NL1026751C2 - Werkwijze en toestel voor het rechtstreeks koelen van dwarsgradientspoelplaten met holle gewikkelde geleider. - Google Patents

Description

f.

►

Korte aanduiding: werkwijze en toestel voor het rechtstreeks koe len van dwarsgradiëntspoelplaten met holle gewikkelde geleider.

De uitvinding heeft in het algemeen betrekking op magnetische-resonantiebeeldvorming(MRI) systemen en meer in het bijzonder op een samenstel en een werkwijze om de door dwarsgradiëntspoelplaten, die in een MRI-systeem worden gebruikt, gegenereerde warmte te dissipe-5 ren.

Wanneer een substantie, zoals menselijk weefsel, aan een uniform magnetisch veld (polariserend veld B0) wordt onderworpen, trachten de individuele magnetische momenten van de spinnen in het weefsel zich uit te lijnen met dit polariserende veld, doch voeren deze spin-10 nen een precessiebeweging om het polariserende veld uit in willekeurige rangorde bij hun karakteristieke Larmor-frequentie. Indien de substantie, of het weefsel, wordt onderworpen aan een magnetisch veld (excitatieveld Bi), dat in het x-y-vlak en nabij de Larmor-frequentie ligt, kan het netto uitgelijnde moment, of "longitudinale magnetisa-15 tie", Mb, worden geroteerd, of "gekanteld", in het x-y-vlak om een netto magnetisch dwarsmoment Mt te produceren. Nadat het excitatiesig-naal Bi is beëindigd wordt door de aangeslagen spinnen een signaal uitgezonden en dit signaal kan worden opgevangen en bewerkt om een beeld te vormen.

20 Tijdens aftastingen van een patiënt dissiperen de gradiënt- spoelen, die het magnetisch veld produceren, grote hoeveelheden warmte, typisch in de orde van tientallen kilowatts. Het grootste deel van deze warmte wordt door weerstandsverwarming van de koperen elektrische geleiders, die x-, y- en z-asgradiëntspoelen vormen, gegene-25 reerd wanneer deze spoelen van energie worden voorzien. De gegenereerde hoeveelheid warmte is recht evenredig aan het aan de gradiëntspoe-len geleverde elektrische vermogen. De grote vermogensdissipatie resulteert niet alleen in een toename van de temperatuur van de gra-diëntspoel, maar de geproduceerde warmte wordt binnen het gradiënt-30 spoelsamenstel of de resonantiemodules gedistribueerd en beïnvloedt de temperatuur in twee andere kritische gebieden. Deze twee gebieden zijn j gelegen aan de grenzen van het gradiëntsamenstel en bevatten het oppervlak van de patiëntboring en het aan de cryostaat, die de magneten 1026751 - 2 - * behuist, grenzende warme boringsoppervlak. Deze drie gebieden hebben elk een specifieke limiet voor de maximale temperatuur. In het reso-nantiemoduul zijn er materiaaltemperatuurlimieten, zoals de glasover-gangsteraperatuur. Hoewel de koperen en vezelversterkte ondersteuning 5 van de spoelen temperaturen van meer dan 120°C kan toestaan, wil dit zeggen, dat het epoxy om de lagen vast te hechten typisch een veel lagere maximum werktemperatuur van ongeveer 70° tot 100°C heeft. Regulerende limieten leggen een piektemperatuur aan de patiënt of het oppervlak van 41°C op. Het warme boringsoppervlak heeft ook een maximale 10 temperatuur, die tot ongeveer 40°C is beperkt, om overmatige warmteoverdracht via het warme boringsoppervlak naar de cryostaat te voorkomen. Verder kunnen temperatuurvariaties van meer dan 20°C veldhomoge-niteitvariaties veroorzaken als gevolg van de temperatuursafhankelijk-heid van het veldopvulmateriaal, dat een magnetische-eigenschapsvaria-15 tie met de temperatuur vertoont.

In conventionele gradiëntspoelen toegepaste hoge stroomniveaus produceren een aanzienlijke hoeveelheid warmte in de nabijheid van de spoel. Deze warmte dient van de spoel en het magneetboringsgebied te worden weggeleid om schade aan de spoel en bijbehorende structuur te 20 voorkomen, om ongewenste veranderingen in het magnetisch veld als gevolg van het opwarmen van magneetcomponenten te voorkomen en om onaanvaardbare opwarming van een patiënt of ander subject in de boring te voorkomen.

