NL8402249A - Kernspin resonantie apparaat met een permanente magnetische magneet. - Google Patents

Description

» > EHN 11.097 1 N.V. Philips' Gloeilsrtpenfahrieken te Eindhoven.

Kemspin resonantie apparaat net een permanente magnetische magneet.

De uitvinding heeft betrekking op een kemspin resonantie apparaat met een uit permanent magnetisch materiaal qpgebouwd roagneet-stelsel voor het opwekken van een homogeen hoofdmagneetveld.

Een dergelijk apparaat is bekend uit de PCT octrooiaanvrage 5 WO 84/01226.

Een bezwaar van het aldaar beschreven apparaat is# dat de magne-tisatierichting van elk van de daar toegepaste blokken exact vast moet liggen cndat de positie daarvan in het magneetstelsel afgezien van een axiale instelmogelijkbeid door de geometrie van de blokken en het magneet-10 stelsel geheel vast ligt. Reeds door een geringe afwijking in de magne-tisatierichting van de afzonderlijke blokken kan een storende inhomcgeni-teit in het hoofdveld ontstaan.

De uitvinding beoogt dit bezwaar te ondervangen en daartoe heeft een kernspin resonantie apparaat van de in de aanhef genoemde 15 soort tot kenmerk# dat het permanent magnetisch materiaal de vorm van# ten aanzien van de magnetisatierichting nains telbaar in bet magreet-stelsel gemonteerde# staven heeft.

Uitgaande van een substantieel cirkel-cylindervormige meetruimte zal het permanent magnetisch materiaal een cirkel-cylindrische 20 ruimte cmsluiten waarvan de diameter en daaraan aangepast de lengte nog vrij te kiezen is. In aangepaste cylirdercoordinaten met een z richting samenvallend met een as van de cylindervormige meetruimte kan dan met r en ψ als verdere coördinaten berekend worden dat de radiale veldsterkte in een x richting maximaal is als voor de magnetisatie van het 25 ansluitende permanent magnetisch materiaal voor alle richtingen ψ met een x-as voldoet aanoC = 2*-p waarbij £Cde hoek tussen de x-as en de magnetisatierichting is. Tevens blijkt daarbij in een y-richting, loodrecht cp de x-richting geen veldsterkte te heersen. De sterkte van het veld. in de x-richting is daarbij omgekeerd evenredig met j.i, de magnetische 30 permeabiliteit van het permanent magnetisch materiaal en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de straal r van de ontsloten cylindervormige ruimte te zijn.

In een voorkeursuitvoering bestaat bet permanent magnetisch 8402249 H3N 11.097 2 #· «> a materiaal uit een aantal diametraal gemagnetiseerde cylindervormige staven die een cylindervormige meetruimte cmsluiten en zodanig zijn gemonteerd dat elk van de staven cm een as dwars op de magnetisatierichting van de staaf roteerbaar is. In bet bijzonder zijn de staven cirkel- 5 cylindervormig en bevat bet magneetstelsel bijvoorbeeld 12-24 van dergelijke staven. Ben voordeel van het gebruik van cirkelvormige staven is dat de magnetisatie voor alle staven dan onderling gelijk kan zijn, er is dus maar een soort gemagnetiseerde staven voor het gehele magneetstelsel nodig.

10 In een andere voorkeursuitvoering hebben de staven substantieel een doorsnede in de vorm van een cylinder segment, bijvoorbeeld overeen- . komstig de radiale doorsnede van de blokken zoals in PCT 84/01226 is aangegeven, maar zijn deze zo gemonteerd dat voldoende ruimte aanwezig is voor een zekere rotatie van elk van de staven om een lengteas daarvan.

15 In een verdere uitvoeringsvorm bevat het magneetstelsel meerdere, bijvoorbeeld twee lagen staven waarbij bijvoorbeeld meer naar binnen gelegen staven in de z richting gezien centrale onderbreking tonen en meer naar buiten gelegen staven deze onderbreking afdekken en daarbij aan weerszijden al dan niet gélijk net de meer naar binnen gelegen staven 20 eindigen.

In een verdere, uitvoeringsvorm zijn de staven zodanig gemonteerd dat de magnetisatierichting van het gehele stelsel uniform in richting is, bijvoorbeeld voor alle staven parallel met de x-richting.

Om het permanent magnetisch stelsel moet dan als terugsluit juk een mantel 25 uit materiaal net een hoge magnetische permeabiliteit zijn aangebracht.

In een verdere uitvoeringsvorm verzorgt de geometrie van de staven met eventuele extra shim materiaal of shim spoelen een hoge mate van veldhomogeniteit indien gewenst speciaal nabij een ingangszijde van de magneet.

30 Aan de hand van de tekening zullen in het navolgende enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven.In de tekening toont : figuur 1 een kernspin resonantie apparaat uitgerust met een permanente magneet, 35 figuur 2 een schetsmatige doorsnede van een cirkel-cylirdrische magneet met cirkel-cylindrische staven gemagnetiseerd volgens o4*= 2 ^ , figuur 3 een uit cylindersegment-vormige staven samengestelde 8402249 ΕΗΝ 11.097 3 *ζ· * permanente magneten, figuur 4 een soortgelijk stelsel met twee coaxiaal opgestelde lagen staven.

