FI88078B - Cylindrisk spole - Google Patents

Description

88078

SYLINTERIMÄINEN KELA - CYLINDRISK SPOLE

Tämä keksintö kohdistuu laitteisiin ydinmagneettista resonanssi-kuvausta (NMR) varten. Yksityiskohtaisemmin, tämä keksintö kohdistuu sylinterin muotoiseen kelaan, joka tuottaa magneettikenttää, jolla on pääasiassa lineaarinen gradientti pitkittäissuunnassa sy1interiti1 an sisällä käytettäväksi avaruusinformaation hankkimiseen NMR signaaleja varten vaatimuksen 1 johdannon mukaisesti .

NMR kuvauksessa homogeeninen magneettikenttä Bq on suunnattu pitkin suorakulmaisen koordinaatiston Z-akselia, jonka origo tyypillisesti on lähellä kuvattavan kohteen keskipistettä. Z-akseli on valittu olemaan samansuuntainen tyypillisesti sylinterin muotoisen kohdetilan pitkittäiskeskiviivan kanssa. Staattisen magneettikentän B tarkoitus on polaroida ydinspinit, joilla on sel-o lainen magneettinen jäännösmomentti, että tasapainossa suurempi määrä ydir.spinejä asettuu Bq kentän suuntaisiksi ja tuottavat makroskooppisen magnetoinnin M. Tämä polarisointi sallii ydin-spinien resonanssireagoinnin, jotka spinit on magnetoitu radio-jaksoluku (RF) magneettikenttäpulsseilla. Kun sopivan jaksolu-kuiset ja suuntaiset RF pulssit on syötetty kohteeseen, kohteen spinit magnetoituvat RF energialla ja yksittäin polarisoidut * : : ydinspinit (ja siten magnetointi M) kiertävät kentän Bq akselin * ympäri, jaksoluvulla LO , joka saadaan yhtälöstä Oi = ^ Bq , jossa ^ on gyromaattinen suhde tutkittavalle isotoopille tai isotoo-peille. Absorboitu energia ilmaistaan NMR signaalina RF mag-. neettikentän muodossa, joka kenttä resultoituu ytimien kiertämi-““ sestä.

Magneettikenttägradientteja käytetään NMR kuvausjärjestelmissä • * koodaamaan avnruusinformation NMR signaaliksi. Tyypillisesti ·.· · käytetään kolmen kohtisuoraa magneettikenttögradienttia, vastaten .·. : kolmea akselia suorakulmaisessa koordinaatistossa. Jos yhden näistä akseleista suuntaisen magneettikentän komponentin pituus 2 83078 on funktio asemasta kuvaustilan sisällä, niin samoin on ydinspi-nin resonanssi jaksolukukin.

Jos magneettikenttägradientti on lineaarinen, jaksolukuspektri spinille on yksiulotteinen projektio NMR signaalijakautumasta pitkin kenttägradientin suuntaa. Täten, jokainen magneettikentän arvo vastaa yhtä sijaintia kentän akselilla. Siten, jos magneettikentän arvo on sama kahdessa tai useammassa eri paikassa akselilla, NMR signaalit noille paikoille ovat kombinoituja, resul-toituen NMR signaa1itiedon ja kuvausvirheiden degradnaatiossa. Samoin, magneettikenttägradientit,jotka ovat epälineaarisia, voivat aiheuttaa kuvan geometrisia vääristymiä. Täten, magneettikenttägradientit, jotka ovat erittäin lineaarisia, ovat haluttuja.

Täyde11isempiä NMR käsitteeseen perustuvia laitteita on esitetty uudessa Leon Kaufman'in julkaisussa, nimeltään "Nuclear Magnetic Resonance Imaging and Medicine", Igaku-Shoin, New York ja Tokyo (9181), ja myös aikaisemmassa Thomas C. Farrar'in julkaisussa, nimeltään "Pulse and Fourier Transform NMR, An Introduction to Theory and Methods", Academic Press, New York (1971), jotka on liitetty kirjallisuusviitteenä taustamateriaaliksi.

NMR koko-kehon kuvauksessa on sopiva käämiä magneettikenttägra-dienttien kelat sylinterimäiselle pinnalle, koska aukot sylinterin päissä on varustettu laitteilla, joiden läpi potilas voidaan v viedä kuvaustilaan. Tällaisissa järjestelmissä sylinterin keski-;·'· viiva on samansuuntainen edellä esitetyn kuvausjärjestelmän Z-ak-selin kanssa. Täten, kelan muoto halutaan sellaiseksi, että se tuottaa magneettikentän joka on lineaarisesti pitkin Z-akselia t.s., kenttä on Z-akselin suunnassa muodoltaan B =G Z, jossa G , z z z kenttägradientti, on vakio. Erilaiset kelamuodot ja magneetti-kentät voidaan saada aikaan valitsemalla erilaiset pintavirran tiheysarvot sy 1 interimäise 11 ä kelan pinnalla. On ehdotettu lukuisia ke 1 asovituksia lineaarisen magneettikentän aikaansaamisek-si, mutta ne kaikki tuottavat magneettikenttägradientteja, jotka sisältävät epälineaariset ehdot, joka johtaa sekä aksiaalisiin

t I

3 88078 että radiaalisiin vääristymiin kentässä. Esimerkiksi, Maxwell pareista tehtyä kelaa on viime aikoina käytetty magneettikenttä-gradienttien tuottamiseen. Kun tällaiset kelat ovat käyttökelpoisia tuottamaan lähes lineaarisen kenttagradientin sylinterin keskellä, kenttägradientti tulee epälineaariseksi välimatkan päässä keskiöstä, joka on enemmän kuin suunnilleen puolet sylinterin säteestä. Ei ole käytännöllistä vain tehdä kela suuremmaksi tarkoituksella lisätä lineaarisuuden aluetta koska, koko kehon kuvausta varten, se on jo erittäin suuri magneettijärjestelmän vuoksi, joka tarvitaan tuottamaan korkea Bq kenttä, jonka NMR kuvaus tarvitsee.

Toinen probleema keloilla, joita on viime aikoina käytetty aikaansaamaan magneettikenttägradientteja, on tällaisten kelojen suhteellisen korkea sähköinen induktanssi. NMR kuvauksessa käytetyt pulssisarjat vaativat keloja, jotka ovat sopivia nopeasti kytkettäviksi korkealle virralle ja matalalle virralle. Siksi halutaan keloja, joilla on matala sähköinen induktanssi.

Esillä olevan keksinnön kohteena on aikaansaada sy1interimäinen kela, jolla on suhteellisen lineaariseksi tasoitettu magneetti-: 1 : kenttä niiden sisätilassa.

Edelleen on esillä olevan keksinnön kohteena aikaansaada magneet-tikenttäkela, jolla on matala sähköinen induktanssi.

111 Myös on esillä olevan keksinnön kohteena aikaansaada sylinteri-mäinen magneettikenttägradienttikela, joka on erikoisen sopiva käytettäväksi NMR laitteiston kanssa.

1 1 ____: Sy1interimäise 11ä kelalla magneettikentän aikaansaamiseksi, jolla on suhteellisen lineaarinen gradientti akselin suunnassa sylinte-rin sisätilassa, on sy 1 interimäisen kelan kannatusrakenne ja säh-*. 1: köä johtava käämitys sijoitettuna kannatusrakenteen pinnalle.

Keksinnölle tunnusomaiset piirteet on yksityiskohtaisemmin esitetty patenttivaatimuksissa.