Koelsystemen voor gradiëntspoelen berusten in het algemeen op 25 de geleiding van de in de actieve schakelingen van de spoel gegenereerde warmte naar watervoerende pijpen op enige afstand van de gra-diëntspoel, mogelijkerwijs tot maximaal 10 mm. De ruimte tussen de actieve schakelingen en de waterpijpen bevat gewoonlijk een materiaal met goede isolatie-eigenschappen, zoals vezelglas, dat warmtegeleiding 30 inefficiënt maakt. De watervoerende pijpen bevinden zich bovendien in radiale richting buiten de spoelwarmtegebieden, hetgeen erin resulteert, dat de heetste gebieden zich het dichtst bij de af te tasten patiënt bevinden waarbij er geen directe koeling tussen de hete gebieden en de patiënt plaatsvindt. De resulterende warmteopwekking stelt 35 thermische grenzen aan de werking van de spoel. In het algemeen zijn de eisen van de markt een verhoogde pieksterkte en een hoge doorvoer. Deze eisen drijven de werkstromen en -spanningen omhoog. De toenamen in werkstromen genereren extra warmtebelastingen, die de capaciteit van bestaande thermische systemen te boven gaan.

1 0 2 6 7 5 1 - 3 -

Dwarsgradiëntplaten worden in het algemeen geconstrueerd door middel van het verwijderen van een voorafbepaalde baan van koper uit een rechthoekige basisplaat. De koperen plaat wordt een tweedimensio-nele spiraalspoel, die in een boog wordt gebogen en tot een gradiënt-5 spoel wordt geassembleerd om een dynamisch veld met X- en Y-as te vormen. Het is daarom een doel van de uitvinding om een tweedimensionele spoelwinding van nauwkeurig gepositioneerde holle koperen geleiders te verschaffen, welke geleiders een elektrische dwarsspoel vormen. Het is een verder doel om een dergelijke toestel te verschaffen, welk toestel 10 in aanvulling op het verschaffen van de elektrische en magnetische eigenschappen van het MRI-systeem, als een koelketen werkt. Het is ook een doel van de uitvinding om koelmiddel direct door de geleider te geleiden om aldus het koper tijdens de toevoer van stroom te koelen.

Een ander doel van de uitvinding is het verbeteren van het 15 thermische rendement van het MRI-systeem. Het is een verder doel van de uitvinding een inrichting met een betere beeldkwaliteit en de mogelijkheid om beelden sneller af te tasten te verschaffen. Het is nog een verder doel van de uitvinding om te voorzien in een dwarsgra-diëntspoel, die grotere stromen en spanningen toelaat. Het is nog een 20 verder doel van de uitvinding om een inrichting te verschaffen, welke inrichting nieuwe aftastprotocols, zoals fMRI en coronaire slagader-beeldvorming, mogelijk maakt. Het verbeterde thermische rendement verbetert ook de productbetrouwbaarheid door middel van het voorkomen van thermisch geïnduceerde fouten. Het is ook een doel van de uitvinding 25 om een koelsysteem voor gebruik bij "vlakke" gradiëntspoelen, zoals deze in een MRI-systeem van open architectuur kunnen worden gebruikt, te verschaffen.

De uitvinding heeft deze doelen bereikt. De uitvinding verhoogt het thermische rendement van MRI, verbetert de beeldkwaliteit door het 30 reduceren van homogeniteitsvariaties als gevolg van temperatuurfluc-tuaties en verbetert de productbetrouwbaarheid door middel van het reduceren van aan de temperatuur gerelateerde fouten. De uitvinding maakt ook de doorlaat van grotere stromen mogelijk, waardoor de magne-tisch-veldsterkte en de beeldkwaliteit worden verhoogd.

