beiden Spulen
unabhängig
voneinander angesteuert werden können.
Wenn man zum Beispiel in Betracht zieht, jede der Spulen eines Spulensystems
nach dem Stand der Technik mit Hilfe eines eigenen Ansteuerungsverstärkers anzusteuern,
kann es sein, dass an einem der Ansteuerungsverstärker eine
Spannung anliegt, die der Summe der Ansteuerungsspannungen entspricht,
sofern die Ausgangsstufen dieser Verstärker nicht so konstruiert sind,
dass sie schwebend sind. Im ersten Fall sind Ausgangstransistoren
erforderlich, die diese hohen Spannungen aushalten können, was
genau bei Gradientenverstärkern
mit hohen Ausgangsspannungen (in der Größenordnung von ca. 1/2 kV pro
Verstärker)
und hohen Ausgangsströmen
(in der Größenordnung
von vielen hundert Ampère)
ein schwieriges Problem darstellt. Im zweiten Fall müssten spezielle
Maßnahmen
getroffen werden, um eine galvanische Trennung der Ausgangsstufen
der Verstärker
von ihren Eingangsstufen sicherzustellen, was gerade bei den genannten
vergleichsweise hohen Spannungen problematisch ist.
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Die
Schaltmittel zum je nach Wahl voneinander unabhängigen Ansteuern der ersten
und der zweiten Spule sind dafür
vorgesehen, nach Wahl die beiden Spulen in Reihe zu schalten oder
jede der Spulen mit dem zu jeder der Spulen gehörenden jeweiligen Ansteuerungsverstärker zu
verbinden. Unter bestimmten Umständen
kann es wünschenswert
sein, die beiden Spulen mit genau dem gleichen Strom zu versorgen.
In diesem Fall kann eine Reihenschaltung der beiden Spulen bevorzugt
werden, die dann mit einem einzelnen Ansteuerungsverstärker verbunden
wird. Unter anderen Umständen
kann eine eigene Signalform für
jede der Spulen wünschenswert
sein, so dass dann gerade keine Kopplung zwischen den beiden Spulen
existieren darf.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung sind die Schaltmittel dafür vorgesehen, von einem ersten
Gradientenmodus in einen zweiten Gradientenmodus um zuschalten. In
diesem Zusammenhang ist unter einem Gradientenmodus eine bestimmte
Art der Versorgung der beiden Spulen mit Energie zu verstehen, zum
Beispiel Reihenschaltung mit gemeinsamer Energieversorgung, Energieversorgung
von jeder der Spulen separat, Versorgen der zweiten Spule mit Energie
in der gleichen Richtung wie die erste Spule, oder Versorgung der
zweiten Spule mit Energie in entgegengesetzter Richtung zur ersten
Spule, wie oben beschrieben.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist die erste Spule mit einer zugehörigen Abschirmspule
versehen und die zweite Spule ist ebenfalls mit einer zugehörigen Abschirmspule
versehen. Diese Maßnahme
hat zur Folge, dass selbst dann eine geeignete Abschirmung des Gradientensystems
erreicht wird, wenn die erste und die zweite Spule unabhängig voneinander
mit unterschiedlichen Signalen angesteuert werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung befindet sich zwischen der ersten Spule und der zugehörigen Abschirmspule
ein Zwischenraum, und in dem genannten Zwischenraum ist die zweite
Spule untergebracht. Vom Gesichtspunkt der Energieeffizienz her
ist es sehr wünschenswert,
dass der Durchmesser der Gradientenspulen (d.h. der felderzeugenden
Spulen) so klein wie möglich
bleibt, wobei die Untergrenze des Durchmessers durch die Abmessungen
des zu untersuchenden Patienten vorgegeben wird. Andererseits sollte
ein gegebener Abstand zwischen der felderzeugenden Spule und der
Abschirmspule existieren, da die Abschirmspule sonst dem zu erzeugenden
Feld zu stark entgegenwirken würde,
wobei die Obergrenze des Durchmessers durch die Abmessungen der
Spulen zum Erzeugen des konstanten Magnetfeldes vorgegeben wird.
