FI114415B - Akustinen suoja - Google Patents

Description

114415

Akustinen suoja Akustisk skärm Tämä keksintö kohdistuu akustiseen ja magneettiseen suojaus-laitteeseen ja -menetelmään keloja varten, joissa kulkee nopeasti muuttuvia virtoja, jotka toimien yhdessä ympäröivän staattisen magneettikentän kanssa kehittävät voimakkaita Lorentzin voimia. Keksintö, jota seuraavassa kutsutaan aktiiviseksi akustiseksi suojaksi tai akustiseksi suojaksi, soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi magneettiresonanssikuvauksessa (MRI), joka tunnetaan myös NMR-kuvauksena (NMR, ydinmagneet-tinen resonanssi). Täsmällisemmin keksintö kohdistuu laitteeseen ja menetelmään minkä tahansa staattisessa magneettikentässä olevan ja kelassa kulkevan vaihtelevan syöttövirran vuoksi haitallista melua kehittävän kelarakenteen aktiivista akustista suojausta varten. Lisäksi esitetään suoritusmuoto, jolla saadaan aikaan staattisessa magneettikentässä olevan kelarakenteen samanaikainen aktiivinen akustinen ja aktiivinen magneettinen suojaus.

Keksinnön erityisenä sovelluskohteena on MRI- tai NMR- lait- : teisto, jossa gradienttikeloja syötetään pulssimaisella : virralla staattisessa magneettikentässä. Vaikka melua kehittyy V. kaikilla kentänvoimakkuuksilla, keksinnöllä on merkitystä ; ,·. etenkin sellaisissa magneettikuvausolosuhteissa, joissa » · · . kentänvoimakkuudet ovat 0,1 T (Teslaa) tai sitä suurempia.

' !!.* Yhdenmukaisuuden vuoksi NMR-laitteita kutsutaan seuraavassa t * · ’ magneettikuvauslaitteiksi.

Magneettisia gradienttikeloj a tarvitaan magneettikuvauksessa V · (kuten on esitetty julkaisussa Mansfield JP., Morris P.G., NMR

·:·; imaging in Biomedicine, Academic Press (1982) N.Y.) ja myös y, monissa muissa sovelluksissa, kuten diffuusio- ja virtaus- * _ tutkimuksissa. Lääketieteellisessä kuvauksessa gradientin nopeaan kytkentään liittyvä akustinen melu korostuu suurilla staattisilla magneettikentän voimakkuuksilla ja se on parhaim- 2 114415 raillaankin häiritsevää ja voi pahimmillaan vahingoittaa potilasta. Aikuisia ja lapsia voidaan jossain määrin suojata kuulosuojaimia käyttämällä. Sikiötutkimuksissa samoin kuin eläimiin kohdistuvassa tutkimuksessa ja yleensä eläinlääketieteellisessä käytössä akustinen suojaaminen on vaikeaa ellei mahdotonta.

Aikaisemmin on tehty useita yrityksiä akustisen meluongelman lievittämiseksi. Tähän on pyritty esimerkiksi asentamalla kelat joustavasti kumityynyille, suurentamalla koko gradientti-järjestelyn massaa ja absorbtiomenetelmillä, joissa on käytetty akustisesti absorboivaa vaahtomateriaalia äänen vaimentamiseksi. Akustisen melun ongelmaa on tarkasteltu julkisissa eurooppalaisissa patenttihakemuksissa EP-A1-431216, EP-A2-350640 ja EP-A1-304127. Akustista suojausta on käsitelty myös julkaisuissa US-A-4680545, US-A-5018359 ja julkisessa kansainvälisessä patenttihakemuksessa WO-A1-8607459. Näitä käsitellään lyhyesti seuraavassa.

Julkaisussa US-A-4680545 on esitetty menetelmä virtapulssin muokkaamiseksi siten, että suurtaajuiset komponentit vähenevät tai poistuvat. Tämä pienentää jossain määrin suurtaajuista ,V melua.

Julkaisussa EP-A1-431216 on esitetty menetelmä pulssin nousu- t l ja laskuaikojen minimoiseksi pulssinmuokkauksen avulla. Tämä : .·. poistaa suurtajuisen melukomponentin.

• · ·

Julkaisussa EP-A1-304127 on esitetty järjestely, joka muodos-, tuu pinosta kaarimaisia johtimia, jotka on kiinnitetty kela- runkoon jäykäksi itsekantavaksi järjestelyksi. Järjestely on ♦ » · * sellainen, että se pienentää johdinkaarien suhteellista *: * *: liikettä. Tämä pienentää akustista melua aiheuttavaa väräh- i'”: telyä.

. Julkaisussa WO-A1-8607459 on esitetty järjestely, jossa kelat • ·’ on upotettu epoksiin ja/tai tuettu kumivaimentimilla. Eräässä 3 114415 suoritusmuodossa kelaan on kiinnitetty ruostumatonta terästä oleva massa, jota käytetään järjestelmän ominaistaajuuden alentamiseen. Melua on vähennetty värähtelevien laitteiden akustisella absorptiolla ja/tai vaimennuksella.

Julkaisussa EP-A2-350640 on esitetty järjestely, jossa gradienttikelat upotetaan viskoelastiseen materiaalikerrok-seen. Kerros sijoitetaan tämän jälkeen kerrosrakenteeseen sen liikkeen rajoittamiseksi.

Julkaisussa US-A-5018359 on esitetty kryogeenisesti jäähdytetty laite, jossa suprajohtavalla kelalla kehitetty magneettikenttä on suojattu magneettisella suojalla ja joka laite on kiinnitetty tyhjöastiaan värähtelyä absorboivilla välineillä.

Lisäksi on ehdotettu tekniikkaa, jossa käytetään akustista melun kumoamista. Tässä menetelmässä käytetään kuulokkeita tai pillejä amplitudiltaan yhtäsuuren mutta vastakkaisen äänen kehittämiseen potilaan pään alueelle, mikä kumoaa melun rajoitetulla alueella. Tämän tyyppiset kumoamismenetelmät ovat taajuus- ja paikkariippuvia ja saattavat johtaa onnettomuuksiin, joissa melun kumoamisen sijasta melun amplitudi kasvaa.

: US-patentissa US-A-5198769 on esitetty mosaiikkirakenteinen gradienttikela, joka on sijoitettu magneettikelan sisään. Gra-: .·. dienttikela käsittää joukon suljetun silmukan muodostavia ; .·, keloja, jotka on järjestetty pienentämään tutkittavaan kohtee- ·, seen indusoituneita pyörrevirtoja.

Julkisessa kansainvälisessä patenttihakemuksessa W0-A1-9119209 on esitetty magneettikelo j en akustinen suojaus-’·’ ‘ järjestely. Järjestelyyn sisältyy ainakin kaksi pääasiassa *:·*: samankeskeistä sylinterimäistä elintä, joihin on tuettu yksi tai useampi kela. Molemmat sylinterimäiset elimet on liitetty ‘ , toisiinsa sijoittamalla niiden väliin täyteainetta. Vaihto ehtoisesti molempien sylinteripintojen tukemat kelat voidaan ·’ muodostaa asettamalla peräkkäin materiaalikerroksia ja poista- 4 114415 maila tämän jälkeen osa materiaalista ja jättää osa poistamatta virtatien muodostamiseksi. Tämä ei ole vaikeaa, jos virtatie seuraa esimerkiksi yksinkertaista ruuviviivaa sylin-teripinnalla, koska tällainen virtatie voidaan muodostaa helposti esimerkiksi sorvilla tai jyrsimellä. Gradientti-keloissa on kuitenkin usein muodoltaan monimutkaisen virta-teitä, jotka edellyttävät huolellista käämintää. Tällaisia monimutkaisia ruuviviivasta poikkeavia virtateitä on vaikea muodostaa leikkaamalla materiaalia sorvia tai jyrsintä käyttäen .

Julkaisussa GB-B-2180943 on esitetty ja sen kohteena on magneettisesti suojattu kelajärjestely, jossa johtimen sähkövirran jakautuma approksimoi sellaista indusoitunutta virtaa kuvitellussa suprajohtavassa metallipinnassa, joka suojaa mainitun kelan magneettisesti.

Julkaisussa DE-A-4141514 esitetään Kuviossa 3 gradienttikela-järjestely, joka rakentuu kahdesta alikelasta, joista toinen on ulkokuoren ulkopuolella ja toinen sisäkuoren ulkopuolella. Molemmilla alikeloilla on sama virta, mutta vastakkaisiin , suuntiin. Alikelat on kiinnitetty kiinteästi vastaaviin kuoriin, ja kuoret on kiinnitetty kiinteästi toisiinsa.

* t ; Edellä mainitussa tekniikan tasossa esitetyissä järjestelyissä ·'··’ : ei ole käsitelty radiaali- ja torsiokuormitusten aiheuttamien : värähtelyjen ongelmaa.

» · t

Kaikkia edellä mainittuja menetelmiä voidaan kutsua passiivi-siksi tai enintään "puolipassiivisiksi" järjestelyiksi, joilla on yritetty vähentää melua, mutta jotka eivät vaikuta varsinaisesti melun syyhyn eli magneettikelojen värähtelyyn.

• · · * • · » • · t t » 5 114415

Edellä esitetyissä järjestelyissä rajoittavina tekijöinä ovat siten käytetyn materiaalin vaimennusominaisuudet tai tarkkuus, jolla pulsseja voidaan muokata, tai joustavien vaimentimien taajuusvaste. Kelarakenteisiin jää edelleen värähtelyongelma, kun niiden kautta kulkevaa virtaa moduloidaan, etenkin voimakkaissa magneettikentissä, joita nykyisin käytetään. Voimakkailla magneettikentillä tarkoitetaan yleensä kentänvoimakkuuksia, jotka ylittävät 0,1 T, joskin keksintöä voidaan käyttää myös heikommilla magneettikentillä.

Esillä oleva keksintö on syntynyt edellä mainittujen ongelmien tutkimisesta. Keksinnölle tunnusomaiset piirteet on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Ensimmäinen ja toinen osa on edullisesti kytketty mekaanisesti siten, että resultoivan voiman, jonka komponentteina on kaksi tai useampia Lorentzin voimia, suuruus pienenee oleellisesti ja on edullisesti nolla. Tämä voidaan saavuttaa käyttämällä valumateriaalia, kuten synteettistä muovia tai hartsia.

Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää muita materiaaleja, joihin on muodostettu ennakolta ura sähköjohtimen ensimmäistä ja toista osaa varten, jolloin materiaali muodostaa laatan, johon johdin voidaan sijoittaa ja jossa ura pitää sen paikallaan.

» · * · * « • '· I Edellä mainitussa julkisessa kansainvälisessä hakemuksessa i i -1 • WO-A1-9119209 on saatu aikaan magneettinen suojaus mutta vain • » i i • ;*· osittainen akustinen suojaus, koska siinä esiintyy edelleen • · » · kelaan vaikuttavia resultoivia Lorentzin voimia.

* · · , Myöskään US-patentti US-A-5198769 ei ole relevantti, koska ’II) (esimerkiksi kuvion 11 suoritusmuodossa esitetyn mukaisella) avosilmukkajärjestelmän vakiovirralla ei, toisin kuin esillä I * : *,. olevassa keksinnössä, saavuteta Lorentzin voimien kumoutu- mistä. Tällaista viittausta melua vaimentavaan järjestelyyn ei siten voida pitää sellaisena esityksenä, jonka avulla keksin- * * * ;it töön voitaisiin päätyä.

* t 6 114415

Akustisesti suojattu magneettikela käsittää edullisesti suljetun silmukan, sisäosan, joka muodostaa ensimmäisen tien, ja ulko-osan, joka muodostaa toisen tien. Kuitenkin myös avointa silmukkaa voidaan käyttää, jossa tapauksessa tiet muodostuvat eri johtimista.

Joukko ensimmäisiä ja toisia sähköisiä teitä voidaan mitoittaa ja järjestää siten, että ne muodostavat sarjan sisäkkäisiä suljettuja silmukoita. Tällaisessa järjestelyssä suljetut silmukat käsittävät edullisesti ensimmäisen sähköisen tien, jonka muodostaa suljetun silmukan ensimmäinen kaarimainen osa, ja toisen sähköisen virtatien, jonka muodostaa suljetun silmukan toinen kaarimainen osa. Kaarimaiset osat ovat edullisesti radiaalisesti kohdistettuja, kuten seuraavassa esitetään .

Laitteen kokoa ja massaa voidaan pienentää superponoimalla kaksi tai useampia keloja. Laitetta voidaan käyttää magneettikuvauksessa, esimerkiksi gradienttimagneettikentän kehittämiseen. Akustista suojausta voidaan myös lisätä muilla keloilla.

Esillä olevan keksinnön eräs toinen muoto kohdistuu mene- telmään aktiivisesti magneettisesti ja aktiivisesti akus- tisesti suojatun magneettikelan muodostamiseksi, johon sisäl- : .·. tyy vaiheina: magneettikenttägradientin aikaansaaminen ensim- ♦ » · : ,·. mäisellä kelajärjestelyllä, ensimmäisen kelajärjestelyn « · » aktiivinen akustinen suojaus toisella (edellä selitetyn * ♦ · • > • ia t · · I · ► · » · » · · • * » 7 114415 kaltaisella) kelajärjestelyllä, ensimmäisen ja toisen kela-järjestelyn aktiivinen magneettinen suojaus kolmannella kelajärjestelyllä ja kolmannen kelajärjestelyn aktiivinen akustinen suojaus neljännellä kelajärjestelyllä, jolloin mainitut ensimmäinen ja toinen kelajärjestely on kytketty mekaanisesti toisiinsa ja kolmas ja neljäs kelajärjestely on kytketty mekaanisesti toisiinsa.

Haluttaessa järjestelyä voidaan täydentää vielä yhdellä tai useammalla akustisella lisäsuojalla.

Menetelmää magneettikenttägradientin kehittämiseksi käytetään edullisesti magneettikuvausmenetelmässä ja siihen sisältyy samanaikaisina vaiheina ensimmäisen kelan kehittämän ensimmäisen magneettikenttägradientin kohdistaminen kohteeseen, ensimmäisen magneettikenttägradientin aktiivinen magneettinen suojaaminen toisen kelan kehittämällä toisella magneetti-kenttägradientilla ja kolmannen kelan kehittämän kolmannen magneettikenttägradientin aikaansaaminen, joka kehittää Lorentzin voimat, jotka oleellisesti kumoavat ensimmäisen ja toisen magneettikelan synnyttämät Lorentzin voimat.

Kolmannen magneettikelan kehittämä Lorentzin voima on edulli-sesti oleellisesti yhtäsuuri mutta vastakkaissuuntainen kuin .V: ensimmäisen ja toisen kelan kehittämien Lorentzin voimien • summa, mikä siten kumoaa värähtelyt.

i ·;·. Kelojen mekaaninen kytkentä voidaan saada aikaan käyttämällä jäykkiä kytkentäelimiä tai tukia. Kytkentä saadaan edullisesti . aikaan valamalla tai upottamalla kelat sopivaan synteettiseen muovimateriaaliin.

I * · :··: Edulliseen yhdistettyyn akustiseen ja aktiiviseen magneetti- i'": seen suojaan sisältyy aktiivinen magneettisuojajärjestely,

. joka on samanlainen kuin hakijan GB-patentissa 2180943 B

,, . esitetty. Viitejulkaisun sisältö sisällytetään tähän esi- tykseen. Järjestelyä voidaan muuttaa esillä olevan keksinnön 8 114415 avulla siten, että värähtelyvoimat ovat tasapainossa, mikä muodostaa akustisen suojan. Tuloksena on aktiivisesti magneettisesti ja akustisesti suojattu magneettikelajärjestely, jota voidaan käyttää magneettikuvauslaitteessa ja joka voi toimia 0,1 T ylittävällä alueella pienemmällä akustisella melulla kuin mikä on ollut aikaisemmin mahdollista.

Akustinen suoja poistaa edullisesti radiaali- ja vääntövoimat, koska Lorentzin voimien kumoutumisen vuoksi resultanttivoimia ei esiinny.

Kelat ja suojat voivat olla sama-akselisia ja samankeskeisiä saman akselin ympärillä. Akustisesti äänetön kela, jota voidaan käyttää magneettikentässä tai magneettigradientin kehittämiseen, on edullisesti staattisen magneettikentän yhteydessä käytettynä voimatasapainossa siten, että akustiseen suojaan on sijoitettu jokaista primäärikelan tietä varten radiaalisesti kohdistettu johdintie, jossa kulkee primääri-kelan virtaan nähden vastakkaissuuntainen virta, jonka suuruus on järjestetty siten, että se tasapainottaa täsmälleen mekaanisesti kytkettyjen teiden Lorentzin voimat ja jolloin akustinen vaimennus on lausekkeen sin(mfx/v) funktio, jossa f on akusti-.V nen taajuus ja v on äänen nopeus kytkentämateriaalissa.

:: Akustisesti suojattuun kelaan sisältyy edullisesti primääri- • kela ja joukko tasapainotettuja akustisia suojia (n), jolloin j jokainen suoja muodostuu yhdistetystä osiin jaetusta akusti- ·;·. sesta suojasta siten, että primäärikelan muodostavan johtimen ja sen vastaavan akustisen suojan välinen rako voidaan tehdä pienemmäksi, millä voidaan suurentaa akustista vaimennusta ja laajentaa sen taajuusaluetta Ampere'n piiriteoriaa soveltamalla. Tämä saadaan aikaan huolehtimalla siitä, että kela-·;··: rakenteen gradient tikentän tehokkuus ei pienene verrattuna i’”: yhtenäiseen kelarakenteeseen, jossa käytetään yhtä ainoaa . akustista suojaa, joka on sijoitettu etäisyydelle x primääri - . sestä akustisesta suojasta ja jonka akustinen vaimennus taajuu- ’ ’ della f on lausekkeen sin(mfx/nv) funktio, missä v on kom- 9 114415 pressioaaltojen akustinen nopeus kytkentämateriaalissa yhdistetyn akustisen suojan kussakin osassa. Tämän suoritusmuodon teoria selitetään myöhemmin.

Järjestely magneettikenttägradientin kehittämiseksi käsittää edullisesti ensimmäinen kelan magneettikenttägradientin kehittämiseksi, toisen kelan, joka on järjestetty ympäröimään ainakin osaa ensimmäisestä kelasta ja joka voi kehittää magneettikenttägradientin ja jonka kehittämät voimat ovat vastakkaisia ensimmäisen kelajärjestelyn kehittämiin voimiin nähden, ja kolmannen kelajärjestelyn, joka on sovitettu ympäröimään ainakin osaa ensimmäisestä ja toisesta kela-järjestelystä ja aikaansaamaan ensimmäisen kelajärjestelyn aktiivisen magneettisen suojauksen.

Keloja voidaan myös yhdistää siten, että ensimmäisestä kelasta tulee primäärikela, toinen kela on primäärikelan yhdistetty akustinen ja magneettinen suoja, kolmannen kelan muodostaessa ensimmäisen kelan magneettisen suojan.

Eräissä edullisissa järjestelyissä kaksi edellä mainituista keloista on yhdistetty yhdeksi kelaksi superponoimalla kelat.

,:j Samanaikainen akustinen ja magneettinen suojaus voidaan siten ‘t"'> toteuttaa ainakin kolmella erillisellä kelalla, joskin on : : selvää, että myös neljää tai useampaa kelaa voidaan käyttää.

• Kahden kelan ja siten kahden virta jakautuman superponointi ; pienentää materiaalimäärää ja sillä saadaan pienempi järjes- tely, joka voidaan valmistaa helpommin ja halvemmalla.

