FI88079B - Tvaer gradientspole, speciellt en spole foer bruk i nukleaera magnetiska resonansavbildningssystem - Google Patents

Description

83079

POIKITTAISGRADIENTTIKELA, ERITYISESTI YDINMAGNEETTIRESONANSSI-KUVAUSJÄRJESTELMISSÄ KÄYTETTÄVÄ KELA - TVÄR GRADIENTSPOLE, SPECIELLT EN SPOLE FÖR BRUK I NUKLEÄRA MAGNETISKA RESONANSAV-BILDNINGSSYSTEM

Keksinnön tausta Tämä keksintö koskee poikittaisgradien11ike 1 aa, erityisesti ydinmagneettikuvausjärjestelmissä käytettävää kelaa. Yksityiskohtaisemmin tämä keksintö kohdistuu syövytysmenetelmään kelojen rakentamiseksi ja sähköisiin piireihin yleensä, joissa virrat on jatkuvasti jaettu pinnalle kuten sylinterille.

Tässä selostettu keksintö on yksityiskohtaisesti suunnattu poikittaisten gradienttikenttäkelojen rakenteeseen, joita käytetään koko kehon ydinmagneettisissa resonanssi (NMR) kuvausjärjestelmissä. Joka tapauksessa on ymmärrettävä, että tässä poikittaisia gradienttikenttäkeloja koskeva selostus on vain esimerkki. Tämän keksinnön mukainen keksintö on yhtä käyttökelpoinen toisten kelojen rakentamisessa. Esimerkiksi, NMR kuvauksessa, tämä keksintö on yhtä käyttökelpoinen ohjeeksi kiilakeloille. Edelleen tämän keksinnön käyttökelpoisuus ei ole rajoitettu NMR järjestel-miin vaan sitä voidaan käyttää kaikissa tapauksissa joissa jatkuvaa virran jakautumaa pinnassa käytetään osana piirimuotoa. Joka tapauksessa, tarkoituksella aikaansaada tämän keksinnön mukaisen I. ! menetelmän täydellinen esimerkki, huomio on nyt suunnattu NMR ku-' vausjärjestelmien vaatimuksiin ja poikittaisten gradienttikelojen *'· käyttöön niissä.

On osoitettu viime vuosina, että ydinmagneettista resonanssi-il-·."·! miötä voidaan edullisesti käyttää hyväksi tomograaf is ten lääke-: : : tieteellisten kuvien aikaansaamisessa ihmisen anatomian sisältö.

Vaikka NMR menetelmiä on käytetty monia vuosia viime aikoina ke-* . mian alueella erilaisten materiaalinäytteistä löydettyjen atomin . osasten identifioimisessa, tämän teknologian käyttö kuvaamisessa on suhteellisen uusi. Nykyisin sen lääketieteellinen ja diag-: nostinen käyttö on ilmennyt olevan runsasta ja merkittävää. NMR

kuvausmenetelmät näyttävät myös kykenevän antamaan lääkäreille, diagnostikoille ja muille lääketieteellisille henkilöille tähän 2 83079 asti saavuttamattomissa ollutta tietoa koskien erilaisia ihmisen ja eläinten fysiologisia ja metabolisia prosesseja erikoisesti niitä, joissa on fosforia ja fosforin sisältävien yhdisteiden hyväksikäyttöä .

Asianmukaista toimintaa varten käyttävän laitteiston täytyy kyetä tuottamaan useita erillisiä magneettikenttiä tyypillisesti sylin-terimäisen tilan sisällä, johon potilas tai kohde tutkimuksen aikana on sijoitettu. Tämä keksintö on suunnattu yhden näistä kentistä muodostamiseen. Esimerkiksi on tärkeää aikaansaada laaja mutta vakio magneettikenttä, joka suuntautuu pitkin sylinterimäi-sen potilastilan akselia. Magneettikentät noin 0,04-1,5 Tesla tai enemmän ovat aiotut sisältämään tämän vakion magneettikentän. Lisäksi, asetettuna laajan vakion magneettikentän päälle pitkittäisessä tai z-akselin suunnassa, on olemassa paljon pienempi z-gradient-tikenttä tarkoituksella aikaansaada tieto asemasta pitkittäissuunnassa, joka on Z-akselin suunta. Asematiedon hankkimiseksi poikittaisessa tasossa sylinteriakseliin nähden, käytetään kahta 1isämagneettikenttää. Yhtä kutsutaan "x gradientiksi" ja aikaansaa kentänB siten, että / ιχ on vakio. Toista kutsutaan "y z gradientiksi" ja aikaansaa kentän B siten, että } B / J on va-kio. Suunnat X ja Y ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden, kuten konventionaalisessa suorakulmaisessa koordinaatistossa. Tämän ; ·_ keksinnön kohteena on aikaansaada käämitysmal 1 i t, jotka ovat eri-..! koisen käyttökelpoisia tuotettaessa tällaisia poikittaisia gra-] dienttimagneettikenttiä.

Yleisesti käytetyt poikittaiset gradienttikelamuodot NMR tarkoituksiin pohjautuvat muotoihin suunnattuina pienten kohteiden ke-'·) mialliseen arviointiin mieluummin kuin suurimittaisten NMR jär-: : : jestelmien rakentamiseen ja muotoiluun lääketieteellisiä diagnoo-•i. seja. Esimerkiksi, US patentissa No. 3 622 869 julkaissut 1971 M.J.E. Golay ja otsikoitu "High Homogenity Coils for NMR Apparatus", on selostettu satula-tyyppistä kelarakennetta esittäen ha-^ lutun asteisen lineaarisuuden vain sylinterimäisen kelamuotin ra-:·.: joitetulla keskialueella. Samoin J. Dadokin esityksessä Tenth

Annual Experimental NMR Conference:ssa Pittsburgissa, PA 1969 otsikoituna "Shin Coils for Superonducting Solenoids", selostettiin

I I

3 83079 samanlaisia keloja. Nämä kelat ovat puutteellisia siinä, että niiden tuottamilla magneettikentillä ei ole ominaisuuksia, joita halutaan lääketieteellisessä diagnostisessa käytössä.

Vaikka ne ovat tyydyttäviä kohteille, jotka ovat pieniä verrattuna sylinterimäiseen muottiin, jolle kelat on käämitty, ne eivät ole käyttökelpoisia,jos kohde on tarpeeksi suuri saavuttaakseen sylinterimäisen kelamuotin seinät. Tämä on tilanne NMR kuvauksessa. Erikoinen haitta tällaisilla keloilla on lähellä pistettäf jossa kenttä todellisuudessa eroaa niin paljon lineaarisuudesta, että se kääntää itsensä. Tämä johtaa ei-haluttuun aliasing ilmiöön, joka esiintyy aina kun kuvattava kohde ulottuu tämän pisteen taakse. Tällaisten vaikutusten ei-haluttavuuden kuvaamiseksi lääketieteellisessä kuvaustilanteessa, aliasing voi esimerkiksi, aiheuttaa osan maksa-alueen kuvasta olevan päällekkäin, sanokaamme, munuaisen kuvan kanssa, täten pimentäen arvokkaita tietoja. Toinen ei-haluttu ilmiö ennen käytetyissä poikittaisissa gradienttikeloissa on, että ne pyrkivät konsentroimaan sähkövirran paikallisiin alueisiin. Tämä lisää kelojen induktanssia ja vähentää niiden kykyä tuottaa nopeasti vaihtuvia magneettikent-tägradientteja. On nähty sitten, että NMR kuvaustarkoituksia : : : varten kelan induktanssi ja vastus tulisi pitää niin alhaalla kuin mahdollista.

Toinen poikittainen gradienttikelamuoto on esitetty Robert John Sutherlandin tohtorin väitöskirjassa, jossa on kuvattu kelasarjaa muotoiltuna oletetun äärettömän pitkän sylinterin ympärille.

‘ * Esitetty muoto aiheuttaa, että tyydyttäviä virran paluuteitä ei saada aikaan, ei todellisuudessa eikä käytetyn matemaattisen mal-'. Iin puitteissa.

.*··. Lisäksi on nähty, että tarvitaan poikittainen gradienttikela muo-toiltuna jaettujen virtojen pohjalta alentamaan induktanssia ja . joka kykenee tuottamaan poikittaiset gradienttikentät, joilla on ’...· korkea lineaarisuus ja joka on käytännöllisesti mitoitettu hel-polle rakenteelle.

4 82079

Yhteenveto keksinnöstä Tämän keksinnön mukaisesti poikittainen gradienttikela käsittää sy1interimäisen kelamuotin, ja neljä käämitys silmukkasar-jaa sijaiten sekä suuntakulman että akselin suunnassa. Jokainen silmukkasarja on muotoiltu tuottamaan eritellyt pintavir-tatiheydet \(0,z). Tämä z on mitta akselin suuntaisesta asemasta kelamuotilla ja 0 on suuntakulma. Virtatiheys λ (0 , z ) on vektorimäärä ja sillä on eritelty kulmakomponentti ^^(0,z) ja pitkittäiskomponentti ^ (0,z). (Yksityiskohtaisesti, X^(0,z) ja X (0,z) on parhaiten kuvattu kuvassa 12, jota on kuvailtu ja selostettu alla). Virtatiehyskomponentit on usein selostettu tässä dimensiottomien muotofunktioiden <5 g(0·z) ja ό 0 (0,z) termeinä. Nämä funktiot saadaan X ^(0,z) ja z V) (0,z):sta jakamalla kelassa olevien amperikierrosten koko-z naismäärällä.