Wenn diese beiden Anforderungen zu einem Zwischenraum zwischen der
felderzeugenden Spule und der Abschirmspule fuhren, kann dieser
Zwischenraum genutzt werden, um darin die zweite Spule unterzubringen,
so dass diese dadurch einen möglichst
kleinen Durchmesser erhält.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist auch die zu der zweiten Spule gehörende Abschirmspule
in dem Zwischenraum angeordnet. Auch mit dieser Maßnahme wird
dem Wunsch nach einer geeigneten Energieeffizienz entgegengekommen,
und zwar aus den gleichen Gründen
wie oben für
die zweite Spule selbst beschrieben.
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Das
Magnetresonanzgerät
kann mit einer innerhalb der ersten Spule angeordneten HF-Spule
ausgestattet sein, wobei die zweite Spule als eine aus zwei Teilspulen
bestehende geteilte Spule ausgeführt
ist und sich jede der Teilspulen an beiden Seiten der HF-Spule innerhalb
der ersten Spule befindet. Bei einem MRI-Gerät besteht einerseits der Bedarf
an einem möglichst
großen
Raum zur Anordnung des Patienten im Bildgebungsvo lumen, andererseits
strebt man jedoch aufgrund der bereits genannten gewünschten
Energieeffizienz einen möglichst
kleinen Durchmesser der Gradientenspulen an. Dies führt dazu,
dass die Gradientenspulen so nah wie möglich am Bildgebungsvolumen
angeordnet werden, wobei die HF-Spule noch zwischen dem Bildgebungsvolumen
und den Gradientenspulen angeordnet werden muss. In diesem Fall
gibt es keinen Platz für
die zweite Spule in der Nähe
des Bildgebungsvolumens und diese zweite Spule würde also einen größeren Durchmesser
haben müssen,
was für
die Energieeffizienz von Nachteil ist. Die zweite Spule kann jetzt
in zwei Teilspulen aufgeteilt werden, die an beiden Seiten der HF-Spule
angeordnet werden, so dass der Durchmesser dieser Teilspulen dennoch
begrenzt bleiben kann.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Es zeigen:
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1 schematisch
den allgemeinen Aufbau eines Magnetresonanzbildgebungsgeräts;
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2 schematisch
die Positionierung der zu dem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem
gehörenden
Spulen;
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3a die
Form einer x-Gradientenspule zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem;
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3b die
Form einer x-Korrekturspule zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem;
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4a den
durch die x-Gradientenspule aus 3a erzeugten
Teil des Gradientenfeldes;
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4b den
durch die x-Korrekturspule aus 3b erzeugten
Teil des Gradientenfeldes;
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4c das
durch die Kombination der x-Gradientenspule aus 3a und
der x-Korrekturspule aus 3b erzeugte
gesamte x-Gradientenfeld;
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5a die
Form einer z-Gradientenspule zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem;
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5b die
Form einer z-Korrekturspule zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem;
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6a den
durch die z-Gradientenspule aus 5a erzeugten
Teil des Gradientenfeldes;
-
6b den
durch die z-Korrekturspule aus 5b erzeugten
Teil des Gradientenfeldes;
-
6c das
durch die Kombination aus der z-Gradientenspule aus 5a und
der z-Korrekturspule aus 5b erzeugte
gesamte z-Gradientenfeld;
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7 einen
Schaltplan zur Veranschaulichung der verschiedenen Verfahren des
Zusammenschaltens einer Gradientenspule und der zugehörigen Korrekturspule
gemäß der Erfindung.
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Das
in 1 schematisch dargestellte Magnetresonanzgerät umfasst
ein erstes Magnetsystem 1 zum Erzeugen eines stationären, homogenen
Magnetfeldes, ein zweites Magnetsystem 3 (das Gradientenspulensystem)
zum Erzeugen von magnetischen Gradientenfeldern, einen Leistungsverstärker 7 für das Gradientenspulensystem 3 und
eine Stromversorgungsvorrichtung 5 für das erste Magnetsystem 1.
