FI70752B

FI70752B - Spolapparatur foer aostadkommande av homogent magnetfaelt

Info

Publication number: FI70752B
Application number: FI831817A
Authority: FI
Inventors: Matti Savelainen
Original assignee: Instrumentarium Oy
Priority date: 1983-05-20
Filing date: 1983-05-20
Publication date: 1986-06-26
Also published as: FI70752C; FI831817A0; FI831817L; US4644281A

Description

70752

KELASTO HOMOGEENISEN MAGNEETTIKENTÄN AIKAANSAAMISEKSI -3P0LSYSTEM FÖR ÄSTADKOMMANDE AV HOMOGENT MAGNETFÄLT

Keksinnön kohteena on homogeenisen magneettikentän synnyttävä kelasto varsinkin ns. NMR-kuvauks11 n sovellettavaksi.

Homogeeninen magneettikenttä on NMR-kuvausten perusedellytys: mitä suurempaan homogeenisuuteen päästään, sitä parempia kuvaustuloksia voidaan saavuttaa. Homogeeninen magneettikenttä voidaan synnyttää käyttäen eri tyyppisiä perusgeo-metrlolta kuten esimerkiksi Heimholz1nparla, päistään kompensoitua solenoidia, jonka päädyt ovat keskikohtaa paksumpia, tai erillisiä solenoideja. Esimerkiksi patenttijulkaisussa EP-11355 on esitetty ratkaisu, jossa on käytetty neljää symmetrisestl asetettua solenoidia.

Yleisesti kelaston valmistuskustannuksia pidetään verrannollisina keloissa vastushäiriÖ1nä kuluvan tehon P ja johteen massan m tuloon, joka toteuttaa yhtälön: 20

Pm = kd* · B2, missä k on valitusta geometriasta ja johteen materiaalista riippuva verrannollisuuskerroin, d magneetin kelaa, ennen 25muuta halkaisijaa, kuvaava mitta ja B synnytetty magneettikenttä. Nähdään, että kustannukset riippuvat erittäin voimakkaasti laitteen koosta. Kustannussyistä on siis edullista tehdä magneetti mahdollisimman pieneksi. Toisaalta aikaansaadun magneettikentän homogeenisuus pienenee solenoidin radiaal1 suunnassa sitä mukaa kun etäisyys solenoidin 30 akselista kasvaa. Koko kehon kuvauksiin pyrittäessä homo-geenlsuusaluetta, siis tietyt magneettikentän homogeenisuudelle asetetut kriteerit täyttävää aluetta, on huomattavasti jouduttu laajentamaan verrattuna pieniin, erillisiä näytteitä 35analyso1vl1 n NMR-tutklmuslaitte1stolhln. Käytännössä tähän on päästy kasvattamalla laitteiston magneettlkelaston kokoa, 2 70752 mistä puolestaan edellisen perusteella on ollut seurauksena valmistuskustannusten huomattava kasvu.

Magneettikentän homogeenisuusalueen laajuuteen voidaan vaikuttaa magneettikelaston mitoitustekijöillä, jotka riippuvat kelaston geometriasta ja jotka ovat keskenään mutkikkaassa riippuvuussuhteessa. Mainitussa patenttijulkaisussa EP-11355 on tällaisia mi toitustekijoitä hyväksikäyttäen py- · ritty parantamaan aikaansaatavan magneettikentän homogeeni-^suutta. Tällöin on päästy tuloksiin, joissa perusmagneetti-kentän homogeenisuus säilyy luokassa 10-5 siirryttäessä 13,9 % verran keskimmäisen kelan hai kaisijamitästä kelan keskiakse-1ΐ1 ta radiaal1 suunnassa poispäin ja vastaavasti luokassa 10“* siirryttäessä 17,3 % verran keskimmäisen kelan hai kaisijami-^tasta kelan keskiakseli1 ta radiaalisuunnassa poispäin.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada erityisesti NMR-kuvaustarkoituksiin soveltuva homogeenisen perusmagneet-tikentän synnyttävä kelasto, jolla saadaan kelaston koko huomioonottaen entistä laajempi homogeenisuusalue, mutta 20 joka tästä huolimatta on rakenteeltaan yksinkertainen ja vai mistuskustannuksiltaan edullinen.

i

Keksinnön tarkoitus saavutetaan siten, että kelastoon kuuluu kolme samanakselista solenoidia, joista keskimmäisen 25 solenoidin aksiaalinen johdeleveys on 2,75...2,95, mieluimmin 2,835...2,855 kertaa keskimmäisen solenoidin keskimääräinen säde, ja reunimmaisten solenoidien keskimääräinen j säde on 1,05...1,07, mieluimmin 1,055...1,061 kertaa kes- j kimmäisen solenoidin keskimääräinen säde, ja niiden aksiaa-30 linen johdeleveys on 0,32...0,38, mieluimmin 0,340...0,342 kertaa keskimmäisen solenoidin keskimääräinen säde, että lisäksi reunimmaisten solenoidien keskikohdan etäisyys keskimmäisen solenoidin keskikohdasta on 1,80...1,95, mieluimmin 1,858...1,868 kertaa keskimmäisen solenoidin keskimää- j