Ensimmäisen, toisen ja kolmannen kelan (tai neljännen ja ylemmän kertaluvun kelajärjestelyn yhdistelmän) kehittämien » · · ’·' * radiaalivoimien vektorisumma yhdistyy edullisesti siten, että ·;·: resultoiva voima on nolla. Kun tämä saavutetaan, kaikki s'": mekaaniset värähtelyt poistuvat ja järjestely on äänetön. Näin . tapahtuu vain, jos kunkin kelan muodostavat johdinlangat on ,, . kytketty mekaanisesti muiden kelojen vastaaviin johtimiin • · materiaalilla, jossa akustinen nopeus on suuri halutulla 10 114415 toimintataajuudella. Johdinlangat on edullisesti järjestetty radiaalisesti kohdistetuiksi. Kelat ovat toisin sanoen saman-keskeisillä sylintereillä ja kelat on kytketty toisiinsa sähköä johtamattomalla kytkentäelimellä, joka sijaitsee oleellisesti säteellä, jonka toinen pää on sylinterien yhteisellä akselilla.

Eräässä edullisessa järjestelyssä edellä mainittu radiaalisesti kohdistettu, voimatasapainossa oleva kelajärjesteluy on valettu tai kapseloitu kovettuvaan hartsiin, kuten epoksiin tai muuhun vastaavaan täyteaineeseen, joka on lujaa ja jossa äänen etenemisnopeus on suuri. Yksityisten johtimien mikroskooppinen liike on kuitenkin edelleen mahdollista. Kela-järjestelyjen mitat muuttuvat kelojen lämmetessä. Akustisen suojauksen parantamiseksi kelajärjestely voidaan tämän vuoksi lisäksi valaa tai koteloida epoksihartsiin yhdessä ääntä vaimentavan materiaalin kanssa siten, että saadaan yhdistetty täytemateriaali, joka voi vaimentaa suurtaajuisia melu-komponentteja.

Samoin kelajärjestelyn yhteydessä voidaan käyttää muita pulssimuokkausmenetelmiä, mikä pienentää edelleen akustista tehoa. On selvää, että esillä olevan keksinnön mukaisia i kelaj är j estelyj ä voidaan valmistaa olemassa olevia magneetti-

Yi kuvaus- tai muita laitteita varten, jossa tapauksessa ne on : edullista tehdä tällaisiin olemassa oleviin laitteisiin ; myytäviksi moduliyksiköiksi .

» * · t · ·

Kelajärjestelyt voidaan järjestää kehittämään pituussuuntaisia ja/tai poikittaissuuntaisia magneettikenttägradientteja. Tällöin voidaan käyttää erillisiä magneettisesti ja akusti-‘ sesti suojattuja kelajärjestelyjä siten, että gradientit :·· voidaan muodostaa eri akselien suuntaan. Nämä akselit voivat olla ortogonaalisia.

Kelajärjestelyt on edullisesti mitoitettu ja järjestetty ' *' siten, että ainakin osa magneettikenttään sijoitetun kelan 11 114415 kaaresta on sellainen, että kenttä ei vaikuta siihen. Tällainen sisäkkäisten kelojen järjestely soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi sisään asetettavana gradienttikelana.

Kelajärjestelyt käsittävät edullisesti joukon kaarimaisia suljettuja silmukoita. Nämä kaarimaiset silmukat ulottuvat edullisesti oleellisesti 120° kulman yli.

Vaikka edellä on viitattu suljetuista silmukoista muodostuviin järjestelyihin, on selvää, että keksintöä voidaan käyttää yhtä hyvin avosilmukkaisissa kelajärjestelyissä tai niin sanotuissa jaetuissa kelajärjestelyissä. Tällaisia jaettuja kelajärjeste-lyjä kutsutaan joskus sormenjälkikuviokeloiksi. Vastaavasti myös magneettisen gradienttikentän kehittämiseen voidaan käyttää sekä suljettuja että avosilmukkaisia keloja. Sekä suljetut että avosilmukkaiset kelat voivat olla osiin jaettuja eli Ampere'n teoreeman mukaisia ja/tai molemman tyyppiset kelat voivat olla sisäkkäisiä.

Ampere'n piiriteoreemaa voidaan tarkastella fysikaalisessa mielessä useina suhteellisen pieninä suljettuina silmukoina, joiden kokonaispinta-ala vastaa yhtä suhteellisesti suurempaa ; ; suljettua silmukkaa. Koska sähköjohtimen muodostama suljettu *.’1 1. silmukka ei välttämättä ole täsmälleen samassa tasossa, * 1 · V. tehollisen pinta-alan laskemiseksi magneettiseen akseliin : .·. nähden kohtisuorassa tasossa suljetun silmukan sisäänsä ; rajoittama ala on projisoitava edellä mainittuun ortogonaali- seen tasoon. On selvää, että tämä projisoitu pinta-ala on t : : nimellispinta-ala, kun Ampere'n piiriteoreemaa sovelletaan niin sanottuun avosilmukkaiseen kelaan. Toisin sanoen ensim- ''·2 mäisen ja toisen tien rajoittaman alueen sisälle muodostuva » » 1 V ' nimellispinta-ala projisoidaan tasoon, joka on kohtisuorassa ;1-· magneettiseen akseliin nähden.

, Seuraavassa selitetään erilaisten järjestelyjen suoritusmuotoja viittaamalla piirustuksen kuvioihin ja koetulos- 2 1 taulukoihin, joissa: 12 114415 kuvio 1 esittää kaaviollisesti voimaa F, joka vaikuttaa johtimen viivaelementtiin d/, jossa kulkee virta I ja joka on magneettikenttässä B, kuvio 2 esittää kaaviollisesti johtimen viivaelementin d/, jonka massa on m ja jossa kulkee virta I, tuentaa, jonka avulla johdinelementti on kiinnitetty kiinteään kappaleeseen kokoonpuristuvalla tuella, joka on esitetty jousena, jonka jousivakio on k, kuvio 3 esittää kahta toisiinsa kytkettyä johtimen viiva-elementtiä, joilla on yhtäsuuret massat m ja joissa kulkee yhtäsuuret mutta vastakkaissuuntaiset virrat, kuvio 4a esittää suorakulmaista johdinsilmukkaa, jossa kulkee virta I ja joka on sijoitettu magneettikenttään B siten, että silmukan taso on kohtisuorassa kenttään B nähden, jolloin voimat F ja F1 ovat tasapainossa, kuvio 4b esittää kaaviollista esitystä suorakulmaisesta virtasilmukasta, jossa on tuet ja side-elimet johtimien liik-: keen estämiseksi, ! f ; kuvio 4c esittää johdinsilmukkaa, joka on valettu polymeeri- • . · hartsiin johtimen liikkeen estämiseksi, i * · /·,·, kuvio 5 on kaavio, jossa on esitetty neljä suorakulmaista ! · » virtasilmukkaa, jotka on sovitettu kehittämään x-akselin suuntaisen magneettikenttägradientin, jolloin kaikki keski johtimien virrat ovat samansuuntaisia, • I * ti kuvio 6 on päällyskuvanto, joka esittää suorakulmaisten virtasilmukoiden ryhmää, joissa kulkee virrat Ιχ, 12,---,½ ja jotka on järjestetty approksimoimaan jakautunutta virtaryhmää, >( , joka kehittää magneettikenttägradientin x-akselia pitkin, 13 114415 kuvio 7 esittää neljää virtasilmukkaa, jotka on muotoiltu toisiinsa yhdistetyiksi kaariksi, joissa jokaisessa kulkee virta I ja jotka on järjestetty kehittämään magneettikenttä-gradientin x-akselia pitkin, kuvio 8 esittää kahta erillistä virtakaarta, joilla on yhteinen keskipiste 0 ja joiden säteet ovat a ja b ja joissa kulkee virrat +Ia ja -Ib/ jolloin kulmaulottuvuudet <(>a ja (|)b eivät ole yhtäsuuria, kuvio 9a on yleistetty kaavio primäärikelasta, jossa on Np kierrosta ja jonka säde on a ja jossa kulkee virta lp, joka kela on suojattu aktiivisesti kelalla, jonka säde on b ja jossa on Ns kierrosta ja jossa kulkee virta Is, kuvio 9b esittää primäärikelaa, jonka säde on a (yhtenäiset viivat) ja joka on suojattu aktiivisesti suojauskelalla, jonka säde on b (yhtenäiset viivat), toisen kelan (katkoviivat) ja suojan (katkoviiva) muodostaessa akustisen suojarakenteen, kuvio 10 on kaavio tyypillisestä aktiivisesti suojatun x- tai y-gradienttikelajärjestelmän kelajohtimimen sijoittelusta, jossa jaettu kaarijärjestely muodostaa niin sanotut sormen-,·· , jälkikuviokelat, j 1 , \ kuvio 11 on kaavio, jossa on määritelty sylinterikoordinaa- > 1 1 ' tietojärjestelmä, i » » i · 1 , t » · » t 1 I I · V ’ kuvio 12 on kaavio, joka esittää Maxwellin kelaparia, joka kehittää lineaarisen magneettikenttägradientin aksiaali-suuntaisesti, z-akselille, kuvio 13 on kaavio, joka esittää yksinkertaista poikittaista i 1 ... gradienttikelaryhmää, jossa on neljä sisäkaarta, | I t * kuvio 14 esittää poikittaista gradienttiryhmää, jossa on neljä • « t \ sisäkaarta, joilla on samassa tasossa olevat paluukaaret, 14 114415 kuvio 15 esittää kuvion 14 mukaista 1200-kaarisilmukkaryhmää, jossa silmukoiden tasot ovat sylinterin akselilla vaihtelevien etäisyyksien päässä toisistaan, kuvio 16 esittää kulma-asemaltaan vaihtelevia jaettuja kaari-silmukoita, jossa tasojen etäisyydet sylinterin akselilla vaihtelevat, kuvio 17 esittää muovihartsiin valettua kaarisilmukkaparia (katkoviivat), kuvio 18 esittää jaettujen erillisten 120°-kaarisilmukoiden sijainteja äänettömässä x- tai y-gradienttikelakonstruktiossa, kuvio 19 esittää kaaviollisesti jaettujen erillisten kaarisilmukoiden sijainteja ja eri kaarien kulmaulottuvuuksia äänettömässä x- tai y-gradienttikonstruktiossa, kuvio 20 esittää koko potilaan kuvaukseen tarkoitetun äänettömän jakautuneen gradienttikelajärjestelyn yhden kvadrantin johdinteitä, (a) esittää primäärikelan johdinten sijainteja, , , (b) esittää yhdistetyn primäärikelan/magneettisuojan ja ; · akustisen suojan johdinten sijainteja ja (c) esittää aktiivi- I · ’··’ sen magneettisen suojauksen johdinten sijainteja, : kuvio 21 esittää yksikierroksista havaintoesitystä akustisesti ·,· · suojatusta suoritusmuodosta, jossa akustista suojaa käytetään ; : : primäärisen gradienttikelan paluuteinä (akustista suojaa voidaan käyttää myös muodostamaan paluutiet magneettiselle . suojalle) , 1 kuvio 22 on kaavio, joka esittää koko potilaan kuvaukseen ' ‘ tarkoitetun toisen jakautuneen äänettömän, paluuteitä varten akustista suojaa käyttävän (kts. kuvio 21) gradienttikela-järjestelyn yhden kvadrantin johdinteitä, (a) esittää primääri-kelan johdinten sijainteja, (b) esittää yhdistetyn primääri- 15 114415 kelan/magneettisuojan ja akustisen suojan johdinten sijainteja ja (c) esittää aktiivisen magneettisen suojauksen johdinten sij ainteja, kuviot 23(a) - (d) esittävät tasokaikuotoksia, jotka on saatu kentänvoimakkuudella 3,0 T kuvioissa 7, 12, 14 ja 17 esite tyillä äänettömällä gradienttiryhmällä taulukossa 2 annetuilla parametreillä, kuvio 23(a) esittää lasi- ja vesitestikuviota, jossa tason resoluutio on 0,75 mm ja kuvamatriisin koko on 256 x 256 pikseliä. Viipaleen paksuus on 2,5 mm, kuviot 23 (b, c ja d) esittävät normaalin vapaaehtoisen pään kuvia ja ne esittävät kuvasarjaa aivoista, jossa näkyy ventrik-kelien yksityiskohtia, harmaata ja valkoista aivoainetta ja aivorunko, tason resoluution ollessa 1,5 mm, kuvio 24a on kaavio kuvion 24b mekaanisesta jousi-massa-ekvivalentista, jossa järjestelmän massakeskipiste pysyy liikkumattomana, jos jousivakiot ovat yhtäsuuria, , . kuvio 24b esittää suorakulmaista johdinsilmukkaa, jossa kulkee

I I

1 1 1 virta I, sijoitettuna magneettikenttään B siten, että silmukan ’···' taso on kohtisuorassa kenttään B nähden, ; kuvio 25a on kaavio, joka esittää n-.ttä suorakulmaisten • · !.· · virtasilmukoiden nelikköä neliköiden ryhmästä, jotka on järjestetty kehittämäään magneettikenttägradientin x-akselil-le, jolloin kaikki n:nnen nelikon keskijohtimien virrat ovat . samansuuntaisia, ^ kuvio 25b esittää päällyskuvantoa testikelasta, jossa on kaksi suorakulmaista silmukkaa, joiden leveys on a ja pituus b, ;...· jolloin kelat on sijoitettu etäisyyden x päähän toisistaan ja ....· kelojen tasot ovat kentän B suuntaisia, 114415 16 kuvio 26 on käyrä, joka esittää äänenpaineen tason vaimennusta A (dB) taajuuden (Hz) funktiona kuvion 25 testikelajärjeste-lylle, kun sitä ohjataan sinimuotoisella virralla, jonka huippuarvo on 10 A, käyrä A vastaa asianmukaisesti sijoitetulla mikrofonilla vastaanotettua säteilevää ääntä, kun toinen testijärjestelyn keloista on aktivoitu, kuvio B on alentunut äänitaso, jonka mikrofoni vastaanottaa, kun molemmat käämit aktivoidaan, vaimennuskäyrä C on käyrien A ja B erotus, käyrä D on teoreettinen vaimennus A, yhtälö (10), kuviot 27...29 esittävät kaaviollisesti kaarimaisia suljettujen silmukoiden muodostamia kokoonpanoja, kuviot 30...32 esittävät erään erilaisen suoritusmuodon käämejä ja kokoonpanoja, ja kuviot 33...41 esittävät erilaisia käämien suoritusmuotoja.

: : Kuviossa 1 johdinelementtiin dl (10), jossa kulkee virta I =

Ia ja joka on sijoitettu tasaiseen magneettikenttään B = Bk, kohdistuu Lorentzin voima F pituusyksikköä kohti, jonka antaa * · · • · · ’u·’ F = - B x I (1) = - ΒΙβ sin θ missä Θ on johtimen ja kentän suunnan välinen kulma ja α, β ja ’·’ * k ovat johtimen, voiman ja vastaavasti kentän (z-akselin) suuntaiset yksikkövektorit. Kun 0 = 0, F = 0 ja kun Θ = 90°, j1": voimalla F on maksimiarvo.

17 114415

Kuviossa 2 on esitetty johdinelementti 10 d/, jonka massa on m ja joka on kiinnitetty joustavan tuen 12 avulla liikkumattomaan kapaleeseen 14. Joustava tuki 12 on esitetty jousena, jonka jousivakio on k. Johdinelementti 10 toimii siten harmonisena värähtelijänä, jonka kulmataajuus on ω. Todellisessa asennuksessa on otettava huomioon mahdollinen vaimennus, jolloin järjestelmän liikeyhtälön antaa: d2x dx F (t) = m —Tr + η - + kx (2 ) dt2 dt missä η on vaimennusvakio.

Johdinelementtiin 10 vaikuttava magneettinen voima kiihdyttää sen pakkovärähtelyyn, jolloin x yleisen ratkaisun siirtymälle antaa x(t) = x0 + (Ai/a)(eat - 1) + (A2/b)(bbt - 1) r r t t + Bieat e_atF(t)dt + Boe^t e~btF(t)dt (3)

Jo Jo missä a = - η/2πι + [(r|2/4m2) - κ/m]^ (3a) b = - r|/2m - [(η2/4m2) - κ/m]^ (3b) t · Y: ja A]_, B]_ ja Bg ovat vakioita, jotka voidaan määrätä | järjestelmän ominaisuuksista.

i : : Käytännön kelajärjestelmässä kelaa ei tietenkään voida asentaa liikkumattomaan kappaleeseen. Kelarungon massaa voidaan suurentaa sen yrittämiseksi tehdä liikkumattomaksi, mutta ;/. voimakkailla staattisilla magneettikentillä ja erittäin suurilla virroilla, joita nopeissa kuvausmenetelmissä käyte-tään magneettisten gradienttien kehittämiseen, magneettiset t’”: voimat ovat niin suuria, että todellisuudessa liikkumattoman massan kehittäminen on mahdotonta.

18 114415

Kuviossa 3 on esitetty harmoninen värähtelevä järjestelmä, jossa on kaksi värähtelevää massa "seläkkäin" 10 ja 11. Tässä järjestelyssä ei enää tarvita liikkumatonta tuentaa, ja edellyttäen että massat 10 ja 11 ovat yhtäsuuria ja jousien 12 ja 13 jousivakiot κΐ ja k2 ovat yhtäsuuria, kuvion 3 järjestely pitää järjestelmän massakeskipisteen paikallaan. Tämä mekaaninen malli havainnollistaa osittain periaatetta, johon edellä esitetty magneettisen voiman suojauskeksintö perustuu.

Edellä esitettyä magneettisen voiman suojausperiaatteita käytettäessä voidaan tarkastella suorakulmaista johdin-silmukkaa 16, jossa kulkee virta I ja joka on sijoitettu magneettikenttään B, kuten kuviossa 4a on esitetty. Edellyttäen, että kelasilmukan 16 taso on kohtisuorassa kentän B suuntaan nähden, kaikki johtimeen 16 vaikuttavat voimat F, F' ovat yhtäsuuria virran I suunnasta riippumatta. Jos nämä voimat kytketään kokoonpuristumattomilla tuilla 18 ja pulteilla 20, kuten kuviossa 4b on esitetty, kaikki voimat järjestelmässä kumoutuvat. Lisäksi joka hetkellä voimaparit ja siten vääntömomentit kumoutuvat. Tämä mekaaninen malli esittää esillä olevan keksinnön periaatteen eli aktiivisen akustisen suojauksen tai kelojen voimatasapainotuksen periaatteen.

·’·’ Kokoonpuristumattomia materiaaleja käytettäessä johdin 16 ei voi liikkua. Tässä tapauksessa tällaisessa kelaj är j estelyssä V 22 ei kehity ääntä. Koko kelarakenne 22 voidaan upottaa tai h; ; valaa sopivaan muovihartsiin 24 yksittäisten tukien korvaamiin : seksi käytännössä jatkuvalla tuella, kuten kuviossa 4c on esitetty.

. ,·. Kaikki materiaalit voivat kuitenkin puristua jossain määrin kokoon. Tämä merkitsee sitä, että edellä esitetyllä akustisella suojauksella saattaa olla joitakin käytännön rajoituksia ’ ‘ siten, että johtimissa esiintyy jonkinasteista jäännös- 1 ...* liikettä. Keksintö vähentää kuitenkin huomattavasti akustista melua.