Eine HF-Spule 9 dient zum Erzeugen eines hochfrequenten
magnetischen Wechselfeldes und ist zu diesem Zweck mit einer HF-Sendevorrichtung
verbunden, die eine HF-Quelle 11 umfasst. Die HF-Spule 9 kann
auch zum Erkennen der durch das Feld des HF-Senders in einem zu
untersuchenden Objekt (nicht abgebildet) erzeugten Kernspinresonanzsignale
eingesetzt werden; zu diesem Zweck ist die HF-Spule mit einer HF-Empfangsvorrichtung
verbunden, die einen Signalverstärker 13 umfasst.
Der Ausgang des Signalverstärkers 13 ist
mit einer Detektorschaltung 15 verbunden, die mit einer
zentralen Steuerungsvorrichtung 17 verbunden ist. Die zentrale
Steuerungsvorrichtung 17 steuert auch einen Modulator 19 für die HF-Quelle 11,
den Leistungsverstärker 7 und
einen Monitor 21 zur Bildanzeige. Ein HF-Oszillator 23 steuert
sowohl den Modulator 19 als auch den Detektor 15,
der die Messsignale verarbeitet. Zur Kühlung der Magnetspulen des
ersten Magnetsystems 1 ist eine Kühlvorrichtung 25 mit
Kühlleitungen 27 vorgesehen.
Die innerhalb der Magnetsysteme 1 und 3 angeordnete
HF-Spule umschließt
einen Messraum (Bildgebungsvolumen) 29, der im Fall eines
Gerätes
für medizinische
diagnostische Messungen geräumig
genug ist, um einen zu untersuchenden Patienten oder einen Teil
eines zu untersuchenden Patienten aufzunehmen, zum Beispiel den
Kopf oder den Hals. In dem Bildgebungsvolumen 29 können somit
ein stationäres
Magnetfeld, Gradientenfelder zum Auswählen von Objektschichten und
ein räumlich
homogenes hochfrequentes Wechselfeld erzeugt werden. Die HF-Spule 9 kann
die Funktionen der Sendespule und der Empfangsspule kombinieren,
wobei in diesem Fall eine Trennschaltung 14 vorgesehen
ist, um den Signalverkehr in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung
zu trennen. Für
die beiden Funktionen können
alternativ auch verschiedene Spulen verwendet werden, zum Beispiel
Oberflächenspulen,
die dann als Messspulen fungieren. Auf Wunsch kann die Spule 9 von
einem RF-Felder abschirmenden Faraday-Käfig 31 umgeben sein.
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2 zeigt
schematisch die Positionierung der zu dem Gradientenspulensystem 3 (siehe 1)
gehörenden
Spulen. Die horizontalen Linien 32, 34, 36, 38 und 40 in 2 stellen
Schnittpunkte der Zylinderoberflächen
mit der Zeichnungsebene dar. Die gemeinsame Achse dieser Zylinder
wird durch die z-Achse 42 gebildet. Die verschiedenen zu
dem Gradientenspulensystem gehörenden
Spulen haben eine vorwiegend zylindrische Form, wie unter Bezugnahme
auf die verschiedenen Figuren ausführlich beschrieben wird.
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Das
Gradientenspulensystem aus 2 umfasst
eine erste Spule 32 zum Erzeugen eines ersten Teils des
Gradientenfeldes. Dieser erste Teil des Gradientenfeldes ist der
vorwiegend lineare Teil des Gradientenfeldes, obwohl dieses Feld
erfindungsgemäß nicht
in hohem Maße
linear zu sein braucht. Wie oben bereits erwähnt, kann der Verhältnisparameter
R = (maxdev)/(maxlin)
als ein Maß für die Linearität eines
Gradientenfeldes gewählt
werden. Dieser Wert kann für
den durch die Spule 32 erzeugten Teil des Gradientenfeldes
0,15 betragen. Da der durch diese Spule erzeugte Teil des Gradientenfeldes
vorwiegend linear ist, wird diese Spule 32 im Folgenden
als die Gradientenspule bezeichnet. Die Gradientenspule 32 ist
in bekannter Weise mit einer zugehörigen Abschirmspule 34 zum
Abschirmen der Umgebung gegen die durch die Gradientenspule 32 erzeugten
Magnetfelder versehen.