Tämän keksinnön eräässä toteutuksessa neljän käämityssilmukka-sarjän toinen sarja, jonka muoto on sama kuin ensimmäisellä sar-, . jalla, on sijoitettu samalle kelamuotille mutta suunnattu suoras- · sa kulmassa ensimmäiseen sarjaan nähden.

: Tällainen poikittainen gradienttikelasarjapari tuottaa sekä x et- - V tä y gradienttikentät avaruusdiskriminointia varten.

: ; : Poikittaiset gradienttikenttäkelat, jotka valmistetaan tämän kek sinnön menetelmän mukaisesti, voidaan sopivasti valmistaa jous-.·. : tavalle eristetylle piirilevylle ja kiertää sylinterin ympärille -· sopivaan paikkaan ja suuntaan. Tarkoituksella toimeenpanna yhden syövytetyn kelan valmistus, valmistetaan tietokoneen tarkistama piirustus virran kulkutiestä läpinäkyvälle substraatille. Toinen substraatti valmistetaan sitten ja se on negatiivi (valokuvauk-.*··. sellisesti ajatellen) ensimmäisestä piirustuksesta. Kun toista ·_ · levyä on käytetty reikälevynä kelan syövytyksessä, alkuperäistä t i virran kulkutietä vastaava ohut linja on syövytetty pois. Jäl jelle jäävä materiaali muodostaa sitten matalavastuksisen kelan.

5 83079

Lisäksi on tämän keksinnön kohteena aikaansaada poikittaiset gradienttikelat, joilla on korkeatasoinen kenttälineaarisuus ei-haluttujen kuvavirheiden tuottamisen eliminoimiseksi, erikoisesti aliasing-vaikutusten virheiden vuoksi.

Lopuksi tämän keksinnön kohteena on aikaansaada virtajakautuma sylinterimäiselle pinnalle, joka tuottaa korkeasti yhtenäisen, lineaarisesti vaihtelevan poikittaisen gradienttikentän.

Kuvien selostus

Keksintönä pidettävä pääasia on yksityiskohtaisesti määritetty ja patenttivaatimukset ovat erikseen esitetty erittelyn päätösosassa. Kuitenkin keksintö sekä organisaatioltaan että käytännön menetelmiltään, yhdessä sen lisäkohteiden ja etujen kanssa, voidaan parhaiten ymmärtää viittaamalla seuraavan selostuksen yhdessä liit-*'·* teenä olevien piirustusten kanssa, joissa: ; V Kuva 1 on isometrinen näkymä esittäen konventionaalisia poikit-* *_· täisiä gradientti satulakeloja asennettuna sy 1 interimäi- *:* selle kelamuotille;

Kuva 2 on tasoesitys kuvassa 1 esitetyistä keloista merkinnällä : vaihtoehtoisista kelan si joitusmalleista ;

Kuva 3 on graafinen esitys pintavirtatiheyden jakautumasta aksi-*·*·' aalisuunnassa funktiona normaaliasemasta pitkin sylinteri- mäistä akselia; • · » ·

Kuva 4 käsittää erilaisia käyriä, jotka lähestyvät magneettiken tän Z komponentin muutoksia, joka kenttä on tuotettu ku vassa 1 esitetyillä keloilla; 6 83079

Kuva 5 on piirros ääriviivoista B :lle, jäännösmagneettikentän komponentista Z, ollen piirros piirretty keskeistä poikit-taistasoa, Z=0, varten;

Kuva 6 on kuvassa 5 esitetyn lainan piirros paitse esitettynä tässä poikittaistasolle Z/a=0.4292, jossa a on sylinteri-rin säde;

Kuva 7 on ääriviivapiirros B :lle tasoa y=0 varten; z

Kuva 8 on logaritminen virhepiirros läpi keskiötason Zq=0 esittäen yhtäsuurten virheiden ääriviivat sy1interimäisten kelojen sisällä konventionaalisesti muotoilluille poikittais-gradienttikeloille;

Kuva 9 on kuvan 8 kanssa samanlainen logaritminen virhepiirros, ·.·.· paitsi esitettynä tasolle, y = 0; ; ·': Kuva 10 on tasoesitys ke 1 akäämi ty smal 1 i s ta tämän keksinnön mukaisesti, jotka aikaansaavat pintavirtatiheyden, joka vaaditaan tuottamaan halutun poikittaisgradienttikentän, esittäen ideaalisoitua tilannetta, jossa virtatiet on jatkettu äärettömyyteen pitkin sylinterimäistä akselia; \.· Kuva 11 on samanlainen kuvan 10 kanssa ja yksityiskohtaisemmin käsittää tämän keksinnön mukaiset paluutiet kuvassa 10 : : esitetyille virtasilmukoille;

Kuva 12 on piirros pintavirtatiheyden kahdesta komponentista, 5$ ja funktiona pitkittäisasemasta sylinterillä; 7 83079

Kuva 13 on kuvan 5 kanssa samanlainen ääriviivapiirros, paitsi että tässä esitetään ääriviivat B :lle keksinnön mukaista z kelaa varten tasolle, joka on kohtisuorassa sylinteriak- selia vastaan Z =0,5:ssä; o

Kuva 14 on samanlainen kuvan 13 kanssa sillä poikkeuksella, että ääriviivat on esitetty tasossa y=0;

Kuva 15 on samanlainen kuvan 13 kanssa sillä poikkeuksella, että se kuvaa ääriviivoja tasolla Zq=0;

Kuva 16 on samanlainen isometrinen näkymä kuvan 1 kanssa sillä poikkeuksella, että tässä esitetään toinen sarja poikittaisia gradienttikeloja, jotka on kierretty 90° kuvassa 1 esitettyihin keloihin nähden;

Kuva 17 on tasoesitys spiraalimaisesti muotoillusta toteutuksesta kuvassa 11 esitetyn neljän kelan sarjan yhdelle kelalle;

Kuva 18 on samanlainen kuva 17 kanssa, mutta esittää hieman kehitettyä mallia; • »

Kuva 19 esittää NMR kuvausjärjestelmän komponentteja.

• · « • · ·· · X!££i££i®!S°!l£®i.!l®Ei_s®

Kuva 1 esittää, pääpiirteittäin, konventionaalista muotoa, jota käytetään rakennettaessa poikittaisia gradienttikenttäkeloja NMR */· kuvausjärjestelmissä. Yksityiskohtaisemmin, kuvassa 1 esitetty : : : kelakäämimalli on muotoiltu tuottamaan magneettikentän, jolla on komponentti pitkin sylinterimäisen muotin 30 aksiaalisuuntaa, si-**'. teen että magneettikenttäkomponentti tässä suunnassa, Bz, esittää . yhdenmukaista lineaarista muunnosta suunnassa, joka on kohtisuo-• rassa sylinterimäistä akselia vastaan. Kelan suunnistamisessa : ·.: esitettynä, gradienttimagneettikenttä on tuotettu siten, että on olemassa lineaarinen muunnos kentässä mitattuna suunnassa, joka on olennaisesti kohtisuorassa sekä halkaisijalinjaa vastaan, joka 8 33079 on esitetty merkitsemään kelan halkaisijan olevan 2a sekä pitkit-täisakselia vastaan. Täten kelamuotin säde tässä on merkitty a:lla. Kelamuotin pituus on merkitty L:llä. Säde a ja pituus L ovat tärkeitä parametreja allaolevien selostusten ymmärtämisessä koskien tätä keksintöä, koska etäisyys pitkin sylinteriä tai pitkin Z-akselia on tyypillisesti mitattu tässä kaksinkertaisena sylinterin säteeseen a verrattuna. Kuvassa 1 esitetyt kelamallit tuottavat kentän, joka vain lähestyy haluttua astetta magneettikentän lineaarisuudessa.

Kuitenkin kuvassa 1 esitetyn yleiskäämitysmallin arviointi aikaansaa hyödyllisiä tietoja tämän keksinnön rakenteesta ja eduista. Esimerkiksi, on nähty, että poikittaiset gradienttikelat on sijoitettu satulan muotoon, ollen jokainen erillinen kela 20a, 20b, 20c ja 20d kääritty osittain kelamuotin 30 ympärille. On myös nähtävissä, että on käytetty neljä tällaista kelaa ja että ne on sijoitettu näyttämään symmetrian kolmella tavalla. Ensiksi, kelat on sijoitettu symmetrisesti sylinteriin tai Z-akseliin nähden. Toiseksi, kelat esittävät peilikuvasymmetrian X-akselia vastaan kohtisuorassa olevaan tasoon nähden. Kolmanneksi, koska kuvatut kelat esittävät muotoa, joka on tarkoitettu synnyttämään gradientin Y-akselin suunnassa, on myös olemassa pei 1 ikuvasym-' "· metriä tasoon nähden, joka on kohtisuorassa Y-akseliin nähden, | · nimittäin x-z taso.