4 82078 Käämit on sähköisesti eristetty kannatusrakenteesta ja/tai toisistaan ja on sijoitettu siten, että käämien tiheys akselin suunnassa (mitattuna, esimerkiksi, kierroksia tuumaa kohti) kasvaa lineaarisesti kelan keskiöstä sen kumpaankin päähän akselin suunnassa. Käämit on edelleen sijoitettu niin että kulma-asento £> sylinterimäisen kannatusrakenteen pinnalla tyydyttää suhteen, joka on määrätty yhtälöllä

dtf _ 4__a^ 1 G

7z ’ "m r 21 0 (z) o 2 missä a on kelan kannatusrakenteen säde, Z=- on normalistoitu ak- a siaalinen asema pitkin kelan akselia, j\ q on vapaan tilan perme-abiliteetti, on magneettikenttägradientin arvo kelan sisätilas sa kelan akselin suunnassa, I on virta joka kulkee käämien läpi, ja ' / (Z) on dimensioton muotofunktio, joka karakterisoi käämien

^ O

lukumäärää kelan pituusyksikköä kohti funktiona Z:sta. On edullista, että kelalla lisäksi on sähköä johtavia lisäkäämikierrok-sia magneettikenttägradientin lineaarisuuden vaihteluiden kompensoimiseksi kelan sisätilassa, jotka kelan vuoksi ovat rajoitetun pituisin.

i ' Parannettu ydinmagneettinen resonanssi kuvausjärjestelmä käyttää ' ·' hyväksi sylinterimäistä kelaa esillä olevan keksinnön mukaisesti ...· tuottamaan magneettikentän, joka on tasoitettu lineaariseksi jär- • jestelmän keskiviivan suunnassa. Kuvausjärjestelmä käsittää ;· edelleen laitteet yhtenäisen suurivoimaisen magneettikentän ai- • kaansaamiseksi pitkin samaa keskiviivaa, laitteet lineaarisesti tasoitettujen magneettikenttien aikaansaamiseksi pitkin kahta ak- .·,; selia pääasiassa kohtisuorassa keskiakselia vastaan ja ei-nolla kulmassa toisiinsa nähden, laitteet radiojaksoluku signaalien kehittämistä ja lähettämistä varten, joilla on haluttu modulaatio magnetoimaan ydinresonanssin kuvattavassa kohteessa, laitteet re-sultoivien NMR signaalien vastaaottoa ja käsittelyä varten, ja laitteet kuvien tuottamiseksi käsitellyistä signaaleista.

5 83078

Lyhjf t_selostus_pi irustiiks i^sta Pääsisällys, joka katsotaan keksinnöksi, on yksityiskohtaisesti näytetty ja selvästi vaadittu erittelyn johtopäätösosassa. Itse keksintö on kuitenkin sekä organisatioltaan että käytännön menetelmiltään, yhdessä sen lisäkohteiden ja etujen kanssa, parhaiten ymmärrettävissä viittaamalla seuraavaan selostukseen yhdessä liitteenä olevien piirustusten kanssa, jotka esittävät:

Kuva 1 on perspektiivikuva sylinterikelasta esillä olevan keksinnön yhden toteutuksen mukaisesti;

Kuva 2 on perspektiivikuva sylinterikelasta esillä olevan keksinnön toisen toteutuksen mukaisesti;

Kuva 3 on perspektiivikuva sylinterikelasta esillä olevan keksinnön suositun toteutuksenmukaisesti;

Kuva 4 on näkymä päädystä esittäen kaavioi1isesti vielä toisen toteutuksen esillä olevasta keksinnöstä;

Kuva 3 on perspektiivikuva esittän kaaviollisesti magneettikentän -·· sy nny t täm i s j är j es te 1 mä ä y di nmagne e 11 i s ta resonanssikuvaus- ta varten, joka käyttää hyväksi esillä olevan keksinnön [ sylinterimäistä kelaa; ja

Kuva 6 on yksinkertaistettu blokkikaavio NMR kuvausjärjestelmän suuremmista komponenteista, joka järjestelmä on sopiva käyttämään hyväksi esillä olevan keksinnön sylinterimäistä * · : kelaa.

- Y k s ^ t y i^s k o h t a i^n e n _s e _1 o s t u s _k e k s^i^rtn ö s jt M

Magneettikentän muotojen matemaattisella analyysilla on kehitetty :käämikierrostiheys sijoitettuna sylinterimäiseile pinnalle, joka luottaa lineaarisen B gradienttikentän. Hakijan keksinnön ym- z märtämisen edistämiseksi analyysiä, jota on käytetty kehitettäes- 6 88078 sä hakijan patenttivaatimusten mukaisia sy1interimäisiä keloja, on selostettu alla.

Vapaassa tilassa magneettivuotiheyden B ja magneettivektoripoten-tiaalin A jokainen Cartesian komponentti tyydyttää Laplacen yhtälön. Siksi jokainen Cartesian komponenteista voidaan kirjoittaa kiinteän pallomaisen harmoonisen funktion superpositiona. Yhtälöt on kehitetty sallimaan jokaisen kiinteän pallomaisen harmoonisen funktion X, Y, tai Z erottamisen tuottamaan lausekkeen, joka sisältää alemmat kiinteät pallomaiset värähtelyt. Nämä yhtälöt on esitetty taulukossa I.

TAULUKKO I

Cartesian derivaatat kiinteille pallomaisille y1ivärähte lyi11e.

A , . , . λ I . (.4 wi)(n4 m— 1) r· ~ r‘Cm, — (»i+ " y ' t 2 -·.·-· ft t _ I . . (.4.,)(.4 m— I) r yj - (♦«lir-'s1.-! äT - ϊ f 2 1' 1 m 1 o £ - -r-C,.., f.c . _ 1 - <«+>"><π4.,^η ,π-0 2 3 h ,,C·1" A | r-c.., .., 4 ...

Merkintä pallomaisista y1ivärähtelyistä on otettu W.D. MacMillaa-in tekstikirjasta, The_Tehor^_of_the Potential, Dover, New York, 1958. J.F. Schenckin ja M.A. Hussainin artikkelista, nimeltään "Formulation of Design Rules for NMR Imaging Coils by Use of Symbolic Mainipulation", E£2£££^in§_2£ the_1981 ACM Symposium on Sy m bo l_l£_a n d_A 1 ge brai^c _Compu ta t£on , Association for Computing

Machinery, New York, 1981, voidaan osoittaa, että B kenttä suh- z teellinen Z: aan on suhteellinen erikoisen tiiviiseen pallomaiseen harmooniseen funktioon

1 '·· (; ·Γ 0)1 (D

o: . on vakio.

7 88078

Lineaariseksi tasoitettua magneettikenttää varten magneettinen vektori potentiaali A on haluttu sellaiseksi, että Bsisältää vain termin rC . Eroitusformuloista nähdään, että vain r^C^£= z 2 x ja r S^^yz muotoiset ylivärähtelyt voidaan sallia magneettisen vektoripotentiaalin komponenttien A ja A laajenemisessa.

x y

Minkä tahansa muun termin läsnäolo voi tuottaa B kentät, jotka z

eivät ole suhteelliset Z:aan. A:n A komponentti ei vaikuta B

z z kenttään ja voidaan jättää huomioonottamatta tai ottaa nollaksi. Tarvittavan pintavirran tiheyden määrittämiseksi tuottamaan ylläolevan muodon vektoripotentiaa1 in sylinterin sisällä, käytetään rajaehtoa. Sisäinen vektoripotentiaali on liitetty ulkoiseen vektoripotentiaaliin siten, että magneettivektoripotentiaalin jokainen komponentti on jatkuva sylinteripinnan poikki. Pintavirran tiheys voidaan kirjoittaa λρΦ'Κ'* <2> jossa ^ :n dimensiot ovat amperia metriä kohti. Käytettäessä yllä rajaehtoa, \ _ ( g _ g j M o AO sisällä ulkona z / Ά o A z~ ^sisällä ^ulkona^O .··*. tai, vektorimuodossa -:· ^o A "^sisällä ^ulkona^**5 / ( sylinteripinnalla) . . Käyttämällä harmoonisia funktioita äärettömän pitkille sylinte-I..* reille esitettynä yhtälönä 8 sivulla 180 W.R. Smythen tekstikir-jassa, Static and Dynamic Electricity (3:s painos), McGraw-Hill, : : New York, 1968, magneettivektoripotentiaalin komponenttien muoto voidaan määrittää. Ratkaisut ovat sisäiset ratkaisut: pn [AcosmjJ + BsinnH^ £Cz + d] (4) β 83078 ulkoiset ratkaisut: 2n , -—cosmO + B'sinm®] fC'z + D'3 (5)

Pn jossa A, B, C, D, A', B' , C' ja D'ovat mielivaltaisesti määrättäviä komponentteja. Vakio gradienttimagneettikentälle a magneet-tivektoripotentiaali on kirjoitettu muotoon (sisällä) - GZr * a GZZP0 . .

A = —— j_-yzi + xzj | =—-—(sisällä) (6)

Jatkuvuuden säilyttämiseksi ja yhtälöiden 4 ja 5 toteuttamiseksi, _ G 2λ A = ~ -- 0 ( ulkona ) . (7)

2 P

Ottaen kierre yhtälöistä 6 ja 7, _ —G Λ.

—p+G zK(Sisällä) (8) 2 2 2

- ~GZa A

B =—---p(ulkona) .