3 5 I

i i i ί f 70752 3 räinen säde, ja että keskimmäisen solenoidin sähkövirranti-heys pituusyksikköä kohden aksiaalisen johdeleveyden suunnassa on 0,250...0,275, mieluimmin 0,2646...0,2666 kertaa reunimmaisten solenoidien vastaavalla tavalla mitattu sähkö-vi rrantiheys.

Keksinnön mukaisen kelaston tärkein etu on nimenomaan laajentuneessa homogeenisuusalueessa. Esimerkkinä mainittakoon, että kelaston keskellä alueella, jonka leveys solenoidien iQakselin suunnassa on 0,645 kertaa keskimmäisen solenoidin keskimääräinen säde ja korkeus kohtisuorassa suunnassa solenoidien akseliin nähden on 1,774 kertaa keskimmäisen solenoidin keskimääräinen säde, voidaan saavuttaa magneettikentän homogeenisuus 2,2 · 10"6 valitsemalla sopivasti mai-^nittujen mittojen ja parametrien arvot mainituilta vaihteluväleiltä. Huomattakoon, että homogeenisuus tarkoittaa tässä tekstissä suhdettaAB/B, jossa B on aikaansaatu magneettikenttä solenoidin akselilla jaAB magneettikentän keskimääräinen virhe ko. alueella. Kelaston laajentuneesta homogeeni-suusalueesta seuraa, että haluttaessa homogeeninen magneettikenttä tiettyyn alueeseen se voidaan keksinnön avulla toteuttaa optimaalisen pienikokoisella kelastolla. Kuten edellä jo todettiin, kelaston koolla on olennainen vaikutus valmistuskustannuksiin, joten keksintö on myös valmistuskustannuksiltaan edullinen.

25

Magneettikentän homogeenisuuden kannalta edullinen vaikutus saadaan valitsemalla reunimmaisten solenoidien radiaal1 seksi johdekorkeudeksi 3,5...3,9 kertaa keskimmäisen solenoidin radiaalinen johdekorkeus. Edelleen reunimmaiSten solenoidien 30 radiaalinen johdekorkeus on edullisimmillaan 0,13___0,16 kertaa keskimmäisen solenoidin keskimääräinen säde.

Keksinnön mukaisen kelaston asentamisen ja kokoonpanon kan-35nalta on edullista, että reunimmaiset solenoidit ovat ak-siaalisuunnassa slirrettävästi liitetyt keskimmäiseen solenoidiin, koska käytännössä voidaan tällä tavoin yleensä 70752 4 kompensoida mahdollinen kentän riittämätön homogeenisuus haettaessa optimaalista arvokombinaatiota edellä mainituilla keksinnön mukaisilla vaihteluväleillä. On nimittäin syytä huomauttaa, että optimaalinen tulos tietyllä homogeenisuus- _ alueella voidaan todennäköisesti saavuttaa usealla eri m1t-5 tojen tai parametrien arvokombinaatioi11 a, sillä kukin valittava muuttuja vaikuttaa kokonaisuuden lisäksi myös muiden muuttuja-arvojen valintaan pyrittäessä optimaaliseen magneettikentän homogeenisuuteen.

10

Keksintöä on havainnollistettu oheisella piirustuksella, jonka ainoa kuvio esittää periaatekuvana keksinnön mukaisen homogeenisen perusmagneettikentän aikaansaavan kelaston perusrakennetta ja mitoitusperiaatteita. On huomautettava, että kuvion mitoitukset eivät välttämättä lainkaan vastaa keksinnön mukaisia arvoja.

Piirustuksessa viitenumero 1 tarkoittaa kelaston keskimmäistä solenoidia, jonka keskiakseli kuten myös koko kelaston 20 synnytetyn homogeenisen perusmagneettikentän keskiakseli yhtyvät Z-koordinaattiakseliin. Solenoidin 1 keskimääräinen säde on rl, aksiaalinen johdeleveys W1 ja radiaalinen johde- j leveys hl. Solenoidin 1 kummallekin puolelle symmetrisesti ! sijoitettujen solenoidien 2 keskimääräinen säde on vastaa-25 vasti r2, aksiaalinen johdeleveys W2 ja radiaalinen johde-korkeus h2. Solenoidien 1 ja 2 keskikohtien välistä etäisyyttä on merkitty Zl.

