NL7907663A - Winding voor een spoel voor quadrupolaire velden. - Google Patents

Description

1 » H.0.28.308

Vinding· voor een spoel voor quadrupolaire velden.

De uitvinding heeft betrekking op de winding en het gebruik van spoelen voor het opwekken van magnetische velden met een quadrupolaire configuratie, speciaal toe te passen voor het regelen van de veldgradiënt bij analytische en beeldvormende nucleaire mag-5 netische resonantie (Nïffi) apparatuur.

Bij de gebruikelijke vormen van NMR beeldvorming is het noodzakelijk het monster aan drie verschillende soorten magnetische velden bloot te stellen : (1) een uniform veld met een constante waarde dat op conven-10 tionele wijze wordt aangegeven door Bq en waarvan de grootte gelijk is aan de vereiste Larmor precessie-frequentie van de kernen die worden bestudeerd, gedeeld door de gyromagnetische verhouding voor de kernen. Het veld kan zich in een betrekkelijk groot volume uitstrekken, afhankelijk van het voorwerp dat wordt onderzocht.

15 (2) een hoog-frequent veld normaliter met of in de buurt van de Larmor precessie-frequentie en loodrecht staande op Bq.

(3) een stel velden die ieder gekarakteriseerd zijn door componenten waarvan de intensiteit toeneemt met de afstand "bot een nul-vlak en die tegengesteld zijn gericht aan twee kanten van het nul-20 vlak. Als zulk een veld wordt gesuperponeerd op het veld Bq met een uitgekozen oriëntatie van het nulvlak, worden gradiënten in Bq verkregen die zodanig zijn, dat de plaatselijke waarden van de veld-intensiteit een lineaire toeneming vertonen van het nulvlak af in een richting, en een lineaire afneming van het nulvlak af in de 25 tegengestelde richting. De richting waarin het resulterende veld toeneemt staat bekend als de richting van de veldgradiënt.

Bij een conventionele NMR configuratie is een spoel voor het opwekken van het hoog-frequente magnetische veld (2) om het monster-volume gewonden en er dikwijls van gescheiden door een kooi van 30 Faraday. Deze kooi bestaat normaliter uit een aantal dunne draden die in longitudinale richting lopen, uniform om de omtrek van een cilinder zijn verdeeld en elk aan een uiteinde zijn geaard. Het doel hiervan is het afschermen van het monster van alle eventuele elektrische velden die door de hoog-frequentspoel worden uitgestraald, 35 en vice versa, zonder interferentie met het magnetische veld dat door de spoel wordt opgewekt.

De windingen voor de veldgradiënt worden buiten dit geheel aangebracht, dikwijls met een tweede laag van een elektrische af- 790 76 63 *· 2 scherming tussen deze windingen en de hoog-frequentspoel; zij kunnen zich binnen de windingen bevinden die het statische veld Bq opwekken, of ertussen.

De e!n.ergie die nodig is voor het opwekken van een bepaalde grootte 5 van de magnetische veldgradiënt bij een monster, neemt toe met de vijfde macht van de diameter en het is meer in het bijzonder noodzakelijk een spoelconfiguratie toe te passen die economisch is als het monstervolume voldoende groot moet zijn voor het opnemen van een persoon.

10 Een doel van de uitvinding is het verschaffen van veldgradiënt- windingen voor twee loodrecht op elkaar staande assen van een groot monstervolume met een meer economische configuratie dan de thans gebruikelijke.

Yolgens de uitvinding wordt een spoel verschaft voor het op-15 wekken van magnetische velden met een quadrupolaire configuratie, bestaande uit een paar gelijke, quadrupolaire windingen die op uniforme wijze zijn aangebracht op de omtrek van een cilinder, waarbij de winding van elke pool een groot aantal geleiders omvat die. in de lengterichting op het cilinderoppervlak liggen en symmetrisch 20 zijn verdeeld over een respectievelijke quadrant van het oppervlak, zodat de windingsdichtheid het grootst is bij het midden van de quadrant, en waarbij de geleiden van aan elkaar grenzende polen als vingers door elkaar^gestrengeld ter verkrijging van een in hoofdzaak uniforme opstelling van geleiders over het cilinderopper-25 vlak die doeltreffend zijn als een elektrostatische afscherming.