Yhtälöistä 3 ja 8 saadaan ratkaisuksi pintavirtatiheydelle ! G Z

V* Täten haluttu vakio gradienttimagneettikenttä voidaan tuottaa li-neaarisesti kasvavalla virran tiheydellä, vaihtaen etumerkkiä origossa. Siellä on myös radiaalinen B kenttä, joka tarvitaan tekemään B:n poikkeama nollaksi. Joka tapauksessa, tämä radiaalinen kenttä ei vaikuta NMR kuvauksen soveltamisiin. Yllä olevalla pintavirtatiheydellä tuotetut magneettikenttäviivat tyydyt-: tävät yhtälöt (sisällä) (ulkona) B = G Z B =0 • · z z z G G 2 o =__zp p___za_ P 2 p" 2p (10) -5-5 = -22 -ä-5= 0

3 P

9 88078

Integroimalla nämä differentiaaliyhtälöt havaitaan kenttäviivoilla, jotka kulkevat sylinteripinnan läpi Z=Zc:ssä, olevan seuraa-van muodon Z = Z (ulkona) (11) c Z = Zc_|a/p (sisällä) jossa Zc on vakio jokaiselle kenttälinja 11 e. Näiden kenttäviivo-jen tuottamaa kenttää voidaan helposti esittää lausekkeella tiiviissä pallomaisissa harmoonisissa funktioissa kelajärjestelmän keskiön ympärillä kuten B =«Γ Αλ rnP (cosi). (12)

z On n J

n = l (n epätasainen luku) Täten tuotetulla kentällä on muoto

Bz=A01(ä)C01+A03(ä) C03+A05^ä) C05+A07(ä) C07+ (13)

Lineaariseksi tasoitetulla magneettikentällä on vakio ja A^» . . A , A jne. kaikki nollia. Laajennuskoeffisiaatti on annettu * · · ub u / “*/ yhtälöllä ’"* A -/t2i f0n|z|

On ' 2a (2n + 3| a+z )~ 2 U4) '·:· g (z) ·;·; _0n___ : : : f (Z)= i£n + 32 (1+Z2)"r“ (15) ·. ·; nollasta äärettömään pitäisi saada ei-nolla arvo A :lle, mutta nolla-arvo pitäisi saada kaikille korkeammille termeille. S i -vuilta 86 ja 87 I.S. Gradshteyn ja I.M. Ruzhikin kirjassa 1 e .....: £f_l2t£g£als±_Series · Academic Press, New York, 1980 voidaan nähdä että tämä tilanne on todistettu oikeaksi. Siten ... vakiogradienttinen magneettikenttä n=l:lle on saavutettu kun ke-·. ; lan pituus kasvaa. Muilla arvoilla koeffisienti 1 lähestyvät nollaa kun kelan pituus kasvaa.

10 83078

On hyödyllistä karakterisoida käämikierrosten lukumäärää/kierrok-sia (pituusyksikköä kohti funktiona sylinterikäämien normaalisi-jainnista pitkin sylinterin pintaan dimensiottomalla muotofunktiolla, ^ (Z). Siten pintavirran tiheys voidaan ilmaista ,_V,,(Z) (16) A j awa ?( *Z=L· (17) joissa 1^(-Ζ)=-'ψΖ) (18) ja

Wa=Jn^^'(Z)^dZ U9) m 2 Näissä yhtälöissä Z=- on sy1interimäisen käämityksen normalisoitu sijainti pitkin sy1interipintaa, a on kelan säde, 2aZm on kelan koko pituus, I on käämityksen läpi kulkeva virta, ja on kierrosten koko lukumäärä ottamatta etumerkkiä huomioon. Käyttämällä B2 kentälle ilmaisua, joka on annettu yhtälöissä 12 ja funktio f^ - (Z) määrätty yhtälöllä 15, laa j ennuskoe f f i s ient i t AQn voidaan ·.·..· kirjoittaa 2 O N I “ n A =/12-1-- O(Z)f (Z)dZ. (20) • : 0n 2an+1w Γ " a 2

Kentän B gradientti G löydetään origossa differentioimalla laa-z z jennus B :lle, joka on annettu yhtölöllä 12 ja panemalla Z=0, Koska rP^ ( cosO ) =z , tulos on dB : nN I ?n °z=dZ£ =:V-- J i(Z)fl(Z)dZ'A01 (21> z=0 2a wa _z m ' On helppo normalisoidan q(Z) ottamalla .·. : fn __ dz.l (22) '·” -J Ti7zz7s~2~ m 11 88078 Tällä normalisoinnilla

μ oV

G =V-22--- (23)

2a W

a

Yhtälöillä 16 ja 17 annettu virtatiheys on jatkuvalle virtajakau-tumalle sylinterin pinnalla. Haluttu virtatiheys voidaan tarkasti saavuttaa käämimällä spiraalimaisesti jatkuvaa johtoa ympäri sylinterin ulkopintaa. Paras määritin tarkalle johdin 1ikiarvo11e haluttua jatkuvaa virtatiheyttä varten on sijoittaa johdot pitkin jatkuvan jakautuman virtaviivoja. Johtimien paikka on siten spi-raalipolku määritettynä integroimalla differentiaaliyhtälö t=hr <«> dZ λζ

Sijoittumalla yhtälöt 16 ja 17 yhtälöön 24, 00 2~Nt ’ --8IZ>· <25> a

Kirjoittamalla yhtälö 23 uudelleen muotoon : .·. _ 2 G

:·' : N. =~- —w (26) : t Λ 1 a ·...· ja yhdistämällä yhtälö 26 yhtälön 25 kanssa, tulokseksi saadaan, ’.: että V: ί|=ί--ϊ- -f 7-0(Z). (27) dz 0 1 ‘ • Yhtälöllä 22 annetulla normalisoinnilla muotofunktio ^,^(2) on -'· . (1.2 V/2 -----z (-Z/UZ.I (28)

·...· 2Z

m

Yhtälöllä 28 annetulla muotofunktiolla magneettikenttägradientti : : on progressiivisesti 1ineaarisempi kun kelan pituus kasvaa. Ra- :*·.* jalla, kun menee äärettömyyteen, kenttägradientti tulee täysin 1ineaariseks i.

12 83078 Käytännössä kelan täytyy olla rajallinen. On olemassa monta menetelmää kelan rajoittamiseksi tarkoituksella suojella kentän lineaarisuutta niin paljoa kuin mahdollista. l:lle epälineaari suus magneettikentässä riippuu useimmiten A termistä. Siten, lineaarisuutta voidaan suuresti parantaa sijittamalla lineaarisen käämityksen tiheyskelaan erillinen käämitys siten, että se mitätöi tämän termin. Jos tämä erillinen kela on sijoitettu Z > l:een sillä on suhteellisen pieni vaikutus korkeamman asteen termeihin ^05’ ^07’ Jne' Ne Jäävät lähelle sitä alhaista arvoa, jonka lineaarinen kela tuottaa. Perusympyräkelan ominaisuuksien analysoimiseksi käytetään Z:aa kenttäkoordinaattina ja Zq:aa lähdekoordi-naattina. Muuttujia, jotka ilmaistaan isoilla kirjaimilla käytetään taas normalisoiduille menettelyille. Sylinterimäisen symmetrian vuoksi on tarpeellista ottaa huomioon vain Z-akselin suuntaiset kentät. Koko harmooninen laajennus kaikille positioille voidaan määrittää sovittamalla kentät pitkin Z-akselia. Pyöreän silmukan kenttä, joka käsittää N kierrosta ZQ:na, on annettu yhtälöllä ,, N1 B ,12 -----------1 ---. (29) 2j [i+(z-z rj3/2 o * ; - Magneettigradienttikenttä tuotetaan sijoittamalla kaksi tällaista kelaa +ZQ:aan virrat suunnattuina vastakkain. Kahdelle kelal-le tässä konfiguraatiossa virtatiheys Λ on :‘v A = Nl£5(Z-Zo)- J(Z + Z0) }, (30) jossa & on Dirac deltafuktio ja magneettikenttä B on •. . · z b _ ^°N1 '_!_ _ z 2a i [i + (z-z0)2]3/2 ~[i + (z+z0)2]3/2 j . (31)

Bz kenttä voidaan laajentaa seuraavaksi „ MoNI Zo r,.,5 UZ°2-3’ .3 21 8V20Z02^ .5 äörv7zT 5 tit5? ä;rv"~ * 0^-0 o 13 83078 _ 64Z 6-336Z 4+2ΘΟΖ 2-35 „ ) 9 θ 3 θ ·7 ( , .