35 De uitvinding verschaft een zelf-afgeschermd gradiëntspoelsa- menstel, dat een cilindrische binnenste spoelwinding met een binnenop-pervlak en een buitenoppervlak omvat. De binnenste spoelwinding is volgens een spiraal gewikkeld. De winding bevat verder een continu buisvormig hol gebied door de winding heen, waarbij het buisvormige 1 0 2 6 7 5 1 - 4 - gebied de continue stroom van koelmiddel daardoorheen mogelijk maakt. Een koelsysteem voor het circuleren van een koelmiddel door het holle gebied in de binnenste gradiëntspoel is eveneens verschaft, zoals ook een cilindrische buitenste spoelwinding met een binnenoppervlak en een 5 buitenoppervlak, welke buitenste spoelwinding volgens een continue spiraal is gewikkeld en een holle ringvormige ruimte tussen het bui-i tenoppervlak van de binnenste gradiëntspoel en het binnenoppervlak van de buitenste gradiëntspoel definieert, en een vulmateriaal is tussen de binnenste en buitenste spoelwindingen aangebracht.

10 De uitvinding voorziet in het gebruik van water, ethyleenglycol of een mengsel van de twee koelmiddelen. De uitvinding voorziet er verder in, dat een aantal van de inwendige gradiëntspoelwindingen continue buisvormige holle gebieden hebben voor het koelen van de gradiëntspoel. De uitvinding voorziet ook in een zelf-afgeschermd gra-15 diëntspoelsamenstel met een aantal temperatuursensoren gelegen binnen het zelf-afgeschermde gradiëntspoelsamenstel, een koelmiddelpomp, een elektronisch met de koelmiddelpomp en de temperatuursensoren verbonden computer.

Fig. 1 is een doorsnedeaanzicht volgens een vlak door de cen-20 trale longitudinale as, van een MR-gradiëntspoelsamenstel volgens de stand van de techniek.

Fig. 2 is een vereenvoudigd doorsnedeaanzicht van fig. 1 van een MR-gradiëntspoelsamenstel volgens de stand van de techniek.

Fig. 3 is een doorsnedeaanzicht volgens een vlak door de cen-25 trale longitudinale as van een MR-gradiëntspoelsamenstel volgens de uitvinding.

Fig. 4 is een schematische tekening van het koelsysteem voor gebruik bij een MRI-beeldvormingssysteem.

Fig. 1 en 2 tonen een zelf-afgeschermd gradiëntspoelsamenstel 30 100 voor een MR-beeldvormingssysteem (niet weergegeven), welk sa menstel cilindrische binnenste en buitenste gradiëntspoelwindingen 112 respectievelijk 114 omvat, die in een concentrische plaatsing ten opzichte van een gemeenschappelijke as A zijn aangebracht. Een continue koelhuis 122 is in een helix van het buitenste diameteroppervlak 35 van de binnenste gradiëntspoelwinding 112 gewikkeld en een corresponderende continue koelhuis 124 is in een helix in het binnenste diameteroppervlak van de buitenste gradiëntspoelwinding 114 gevormd, waarbij de buizen 122 en 124 door middel van epoxylagen 123 respectievelijk 125 op hun plaats worden gehouden. De binnenste gradiëntspoelwin- 1 0 2 6 75 1 - 5 - ψ* ding 112 bevat binnenste spoelen van x-, y- en z-gradiëntspoelparen of -stellen en de buitenste gradiëntspoelwinding 114 bevat de respectieve buitenste spoelen van de x-, y- en z-gradiëntspoelparen of -stellen.

De binnenste en buitenste gradiëntspoelwindingen 112 en 114 worden in 5 radiale richting in een coaxiale relatie gescheiden van elkaar gehouden door middel van ringvormige eindringen (niet weergegeven), die door middel van schroeven aan de binnenste gradiëntspoelwinding 112 bevestigd kunnen zijn. Het voor de lagen 123 en 125 gebruikte epoxy-vulmiddel bevat een aluminiumoxidedeeltjesmateriaal om de thermische 10 geleidbaarheid daarvan te vergroten. Dit verbetert de effectiviteit van het epoxy om door de gradiëntspoelen gegenereerde warmte vanaf de binnenste en buitenste gradiëntspoelwindingen 112 en 114 naar de koelhuizen 122 en 124 te geleiden. Bij voorkeur zijn de koelhuizen 122 en 124 door middel van de epoxylagen 123 respectievelijk 125 aan de te-15 genover elkaar gelegen oppervlakken van de binnenste en buitenste gradiëntspoelwindingen 112 en 114 bevestigd als individuele, gescheiden eenheden en het epoxymateriaal wordt in staat gesteld om uit te harden.