Siten kelat, jotka on pääasiassa tarkoitettu tuottamaan poikit-täiset gradienttimagneettikentät, on sijoitettu neljään eri neljännekseen korkeasti symmetrisessä järjestelmässä, kuten kuvassa . . 1 on esitetty.

Koska sylinterin pinta on isometrinen tasoon nähden, ja koska on : yleensä sopivampaa kuvata tasokuvia, tämän keksinnön mukaisten ···*· kelojen rakennetta on selostettu tässä mallien mukaisesti esi-.!. tettyinä erikoisesti muotoilluilla keloilla, kun ne on sijoitettu tasomuotoon, ennen niiden kiertämistä sylinterimäiselle kelamuo- " tille tai kierukalle. Tässä mielessä huomio on suunnattu kuvaan 2, jossa kuvan 1 neljä kelaa on esitetty Tullaamattomana tasomallina. Yksityiskohtaisesti kuva 2 esittää myös halutun virran i , 9 82079 suunnan neljän kelan sisällä. Luonnollisesti virran suunnat kaikissa neljässä näistä keloista voivat olla käännetyt, ilman vahingollista vaikutusta tämän keksinnön toimintaan. Lisäksi, kuvassa 2 on esitetty vaihtoehtoinen käämitysmalli keloilla 20a’, 20b', 20c' ja 20d’ esitettynä kuvassa katkoviivoin. Pitkin alempaa vaaka-akselia on esitetty asteikko mitoitettuna kelan säteeseen suhteellisilla yksiköillä. Etäisyydet ja asemat kehän suunnassa kuvan 1 kelamuotilla on yksityiskohtaisemmin esitetty kuvan 2 lineaarisena muotona vasemman käden pystyakselilla, joka kuva 2 esittää asemaa pitkin kelamuotin 30 kehää mitattuna radiaaneilla, alkaen nolla (huippu) asemasta, joka on esitetty kuvassa 1, ollen kaarenpituutta yksi-neljässä kehästä merkitty kulmalla ^/2, ollen 2^ radiaania koko kehässä. Siksi tasokuvia kuten kuva 2 on käytetty tässä helpommin esittämään kelakäämimalleja poikittaisille gradienttikenttäkeloille. Erikoisesti on nähtävissä, että kelojen suorakulmainen esitys kuvassa 2 on selvemmin ymmärrettävissä kuin kuvassa 1 esitetyt käyrät mallit, vaikkakin kuva 1 täsmällisemmin kuvaa fysikaalista toteutusta. Kuitenkin, helpon ymmärtämisen ja esittämisen vuoksi, tämän keksinnön mukaiset kelakäämimallit on tyypillisesti esitetty näissä kuvissa sijoi-tettuna tasomuotoon, ymmärrettävissä siten, että käytän- " nössä nämä kelat on kierretty tai muotoiltu suoraan kelamuotille . 30. Tästä huolimatta on kuitenkin otettava huomioon, että on mah- * dollisuus sijoittaa tämän keksinnön mukaiset kelat joustavalle : ·" painetun piirin levymateriaalille ja sitten kiertää joustava pai-nettu piiri sopivan halkaisi jäisen sylinterin ympärille. Lisäksi on myös mahdollista muodostaa tämän keksinnön mukaiset käämimal-lit suoraan sopivalle kelamuotille.

Vaikka kuva 2 esittää yhden silmukan jokaiselle neljälle kelalle 20a, 20b, 20c ja 20d, on yleisesti tunnettua, että monikierroske-··* loja käytetään tyypillisesti, ollen kierrosten lukumäärä ja virta valittu aikaansaamaan halutun kenttävoimakkuuden. Keskusteltaes-sa kenttävoimakkuudepta ottaen huomioon tämän keksinnön, ymmärre-- tään, että kiinnostuksen kohteena oleva magneettikenttä on magneettikentän z komponentti, B , joka on magneettikenttä sylinte- z riakselin suunnassa. Yleensä, tämä kenttä riippuu asemasta sy- linterimäisen tilan sisällä. Kenttä B , joka tyypillisesti joh- z 10 83079 tuu superjohtavasta magneetista, resistiivisestä magneetista, tai permanenttimagneetista. NMR kuvausjärjestelmissä Bq on tyypillisesti noin 0.04 ja 2.0 Teslan välillä, tai enemmän.

Kuitenkin on myös ymmärrettävä, että tämän keksinnön mukainen kela on käyttökelpoinen jokaisessa järjestelmässä, jossa halutaan poikittaista gradienttia.

Kuvissa 1 ja 2 esitetystä käämitysmal1ista nähdään, että kuvassa 2 vaakasuorassa kulkevat virrat, toisin sanoen, samansuuntaisesti kuvan 1 sy1interiakse1in kanssa, eivät vaikuta mitään magneettikentän Z komponenttiin sylinteriti1an sisällä. Vaikutukset magneettikenttään tässä suunnassa on aikaansaatu virroilla, jotka on osoitettu pystynuolilla kuvassa 2, toisin sanoen, virroilla, jotka ovat poikittain kuvassa 1 esitettyjen käämien kaareviin osiin nähden. Lisäksi on nähtävissä, että virta näissä johtimissa määrää magneettikentän Z komponentin luonteen kuvissa 1 ja 2 esitetyille käämeille. Kuitenkin, sen magneettikentän Z komponentti, joka on tuotettu kuvien 1 ja 2 käämeillä, kärsii useista probleemista johtuen epälineaarismuodosta ja aiiasingistä. Lisäksi, kuvan 2 käämitysmallien selostuksen ymmärtäminen ilmaistuna pinta-; · : virtatiheyden jakautumana on erittäin tärkeää tämän keksinnön ym-^ märtämiselle, jota on tarkemmin selostettu seuraavassa ilmaistuna pintavirtajakautumana, joka on tarpeen tuottamaan halutun lineaa-: ·.·. risen gradienttikentän. Esimerkiksi, jos yksi käsittäisi linjan . φ = ΊΓ kuvassa kaksi ja käsittäisi virtatiheyden tämän linjan poikki ‘i funktiona pitkittäisasemasta mitattuna normalisoiduilla koordi-' · naatioilla Z/a tuotettaisiin kuvan 3 käyrä. Kuva 3 on piirros virtatiheyden ympyrämäisestä tai P komponentista funktiona pit-; kittäisasemasta. Täten, kuva 3 esittää virtatiheyden konsentraa-’.· ; tiota vastaten neljää virtanuolta, joiden poikki linja kul- .*·*. kee. Jokaisella kuvassa 3 esitetyllä virtatiheyden konsentraati-____; olla on äärellinen leveys kuvastamaan sitä tosiseikkaa, että tavallisesti esitetyt kelat käsittävät useita kierroksia sijoitet-'...· tuina äärellisen leveyden omaavalle mallille.

On huomattu, että sopiva menetelmä karakterisoimaan kenttää Bq on laajentaa kenttää (matemaattisessa mielessä) ilmaistuna solii- I i 11 83079 deilla pallomaisilla harmoonisilla yliaalloilla. Harkittavan laitteiston symmetrian vuoksi erilaiset yksinkertaistamiset laajuudessa voidaan tehdä niin, että Bz voidaan kirjoittaa: u C — °o n

Bz=ä^~1 - ^ (J)nPn (0) z 4ti 2 , . m m a " n=l m=l

Yksityiskohtaisesti tämä yhtälö esittää B :n muunnelmaa funktiona z asemasta x mitattuna poikittaissuunnassa, joka on kohtisuorassa pitkittäiseen sylinterimäiseen akseliin Z nähden. Tavallisesti x vaihtelee välillä -a ja +a. Bz voi myös olla laajennettu konventionaalisella Taylor sarjojen laajennuksella seuraavasti: μ C j>o B = --- - <T C (-)n z 'TT 2 nv a' n = 2

Tulokset näiden Taylor sarjojen laajennuksesta on esitetty kuvassa 4 kuvien 1 ja 2 käämimalleille. Varsinkin kuva 4 on normalisoitu piirros magneettikentän B Z komponentista funktiona norma- z lisoidusta poikittaiskoordinaatista x/a. Lisäksi, kuvan 4 kaavi-on ordinaatta on myös normalisoitu lausekkeella G^a, jossa on Bz kentän gradientti x suunnassa, t.s., 5χ=^Βζ/ ^x. Kuvassa 4 on esitetty useita käyriä, joista jokainen kuvaa resultanttikäy- • · rää poikittaismuuttujan (x/a) yhä korkeammille ja korkeammille *> · · • voimakkuuksille. Esimerkiksi, käyrä 11 kuvaa tulosta Taylor sar- ·*- 3 5 7 9 jojen laajennuksen aikana sisältäen termit X, X , X , X , X , ja : X''. Käyrä esittää tarkkaa tulosta jos käytetään kaikkia termejä Taylor laajennuksessa. Nämä tulokset ovat vahvistaneet täs-sä käytettyjen menetelmien ja analyysien tarkkuutta.