Bij voorkeur verandert de dichtheid van elke poolwinding in everedigheid met cosinus 20, waarin Θ de hoekverplaatsing is van het midden van het respectievelijke quadrant en de dichtheid van de winding wordt uitgedrukt als het aantal geleiders per radiaal.

50 Er kunnen uitwendige verbindingen worden aangebracht· met elke quadrupolaire winding teneinde het mogelijk te maken de bekrachtiging van de windingen afzonderlijk te regelen.

Bij een beeldvormende NME-inrichting waarin tijdens het in bedrijf zijn een uniform magnetisch veld aan een monster wordt aan-35 gelegd, kan de oriëntatie van de spoel ten opzichte van het uniforme magnetische veld zodanig worden ingesteld, dat een quadrupool veld-gradiënten opwekt in de richting van het uniforme veld en de andere quadrupool veldgradiënten opwekt in een richting loodrecht hierop.

Bij zulk een inrichting kan de spoel worden geconstrueerd met 40 het minimum inwendige volume dat nodig is voor het opnemen van het 790 7 6 63 3 monsterjwaarbij een geïsoleerde spoel voor een hoog-frequente koppeling is gewonden over de geleiders langs de omtrek van het cilinderoppervlak.

De constructie en de werking van een uitvoering van de uit-5 vinding zuil en* worden beschreven aan de hand van de bij gevoegde tekeningen, waarin : de fig. 1a en b de verdeling in een doorsnede door een uniform veld weergeven van de gewenste veldgradiënten voor HMR-beeldvorming, de fig. 2a en b schematisch de opstelling aangeven van gelei-10 ders voor het opwekken van de veldgradiënten van de fig. 1a en b, fig. 3 schematisch een spoel weergeeft' volgens de uitvinding, fig. 4 grafisch de verandering van de windingsdichtheid weergeeft op de spoel van fig. 3> fig. 5 schematisch een veldgradiëntspoel weergeeft waaroverheen . _ een hoogfrequente spoel is gewonden ten gebruike bij ÏIMR, en 15 fig. 6 schematisch een NMR-inrichting weergeeft met de spoel van fig. 5·

In de fig. 1a en 1b is een uniform magnetisch veld BQ weergegeven door de lijnen 10, waarbij de richting van het veld naar de 20 bovenkant van het papier wordt aangegeven door pijlen 12. Men moet zich voorstellen dat het veld zich naar boven uitstrekt onder het vlak van het papier, waarbij een cirkel in dit vlak de snijding weergeeft van het veld door een cilindrisch oppervlak 14 loodrecht op de veldrichting. In fig. 1a is een longitudinaal diametraal vlak 16 'van 25 het oppervlak 14 aangegeven dat loodrecht staat op de richting van het veld. Eén van de gewenste veldgradiëntpatronen voor MR-beeld-vorming is symmetrisch ten opzichte van het vlak 16 en wordt opgewekt door op het veld Bq tegengesteld gerichte plaatselijke velden te superponeren die elk toenemen naarmate de afstand van het vlak 16 30 groter is. Zulke plaatselijke velden en 3^ zijn weergegeven door de stellen van de respectievelijke vectoren 18 en 20, waarvan de lengte toeneemt als zij dichter bij het oppervlak 14 komen. De gradiënten lopen in hoofdzaak in richtingen evenwijdig aan het veld Bq, zodat het veld Bq plaatselijk wordt versterkt door B^, maar 35 plaatselijk wordt verzwakt door Bg. Een ander veldgradiëntpatroon is symmetrisch ten opzichte van een longitudinaal diametraal vlak 22 evenwijdig aan de richting van het veld Bq, zoals is aangegeven in fig. 1b. Evenals hierboven worden de plaatselijke velden aangegeven door B, en B, gesuperponeerd op het veld BA, maar in dit geval lopen j t 4* een ^ 40 de gradièhten in'richting loodrecht op het veld Bq, De velden B^ en 790 76 63 4 worden dus weergegeven door stellen van respectievelijke vectoren 24 en 26, waarvan de lengte progressief toeneemt als het waarne-mingspunt beweegt van het vlak 22 naar het oppervlak I4. versterkt Βλ en B. verzwakt het.