19 114415

Johtimien äkillinen liike lähettää kompressioaallon mate riaalin läpi. Tällaisen aallon nopeuden v antaa v = (E/p)^ (4) missä E on Young' in moduli ja p on materiaalin tiheys. Jotta samanlaisten ja vastakkaisten johtimien liike ja/tai eri aikoina tapahtuvat johtimien liikkeet eivät aiheuttaisi ongelmia, on edullista, että tuen pituus l <, λ/12.

Nopeuden ja aallonpituuden λ välinen riippuvuus on v = fλ (5) missä f on lähetetyn aallon taajuus. Käytettäessä suureiden E ja p annettuja arvoja aallon nopeus voidaan arvioida eräille tavallisille materiaaleille. Lasille v = 5,0 km s-1. Tyypillisille koville puulajeille v = 4,5 km s-1. Alumiinille v = 5,1 km s-1 ja messingille v = 3,4 km s-1. Käyttämällä puun nopeus-arvoa ja valitsemalla tuen pituudeksi 0,15 m maksimitaajuu-deksi saadaan (yhtälöstä 5) f = 2,0 kHz. Tämän taajuuden yläpuolella voidaan odottaa progressiivisia vaiheilmiöitä, jotka saattavat vuorostaan aiheuttaa akustisen aallon jäämisen kumoutumatta. Tämän huomioon ottaen aktiivisen akustisen suojauksen kanssa voidaan käyttää tavanomaisempia akustisia ·.' vaimennusmateriaale j a. Kuulosuojainten käyttäminen on aina » * ·.; · eräänä mahdollisuutena, mutta kuten edellä on todettu siitä ei ί : : ole hyötyä sikiötutkimuksessa tai eläinlääketieteellisissä so- velluksissa.

, .·. Edellä esitetystä seuraa, että parhaiden tulosten saavuttami- .··.·. seksi tukien materiaalilla tai synteettisellä muovihartsivalu- aineella olisi oltava suuri E ja pieni tiheys <·. Tällaisella ‘ * yhdistelmällä kompressioaallon nopeus tulee suureksi. Siten päinvastoin kuin intuitiivisesti voisi päätellä, kytkentäraken-teen on oltava kevyt ja erittäin luja. Täyteaineella varus-tetut muovihartsit, joissa käytetään painavia täyteaineita, 20 114415 saattavat tämän vuoksi olla sopivia, koska ne lisäävät huomattavasti kelajärjestelyn painoa ja niillä on myös suurempi v (äänen nopeus).

Edellä selitettyjä voimatasapainotettujen kelojen periaatteita sovelletaan gradienttikelojen suunnittelussa. Tämä selitetään yksityiskohtaisesti kuvioihin 5...10 liittyen. Yksinkertaisimmassa järjestelyssä poikittaisgradienttikelassa on neljä suorakulmaista silmukkaa 26, kuten kuvioissa 5 ja 6 on esitetty .

Kuviossa 5 silmukat 26 kehittävät x-gradientin Gx. Tässä järjestelyssä jokaisessa silmukassa on N johdinkierrosta ja jokaisessa silmukassa kaikkien haarojen virta on I. Tällaisessa kelajärjestelyssä voimat ja vääntömomentit kumoutuvat.

Kokeellisesti saadut tulokset osoittavat akustisen suojauksen tehokkuuden, kuten myöhemmin esitetään.

Kuvion 5 järjestely voidaan laajentaa monisilmukkaiseksi, siten kuin on esitetty päällyskuvantona kuviossa 6, jossa peräkkäisten johdinkaarien 28 virtoja ja/tai välimatkoja voidaan muuttaa spatiaalisesti tasaisemman magneettikentän tai kenttä-gradientin saamiseksi. Yhdensuuntaisten silmukkatasojen väliset etäisyydet eivät välttämättä ole yhtä suuria. Koska useimmissa koko potilaan kuvaavissa magneettikuvausjärjestel- * * : : j missä staattinen magneettikenttä on sylinterisymmetrinen, i kuvioissa 5 ja 6 esitetyt suorakulmaiset silmukat voidaan

muuntaa kuvioissa 7 esitetyiksi kaariksi 30. Edellyttäen, että kaaret 30 muodostavat suljettuja silmukoita ja edellyttäen , ,·. että silmukoiden tasot ovat kohtisuorassa magneettikenttään B

t·”·. nähden, kaikki vääntömomentit ja voimat ovat tasapainossa samoin kuin suorakulmaisen silmukan tapauksessa. Tämä tulos '*"* pätee kaikille suljetuille silmukoille.

i :

Tarkastellaan kahta kaarta, joiden säteet ovat a ja b, joilla .... on yhteinen keskipiste O, joiden kulmaulottuvuudet ovat <(>a ja 21 114415 <|>b ja joissa kulkee virrat +Ia ja -¾. Kaaret eivät muodosta suljettuja silmukoita. Järjestely on esitetty kuviossa 8. Jotta voimat ja vääntömomentit tasapainottuisivat tässä järjestelyssä, kun <j)a = (j>b edellytetään, että

Ib = ~(a/b) Ia = - Ia/a. (6)

Kaarien virrat ovat yhtäsuuria vain, kun molemmat kaaret on yhdistetty toisiinsa suljetun silmukan muodostamiseksi. On huomattava että kaikissa sylinterimäisissä gradienttikela-konstruktioissa voimatasapainoperiaatetta (yhtälö 6) sovelletaan vain kelajärjestelyn kaarevissa tai atsimutaalisissa osissa. Staattisen kentän Bq (z-akselin) suuntaisiin virtakom-ponentteihin ei vaikuta Lorentzin voimia.

Kuvion 7 kaaret 30 voidaan kytkeä sarja- tai rinnakkais-järjestelyksi tai näiden yhdistelmäksi. Kaikissa tapauksissa liitännät kaariin on toteutettava siten, että syöttö- ja kytkentälangat tai -johtimet kulkevat pareittain päämagneetti-kentän Bq suuntaisina. Tämä yhdensuuntainen johdinjärjestelv voi muodostua tiukasta koaksiaalisesta parista, yhdensuuntaisten virtakiskojen parista tai jopa kierretystä parista. Yhdensuuntaisten virtakiskojen eräänä etuna on, että siihen voidaan pultata välimatkan päähän toisistaan tarkat yhden-suuntaiset tuet johtimien jäännös liikkeen estämiseksi tai *.’ pienentämiseksi. Kierretyt parit ovat taipuisia ja ne on tämän !,· * vuoksi valettava lopullisessa johdotusjärjestelyssä epoksiin j : : tai muuhun hartsiin.

Γ: :

Kun keloja kytketään suprajohtavan magneetin pienessä tilassa, , ,·. gradienttikelaryhmän synnyttämät ulkoiset kentät voivat • * * t·;·, vaikuttaa voimakkaasti kryostaatin ympäröiviin metalli- rakenteisiin. Tämä vaikutus voi indusoida kryostaattiin ja * varsinaiseen suprajohtavaan kelaan pyörrevirtoja, jotka 1alhaisen resistanssin vuoksi vaimenevat melko hitaasti. Tämä ilmiö kehittää vuorostaan haitallisia ajasta riippuvia gradientteja, jotka huonontavat primäärisen gradientin laatua.

22 114415

Mansfield ja Chapman ovat esittäneet aktiivisen magneettisen suojauksen käytön pyörrevirtaongelman ratkaisemiseksi, Mansfield P. ja Chapman, Mag. Res, 66, 573-576 (1986), Mansfield P. ja Chapman B., J. Phys. E. 19, 540-545 (1986), Mansfield P. ja Chapman B., Mag. Res. 72, 211-223 (1987). Esillä olevassa tapauksessa samoin kuin aktiivista voimasuojausta tai akustista suojausta käytettäessä on myös suotavaa tehdä koko gradienttikelaryhmä aktiivisesti magneettisesti suojatuksi.

Tarkastellaan yksinkertaisena esimerkkinä yhtä rengasta 32, jonka säde on a ja joka on suojattu magneettisesti suojalla, joka on sijoitettu sylinterille, jonka säde on b, kuten kuviossa 9a on esitetty. Edellä mainitun aktiivisen magneettisen suojauksen teorian perusteella tiedetään, että tällaisessa järjestelyssä suojavirta Is riippuu primäärivirrasta lp seuraavasti

Is = (Np/Ng)[a/b]2ip (7) missä Np ja Ns ovat primäärikierrosluku ja suojan kierrosluku. Tämä järjestely ei kuitenkaan ole akustisesti suojattu. Sisäkelaa, jonka säde on a, varten tarvitaan akustinen suoja ja magneettista suojaa, jonka säde on b, varten tarvitaan toinen akustinen suoja. Koska primäärikelassa on vain yksi kierros, myös akustinen suoja muodostuu yhdestä kierroksesta, joka on samassa tasossa kuin primäärikela. Olkoon sen säde oia, ; : : jossa tässä tapauksessa a > 1. Akustinen suojan magneettiseen I suojaukseen riittää, että sen suoja sijoitetaan sylinterille, ,'i'; jonka säde on ab. Toisin sanoen alkuperäistä suojattua kela- ryhmää laajennetaan säteen suunnassa kertoimella a sen pituuden pysyessä samana. Tämä on esitetty kaaviollisesti kuviossa 9b ja se on yleistetty yhden kierroksen primäärikelasta I * · jakautuneen primäärikelan tapaukseen. Jos niin sanotun primäärikelan akustisen suojan ja magneettisen suojan akusti-sen suojan pituudet pidetään yhtäsuurina kuin asianomaisten akustisesti suojattavien kelojen pituudet, suojatun kentän ·_>, luonteen ja voimakkuuden vähäinen muutos voi huonontaa akusti- 23 114415 sen suojan magneettikentän suojauksen tehokkuutta. Tämä tilanne voidaan välttää joko muuttamalla kentän suojauskaavaa myöhemmin esitettävällä tavalla ja/tai pitämällä kerroin o» pienenä, jolloin hyväksytään kelojen ja niiden akustisten suojien kierrosten pieni radiaalinen virhekohdistus.

Edellä esitetyssä järjestelyssä akustisessa suojauksessa primäärinen virta Ipf ja suojavirta Isf skaalataan yhtälön 7 mukaisesti. Toisin sanoen alpf = lp ja alsf = Is. Akustisten suojien sijoittelu voi olla mielivaltainen. Kun näin on, kelat voidaan sjoittaa siten, että primäärisen akustisen suojan säde on sama kuin primäärikäämin magneettisen suojan säde. Toisin sanoen aa = b. Tässä tapauksessa magneettisen suojan akustisen suojan säteen b' antaa b' = ab = a2a. (8) Tämä merkitsee sitä, että optimaalisesti suunnitellussa järjestelmässä, jossa a ja b' ovat kiinteitä, a määräytyy geometriasta. Eri kelojen, suojien ja akustisten suojien virtojen suunnat noudattavat kaavaa: +Ip, -Ipf, -Is, +Isf siten, että virtaepäjatkuvuuksia ei synny tapauksessa, jossa primäärikelan akustisen suojan säde aa sattuu yhteen primääri-kelan magneettisen suojan säteen b kanssa.

I * » · V Tyypillisessä koko potilaan kuvaukseen käytettävässä gra- ; : : dienttiryhmässä a = 65 cm ja b1 =94 cm, mistä saadaan a = i 1,2. Tämä arvo a on riittävän pieni, jotta se ei muuta oleelli- sesti primäärikelan ja primäärisen akustisen suojan kierrosten eikä primäärisen suojan ja sen akustisen suojan kierrosten , ,·, radiaalista kohdistusta. Termillä "radiaalinen kohdistus" « * > tarkoitetaan sitä, että johtimien sijainnit sisäkelan pinnalla t « * projisoidaan säteen radiaalisesti ulomman koaksiaalisen sylinterin pinnalle, mikä määrää tämän kelan käämitysten »ti>! sijainnin. Projisointi suoritetaan siten, että sisemmän ja ulomman käämityskaavion pituudet ovat yhtäsuuria. Edellä .· * selitetyssä suoritusmuodossa menetetään jonkin verran gradient- 24 114415 tijärjestelyn suojaustehokkuutta. Tätä voidaan kuitenkin korvata jossain määrin pitämällä primäärikelan ja sen akustisen suojan virrat vakiona, samalla kun magneettisen suojan ja sen akustisen suojan virtoja muutetaan. Viimeksi mainittu tehdään pitämällä suojan ja suojavirtojen suhde vakiona, mikä säilyttää voimatasapainon.

Magneettisen suojauksen tehokkuuden palauttamiseksi akustista suojausta säilyttäen voidaan tarkastella voimien tasapainottumista koko suojan pinnalla (integroidut voimat) , yksittäisten radiaalisesti kohdistettujen johdinparien tai - ryhmien yksityiskohdittaisen voimatasapainotuksen sijasta. Tässä ratkaisussa, jota selitetään lisäksi lähemmin teoreettisessa osassa, nettovoimat ja -vääntömomentit ovat nollia. Myös magneettinen suojaus paranee huomattavasti. Voimien integrointi aikaansaadaan tässä tapauksessa valamalla kolme tai neljä kelaa sopivaan kovettuvaan hartsiin, mikä tekee koko kelarakenteen jäykäksi.

Ylimääräiset akustiset suojat pienentävät suojattua kenttää edelleen sen vapaan tilan arvosta B]_. Tarkastellussa järjestelmässä tehollisen primäärikentän B]_e antaa likimäärin /.' Ble = - B1(l - (Np/Ng) [a/b]2) (α2-1)/α2. (9) t Y. On selvää, että useiden aktiivisesti voimasuojattujen tai ! akustisesti suojattujen renkaiden muodostama järjestely ; voidaan konstruoida muodostamaan Maxwell-tyyppisen linearisen ;·, gradienttikelan tai Helmholtz-tyyppisen tasaisen kentän kehittävän kelan. Myös sylinterimäiset magneettisesti suojatut , (tai suojaamattomat) poikittaisgradienttikelat voidaan suojata i * y; akustisesti edellä mainittua keksintöä käyttämällä. Aktiivi- y * sesti suojatun poikittaisgradienttikelan saamiseksi toinen skaalattu suojattu gradienttiryhmä lomitetaan edellä selitetyn i’“: mukaisen ensimmäisen suojatun gradienttikelaryhmän kanssa.

Tämä järjestely on esitetty kuviossa 9b, jossa ensimmäinen gradienttiryhmä on esitetty kaaviollisesti yhtenäisin viivoin.

• » 25 114415

Toinen suojattu gradienttiryhmä on esitetty katkoviivoin.

Kuvio 10 esittää esimerkkinä johtimien sijoituskaaviota aktiivisesti suojatulle gradienttikelalle, joka kehittää poikittaisen gradientin. Käämintäkaavio on esitetty tasomaiseksi aukirullattuna tai levitettynä pintana. Sekä primääri-kela että suoja ovat niin sanotun sormenjälkikuvion jakautuneita kierroksia. Sekä primäärikelan että suojan johtimien sijoituskaaviot on skaalattu a0 ja b9-akseleilla akustisten suojien aikaansaamiseksi suojatulle kelajärjestelylle.

Primäärikelan sijoituskaavion kvadrantista Q ilmenee kuinka johdintiet kuviosta toiseen on kytketty sarjajärjestelyksi. Primäärikelan ja suojakelan akustisen suojien johdotuskaavio-muodot ovat voimatasapainoperiaatteen mukaisesti samanlaisia kuin kuviossa 10, paitsi että niitä on laajennettu a- ja b-akselilla kertoimella a.

Primäärikela, akustiset suojat ja magneettiset suojat voidaan sijoittaa paikalleen käämimällä kelat kolmen tai useamman keveän sylinterin pinnalle. Oikean voimatasapainon saavuttamiseksi koko rakenne keskitetään vielä yhden kotelosylinterin sisään, joka tämän jälkeen upotetaan tai valetaan sopivaan kovettuvaan polymeerihartsiin, jolla on suuri kimmomoduli ja

t I

iii(! alhainen tiheys. Ilmakuplat poistetaan ennen hartsin kovettu- Y: mistä pumppaamalla tyhjö kelajärjestelmän yläpuolelle. Par- ‘ haita materiaaleja ovat todennäköisesti suurilujuuksiset ; polymeerit, kuten polykarbonaatit, mutta myös muita kuten esimerkiksi epoksi- ja akryylihartseja tai jopa polystyreeniä voidaan käyttää, koska niillä on hyvät akustiset ominaisuudet suhteellisen pienillä taajuuksilla.

7 1 » » t »

Magneettisen suojauksen ja aktiivisen akustisen suojauksen t yhteisvaikutukset saattavat vaatia lisävirtaa gradienttikelan ohjauspiireiltä. Kentän Ble pienentymisen vaikutus pienentää . gradienttikelaryhmän induktanssia, niin että induktanssin I i , kasvattamiseksi haluttuun arvoon voidaan lisätä jonkin verran * ( 1 * 26 114415 ylimääräisiä kierroksia. Tämä auttaa vuorostaan suurentamaan kenttää Ble. Kuitenkin koska L vaihtelee suureeseen Np2 verrannollisesti, kentän Ble riippuessa lineaarisesti kierros-määrästä Np, kierrosten lisääminen induktanssin palauttamiseksi ei voi täysin kompensoida kentän B]_e laskua. Järjestelmää on tämän vuoksi ohjattava suuremmalla virralla, jotta halutut gradienttivoimakkuudet saavutettaisiin. Tämä lisävirta ja sen aiheuttamat suuremmat voimat saattavat kumota osan saavutetusta akustisesta vaimentumisesta. Tämä on esitetty koetuloksissa seuraavassa.

Tämän keksinnön vielä eräässä suoritusmuodossa tarkastellaan sekä akustisen suojauksen että magneettisen suojauksen teoreettisia perusteita. Sen avulla voidaan parantaa suojauksen tehokkuutta.

Seuraavassa sesitetään lyhyt teoriaselitys.

Kokcnaisvoima, joka kohdistuu magneettikenttään sijoitettuun johtimeen, jonka pituus on /, saadaan Lorentzin kaavasta F = - I B x/ (10) : ; Ideaalisessa aksiaalisessa kentässä tämä voima vaikuttaa • * : pelkästään radiaalitasossa. Erään järjestelmän tapauksessa » · » magneettikenttä B = 3 T, / on tyypillisesti 0,5 m ja I = 200 A : kuparijohtimessa, jonka massa on 0,0765 kg/m. Tämä aiheuttaa » i · » : ,·. johtimeen 600 N voiman, joka kehittää kiihtyvyyden 800 G.

Virtaa kytketään tyypillisesti taajuudella 500 Hz, tavallisesti multi-mode-tyyppisesti, Mansfield P., Harvey P.R. ja Coxon R.J. (1992), Meas. Sei. Technol. 2, 1051-1058, trapetsi- '·!·’ maisesti, mikä synnyttää harmonisia ihmisen kuulon herkimmälle « · · I » · V * alueelle.

Palloharmonisten kaarien standardiviivaelementtisuunnittelu-* . teoriassa käytetään magneettikentän palloharmonista sarja- ‘ ' kehitelmää Legendren polynomeina (Pnm) kaarijoukon kulma- 27 114415 pituuksien ja sijaintien määräämiseksi, jotka antavat parhaan mahdollisen approksimaation halutulle kentälle rakenteen keskipisteessä, Romeo ja Joult (1984) Magnetic field profiling: Analysis and correcting, coil design, Mag. Res. in Med. Vol. 1, No. 1, 44-65, Chapman B. and Mansfield P. (1984), A simple shimming strategy for whole body MRI imaging magnets 22nd Congress Ampere on Mag. Res. and Related Phen. Proc 512-513. Ympäröivä kenttä poikkeaa ideaalisesta siirryttäessä pallorintamassa ulospäin viivaelementtejä kohti. Magneettikuvauksessa käytännöllisin rakenne on sylinterin pinta, kuvio 11, jolle kentän sarjakehitelmän antaa μοί , oo n dBo = - sin a Σ Σ [Fn, m-l^n, m-1 4 7Γ n=0 m=0 + Fn, m+l^n, m+ll r31Fnm (cosO) cosm (φ-ψ) 0ψ (11) missä Fnm = em(n - m + l)!Pn+i m(cosa:)/(n + m + 1)! ^nm = - (1 + <5m/o)/2fn

Jnm = (1 - 5m#o) (n + m + 1) (n + m)/2fn+1 ja em = 1, kun m = 0, ja muulloin 2.