Merkityksellisemmin kuitenkin kuvan 4 käyrät kuvaavat probleemeja jotka johtuvat konventionaalisesti käytetyistä käämimalleista ku- ' * vissa 1 ja 2. Ideaalitilanteessa käyrä on haluttu gradientti- *"*; kenttä poikittaisessa x suunnassa. Lyhyesti, kun siirrytään ·· · : poikittaissuunnassa sylinterin yhdestä seinästä sylinteriakselin läpi toiseen seinään, on toivottavaa, että B :11a (magneettiken- z tän z komponentin suuruus sylinterin sisällä) on lineaarisesti kasvava muutos. Mitä suurempi poikkeama lineaarisuudesta sitä 12 80079 vähemmän käyttökelpoinen gradienttikenttä on avaruuslaajentuman haluttujen tasojen aikaansaamiseksi, joita tarvitaan NMR kuvausta käytettäessä. Jos kuvien 1 ja 2 kelojen tuottama gradienttikenttä on karakterisoitu vain käyrällä C^, silloin nämä mallit voisivat olla halutuimmat käytettäväksi. Kuitenkaan ne eivät ole. Nimenomaan ne eivät varsinaisesti pääty käyrään Cg, joka on nähtävä ei vain suuresti epälineaarisena vaan on myös varsinaisesti nähtävä poikittaissuuntana kun x on suunnilleen yhtä suuri kuin 0.7a. Tämä on erikoisen ei-toivottava vaikutus, joka johtaa aiiasing'iin, t.s. rekonstruointi ilmiöön, jossa kohteet, jotka ovat sylinterin seinien vieressä, on uudelleen tuotettu kuvassa sijaitsemaan enemmän keskellä, peittäen kehon rakenteet, jotka ovat jo läsnä keskellä kuvaa. Käytännöllisen NMR kuvauksen kannalta, tämä aliasing vaikutus voisi tyypillisesti tarkoittaa, että maksan kuva on esitetty munuaisen kuvan päällä. Ilmeisesti tällaiset vaikutukset on vältettävä tuotetun kuvan kunnollista lääketieteellistä ymmärtämistä varten. Lyhyesti, on nähtävissä, että kuva 4 ei esitä vain haluttua ideaalia gradienttikäyrää, nimittäin käyrää C^, vaan kuvaa myös varsinaista tuloksena olevaa gradienttikäyrää tuotettuna kuvien 1 ja 2 keloille, nimittäin käyrää C . Käyrän C epälineaarisuuden vuoksi ja koska se muut-e e taa suuntiaan X = 0,7a takana, on nähtävissä, että kuvien 1 ja 2 kelat suuresti rajoittavat sen kohteen kokoa, joka voidaan kuvata.

.. 1 Kuvien 1 ja 2 gradienttikelojen probleemojen edelleen ymmärtämiseksi voidaan arvioida kuvien 5 ja 6 huomioonottamista. Kuvat 5 ja 6 kuvaavat molemmat yhtäsuurten voimakkuustasojen muotoja ken-tälle B . Lisäksi kuvat 5 ja 6 kuvaavat näitä muotoja poikittaisille tasoille, jotka leikkaavat z akselia. Kuten edellisissä .’·· kuvissa, ordinaatta- ja abskissa-akselit on normalisoitu kelamuo-: tin säteeseen, a, nähden, joita käytetään. Nimenomaan kuva 5

esittää B :n muotoja tasolle Zrt=0. Esitetty gradienttikenttä on Z T

. gradientti x suunnassa. Kuva 5 on erikoisen edustava aliasing vaikutuksesta, joka voi esiintyä x/a=0.7 ympärillä. Kuitenkin, * keskuskentällä Bkentälle ei kuitenkaan ole suhteellisen hyvää .: lineaarisuutta. Valitettavasti lineaarisuuden alueen ulottuvuus on rajoitettu. Kuva 6 on hyvin paljon samanlainen näkymä kuin kuvassa 5 lukuunottamatta, että muotopiirrokset B :lle on otettu z 13 82079 läpi tason Z^/a=0.4292. Tämä poikittaistaso vastaa sisäisten virtakaarien sijaintia kuvassa 1. On nähtävissä, että tässä nimenomaisessa poikittaistasossa aliasing probleemaa on merkittävästi rajoitettu, mutta lineaarisuus on paljon vähemmän kuin ideaalinen. Vertailun vuoksi kuvia 5 ja 6 voidaan verrata kuviin 13 ja 15, jotka esittävät niitä muotoja B :lle, jotka on aikaan- z saatu tämän keksinnön mukaisilla kelarakentei11a. Lisävertailu voi myös olla huono huomioonottamalla kuva 7, joka samoin kuvaa saman kokoisia Bz:n muotoviivoja. Kuitenkin kuva 7 on erilainen kuin kuvat 5 ja 6 siinä, että se on piirretty funktiona etäisyydestä pitkin poikittaisakselia ja asemaa kehällä, kuten on esitetty muunnelmilla z/a ja p/a (ei 8" kuten kuvassa 2), joita käytetään abskissana ja ordinaattana, vastaavasti. Kaksi vaakasuoraa linjaa, jotka on merkitty viitenumerolla 30 kuvassa 7 merkitsevät kelamuotin 30 sijaintia.

Epätäydellisten Bmuotojen vuoksi, jotka on tuotettu kuvien 1 ja 2 satulakeloi1la, on olemassa eroja tuotetun varsinaisen kentän ja halutun ideaalisen kentän välillä. Kuvat 8 ja 9 esittävät logaritmisia virhepiirroksia, jotka esittävät näitä poikkeamia ideaalisesta. Molemmat kuvat 8 ja 9 esittävät yhtä suuren virhekoon .. muotoja, mitattuna prosentuaalisesti ja piirrettynä logaritmisel-; * le skaalalle. Kuvissa 8 ja 9 esitetyt piirrokset on konstruoitu : ’* käyttämällä virheiden itsensä absoluuttisia arvoja. Lisäksi : aliasing vaikutus ei ilmaise itseään samalla tavoin kuvien 8 ja 9 • *.· piirroksille. Siitä huolimatta on selvästi nähtävissä, että kun liikutaan pois pitkittäisakselilta, on olemassa huomattava poik-: : : keama ideaalisesta kentästä, joka poikkeama kasvaa alueilla, jotka ovat yhä kauempana Z akselista. Kuva 8 on logaritminen virhe-.'. : piirros keskeiselle poikittaistasolle Z^ = 0. Kuva 9 on logaritmi-nen nuolipiirros kuvan 8 tapaan lukuunottamatta, että yhtä suuret virhemuodot, jotka on esitetty kuvassa 9, ovat pitkittäiselle x-z ·...· tasolle, joka on taso pitkin y = 0. Vaikka esitetyt muodot ovat * prosentuaalisen poikkeaman absoluuttisia arvoja ideaalisesta, .···. kuitenkin käytetään plus ja miinus merkkejä kuvassa 9 esittämään ; poikkeaman suuntaa tason eri alueissa. Kuten edellä, on jälleen nähtävissä, että poikkeama ideaalisesta kasvaa etäisyyden myötä Z akselista.

κ 83079

Kuvissa 5, 6, 7, 8 ja 9 kuvatekstit on käytetty esittämään lukumäärää , joka esittää etäisyyttä ja muotoarvoa, jota käytetään esitetyille erilaisille piirroksille. Samoin alueet on määritetty osoittamaan (suhteellisesti) ylempää ja alempaa arvoa arvoille B ja virhemäärille, jotka on piirretty. Nämä luvut on käytetty z osana tietokoneohjelmaa, jota käytettiin esitettyjen käyrien piirtämiseen. Ne ovat käyttökelpoisia tässä sulkemaan piirinsä suhteelliset virhekoot, joita voi esiintyä kuvien 1 ja 2 kelojen yhteydessä. Lienee edelleen painotettava tässä, että kuvat 1-9 on tuotettu kahdessa tarkoituksessa. Ensiksi, kuvat 1-9 on tuotettu kuvaamaan probleemeja konventionaalisten, yksinkertaisempien satulakela rakenteiden yhteydessä, joita on käytetty tuottamaan poikittaisia gradienttikenttiä. Toiseksi, kuvien 1-9 käyrät, ja erikoisesti, kuvien 1-4, tuottavat alustavan rakenteen, joka on suhteellisen helppo ymmärtää ja esittää tässä julkaistun keksinnön helpommin ymmärrettävänä. Kuten kuvassa 3 on esitetty, kuvien 1 ja 2 kelarakenne on suhteellisen yksinkertainen siinä, että siinä on vain tuotettu virtatiheysjakautuma, joka vaihtelee pitkittäisen aseman mukaan pitkin Z-akselia. Siinä ei ole mitään virtatiheysjakautuman muutosta funktiona kehäasemasta , t.s., ainakin Bz kentän muodostamisen suhteen, joka tässä on mielenkiin- ·_ non kohteena oleva kenttä. Virrat, jotka kulkevat pitkittäis-.! ‘ suuntaisissa kelasegmenteissä kuvassa 1, eivät tuota magneetti- ^ kenttäkomponenetteja z suunnassa. Näin kutsutun oikean käden • " säännön yksinkertainen käyttäminen alkeisfysikaasta osoittaa, et- ; ta tämä on todella tilanne. Lisäksi virtatiheysjakautumaa, joka vaikuttaa B :aan kuvissa 1-9 ei ole funktio kulma-asemasta. Tämä z - tosiasia selittää, ainakin osaksi, kuvassa 1 esitetyn suhteellisen yksinkertaisen rakenteen. Joka tapauksessa tässä keksinnössä - pintavirtatiheyden jakautuma vaatii sekä pitkittäiset että kehän suuntaiset koordinaatit aikaansaamaan halutun asteisen lineaarisuuden ja yhdenmukaisuuden b gradientti kentässä.