0 4 5 De plaatselijke velden B^ tot en met B^ moeten een kleine waarde bezitten vergeleken met Bq en kunnen worden opgewekt door quadru-polen, zoals weergegeven in de fig. 2a en 2b. In fig. 2a zijn vier geleiders 28, 30, 32, 34, die in de lengterichting liggen op het cilinderoppervlak 14 en uniform zijn verdeeld over de omtrek van 10 het oppervlak, in serie geschakeld met een stroombron, zodat de richting van de stroom (conventioneel aangegeven) tegengesteld is in aan., elkaar grenzende quadranten.

Het is bekend dat zulk een opstelling een zadel (of quadrupo-lair) veld opwekt, zoals is aangegeven door de vectoren 35x> 35y> 15 waarvan de lengten de respectievelijke verandering van de veldsterkte weergeven bij de loodrecht op elkaar staande middellijnen 36 en 38. De vectoren 35x zijn naar de as van de cilinder toe gericht waar het veld nul is en de vectoren 357 zijn van de as af gericht.

Als het veldpatroon van fig. 2a wordt.gesuperponeerd op het uniforme 20 veld Bq en de oriëntatie zodanig wordt gekozen dat de middellijn 38 gealigneerd is met het vlak Ié, dan wordt voldaan aan de voorwaarde van fig. 1a door de veldcomponenten bij en evenwijdig aan de middellijn 36. De componenten bij en evenwijdig aan de middellijn 38 leveren geen bijdrage tot de benodigde gradiënten en hun waarde is ten 25 opzichte van Bq te klein om een noemenswaardige rotatie van het resulterende veld te bewerkstelligen.

In fig. 2b zijn vier geleiders 40 - 4é opgesteld op een wijze die overeenkomt met die van fig. 2a, behalve dat het patroon over booggraden 45vis verschoven.om de omtrek van het oppervlak 14· Het resulte-30 rende zadelveld is op dezelfde wijze verplaatst, maar de veldcomponenten kunnen worden ontbonden, zodat zij de vectoren 48, 50 geven die overeenkomen met het gradiëntpatroon benodigd in fig. 1b. Wederom kunnen de componenten evenwijdig aan de middellijn die de geleiders 42 en 48 bevat, worden verwaarloosd.

35 Als nu de opstellingen van geleiders volgens de fig. 2a en 2b in elkaar worden geschoven, kan men de twee gradiëntpatronen van de fig. 1a en 1b verkrijgen,terwijl een onafhankelijke regeling van de stromen in de twee windingen mogelijk blijft en dientengevolge ook de regeling van de waarden van de gradiënten. Als de uitvinding 40 in de praktijk wordt toegepast worden de polen weergegeven door de 790 7 6 63 5 enkele geleiders 28 - 34 en 40 - 46 verkregen door overlap van multiple-windingen. De uitvindings ge dacht e heeft voorts betrekking op de niet-uniforme verdeling van zulke individuele windingen ter van verkri jgiig door overlapping-een in hoofdzaak uniforme opstelling 5 van geleiders die werkt als een kooi van Faraday.

Fig. 3 geeft een cilindrische spoelvorm 52 weer, en wel gezien in de richting van een eindvlak, op welke spoel twee stellen geleiders zijn aangebracht op de wijze aangegeven in de fig. 2a en 2b.