Aksiaalisen gradientin tapauksessa, m = 0, järjestelmä on käänteissymmetrinen keskitason suhteen. Ratkaisu muodostuu v. siten rengaspareista, jotka ovat yhtä etäällä akselin kummalla- h kin puolella ja joissa kulkee vastakkaissuuntaiset virrat.

Tämä kumoaa välittömästi kaikki sarjan parittomat termit.

; Integroimalla ja ratkaisemalla yhdelle johdinparille, jonka :·: : säde on a ja välimatkan puolikas b, saadaan seuraava sarja » ♦ · V ‘ B = 3^onla2b/(a2+b2) 5/2 [rP]_ (cos8) + (20b2 - 15a2) r3P3 (cosO) / (a2 + b2)2 + 0(r5) + ...]. (12) : S «

Optimigradientti keskipisteessä saadaan, kun kuutiotermi T3 on nolla, ts. kun b = (a/3)/2, jossa tapauksessa *·;·’ B = 0,6412μοηΙζ/^2 + 0(r5) (13) joka on Maxwellin standardiratkaisu (ja joka on esitetty 28 114415 kuviossa 12) . Kuviossa 12 esitetyssä suoritusmuodossa kentän Bz kanssa tapahtuvasta vuorovaikutuksesta kumpaankin renkaaseen syntyvät Lorentzin voimat ovat tasapainossa. Renkaiden väliset magneettiset dipolaariset voimat ovat epätasapainossa, mutta ne ovat suhteellisen pieniä.

Käyttämällä useampia renkaita voidaan löytää parempi ratkaisu etsimällä viidennen ja ylemmän kertaluvun termien samanaikaiset nollakohdat, joskin ongelma tulee nopeasti erittäin monimutkaiseksi. Parempi ja suoraviivaisempi ratkaisu saadaan ratkaisemalla Biot-Savart-yhtälö suoraan pintavirtajakautu-milla, Bangert V. ja Mansfield P. (1982) , Magnetic field gradient coils for MRI imaging, J. Phy. E.: Sci. Instrum., 15, 235-239, Mansfield P. ja Chapman B. (1987), Multi-screen active magnetic screening of gradient coils in MRI, J. Mag. Res. 72, 211-223, Turner R.J. (1986), A target field approach to optimal coil design, J. Phys. D: Appi. Phys. Vol. 19, L147-L151. Tätä menetelmää tarkastellaan seuraavassa.

Yleisesti järjestämällä siten, että johdinta vastassa oleva kulma Δψ = 2q7r/m (kuten kuviossa 11 on esitetty) , jossa q on positiivinen kokonaisluku ja ψ on atsimuuttikulma, kaikki kertaluvun m harmoniset kumoutuvat. Lisäksi jos kaaret sijoite-- taan aina ir/m radiaanin päähän siten, että virtojen suunnat vuorottelevat, kaikki parilliset harmoniset ja kaikki kerta-• ·.’ lukua m alemmat harmoniset kumoutuvat. Poikittaisten gradient- ·,; - tien tapauksessa, m = 1, virtojen on oltava symmetrisiä, ja */. | 120° kaaret, joissa on vastakkaissuuntaiset virrat, 180° päässä toisistaan eliminoivat kaikki termit paitsi Τχχ, Τχ3 jne... Samoin kuin edellä esitetyssä Maxwellin kelan tapauk-. .·. sessa tämä voidaan ratkaista helposti etsimällä termin Τχ3 ,·;·. nollakohdat välimatkan ja halkaisijan optimisuhteen saami- • seksi, ts.

F(a) = a/(b2 + a2)5/2[35b4/(b2 + a2)2 ....: - 35b2/(b2 + a2) + 4] = 0 (14) 29 114415 josta saadaan välittömästi tan_1(a/b) = 21,3° ja 68,7°, Toinen ratkaisu antaa sopivasti paluuteiden sijainnin, kuten kuviossa 13 on esitetty. Kahden ratkaisun olemassaoloa voitaisiin käyttää samanaikaisesti termin T15 eliminointiin. Kentän laadun paraneminen on kuitenkin todennäköisesti vähäistä.

Voimat, joita tällaisiin kelarakentesiin syntyy, kun ne sijoitetaan aksiaaliseen magneettikenttään, ovat säteen suuntaisia ja kun kaarien yhdysosat ovat kentän suuntaisia, kenttä ei vaikuta niihin. Ne eivät myöskään vaikuta kenttään Bz. Maxwellin kelan tapauksessa voimat ovat tasapainossa eikä mitään nettovoimaa vaikuta (kuten kuviossa 12). Siten johtimien ollessa hyvin kiinnitettyjä Maxwellin kelasta syntyvä melu johtuu pelkästään paikallisista mikroskooppisista liikkeistä, joita syntyy koko rakenteen laajenemisesta ja supistumisesta. Poikittaiskelan tapauksessa voimat kehittävät huomattavan nettomomentin rakenteen pituussuunnassa, koska kaikki kaaret vaikuttavat tietyssä aksiaalisessa pisteessä yhdessä samaan suuntaan, kuvio 13. Tässä järjestelyssä esiintyvät voimat kehittävät nettomomentin rakenteen pituussuunnassa.

Edellä olevassa esityksessä on käsitelty vaihtoehtoisia kelajärjestelyjä, joissa paluukaaret on asennettu samoihin aksiaalisiin paikkoihin kuin primäärikaaret. Siten jokaisen osan nettovoimat ja -vääntömomentit ovat nollia.

; : : Tämän periaatteen yksinkertaisimmassa toteutuksessa käytetään i viivaelementtirakenteita, joissa kelojen voimat ovat tasa- ,'j'; painossa. Legendren sarjakehitelmän, kuvio 14, perusteella ja kun kytkentäkaarien vaikutukset jätetään huomiotta, opti maalinen kaaren pituus vastaa kulmaa 120° ja optimaaliset välimatkat saadaan seuraavan yhtälön nollakohdista F (a) - F(c) = 0 (15) 1”: missä a, c ovat primääri- ja paluukaarien säteet. Kuvion 14 ../t järjestelyllä voidaan poistaa kaikkien kaarisilmukoiden 30 114415 nettovoimat tai -vääntömomentit.

Yhtälöllä (15) on kaksi ratkaisua, mutta tehokkuussyistä minimivälimatka on b. Optimaalinen väli b voidaan saada numeerisesti mille tahansa määrätyille säteille a ja c. Molemmat näistä arvoista voidaan valita mielivaltaisesti.

Kentän laatua voidaan parantaa ja säteen suuntaisten kyt-kentäkaarien vaikutus voidaan ottaa huomioon pistettä b ympäröivää välitilaa tutkimalla. Tämä voidaan suorittaa helposti: (i) laskemalla kenttä pisteverkossa, joka ulottuu mielenkiintoisen sisäisen alueen yli, jota on jatkettu akselin suunnassa tutkittavan avaruuden kattamiseksi, tietyssä aksiaalisessa paikassa olevan yhden kelaparin tapauksessa, (ii) muodostamalla tämän konvoluutio itsensä kanssa useissa paikoissa pisteen b ympärillä ja (iii) etsimällä minimipoikkeama ideaalisesta gra-dienttikentästä mielenkiintoisella sisäisellä alueella. Vähäinen lisäparannus voidaan saavuttaa vapauttamalla molemmat kulmapituudet, joskin tämä lisää ongelmaan kaksi lisävapausastetta, samalla kun sillä ·,.,· saadaan vain vähän hyötyä. Säteen suuntaisten kaarien ·,·’ ongelmaa voidaan lähestyä myös analyyttisesti ottaja : maila analyysiin mukaan suoraviivaisten kaarien i täsmällinen lauseke, Bangert V. ja Mansfield P.

(1982), Magnetic field gradient coils for MRI imaging, J. Phy. E.: Sci. Instrum., 15, 235-239.

I * * !!'. Vaihtoehtoisena ratkaisuna on käyttää pinta j akautuneita » * · virtoja pintavirtagradienttikelojen muodossa. Nämä voidaan : ’· ratkaista aksiaalisten gradienttien tapauksessa mukavasti mitä tahansa standardimenetelmää käyttämällä, Mansfield P. ja Chapman B (1987), Multi-screen active magnetic screening of ;v> gradient coils in MRI, J. Mag. Res. 72, 211-223, Turner R.J.

31 114415 (1986), A target field approach to optimal coil design, esitetty julkaisussa J. Phys. D: Appi. Phys. Vol. 19, L147- 151, Chapman B., Doyle M. ja Pohost G.M. (1992), Optimised electromagnetic coil design theory, IEEE proceedings Southestcon, 2, 757-762, koska nettovoimat voidaan järjestää kumoutumaan kaikissa tapauksissa. Samoin kaikkia menetelmiä voidaan käyttää helposti aktiivisen magneettisen suojauksen aikaansaamiseksi yhdessä aktiivisen magneettisen suojan akustisen suojauksen kanssa tai ilman sitä. Seuraava analyysi havainnollistaa tätä Chapmanin menetelmässä, joka on esitetty julkaisussa Chapman B, Doyle M. ja Pohost, G.M. (1992),

Optimised electromagnetic coil design theory, IEEE proceedings, Southestcon, 2, 757-762, Screened electromagnetic coils of restricted length having optimized field and method.

Biot-Savartin perusyhtälö, joka esittää virran ja magneettikentän välisen yhteyden on muodoltaan konvoluutio ja sen vuoksi sitä on käytännöllisintä käsitellä Fourier- tasossa. Äärellisen pituisen sylinterimäisen pinnan tapauksessa I on rajoitettu kulkemaan atsimutaalisessa ja aksiaalisessa moodissa, Chapmnan B, Doyle M. ja Pohost, G.M. (1992),

Optimised electromagnetic coil design theory IEEE proceedings, Southestcon, 2, 757-762. Tarkastellaan elementääristä virta- rengasta. Sallitut harmoniset muodot ovat muotoa cos(m0), missä m on kokonaisluku. Tähän liittyvä aksiaalisen kentän : Fourier-muunnos akselin suunnassa säteellä r on: i *t ; ^a (r' k) = ^m®a (' m, k) (16) missä

Ba (r,m, k) = /iokaIm' (ka) Km(kr) r > a d7) .’I’. μο^Κ,^' (ka) Im(kr) r < a

Vastaavasti sallitun aksiaalisen harmonisen Jn sylinterillä, Γ”: jonka pituus on t, antaa: 32 114415

Jn(z) = CnH (z) cos (27τηζ// + φ) (18) missä Cn on n:nnen harmonisen virran amplitudi ja H (z) = 1 | z | s //2 0 | z | > t/2 (19)

Yhtälön (18) Fourier-muunnos antaa

Jn= ττί Cn [etsine (k//2-m) + e“;'-<t,sinc (k//2+n7r) ] . (20)

Aksiaalisen resultanttikentän Fourier-muunnos on kahden termin, yhtälöiden (18) ja (20) tulo, jonka antaa

Bg = BnFmJn(k)Ba(r,m,k) (21) Tässä tapauksessa ollaan aina kiinnostuneita vain yhdestä harmonisesta moodista, ts. aksiaalisen kentän tapauksessa m = 0 ja poikittaiskenttien tapauksessa m = 1. Amplitudit Cn voidaan tällöin löytää pienimmän neliösumman menetelmällä sovittamalla merkittävien moodien kentät mielenkiintoiseen sisäiseen alueeseen reaaliavaruudessa vastakohtana Fourier- avaruudelle. Kuten havaitaan, kaikki suunnitteluongelmat on siten pelkis-- : tetty yksidimensionaaliseen hakuun, edellyttäen, että kela- : : rakenteen pituus /on ennalta määrätty.

: , . Nettovoimien nollaamiseksi lisätään toinen pinta. Tämä voidaan j .·. suorittaa monella tavalla konstruktiotekniikasta riippuen.

Eräitä näistä selitetään seuraavassa.

i : :

Voimatasaoainotetut silmukat, joilla on kiinteät kulmaoituudet « » · V ' Kuviossa 15 on esitetty käärisilmukkaryhmä, joilla kaikilla on ·;·· kiinteä kulmaulottuvuus 120°. Silmukoiden sijainti voidaan määrätä nollaamalla ylemmät Legendren termit palloharmonisessa • _ sarjassa, kuten edellä on hahmoteltu. Suorempi ja yleisempi ratkaisu on käyttää näitä silmukoita jatkuvan jakautuman 33 114415 approksimointiin seuraavasti: Yhdessä paikassa olevan silmukka-parin aiheuttama kenttä määrätään akselin suuntaan jatketulla mielenkiintoisella alueella, esimerkiksi Biot- Savart-yhtälön suoralla numeerisella integroinnilla μ0 f J(r')x(r-r1)

Bi(r) = — —-' (22) 4TT J |r - r' |3 missä lihavoidut merkit edustavat vektorisuureita ja dx' on elementtitilavuus.

Jatkuva jakautuma määrätään tämän jälkeen asianomaisella m:n arvolla määräämällä arvot Cn pienimmän neliösumman menetelmällä sarjassa

Bz = EnJn(k)Bx(r,m,k) (33) missä B]_(r,m,k) on yhden silmukkaparin kehittämän kentän aksiaalisen komponentin Fourier-muunnos. Silmukat sijoitetaan tällöin siten, että kaikkien tarvitsemat virrat ovat yhtä suuria. Vaihtoehtoisesti silmukoihin voidaan syöttää erisuuret virrat yhteisestä lähteestä kunkin silmukan rinnalla olevan vastusjärjestelyn avulla tai vaihtoehtoisesti eri virta-,·.· lähteistä. Tämän suunnittelumenetelmän etuna on, että se ottaa huomioon säteen suuntaiset kytkentäkaaret.

• » » »

Eräänä vaihtoehtoisena menetelmänä on laskea täydellinen • » * * | pintavirta voimatasapainotetusta pintaparista, ts. yhtälöstä ·;*. (21) sylinterimäiselle kelalle saadaan

Bz = EnJn(k) [Ba(r,m,k)-Bc(r,m,k)] (24) » > · 4 * · ’ Tuloksena olevien kaarien pituudet vaihtelevat, kuvio 16, mikä ·:*: voidaan johtaa käytännöllisesti sijoittamalla kaaret virta- Γ”: jakautumien vierekkäisten tasapotentiaaliviivojen (virtaus- . viivojen) väliin. Tämä antaa paremman ratkaisun kuin yhtälöstä ,, . (22) saatu, mutta koska yhtälö (24) ei ota huomioon säteen I 4 34 114415 suuntaisia kaaria, se riippuu voimakkaasti niiden osuuksien suuruudesta.

Tasapainottavien voimien, jotka pienentävät voimakkaasti pientaajuista akustista melua, lisäksi rakenteeseen voidaan sijoittaa ääntä vaimentavaa materiaalia, kuten kuviossa 17 on esitetty. Tämä vaimentaa jäljelle jäävää suurtaajuista melua. Kiinteä ydin kytkee voimien tasapainotuskaaren ja primääri-kaarien säteen suuntaisen liitännän. Lisäksi joustava ääntä vaimentava materiaali (musta) pienentää jäljelle jäänyttä suurtaajuista melua.

Voimatasaoainotetut pintavirtai akautumat

Eräänä toisena ratkaisuna on käyttää tavanomaisia pintavirta-jakautumamenetelmiä, joissa kelat on upotettu kokonaan pintaan. Tässä tapauksessa voimatasapaino saavutetaan kytkemällä molemmat pinnat yhteen joko koko pinnaltaan tai strategisista kohdista. Yhtälöä (24) on tällöin muokattava voiman pienentämiseksi skaalauskertoimella, joka on yhtäsuuri kuin säteiden suhde, joka ottaa huomioon suuremmat pituudet ulommalla säteellä, ts.

Bz = EnJn(k)[Ba(r,m,k) - a/c Bc(r,m,k)] (25) i · I * li Tässä menetelmässä ei esiinny kytkentäkaarien vaikutusta, : koska niitä ei ole.

i < * >_ Aktiiviset magneettiset suojat i . · . Magneettinen suojaus on helppo lisätä näihin yhtälöihin ' sijoittamalla suojaamattoman kentän tilalle renkaan suojattu * kokonaiskenttä, jonka antaa [ ; Bs = (kr)[K'm(ka)-K'm(ks)I'm(ka)/11mI(ks)] (24) suojaamattomalle kentälle.

» * I · 35 114415

Itse suoja voidaan tarvittaessa suojata akustisesti. Kokonais-kentän komponentit (Bn) ovat tällöin:

Bn = MokIm(kr)[Ja(k)aKm'(ka) +JC(k)cKm'(ke) + Jt(k)tKm'(kt) + Js(k)sKm'(ks)] (27) missä a on primäärikelan säde, c on primäärikelan akustisen suojan säde, s on magneettisen suojan säde ja t magneettisen suojan voimasuojan säde. Yhtälön (27) suureet määritellään seuraavasti:

Jc(k) = - a/c Ja(k), (28a)

Js(k) = a/s Ja(k)[Im'(ka) - I'm(ke)]/[I'm(kt) - I'm(ks)](28) ja

Jt(k) = - s/t Js(k) (28c)

Asettamalla c = t molemmat akustisten suojien virtajakautumat voidaan superponoida. Tällä saadaan rakenne, joka vaatii vähemmän tilaa, jolla on pienempi resistanssi ja joka on helpompi valmistaa.

; ' : Akustiset suojat tai voimasuoiat, joissa käytetään geometristä I v i *; ‘ · samanmuotoisuutta » ♦ * f « * j ,·. Tarkastellaan täydellisesti suojatun, täydellisesti akusti- sesti suojatun sylinterimäisen gradienttiryhmän matemaattista käsittelyä, jossa gradienttiryhmässä sekä primäärinen että magnettinen suojaus, joiden säteet ovat a, b, on voimatasa-painotettu ylimääräisillä sylinterikeloilla, joiden säteet *·' ’ ovat f, F. Lisäksi viitataan gradienttikelojen aktiiviseen mag- ·:“! neettiseen monisuojaukseen magneettikuvauksessa, P. Mansfield

ja B. Chapman J. Mag. Res. 72, 211-223, Turner R.J. (1986), A

* , target field approach to optimal coil design, J. Phys. D:

Appi. Phys. Vol. 19, L147-L151, sylinterimäisten jakautuneiden » * 36 114415 johdinkelojen tapauksessa.

Kuvataan sylinterillä, jonka säde on a, olevaa x-gradientti-kelaa virtafunktiolla Ξ(Φ,ζ). Johdintiet saadaan funktion S virtausviivoina. Virtajakautumaa kuvaa J = -VS.n (24) missä n on jokaisessa pisteessä kohtisuorassa sylinteripintaa vastaa. Jakautumalla J on seuraavat komponentit.

