FI86010B - Kaernmagnetisk resonansanordning med en magnet av permanent magnetiskt aemne. - Google Patents

Description

1 86010

Ydinmagneettinen resonanssilaite, jonka magneetti on kes-tomagneettista ainetta

Esillä oleva keksintö kohdistuu ydinmagneettiseen 5 resonanssilaitteeseen, jonka magneettijärjestelmä on rakennettu kestomagneettisesta aineesta, homogeenisen pää-magneettikentän kehittämiseksi. Homogeeninen magneettikenttä tulee tässä ymmärtää magneettikenttänä, jonka suuruudella on tasainen avaruusjakaumakoko tietyllä alueella, 10 esimerkiksi tutkimusalueella.

Tämän tyyppinen laite tunnetaan PCT-patenttihake-muksesta W0 84/01226.

Siinä esitetyn laitteen haittana on, että kunkin käytetyn lohkon magnetoinnin suunnan täytyy olla tarkasti 15 kohdistettu, koska kunkin lohkon paikan magneettijärjes telmässä, aksiaalisesta säätömahdollisuudesta erillään, määrää täysin lohkojen ja magneettijärjestelmän geometria. Pienikin muutos yksittäisten lohkojen magnetoinnin suunnassa voi aiheuttaa pääkenttään häiritsevän määrän epäta-20 saisuutta.

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on tämän haitan voittaminen, minkä aikaansaamiseksi alkukappaleessa mainitun tyyppisellä ydinmagneettisella resonanssilait-teella on uutena tunnusomaisena piirteenä se, että kesto-25 magneettinen aine on sauvojen muodossa, jotka on asennettu magneettijärjestelmään säädettäväsi! magnetointisuunnan . . suhteen.

Oleellisesti pyöreän sylinterimäisen mittaustilan johdosta kestomagneettinen aine ympäröi pyöreän sylinteri-30 mäistä tilaa, jonka säädettävä halkaisija ja pituus voi daan vielä vapaasti valita. Sovitetussa sylinterikoordi- naatistossa, jonka z-suunta yhtyy sylinterimäisen mittaus- tilan akseliin, voidaan laskea muiden koordinaattien ol-lessa r ja j , että säteittäinen kentänvoimakkuus x-suun-35 nassa on maksimissaan, jos ympäröivän kestomagneettisen * * * 2 86010 aineen magnetointi x-akselin suhteen täyttää suhteen a = 2 kaikille suunnille, missä a on x-akselin ja magnetointi suunnan välinen kulma. Tässä tapauksessa käy myös ilmi, että x-suuntaa vastaan kohtisuorassa y suunnassa ei ole 5 mitään kentänvoimakkuutta. Kentän voimakkuus x-suunnassa on tässä tapauksessa kääntäen verrannollinen p:hyn, kes-tomagneettisen aineen magneettiseen permeabiliteettiin, ja kääntäen verrannollinen ympäröidyn sylinterimäisen tilan säteen r neliöön.

10 Keksinnön edullisessa suoritusmuodossa kestomag- neettinen aine koostuu useista diametriaalisesti magnetoi-duista sylinterimäisistä sauvoista, jotka ympäröivät sy-linterimäistä mittaustilaa, ja jotka ovat asennetut siten, että kukin sauvoista on pyöritettävissä akselinsa ympäri 15 kohtisuorissa kulmissa sauvojen magnetoinnin suuntaan nähden. Sauvat ovat erityisesti pyöreän sylinterimäisiä ja magneettijärjestelmä käsittää esimerkiksi 12-24 kyseisen tyyppistä sauvaa. Pyöreän sylinterimäisen muotoisten sauvojen käytöllä on etuna, että magnetointi voi olla kes-20 kenään identtinen kaikille sauvoille, joten koko magneetti järjestelmää varten tarvitaan vain yhden tyyppisiä mag-netoituja sauvoja.