z · Tähän saakka kuvia 1-9 on käytetty kuvaamaan satulakela rakenteen '. käyttöä tuottamaan halutun poikittaisen gradienttikentän. Joka ; tapauksessa, pintavirran jakautumamalli tämän keksinnön mukaisesti on nyt käytetty. Erikoisesti tällainen malli on esitetty kuvassa 10. Mieluummin tämä malli, tai, kuten alla on selvitetty, sen I i 15 8 0 079 negatiivi, on asetettu taipuisalle painetulle piirialustalle mallissa, joka on samanlainen kuin kuvassa 10 esitetty. Kuva 10 esittää tosiseikkaa, että on käytetty neljää eri kelasarjaa, paljolti samoja kuin kuvassa 2 on esitetty. Kuitenkaan kuvassa 10 ei ole esitetty virran paluuteitä. Siten kuva 10 esittää osaa virtatiejakautuman ideaalisesta muodosta. Esitettyjen virtatie-don kaarevan luonteen vuoksi, voidaan jo mainita, että pintavir-tatiheyden jakautuman kehän suuntaisella komponentilla on myös komponentti vaikuttamassa B :aan, ollen komponentti nyt myös z funktio kehän suuntaisesta asemasta, joka on luonnehdittu muutu-jalla -Θ-. On myös nähtävissä kuvassa 10, että on olemassa kor-kea-asteinen symmetria kelojen sijainnissa. Kun nämä kelat on kierretty kelamuotin 30 ympärille, on nähtävissä, että on olemassa pei1isymmetria ei vain ZJ=0 tason poikki, vaan myös x-z tasoon nähden. Seurauksena tästä symmetria-asemasta on tarpeen selostaa vain yhtä sarjaa neljästä virtajakautumamallista kuvassa 10.

Muut mallit on sijoitettu symmetrisesti kuten edellä on selostettu. Erikoisesti on tarkasteltu mallia kuvan 10 ylemmässä vasemman puolisessa neliössä. Voidaan nähdä, että käämitysmalli käsittää sarjan suunnilleen puoliympyrämäisiä kaaria, joiden säde kasvaa järjestettynä keskeiseen muotoon ja sijoitettuna niin, että kaarien halkaisijaosat ovat mallin nurkissa kuten on esitetty. *· · Edelleen voidaan nähdä,että säteen kasvaessa virranjakautumamal- " lit kasvavasti omaksuvat sen suorakulmaisen neliön muodon, jossa : ne sijaitsevat. Käämitysmallien konstruoiminen tällä tavalla : V tuottaa poikittaiselle gradienttikentälle paremman lineaarisuuden ja huomattavasti lieventää aliasing probleemaa. Joka tapauksessa : :*: vaikka ylläoleva selostus on riittävä tämän keksinnön toteuttamiseksi käytännössä, suosittu rakennemalli perustuu virtatiheyden .·. : jakautumalle, joka on annettu kuvassa 12, jota yksityiskohtaisem-·;· min selostetaan alempana. Siitä huolimatta kuvassa 10 esitetyt erikoismallit ovat ne suoritut toteutukset virtatiheyden jakautu-·...· malle, jotka aikaansaavat halutun poikittaisen gradienttikentän.

Tarkoituksella aikaansaada virta kulkemaan kuvan 10 käämitysmal-‘. *: lissa, on tärkeää syöttää jokaista käämitystä halutulla virtata-solla. Erikoisesti, tässä keksinnössä, sama virta syötetään jokaiseen käämityssilmukkaan kuvassa 10. Kenttäyhtälöisen komp- 16 83079 lisoitu luonne ei ilmene sen ulkomuodossa, vaikka, voidaan käyttää näitä yhtä suuren virtatason silmukoita.

Kuitenkin, koska on tärkeää yhdistää nämä johtosilmukat virtalähteeseen, joka itse tuottaa magneettikenttiä, on tärkeää aikaansaada paluuvirtatiet sillä tavalla, että ne aiheuttavat minimaalisen hajaantumisen virtajakautuman, joka aikaansaa kuvan 10 kelojen malleilla, lineaarisuudessa ja yhtenäisyydessä. Lisäksi kuva 11 esittää sarjaa virran paluuteitä jokaiselle silmukalle, joita voidaan käyttää tehokkaasti minimoimaan hajaannukset halutussa kentässä seurauksena pakosta yhdistää jokainen kelasilmukka virtalähteeseen. Siten kuvan 11 kelat esittävät tämän keksinnön toimeenpanoa käytännössä. Kuitenkin käytännöl1isemmät mallit on esitetty kuvissa 17 ja 18, joita selostetaan alempana.

Vaikka tämän keksinnön mukaisia virtajakautuman teitä on selostettu likimääräisesti edellä, on tässä keksinnössä kuitenkin pyritty aikaansaamaan virtatiet, joita on selostettu tarkasti parin pintavirran tiheyden jakautuman funktioiden termeissä, joilla kummallakin on pitkittaisasema pitkin Z-akselia kuten sen riippumattomalla muuttujalla. Erikoisesti, voidaan matemaattisesti esittää että kuvassa 10 esitetyt kelamallit ovat ne, jotka syntyvät, kun kehän suuntainen komponentti virtatiheysjakautumasta ^ ψ (z) ( jossa λ ^ ( z ) =ca ( cos^ ) vaihtelee pitkittäissuuntais ta asemaa kuvassa 12 esitetyllä tavalla, ja kun pintavirtatihey- den jakautuman pitkittäissuuntainen komponentti li (z) (jossa z A (z)=cz(sini) ls> (z)) vaihtelee pitkittäissuuntaista asemaa ta- • - z ' z valla, joka on esitetty paksulla katkokäyrällä kuvassa 12. Täten, pintavirtatiheyden jakautumat, jotka on esitetty kuvassa 12 mää- ' rittävät täysin käämitysma 11 it , joita käytetään tämän keksinnön ‘ : suositussa toteutuksessa. Erikoisesti, kuvassa 12 esitetyt käy- · rät ovat määrääviä tuloksena oleville käämitysmalleille, joita on esitetty kuvassa 11, joka sisältää virran palautustiet. Funktio lp (z) on karakterisoitu kolmena käyräosana A, B ja C, ollen jo- kainen suora viiva piirustuksesa kuten on esitetty. Aikaväleillä a£z£b, i (z):lla on muoto M z+k , jossa M on jyrkkyys, joka Z 11 1 voidaan laskea kuvasta 12. Samoin on vertikaaliakselin leikkausarvo ja yhtälö käyrälle 4 on esitetty hyvin tunnetussa jyrk- I i 17 88079 kyys-leikkausmuodossa. Samoin, aikavälillä b£z 4.c, U (z) on an- z nettu lausekkeella M^z+b^ (käyrä B) ja, aikavälillä b^z^c, ~b (z) on annettu lausekkeella -M +b„ (käyrä C). Käyttökelpoisia z z 3 arvoja suureille M , M , b. , b , b , a, b, c ja d voidaan helpos-

1 b i L· O

ti lukea kuvan 12 käyristä. Arvoille z <. a tai z p d, & (z)=0.

Huomaa, että symbolia a on käytetty kahdesa erillisessä, mutta yhdenmukaisesti identifioitavassa tarkoituksessa kuvassa 12. Samalla tavalla funktio b j(z) on karakterisoitu kolmella erillisellä käyräosalla, D, E ja F, vastaten samoja aikavälejä, joille bz (z) on määrätty. a£rz4.b:lle b b4rz£-c:lle b^= + K2; ja c4rz4*d:lle .¾ ^=-K^, toisella tavalla ^¢=0. Lisäksi varauksen säilyttäminen vaatii määrättyjen pinta-alojen kuvassa 12 olemaan samat. Erikoisesti, jäännösvirran täytyy olla nolla niin, että: b d c

JV z)dz+ /&0(z)dz— Γ ^gjizidz a c D

On huomattava, että käyrien muoto kuvassa 12 on tärkeä synnytettäessä haluttua muotoa Bz:lle, enemmän kuin käyriä kuvaavat omi-naisparametrit. On myös huomattava, että kuten ohuilla katkoviivoilla on osoitettu, samoin korkealineaariset kelat voi olla muo-toiltu, jos halutaan, niin, että ( z ) käyrän keskiosan loppualu-eet on käännetty ylöspäin kuten on esitetty.