1 dS

Jz = — v— (30) a οΦ

1 dS

= Γ eT~ (31)

Yhtälön (31) Fourier-muunnoksen m:s komponentti on J(|)m (k) = ik Sm (k) (32) missä c c J*m(k) =ΡΤ{σφ(φ,ζ)} =— dz άφ e_1^e~1kzj(j) (φ/z) (33)

27Tj -00 J -TT Y

ja ; Sm (k) = FT{S (φ, z) } (34) x-gradienttikelan tapauksessa vain ja S"i poikkeavat nollasta.

» Sisäisen kentän antaa 1 * ’. ’ c F "MO 00 .,,,· Bz = — ak ik2a οο3φ S1 (k) K' χ (ka) Ιχ (kr) (35) F '< 7Γ J -00 I » · 37 114415

Ulkoisen kentän antaa /· -μ o oo

Bz = — ak ik2a οοεφ S1(k) 111(ka)Κχ(kr) (36) 7Γ J -00 missä r on radiaalinen napakoordinaatti.

Akustiset suojat, joissa on toinen kela

Lisätään virtafunktion S((|),z) kuvaama toinen kela sylinterille, jonka säde on f. Tällöin voimatasapaino edellyttää, että S(<|>,z) = -a/f S(<j>,z) (37) Tämä takaa, että johdinteillä on samat ζ,Φ arvot jokaisella kelalla ja oikea virtasuhde l:a/f. Johdintiet ovat toisin sanoen radiaalisesti kohdistettuja.

Akustinen suojaus ia aktiivinen suojaus

Tarkastellaan neljää kelaa, jotka on käämitty sylinteri-pinnoille, joiden säteet ovat a, b (nämä ovat primäärikela ja magneettinen suoja) ja f, F (nämä ovat pääasiassa primäärinen V. akustinen suoja ja magneettinen suoja). Kuviossa 9(b) on ,·· , esitetty yleinen kelajärjestelyn si joituspiirros . Käytettäessä edellä olevia merkintöjä f = aa ja F = ab, järjestelyn rele- . vantit virtafunktiot ovat: * * » · :·: · säde_virran virtafunktio funktio ’ a Sa primäärikela f Sf primäärinen voimasuojaus : I : b Sk aktiivinen suoja F Sp aktiivisen suojan voima- suoja 38 114415

Akustista eli voimasuojausta varten vaaditaan, että

Sf = (-a/f) Sa (38) ja myös että SF = (-b/F) Sb (39)

Kentän kumoutumista varten säteillä r > d on oltava a If' (kaJSaMk) + f Ιχ' (kf)S1f (k) + blx' (kb)Sb1(k) + Flf ' (kF) s^-p (k) =0 (40) Käyttämällä yhtälöitä (38) ja (39) k-avaruuteen sovellettuna saadaan a [I]_' (ka)-Ιχ' (kf) ] S1a (k) = -b [Ιχ - (kb) - If ' (kF) ] Sb1 (k) (41)

Uudelleen järjestelemällä saadaan a[Ιχ'(kf) - li'(ka)]

Sb1 (k =------Sal k (42) b [I]_1 (kf) - Ιχ ' (kb)]

Sisäisen kentän antaa

» · t I

• * /% ‘ . “MO 00 ·...· Bz = — dkik2cos(|>Ii (kr) T (43) • · 27Γ J -oo */*,’ missä * > I * V : T = Σ t Sl 1 (k) Ki ' (k/ ) (44) / i I I · !'.! ja missä l = a,b,f ja F. Käyttämällä yhtälöitä (38) ja (39) saadaan (45) 39 114415 T = a Sa1(k) [Ki'ika) - Ki'ikf)] + b Sbl(k) [Kx' (kb) - Ki’ (kF)3 -Käyttämällä yhtälöitä (41) ja (42) saadaan: T = S1a(k)T' (46a) T'= Ά{[Κλ' (ka) - Kx ' (kf) ] - [K]/ (kb) - Kx · (kf) ] (46b) [Il'(kf) - Ιχ1(ka)] X [li1(kF) - li'(kb) Tällöin voidaan käyttää tavoitekenttäratkaisua, Turner J.J. (1986), A target field approach to optimal coil design, J. Phys. D: Appi. Phys. Vol. 19, L147-L151, jossa on määritelty kenttä Bz(c.<±>,z). Fourier-muunnos antaa tällöin kentän Bz(c,k) säteellä c. Asettamalla yhtälön (43) integrandi yhtäsuureksi kuin Bz1(c,k) ja invertoimalla funktiolle Sg1(k) saadaan lauseke sa1(k) = —T^TTi—r§?1(c'k) (47) μο^ΐχ (ke) Tr Täydellinen voimasuoiaus ia aktiivinen magneettinen suojaus, jossa suonien kokonaisvirta on tasapainotettu • · t i • · • v Sellaisen järjestelmän suunnittelemiseksi, johon sisältyy • 1 j : | aktiivinen suojaus ja voimasuojaus siten, että jokaisen ke- lasylinterin kaikki paluukaaret osuvat jonkin sylinterin • · · · kohdalle, on välttämätöntä, että kaikkien sylinterien kokonais-virtojen summa on nolla. Tämä on teoreettisesti mahdotonta, kun kelasylintereitä on vain kolme. Sen sijaan virtatasa- • · · 1!^ painotettu, akustisesti ja aktiivisesti magneettisesti suojat- \ tu kelaryhmä voidaan suunnitella käyttämällä neljällä kela- sylinterillä olevia virtajakautumia.

40 114415

Tarkastellaan virtajakautumia sylintereillä, joiden säteet ovat a, f, b ja F (a<f<b<F) , joita jakautumia kuvaavat Fourier-tason virtafunktiot Sam(k), Sfm(k), Sbm(k) ja SFm(k) .

Tällöin on täytettävä kolme ehtoa, jotka ovat: a) virtojen tasapainottamiseksi

Sam + Sfm + Sbm + SFm =0 (48) b) voimatasapainoa varten a Sam + f Sfm + b Sbm + F SFm = 0 (49) c) ja aktiivista magneettista suojausta varten a Im’(ka) Sam + f Im’(kf) Sfm + b Im'(kb) Sbm + F Im'(kF) Spm = 0 (50) Nämä ratkaisemalla havaitaan, että virtafunktiot Sbm, Sfm ja Spm riippuvat funktiosta Sam seuraavien yhtälöiden mukaisesti

Sfm a(b-F)Im'(ka) + b(F-a)Im'(kb) + F(a-b)Im'(kF) ~ f (F-b) ira' (kf) + b(f-F) lm· (kb) + F(b-f)im'(kF) » · p.'. Sbm a(f-F) Im* (ka) + f (F-a) Im' (kf) + F (a-f) Im' (kF)

Sara " b(F-f) Im- (kb) + f (f-F)Im' (kf) + F(f-b)Im' (kF) ;·*/ SFm a (b-f) Im' (ka) + b (f-a) Im' (kb) + f (a-b) Im' (kf) ^ s^ = F(f-b) im'(kF) + b(F-f) im' (kb) + f (b-F) im'(kf) • · * I i ·

Jos f —> b, havaitaan odotetulla tavalla, että Smp -> oo, mikä : : : osoittaa, että kolmelle kelasylinterille ei ole ratkaisua.

:Τ: Eksakti ratkaisu edellyttää siten neljää kelasylinteriä. On ' . kuitenkin mahdollista löytää sellainen kolmen sylinterin järjestely, joka tyydyttää likimain vaaditun virta-arvon, ·;· kuten seuraavassa selitetään.

41 114415

Siten voidaan määritellä Βζ(ο,Φ,ζ), käyttää yhtälöä (47) funktion Sa!(k) laskemiseksi, käyttää tämän jälkeen yhtälöitä (38, 39, 41 ja 42) funktioiden Sf1 (k) , Sf,1 (k) ja Sp1 (k) laskemiseksi.

Aktiivinen akustinen suojaus voidaan yhdistää aktiiviseen magneettiseen suojaukseen kelarakenteen saamiseksi, jossa on ainakin kolme sylinteripintaa, jotka tukevat kolmea kelaa. Tämän saavuttamiseksi sylinteripintojen välille on saatava oikea voimatasapaino. Tämä saadaan aikaan varmistamalla, että kaikkien kolmen sylinterin johtimet ovat radiaalisesti kohdistettu j a.

Induktanssi

Kelat

Mielivaltaisen suljetun tasomaisen tai likimain tasomaisen silmukan induktanssi Lf saadaan likimain ekvivalenttisen pyöreän renkaan, ts. sellaisen pyöreän renkaan, joka sulkee sisäänsä yhtä suuren pinta-alan, induktanssista. Tässä tapauksessa

Lf= μο (Α/π) ^n2ln (16/d (A/tt) ^-2) (54) ·. t missä A on renkaan sisäänsä sulkema pinta-ala, d on johtimien paksuus säteen suunnassa, n on kierrosten lukumäärä ja A on renkaan sisäänsä sulkema pinta-ala.

» * · : : : Jakautuneet kelat » ♦ · Käyttökelpoisen approksimaation jakautuneille keloille antaa • lyhyen tasaisen solenoidin induktanssi Ls

Ls = μ0η2(Α//) E (55) i · t · 42 114415 missä / on rakenteen pituus, A on keskimääräinen poikkileikkauspinta-ala ja E on päätykorjauskerroin, joka on annettu taulukossa 1, joka esittää korjauskertoimet pinnan virta-j akautumille.

Induktanssin yleinen yhtälö on

Lpq = - μοττ2ρς/(DpDq) Emjjp (-k,-m) Jg(k,m) Im' (kp) Km' (kg) dk) (56) missä p ja q ovat kahden pinnat säteet, joilla pinnoilla virtajakautumat Jp ja Jg ovat, ja Dp ja Dg ovat niiden suuruudet .

Tulokset 1. Erillisistä kaarista muodostuva silmukkarakenne Tämä rakenne, kuvio 14, toteutettiin sisään asetettavan gradienttikelayksikön konstruoimiseksi, joka on tarkoitettu EPI-käyttöön Nottinghamin yliopiston MR-keskuksessa käytössä olevaan koko potilaan kuvaavaan 3T MR-järjestelmään. Kela-järjestelmä valettiin kalsiumkarbonaatilla täytettyyn poly-styreenihartsiin ja siihen sisältyi x, y ja z gradienttikelat.

·_·, Koon, luoksepäästävyyden, käytettävissä olevien teholähteiden !.'t ja ennen kaikkea valmistuskyvyn asettamat käytännön rajoituk- set johtivat ratkaisuun, jonka yksikohdat on esitetty taulu-; kossa 2.

i » * ··· · Kyseessä on magneettisesti suojaamaton järjestelmä, jossa * ulkoinen kenttä 50 cm säteellä on: a) Maxwellin kelan tapauksessa 2,4 x 10-7 T/ampeerikierros * ϊ : ϊ (kohdassa likimain z = +20 cm), ; b) poikittaisten gradienttien tapauksessa: 3,5 x 10-7 T/ampee- ‘ . rikierros (kohdassa z = 0 cm).

;* Nämä ovat pahimmat kohdat ja ne ovat hyväksyttävissä rajoissa.

43 114415 Tällä rakenteella saavutettu huomattava akustisen melun väheneminen on mahdollistanut EPI-tulosten saamisen testi-kohteista ja vapaaehtoisten henkilöiden päistä arvolla 3,0 T. Eräitä ensimmäisiä tuloksia on esitetty kuviossa 23b, c ja d.

Kuviot esittävät poikittaiskuvia, jotka esittävät kuvasarjaa aivoista, jossa ventrikkelien yksityiskohtia, harmaa ja valkoinen aivoaine ja aivorunko, (a) on lasi- ja vesitesti-kuvio. Resoluutio tasossa on 0,75 mm. Kuvamatriisin koko 256 x 256 pikseliä. Viipaleen paksuus 2,5 mm. (b, c ja d) ovat kuvia normaalin vapaaehtoisen päästä. Näissä kuvissa resoluutio tasossa on 1,5 mm. Kuvamatriisin koko 128 x 128 pikseliä. Viipaleen paksuus 5 mm. Kaikki kuvat ovat yksittäiskuvia ja ne muodostettiin noin 140 ms ajassa. Kelan parametrit on annettu taulukossa 2.

Poikittaisgradienttiryhmille kehitettiin myös teoreettisia ratkaisuja, joissa käytettiin: 2. Jakautuneita kaarisiimu- koita, joilla on vakiosuuruinen (120°) kulmaulottuvuus, 3. Jakautuneita kaarisilmukoita, joilla on vaihtelevat kulma-ulottuvuudet, 4. Voimatasapainotettuja pintavirtajakautumia, 5. Täydellisesti voimatasapainotettuja suojattuja pintavirtajakautumia ja 6. Täydellisesti voimatasapainotettuja suojat-·,·, tuja pintavirtajakautumia, joissa voimasuo j austa käytetään paluuvirtateinä.

; Vertailun vuoksi näiden ratkaisujen mitat rajoitettiin edellä '·* · selitetyn erillisiä kaarisilmukoita käyttämällä muodostetun ··* : kelarymän mittoihin. Nämä mitat ovat pituus 40 cm ja halkai- !.‘ ’ sija 40 cm, jolloin mielenkiintoinen alue on määritelty sylinterin keskialueeksi, jonka pituus ja halkaisija ovat 20 cm. Tämän vuoksi käytettiin pituudeltaan rajoitettujen kelojen optimointimenetelmää, Turner R.J. (1986) , A target field approach to optimal coil design, J. Phys. D: Appi. Phys. Vol.

... 19, L147-L151. Optimointi suoritettiin pisteverkossa, joka t »

i I

44 114415 kattaa maksimigradienttitason yhden kvadrantin (r = 0, 2, ...

10 cm, z=0, 0,2, ... 10 cm).

Jakautuneet kaarisilmukat, joilla on vakiosuuruinen (120°) kulmaulottuvuus

Yhden elementtikaarisilmukkaparin kohdassa z = 0 kehittämä kenttä määrättiin laajalla aksiaalisella alueella. Tämän jälkeen muodostettiin näiden ja peräkkäisten aksiaalisten virtojen harmonisten konvoluutio. Sovittamalla tuloksena olevat kentät pienimmän neliösumman menetelmällä saatiin optimaalinen ensimmäisen neljän aksiaalisen harmonisen muodostama virtajakautuma. Tuloksena olevat silmukoiden sijainnit (20) on esitetty kuviossa 18.

Jakautuneet kaarisilmukat. joilla on vaihteleva kulmaulottuvuus Käyttämällä yhtälöä 24 ja jättämällä huomiotta kytkentäkaarien osuudet pienimmän neliösumman optimointimenetelmällä saatiin neljän kertoimen (0-3) ratkaisu. Tuloksena olevat silmukoiden sijainnit (20) on esitetty kuviossa 19. Ulottuvuudet määrättiin sijoittamalla kaaret tasapotentiaalivirtausviivojen väliin.

Voimatasapainotetut pintavirtai akautumat Tämä nimenomainen suunnitteluperiaate ei sovellu rajoitetun •! · primääripinnan tapaukseen. Tämän vuoksi yhtälöä 2 5 käyttämällä .; : saatu ratkaisu ei ole erityisen tehokas tässä erikoistapauk- v : sessa. Tämän ratkaisun käytännön soveltaminen pituusrajoite- tussa tapauksessa on mahdollista vain mielenkiintoisen alueen ; pituuden ollessa suuruusluokkaa 10 cm, jolloin se ei ole yhtä 'J. tehokas kuin erillisten kaarisilmukoiden menetelmä.

f t » l » , · t

» I

. 1 » 45 114415 Täydellisesti voimatasaoainotetut suojatut pintavirtaiakautu-mat

Tarvittavien virran paluuteiden vuoksi tässä konstruoitiin pidempi koko potilaan kuvaukseen tarkoitettu järjestelmä, jossa primäärikelan pituusrajoitusta voitiin jonkin verran väljentää. Kelan mitat valittiin ottamalla huomioon käytännön asettamat vaatimukset. Näitä ovat tyypillisesti potilaan pääsy laitteeseen ja teholähteen rajoitukset. Mitat ovat: 1. primäärisäde (a) 30 cm, 2. primääripituus 120 cm (2 x halkaisija) 3. suojan säde (s) 5 cm (1,5 x a) 4. sylinterimäisen mielenkiintoisen alueen säde on 20 cm (66 % a) ja pituus 40 cm.

Sekä primäärikelan että magneettisen suojan voimasuojat tehtiin yhteneviksi ja tuloksena oleva yksi ainoa virta-jakautuma määrättiin. Yksittäiset virtajakautumat ja siten johdintiet muodostetaan yksinkertaisesti primäärisen ja vastaavasti magnettisen suojan jakautumien säteen suuntaisella skaalauksella atsimuuttisuunnassa.

Voimasuojapinnan säde valittiin siten, että se maksimoi gradientin tehokkuuden. Tämä saavutettiin minimoimalla virran V. ensimmäisen harmonisen itseinduktanssi. Tämä antoi optimaali- · t seksi säteeksi 39,75 cm. Gradienttikentän täydellinen pienim- män neliösumman optimointi yhtälöistä (27) ja (28) suori-, ! tettiin tällä alueella olevilla säteillä, jolloin optimi t * « ‘ ' saavutettiin kohdassa 38 cm, taulukko 5. Tuloksena olevat » ' * * pintakelajakautumat yhdessä kvadrantissa primäärikelalle ja yh- V ‘ distetylle voimasuojalle ja magneettisuojalle on esitetty kuvioissa (20a), (20b) ja (20c).

i » · : ; : Vaaditut virrat kullekin pinnalle on annettu taulukossa 3.

• * » · » » 46 114415 Täydellisesti voimatasapainotetut suojatut pintavirtaiakautu-mat, kun paluuteinä käytetään voimasuoiaa

Edellä olevissa suoritusmuodoissa virtajakautumien integraali jokaisella pinnalla on nolla. Taulukosta 3 ilmenee, että voimasuojassa virtaava kokonaisvirta on melkein kahden muun summa. Tämä pätee yleisesti ja sen avulla saadaan kuviossa 21 kuvattu mahdollisuus, jossa voimasuojaa käytetään kahden muun kelan paluuteinä. Jäljelle jäävää virtaepätasapainoa tarvitaan kytkentäkaarien kohdalla näistä kaarista aiheutuvien säteen suuntaisten voimien tasapainottamiseen. Geometrisesti voidaan yksinkertaisella tavalla osoittaa, että nämä voimat ovat täsmälleen tasapainossa, kun Kirchoffin laki on tyydytetty. Tämä ilmenee suoraan tarkastelemalla projektioita r-6-tasossa (1 = 1'+1", kuviossa 21).

Kuten edellä on todettu, lisävaatimuksena täydellisen virta-tasapainon, voimatasapainon ja magneettisen suojauksen saavuttamiseksi on, että siihen tarvitaan ainakin neljä pintaa, joille on käämitty neljä erillistä kelaa, yhtälöiden (48-50) vaadittujen samanaikaisten ehtojen toteuttamiseksi. Tästä poikkeaminen edellyttää kompromissia joko suojauksessa tai voimatasapainossa tai virtatasapainossa. Viimeksi mainittu voidaan toteuttaa ensivaiheessa likimääräisesti ja tämän V, jälkeen lisäämällä pienivirtaisia teitä epätasapainoa kehittä- • t vän jäännöksen poistamiseksi.

Ratkaisujen vertailua ? * 1 » : Seuraavassa esitetyssä taulukossa 4 on esitetty näiden eri V 1 ratkaisujen kentän laadun, tehokkuuden ja induktansin vertailu.