De stellen geleiders die verbonden zijn met de respectievelijke 10 geleiders 28, 30, 32, 34 zijn zodanig verbonden dat zij één onafhankelijke winding vormen en stellen geleiders verbonden met de respectievelijke geleiders 40, 42, 44j 46 zijn zodanig verbonden dat zij een tweede onafhankelijke winding vormen. Het windingspatroon is weergegeven door de geleiders a - f, die zijn verbonden met de ge-15 leider 28 en stroom voeren in dezelfde richting als die geleider; op dezelfde wijze zijn de geleiders g - m verbonden met de geleider 30 en voeren zij stroom in dezelfde richting als deze geleider. Teneinde een stroom in tegengestelde richtingen op te wekken in de geleiders 28 en 30, worden de met elkaar verbonden geleiders op de 20 volgende wijze geschakeld. Verbindingen bij het verst verwijderde uiteinde van de vorm 52 zijn in fig. 3 weergegeven door stippellijnen en verbindingen bij het dichtsbij zijnde uiteinde door getrokken lijnen en de daarmede overeenkomende richtingen van de stroom zullen worden aangegeven door de woorden OP en HEER. Voor een stroom die 25 begint bij het verst verwijdafLe uiteinde van de geleider 28 is de opeenvolging : 28 (OP), g (HEER), d (OP), h (HEER), e (OP), j (HEER), f (01), 30 (HEER).

Het patroon wordt dan herhaald op dezelfde wijze, behalve voor een omgekeerde stroom, in het volgende quadrant bepaald door de ge-30 leiders 30 en 32. Deze opeenvolging van verbindingen biedt voordelen doordat de stroomwegen bij de uiteinden van de vorm kort worden gehouden. Andere opeenvolgingen zijn mogelijk, maar kunnen gepaard gaan met langere omtrekswegen voor de stroom bij de uiteinden van de vorm, hetgeen ongewenste axiale magnetische velden tengevolge 35 heeft en een inductieve wisselwerking met het hoogfrequente magnetische veld.

Voor de tweede winding zijn slechts de geleiders p - u verbonden met de geleider 40 weergegeven. Er wordt opgemerkt, dat elke groep van verbonden geleiders op niet-uniforme wijze over een qua-40 drant is verdeeld, waarbij de onderlinge afstanden bij het midden 790 76 63 4 6 Λ' van het quadrant klein zijn en groter bij de grenzen van het quadrant. Aan elkaar grenzende groepen die behoren tot verschillende quadrupolen overlappen elkaar in deze zin, dat de buitenste geleiders van de twee groepen tussen elkaar zijn geplaatst, zodat er 5 geen enkele geleider op een andere ligt.

Er meet aan twee voorwaarden worden voldaan : ten eerste moet elke winding, alhoewel deze wat de verdeling betreft niet uniform is, de identiteit en de plaats van elke pool van de quadrupolaire structuur behouden, en ten tweede moet het aantal met elkaar ver-10 bonden geleiders worden gekozen in afhankelijkheid van de omtrek van de vorm 52, zodat er meer in het bijzonder in de gebieden met een dichte .overlapping plaats is voor alle geleiders, maar zodanig, dat de grootste spleet tussen twee geleiders nog niet voldoende is voor het doorlaten van interfererende elektrische velden naar het 15 inwendige van de vorm 52.

Een patroon voor de verdeling van geleiders dat doeltreffend is bevonden is weergegeven in fig. 4· Elk punt op de omtrek van de vorm 52 wordt aangegeven door de hoek 6 van de verplaatsing van de geleider 40 in de richting van de wijzers van een uurwerk. De windings-20 dichtheid bij dat punt op de omtrek, uitgedrukt als E geleiders per radiaal, wordt gegeven door de vergelijkingen : = !q cosinus 26 voor de winding 40, 42, 44» 46 enz. en Hg = ÏÏq sinus 26 voor de winding 28, 50, 52, 54» enz., waarin Eq de waarde van de maximale dichtheid is voor elke winding. De opstelling 25 van de windingen is volledig bepaald als elke verandering van het t teken van E.| of Eg wordt uitgelegd als een omkering van de stroomrichting. Eenvoudigheidshalve is in fig. 4 een cosinus-lijn 54' in één richting getekend om de numerieke waarde van aan te geven en een sinus lijn 56 om op dezelfde wijze de numerieke waarde van 50 Eg aan te geven. Eet spreekt vanzelf dat een maximum van samen-. -valt met een nulwaarde van Eg, waarbij deze waarden zijn verwisseld over intervallen van 45°· De cumulatieve windingsdichtheid gelijk aan de som van de krommen 54 en 56 wordt weergegeven door de kromme 58 üe een sinuslijn is met een dubbele fre-quentie gesuperponeerd 55 op de hiervoor genoemde maximale waarden van en Eg. De grootste verkregen dichtheid is derhalve \J2 maal het individuele maximum en treedt op bij 22,5° en met intervallen van 45°·

Er kan worden aangetoond dat Eq ook het aantal geleiders is dat moet worden aangebracht voor elke winding in elk quadrant.