Fig. 2 is een dwarsdoorsnedeaanzicht van een MR-gradiëntspoel 20 100 samenstel volgens de stand van de techniek, welke figuur de con centrische relatie van de binnenste en buitenste gradiëntspoelen 112 en 114 toont. In fig. 2 zijn eveneens de binnenste en buitenste koelhuizen 122 en 124 weergegeven. De koelbuizen 122 en 124 worden onder gebruikmaking van een epoxyvulmiddel 123 en 125 in een concentrische 25 relatie gehouden. Om de resterende cilindrische ruimte te vormen is een cilinder van vezelglas gebruikt en deze vormt een laag 126 tussen de epoxylagen 123 en 125.

Fig. 3 toont een gradiëntspoelsamenstel 200 van de uitvinding.

De uitvinding voorziet in een binnenste en buitenste gradiëntspoel 30 212, 214 in een concentrische plaatsing en met een gemeenschappelijke as A. Gezien van buiten naar binnen toe, bevat het zelf-afgeschermde gradiëntspoelsamenstel 200 de buitenste gradiëntspoel 214. Binnenwaarts van de buitenste gradiëntspoel 214 bevindt zich een epoxylaag 225. De lagen 223, 225 van epoxy hebben een uiterst hoge sterkte om 35 krachten te weerstaan, die worden gegenereerd wanneer elektrische stromen door de gradiëntspoelen 212, 214 worden geleid.

Binnenwaarts van de epoxylaag 225 bevindt zich een cilinder 226 van vezelglas. De cilinder 226 van vezelglas is tussen de epoxylagen 223 en 225 gelegen. Binnenwaarts van de cilinder 226 van vezelglas be- 1026751 m - 6 - vinden zich verschillende lagen van geleiders, die de binnenste gradiëntspoel 212 vormen.

Fig. 3 toont de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding. In het bijzonder toont fig. 3 een binnenste gradiëntspoel 212, die in het 5 algemeen bestaat uit strips van een koperen geleider. In de voorkeursuitvoeringsvorm zijn de afmetingen van deze geleidende strips 212 ongeveer 0,5mxlmx3,2 mm, hoewel vele omvangen en vormen van de geleiders 212 gebruikt kunnen worden en het bovenstaande vormt geen beperking van de uitvinding. De meest naar binnen gelegen gradiëntspoel 10 212 kenmerkt een hol gebied 232 binnen de eigenlijke geleider voor de doorlaat van koelmiddel. Deze koelmiddelbuis 232 is in feite verbonden met een in fig. 4 weergegeven koelsysteem om de door de gradiëntspoelen opgewekte warmte te dissiperen. Deze gradiëntspoel 212 wordt ook wel een holle geleider 212 genoemd.

15 Het koelmiddel dient vanzelfsprekend de gehele gradiëntspoel 212 te doorlopen. Wanneer koelmiddel slechts aan één einde van de gradiëntspoel deze spoel binnentreedt en de gradiëntspoel aan het andere einde daarvan verlaat, wordt echter geen effectieve koeling bewerkstelligd. Het is daarom wenselijk, dat verschillende parallelle koel-20 ketens, vervaardigd van hol geleidend materiaal, zullen worden gebruikt. Dit wil zeggen, dat koelmiddel de gradiëntspoel 212 in verschillende punten zal binnentreden en de gradiëntspoel in verschillende punten zal verlaten.

De tekeningen in combinatie met de beschrijving zijn niet be-25 doeld om het gebruik van de uitvinding tot gewone MRI-beeldvormingsma-chines te beperken. Hoewel niet weergegeven, zouden de holle gewikkelde geleiders van de uitvinding tot het vlakke type geleiders, dat gewoonlijk met MRI-beeldvormingssystemen van open architectuur is verbonden, kunnen worden gewikkeld.