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Zwischen
der Gradientenspule 32 und der zugehörigen Abschirmspule 34 existiert
ein Zwischenraum, in dem eine zweite Spule 36 zum Erzeugen
eines zweiten Teils des Gradientenfeldes untergebracht ist. Dieser zweite
Teil des Gradientenfeldes ist ein vorwiegend nichtlinearer Teil
des Gradientenfeldes. Der Wert des Verhältnisparameters R kann für den durch
die Spule 36 erzeugten Teil des Gradientenfeldes größer als
1 sein. Die Spule 36 dient dazu, die Unvollkommenheiten
in Bezug auf die Linearität
des durch die Gradientenspule 32 erzeugten Feldes zu korrigieren,
so dass der Wert von R für
das durch beide Spulen 32 und 36 erzeugte gesamte
Gradientenfeld größer ist
als der Wert R für
das durch die Gradientenspule 32 alleine erzeugte Feld. Aus
diesem Grunde wird die zweite Spule 36 im Folgenden als
Korrekturspule bezeichnet. Die Korrekturspule 36 ist ebenfalls
mit einer zugehörigen
Abschirmspule zum Abschirmen der Umgebung gegen die durch die Korrekturspule 36 erzeugten
magnetischen Felder versehen.
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Die
physikalische Begrenzung des Raums, in dem das Gradientenspulensystem 32 bis 40 untergebracht
ist, wird durch die zylinderförmige Öffnung 40 des
Magnetsys tems 1 (siehe 1) zum Erzeugen
des stationären,
homogenen Magnetfeldes gebildet, dessen Richtung der Richtung der
z-Achse entspricht. Die Kombination aus dem homogenen Magnetfeld
und dem durch die Spulen 32 bis 40 erzeugten Gradientenfeld definiert
das rotationssymmetrische Bildgebungsvolumen 29, dessen
Abmessung in der z-Richtung sich von der Abmessung in der x-Richtung
unterscheiden kann, so dass dieses Bildgebungsvolumen 29 die
Form eines Umdrehungsellipsoids hat.
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3a zeigt
die Form einer x-Gradientenspule 32 (siehe 2)
zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem.
Diese Gradientenspule 32 besteht aus einer Metallplatte,
zum Beispiel einer Kupferplatte, die in der Zeichnungsebene liegt.
In 3a ist aufgrund der Symmetrie in dieser Gradientenspule
nur ein Teil der gesamten Spule dargestellt. Die komplette Spule
erhält
man aus dieser Figur, indem man die Spulenform an der horizontalen
Achse spiegelt; dadurch erhält
man eine Figur, deren φ-Werte von –90° bis +90° reichen.
Die auf diese Weise erhaltene Figur wird dann wieder an der vertikalen
Achse z = 0 gespiegelt. Die somit erhaltene Figur wird jetzt um
einen Zylinder herum gedacht, wobei die z-Achse parallel zur Zylinderachse
verläuft,
so dass sich das Intervall mit dem halben Umfang der Zylinderoberfläche deckt.
Das auf diese Weise erhaltene Muster auf der Zylinderoberfläche wird
jetzt wieder an einer Spiegelebene durch die Zylinderachse gespiegelt,
die die Werte φ = –90° und φ = +90° enthält. Die
letztendlichen Windungen der Spule erhält man dann, indem man die
Metallplatte mit Sägeschnitten
in einem bestimmten Linienmuster versieht, so dass die Leiter durch
die Metallstreifen zwischen den Sägeschnitten gebildet werden.