> :: Erillisinä kaarisilmukoina toteutettu ratkaisu 1 = » > . . Tuloksena olevat kelat ovat erittäin pienikokoisia akselin « suunnassa. Ne soveltuvat tämän vuoksi erittäin hyvin sisään , * i t 47 114415 asetettaviksi gradienttikeloiksi. Niiden valmistaminen on myös suhteellisen helppoa ja ne ovat helposti liitettävissä rakenteisiin, missä on muita akustisia melunvaimennusominaisuuksia (kuten kuviossa 17 esitetty järjestely).

Jakautuneet kaarisilmukat, joilla vakiosuuruinen (120°) kaa-riulottuvuus Nämä kelat ovat myös pienikokoisia, mutta niillä voidaan kehittää gradienttikenttiä suuremmalle aksiaaliselle alueelle. Tämän vuoksi myös ne soveltuvat sisään asetettujen gradientti-kelojen konstruointiin.

Jakautuneet kaarisilmukat, joilla on vaihteleva kulmaulottu-vuus Näillä suoritusmuodoilla on samanlaiset ominaisuudet kuin niillä, joissa kulmaulottuvuus on vakio, siten, että ne antavat gradienttikenttiä kelan aksiaalisen ulottuvuuden suurelle osuudelle. Ne sopivat tämän vuoksi erittäin hyvin sisään asetettavien gradienttikelojen konstruointiin.

*.’. Rakenteen tehokkuus voidaan optimoida säteen suuntaista ,·* . välimatkaa muuttamalla.

, ! Voimatasapainotetut pintavirtai akautumat 4 * | »

Poikittaisten gradienttien saamiseksi kelojen aksiaalisen t I · V ’ pituuden on yleensä oltava suurempi kuin edellä esitetyissä silmukkaratkaisuissa kunkin yksittäisen pinnan paluuteiden •',·,1 muodostamiseksi. Nämä ratkaisut soveltuvat erityisesti · : standardigradienttikelaratkaisuihin, joilla voidaan kuvata koko potilas.

» »· • · ’!* Tällä suojaamattomalla esimerkillä saatiin tuloksena tehoton ratkaisu. Tämä johtui siitä, että primäärikelan ja voimasuojan | : paluuvirtatiet oli rajoitettu erikseen omiin pintoihinsa.

48 114415

Magneettisesti suojattuna ratkaisu parantaa tehokkuutta suojan aikaansaaman lisäkentän ansiosta.

Kaikki nämä ratkaisut voidaan suojata magneettisesti ja tähän suojaukseen voi itsessään sisältyä toinen voimasuoja, joka voi yhtyä primääriseen voimasuojaan.

Täydellisesti voimatasapainotetut suojatut pintavirta- iakautumat

Magneettisen suojan lisääminen parantaa sekä käyttökelpoisen kentän ulottuvuutta että tehokkuutta. Voimasuojapinnan toissijaisena vaikutuksena on, että se suojaa osittain primääri-kelan magneettikentän. Koska virtasuhde (a/b) on suurempi kuin magneettiseen suojaukseen tarvittava ((a/b)2), voimasuojapinta ylikompensoi primäärikelan ulkoisen kentän. Magneettisen suojan virta kompensoi tämän vuoksi ensijaisesti voimasuojän ulkoisen kentän ja summatuuu primäärikenttään mielenkiintoisella alueella.

Maksimaalisen tehokkuuden saavuttamiseksi magneettisen suojan ·.*. ja voimasuo jän pintojen tulisi olla mahdollisimman kaukana i · ,·· , primäärikelasta. Suojan sädettä rajoittaa tavallisesti mag- • · neettikuvausjärjestelmän vapaa aukko. Voimatasapainon aikaan-. ! saavan pinnan optimisijoitusta määrättäessä on otettava I · « !*’,· huomioon myös muita fysikaalisia rajoituksia, kuten johtimien maksimivirransietokyky. Yhdistetyn magneettisuoj an ja voima-’ suojapinnan aksiaalinen pituus, jossa virta voi kulkea, on esimerkiksi suurempi kuin primäärikelaa varten käytettävissä oleva pituus (yleensä suuruusluokkaa kaksi kertaa suurempi) .

: Tämän vuoksi saattaa olla edullista käyttää kaksinkertaista ,t’t; kierroslukua, jossa kulkee sama virta kuin primäärikelassa.

... Vaihtoehtona on sijoittaa voimasuo j apinta joko siten, että ’T saadaan maksimaalinen kokonaisinduktanssi tai maksimi- tehokkuus.

49 114415

Normaalin magneettisesti suojatun kelan tapauksessa järjestelmän kokonaisinduktanssi on yksinkertaisesti primäärikelan induktanssin ja suojan keskinäisinduktanssin summa.

Jos voimasuoja otetaan käyttöön ja sen sijoitus valitaan siten, että sen itseinduktanssi on nolla, sen ja muiden pintojen välisten keskinäisinduktanssien voidaan odottaa olevan mitättömän pieniä. Tämän seurauksena kokonaisinduktanssi L on verrattavissa normaalin suojatun tapauksen kokonaisinduktanssiin. Tämän seurauksena on vuorostaan maksimi-tehokkuuden saavuttaminen, jolloin tehokkuus (η) määritellään seuraavasti η = 1//LI (57) missä I on virta yksikkögradienttia kohti.

Koko potilaan kuvaamiseen tarkoitetut kelat Tällä ratkaisulla saadaan gradienttikenttä 1,2 μΤ/m ampeeri- kierrosta kohti. Vertailun vuoksi voidaan mainita, että samalla tavalla optimoidulla suojatulla kelalla saadaan 2,6 ·.·. μΤ/m ampeerikierrosta kohti. Täydellisesti voimatasapainotetun .. < suojatun kelan tapauksessa suojassa tarvitaan huomattavasti suurempi virta, joskin tämä voidaan helposti toteuttaa suojan , ; lisäkierroksilla sen vaikuttamatta haitallisesti induktans- :·*/ siin.

♦ · · v · Voimasuojapinnan siirtäminen tästä optimisijainnista joko primäärikelaa tai magneettista suojapintaa kohti suurentaa asymptoottisesti sekä sen että mainitun pinnan virtaa.

' . Täydellisesti voimatasapainotetut suojatut pintavirta- iakautumat, joissa paluuteinä käytetään voimasuoiaa j : “>“ Kuvioissa 22(a), 22(b) ja 22(c) on esitetty tällaisen ratkai- sun primäärikelan, voimasuojan ja magneettisuoj an johtimien 50 114415 jakautumat, parametrien ollessa esitetty seuraavassa taulukossa 5. Paluuteiden puuttuminen tekee tämän ratkaisun erityisen sopivaksi lyhyiden kelojen valmistamiseen. Tämä yhdistettynä rakenteen geometriaan pienentää huomattavasti järjestelmän induktanssia, mikä tekee siitä erittäin tehokkaan vaihtoehdon. Tässä määrityksessä kytkentöjen ja tarvittavien voimasuojavirtojen (jotka kaikki ovat pieniä) lisäpaluuteiden vaikutus jätetään ottamatta huomioon. Kaikki nämä piirteet voidaan kuitenkin tarvittaessa sisällyttää suunnitteluun.

Kuten edellä otsikon "Täydellinen voimasuojaus ja aktiivinen magneettinen suojaus, jossa suojien kokonaisvirta on tasapainotettu" alla on todettu, yhtälöiden (48...50) tarkka ratkaisu edellyttää yleensä neljää sylinteriä. Tässä luvussa esitetyssä esimerkissä käytetään vain kolmea sylinteriä, mikä merkitsee sitä, että täydellisen virtatasapainon saavuttaminen huonontaa magneettista suojausta tai vaihtoehtoisesti jos magneettinen suojaus on täydellinen, voimatasapaino kärsii.

Samaa voimien kumoamisperiaatetta voidaan soveltaa kytkentä-johtimiin. Virtaa sisään ja ulos johtavat johtimet on sijoitettava mahdollisimman lähelle toisiaan, niin että vaikutus magneettikenttään voidaan jättää ilman huomiota. Tällaisen jär-/· . jestelyn nettovoima on automaattisesti nolla, mutta voimat voivat olla merkittäviä pienessä mittakaavassa. Käytettävissä . olevat kolme vaihtoehtoa ovat kierretyt parit, yhdensuuntaiset johtimet tai koaksiaalikaapeli. Kierretyt parit kehittävät ··* · pienen hajakentän, mutta ne sallivat huomattavan liikkeen.

*·’ * Lisäksi ei ole sellaista suuntausta, jossa voima olisi nolla.

Kierrettyä paria voidaan pitää lomitettuna kelaparina. Tämän vuoksi parin pääakselin ollessa suunnattu magneettikentän :: : suuntaan jäljelle jää edelleen tehollinen kelakomponentti >t’>; pahimpaan suuntaan.

» · » · *!* Yhdensuuntaisten johdinten tapauksessa kummankin voima on täsmälleen nolla, kun johtimet on suunnattu magneettikentän : ‘ suuntaan, mutta muun suuntaisina kumpaankin vaikuttavat voimat 51 114415 voivat olla huomattavia, vaikka ne ovat balansoituja. Lisäksi syntyy nettomääräinen, joskin pieni magneettinen dipoli.

Koaksiaalinen kaapeli on optimaalinen, koska sillä ei ole magneettikenttää, ts. se on täydellisesti itsesuojaava, ja vaikka voimat riippuvat suuntauksesta, johtimien sisäkkäisyys jakaa voimat optimaalisesti molempien välille, nettovoima on luonnollisesti aina nolla. Standardikoaksiaalikaapelit on suunniteltu suurelle jännitteelle ja pienelle virralle. Magneettikuvauksen vaatimuksena on sitä vastoin suuri virta ja kohtalainen jännite. Tämän vuoksi keksijät konstruoivat oman suurivirtaisen, pieniresistanssisen johdon, sijoittamalla 12 AWG uritetun kaapelin 6,36 mm kupariputken sisään. Koko järjestely valssattiin tämän jälkeen litteäksi johdinten lukitsemiseksi paikalleen ja se sijoitettiin taipuisaan muoviputkeen eristyksen aikaansaamiseksi (Portex 7 mm x 10,5 mm) .

Eräänä strategiana suurtaajuisen akustisen melun pienentämiseksi on upottaa kytketyt balansoidut johdinparit absorboivaan materiaaliin. Tästä on esitetty esimerkki kuviossa 17 pallo-harmonisten kaarisilmukoiden tapauksessa.

Jopa magneettisesti suojaamattomat ratkaisut ovat osittain ‘y; itsesuojaavia, koska primäärikelojen ja voimasuojien kentät kumoavat jossain määrin toisensa. Kun primäärikelojen pituus : on voimakkaasti rajoitettu, kuten sisään asetettavien kelojen i.: : tapauksessa, kaarisilmukkarakenteiden käyttämisellä on huomat- *.· · tavia etuja. Kun näin ei ole, pinta jakautuneita keloja käyttä mällä saavutettava valmistuksen helppous ja parempi kentän : laatu tekee näistä paremman vaihtoehdon. Käytettävissä oleva tila ja kelan kokona is induktanssi on kuten aina otettava ’ , huomioon ennen kuin tehdään lopullinen päätös siitä mitä tiettyä suoritusmuotoa käytetään tietyn sovelluksen toteuttami- i : ··· sessa.

» ♦ * * » 52 114415

Akustista melua voidaan pienentää huomattavasti käyttämällä voimasuojattuja ratkaisuja, joiden hyöty kasvaa voimakasta kenttää käyttävissä järjestelmissä ja suurilla gradienteilla ja kytkentänopeuksilla. Nämä ratkaisut eivät huononna tehokkuutta kohtuuttomasti tavanomaisiin suojattuihin keloihin verrattuna.

Muita suunnittelun optimointimenetelmiä, kuten kokonais-induktanssin minimointia, tehokkuuden maksimointia jne., J.W.

Carlson, K.A. Derby, K.C. Hawryszko ja N. Weideman (1992),

Design and evaluation of screened gradient coils. Mag. Res. Med. 26, 191-206, voidaan hyvin käyttää yhdessä akustista melua pienentävien voimasuojien kanssa.

Jakautuneilla kaarisilmukkaratkaisuilla saavutetaan homogeenisuus suuremmalla osalla niiden pituudesta kuin tavanomaisilla ratkaisuilla, minkä vuoksi ne soveltuvat ideaalisesti sisään asetettavina gradienttikeloina käytettäviksi. Tämä yhdessä suuren tehokkuuden kanssa tekee niistä erityisen sopivia erittäin vaatiiviin magneettikuvausmenetelmiin, kuten FLASH ja EPI. Täydellisen voimatasapainon lisäksi kaarisilmukkaratkaisuilla saavutetaan lisäksi täydellinen vääntömomenttien ·.·. kumoutuminen. Kaarisilmukkaratkaisut ovat sellaisia, että !.* kentän aksiaalikomponentit ovat yksi tai kaksi kertaluokkaa suurempia kuin molemmat poikittaiskomponentit. Tämä poikkeaa tavanomaisista poikittaisgradienteistä, joissa aksiaali- ·’·· : komponentti on pienempi kuin toinen poikittaiskomponenteista.

» * * M : Tämä tekee ratkaisusta luonnostaan turvallisemman tutkittavaan * kohteeseen vaikuttavan gradienttikentän tason osalta.

: : : Jakautuneet pintaratkaisut ovat luonnostaan helpompia valmis- taa. Niillä ei saavuteta täydellistä vääntömomenttien kumoutumista, kuten kaarisilmukkaratkaisuissa, pienten jäännösvääntö-momenttien vaikuttaessa pienten atsimuuttisuuntaisten etäi-syyksien yli. Tilanne on päinvastainen tavanomaisiin ratkai-:*·: suihin verrattuna, jotka synnyttävät suuria vääntömomentteja, S3 114415 jotka vaikuttavat aksiaalisen pituuden puolikkaan yli, kuten kuviossa 13 on esitetty.

Kaikki ratkaisut voidaan muuttaa helposti aktiivisesti mag-neettisuoj atuiksi.

Edellä on selitetty aktiivisesti voimasuojattujen kelojen periaatteet ja osoitettu, että tällaisella ratkaisulla voidaan vaikuttaa melun kehittymisen perussyyhyn magneettikuvauksessa käytetyissä magneettisesti suojatuissa ja suojaamattomissa gradienttikeloissa. Vaikka tämän lähestymistavan päätavoitteena on kehittää äänettömiä gradienttikeloja, jotka ovat turvallisia eivätkä häiritse potilas- ja eläinkäytössä, voimasuojatuista keloista saattaa olla hyötyä myös sellaisissa tilanteissa, joissa kelan liike on ongelma. Tällainen tilanne on olemassa MRI-mikroskopiassa, missä vaaditaan kuvia, joilla on erittäin suuri tilaresoluutio. Gradienttikelan pienet liikkeet saattaisivat helposti huonontaa ja/tai rajoittaa saavutettavissa olevaa lopullista resoluutiota.

Seuraavassa on esitetty muita koetuloksia, jotka liittyvät kuvioihin 24...26 ja yhtälöihin 58...63.

·· > Edellä esitetyn tarkastelun perusteella on selvää, että parhaiden tulosten saavuttamiseksi tukimateriaalilla tai , ; muovihartsivaluaineella tulisi olla suuri kimmomodulin E arvo ·’·/ ja pieni tiheyden arvo p. Tällaisella yhdistelmällä saadaan : suuri kompressioaallon nopeus. Siten päinvastoin kuin : intuition perusteella voitaisiin olettaa, kevyt ja luja tukirakenne voi toimia yhtä hyvin kuin painavampi materiaali.

Ratkaisevana tekijänä kummassakin on suuri aallon nopeus.

: ; : Täytetyt muovihartsit, joissa käytetään painavia täyteaineita, "t. voivat lisätä huomattavasti kelajärjestelyn painoa ja antaa ... myös lisää lujuutta.

! ;

Voimatasapainotettu j en kelojen periaatteita voidaan soveltaa : ·*; suoraan gradienttikelojen suunnitteluun. Yksinkertaisimmassa 54 114415 järjestelyssä kuvion 5 poikittaisgradienttikela voidaan konstruoida neljästä tai useammasta suorakulmaisesta silmukasta, joista yhden on kuviossa 24b esitetty kehittävän x-gradientin Gx. Puhtaampien gradienttien saamiseksi gradient-tikela voidaan konstruoida n silmukkaneliköstä, kuten on esitetty päällyskuvantona kuviossa 25a. Tässä järjestelyssä jokaisen silmukkanelikön leveys on a{, pituus bn ja missä on Nn johdinkierrosta. Peräkkäisten silmukkaneliköiden virta on In. n:nnen nelikon tasoetäisyys on 2zn ja silmukan ulottuvuus tasossa on an + xn. Tällaisessa kelajärjestelyssä voimat ja vääntömomentit kumoutuvat. Spatiaalisesti tasaisempi magneettikenttä tai kentän gradientti saadaan, kun n > 1.

Koska useimmissa koko potilaan kuvaukseen tarkoitetuissa järjestelmissä käytetään staattisen magneettikentän symmetriaa, selitetyt suorakulmaiset silmukat voidaan deformoida kaariksi. Edellyttäen, että kaaret muodostavat suljettuja silmukoita, että silmukoiden tasot ovat kohtisuorassa magneettikenttään B nähden ja että kelan johtimet on kytketty mekaanisesti toisiinsa tuilla tai valamalla hartsiin, kaikki vääntömomentit ja voimat tasapainottuvat samalla tavalla kuin suorakulmaisen silmukan tapauksessa. Tämä tulos pätee mille tahansa suljetulle silmukalle, jossa kulkee virta I ja joka rajoittuu tasoon ja jossa Θ = 90°, koska viivaintegraali ; silmukan ympäri on: : ·' <j)dF = 0. (58) · Tämä tulos voidaan yleistää viivaintegraaleihin, joissa silmukan virta vaihtelee, ts.

= - Σ-JiB x Ιχ d/= 0 (59) • » * * » I · ... missä on virta, joka kulkee tien imnessä segmentissä.

·;· Tässä muodossa voimatasapaino voidaan saavuttaa myös avoimilla virtasilmukoilla.

i i » 55 114415

Kaarisilmukat voidaan kytkeä joko sarja- tai rinnakkais-järjestelyksi tai näiden yhdistelmäksi. Kaikissa tapauksissa kytkennät kaariin on tehtävä sillä tavalla, että syöttö- ja kytkentälangat tai -johtimet kulkevat pareittain päämagneetti-kentän B suuntaisina ja ne on edullista valaa muovihartsiin lopullisessa johdotusj ärjestelyssä.