30 Fig. 4 is een schema van het koelsysteem, dat is verschaft om de door de gradiëntspoelen van het MRI-systeem opgewekte warmte te verminderen. Het dissiperen van de warmte binnen het MRI is belangrijk om oververhitting van de gradiëntspoelen te voorkomen alsmede een oncomfortabel gevoel van de patiënten tijdens het onderzoek te voorko-35 men. De gradiëntspoelen worden geactiveerd door middel van een corresponderende gradiëntversterker om magnetisch-veldgradiënten te produceren, welke gradiënten worden gebruikt voor het ruimtelijk coderen van door de RF-spoelen verworven signalen, welke signalen worden gebruikt om een beeld op bekende wijze te reconstrueren.

1026751 - 7 -

Bij het genereren van een magnetisch veld wekken de gradiënt-spoelen verschillende kilowatts warmte op als gevolg van de weerstand van de koperen spoelen. Voor een correcte werking van de MRI-machine dient deze warmte te worden afgevoerd. Zoals hierboven is toegelicht, 5 wordt een koelmiddel, zoals water, lucht, ethyleenglycol, propyleen-glycol of mengsels van elk van de bovenstaande middelen door de gra-diëntspoelen gecirculeerd. Ook kunnen anti-corrosietoevoegingen in het koelmiddel worden gebruikt. Het gebruikte type koelmiddel is niet bedoeld om een beperking van de uitvinding te zijn. Nagenoeg elk koel-10 middel kan worden gebruikt om hetzelfde doel te bereiken. Het koelmiddel voert vervolgens de warmte van de gradiëntspoel 200 weg.

Er wordt nu in het bijzonder verwezen naar fig. 4, waarin koelmiddel het resonantiemoduul of de resonantiekamer via inlaatpoorten 234, 235 binnentreedt. Het koelmiddel wordt door middel van een koel-15 middelpomp 240, die in vloeistofverbinding met de inlaatpoorten 234, 235 staat, via de externe vloeistoflijnen 261, 262 aan het resonantiemoduul toegevoerd. Om behulpzaam te zijn bij het instandhouden van de gewenste koelmiddeltemperatuur, zijn de koelmiddellijnen 261, 262 voldoende geïsoleerd om enige variatie in de koelmiddeltemperatuur te 20 elimineren, wanneer het koelmiddel de zelf-afgeschermde gradiëntspoel 200 binnentreedt. Hoewel twee inlaat- en uitlaatpoorten voor koelmiddel zijn weergegeven in fig. 4, kunnen er in andere uitvoeringsvormen één inlaat en één uitlaat zijn, aangezien de koelhuizen 232 cirkelvormig rond het beeldvormingsvolume liggen of er kunnen meer dan twee 25 poorten zijn om een grotere capaciteit te verschaffen voor het verwijderen van de door uitgebreide MRI-onderzoeken veroorzaakte warmtebelasting te verwijderen.

De koelmiddelpomp 240 circuleert koelmiddel met een temperatuur afhankelijk van de systeembehoeften volgens de uitvinding. Het koel-30 middel, dat de zeif-afgeschermde gradiëntspoel 200 binnentreedt, loopt door de koelhuizen 232 en absorbeert daarbij van de spoelen afkomstige warmte. Het koelmiddel, dat de warmtebelasting voert, wordt vervolgens uit de gradiëntspoelen afgevoerd en verlaat deze gradiëntspoelen via de uitlaatpoorten 236, 237, welke poorten het opgewarmde koelmiddel 35 via terugvoerlijnen 263, 264 naar een warmtewisselaar 250 transporteren. De warmtewisselaar 250 is ontworpen om uit het koelmiddel geabsorbeerde warmte te dissiperen en de temperatuur van het koelmiddel tot een gewenste temperatuur te verlagen.

1 0 2 6 75 1 - 8 -

Een computerbesturing 270 kan worden gebruikt om temperatuur-sensoren 280 te controleren. Indien de temperatuursensoren 280 een temperatuur, die zich boven het gewenste niveau bevindt, lezen, zendt de computer 270 een signaal naar de pomp 240 om de koelmiddelstroom te 5 vergroten of om de MRI-machine uit te schakelen. Indien de temperatuur beneden een gespecificeerde waarde daalt, kan de computer 270 de koelmiddelstroom verlagen of stopzetten indien de MRI niet werkzaam is.