Toisessa edullisessa suoritusmuodossa sauvoilla on poikkileikkaus, joka on oleellisesti sylinterimäisen kuo-25 ren sektorin muotoinen, vastaten esimerkiksi patenttihakemuksessa PCT 84/01226 esitettyjen lohkojen säteittäistä poikkileikkausta, mutta ne on asennettu siten, että on käytettävissä riittävästi tilaa kunkin sauvan pyörittämisen sallimiseksi tietyllä määrällä pitkittäisen akselin 30 suhteen.

Edelleen eräässä suoritusmuodossa magneettijärjestelmä käsittää useamman kuin yhden, esimerkiksi kahden samankeskisen sauvan sylinterimäisen jakauman, jolloin esimerkiksi sauvoilla, jotka sijaitsevat sisempänä z-suun-35 nasta nähtynä, on keskiosassa katkos, ja ulompana sijait- 3 86010 sevat sauvat peittävät tämän katkoksen ja päättyvät vastakkaisiin päihin joko samoille tai eri pitkittäisille paikoille sisempänä sijaitsevien sauvojen päihin nähden.

Edelleen eräässä suoritusmuodossa sauvat on asen- 5 nettu siten, että koko järjestelmän magnetoinnin suunta on tasainen suunnassa, joka on esimerkiksi yhdensuuntainen kaikkien sauvojen x-suuntaan nähden. Suuren magneettisen permeabiliteetin omaavaa ainetta oleva vaippa täytyy silloin sovittaa paluuieksenä kestomagneettijärjestelmän ym-10 pärille.

Edelleen eräässä suoritusmuodossa sauvojen geometria, mahdollisesti ylimääräisen tiivisteaineen tai tiivis-tekelojen kanssa, aikaansaa haluttaessa suuriasteisen kentän homogeenisuuden erityisesti lähellä magneettijärjes-15 telmän avoimen pään aluetta.

Seuraavassa selostetaan eräitä keksinnön mukaisia edullisia suoritusmuotoja yksityiskohtaisemmin mukana seu-raaviin piirustuksiin viitaten, joissa: kuvio 1 esittää kestomagneetilla varustettua ydin-20 magneettista resonanssilaitetta, kuvio 2 esittää kaaviomaisena poikkileikkauksena pyöreän sylinterimäistä magneettia, jossa pyöreän sylin-terimäiset sauvat jotka on magnetoitu suhteen a * 2f mu-kaisesti, 25 kuvio 3 esittää kestomagneettia, joka koostuu sau- voista, jotka on sylinterimäisen kuoren sektorien muodos-. sa, kuvio 4 esittää vastaavaa järjestelmää, jossa kak si sauvojen sylinterimäistä jakaumaa on asennettu koaksi-30 aalisesti.