40 Het bepalen van Eq en de verdeling van de buitenste geleiders van 790 7 6 63 7 aangrenzende polen van de twee windingen kunnen met de hand worden uit gevoerd als de afmetingen van de geleiders en van de vorm 52 "bekend zijn, maar men heeft gevonden dat het nuttig is hiervoor een eenvoudig computerprogramma te ontwikkelen.

5 Bij een MMH-beeldvorming biedt het voordelen een veldgradiënt- spoel die is geconstrueerd op de wijze zoals is beschreven aan de hand van fig. 3, toe te passen bij de opstelling aangegeven in fig. 5· Voor een mens wordt een veldgradiëntspoel 60 gewonden op een vorm 52 met een diameter van 500 mm en een lengte van 1 meter.

10 De lengte van de winding is natuurlijk kleiner dan de lengte van de vorm 52, maar moet een verhouding tussen de lengte en de diameter bezitten die aanzienlijk groter is dan 1^teneinde een bevredigende uniformiteit van de veldgradiënt te 'verzekeren. Men heeft gevonden dat draad met een doorsnede van 1,8 mm óp geschikte onderlinge af-15 standen kan worden aangebracht door een waarde Nq = 19 te kiezen en de windingen worden in de juiste positie gehouden en tegelijkertijd geïsoleerd door een laag van thermohardende hars 62. Een hoogfrequente spoel 64 wordt dan gewonden met een koperen buis direct op de harslaag 62 om de as van de vorm 52. Ter verkrijging van de 20 beste signaal/ruis-verhouding moet de spoel 64 symmetrisch op 'de vorm 52 worden aangebracht en moet worden bedreven op een elektrisch uitgebalanceerde wijze. De veldgradiëntwindingen verschaffen dan een effectieve kooi van Faraday, zowel als de spoel 64 wordt bekrachtigd voor het aanleggen van een hoogfrequent magnetisch veld aan het 25 monster, als wanneer de spoel is verbonden met een ontvanger/verster-ker voor het detecteren van signalen geïnduceerd door de precessie van kernen in het monster. De wederzijdse inductantie tussen de veldgradiëntwindingen en tussen elk van deze windingen en de hoog-frequentspoel ligt dichtbij nul, zodat er in feite geen wisselwer-30 king optreedt tussen de in bedrijf zijnde windingen. Als de spoel 64 niet is uitgebalanceerd is het waarschijnlijk dat de signaal/ruis-verhouding slechter wordt, en wel des te meer bij de detectiemodus als de te onderzoeken persoon die zich gedeeltelijk buiten de spoel bevindt als een antenne kan werken en interferentie veroorzaakt.

35 Een schematische weergave van een MMR-opstelling met de spoel van fig. 5 is weergegeven in fig. 6. Een uniform magnetisch veld Bq wordt opgewekt tussen twee evenwijdige vlakke poolschoenen 70.

Een cilindrische spoel 72, gezien injle richting van een eindvlak, ligt tussen de poolschoenen 70 en een (niet in de tekening weerge-40 geven) monster wordt in de spoel aangebracht. De opstelling 72 790 76 63 * 8 bevat een cilindrische vorm 52 gevonden op de wijze aangegeven in de fig. 3 en 5» waarbij de polaire windingen zijn gegroepeerd om respectievelijk de geleiders 28, 30, 32, 34 en 40 , 42 » 44» 46', aangegeven door de op overeenkomstige wijze genummerde bogen.