Tr-------------------Ζ + . . . > . (32) 16 (ΐ+ζ2)6 )

Yhtälön 32 ensimmäinen termi esittää haluttua gradienttikenttää ja kaikki korkeamman asteen termit ovat ei-toivottuja epäpuhtauksia. Lauseke derivaatalle yhtälön 32 Bkentän Z-suunnassa on o _*!*_ 3 “2" j ___________ϋϊο______1 (33) Z'jz‘2 .* ([!*( 2-Z0)2J5/2 [l*<. + 20)23S/i!j'

Yhtälön 33 sarjalaajennus on \B μ NI 3Z ·' _ (47. 2-3) _ oc 8Z 4-20Z 2 + 5 .

G _2_£__£______£____>1+§___£____z2 35 __o_____o___ 4 z \ Z~ 2 " 2-:5/2 2 _ 2.2 8 _ 2.4 Ö a il + Z _ . (1 + Z ) (1 + Z ) -o \ o o 64Z 6-336Z 4+280Z 2-35 _ ] il —£------£ ----£----z6+ ... I . (34)

16 (i+zo2)6 J

Origossa on tuotettu gradientti \ B 1 μ NI 3Z

Gz = _yf = ~~T ~~2Ϊ5/2 ’ (35)

O Iz-o a 1 + Z

·“ o — Täten kahden kelan tässä konfiguraatiossa tuottava kenttägradientti • on nolla Z =0:aa varten, laajenee maksimiin Z =0,5:ssä, ja sitten .. ° 0 • " asteittain laskee nollaan sangen suurta Zq : aa varten.

: : : Yhtälöstä 9 voidaan nähdä lineaarisen käämitystiheyskelan virta- tiheys voidaan ilmaista ;.< z (36) ...' jossa vakio o(. :n dimensio on ampereja metriä kohti. Kela on edel-: lytetty ulottuvan -Zm:stä Zm:ään pitkin Z-akselia. Leveysliuska .---. Δ Z siirtää seuraavan yhtälön antaman virran

Al=\ai+Z. (37) 14 3 Π 078

On edullista määrittää tehollinen amperikierrosmäärä kelalle aeu-raavalla lausekkeella 2

u f Z λ/ a Z

(N! )eH=/ "VdZ = ---=L· . (38) 0

Pitkin Z-akselia lineaarisen käämitystiheyskelan kenttä voidaan löytää käyttämällä Zq:aa punnitustekijänä ja integroimalla yhtälö 29 niin, että

μ (NI)eff f1 m Z dZ

-•1 p-7 -iiiif??- · m m o

Tulos on μ (NI)eff 1 ZZ -(lfZ2) ZZ +(1+Z2) ~)

Bz= _ ! + ( (40) m y m J >- m -J ) joka voidaan laajentaa seuraavaksi ^(NI)eff Zm 5 .3 7 4ΖγΛ5 „5 v a (iin 3/5'27-7ΐ:Π) ä;r^z' (41> . m m m : _ 24Z 4-84Z 2 + 35 ^ ~) 3 m m ^7 ... _ _z . ... .

m J

·· Magnee 11 i ken t l.agrad i en 11 i voidaan löytää di f f e ren t i o i ma 1 1 a yhtälö 41 niin, että, \B μ (NI)eff (Z-Z )3*Z (2*ZJ3*Z ) . . G = ——- = ---_______ _________________________I (ΔΡ) V' 2 aZ a2Z 2 ti,(Z-Z )2^2 (i*<Z + Z 3’3/2 ' '·'** joka voidaan laventaa G = = ______Z_m_____f__15____2_35 4Zm_~^__4 Z j Z a2 (UZ 2)3/2 I (l + z 2)2 4 ( 1 + Z 2)4^ m V m m 0. 24Z 4-84Z 2 + 3 5 _ Ϊ -------2"fi----Z + \ (43)

(1+Zm > J

15 88078 Täten gradientin arvo origossa on β f f *3 3BZ j 2μο(ΝΙ) Zm μοΧ Z,,3 ζ'Τ'Ζ |z,0*“"7 ä:rV7r"r' äT2)575 ' m m

On jälleen nähtävissä, että jos Z olisi sallittu tulla hyvin suuni reksi, kaikki termit yhtälöissä 43 ja 44 lukuunottamatta ensimmäistä menisivät nollaan, ja kenttägradientti olisi vakio.

Kun kela on rajoitettu rajalliseen Z arvoon ja lisäkäämit on li- m sätty kompensoimaan epälineaarisuudet, jotka aiheutuvat tällaisesta sijoituksesta, sopivasti amperikierrosarvot omaavien kelaparien sijoittamisen vaikutus sopiville paikoille pitkin sy1interimäistä pintaa täytyy olla analysoitu. Edellyttäen, että on K tällaista paria, joista jokaisen pituus r^, suhteellinen lineaariseen käämi-tyskelaan on sellainen, että ( N I ) .

V r : r ·

(NM

koko magneettikenttägradientti, jonka tuottavat kela ja K kerjaus- paria , on io(Ni)e"r , r u—v3*z <z*zm)2*z Ί K 3 " (z-zo(l)) (z + zo(l)) *1 ''l .: ί?ΐ2Γΐΐϊ.(Ζ-Ζ0)2]572 [lt(Z.Z02]5/2 ] y Käyttämällä yhtälöitä 34 ja 42, yhtälö 46 voidaan kirjoittaa laajennettuun muotoon μ (NI)eff K . *1 G =--------- <" a Zn+2lr-b 1 Zn ί· (47) 2 a2 2- _n fri 1 n • · n even 16 88078

Ehto että korkeamman asteen termit ovat nolla on K , . .

Σ b 1 r . =-a . (48) i-i n 1 Π Täten ottamalla n=2, 4, ..., 2K, K:n sarja lineaarisia yhtälöitä voidaan muodostaa määrittämään r^, jotka ovat tarpeellisia eliminoimaan kaikkien korkeamman asteen epäpuhtauksia aiheuttavien termien vaikutukset. Tuloksena on rajallisen pituisen kelan ja K fi-lamontaarisen parin järjestelmä, jota voidaan käyttää tuottamaan pääasiassa vakiogradienttisen magneettikentän. On mahdollista levittää fi1ementaariset parit rajalliselle leveydelle suojeltaessa kompensaatiota, jonka ne hankkivat peräkkäisellä 1ikiarvoteknii-kalla, joka on samanlainen kuin on ehdotettu M.W. Garrettin artikkelissa, "Thick Cylindrical Coil Systems for Strong Magnetic Fields with Field or Gradient Homogeneities of the 6th to 20th Order", Journa 1 _of _App ]_d_Phys .i cs , Vol . 38, sivut 2563-2586, 1967.

Yksi käytännön tie on käyttää kahta korjauskelaparia eliminoimaan 2 gradientti epäpuhtauksista, jotka ovat suhteellisia Z :een ja een. Luonnollisesti monet tällaiset järjestelmät ovat mahdolli-. . siä. Hakija on huomannut että erikoisen käyttökelpoinen kelajär-··· * jestelmä on kuvattu muotofunktiolla Z ^(Ζ) = 0.5076Ζ+Η(Ζ) (-1,5 Z 1,5), (49) (2.018 1.02 < Z 4 1 . 26 li ( /. ) , O toisin 1-2.019 -1·26< Z <-1.02.

Kelan induktanssi L on tärkeä parametri, ja se voidaan ilmaista 2 Z Z

‘ * 2 μ N , a /m m 2 -, Λ , l=--2--- J J -1F--J(k)-E(k) 0(zo)<i(zo)dz;dzo, (so) ’· “. jossa kerroin k on määritetty k2- 4 o (51) k " 4TTz“z-Tj2 O o i7 8 3 078 jossa funktiot K ja E ovat ensimmäisen ja toisen luokan täydellisiä elliptisiä integraaleja, selostettuja sivuilla 291 ja 335 edellämainitussa vi ite j ulkaisussa §tatic_and_Dynami.c_Elec tri city . Käyttäen yhtälön 50 lauseketta virtapinnan iduktanssi, joka käsittää lineaarisen gradienttimagneettikenttäkelan voidaan kalkuloi-da suoraan. Joka tapauksessa näin tehden tehdään sekavaksi elliptisten funktioiden kaksinkertainen integrointi, ja tulos ei ole erikoisen käyttökelpoinen. Induktanssi voi myös olla kalkuloitu täsmällisesti pienemmällä cumbersome menetelmällä käyttäen johto-silmukoiden summaa joiden väli on sovitettu vastaamaan kelan ideaalista virtatiheytta. Erillisten silmukoiden väli, joka vastaa Z:aan suhteellista pintavirtatiheyttä, voidaan ilmaista seuraavas-t i

Vzn,-{^r (1- n-N)- (52) Tällaisten erillisten silmukoiden jonon induktanssi voi olla kalkuloitu kaksoissummana seuraavasssa muodossa L = 1NL + -£-N 2< M. . (53)

° i-1 j^i 1J

: Yhtälössä 53 Lq on yhksityisen kierroksen itseinduktanssi ja on kierrosten i ja j keskinäinen induktanssi. Ottaen johdon, jos-: ta silmukka on käämitty, säteeksi aQ saadaan • v r r n Γ — L =μ a J lrj-- -Λ »μ aln :1.3902- i o 'o f Ja 4 >, o ai /i-oJ 1 v- o j ’ · ’ 2μ af r . 2-» ") £-2 ]k-e^ <54> :.··; . 2________4a^___ ^ “ 2 2 : : 4a +(Z.-Z . )

i J

Plus-merkkiä Maille on käytettävä, jos kaksi silmukkaa on origon samalla puolella, muulloin on käytettävä miinus-merkkiä.