Kuviossa 1 esitetty ydinmagneettinen resonanssi- i laite käsittää kestomagneettijärjestelmän 2 vakion homo geenisen magneettikentän H kehittämiseksi, magneettijärjestelmän 4 gradienttimagneettikenttien kehittämiseksi, 35 ja teholähteen 6 gradienttikeloja 4 varten. Magneettikela 4 86010 10 kehittää radiotaajuisen vaihtomagneettisen heräteken-tän, jota tarkoitusta varten se on kytketty radiotaajuus-lähteeseen 12. Radiotaajuisen herätekentän tutkimuksen kohteessa kehittämien ydinmagneettisten resonanssisig-5 naalien ilmaisemiseksi käytetään hyväksi myös kuvion 1 laitteessa yksinkertaisuuden vuoksi radiotaajuista kelaa 10, joka on kytketty signaalivahvistimeen 14 tätä tarkoitusta varten. Signaalivahvistin 14 on kytketty vaiheherk-kään tasasuuntaajaan 16 joka on kytketty keskusohjausyk-10 sikköön 18. Ohjausyksikkö 18 ohjaa edelleen radiotaajuus-lähdettä 12 varten olevaa modulaattoria 20, gradienttike-loja varten olevaa teholähdettä 6 ja kuvanäyttöä varten olevaa monitoria 22. Suurtaajuusoskillaattori 24 syöttää sekä modulaattoria 20 että vaiheherkkää tasasuuntaajaa 16, 15 joka käsittelee mittaussignaaleja. Magneettijärjestelmiin 2 ja 4 sijoitettu herätyskela 10 sulkee sisäänsä ja määrittää mittaustilan 28, joka lääketieteellisiä diagnostisia mittauksia varten tarkoitetussa laitteessa on riittävän suuri potilaan sovittamiseksi. Siten mittaustilaan 20 28 tulee kehittää homogeeninen magneettikenttä H, mitat tavan ja esitettävän poikkileikkauksen paikan valitsemiseksi vaadittavat gradienttikentät, ja avaruudellisesti tasainen radiotaajuinen vaihtokenttä. Tietyissä tutkimuksissa kuten kehon ulommille osille suoritettavat, mutta • 25 myös selkäytimelle, voi ilmaisua varten olla edullista käyttää keloja, joiden muotoa voidaan ainakin osin sovittaa tutkittavan kehon osan mukaan, kuten pintakeloja kehon osien kuten sydämen tai selkäytimen paikallistutkimuksia varten, tai solenoidityyppisiä keloja kehon ulompia osia 30 varten, jotka voidaan sijoittaa niihin. Jälkimmäisessä yhteydessä rintarauhastutkimukset on erityinen kohde. Nämä ilmaisukelat sijoitetaan mittaustilaan, jossa herätekelal-ta voivat kehittää paikallisesti tasaisen homogeenisen radiotaajuuskentän. Käytettäessä solenoidityyppistä kelaa ... 35 voidaan taas yhdistää herätekelan ja mittauskelan toimin- not.

5 86010

Keksinnön mukainen kestomagneettijärjestelyn suoritusmuoto, joka on esitetty säteittäisessä poikkileikkauksessa kuviossa 2, sisältää pyöreän sylinterimäisessä jakaumageometriassa pyöreän sylinterimäiSten sauvojen 30 5 järjestelyn, jotka ympäröivät mittaustilan 28 ja jotka on magnetoitu nuolilla osoitettuun suuntaan m. Sauvat koostuvat kestomagneettisistä aineista, kuten ferriitistä, SmCo5:sta, Sm(Fe Co Cu Zr)7 5:stä, Nd2Fe14B:stä tai Sm(Co Cu)5:stä. Mittaustilalla on niin kutsuttuja koko ke-10 hon mittauksia varten esimerkiksi noin 1 m:n sisähalkaisi-ja ja pituus 1,5-2 m. Magneettisen aineen vaadittava määrä ja siten sauvojen halkaisija riippuu valitusta kestomag-neettisesta aineesta, sauvojen lukumäärästä ja vaadittavasta magneettikentän voimakkuudesta mittaustilassa. Op-15 timaalisesti tasainen magneettikenttä H aikaansaadaan mit-taustilaan, jos kestomagneettisen aineen magnetoinnin suunta m täyttää aina ehdon missä a on 2 , missä on polaarikoordinaattikulma x-akselin ja asianomaista sauvaa 30 kohti olevan säteen r välillä ja a on x-akselin ja mag-20 netoinnin m suunnan välinen kulma. Kuten kuviossa on osoitettu peräkkäisille paikoille akselin ympärillä, muuttuu magnetoinnin suunta x kulmataajuudella, joka on kaksi kertaa säteen suuntakulman muutoksen taajuus. Sylinterin sisäpuolelle on siten kehitetty magneettikenttä H, joka tii-i 25 visteainetta käytettäessä on riittävän tasainen suhteellisen suuressa ympäröidyn tilan osassa. Kestomagneettisel-la aineella on lisäksi edullisesti suuri magnetointivoi-makkuus suhteellisen suuren kentän H saavuttamiseksi suhteellisen vähällä ainemäärällä, pieni magnetoinnin lämpö-30 tilakerroin kentän pitämiseksi vakaana lämpötilan muutosten suhteen, ja hyvä avaruudellinen tasaisuus, suuri koe-resitiivisyys magnetoinnin suojaamiseksi ulkoisia kenttiä vastaan, ja suuri kenttäanisotropia magnetoinnin paikallisten häiriöiden välttämiseksi.