Das in 3a dargestellte Linienmuster,
zum Beispiel die Linien 44, 46 und 48,
ist jedoch nicht identisch mit dem Linienmuster der Sägeschnitte;
das in der Figur gezeigte Linienmuster stellt den Schwerpunkt der
Ströme
in den Metallstreifen dar. Man könnte
sich die genannten Sägeschnitte
in dieser Figur ungefähr
in der Mitte zwischen den dort gezeigten Linien vorstellen. In 3a ist
der Abstand z zur Symmetrieebene z = 0 horizontal angegeben und
vertikal ist der Bogenwinkel φ auf
der (kreisförmigen)
Zylinderoberfläche
ab einem beliebigen Punkt φ =
0 aufgetragen.
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3b zeigt
die Form einer x-Korrekturspule 36 (siehe 2)
zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem.
Diese Spule weist die gleichen Symmetrien auf wie die Gradientenspule
aus 3a, und die komplette Korrekturspule kann wie
in Bezug auf 3a beschrieben von 3b abgeleitet werden.
Auch diese Korrekturspule ist aus einer Metallplatte geformt, die
wie in Bezug auf 3a beschrieben mit Sägeschnitten
versehen ist.
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4a zeigt
den durch die x-Gradientenspule 32 aus 3a erzeugten
Teil des Gradientenfeldes. In 4a ist
der Abstand z zur Symmetrieebene z = 0 horizontal aufgetragen und
der Abstand x zu der durch die Zylinderachse verlaufenden, aber
ansonsten beliebig zu wählenden
Ebene x = 0 ist vertikal aufgetragen. In der Praxis wählt man
die Richtung senkrecht zur Oberfläche des Patiententisches, d.h.
die vertikale Richtung, als die x-Richtung. Das in 4a dargestellte
Feld bildet die z-Komponente Bz des zu erzeugenden
Gradientenfeldes. Das Feld aus 4a wird
mit Hilfe von Linien gleicher Feldstärke dargestellt. In der Figur
sind die zu einer Feldstärke
n × 200 μT gehörenden Linien
dargestellt, d.h. dass die Feldstärke auf der n-ten Linie in
vertikaler Richtung ab x = 0 den genannten Wert der Feldstärke hat.
Diese Figur zeigt deutlich, dass das dargestellte Gradientenfeld
ein vorwiegend lineares Feld ist, weil die Ableitung der z-Komponente
des Gradientenfeldes nach der x-Koordinate dBz/dx,
d.h. der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Linien gleicher Feldstärke, praktisch
konstant ist. Dies ist vor allem der Fall auf der Linie z = 0, also
auf der x-Achse. An der Veränderung
der genannten Größe auf der
Linie z = 0,2 ist zu erkennen, dass das dargestellte Feld Abweichungen von
der idealen Linearität
aufweist. Das in dieser Figur dargestellte Feld wurde mit einem
Strom von ca. 140 A durch die in 3a gezeigten
Stromlinien (wie die Linien 44, 46 und 48)
erzeugt. Insgesamt ist also in diesem Fall durch die hier gezeigten
zwölf Stromlinien
ein Strom von ca. 1600 A geflossen.
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4b zeigt
den Teil des Gradientenfeldes, der durch die in 3b dargestellte
x-Korrekturspule 36 erzeugt wurde. Das in 4b dargestellte
Feld bildet die z-Komponente
Bz des zu erzeugenden Korrekturfeldes. Im
Gegensatz zu den Werten aus 4a zeigt 4b die
zu einer Feldstärke
n × 100 μT gehörenden Linien,
d.h. die Feldstärke
auf der n-ten Linie in der vertikalen Richtung ab x = 0 hat den
genannten Wert der Feldstärke,
wobei die Linien auf der Diagonalen von links unten nach rechts
oben nacheinander den Werten n = 0, n = 1, n = 2 usw. entsprechen.
In dieser Figur ist deutlich zu erkennen, dass das dargestellte
Korrekturfeld keineswegs ein lineares Feld ist, weil die Ableitung
der z-Komponente dieses Feldes nach der x-Koordinate dBz/dx,
d.h. der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Linien gleicher
Feldstärke,
so gut wie sicher nicht konstant ist. Dieses Feld kann jetzt verwendet
werden, um das in 4a dargestellte Feld zu korrigieren,
d.h. dass man durch das Addieren des Korrekturfeldes aus 4b zu
dem Gradientenfeld aus 4a eine Feldform erhalten kann,
deren Linearität
wesentlich höher
ist als die von 4a. Das in dieser Figur dargestellte Feld
wurde mit einem Strom von ca.