Tässä selitettävässä tietyssä koejärjestelyssä konstruoitiin kaksi tasomaista suorakulmaista kelaa 50 ja 51, joissa kummassakin oli 10 kierrosta, kelan mittojen ollessa a = 40 cm ja b = 40 cm. Molemmat kelat asennettiin koaksiaalisesti siten, että niiden tasot ovat kentän B suuntaisia ja 7,5 cm päässä toisistaan. Järjestely on esitetty päällyskuvantona kuviossa 25b. Kytkennät tehtiin siten, että joko toista kelaa tai molempia keloja (jotka tapaukset vastaavat akustisesti suojaamatonta tai vastaavasti suojattua järjestelyä) voidaan syöttää virtalähteestä (ei esitetty). Kuvion 25b molemmat varjostetut alueet valettiin kiinteään polystyreeniin 52 vastakkaissuuntaisia virtoja johtavien lankojen 50 ja 51 kapseloimi-seksi. Varjostus tarkoittaa hartsiin valun aikaansaamaa kelojen välistä mekaanista kytkentää. Kummankin kelan virrat ovat yhtäsuuria ja vastakkaissuuntaisia. Kentän B suuntaisten johtimien virrat eivät kehitä voimia. Tämä järjestely on siten esimerkki avoimesta virtasilmukasta, missä paluuvirrat ovat ” nolla x-y- tasossa. Koska kelan pituus b on suurempi kuin tasojen välimatka x, molempien johtimien 50 ja 51 (yksi •: kummastakin kelasta) puristus/laajennussuuntaisia siirtymiä ; voidaan pitää yhtäsuurina ja vastakkaissuuntaisina. Yksin- r v i -.* kertaisuuden vuoksi kummankin johtimen 50 ja 51 oletetaan lähettävän akustisen tasoaallon kiinteään aineeseen. Aallot : ; : muodostavat suojatussa tapauksessa johtimen pisteisiin poikit- täisen akustisen nettolähteen, jonka amplitudi on A]_, jonka ' , antaa: * · » * * !...: A1' = ± A1e2i7rft (eikxe_QiX-l) (60) i 56 114415 missä A]_ on aallon alkuamplitudi kussakin johdinpisteessä, f on kelaan syötetyn virtapulssin taajuus, k on aallon etenemis-vakio polystereenikappaleessa, jonka antaa k = 2mf/v (61) ja a on aallon vaimennus pituusyksikköä kohti. Yksinkertaistamista varten valitaan a = 0. Oletetaan, että tämä poikittais-liike aikaansaa muodoltaan yhtälöä (60) vastaavan aallon etenemisen z-akselia pitkin, mahdollisesti kappaleen muunnin-vaikutuksen vuoksi. Akustiset mittaukset suoritettiin toisen kelan ja molempien kelojen ollessa aktivoituja.

Yhden kelan tapauksessa suojaamattoman akustisen lähteen amplitudi Aq on A0 ' = A0e2i7rft (62)

Yhtälöiden (60) ja (62) mukaan melun vaimennus A desibeleissä on siten A = -20log-LQ ( [2Ai/Aq] sin (7rxf/v) ) (63)

Kuviossa 26 on esitetty akustisen melunvaimennuksen koetulokset, kun yhteen kelaan, käyrä A, tai kahteen kelaan, käyrä B, syötetään 10A sinimuotoisen virran pulsseja, jotka ' antaa TECHRON (tavaramerkki) vahvistin (ei esitetty). Nämä ; tulokset on saatu käyttämällä KWOWLES (tavaramerkki) EK3033 tyyppistä elektreettimikrofonia (ei esitetty), jonka lähtö syötettiin esivahvistimen, jonka vahvistus on 20 dB, kautta ; HEWLETT PACKARD (tavaramerkki) piirianalysaattorille

: (HP8751A). Piirianalysaattorin lähdöllä ohjattiin TECHRON

‘ , gradienttitehovahvistinta. Käyrä C on kokeellinen vaimennus, joka on käyrien A ja B erotus. Kuvioon 26 on piirretty myös '<>·' käyrä D, joka edustaa teoreettista lauseketta, yhtälö (10), ;··; kun A^/Aq = 0,707, v = 0,975 x 103 ms-1 ja x = 0,075 m.

t , 57 114415

Suhteen A]_/Aq poikkeaminen ykkösestä voidaan selittää sillä, että voimaepätasapaino, joka johtuu siitä, että vain toinen kela on aktivoituna, suurentaa tehollisesti akustisen aallon amplitudia Aq . Vaihtoehtoisesti se saattaa johtua sitä, että johtimet synnyttävät sylinterimäisiä aaltoja. Nauhajohtimet saattavat approksimoida paremmin tasoaaltojen herättämistä. Nopeuden v arvo valittiin optimisovituksen aikaansaamiseksi. Lasketut arvot v polystyreenille ovat alueella (1,15 - 2,02 x 103 ms-1.

Tulokset osoittavat vaimennuksen olevan taajuudella 100 Hz noin 40 dB, joka putoaa arvoon 0 dB taajuudella 3,5 kHz. Teoreettinen lauseke sopii kohtuullisen hyvin tasoitettuihin arvoihin, mikä varmentaa seuraavassa esitetyn teoreettisen lähestymistavan oikeellisuuden. Häviöttömässä materiaalissa A saavuttaa jaksollisesti huippuarvon suurilla taajuuksilla.

Tätä käyttäytymistä ei ole havaittu kokeissa, oletettavasti, koska a £ 0.

Tärkeänä näkökohtana akustisen suojauksen ulottamisessa gradienttikelan suunnitteluun on gradientin tehokkuus. Akustinen suojaus pienentää väistämättä gradientin voimakkuutta. Kysymyksenä on siten kumoutuuko saavutettu akustinen vaimen-.·,· nus, kun kelavirtaa suurennetaan gradientin amplitudivajauksen t : korvaamiseksi.

* * • Kokeet osoittavat, että pisteessä P, kuvio 25b, joka on 10 cm ; etäisyydellä kohtisuoraan toisen kelatason keskipisteestä, magneettikentän suhteellinen muutos suojaamattomasta suojattuun on 3,16 T, mikä osoittaa, että virtaa on lisättävä . likimain kertoimella 3 täyden magneettikentän voimakkuuden i · ♦ ;;; palauttamiseksi tähän pisteeseen. Erillisissä kokeissa todet- "·’ * tiin, että akustinen vaimennus vaihtelee lineaarisesti kelan virtasyötön funktiona. Virran suurentaminen kolminkertaiseksi pienentää siten saavutettavaa akustista vaimennusta 9,5 dB.

. Tulosten perusteella akustista vaimennusetua näyttäisi kuiten- . kin jäävän jäljelle noin 1 kHz alapuolella olevilla taajuuk- 58 114415 silla. Asiantilan parantamiseksi tarvitaan sellaisia johtimien kapselointi/valumateriaaleja, joilla saadaan suurempi etenemisnopeus v. Täydellisen gradienttikelan suunnittelussa virran suurentaminen, joka tarvitaan palauttamaan gradientin voimakkuuden arvoon, joka voidaan saavuttaa ilman akustista suojausta, voidaan mitoista riippuen asettaa vain kertoimen 2 suuruiseksi, mikä tässä tapauksessa pienentää saavutettavaa akustista vaimennusta 6 dB.

Edellä esitetyssä kelajärjestelyjen selityksessä on korostettu termejä "erilliset johtimet", jotka muodostavat primäärikelan ja eri voimasuojat ja magneettiset suojat. Yhtä hyvin voitaisiin käyttää vaihtoehtoisia valmistusmenetelmiä. Esimerkiksi kelajärjestelyn kunkin sylinteripinnan johdintiekuviot voitaisiin muodostaa ehjästä kuparia tai muuta metallia olevasta kerroksesta syövytysprosessilla. Eräänä toisena vaihtoehtona on jyrsiä johdintiet kuparia tai muuta metallia olevasta metallikerroksesta käyttämällä jyrsintä tai nestesuihku-koneistusta.

Seuraavassa selitetään kuvioihin 27...29 viitaten erästä toista keksinnön suoritusmuotoa, johon sisältyy aktiivinen akustinen suojaus ja aktiivinen magneettinen suojaus ja joka , .* on laajennus edellä kuvioihin 4, 5, 6, 7, 14, 15, 16, 17, 18 ja 19 liittyen hahmoteltuun keksintöön. Vaikka kaikki kuviois-. sa 4...7 ja 14...19 olevat kelajärjestelyt voitiin suojata magneettisesti, magneettisen suojan aktiivisen akustisen suojauksen aikaansaamiseksi tarvittiin kaksi ylimääräistä sylinteripintaa. Ensimmäinen pinta aktiivisen magneettisen suojan kannattamiseksi ja toinen muodostamaan sen aktiivisen akustisen suojan. Esillä olevassa lisäsuoritusmuodossa esite-tään systemaattinen menetelmä kuvioissa 4...7 ja 14...19 » < · ·, hahmotellun tyyppisten gradienttikelarakenteiden magneetti- seksi suojaamiseksi. Erikoisesti tämä järjestely voidaan : : sisällyttää sylinterisymmetrisen gradienttijärjestelmän tapaukseen, joka muodostuu suljetuista kaarisilmukoista, kuten .. . on esitetty esimerkiksi kuvioissa 7, 15 ja 16.

59 114415 Tämän lisäsuoritusmuodon ymmärtämiseksi on edullista tarkastella kuviota 27, jossa on esitetty yksi ainoa suljettu kaarisilmukka, jossa kulkee virta I ja jonka kulmaulottuvuus on 2φο ja jonka sisäsäde on ps ja virran paluutie on säteellä Pp. Oletetaan, että suljetut kelasilmukat ovat kokonaan x,y-tasossa, jolloin voidaan johtaa lauseke magneettiselle kentänvoimakkuudelle Bz, joka on z-akselilla, joka on kohtisuorassa x,y-tasoa vastaan. Kun p < ps, kentän Bz antaa /* un m=oo . 00 . , sinmibo

Bz = \ Σ (l-e_im7r) dk e^-kzei^c (k) --k Im(kp) v(27T^) m=-oo J-oo m c

pF

x dp' kp' Km(kp)

JpS

missä Im(kp) ja Km(kp) ovat muunnettuja Besselin funktioita ja m = 1, 3, 5 ... on napakulmassa φρ olevan kentän harmonisen kertaluku, μο on vapaan tilan magneettinen momentti. Kun p < pp, magneettikentän antaa /♦ μη m=oo . 00 ., . , sinmφo

Bz = . Σ (l-e-im7r) dk eikzeinu|>c (k) --k Km(kp) , . v (27Γ-4) m=-oo J-oo m

fpF

·...' x dp' kp' Km(kp)

*^pS

missä c(k) on spatiaalinen Fourier-muunnos, jonka antaa > « · ! ! ! λ • 1 00 c (k) = — dz e-1kz c(z) (66) V27T J -oo • · · V : missä c(z) on kaarien jakautuma z-akselilla ja k on tässä muuttujan z konjugaatti ja resiprookkinen avaruussiirtymä.

···. Tässä esitetyssä gradienttikelassa käytetään symmetristä järjestelyä, jossa on ainakin neljä suljettua kaarisilmukkaa, kuten kuviossa 7 on esitetty. Vaihtoehtoisesti voitaisiin • '.· käyttää useamman kuin neljän silmukan jakautumaa, kuten 60 114415 kuvioissa 15 ja 16 on esitetty.

Kuten aikaisemmin on korostettu, jos virtasilmukat ovat suljettuja, kokonaisvoimat ja -vääntömomentit tasapainottuvat jokaisessa erillisessä silmukassa, jos kaarisilmukoiden johtimet on kiinnitetty ja kapseloitu sopivilla tuilla tai tukimateriaalilla. Kuvio 27 yhdessä yhtälöiden 64...66 kanssa osoittaa kuinka sisäkkäisten suljettujen kaarisilmukoiden rakenne voidaan suunnitella käyttämällä suljetussa muodossa olevia lausekkeita. Kuviossa 28 on esitetty yksi nelikön kvadranteista. Tässä järjestelyssä kulmaulottuvuudet voidaan valita kentän Bz vaaditun ominaisuuden optimoimiseksi tietyllä arvolla m. Kelajärjestelyn sisään kehitetyn magneettikentän puhtautta voidaan parantaa eliminoimalla arvon m ylemmät kertaluvut. Se että kelarakenteen sisä- ja ulkopuoliselle magneettikentän voimakkuudelle voidaan kehittää suljetut matemaattiset lausekkeet, mahdollistaa samojen matemaattisten kaavojen käyttämiseksi sisäkkäisten kelojen ryhmän kehittämisen, jotka voidaan järjestää aikaansaamaan primäärikelan magneettisen suojauksen. Esimerkki tästä on esitetty kuviossa 29, jossa on samoin esitetty osa gradienttikelarakenteesta. Sisäkkäiset silmukat 60 edustavat osaa primäärisestä gradienttikelajärjestelmästä, joka kehittää gradientin, jolla on tietty kertaluku m ja ominaiskulma (j>2. Kelasilmukat 62 '·,,/· muodostavat aktiivisen magneettisen suojauksen ja niillä on samankaltaiset napakoordinaatiston kulmaulottuvuudet kuin : primäärikelalla, kuten kuviossa 29 on esitetty. Silmukoiden 60 j virrat ja säteet on kuitenkin järjestetty aikaansaamaan ·;·. magneettisen suojan samanlaiselle primäärikelarakenteelle 62a, b ja c kuin kuviossa 29 on esitetty. Tällä järjestelyllä . saadaan aktiivinen magneettinen suojaus ja jokainen suljettu i * « » * · ;;; kaarisilmukka, siitä riippumatta onko se primäärikelassa tai ·, magneettisesti suojatussa kelassa, on joka hetki voimatasa- *: painossa (ja siten vääntömomentin suhteen tasapainossa) : * * *: edellyttäen, että kaikki gradienttikelarakenteet ovat . tasoissa, jotka ovat kohtisuorassa kehitettyyn staattiseen . magneettikenttään nähden, joka tässä tapauksessa on z-akselin 61 114415 suuntainen.

Eräänä kuvioihin 27...29 nähden vaihtoehtoisena aktiviisena magneettisen suojauksen strategiana on muodostaa suojakela sylinterille, jonka säde on b, joka on säteen pp ulkopuolella.

Tässä tapauksessa primäärigradienttikelan (joka muodostuu joukosta suljettuja kaarisilmukoita) suojaamiseksi tarvittavan virtajakautuman antaa ,2^ sinnub fpF kp1 Im (kp' ) dp' J(hm (k) = 2 (4) -- F ———-- c (k) (67) ψ π m JpS bl'm(kb) missä spatiaalisen Fourier-muunnoksen ^’Yk) määrittelee r 1 00 7Γ JAm(k) = — dz d((> ^ (ζ,φ)e_ikz β_ϊφ. 68) 2i J -oo J -π

Polaarinen virtatiheys reaaliavaruudessa ^(ζ,ρ) kuvaa tosiasiallista virtatiheyttä aktiivisen suojan pinnalla, vaikkakin jatkuva funktio korvataan johtimilla, jotka seuraavat tämän pinnan virtafunktioita. Yhden ainoan aktiivisen magneettisen suojan käyttäminen huonontaa jossain määrin tällä järjestelyllä primäärikelassa saavutettavaa akustista suojausta, mutta Y; jos aktiivisen suojan säde b on tarpeeksi iso, suojakelan .** . pintavirtatiheys ja siten virta voivat olla melko pieniä, mikä ·,·, minimoi Lorentzin voimat tässä suojassa.

Kuten edellä on mainittu, edullisin suojausmenetelmä on i : : YY suojata primäärikela suljettujen kaarisilmukoiden toisella ’· ’ jakautumalla ja tässä tapauksessa ehto sisäkelan täydellisen magneettisen suojauksen saavuttamiseksi saadaan yhtälöstä ' * * . /*

PF

kp' li(kp1)dp ' ‘ d(k) = c (k) x —-- (69) fPF' '··* kp'Ii(kp')dp

JpS

62 114415 missä ps' ja pF' ovat magneettisen suojauksen kaarisilmu-koiden, jotka on merkitty viitemerkillä B kuviossa 29, sisä-ja vastaavasti ulkosäde, ja jossa /* 2_ oo d(k)= — dz d(z)e-ikz (70) V27T J -00 missä d(z) on suojan kaarien spatiaalinen jakautuma z-akselilla, joka tarvitaan primäärisen gradienttikelan muodostavien suljettujen kaarien spatiaalisen jakautuman c(z) magneettiseen suojaukseen. Yhtälö 69 osoittaa, että suojaehto toteutuu vain arvolla m = 1. Primäärikaarisilmukoiden ja suojauksen kaarisilmukoiden ei tarvitse olla samassa tasossa. Puhtaampien tai ylemmän kertaluvun magnettikenttien tai magneettikenttägradienttien kehittämiseksi tarvitaan lisäkaari-silmukoita, joilla on erilaiset napakulmat φ/, kuten kuvioissa 28 ja 29 on esitetty. Ehtona sille, että kaikki kertaluokat kertaluokkaan (2N + 1) asti se mukaanluettuna tulevat nolliksi on, että seuraavan lausekkeen on oltava tyydytetty:

l = N

Σ sin πιφ/ = 5m η . (71) /=0. ' v\ Tämä lauseke voi olla voimassa tietyillä arvoilla m, kuten ,·· . esimerkiksi kun φ0 = 7r/3. Kolmas kertaluokka m = 3 häviää yhtälössä 64, jolloin m = 5 jää alimmaksi nollasta poikkea-. ! vaksi kertaluokaksi kentän sarjakehitelmässä. 1 ; : ".* Järjestely, jossa sekä primäärikelassa että magneettisessa ’·’ ‘ suojakelassa käytetään suljettuja kaarisilmukoita, voidaan konstruoida yksinkertaisella yksittäisten kaarisilmukoiden menetelmällä. Sen sijaan että koko kelajärjestely upotettai-v : siin valuhartsiin, eräänä vaihtoehtoisena järjestelynä on tehdä jokainen kaarisilmukan johdin muodoltaan litteäksi ...# liuskaksi, joka voidaan upottaa melko tarkasti sovitettuun uraan, joka on koneistettu sopivaan materiaalilevyyn. Järjes-tely on esitetty kuviossa 30a. Tällä järjestelyllä voidaan 1144Ί5 63 varmistaa, että erikseen asennetut langat kehittävät erittäin vähän akustista melua, edellyttäen että materiaali valitaan oikein edellä selitetyllä tavalla. Jos tietyssä kaari-silmukassa tarvitaan useampia kuin yksi lanka, vaihtoehtoisena järjestelynä ehdotetaan kunkin langan upottamista tiukasti omaan tukilevyynsä ja levyjen asentamista välikkeiden ja kannatinsauvojen avulla kuviossa 30b hahmotellulla tavalla. Tällä tavoin voidaan välttää kokonaan lankojen suhteellinen liike silloin, kun niitä on käämittävä päällekkäin, tarvitsematta tyhjökyllästystekniikkaa muovihartsien jne. saamiseksi tunkeutumaan täydellisesti johdinkimppuihin. Edellä hahmoteltu menetelmä soveltuu myös helpommin eksoottisempien kannatin-materiaalien, kuten tietyn tyyppisten keraamisten levyjen ja pyrotaliittikappaleiden käyttämiseen. Viimeksi mainittu materiaali on ennen polttoa täysin koneistettavissa, mikä mahdollistaa urien, reikien ja vastaavien koneistamisen. Poltettuina tällaiset materiaalit muuttuvat keräämän kaltaiseksi materiaaliksi, jota ei voi enää koneistaa. Myös lasia tai lasimaisia materiaaleja saattaa olla mahdollista käyttää samalla tavalla.

Edellä esitetyissä asennusmenetelmissä poikkileikkaukseltaan suorakulmainen tai pyöreä johdin asetetaan uraan ja siihen kaadetaan sopivaa adhesiivista materiaalia, esimerkiksi ; : epoksihartsia tai muuta kovettuvaa polymeerihartsia estämään V: langan jäännösliikkeet, kun siihen syötetään pulsseja mag- i neettikentässä. Keraamien käytön etuna on tällaisten materiaalien erittäin suuri akustinen nopeus, millä kuten /;·, kokeellisessa osassa edellä on todettu, saadaan parempi suurten taajuuksien akustinen kumoutuminen voimatasapainote- . tuissa keloissa.