35 Kukin sauva 30 on sijoitettu pitimeen 32, joka puo- 6 86010 lestaan on sijoitettu sisäkannattimeen 34, joka ei saa vaikuttaa magneettikenttään, ja ulkokannattimeen 36, joka voi muodostaa esimerkiksi vaipan osan, erityisesti magneettisen vaipan osan, mutta joka tässä magnetoinnin geo-5 metriassa ei ole aivan välttämätön. Sauvaa 32 voidaan pyörittää pitimessään 32 ja siten voidaan magneettikentän H homogeenisuus optimoida. Tarvittaessa pidin 32 voidaan asentaa myös kannatinyhdistelmään 34-36 siten, että sauva on säteittäisesti siirrettävissä pitimessä 32 ja sitä voi-10 daan säätää siten jälkikäteen. Koska kaikki sauvat ovat tässä identtisiä, ei tälle ole kuitenkaan paljon tarvetta. Sauvat voidaan magnetoida muodossa, jossa niitä aiotaan käyttää, mutta on myös mahdollista käyttää esimerkiksi magnetoituja suorakulmaisia sauvoja ja antaa niille sen 15 jälkeen vaadittu muoto. Tämän toiminnan tekemiseksi helpommaksi voi sauvojen poikkileikkauksella olla säännöllisen monikulmion muoto. Kukin sauvoista voidaan silloin vastaavasti sijoittaa pitimeen, kuten pitimeen 32, jonka si-sähalkaisija on sellainen, että sisäpinta muodostaa 20 ympäröivän tukipinnan sauvalle. Sauvojen lukumäärä riippuu halutusta homogeenisuuden asteesta, ja se voi olla esimerkiksi mikä tahansa välillä 12-24.

Täysin vastaavasti on mahdollista vaihtoehtoisesti käyttää tasaisesti magnetoitua järjestelmää eli sellaista, 25 jossa magnetoinnin suunta on keskenään yhdensuuntainen kaikilla sauvoilla, esimerkiksi x-akselin kanssa yhdensuuntainen kuviossa 2. Kyseisen järjestelmän haittana on, että magneettisesta näkökohdasta käsin se ei muodosta suljettua järjestelmää, vaan siinä esiintyy osittain ulkoi-30 nen jäännöskenttä, joka tasapainoittaa vaaditun sisäisen kentän, ja joka voi antaa aiheen ulkoiselle hajakentälle. Kuten on jo huomautettu, tämä voidaan voittaa pehmeän magneettisen vaipan avulla, joka on tässä tapauksessa siten * . tarpeen. Sauvat itsessään voivat olla identtisiä aikaisem- _ 35 min selostetun järjestelmän sauvojen kanssa. Keksinnön 7 86010 mukaisesti magnetoituva sauvoja voidaan käyttää molemmissa järjestelmissä. Vaippaa lukuunottamatta on siten mahdollista muuntaa yksi järjestelmä toiseksi yksinkertaisesti pyörittämällä sauvoja. Sauvojen jälkikäteen tapahtuva koh-5 distus voidaan suorittaa kokonaan kokeellisesti, mutta on myös mahdollista laatia kunkin sauvan magnetoinnin suunnan mitatusta vaikutuksesta kentän homogeenisuuteen algoritmi kunkin sauvan kohdistamiseksi. Symmetrisyyssyistä tämä voidaan tehdä edullisesti pareittain, eli sauvapareille 10 jotka on asennettu diametrisesti järjestelmän suhteen. Kunkin sauvan tai kunkin sauvaparin vaikutus voidaan laskea, mutta se voidaan määrittää myös kokeellisesti tietylle tunnetulle pyöritykselle, mittaamalla kenttään kohdistuva vaikutus mittaustilassa.