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130
A durch die Stromlinien 50 wie in 3b gezeigt
erzeugt, was insgesamt einen Strom von ca. 1300 At in diesen Stromlinien
bedeutet; außerdem
floss ein Strom von derselben Größe und umgekehrter Richtung
durch die Stromlinien 52, was insgesamt einen Strom von
ca. 260 At in diesen Stromlinien 52 bedeutet; schließlich floss
ein Strom von derselben Größe und derselben
Richtung durch die Stromlinie 53. Durch die in 3b dargestellten
Stromlinien ist also insgesamt ein Strom von ca. 1170 At geflossen.
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4c zeigt
das durch Addition des Gradientenfeldes der x-Gradientenspule aus 3a und
des Korrekturfeldes der x-Korrekturspule aus 3b erhaltene
gesamte x-Gradientenfeld. Ebenso wie 4a zeigt auch 4c die
zu einer Feldstärke
n × 200 μT gehörenden Linien.
In dieser Figur ist deutlich zu erkennen, dass das dargestellte
Gradientenfeld in höherem
Maße linear
ist als das Feld aus 4a, weil der Abstand zwischen
den aufeinanderfolgenden Linien gleicher Feldstärke in höherem Maße konstant ist. Dies ist vor
allem bei der Linie z = 0,2 zu sehen, wo die Veränderung der Abstände zwischen
den aufeinanderfolgenden Linien gleicher Feldstärke noch nicht vollständig konstant
ist, aber die Unterschiede zwischen den Abständen kleiner sind als im Fall
von 4a.
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Die 5a und 5b zeigen
die Form einer z-Gradientenspule (5a) und
einer z-Korrekturspule (5b) zur
Verwendung in einem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem.
Diese Spulen können
ebenfalls wie zum Beispiel die Gradientenspule aus 3a aus
einer Kupferplatte gebildet sein, die in der Zeichnungsebene liegt.
Angesichts der rotationssymmetrischen Form dieser Spulen bietet
es sich jedoch mehr an, diese Spulen aus drahtförmigen Leitern zu wickeln.
In diesem Fall stellt das in der Figur gezeigte Linienmuster wieder
den Schwerpunkt der Ströme
in den drahtförmigen
Leitern dar; dies kann erreicht werden, indem diese Leiter räumlich dichter
oder weniger dicht beieinander angeordnet werden. Die 5a und 5b zeigen
aufgrund der Symmetrie in dieser Gradientenspule nur die Hälfte der
gesamten Spule. Das vollständige
Spulenmuster lässt
sich aus diesen Figuren ableiten, indem man die Spulenform an der
vertikalen Achse z = 0 spiegelt. Man erhält also die komplette Spule,
indem man sich das auf diese Weise erhaltene Muster um einen Zylinder
gewickelt denkt, wobei die z-Achse parallel zu der Zylinderachse
verläuft,
so dass das Intervall der φ-Werte
von 0° bis
360° mit
dem gesamten Umfang der Zylinderoberfläche zusammenfällt.
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6a zeigt
den durch die z-Gradientenspule aus 5a erzeugten
Teil des Gradientenfeldes, d.h. die z-Komponente Bz des
zu erzeugenden Gradientenfeldes. Das Feld aus 6a ist
mit Hilfe von Linien gleicher Feldstärke dargestellt, die zu einer
Feldstärke
n × 200 μT gehören. Diese
Figur zeigt deutlich, dass das dargestellte Gradientenfeld ein vorwiegend
lineares Feld ist, weil die Ableitung der z-Komponente des Gradientenfeldes
nach der z-Koordinate dBz/dz, d.h. der Abstand
zwischen den aufeinanderfolgenden Linien gleicher Feldstärke, praktisch
konstant ist. Dies ist insbesondere der Fall auf der Linie x = 0,
also auf der z-Achse. An der Veränderung
der genannten Größe auf zum
Beispiel der Linie x = 0,2 ist zu erkennen, dass das dargestellte
Feld Abweichungen von der idealen Linearität aufweist. Das in dieser Figur
dargestellte Feld wurde mit Hilfe eines Stroms von ca. 220 A durch
die in 5a dargestellten Stromlinien
erzeugt. Insgesamt ist daher in diesem Fall ein Strom von ca. 2200
A durch die hier dargestellten zehn Stromlinien geflossen.