Kelaston keskellä oleva alue H, jonka mittaa kelaston ak-3Q siaalisuunnassa on merkitty 1 ja radiaal1 suunnassa d, edustaa varsinaista NMR-kuvauksissa käytettävää aluetta, jolle pyritään aikaansaamaan mahdollisimman homogeeninen perusmag-neettikenttä solenoideilla 1 ja 2. Valitsemalla 1 * 0,645 x rl ja d = 1, 774 x rl voidaan sopivilla keksinnön mukals-35 ten mittojen ja parametrien arvojen valinnoilla saavuttaa alueella H magneettikentän homogeenisuus 2,2 · 10“®. Tähän I; 5 *· | 5 70752 tulokseen päästään todennäköisesti usealla parametrien eri arvokombinaatioi 1 a. Mikäli optimaalisesta valinnasta poiketaan muuttamalla jonkin parametrin arvoa, seurauksena on kasvanut epähomogeenisuus,.mlkäli alueen H koko halutaan pi-^ tää ennallaan. Toisin sanoen alkuperäiset homogeenlsuuskri-teerit pätevät enää pienemmälle alueelle. Tämä voidaan kuitenkin varsin pitkälle kompensoida muuttamalla vastaavasti jonkin muun parametrin arvoa. Erityisen edullisesti tällainen kompensointi voi tapahtua parametrin Z1 arvoa, siis solenoi-dien 2 etäisyyttä solenoidista 1 muuttamalla. Tämä voi käytännössä tapahtua esimerkiksi piirustuksessa esitetyllä tavalla, jolloin solenoidit 2 on liitoksella 4 siirrettävästi liitetty solenoidin 1 runkoon 3.

Käytännössä varsinkin seuraavien parametrien virheet tai muutokset ovat varsin hyvin kompensoitavissa solenoidien etäisyyttä Z1 muuttamalla: sähkövirrantiheyksien suhde 11/12,

Wl/rl, W2/rl, h2/rl, hl/h2. Esimerkkinä todettakoon, että suhteen 11/12 virhe 1,5 %, ts. siirtymä optlmiarvosta, aiheuttaa optimitapauksessa Zl:een 0,5 % muutoksen, jolloin homogeenisuus huononee arvoon 2,9 · 10“°. Sen sijaan parametrin rl/r2 virheet ovat vaikeammin kompensoitavissa. Esimerkiksi virhe 0,15 % aiheuttaa optimitapauksessa Zl:een 0,07 % muutoksen, mutta homogeenisuus huononee tällöin kui-tenkin arvoon 5,4 ♦ 10-6.

Keksintö ei ole rajoitettu esitettyyn sovel1usmuotoon tai esimerkkeihin, vaan useita muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

30 ! 35

Claims

6 70752

1. Homogeenisen magneettikentän synnyttävä kelasto varsinkin ns. NMR-kuvauksiin sovellettavaksi, tunnetta siltä, 5 että kelastoon kuuluu kolme samanaksel1sta solenoidia, joista keskimmäisen solenoidin (1) aksiaalinen johdeleveys (Wl) on 2,75...2,95, mieluimmin 2,835...2,855 kertaa keskimmäisen solenoidin (1) keskimääräinen säde (rl), ja reunimmaisten solenoidien (2) keskimääräinen säde (r2) on 1,05...1,07, mie-lOluimmln 1,055...1,061 kertaa keskimmäisen solenoidin (1) keskimääräinen säde (rl) ja niiden aksiaalinen johdeleveys (W2) on 0,32...0,38, mieluimmin 0,340...0,342 kertaa keskimmäisen solenoidin (1) keskimääräinen säde (rl), että lisäksi reunimmaisten solenoidien (2) keskikohdan etäisyys (Zf) keskim-15mäisen solenoidin (1) keskikohdasta on 1,80...1,95, mieluimmin 1,858...1,868 kertaa keskimmäisen solenoidin (1) keskimääräinen säde (rl) ja että keskimmäisen solenoidin (1) säh-kövirrantiheys pituusyksikköä kohden aksiaalisen johdelevey-den suunnassa on 0,250...0,275, mieluimmin 0,2646...0,2666 20 kertaa reunimmaisten solenoidien (2) vastaavalla tavalla mitattu sähkövirrantiheys.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kelasto, tunnettu siitä, että mainitut reunimmaiset solenoidit (2) ovat aksiaa- 2511 suunnassa siirrettävästi liitetyt keskimmäiseen solenoidiin (1).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kelasto, tunnettu siitä, että reunimmaisten solenoidien (2) radiaa- 301inen johdekorkeus (h2) on 3,5...3,9 kertaa keskimmäisen solenoidin (1) radiaalinen johdekorkeus (hl).

4. Jonkin ylläolevan patenttivaatimuksen mukainen kelasto, tunnettu siitä, että reunimmaisten solenoidien (2) 35radlaal1nen johdekorkeus (h2) on 0,13...0,16 kertaa keskimmäisen solenoidin (1) keskimääräinen säde (rl).