15 Kestomagneettisen aineen kompaktimpi rakenne saa vutetaan, kuten on esitetty kuviossa 3, kun kunkin sauvan lateraaliselle poikkileikkaukselle annetaan vaadittavaan geometriaan sovitetun sylinterimäisen kuoren sektorin muoto. Kyseisen poikkileikkauksen omaavista sauvoista 40 muo-20 dostetaan taas magneettijärjestelmä, jossa on mittaustila 28. Sauvojen välissä olevat tilat 42 sallivat myös tässä pyörittämisen, vaikkakin rajoitetussa määrin. Tilan 42 ei tarvitse olla suuri kentän tasaisuuden sallimiseksi asettaa optimaalisesti, koska kunkin sauvan magnetoinnin suun-25 ta voidaan kohtuullisen tarkasti määrittää valmistuksen aikana. Asetus voidaan toteuttaa tässä esimerkiksi asentamalla sauvat kannattimeen 44, jossa on säätöruuvit 46, ja mahdollisesti kannattimeen 48, johon on sovitettu jou-sielementit 49, jotka ovat esimerkiksi riittävän joustavaa 30 ainetta. Sitä käytännöllistä etua, että kaikki sauvat ovat keskenään identtisiä ja vaihdettavia, ei tässä tapauksessa saada. Koska magnetoinnin suunnan jälkikäteen tapahtuvasta kohdistuksesta johtuen magneettikentälle voidaan antaa as-‘ . teeltaan suurempi tasaisuus, on edullista käyttää useampaa 35 kuin hakemuksessa W0 84/01226 mainittua kahdeksaa element- 8 86010 tiä. Myös tässä geometriasta ja tasaisuuden halutusta asteesta riippuen suositellaan 12-24 sauvaa. Täysin analogisella tavalla voidaan käsitellä vielä järjestelmää, joka on magnetoitu suhteen a = 2 j mukaisesti, tai tasaista 5 magnetointia käyttävää järjestelmää. Tällöin järjestelmät eivät luonnollisesti ole keskenään muunnettavia ja jälkimmäisessä rakenteessa tarvitaan jälleen paluuiestä.

Tähän saakka on tarkasteltu yhtä sylinterimäistä jakaumaa. Kuviossa 4 pitkittäisenä leikkauksena on kaava-10 maisesti esitetty suoritusmuoto, jossa on kaksi sauvojen koaksiaalista sylinterimäistä jakaumaa. Ensimmäinen tai sisempi jakauma 50 koostuu kahdesta osasta 52 ja 54 sekä välisestä tilasta 56 ja toisesta eli ulommasta jakaumasta 58, joka tässä koostuu sauvoista ilman väliä. Kukin jär-15 jestelmistä 52, 54 ja 58 on rakennettu samalla tavalla kuin edellä selostetut järjestelmät. Kyseisessä järjestelmässä voidaan muodostaa magneetti, jonka kenttä H on myös riittävän tasainen diagnostisia mittauksia varten lähellä esimerkiksi magneetin päätysivua 60. Geometria, erityises-20 ti sisäjakauman päätysivun 60 ja ulkojakauman päätysivun 61 suhteellinen sijainti ja katkoksen 56 koko voidaan optimoida magneettikentän saattamiseksi tasaiseksi lähellä päätysivua 60. Tätä tarkoitusta varten voidaan lisätä yli-määräistä magneettista ainetta tai ylimääräinen sähkömag-I 25 neettinen kela. Magneetti, joka aikaansaa tasaisuudeltaan suuriasteisen magneettikentän päätysivun lähellä, on erityisen sopiva esimerkiksi rintatutkimuksia varten. Magneetin halkaisijaa ja siten sen kokonaismittoja ja kokonaispainoa voidaan merkittävästi pienentää erityisesti 30 tätä tarkoitusta varten suunnitellulla magneetilla. Halkaisija 15-20 cm on riittävä. Jos yhteistä solenoidia käy-tetään silloin sekä heräte- että mittauskelana, on tuloksena halpa, helposti toimiva ydinmagneettinen resonanssi-laite, joka ei tarvitse energiaa pääkenttää varten. Mag-35 neetin halkaisijaa voidaan edelleen pienentää käyttämällä 9 86010 järjestelyä, jossa gradienttikela 62 liitetään tilaan 56. Symmetriasyistä johtuen kyseistä magneettia voidaan periaatteessa käyttää samanaikaisesti erikseen kummassakin päässä. Koska tietyllä sopivalla rakenteella päätysivussa 5 64 oleva kenttä on identtinen päätysivussa 60 olevan ken tän kanssa, voidaan yhtä magneetin päistä käyttää myös referenssinä esimerkiksi keinokohteen kanssa sallien korjausten teon symmetrisille kentän epähomogeenisuuksilie. Jos kahden jakauman päätysivujen keskinäinen asema tehdään 10 erilaiseksi magneetin kussakin päässä, voidaan magneetti tehdä epäsymmetriseksi. Lähellä kutakin päätä oleva magneettikenttä voidaan silloin sovittaa tietylle erilaiselle käyttötarkoitukselle.