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6b zeigt
den durch die x-Korrekturspule in 5b erzeugten
Teil des Gradientenfeldes, d.h. die z-Komponente Bz des
zu erzeugenden Korrekturfeldes. Im Gegensatz zu den Werten aus 6a gehören die in 6b dargestellten
Linien zu einer Feldstärke
n × 100 μT, d.h. die
Feldstärken
auf der n-ten Linie auf der Diagonalen von links unten nach rechts
oben entsprechen nacheinander den Werten n = +1, n = +2 usw. und die
Feldstärken
auf der n-ten Linie in horizontaler Richtung ab z = 0 entsprechen
den Werten n = 0, n = –1,
n = –2
usw. Das in dieser Figur dargestellte Feld wurde mit Hilfe eines
Stroms von ca. 130 A durch die Stromlinien 55 aus 5b erzeugt,
was insgesamt einen Strom von ca. 1300 At in diesen Stromlinien
bedeutet; außerdem floss
ein Strom von derselben Größe und umgekehrter
Richtung durch die Stromlinien 57, was insgesamt einen
Strom von ca. 650 At in diesen Stromlinien 57 bedeutet;
schließlich
floss ein Strom von der gleichen Größe und der gleichen Richtung
in den Stromleitungen 59, was insgesamt einen Strom von
ca. 260 At in den Stromleitungen 59 bedeutet. In den in 3b dargestellten
Stromlinien ist also insgesamt ein Strom von ca. 960 At geflossen.
In dieser Figur ist deutlich zu sehen, dass das dargestellte Korrekturfeld
keinesfalls ein lineares Feld ist, da die Ableitung der z-Komponente
dieses Feldes nach der z-Koordinate dBz/dz,
d.h. der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden Linien gleicher
Feldstärke,
so gut wie sicher nicht konstant ist. Dieses Feld kann jetzt verwendet
werden, um das Feld aus 6a hinsichtlich
der Linearität
zu korrigieren.
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6c zeigt
das durch Addition des Gradientenfeldes der z-Gradientenspule aus 5a und
des Korrekturfeldes der z-Korrekturspule aus 5b erzeugte
gesamte z-Gradientenfeld. In dieser Figur sind wie in 6c die
zu einer Feld stärke
n × 200 μT gehörenden Linien
dargestellt. In dieser Figur ist deutlich zu erkennen, dass das
dargestellte Gradientenfeld in höherem
Maße linear
ist als das Feld aus 6a, weil der Abstand zwischen
den aufeinanderfolgenden Linien gleicher Feldstärke in höherem Maße konstant ist. Dies ist vor
allem auf der Linie x = 0,2 zu sehen, wo die Veränderung in den Abständen zwischen
den aufeinanderfolgenden Linien gleicher Feldstärke noch nicht vollständig konstant
ist, aber die Unterschiede zwischen den Abständen kleiner sind als im Fall
von 6a.
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7 zeigt
einen Schaltplan zur Veranschaulichung der verschiedenen Möglichkeiten
des Zusammenschaltens einer Gradientenspule und der zugehörigen Korrekturspule
gemäß der Erfindung.
Es wird angenommen, dass die Gradientenspule durch die x-Gradientenspule 32 gebildet
wird, jedoch hätte
man zu diesem Zweck ebenso gut eine z-Gradientenspule verwenden können. Als
Korrekturspule wird die x-Korrekturspule 36 angenommen.