* ♦ » • » ♦ ’·’ ’ Akustisesta etenemisteoriasta ja sen kanssa yhdenmukaisista v: koetuloksista voidaan todeta, että vaimennus A (yhtälö 63) on i”’: lausekkeen sin(7rxf/v) funktio. Tähän asti on korostettu sitä, että lausekkeen sin(7rxf/v) argumentin pitämiseksi pienenä . kaikilla taajuuksilla aallon etenemisnopeuden v on ideaali- 64 114415 tapauksessa oltava suuri. Edellä on esitetty joukko mahdollisuuksia sopivien tämän ehdon täyttävien materiaalien vaitsemi-seksi. Saaduissa koetuloksissa käytettiin kuitenkin täytettyä polystyreenihartsia, jonka materiaalin tyypilliset aalto-nopeudet ovat noin 1 km s-1. Koetulokset osoittavat, että arvolla x = 7,5 cm kappale resonoi taajuudella noin 6 tai 7 kHz. Kun otetaan huomioon, että sellaiset materiaalit, joilla on paljon suuremmat aaltonopeudet, voivat olla vaikeita koneistaa ja erittäin kalliita, vaihtoehtoisena ratkaisuna on käyttää polystyreeniä ja pienentää arvoa x sinin argumentissa. Normaaliolosuhteissa arvon x pienentäminen pienentää voimakkaasti saavutettavaa magneettikentän gradienttia, mikä siten edellyttää huomattavasti suurempia syöttövirtoja.

Keksinnön eräässä toisessa suoritusmuodossa, jossa magneettikentän gradientit kehitetään joukolla suljettuja kaari-silmukoita, kuten kuvioissa 5, 6, 7, 12, 14, 15, 16 ja 17, jokainen suuri silmukka korvataan joukolla pienempiä silmukoita yhdistetyn voimasuojan muodostamiseksi. Pienempien suljettujen silmukkarakenteiden kokonaispinta-ala on ideaalisesti yhtäsuuri kuin niillä korvatun yhden suuren silmukan pinta-ala.

/ : Eräs esimerkki tästä suoritusmuodosta on esitetty kuviossa 33a : ja se käsittää oleellisesti suorakulmaisen suljetun silmukan, : jonka leveys on 2x, kuvio 33b. Tämä on magneettisesti saman- arvoinen kahden silmukan, joiden leveys on x, kanssa, kuten kuvioista 33a...33b ilmenee, edellyttäen että molempien silmukoiden vierekkäiset johtimet ovat kohtuullisen lähellä toisiaan. Tämä seuraa Ampere1 n piiriteoreemasta. Vaikka molemmat piirit ovat magneettisesti ekvivalenttisia, ne eivät ole akustisesti ekvivalenttisia. Yhdistetyn kelan jokainen ’·' ' pieni osa kapseloidaan sopivaan materiaaliin, jonka etenemis- *:"! vakio on k. Vierekkäisten kelojen välinen rako g on kytketty i ‘; kevyesti materiaalilla, jonka etenemisvakio on kx. Tässä ' . järjestelyssä on tärkeää varmistaa, että jokaisen osan johti met ovat kupukohdissa. Tämä merkitsee sitä, että ideaali- 65 114415 tapauksessa taajuudella f x = λ/2 ja myös g = λ/2, kuten kuviossa 34 on esitetty. Jotta Ampere1 n piiriteoreema olisi voimassa, on kuitenkin oltava g « x. Tämä vuorostaan merkitsee sitä, että etenemisnopeus raossa v^_ täytyy voida saada lausekkeesta V]_ = (g/x)v. On suhteellisesti helpompaa löytää materiaaleja, joilla on alhaiset nopeudet, jolloin viimeksi mainitun ehdon tulisi siten olla helposti tyydytettävissä.

Eräänä vaihtoehtoisena ratkaisuna on olla täyttämättä rakoa, kuvio 33c, ja jättää pieni ilmaväli, niin että molemmat yhdistetyt kelat ovat vapaita liikkumaan. Tärkeä seikka on, että jos kelat koskettavat toisiaan tai jos järjestelmä valetaan kokonaisuudeksi, kaksi vierekkäistä lankaa, joissa kulkee yhtäsuuret ja vastakkaissuuntaiset virrat, muodostavat olennaisesti akustisen solmun, joka huonontaa tulosta.

Vielä eräänä vaihtoehtona on asentaa jokainen osakela omalle levylleen kuvion 35 mukaiseen muotoon. Jos levyt ja langat ovat tarpeeksi ohuita, kahden litteän kelan siirtäminen yhden langan paksuuden verran ei huononna magneettista ekvivalentti-suutta. Kaikissa edellä esitetyissä tapauksissa yhden renkaan korvaaminen n silmukan ryhmällä nostaa rakenteellisen reso-nanssitaajuuden arvosta ν/λ arvoon ην/λ. Tämä merkitsee Y: vuorostaan sitä, että 0 dB tason läpikulku kuviossa 26 siirtyy * paljon suuremmille taajuuksille samalla valumateriaalilla. Eli n silmukan tapauksessa vaimennuksesta A (yhtälö 63) tulee ; lausekkeen sin(7rfx/nv) funktio. Tällä ratkaisulla akustinen ; t.t vaimennus voidaan pitää suurena paljon suuremmalla taajuus- !Y alueella.

i : :

Kuvioissa 36...42 on esitetty suljetuista silmukkarakenteista • « * muodostuvan yhdistelmärakenteisen voimasuojaperiaatteen * erilaisia suoritusmuotoja. Kuvioissa 36a, b ja c on esitetty ·;·*· yhdistelmärakenteinen suorakulmainen silmukka, joka muodostuu kolmesta osasta, ja sen yksisilmukkainen magneettinen ekvi-* t valentti. Tasokuvantona on lisäksi esitetty eräs mahdollinen konstruktiomenetelmä, jossa käytetään liukuvasti lomittuvia > I t 66 114415 liitoksia. Kuvioissa 37a, b ja c on esitetty yhdistelmä- rakenteinen käärisilmukka, joka muodostuu kolmesta suljetusta kaariosasta, ja sen yksisilmukkainen magneettinen ekvivalentti. Siinä esitetään myös sivusuunnasta mahdollinen konstruktiomenetelmä, jossa käytetään liukuvasti limittyviä liitoksia. Kuvioissa 38a, b ja c on esitetty yhdistelmä- rakenteinen rengaskela, joka muodostuu kahdesta voimatasa-painotetusta renkaasta, ja sen magneettinen ekvivalentti. Myös tässä eräänä mahdollisena konstruktiomenetelmänä on esitetty liukuvasti limittyvien liitosten käyttäminen, kuten kuviossa 38c.

Tässä yhteydessä on korostettava, että kaikkien osien virrat suljetuissa suorakulmaisissa silmukoissa ja suljetuissa kaarisilmukoissa ovat yhtäsuuria. Oikein voimatasapainotettu-jen renkaiden tapauksessa virroilla tulisi olla seuraavat suhteet: osiin jaettujen renkaiden tapauksessa I2 = -Ιχ (a/b), I3 = I2 (b/c), jostaa saadaan magneettisesti ekvivalenttiselle voimasuojakelalle I3 = -Ιχ (a/c), kuten kuvioissa 38a ja b on esitetty.

Samanlaista osiin jakamista voidaan käyttää yhdistelmä-rakenteisten voimasuojattujen avosilmukkarakenteiden muodosta-miseen. Esimerkkejä tästä on esitetty kuvioissa 39...41. ί Kuvioissa 39a, b ja c on esitetty osiin jaettu suorasta V: langasta muodostuva avosilmukkainen voimatasapainotettu ; järjestely ja sen magneettinen ekvivalentti yhdessä erään ; mahdollisen kontruktiomenetelmän kanssa, jossa käytetään V, liukuvasti limittyvää liitosperiaatetta. Kuvioissa 40a, b, c I » on esitetty osiin jaettu kaarista muodostuva avosilmukkainen voimatasapainotettu järjestely ja sen magneettinen ekvi- • t f valentti yhdessä erään mahdollisen konstruktiomenetelmän t * · ’ kanssa, jossa käytetään liukuvasti limittyvää liitosperi- aatetta. Kuvioissa 41a ja b on esitetty yhdistelmärakenteinen osiin jaettu voimasuoja avointa kaarirakennetta varten, joka ' , muodostaa osan sylinteripinnan virtajakautumasta. Tässä järjestelyssä primäärikelan voimasuoja muodostuu kahdesta 67 114415 sylinterimäisestä osasta. Nämä sylinterimäiset osat on valettu sopivalla tavalla polymeerimateriaaliin, mutta ne on asetettu välimatkan päähän toisistaan ohuilla kumiliuskoilla, jotka sallivat kummankin osan vierekkäisten johtimien muodostaa akustisena kupuna toimivat sylinteripinnat.

Kuviossa 36a on esitetty kolme yhdistelmärakenteista suljettua silmukkaa, jotka ovat magneettisesti samanarvoisia kuviossa 36b esitetyn yhden suljetun silmukan kanssa. Kuvio 36c esittää päätykuvantoa kolmesta silmukasta, jotka on upotettu valu-materiaalilaattoihin. Jokainen silmukka voi liikkua kahden muun suhteen. Jokaisen laatan liikesuunta on siinä tasossa, johon laatta on sijoitettu.

Kuviossa 37a on esitetty yhdistelmärakenteiset . suljetut sillmukat, jotka vastaavat kuviossa 37b esitettyä suljettua silmukkaa. Yhdistetyt suljetut silmukat ovat kaarimaisia. Kuvio 37c on sivukuvanto kuviosta 37a.

Kuvio 38a esittää yhdistelmärakenteisia suljettuja silmukoita, jotka muodostuvat renkaista ja jotka vastaavat kuviossa 38b esitettyä yhtä rengasta. Kuvio 38c on sivukuvanto kuviosta 38a. Kuvioissa 39a ja 40a on esitetty avoimista kaarista i! muodostuvat yhdistelmärakenteiset silmukat. Kuvioissa 39c ja ί 40c on esitetty päätykuvannot. Vastaavat avoimet yhdistelmä- *;’· rakenteiset silmukat on esitetty kuvioissa 39b ja 40b. Yhdis- telmärakenteiset kaarimaiset avosilmukkakelat, jotka on * I * · * esitetty kuvioissa 40a ja 40c, ulottuvat saman kulman yli.

iff i · » » *

Kuviossa 41b on esitetty osittaisleikkauskuvanto järjestelystä . 200, joka käsittää kelat 210, 212, 230 ja 232. Kelat on * i * upotettu valumateriaaliin. Ulompi valettu kelatuki 220 on ' sijoitettu välimatkan päähän sisemmästä valetusta kelatuesta 240 käyttämällä kokoonpuristuvia kumivälikkeitä 250. Kuvattava kohde (esimerkiksi potilas) sijoitetaan kuvausta varten ’ , sisähalkaisijän 260 kohdalle.

68 114415

On selvää, että edellä esitetyt suoritusmuodot ovat vain esimerkkejä ja niitä voidaan muuttaa keksinnön piiristä poikkeamatta.

Taulukko 1

Lyhyen solenoidin induktanssin korjauskertoimet 0 0,5 1 10 E 1 0,8 0,7 0,2 i t ( • * * 69 114415

Taulukko 2

Sisään asetettavien gradienttikelojen arvot

Tyyppi Aksiaalinen Poikittainen X Poikittainen Y

(Maxwell)

Primäärikelan säde (m x ΙΟ"2) 22,25 22,5 22,5

Voimasuojan säde (m x ΙΟ”2) 32,5 32,5 1. kaaren sijainti (m x ΙΟ-2) 3.9,5 7 8

Kaaripituus (astetta) 360 120 120

Gradientti (Tm- l-A-1 x 10~6) 130 61 61

Kierrosten lukumäärä 899 Lanka (aksiaalinen leveys) (m 10"2) 4,5 4,5 4,5 : Lanka (radiaalinen .V: syvyys) (m 10-3) 2,24 2,24 2,24 ; Ominaisvastus (Ωτη"1- xl0“2) 1,78 1,78 1,78

Kokonaisvastus (Ω) 0,16 0,34 0,34 ·;··· Induktanssi (Henry x 10^) 192 2269 269 70 114415

Taulukko 3 Täysin voimatasapainotettujen suojapintojen virtajakautumat

Pinta__ Säde (cm) Kokonaisvirta (A) —

Primäärikela (kuvio 20(a)) 30 8,313

Voimasuoja (kuvio 20(b)) 38 -10,245

Magneettisuoja (kuvio 20(c)) 45 3,199 *Kentän ollessa 10 mT/m tai 0,0012mT/m primäärikelan ampeeri-kierrosta kohti

Taulukko 4

Silmukkarakenteiden vertailua

Tyyppi 1. viivaelementti 2. silmukat (120°) 3. silmukat

Gradientti (Tm-l-A-l-xlO"6) 61 49 51

Laatu (max) *89 51 72

Laatu (min) *23 46 30

Kierrosten lukumäärä 9 20 20 (kvadranttia kohti) * Induktanssi j (Henry x 10“®) 269 184 93

Vastus (Ω) 0,34 0,76 0,44 ;;; *Sylinterimäisellä mielenkiintoisella alueella, jonka pituus ’·’ ’ ja halkaisija ovat 20 cm ja joka alue ulottuu akselin suun- nassa tämän kelarakenteen ohi. Tämän kelan käyttökelpoinen t*“: alue on sylinteri, jonka halkaisija on 20 cm ja pituus 10 cm.

Maksimi- (10,10,8) ja minimipisteet (10,10,0) ovat tämän ,, , alueen ulkopuolella. Ne on otettu mukaan vain vertailun • ·’ vuoksi.

71 114415

Taulukko 5 Täydellisesti voimatasapainotetut suojatut pintavirtajakautumat, kun paluuteinä käytetään voimasuojaa

Pinta_ Säde (cm) Kokonaisvirta (A) 1

Primäärikela (kuvio 22(a)) 30 8,421

Voimasuoja (kuvio 22(b)) 38 -12,832

Magneettisuoja (kuvio 22(c) 45 5,239 *Kentän ollessa 10 mT/m tai 0,0012mT/m primäärikelan ampeeri-kierrosta kohti i ; :

Claims (11)

72 114415

1. Akustisesti suojattu magneettinen kelajärjestely käytettäväksi magneettiresonanssikuvauksessa, joka järjestely on sovitettu käytettäväksi yhdessä olennaisesti tasaisen staattisen magneettikentän B kanssa, joka järjestely käsittää kaksi kaarimaista sähköä johtavaa osaa, jotka ovat ensimmäinen radiaalisesti sisäosa ja toinen radiaalisesti ulko-osa, kahden kaarimaisen osan omatessa olennaisesti yhteisen keskipisteen ensimmäisen ja toisen osan molempien ollessa samalla puolella yhteistä keskipistettä ja osien ollessa järjestettynä kuljettamaan vastaavaa ensimmäistä ja toista ajassa muuttuvaa virtaa; välineet ensimmäisen ja toisen ajassa muuttuvan virran kuljettamiseen ensimmäiselle ja toiselle johtavalle osalle; ja välineet ensimmäisen ja toisen osan kytkemiseksi joustamattomasti mekaanisesti; tunnettu siitä, että ensimmäinen ja toinen osa ovat avoimessa silmukkakonfiguraatiossa, eli eivät ole sähköisesti yhteenkytketty, ja välineet ensimmäisen ja toisen virran : kuljettamiseksi on sovitettu kuljettamaan sellaisia virtoja siten, että viivaintegraali EiJd B x li dl = 0 ; i = 1,2 on tyydytetty, jossa alleviivatut merkit kuvaavat vektori- suureita, B on magneettikenttä, on i:nnessä osassa kulkeva ’·’ ‘ virta ja dl on mainittujen ensimmäisen ja toisen kaarimaisen osan peruspituus siten, että ensimmäiseen osaan vaikuttava ensimmäinen Lorentzin voima olennaisesti tasapainottaa toiseen osaan vaikuttavan toisen Lorentzin voiman.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen akustisesti suojattu magneet-tinen kela j ärj estely, tunnettu siitä, ensimmäinen ja toinen osa ovat ympyränmuotoisia kaaria kaareutuen olennaisesti ’•;y samassa kulmassa yhteisen keskipisteen ympäri, ensimmäisen ja : toisen osan kaarevuussäteiden yhteisen keskipisteen ympäri ollessa a ja b vastaavasti, välineiden ensimmäisen virran (Ia) ja toisen virran (Ib) kuljettamiseksi ollessa sovitettu kuljettamaan virrat siten, että: 73 114415 Ib = - (a/b) Ia.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen akustisesti suojattu magneettinen kela järjestely, tunnettu siitä, että se käsittää useita keloja, jokaisen kelan käsittäessä vastaavasti ensimmäisen ja toisen osan, missä kelat ovat sisäkkäisiä.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 1-3 mukainen akustisesti suojattu magneettinen kelajärjestely, tunnet- t u siitä, että se käsittää lisäksi välineet järjestelyn suojaamiseksi aktiivisesti magneettisesti.

5. Magneettiresonanssikuvauslaitteisto kohteen kuvaamiseksi kuvausalueella tunnettu siitä, että mainittu laitteisto käsittää useita akustisesti suojattuja magneettisia kelajärjes-telyjä, jokaisen tällaisen järjestelyn ollessa kuten määritelty jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukaisesti, missä kelajärjes-telyt määrittävät niiden vastaavien sisäosien väliin kuvausalueen kohteen kuvaamiseksi; ja välineet olennaisesti tasaisen magneettikentän luomiseksi mainitussa kuvausalueessa. .-.n

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen magneettiresonanssikuvaus- . _· laitteisto, tunnettu siitä, että sisäosa ja ulko-osat !‘V ovat ympyränmuotoisia kaaria, joilla on olennaisesti yhteinen ·;*/ keskipiste ja jotka kaareutuvat olennaisesti samassa kulmassa '·' 1 yhteisen keskipisteen ympäri, sisä- ja ulko-osien kaarevuussä- teiden yhteisen keskipisteen ympäri ollessa a ja b vastaavasti, välineiden ensimmäisen virran (Ia) ja toisen virran (Ib) kuljettamiseksi ollessa sovitettu kuljettamaan virrat siten, :*·.·’ että: Ib = - (a/b) Ia.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen magneettiresonanssi-kuvauslaitteisto, tunnettu siitä, että jokainen mainittu h..· järjestely käsittää useita keloja, jokaisen kelan käsittäessä vastaavan sisä- ja ulko-osan, missä kelat ovat sisäkkäisiä.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen 5-7 mukainen 74 114415 magneettiresonanssikuvauslaitteisto, tunnettu siitä, että se käsittää lisäksi välineet järjestelyn suojaamiseksi aktiivisesti magneettisesti.

9. Menetelmä kohteen kuvaamiseksi, joka menetelmä käsittää: usean akustisesti suojatun magneettisen kelajärjestelyn aikaan saamisen, jokaisen tällaisen magneettisen kelajärjestelyn ollessa kuten määritelty jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukaisesti; kuvattavan kohteen sijoittamisen kuvausalueeseen, joka on määritelty kelajärjestelyjen vastaavien sisäosien väliin; olennaisesti tasaisen magneettikentän luomisen mainitussa kuvausalueessa; ja magneettikuvausohjelman suorittamisen.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kaarimaiset sisä- ja ulko-osat käsittävät ympyränmuotoiset kaaret, joilla on olennaisesti yhteisen keskipisteen ja jotka kaareutuvat olennaisesti samassa kulmassa yhteisen keskipisteen ympäri, sisä- ja ulko-osien kaarevuussäteiden , , yhteisen keskipisteen ympäri ollessa a ja b vastaavasti, g; ensimmäisen virran (Ia) ja toisen virran (Ib) ollessa siten, ’··' että: Ib - - (a/b) Ia.

;,· | 11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 mukainen menetelmä, t u n - i » |tj n e t t u siitä, että se käsittää lisäksi järjestelyn :V suojaamisen aktiivisesti magneettisesti. 75 114415