Claims (9)

10 8601 0

1. Ydinmagneettinen resonanssiisite, jossa on mag-neettijärjestelmä, jonka magneetit (2) on tehty kestomag-5 neettisesta aineesta homogeenisen päämagneettikentän (H) kehittämiseksi, tunnettu siitä, että kestomag-neettinen aine on sauvojen (30, 40) muodossa, jotka on asennettu magneettijärjestelmään säädettäväsi! magnetoin-tisuunnan suhteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinmagneettinen resonanssilaite, tunnettu siitä, että magneetti-järjestelmä on muodoltaan oleellisesti pyöreän sylinte-rimäinen ja jokainen sauva (30) on sijoitettu siten, että kestomagneettisen aineen magnetointisuunnan (m) ja kiinte-15 än x-suunnan välinen kulma (a) on aina kaksi kertaa se napakulma (^), joka muodostuu x-akselin ja säteen (r) väliin, joka yhdistää magneettijärjestelmän akselin ja sauvan (30) viemän olennaisen tilavuuden keskipisteen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinmagneettinen 20 resonanssilaite, tunnettu siitä, että magneetti- järjestelmässä olevan kestomagneettisen aineen magne-tointisuunta on tasainen.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukai-nen ydinmagneettinen resonanssilaite, tunnettu i 25 siitä, että magneettijärjestelmä on oleellisesti pyöreän sylinterimäinen ja että kukin sauva (30, 40) on poikit-# taismagnetoitu ja pyöritettävissä akselin ympäri suorakul- maisesti magnetointisuuntaan nähden.

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukai-v.: 30 nen ydinmagneettinen resonanssilaite, tunnettu siitä, että kunkin sauvan (30) poikkileikkaus on pyöreä. ·.: 6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen ydinmagneettinen resonanssilaite, tunnettu siitä, että magneetti-' . järjestelmässä on kaksi kestomagneettisten sauvojen (50, 35 58) koaksiaalista sylinterimäistä jakaumaa. * · • » > · 11 8601 0

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen ydinmagneettinen resonanssilaite, tunnettu siitä, että ainakin toisessa sauvojen sylinterimäisessä jakaumassa on akselin suuntainen katkos (56).

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukai nen ydinmagneettinen resonanssilaite, tunnettu siitä, että siinä on magneettinen korjauslaite magneettikentän tasaisuusasteen nostamiseksi ainakin magneetti järjestelmän toisessa akselin suuntaisessa päässä (60, 10 64).

9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen ydinmagneettinen resonanssilaite, tunnettu siitä, että magneetti-järjestelmä muodostaa tehokkaan mittaustilan, jonka halkaisija on noin 20 cm ainakin lähellä sen toista päätä. 15 12 86010