Die beiden in 7 dargestellten Spulen können durch
einen ersten Ansteuerungsverstärker 54 und
einen zweiten Ansteuerungsverstärker 56 versorgt
werden, und zwar über
Schaltmittel, um die beiden Spulen je nach Wunsch unabhängig voneinander
anzusteuern oder nicht, wobei die Schaltmittel durch die Schalter 58, 60, 62 und 64 gebildet
werden. Jeder der Schalter umfasst einen Schaltarm mit drei Schaltstellungen,
wobei die drei Schaltstellungen durch die Verbindung zwischen den
im Schalter vorhandenen Anschlussklemmen 1, 2, 3 und 4 angegeben
werden. So stellt zum Beispiel der Schalter 60 bei der
gezeigten Stellung des Schaltarms die Verbindung 1–4 her.
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Einer
der Ausgänge
des Ansteuerungsverstärkers 54 ist
permanent mit einem der Enden der Gradientenspule 32 verbunden,
deren anderes Ende mit der Anschlussklemme 1 des Schalters 60 verbunden
ist. Der Schalter 60 hat außerdem drei weitere Anschlussklemmen 2, 3 und 4,
wobei die Anschlussklemme 2 mit der Anschlussklemme 2 von
Schalter 62 verbunden ist, während die Anschlussklemme 3 mit
der Anschlussklemme 2 von Schalter 64 verbunden
ist und die Anschlussklemme 4 mit der Anschlussklemme 2 von
Schalter 58 verbunden ist. Der andere Ausgang des Ansteuerungsverstärkers 54 ist
mit der Anschlussklemme 1 des Schalters 58 verbunden.
Die Anschlussklemme 3 des Schalters 58 ist mit
der Anschlussklemme 3 des Schalters 62 verbunden
und seine Anschlussklemme 4 ist mit der Anschlussklemme 3 des
Schalters 64 verbunden.
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Einer
der Ausgänge
des Ansteuerungsverstärkers 56 ist
mit der Anschlussklemme 4 von Schalter 62 verbunden.
Die Anschlussklemme 1 von Schalter 62 ist mit
einem Ende der Korrekturspule 36 verbunden, deren anderes
Ende mit der An schlussklemme 1 von Schalter 64 verbunden
ist. Der andere Ausgang des Ansteuerungsverstärkers 56 ist mit der
Anschlussklemme 4 von Schalter 64 verbunden.
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Der
in der Figur dargestellte Schaltplan ermöglicht das Umschalten zwischen
einer Anzahl verschiedener Gradientenmodi. Insbesondere sind vier
verschiedene Betriebszustände
(Gradientenmodi) wichtig, nämlich
die Reihenschaltung der Spulen
32 und
36, wobei
der Strom dann die beiden Spulen in derselben Richtung durchfließt ("serial common"); die Reihenschaltung
der Spulen
32 und
36, wobei der Strom die beiden Spulen
in entgegengesetzter Richtung durchfließt ("serial differential"); unabhängige Energieversorgung der Spulen
32 und
36 ("independent"); und Energieversorgung
von nur der Gradientenspule
32 ("sole gradient"). Die Einstellungen der verschiedenen
Schalter für
die genannten Gradientenmodi sind in der nachstehenden Tabelle I
aufgeführt: Tabelle I
| | serial
common | serial
diff. | independent | Sole
grad. |
| Schalter 58 | 1–4 | 1–3 | 1–2 | 1–2 |
| Schalter 60 | 1–2 | 1–3 | 1–4 | 1–4 |
| Schalter 62 | 1–2 | 1–4 | 1–4 | X |
| Schalter 64 | 1–3 | 1–2 | 1–4 | X |
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Die
Symbole X in der letzten Spalte bedeuten, dass die Einstellung der
zugehörigen
Schalter nicht von Bedeutung ist. Sollte es zum Beispiel wichtig
sein, die Spule 36 bei der Energieversorgung von nur der
Gradientenspule 32 offen zu lassen, kann der Schalter 62 in
die Stellung 1–2
oder 1–3
gebracht werden und der Schalter 64 in die Stellung 1–2.
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3 und 5
- Degrees
- Grad