: ·.: Viitaten nyt kuvaan 1, siinä on esitetty esillä olevan keksinnön mukaisen magneettikenttägradienttikelan yksi toteutus. Sähköisesti johtavat käämityskierrokset 104 on käämitty sylinterimäisen ke- 18 83078 lan kannattimen 102 ulkopinnalle niin, että käämityskierrosten 104 akselin suuntainen tiheys on minimissään kelankannattimen 102 pituussuunnan keskiössä ja kasvaa lineaarisesti keskiöstä kelan kumpaankin päähän päin akselin suunnassa. Käämityskierrokset 104 on kierretty siten, että ne ovat symmetrisesti sijoitettuina kelan kannatinrakenteen 102 keskiön ympäri. Käytännössä käämityskierrokset 104 voidaan käämiä kannatinrakenteelle 102 kiertämällä johtoa spiraalimaisesti yhdestä kannatinrakenteen 102 akselin suuntaisesta päästä sen toiseen päähän akselin suunnassa. Johto on kierretty niin, että käämityskierrosten tiheys pienenee kannatinrakenteen 102 kummastakin akselin suuntaisesta päästä sen pituussuunnan keskiöön päin. Keskiössä käämityksen suunta on käännetty, kuten on kuvattu käännetyllä johdinkaare1la 106 kuvassa 1, niin, että käämityskierrokset 104 sijaitsevat symmetrisesti kannatinrakenteen 102 keskiöön nähden. Käämityskierrokset 104 on sähköisesti eristetty toisistaan tarkoituksella aikaansaada halutut virtatiet sy1interimäisen kelan kannatinrakenteen 102 ulkopinnan ympäri. Liitinlaitteita 108 käytetään yhdistämään johtokäämit 104 sähkön syöttöverkkoon (ei esitetty kuvassa 1). Käämityskierrokset 104 voi olla tehty mistä sähköä johtavasta metallista tahansa, esimerkiksi, kuparista. Kelan kannatinrakenne 102 voi ol-: la tehty materiaalista jolla on riittävä lujuus ja jäykkyys muo toiltavaksi sylinteriksi kooltaan yksityiskohtaisessa hakemuksessa haluttu. Esimerkiksi kannatinrakenne 102 voi olla lasikuituma-teriaalia.

Suoritussa toteutuksessa käämityskierrokset 104 on edelleen sijoitettu niin, että käämityskierrosten 104 spiraalistien kuluma-asema . . φ sylinterimäisen kannatinrakenteen 102 pinnalla tyydyttää suhteen joka määritetään yhtälöllä 6 af-V^r *'«*> (55) 'o 1 I i jossa a· on kelan kannatinrakenteen 102 ulkosäde, Z=— on normal i -. a soitu aksiaalinen asema pitkin kelan kannatinrakenteen 102 akse-lia, μ on vapaan tilan permeabi1iteetti, G on magneettikenttä-gradientin arvo kelan kannatinrakenteen 102 sisätilassa kelan ak- 19 83078 selin suuntaisena, I on käämityskierrosten 104 läpi virtaavan virran voimakkuus , ja q(Z) on dimensioton muotofunktio, joka karakterisoi käämityskierrosten 104 lukumäärää kelan kannatinrakenteen 102 pituusyksikköä kohti funktiona normalisoidusta asemasta pitkin kelan kannatinrakenteen 102 pituussuuntaa. Kuvassa 1 esitetty kela aikaansaa magneettikentän, jolla on pääasiassa lineaarinen gra-dientti kelan kannatinrakenteen 102 akselin suunnassa kun (1+2 1>8/2 (Z)=-----5-----Z(-Zm Z Z ) , (56) 0 „ „ 3 mm

2Z

m jossa Z on puolet kelan kannatinrakenteen 102 pituudesta jaettuna m sen säteellä. Esimerkiksi, erikoisen käyttökelpoinen kela voidaan tehdä jos G on noin 0,01 Teslaa per metri, I on noin 30 amperia, z a on noin 0,327 metriä ja Z on noin 2, siten, että kela on karak- j j m terisoitujj- yhtä suuri kuin noin 356 .^(Z), £^(Z) on yhtä kuin noin 0,7Z, <j> yhtä kuin noin 124Z^, ja Z yhtä kuin noin 0,09^φ~, ja niin että kaikki noin 160:stä käämityskierroksesta on sijoitettu symmetrisesti sy1interimäisen kannatinrakenteen 102 keskiöön nähden, sijaiten noin 80 käämityskierrosta 104 kelan kannatinrakenteen 102 pituussuuntaisen keskiön ja sen kummankin pään välillä.

: .·. Kuva 2 esittää kelan, jolla on lisäksi sähköä johtavia käämitys- kierroksia kompensoimaan lineaarisuuden muutoksia magneettikenttä-gradientissa kelan rajallisen pituuden vuoksi. Kela on olennai-;·; sesti sama kuin kuvassa 1 esitetty kela, lisättynä kompensoivilla - käämityskierroksi1la 202 ja 204. Kompensoivat käämityskierrokset 202 ja 204 on spiraalimaisesti käämitty kelan kannatinrakenteen 102 ulkopinnalle siten, että käämityskierrosten tiheys kompensoivissa käiimityskierroksissa 202 ja 204 on vakio sitä kelan kannatinrakenteen 102 pituusosaa kohti, missä kompensoiva käämitys si-jaitsee. Kuvassa 2 esitetyssä toteutuksessa kompensoivat käämi-tyskierrokset 202 ja 204 on käämitty vastakkaisiin suuntiin kelan ··*_ kannatinrakenteen 102 ympäri, niin että kompensoivat käämityskierrokset 202 ja 204 on kumpikin käämitty samaan suuntaan kuin käämi-tyskierrokset 104. Joka tapauksessa kompensoivat käämityskierrok-: set 202 ja 204 voidaan käämiä toisissa suunnissa silloin kun kompensoivien käämien 202 läpivirtaava virta on suunnattu vastakkain 20 8 3 078 kompensoivien käämien 204 läpi virtaavaan virtaan nähden. Myös, kuten kuvassa 2 on esitetty, kompensoivat käämit 202 ja 204 on kumpikin käämitty kelan kannatinrakenteen 102 ympäri ennen kuin käämikierrokset 104 on käämitty. Kuitenkin kompensoivat käämi-kierrokset 202 ja 204 voidaan myös käämiä sen jälkeen kun käämi-kierrokset 104 on käämitty. Kompensoivat käämikierrokset 202 on sähköisesti eristetty toisistaan ja kompensoivista käämikierrok-sista 204 ja käämikierroksista 104. Samoin kompensoivat käämi-kierrokset 204 on sähköisesti eristetty toisistaan ja kompensoivista käämikierroksista 202 ja käämikierroksista 104. Kompensoivat käämikierrokset 202 ja 204 voidaan tehdä mistä tahansa sähköä johtavasta materiaalista, kuten sim. kuparista. Kompensaatio 1iitin1aitteet 206 liittävät kompensoivat käämikierrokset 202 sähkön syöttöverkkoon (ei esitetty kuvassa 2). Samoin kompensaatio kytkinlaitteet 208 liittävät kompensoivat käämikierrokset 204 toisiin sähkön syöttölaitteisiin (ei esitetty myöskään).