- Kuvissa 10 ja 11 kuvattujen käämitysmallien käyttämisen edut on I selvästi todistettu kuvissa 13, 14 ja 15 esitetyillä B :n muoto- ... 2 "" viivoilla. Kuvissa 13 ja 15 esitetyt näkymät ovat samanlaisia, * - ollen ainoa ero, että kuva 15 esittää muotolinjoja poikittaisessa tasossa z=0. Tämä taso on keskitaso, joka (matemaattisesti) hal- ·.'·* kaisee kelamuotin 30 kahteen yhtäsuureen osaan. Toisaalta, kuva : · : 13 esittää muotolinjoja B :lle, jotka ovat tasossa z = 0.5. Tämän z ·- jälkimmäisen tason sijainti on ehkä helpommin visualisoitavissa ***. kuvasta 14, jossa kuvassa 13 esitetty taso on suorassa kulmassa kuvaan 14 nähden siten ollen kohtisuorassa muotin 30 seiniä vastaan ja pitkittäistä sylinterimäistä akselia vastaan ja edelleen ' kulkien läpi pisteen z/a=0.5. Näin ollen on nähtävissä, että sy-linteriseinien ja tasojen z/a=-0.5 z/a=+0.5 rajoittamaan tilaan sisältyy magneettikenttä, jonka komponentit z suunnassa vaihtele- ie 3 3 079 vat korkeaan lineaarisessa muodossa poikittaissuunnassa. Tämä on edelleen esitetty kuvassa 14, jossa muotolinjat Bz:lle on esitetty poikittaistasolle y=0. Tämä taso kulkee läpi sylinteriseinien 30 ja sisältää pitkittäisen sylinterimäisen akselin. Tason y=0 sijainti lienee parhaiten käsitettävissä tarkastelemalla niiden linjojen sijaintia, jotka osoittavat sylinterin seiniä 30 kuvassa 14. Kuvaa 14 voidaan verrata kuvaan 7 Bz-.n lineaarisuuden parantumisen edelleen ymmärtämiseksi. Erikoisesti on nähtävissä, että B kentän vääristymät, jotka antavat aliasing vaikutuksen kasvaa, z eivät enää ole olemassa.

Selostus on tähän saakka ollut pääasiassa suunnattu neljään kää-mitysmallin sarjan sopivaan muotoiluun poikittaisten gradientti-kelojen yhtä sarjaa varten. Kuten kuvassa 1 on esitetty, poikit-taisgradienttikelojen sarja tuottamaan gradientin y-suunnassa käsittää neljän kelan sarjan. Kuitenkin NMR kuvauslaitteiden yleis-toimintaa varten tarvitaan yleensä kaksi tällaista sarjaa poikit-tasigradien11ike 1oja . Erikoisesti, useimmissa NMR kuvausjärjestelmissä, nämä kelat on sijoitettu tuottamaan halutun gradientin x-suunnassa ja toisen halutun gradientin y-suunnassa. Yhdessä nämä kaksi gradienttikenttää määrittää lineaarisen akselin, jota pitkin NMR kuvaus projektio esiintyy. Täten, projektion suunta voidaan valita sopivilla syöttötasoilla x ja y gradienttikelasar-*· jassa. Vaikka on yleensä suositeltavaa, että nämä gradienttike-| lasarjat on sijoitettu niin, että gradienttikentät on suunnattu : ' : tuottamaan gradienttikentät, jotka ovat suorassa kulmassa toi--;· siinsa nähden, ei ole välttämätöntä tehdä niin.

Tämän keksinnön kaaviodiagrammi, joka esittää kelamuottia 30, . jolle sekä x että y gradienttikelat on sijoitettu, on esitetty kuvassa 16. Erikoisesti, symmetrisesti sijoitetut y-gradientti-kelat 20a, 20b, 20c ja 20d voidaan nähdä kuvassa 16. Lisäksi, x-• gradienttikelat 40a, 40b, 40c ja 40d voidaan myös ainakin osaksi nähdä kuvassa. On kuitenkin ymmärrettävä, että vaikka kuva 16 ei esitä köytettyjä ominaisia käämitysmal1eja, kuva 16 on kuitenkin diagrammimainen esitys niiden piirilevyjen sijainnista, joille käämitysma11it voidaan syövyttää. Nämä mallit voivat sisältää kuvissa 10, 11, 17 ja 18 esitetyt mallit, jotka kaikki kuvaavat malleja kokonaisille x tai y gradienttikelojen sarjoille tai osalle niistä.

I i 19 83079

Vaikka kuva 10 esittää käämitysmallien haluttua muotoa ja kuva 11 esittää paluuvirtateiden mukaan liittämistä näihin käämitysmal-leihin, kuvat 17 ja 18 esittävät käyttöön ottoon valmiimman käämitysmallien sarjan, jossa on esitetty spiraalimaiset virtatiet. Spiraalimalli on oleellisesti varustettu kytkinlaitteilla paluuvirtateiden kanssa. Nämä paluutiet ovat ylemmät käämitysmalli-osat, jotka on esitetty kuvissa 17 ja 18.

Vaikka käämitysmal1it ovat yksityiskohtaisesti selostettavissa funktioiden ( z) ja % (z) termeissä kuten kuvassa 12 on esi-d z tetty, on kuitenkin myös mahdollista selostaa haluttua virtakää-mitysmallia yhdelle neljästä mallista valitulle poikittaisgradi-enttisuunna11 e olemaan sarja käyriä kaaria sijoitettuna keskeisesti suorakulmaiselle alueella ja joilla on alku- ja loppupäät suorakulmaisen alueen sivulla. Lisäksi kaaret ovat suunnilleen ympyrän muotoisia, sisempien kaarien ollessa enemmän ympyrämäisiä ja ulompien kaarien enemmän yhdenmukaisia suorakulmaisen alueen reunojen kanssa. Lisäksi kaarien keskus on sijoitettu pitkin sen sivun keskipistettä, josta ne lähtevät ja johon ne palaavat. Koska tämä määritelmä on vain lähellä tarkkaa muotoa halutusta pin-tavirran jakautumasta, se on kuitenkin tyydyttävän käyttökelpoi-nen perustana kelarakenteel le, joka tuottaa gradientt ikentät B^, ··_ joilla on suurempi lineaarisuus ja yhdenmukaisuus kuin kuvissa 1 . ja 2 kuvatuilla keloilla. Kuten kuvassa 10 esitetyissä kelamal-leissa, on myös suositeltavaa käyttää sellaisia virran paluuteitä - ·’ kuin kuvassa 11 esitetyt ja myös muotoilla sellaiset virran pa-luutiet, jotka muodostavat jatkuvan spiraalimal Iin kuten kuvissa 17 ja 18 on esitetty.

: Lisäksi nämä keksijät ovat määrittäneet, että on mahdollista käyttää kääm i ty sma 11 ia , joka on negatiivinen kuvissa 17 ja 18 .1. esitetylle mallille, esimerkiksi. Tämä tahtoo sanoa, että vaikka ***t kuvat 17 ja 18 kuvaavat käämitysmallia, joka voi olla valmistettu painetulle piirilevylle konventionaalisilla syövytysmenetelmillä, : : joissa kupari on selektiivisesti syövytetty pois piirilevystä, joka on päällystetty erikoisella valoakestäväl lä mallilla, on myös mahdollista kääntää tämä syövytysprosessi ja syövyttää pois johtava materiaali painetusta piirilevystä jättäen mallin, jossa 20 8 3 079 eristävä painettu piirilevy esittää kuvien 17 tai 18 mallin, esimerkiksi. On huomattu, että tämä negatiivinen syövytys painettujen piirilevykäämitysmallien tuottamiseksi ei kuitenkaan merkittävästi muuta keloilla tuotetun magneettikentän muotoa. Se aikaansaa edelleen etuja NMR kuvausjärjestelmille siinä, että kelat jotka on muodostettu negatiivisesti painetuista piirilevykuvista, omaavat alemman sähköisen vastuksen ja keloilla lisäksi on alemmat järjestelmien aikavakiot. Tämä on tärkeää NMR kuvausjärjestelmissä, joissa halutaan kytkeä gradienttikentät nopeasti muodostamaan halutun kuvan niin lyhyessä ajassa kuin mahdollista.

Tämän keksinnön mukaiset jaetut käämityksen korrektiokelat aikaansaavat parannetun yhdenmukaisuuden kentissä, jotka on tuotettu tällaisilla korrektiokeloilla. Yleisesti puhuen kentät jaetusta käämityksestä voivat tarkemmin saavuttaa ideaalisen korrek-tiofunktion kuin kelat, jotka on tehty tiheästä johtonipusta.

Tämä senvuoksi, että jaetulla käämityksellä on suurempi vapaus siihen nähden, mihin virtatiet on sijoitettu. Myös lähellä käämitystä jaetulla käämityksellä on virtaa kaikkialle ja siksi pyrkii tuottamaan järkevän likiarvon halutulle kenttämä11i11e kela-muotin lähellä. Keloilla, joissa käytetään nippukäämityksiä suu-rin avoimin pinnoin, on suuret poikkeamat halutusta kenttämal 1 is-;·. ta lähellä kelamuottia. Lisäksi jaetulla käämityksellä on alempi !. . induktanssi kuin tiheästi niputetuista johdoista tehdyllä käämi-' tyksellä, koska jälkimmäinen pyrkii omaamaan suuremman varastoi-• · dun magneettienergian niputettujen johtojen läheisyydessä. Esi- · merkit poikittaisista lineaarisista gradienttikäämityksistä, joi-ta edellä on selostettu, edustavat tyypillisiä käyttöjä tälle ke-lamuodolle ja -rakenteelle.