Een verbeterde inrichting voor het koelen van de gradiëntspoe-len in een MRI-magneet is geopenbaard. Het koelsysteem van de uitvin-10 ding voorziet in een gradiëntspoel, die van een holle geleider is gewikkeld, zodat vloeistof door de geleider kan stromen, hetgeen de geleider koelt. Volgens één aspect van de uitvinding kan de holle geleider worden gebruikt in een MRI van open architectuur in een vlakke-gradiëntspoelconfiguratie. Volgens een ander aspect van de uitvinding 15 kunnen verschillende lengten van holle geleider, die elk met een koel-middelvoeding zijn verbonden, de gradiëntspoel omvatten. De holle geleider van de uitvinding kan worden gebruikt voor afgeschermde en niet-afgeschermde gradiëntspoelen in aanvulling op gradiëntspoelen en dwarsgradiëntspoelen.

20 Hoewel de voorkeursuitvoeringsvormen van de uitvinding hierin op zeer specifieke wijze zijn beschreven, zal het duidelijk zijn, dat veranderingen aan de geopenbaarde verbeteringen kunnen worden aangebracht zonder het kader van de uitvinding te verlaten. Het zal daardoor duidelijk zijn, dat het kader van de uitvinding niet door de be-25 schrijving en de tekeningen wordt beperkt, doch door de breedst mogelijke interpretatie van de conclusies dient te worden vastgesteld.

1 0 2 6 7 5 1

Claims (11)

1. Dwarsgradiëntspoel omvattende: een strip van elektrisch geleidend materiaal (212); waarbij de strip van elektrisch geleidend materiaal een hol gedeelte (232) heeft, zodat vloeistof in staat is om door het ge-5 leidende materiaal te stromen.

2. Dwarsgradiëntspoel volgens conclusie 1, waarin de holle geleider (212) volgens een helix is gewikkeld om de algemene vorm van een cilinder te vormen.

3. Dwarsgradiëntspoel volgens conclusie 2, waarin de holle 10 geleider (212) is gewikkeld voor gebruik in een afgeschermde gra- diëntspoel.

4. Dwarsgradiëntspoel volgens conclusie 3, waarin de gra-diëntspoel (212) bestaat uit een aantal holle geleider (212) secties, die elk vloeistof toestaan om door de geleider (212) te stro- 15 men.

5. Dwarsgradiëntspoelsamenstel omvattende: een cilindrische binnenste spoelwinding (212), die verder een continu buisvormig hol gebied (232) door de winding bevat, welk buisvormige gebied (232) de continue stroom van koelmiddel mogelijk 20 maakt; een vulmateriaal (123), dat de spoelwinding (212) omringt; en een aantal koelmiddelpijpen (122, 124), die in thermisch contact met de gradiëntspoel (212) in het vulmateriaal (123) is gesitueerd .

6. Dwarsgradiëntspoelsamenstel volgens conclusie 5, waarin de gradiëntspoel (212) bestaat uit een aantal holle geleidersecties, die elk vloeistof toestaan om door de holle geleider (212) te stromen .

7. Werkwijze voor het koelen van een gradiëntspoel (200) sa- 30 menstel, omvattende de stappen van: het verschaffen van een geleider (212) met een continu hol centrum (232); het wikkelen van de geleider (212) tot een spiraal, zodat de geleider (212) een cilinder vormt; 35 het verschaffen van een koelsysteem voor het circuleren van een koelmiddel voor het holle gebied (232) in de binnenste gradiëntspoel (212) . 1026751 - 10 -

8. Werkwijze volgens conclusie 7, verder omvattende de stap j van het plaatsen van de gewikkelde cilindrische geleider (212) in coaxiale relatie met andere cilindrische windingen (214) .

9. Werkwijze volgens conclusie 8, verder omvattende de stap 5 van het positioneren van de gradiëntspoelwindingen (212, 214) in een coaxiale, in radiale richting van elkaar gescheiden relatie.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, verder omvattende de stap van het circuleren van het koelmiddel door de gradiëntspoelwindingen (212).

11. Gebruik van het dwarsgradiëntspoelsamenstel volgens conclu sie 2 in een afgeschermde gradiëntspoel. 1 0 2 6 7 5 1