Käytännössä suosittu menetelmä kelan sisältämistä kompensoivista käämikierroksista on esitetty kuvassa 3. Esitetyssä toteutuksessa kompensoivat käämikierrokset on kiinteästi yhdistetty samaksi kokonaisuudeksi käämikierrosten 104 kanssa niin, että virta kulkee kelan kannatinrakenteen 102 yhdestä akselin suuntaisesta päästä toiseen kulkien sekä käämikerrosten että kompensoivien käämikierrosten läpi. Käämikierrokset ja kompensoivat käämikierrokset on molemmat käämitty spiraalimaisesti samalla johdolla, käämimällä johdin kannatinrakenteen 102 yhdestä akselin suuntaisesta päästä sen toiseen akselin suuntaiseen päähän. Samalla tavoin kuvassa 1 esitetyn toteutuksen kanssa käämikierrosten 104 kuvassa 3 käämi-kierrostiheys pienenee kummastakin kannatinrakenteen 102 akselin suuntaisesta päästä sen keskiöön päin, jossa käämin suunta on käännetty. Kompensoivien käämikierrosten alueilla 210 ja 212, käämikierrostiheys on suurempi tarkoituksella tuottaa kompensoiva : Bz kenttä, joka on samanlainen kuin erillisillä kompensoivilla käämikierroksi 11 a 202 ja 204 tuotettu kuvassa 2.

'· On edullista sijoittaa kompensoivat käämikierrokset niin, että käämien spiraalitien kulma-asento ^ kelan kannatinrakenteen 102 pinnalla tyydyttää edellä yhtälöllä 55 määritetyn suhteen, jossa käämikierrostiheys on esitettu muotofunktiolla I ! 21 83078 ^(Z)= 0.5076Z + H(Z) (-1.5 < Z < 1.5 ) , (57) ja jossa C2.018 1.02 <Z ^1.26 H( Z) = j 0 toisin \y-2.018 -1.26 Z <-l . 02

Esimerkiksi, eikä rajoittavassa mielessä, erittäin käyttökelpoinen kela voidaan tehdä kun G on noin 0,01 Tesla per metri, I on noin z 30 amperia, a on noin 0,327 metriä, ja Z on noin 1.5 siten, että d j ^ kelaa karakterisoi -- yhtä kuin noin | 8 | Z + 356H ( Z ) , ja φ: n ollessa 2 ^ " 2 yhtä kuin noin 90Z jolloin |z| 1.02, noin 90Z +719Z-733 jolloin 1.02 |z| 1.26, ja noin 90Z^+173 jolloin 1.26 |z| 1.50, ja si ten, että kelassa on kaikkiaan noin 120 kierrosta sijoitettuna symmetrisesti kelan keskiön ympärille, noin 15 käämikierroksen sijaitessa Z=0:n molemmin puolin kelan pituussuunnassa pisteiden välillä jotka vastaavat Z=0 ja Z=1.02, noin 35 kierrosta sijaiten samoin Z=0:n molemmin puolin pisteiden välillä, jotka vastaavat Z = 1.02 ja Z = 1.26 ja noin 10 käämikierrosta samoin sijoitettuina Z=0:n molemmin puolin pisteiden välillä, jotka vastaavat Z=1.26 ja Z=1.50.

. Tämän keksinnön mukaisesti kelojen suosituissa toteutuksissa säh-köä johtavilla käämityksillä on samanhalkaisijäinen johdin, jonka .. . halkaisija on seuraavien arvojen välillä

0,2aW

;· ______a_

Nt^maX

ja ____ :p Nt^max jossa W on muodosta riippuva kelaparametri joka on suhteellinen ..... cl gradientin voimakkuuteen määritettynä seuraavasti V··: ii„u>idz.

m ja jossa Nt on käämikierrosten kokonaismäärä ja ^max on ^(Z):n 22 83078 suurin arvo alueella -Z < Z <Z . Jos johdinhalkaisija on liian m m suuri, suositellaan käämimään kela monessa kerroksessa. Jos joh- dinhalkaisija on liian pieni, induktanssi nousee yli kalkuloidun jos on oletettu, että pintavirran tiheys vaihtelee kevyesti paikan mukaan. Myös, jos koko kierrosmäärä on liian pieni, silloin pienemmät vaihtelut <2>,(Z):ssa eivät ole uskottavasti odotettavis- © sa. Siksi on asetettu alaraja kokonaiskierrosmäärälle N . Jos n^ on kierrosmäärä pituusyksikköä kohti, niin £> , = In ( 58 ) ^0 s Käyttämällä yhtälöä 16 N. hk n ------ (b(J) s aua

Jonkin h , (Z) :n, jonka leveys on 1 ja keskiarvoalue , , ominai- © © suuden tarkkaa esittämistä varten kierrosten lukumäärä on valittava niin, että (60) N^:n tarkkaa arvoa varten voidaan tuottaa yksikerroskäämitys ja odotettu induktanssi saavutetaan jos johdinhalkaisija d on 2a Va a/wa 5__ ^ d< ------. (61)

Nt £©max " Nt^©max

Esillä olevalla keksinnöllä toteutetuilla keloilla on pienempi sähköinen induktanssi verrattuna erillisten kelaparien induktans-. . siin, kuten Maxwell pari, koska tässä keksinnössä käytetyn jaetun kelatyypin kokonaisinduktanssi on pienempi kuin erillisten kelaparien vastaava. Minkä tahansa eri11iskelan, joka on toteutettu tällä keksinnöllä, induktanssi voidaan kalkuloida käyttämällä yhtälöitä 53 ja 54. Esimerkiski lineaarisen käämitystiheyden omaavan kelan, jossa on 104 kierrosta välillä -Z ja Z ja Z =2, mmm 5, induktanssi on 2.22 millihenryä. Vastaavasti, käytännön Maxwell parin, jossa on 52 kierrosta kelaa kohti, kalkuloitu induktanssi on 6,01 millihenryä.

23 8 3078

Esillä olevalla keksinnöllä toteutetut kelat voivat myös sisältää suojaavaa materiaalia, joka peittää käämikierrokset ja sylinteri-mäisen kelakannatinrakenteen pinnan. Kuten kuvan 4 päätynäkymä s sä on kaavioi1is esti esitetty, suojaava päällyste 110 peittää tyypillisesti käämikierrokset 104, jotka on käämitty kelakannatinrakenteen 102 ympärille. Suojaava materiaali 110 voi olla tehty mistä sopivasta materiaalista tahansa, joka täyttää erikoiskäytön vaatimukset, ja voi olla esimerkiksi epoksia.

Kuva 5 esittää sellaisen toteutuksen, jossa esillä olevan keksinnön mukaisia keloja käytetään magneettikentän tuottamisjärjestelmässä ydinmagneettista resonanssikuvausta varten. Sylinterimäinen rakenne 302 edustaa laitetta yhtenäisen korkean voimakkuuden omaavan magneettikentän aikaansaamiseksi pitkin järjestelmän keskiviivaa. Ydinmagneettisessa resonanssikuvauksessa rakenne 302 voi sisältää suprajohtavan magneetin. Sylinterimäisen rakenteen 302 sisällä, ja erotettuna siitä välillä 304, on kelarakenne 306. Kelarakenne 306 sisältää yhden esillä olevan keksinnön mukaisesti toteutetuista keloista laitteena aikaansaamaan lineaariseksi tasoitetun magneettikentän, joka on magneettikentän synnyttävän järjestelmän keskiviivan suuntainen. Kelarakenne 306 sisältää myös ·. laitteet lineaariseksi tasoitettujen magneettikenttien tuottamiseksi pitkin kahta akselia, jotka ovat suunnilleen kohtisuorassa keskiviivaan nähden ja ovat ei-nolla kulmassa toisiinsa nähden. Laitteet, joita käytetään tuottamaan nämä kaksi kohtisuoraa kenttää, käsittävät tyypillisesti satulakelat sitä tyyppiä, joka on - esitetty ja selostettu P.A. Bottomley:n teknisessä raportissa "Instrumentation for Whole-Boly NMR Imaging", General Electric Report No. 82 CRD 203, 1982.

Kuva 6 on yksinkertaistettu blokkikaavio, joka esittää NMR kuvauslaitteiden pääkomponentteja, jotka sopivat käytettäväksi tämän keksinnön mukaisten magneettikenttägradienttike1ojen kanssa. Koko tiedonkäsittelyjärjestelmä, kokonaisuutena merkitty 400, käsittää : pääasiassa tietokoneen 401, joka on toiminnallisesti kytketty le-vymuistiyksikköön 403, ja kytkinyksik köön 405. RF lähetin 402, signaalin keskiarvolaskija 404, ja gradientin voimansyöttölaitt«it 406, 408 ja 410 on kytketty tietokoneeseen 401 ky tk i n 1 a i tey k s i k i.