Yksi valmistustapa tällaiselle käämitykselle on käyttää tietokoneohjattua jyrsinkonetta leikkaamaan urat ohueen, sileään muovi-“ palaan, asettaa johdot uriin ja käyttää sopivaa limaa ja/tai valuseoksia. Tuloksena oleva aggregaatti voidaan sitten muotoilla ; sylinterin muotoon takomalla tai käyttämällä puristinta. Vaihto-I ehtoisesti, uritettu muovilevy on muotoiltu sylinterin muotoon ja asennettu sylinterille ensin ja sitten johdot on pantu uriin ja valettu. Toisessa vaihtoehdossa voidaan käyttää erikoista kaksiulotteista jyrsinkonetta leikkaamaan urat suoraan sylinteri-

I I

21 83079 maiseen pintaan, jonka jälkeen johdot on pantu uriin ja aggregaatti on valettu. Joka tapauksessa urien jyrsiminen, johtimien pano ja valu ja kela-aggregaatin valmistaminen sy1interimäiseksi kelamuotiksi on paljon vaikeampi ja kalliimpi menettely kuin syö-vytysmenetelmä, jota tässä keksinnössä on ehdotettu. Nykyisin ei näytä olevan standardi jyrsinkoneita kokonaisten mallien leikkaamiseksi suoraan sylinterin pintaan ja sellaisia koneita näyttäisi täytyvän erikoisesti kehittää. Joka tapauksessa, tämä keksintö välttää sellaisten rakennemenetelmien välttämättömyyden ja tuottaa muita etuja.

Tässä keksinössä jatkuva virran jakautuma, joka tuottaa halutun magneettikentän, on laskettu. Ohut viiva on sitten syövytetty johtavaan levyyn pitkin virran jakautuman virtauslinjaa. Sähkövirran tie on samalla muodostettu jäljellä olevan materiaalin läpi. Virta seuraa sitten virtausviivoja johtavan materiaalin jäljellä olevissa leveissä nauhoissa ja täten lähestyy tiiviisti haluttua virran jakautumaa.

Tämän keksinnön toisessa toteutuksessa useita lähekkäin sijaitsevia virt.ausviivoja on syövytetty johtavaan levyyn muodostamaan lukuisia samansuuntaisia, leveitä, virtaa johtavia ratoja (johtoja). Erkoisesti tilanteessa, jossa voima syötetään keloihin pie-.. . nien induktorien avulla, jotka edustavat RF jaksolukujen olennais-* ta impedanssia, sitten radat on oleellisesti eristetty toisistaan ' * radiojaksolukusignaaleihin nähden. Tämä on käyttökelpoinen to-teutus kun näin tuotetut magneettikäämitykset ovat esimerkiksi lineaarisia kenttägradienttikäämityksiä käytettynä NMR kuvausjärjestelmissä. Lukuisten rinnakkaisten ratojen käyttäminen auttaa ·.: välttämään käämityksiä joissa on suuri määrä kuparia joka voi toimia kannattimena kaikille virroille, jotka voisivat vaimentaa tai muulla tavalla vaikuttaa haitallisesti toisiin radiojaksoluku-kenttiin, jotka ovat läsnä tällaisessa kuvausjärjestelmässä.

*: Lukuisia sarjoja tämän keksinnön mukaisia poikittaisia lineaarisia gradienttikeloja on tehty ja asennettu. Yksi tällainen sarja on tehty seuraavasti. Virran virtausviivamalli on sijoitettu muovilevylle tietokoneohjatulla graafisella koneella. X malli ja 22 S 3 O 7 9 y malli on tehty kiinnitettäväksi lasikuitukelamuotin ulkopinnalle, jonka halkaisija on suunnilleen 0,67 metriä. Y malli on tehty vähän suuremmaksi niin, että suunnilleen 3 millimetriä paksu lasikuitukerros voidaan sijoittaa x ja y käämitysten väliin. Erotukset pienentävät kapasitiivista kytkentää x ja y käämitysten välillä. Sitten tuotettiin negatiiviset kuvat, joissa selvä, ohut viiva seurasi virran virtausviivoja yllä mainituissa x ja y malleissa ja loppu muovista oli tummaa. Selvä viiva esitti syövytettävää aluetta. Käyttämällä valonkestävää negatiivinen malli siirrettiin kuparilevylle paksuudeltaan noin 0,02 tuumaa ja syövytettiin yhdeltä puolelta spray syövytyskoneessa. Kuparilevy oli kiinnitetty ohueen muovitaustalevyyn estämään osien suhteelliset liikkeet kunnes syövytys on loppunut. Jokaisen levyn syö-vytys kestää noin 20 minuuttia. Syövytetyt, täten valmistetut lovyt oli ki limitetty I a n i k u 11. uke 1 ninuo 1.1.1 1 n käyttäen polycnlcrl-hartsia ja varmistettuna 1isälasikuitukerroksi1la. Suunnilleen 3 millimetrin paksuinen kerros oli kierretty x käämityssarjan ulkosivulle ja sitten y käämitys oli sijoitettu kelamuoti1le. Toinen kerros paksuudeltaan suunnilleen 3 millimetriä oli sitten kierretty y käämitysten ulkosivulle pitämään sitä kiinni. Ohuet viivat, jotka oli syövytetty vastaavasti kuvissa 17 ja 18 esitet-- tyihin malleihin, jotka voivat olla kuvattuna tässä joko positiivisina tai negatiivisina (valokuvauksellisesta ajateltuna) käämi-tysmalleina.

Kuten edellä on osoitettu, tämän keksinnön mukainen poikittainen gradienttikela on erikoisen sopiva käytettäväksi NMR kuvausjärjestelmässä. Kuva 19 esittää yksinkertaistettua blokkikaaviota, joka esittää sellaisen ydinmagneettisen resonanssikuvauslaitteis-- - : ton suurempia komponentteja, jotka sopivat käytettäväksi tämän ·' keksinnön kanssa. Koko tiedonkäsittelyjärjestelmä, tavallisesti merkitty viitenumerolla 400, käsittää pääasiassa tietokoneen 401, joka on toiminnallisesti kytketty kiekkomuistiin 403, ja kytken-täyksikköön 40b. RF lähetin 402, signaalin keskiarvolaskin 404, ja gradienttien voimansyöttäjät 406, 408 ja 410 on kytketty tie-: tokoneeseen 401 kytkentäyksikön 405 kautta. Kolmea gradientti-voimansyöttäjää käytetään magnetoimaan, vastaavasti, x, y ja z gradienttikelojen 416, 418 ja 420 sarjat. RF lähetin on suljettu 23 8 C079 pulssiverhokäyrälle tietokoneesta 401 aikaansaamaan RF pulssit, joilla on haluttu modulaatio kuvattavan kohteen mngn e to l m i sek s i resonanssiin. RF pulssit vahvistetaan RF voimanvahvistimessa 412 tasoille, jotka vaihtelevat 100 watista useisiin kilowatteihin, riippuen kuvausmenetelmästä, ja syötetään lähetinkelaan 424. Korkeat voimatasot tarvitaan suurelle kohdetilalle kuten koko kehon kuvaukselle, ja missä vaaditaan lyhytaikaisia pulsseja magnetoi-maan laajat NMR jaksolukunauhan leveydet. Tuloksena oleva NMR signaali havaitaan vastaanotinkelalla 426, vahvistetaan matala-kohinaisessa esi vahvistimessa 422 ja sen jälkeen johdetaan vastaanottimeen 414 edelleen vahvistettavaksi, ilmaistavasksi ja suodatettavaksi. Tämä NMR signaali voidaan sitten digitaalikoo-data ja keskiarvo laskea signaalin keskiarvolaskimella 404, ja ohjata tietokoneeseen 401 edelleen käsittelyä varten. Käsitellyt signaalit johdetaan tietokoneesta 401 kytkentäyksikön 405 läpi näytön tarkistusyksikköön 430, jossa ne säilytetään, korjataan, ja syötetään näyttöyksikköön 432. Näyttöyksikkö voi käsittää suoranäyttövarastoputki(DVST)-tyyppiset katodisädeputkinäytöt, samoin kuin konventionaaliset mustavalkoiset tai väritelevisio-tyyppiset katodisädeputket, joissa voi olla suoraan nähtävät ka-1ibrointimerkit ja vastaavat. Esivahvistin 422 ja vastaanotin 414 on suojattu RF pulsseilta lähetyksen aikana aktiivisella suo-jahäkillä ja/tai passiivisella suodatuksella. Tietokone 410 - · tuottaa porttitoiminta ja verhokäyrä modulaation NMR pulsseille, siloituksen esivahvistimelle 422 ja RF voimanvahvistime11a 412, ja jännitteen aallonmuodot gradienttien voimansyötöille. Tietokone 401 suorittaa myös tiedon käsittelyn kuten Fourier muuntamisen, kuvan rekonstruktion, tiedon suodatuksen, kuvan näytön, ja varastofunktiot, jotka ovat lajissaan hyvin tunnettuja eivätkä rmuodosta olennaista osaa tässä keksinnössä. Lähetin ja vastaan-: otin RF kelat voidaan muodostaa yhdeksi yksiköksi. Vaihtoehtoi sesti voidaan käyttää kahta erillistä kelaa, jotka ovat sähköi-sesti kohtisuorassa. Jälkimmäisellä muodolla on etuna pienempi RF pulssien pääsy vastaanottimeen pulssien lähetyksen aikana.