5 De hoogfrequente spoel 64 van fig. 5 is dicht over de polaire windingen gewonden;maar eenvoudigheidshalve is de isolerende laag 62 weggelaten. Een variabele energiebron 74 bekrachtigt de polaire windingen 28, 30, 32, 34 en een overeenkomstige onafhankelijke energiebron 76 bekrachtigt de windingen 40, 42, 44» 46. Een inrich-10 ting 78 geeft een gebalanceerde verbinding 80 met de hoogfrequente spoel 64 en is op selectieve wijze bij 82 verbonden met de excitatie- of detectie-schakelingen van de IIMR-insturmentatie (niet in de tekening weergegeven).

Bij de conventionele opstelling voor de MR-beeldvorming, 15 waarvan hierboven in deze beschrijving melding is gemaakt, bevindt de veldgradiëntspoel zich aan de buitenkant van de hoogfrequentspo'el en de ermede verbonden elektrostatische afscherming. De opstelling van fig. 5 verschaft derhalve een opmerkelijk voordeel door het verminderen van het volume ingesloten door de veldgradiëntspoel 60 en 20 het weglaten van een aparte elektrostatische afscherming.

De omvang van de uitvinding is echter niet beperkt tot MR-toe-passingen en de structuur en de wijze vanjaanbrengen van de winding beschreven aan de hand van fig. 3 maken het in het algemeen mogelijk een zadelvormig veld met een gestuurde oriëntatie op te wekken 25 tezamen met de inherente elektrostatische afschexmingskarakteristiek. Dit blijkt duidelijk uit een superpositie van de velden aangegeven in de fig. 2a en 2b in afwezigheid van een sterk uniform veld, waarbij de richting en de grootte van het resulterende veld worden bepaald door instelling van de absolute en relatieve mate van exci-30 tatie van de twee quadrupolen.

790 7 6 63

Claims (5)

1. Spoel voor het opwekken van magnetische velden met een quadrupolaire configuratie in een cilindrisch volume, met het kenmerk, dat de spoel (60) bestaat uit een paar gelijke, on-5 afhankelijk, quadrupolaire windingen die uniform zijn verspreid over de omtrek van het cilindrische oppervlak (52), waarbij de winding van elke pool (28 - 34 en 40 - 46) bestaat uit een aantal geleiders die in de lengterichting op het oppervlak liggen en symmetrisch zijn verdeeld over een respectievelijk quadrant van de om-10 trek, zodat de windingsdichtheid het grootst is bij het midden van het quadrant en de buitenste geleiders van de aangrenzende pool-windingen er tussenin zijn aangebracht ter verkrijging van een in hoofdzaak uniforme opstelling van geleiders over het cilindrische oppervlak,die doeltreffend is als een elektrostatische afscherming.

2. Spoel volgens conclusie 1,met het kenmerk, dat de dichtheid van elke poolwinding verandert in evenredigheid met cosinus 2Θ, waarbij de dichtheid wordt uitgedrukt als het aantal geleiders per radiaal en Θ de hoekverplaatsing is van het midden van de winding af. 20 3* ïïucleaire magnetische resonantie-inrichting, met het kenmerk, dat deze inrichting een spoel volgens conclusie 1 en . . bevat,^middelen (70) voor het blootstellen van een in de spoel aangebracht monster aan een uniform magnetisch veld, waarbij de spoel zodanig is ingericht dat deze een gewenste veldgradiënt opwekt in 25 de richting van het uniforme veld en voorts een gewenste veldgradiënt in een richting loodrecht op die van het uniforme veld.

4· Inrichting volgens conclusie 3>met het kenmerk, dat een hoogfrequente spoel-(64) in de vorm van een spiraal is gewonden over de veldgradiëntspoel om de as van het cilindrische 50 oppervlak.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat middelen (28) zijn aangebracht voor een elektrisch gebalanceerde verbinding van de in werking zijnde hoogfrequente spoel.

6. Inrichting volgens conclusie 3>met het ken-35 merk, dat de inwendige doorsnede van de veldgradiëntspoel zo groot is dat zich in deze spoel een persoon kan bevinden. 790 76 63