24 8 3 0 7 8 405 kautta. Kolmea gradientin voimansyöttölaitetta käytetään energian saamiseksi, vastaavasti, X, Y ja Z gradienttiyk sikköjä 416, 418 ja 420 varten.

RF lähetin on ohjattu pulssiverhokäyrillä tietokoneesta 401 tuottamaan RF pulssit, joilla on haluttu modulaatio magnetoimaan resonanssin kohteessa, jota tutkitaan (kuvattu tai spektroskooppinen analyysi). RF pulssit vahvistetaan RF voimavahvistimessa 412 tasoille, jotka vaihtelevat 100 watista useihin kilowatteihin, riippuen kuvausmenetelmästä, ja syötetään lähetinkelaan 424. Suhteellisen korkeat voimatasot ovat tarpeellisia suuria kohdetiloja varten kuten tavataan koko kehon kuvauksessa, ja missä tarvitaan lyhytkestoisia pulsseja magnetoimaan suuret NMR jakso1ukunauhan leveydet .

Resultoiva NMR signaali havaitaan vastaanke 1a 11 a 426, vahvistettuna matalakohinaisella etuvahvistime 11 a 422, ja sen jälkeen ohjataan vastaanottimeen 414 edelleen vahvistettavaksi, ilmaistavaksi ja suodatettavaksi. Tämä NMR signaali voidaan sitten digitaali-koodata ja laskea keskarvo signaalin keskiarvolaskime 11 a 404, ja johdetaan tietokoneeseen 401 edelleen käsittelyä varten. Käsitel-lyt signaalit johdetaan tietokoneesta 401 kytkinlaitteiston 405 läpi näyttötarkistusyksikköön 430, jossa ne varastoidaan, korjataan ja syötetään näyttöyksikköön 432. Näyttöyksikkö 432 voi sisältää CRT näytöt tyypiltään suoranäyttö taltiointiputki (DVST), kuten myös konventionaalinen mustavalko- tai väri te 1evisiotyyppi-nen katodisädeputki, joka voi sisältää suoraan näytettävät kalibrointi juovat ja vastaavat.

Etuvahvistin 422 ja vastaavasti 414 on suojattu RF pulsseilta lähetyksen aikana aktiivisella tehottomaksi tekemisellä ja/tai passiivisella suodatuksella. Tietokone 401 aikaansaa tehottomaksi ____: tekemis- ja verhokäyrä modulaatiot NMR pulsseille, salpaamisen etuvahvistimelle ja RF voimavahvistime 11a, ja jännitteen aallon-muodot gradientin voiman syötöille. Tietokone 401 suorittaa myös -·; tietojen käsittelyn kuten Fourier muuntamiset, kuvarekonstruktion, tietojen suodatuksen, kuvan näytön, ja taltiointitoiminnat, joista I i 25 82078 useimmat ovat hyvin tunnettuja eikä muodosta olennaista osaa tästä keksinnöstä.

RF lähetin- ja vastaanotinkelat voidaan muotoilla yhdeksi kelaksi. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää kahta erillistä kelaa, jotka ovat sähköisesti kohtisuorassa toisiinsa nähden. Jälkimmäisellä muodolla on etuna pienempi RF pulssin läpitulo vastaanottimeen pulssin lähetyksen aikana. Molemmissa tapauksissa, kelat ovat kohtisuorassa staattisen magneettikentän Bq suuntaa vastaan, joka kenttä tuotetaan magneetilla 428. Kelat on eristetty muusta järjestelmästä sulkemalla se RF suojattuun häkkiin (ei esitety). Kolme tyypillistä RF kelamuotoa on kuvattu kuvissa 11a, 11b ja 11c US- patenttihakemuksessa Serial No. 345 444, ilmoitettu helmikuun 3, 1982, joka on jätetty tälle valtuutetulle. Kaikki siinä kuvatut kelat tuottavat RF magneettikentät x suunnassa ja kuvissa 11b ja 11c kuvatut kelamuodot ovat sopivia magnee11igeometrioi11 e, joille kohdetilan keskiviiva on samansuuntainen pääkentän Bq kanssa. Kuvassa 11a esitetty kelamuoto on käyttökelpoinen geometroi1le, joille kohdetilan keskiviiva on kohtisuorassa pääkenttään B näh- o den.

: : : Magneettikenttägradienttikelat 416, 418 ja 420 ovat tarpeen tuot- tamaan vastaavat G , G ja G gradienttikentät. Kuten edellä on . -. x y z käsitelty gradienttikenttien tulisi olla monotoonisia ja lineaarisia yli koko kohdetilan. Epämonotooniset gradienttikentät voivat aiheuttaa degradaation NMR signaalitiedoissa, joka tunnetaan ni-mellä aliasing, joka voi johtaa kuvav i rhe i s i in . Epälineaariset gradientit voiva aiheuttaa geometrisia vääristymiä kuvassa. Tällä keksinnöllä toteutetut kelat käytetään tuottamaan Ggradientti-kentän. Gradientti G^ on tuotettu kelasarjalla kuten sarjat 300 ja 302 kuvassa 12a aikaisemmin mainitussa julkaisusarjassa No.

.···. 345 444. Kelasarjat gradientin G^ tuottamista varten on kierret-____; ty 90 astetta kohdekammion sylinterimäisen akselin ympäri suhteessa kelaan, joka tuottaa gradientin .

Edellä oleva selostaa sylinterimäistä kelaa magneettikentän tuottamiseksi, jolla on olennaisesti lineaarinen gradientti akselin suunnassa sylinteritilan sisällä. Selostettu kela käyttää levitettyä käämitystä ja sillä on alhainen sähköinen impedanssi.

26 83078

Esillä oleva keksintö aikaansaa sylinterimäisen magneettikenttä-gradienttikelan, joka erikoisesti sopii käytettäväksi NMR laitteiden kanssa.

Vaikka keksintöä on selostettu tässä yksityiskohtaisesti sen erikoisen suosittujen toteutusten mukaisesti, voivat asiaan perehtyneet saada aikaan monia muotoiluja ja muutoksia. Niinpä oheiset patenttivaatimuksen on tarkoitettu peittämään kaikki sellaiset muotoilut ja muutokset, jotka sisältyvät keksinnön hengen ja tarkoitusten piiriin.

I i

Claims (13)

27. S O 7 8

1. Sylinterimäinen kela, kelan sisätilassa sen akselin suunnassa olennaisesti lineaarisesti vaihtelevan magneettikenttä-gradientin tuottamiseksi, käsittäen: ei-magneettisen sylinterimäisen kelakannattimen (102), jossa on avoin reikä, joka muodostaa mainitun sisätilan, tunnettu yhdestä sähköä johtavasta sylinterimäisestä käämistä, jolla on useita kytkettyjä käämikierroksia (104), jotka on järjestetty mainitun kelakannattimen pinnalle, jotka kää-mikierrokset on sähköisesti eristetty toisistaan, jotka kää-mikierrokset on sijoitettu symmetrisesti mainitun sylinterimäisen kelakannattimen keskipisteen suhteen, joiden käämi-kierrosten käämimissuunta on käännetty mainitun kelakannattimen keskipisteessä, joiden käämikierrosten aksiaalinen tiheys on minimissä mainitun kelan pituuden keskellä ja kasvaa lineaarisesti keskipisteestä kumpaakin aksiaalista päätä kohti, ja jotka käämikierrokset muodostavat kelan sisätilassa ja suhteessa siihen virtaan, joka kulkee yhdessä yleissuunnassa sen läpi, aksiaalisen magneettikentän, jolla on haluttu olennaisesti lineaarisesti vaihteleva gradientti.

'·' 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kela, tunnettu sii- ta, että mainitut sähköä johtavat käämikierrokset on lisäksi sijoitettu niin, että mainittujen käämikierrosten sijainnin : kulma-asema (<6) mainitun kelan kannatusrakenteen pinnalla ·:- toteuttaa suhteen, jonka määrittää yhtälö dΦ Ati a2 Gzf ,7v ar-μ--- rvz)· ;;; jossa a on mainitun sylinterimäisen kelan kannatinrakenteen säde, Z=- on normalisoitu aseman pitkin mainitun sylinteri-

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kela, tunnettu siitä, että mainittu sylinterimäisen kelan kannatinrakenne on lasikuitumateriaalia.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kela, tunnettu lisäksi suojaavasta materiaalista (110), joka peittää mainitut käämikierrokset ja mainitun sylinterimäisen kannatinra-kenteen pinnan.