• Molemmissa tapauksissa kelat ovat kohtisuorassa staattisen mag- * : neettikentän B suuntaa vastaan, joka tuotetaan magneetilla 428.

o KElat 426 ja 424 on eristetty muusta järjestelmästä sulkemalla RF suojattuun häkkiin. Magneettikenttägradienttikeloja 416, 418 ja 24 ^ G 079 420 tarvitaan tuottamaan G , G ja G magneettigradienttikentät, x y z vastaavasti. Erikoisesti, tämä keksintö on suunnattu kelojen 416 ja 418 muotoiluun, hyväksikäyttöön ja rakenteeseen. Konventionaalisissa monikulmaprojektion rekonstruktion ja spin-kierre rekonstruktion menetelmissä gradienttikenttien pitäisi olla mono-toonisia ja lineaarisia koko kohdetilassa. Nämä gradienttikenttien näkökohdat on edellä täydellisesti käsitelty. Kuten tunnettua epämonotooniset gradienttikelat aiheuttavat huonontumista NMR signaalitiedossa kuten aliasing, joka voi johtaa erilaisiin kuva-virheisiin. Epälineaariset gradienttikentät G^ ja G^ voivat aiheuttaa kuvassa geometrista vääntymää. Tämän keksinnön mukaiset poikittaiset gradienttikelat eliminoivat ja/tai vähentävät suuresti näitä probleemeja.

Edellä olevasta voidaan havaita, että tämä keksintö aikaansaa rakenteen, muodon ja hyväksikäytön, jotka tuottavat magneettikenttiä, joilla on korkean monotooniset ja korkean lineaariset gradi-entit poikittaisessa suunnassa. On myös huomattava, että tämän keksinnön mukaiset kelat voidaan valmistaa käyttämällä painettujen piirien menetelmiä. On myös huomattava, että tämän keksinnön mukaiset kelat voidaan rakentaa negatiiviseen malliin, jossa ke-lakäämityksi11ä on huomattu olevan huomattavasti pienemmät vas-tustasot. Vastuksen pieneneminen on merkittävä tekijä NMR ku-- vauksessa jossa käytetään tällaisia keloja koska alennettu vastus • .·. tuottaa alemman aikavakion, joka on erittäin tärkeää koska nämä - kelat ovat tyypillisesti nopeasti kytkettävissä millisekunnin 1 murto-osassa. Tämän vuoksi viiveet, joita hitaan järjestelmän toistot aiheuttavat, on vältetty. On myös nähty, että tämä keksintö eliminoi, suuressa määrin, geometriset kuvavääristymät. On myös nähty, että tämän keksinnön kelamuoto myös täysin eliminoi aliasingistä johtuvat kuvavirheet. Täten on nähtävissä, että tämän keksinnön kelat tarjoavat merkittäviä etuja korkeasti lineaaristen gradienttimagneettikenttien muodostamisessa ja että nämä kelat ovat erikoisen arvokkaita ydinmagneettisten resonanssikuvi-. . en tuottamisessa.

Vaikka tätä keksintöä on tässä selostettu yksityiskohtaisesti viitaten sen määrättyihin suosittuihin toteutuksiin, asiantunti- I i 25 3 G O 79 jät voivat aikaansaada siinä monia muunnelmia ja muutoksia. Täten on tarkoitettu, että oheiset patenttivaatimukset peittävät kaikki tällaiset muunnelmat ja muutokset, jotka kuuluvat keksinnön todellisen hengen ja tarkoituksen piiriin.

Claims (10)

1. 26 80 079
2. 1. Poikittaisgradienttikela, erityisesti ydinmagneettireso-nanssikuvausjärjestelmissä käytettävä kela, tunnettu ei-magneettista ainetta olevasta sylinterimäisestä kelamuo-tista (30) ja neljästä käämisilmukkasarjasta (20a-20d), jotka on sijoitettu sekä säteettaisesti että pituussuunnassa symmetrisiin asentoihin mainitulle sylinterimäiselle kela-muotille, ja joilla kullakin silmukkasarjalla on satulakää-mirakenne, ja jotka silmukkasarjat on rakennettu tuottamaan olennaisesti pintav irtatiheysve ktorin X ( Φ, z ) =kaoi ( z j cosφ$+'Κ2σ2 ( z ) sin Φζ , missä z on normalisoitu aseman mitta mainitulla kelamuotilla pitkin mainitun sylinterin akselia, ja jossa s on normalisoitu mainitun sylinterin säteen suhteen, ja missä Φ on atsimuuttisen aseman . A A mitta, ja missä ί ja z ovat yksikkovektoreita atsimuutti-sessa ja pitkittäisessä suunnassa vastaavasti, ja missä mainitulla a$(z):ilä ja mainitulla oz(z):llä on olennaisesti seuraavassa määritelty muoto: f a s z < b . σ#(ζ) = J +%2 b < z < c
3. 1 -K* c s z s d V.0 z < a, z 2 d f z +’o^ a ^ z < b σ„(ζ) = +M-,z +b-, b < z < c -M. z +b-, c ^ z ^ d i J ^ 0 z < a, z 2 d, ja missä k on satunnaisvakio, ja missä i i 27 3 3079 b d c \ σ (z)dz + ^ σ (z)dz = - ^ σ (z)dz, a 1 c 1 b 1 missä σζ(ζ) on matemaattisesti jatkuva funktio, ja missä a, b, c ja d ovat vastaavat intervallit sylinterin säteen akselin keskipisteestä, ja missä i>l^ ja ^ ovat vastaavien intervallien yli ulottuvan funktion ^z(z) kaltevuudet, ja missä b1, b2 ja b3 ovat valitut akselin leikkausarvot.
4. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen poikittaisgradienttikela, tunnettu siitä, että mainitut käämisilmukkasarjat muodostuvat taipuisista painettujen piirien käämikaavioista.
5. 3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen poikittaisgradienttikela, tunnettu siitä, että se sisältää toisen käämisilmuk-kasarjan (40a-40d). jolla on sama rakenne kuin ensimmäisellä käämisilmukkasarjalla, mutta joka on sijoitettu eri asemaan kehän suhteen mainitulle käämimuotille.
6. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen poikittaisgradienttikela, ·.·. tunnettu siitä, että mainitut kaksi neljän käämi- ’ silmukkasarjän muodostamaa sarjaa on suunnattu tuottamaan .. . toisiinsa nähden suorassa kulmassa olevat gradienttikentät, ; jolloin saadaan sekä x- että y-suuntaiset poikittaiset ; ·' gradienttimagneettikentät.
7. 5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen poikittaisgradienttikela, tunnettu siitä, että ainakin yksi mainituista nel- ·;·: j ästä silmukkasar j asta on sijoitettu spiraalimuotoon.
8. 6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen poikittaisgradienttikela, ’•"tunnettu * · neljästä pääkäämisilmukkasarjasta, jotka on sijoitettu sekä : säteettäisesti että pitkittäissuunnassa symmetrisiin asen- 28 3 3 0 7 9 töihin mainitulle sylinterimäiselle käämimuotille, joista kullakin silmukkasarjalla on satulakäämirakenne, ja joista neljästä käämisilmukkasarjasta kukin on mainitun muotin pinnalla, jotka sarjat on muodostettu kaarimaisten osien sekvenssiksi, joilla on kasvava halkaisija muotin akselin pituussuunnassa kohti sen keksipistettä, ja joilla kullakin kaarimaisella osalla on kasvava suorakulmainen muoto mainitussa pitkittäissuunnassa kohti mainitun käämi-muotin keskiosaa, ja jotka mainittujen kaarimaisten osien halkaisijat on sijoitettu pitkin mainitun muotin yhtä puoliympyrän kaarta, ja jossa kaarimaiset virran paluutiet ovat mainitun muotin pinnalla muodostaen neljä spiraalimaisesti käämittyä silmukkasarjaa mainittujen pääkäämisilmukkasarjo-jen kanssa.
9. 7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen poikittaisgradienttikela, tunnettu seuraavista osista: elimet pysyvän magneettikentän tuottamiseksi pitkittäissuunnassa , radiotaajuiset elimet ydinspinien magnetoimiseksi näytteen sisällä mainitussa pysyvässä magneettikentässä, ilmaisinelimet mainittujen magnetoitujen ydinten lähettämien radiotaajuisten signaalien vastaanottamiseksi, elimet gradienttimagneettikentän tuottamiseksi mainitussa pituussuunnassa, ja ·. ; elimet gradienttimagneettikenttien tuottamiseksi ainakin kahdessa eri suunnassa, jotka suunnat ovat poikittain mai-nittuun pituussuuntaan nähden, ja joista mainituista poikittaisista magneettikentistä ainakin yksi on muodostettu mainitulla sylinterimäisellä käämimuotilla. I i O rt Γ\ ry r»
10. 29. J U / 9