4 G ;: . maisen kelan kannatinrakenteen keskiviivaa, on permeabili- teetti vapaassa tilassa, G on magneettikenttägradientin arvo ‘ mainitun kelan sisätilassa mainitun keskiviivan suuntaisena, \ ** I on mainittujen käämikierrosten läpi kulkeva virta, ja 28 8 3 078 S ^{z) on dimensioton muotofunktio karakterisoiden mainittujen käämikierrosten lukumäärää mainitun kelan pituusyksikköä kohti funktiona Z:sta, jossa , (1 ♦ Z 2)3/2 Vz) =---- ™----z m ja jossa Zm on puolet mainitun kelan pituudesta jaettuna sen säteellä.

5. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kela, tunnettu sii- ; : tä, että mainitut sähköä johtavat käämikierrokset sisältävät yhtenäisen halkaisijan omaavan johtimen kierrettynä mainitun sylinterimäisen kannatinrakenteen ympäri spiraalina vaihdel-Ien mainittujen käämikierrosten lukumäärä pituusyksikköä koh-ti asennosta riippuen ja suhteessa 6~^(Z) :aan, ollen mainittu johdinhalkaisija suunnilleen välillä 0.2aw„ • : a R~2"Tmäx • . · to ja awa R~5"Tmäx t 0 I I 29 83078 jossa w on muodosta riippuva kelaparametri, joka on suhteel-linen gradientin voimakkuuteen, määritettynä Z f m V l^cz) |dz, -z„ ja jossa on mainittujen käämikierrosten koko lukumäärä ja £\max on suurin SΛΖ) :n arvo alueella -Z 4 Z<Z . t> t> mm

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kela, tunnettu siitä, että G on noin 0.01 Tesla/metri, I on noin 30 ampeeria, z a on noin 0.327 metriä ja Z on noin 2 siten, että mainittu deS kela on karakterisoitu ggilla, joka on yhtä kuin noin 356i^(Z), <£^(Z) yhtä kuin noin 0,7Z, 6 yhtä kuin noin 124Z2, ja Z yhtä kuin noin 0,09 ίi,‘ ja että kaikki 160 mainittua käämikierrosta on sijoitettu symmetrisesti mainitun sylinte-rimäisen kannatinrakenteen keskiön ympärille, suunnilleen 80 mainituista käämikierroksista sijaiten mainitun kelan kanna-tinrakenteen pituussuuntaisen keskiön ja sen kummankin aksiaalisen pään välillä.

. .·. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kela, tunnettu lisäksi sähköisesti johtavista käämikierroksista (202,204) magneettikenttägradientin lineaarisuuden vaihteluiden kompen-' ; soimiseksi mainitun kelatilan sisällä, ollen mainitut vaihte- lut johtuvia siitä, että kelalla on rajallinen pituus.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kela, tunnettu siitä, että mainitut kompensoivat 1isäkäämikierrokset sijaitsevat siten, että mainittujen käämikierrosten sijainnin kulma-asema <b mainitun kelan kannatinrakenteen pinnalla tyydyttää .*.* seuraavalla yhtälöllä määritetyn suhteen 3o 8 3 078 jossa a on mainitun sylinterimäisen kelan kannatinrakenteen Z sade, Z=- on normalisoitu aksiaalinen asema pitkin mainitun a sylinterimäisen kelan kannatinrakenteen keskiviivaa, on vapaan tilan permeabiliteetti, Gz on magneettikenttägradien-tin arvo mainitun kelan sisätilassa mainitun keskiviivan suunnassa, I on käämikierrosten läpi kulkeva virta, ja 6^(Z) on dimensioton muotofunktio karakterisoiden mainittujen käämikierrosten lukumäärää mainitun kelan pituusyksikköä kohti funktiona Z:sta, jossa £>0 (Z) = 0,5076Z+H( Z) (-1.54 Z< 1.5) ja jossa /· \ 2.018 1.02^ Z < 1.26 H( Z) = ·< 0 toisin 1-2.018 -1.264 Z<-1.02

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen kela, tunnettu siitä, että Gz on noin 0,01 Tesla/metri, I on noin 30 ampeeria, a on noin 0,327 metriä, ja Z on noin 1.5 siten, että m . j mainittu kela on karakterisoitu SS;Ha yhtä kuin noin 181Z+356H(Z), ja 0:11a yhtä kuin noin 90Z2 ja |Z|4.1.02, 90Z2+719Z-733 ja 1.02<|Z| <1.26, ja noin 90Z2+173 ja 1.26 4. | Z | 4.1.50 , ja että kaikki noin 120 mainittua käämikier- • rosta on sijoitettu symmetrisesti sylinterimäisen kannatin- . .·. rakenteen keskiön ympärille, ollen noin 15 mainituista käämi-. ·, kierroksista sijoitettu kummallekin puolelle mainitun kelan kannatinrakenteen aksiaalisen pituuden keskiötä mainitun ' ; kelan pituussuunnassa olevien pisteiden välille, jotka vas-taavat Z=0 ja Z=1.02, noin 35 mainittua käämikierrosta ja *·'* mainitut kompensoivat 1 isäkäämikierrokset samoin sijoitetut mainitun kelan kannatinrakenteen aksiaalisen pituuden keskiön kummallekin puolelle pisteiden välille, jotka vastaavat ::: Z=1.02 ja Z=1.26 ja noin 10 käämikierrosta samoin sijoitettu . mainitun kelan kannatinrakenteen aksiaalisen pituuden keskiön • · · I kummallekin puolelle pisteiden välille, jotka vastaavat Z=1.26 ja Z=1.50. 31 83078

10. Magneettisen kentän synnyttämisjärjestelmä ydinmagneet-tista resonanssikuvausta varten, tunnettu siitä, että se käsittää: laitteet yhtenäisen hyvin voimakkaan magneettikentän aikaansaamiseksi pitkin mainitun järjestelmän keskiviivaa; laitteet lineaariseksi tasoitetun magneettikentän aikaansaamiseksi mainitun järjestelmän keskiviivan suunnassa; ja laitteet lineaarisesti tasoitettujen magneettikenttien aikaansaamiseksi pitkin kahta akselia pääasiassa kohtisuorassa mainittuun keskiöakseliin nähden ja ei-nolla kulmassa toisiinsa nähden, joissa mainitut laitteet lineaarisesti tasoitetun magneettikentän aikaansaamiseksi mainitun keskiviivan suunnassa käsittävät patenttivaatimuksen 1 mukaisen kelan.

11. Magneettisen kentän synnyttämisjärjestelmä ydinmagneet-tista resonanssikuvausta varten, tunnettu siitä, että se käsittää: laitteet yhtenäisen hyvin voimakkaan magneettikentän aikaansaamiseksi pitkin mainitun järjestelmän keskiviivaa; laitteet lineaarisesti tasoitetun magneettikentän aikaansaamiseksi mainitun järjestelmän keskiviivan suunnassa; ja laitteet lineaarisesti tasoitettujen magneettikenttien aikaansaamiseksi pitkin kahta akselia, jotka ovat suunnilleen kohtisuorassa mainittua keskiviivaa vastaan ja ei-nolla kulmassa toisiinsa nähden, joissa mainitut laitteet lineaarises-: ti tasoitetun magneettikentän aikaansaamiseksi mainitun kes- kiviivan suunnassa käsittävät patenttivaatimuksen 7 mukaisen kelan.

·· 12. Ydinmagneettinen resonanssikuvausjärjestelmä, t u n - n e t t u siitä, että se käsittää: patenttivaatimuksen 10 mukaisen magneettikentän synnytysjär-jestelmän; ... laitteet radiojaksolukusignaalien synnyttämiseksi ja lähettä-·. ' miseksi, joilla on haluttu modulaatio ydinresonanssin magne-toimiseksi kuvattavassa kohteessa; ;··; laitteet NMR-signaalien vastaanottoa ja käsittelyä varten ollen signaalit tuloksena mainitusta resonanssista; ja 32 83078 laitteet kuvien tuottamiseksi mainituista käsitellyistä NMR-signaaleista.

13. Ydinmagneettinen resonanssikuvausjärjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää: patenttivaatimuksen 11 mukaisen magneettikentän synnytysjär-jestelmän; laitteet radiojaksolukusignaalien synnyttämiseksi ja lähettämiseksi, joilla on haluttu modulaatio ydinresonanssin magne-toimiseksi kuvattavassa kohteessa; laitteet NMR-signaalien vastaanottamista ja käsittelyä varten, jotka signaalit ovat tuloksena mainitusta resonanssista; ja laitteet kuvien tuottamiseksi mainituista käsitellyistä NMR-signaaleista. 33 *3078