Ben kemspin resonantie apparaat zoals weergegeven in figuur 1 5 bevat een permanent magneetstelsel 2 voor bet opwekken van een stationair homogeen magneetveld H, een magneetstelsel 4 voor het opwekken van magnetische gradientvelden, een voedingsbron 6 voor de gradientspoelen 4.

Ben magneetspoel 10 dient voor het opwekken van een radiofrequent magnetisch wisselveld en is daartoe aangesloten qp een radiofrequenthron 12.

10 Eenvoudigheidshalve wordt hiervoor detectie van door het radiofrequente zendveld in een te onderzoeken object opgewekte kemspin resonantie signalen ook gebruik gemaakt van de radiofrequentspoel 10 die daartoe is verbonden met een signaalversterker 14. De signaalversterker 14 is verbonden met een fasegevoelige gelijkrichter 16 die met een centrale he-15 sturingsinrichting 18 is verbonden. De centrale besturingsinrichting 18 stuurt verder een modulator 20 voor de radiofrequente bron 12, de voedingsbron 6 voor de gradientspoelen en een monitor 22 voor beeldweergave.

Ben hoogfrequent oscillator 24 stuurt zowel de modulator 20 als de meet-signalen verwerkende fasegevoelige gelijkrichter 16. De binnen de magneet-20 stelsels 2 en 4 geplaatste zendspoel 10 omsluiten een meetruimte 28 die bij een apparaat voor medische diagnostische metingen ruim genoeg is voor het omvatten van patiënten. In de meetruimte 28 zijn aldus een homogeen magneetveld H, voor positie selectie van af te beelden doorsneden benodigde gradientvelden en een ruimtelijk homogeen radiofrequent wisselveld op te 25 vekfeen. Voor bepaalde onderzoekingen zoals aan meer perifere lichaamsdelen maar ook voor rugwervels kan het gunstig zijn voor detectie gebruik te maken van aan het te onderzoeken lichaamsgedeelte aan te passen spoelen zoals oppervlakte spoelen voor locale lichaamsonderzoekingen als hart of ruggewervels of solenoide-achtige spoelen voor daar in opneembare meer 30 perifere lichaamsgedeelten. Bij het laatste valt vooral ook te denken aan manma-onderzoek. Deze detectiespoelen zijn dan opgencmen in de meetruimte waar door de zendspoel een locaal homogeen radiofrequent veld kan worden gerealiseerd. Bij gebruik van een solenoide-achtige spoel kan deze toch veer de functie van zendspoel en meetspoel combineren.

35 Een in figuur 2 in radiale doorsnede geschetste uitvoeringsvorm van een permanente magneet volgens de uitvinding bevat in een cirkel-cylindrische geometrie gerangschikte cirksl-cylindrischs staven 30 die de meetruimte 28 cmsluiten en in een met pijlen m aangegeven richting zijn 8402249 49 «y t PHN 11.097 4 gemagnetiseerd. De staven bestaan uit permanent magnetisch materiaal zoals ferriet/ SmCOj., Sm (Fe Co Cu Zr)? 5, Nd^e^B of Sm (Co Cu)5· De meetruimte heeft voor zogenaamde total body metingen een binnendiameter van bijvoorbeeld ongeveer 1 m en een lengte van 1,5 a 2 m. De benodigde 5 hoeveelheid magnetisch materiaal en daarmede de diameter van de staven is afhankelijk van het gekozen permanent magnetisch materiaal, het aantal staven en de gewenste magnetische veldsterkte in de meetruimte. Een optimaal homogeen magneetveld H in de meetruimte wordt verkregen indien de richting van de magnetisatie m van het permanent magnetisch materiaal 10 steeds voldoet aan de voorwaarde cL-- 2^ waarbij ψ de hoek tussen de x-as en de straal r naar een betreffende staaf 30 is encode hoek tussen de x-as en de richting van de magnetisatie m is. Zoals in.de figuur is aangegeven verandert de richting cC*van de magnetisatie dus met een hoek-snelbeid die tweemaal de hoeksnelheid U) van de straalrichting is. Binnen 15 de cylinder wordt aldus een magneetveld H opgewekt dat bij toepassing van shim materiaal in een r elatief groot deel van de omsloten ruimte voldoende homogeen is. Het permanent magnetisch materiaal vertoont bij voorkeur naast een hoge magnetisatie voor het bereiken van een relatief hoog veld H met relatief weinig materiaal, een lage temperatuurcoeffi-20 cient voor de magnetisatie om het veld stabiel bij veranderende temperatuur te houden en een goede ruimtelijke homogeniteit, een hoge coerciti-viteit ten einde de magnetisatie af te schermen tegen externe velden en een hoge veldanisotrqpie cm locale verstoringen van de magnetisatie te voorkomen.

25 Élk van de staven 30 is opgencmen in een houder 32 die weer is opgenomen in een binnendrager 34, die het magneetveld niet mag beïnvloeden en een buitendrager 36 die bijvoorbeeld deel uit kan maken van een afscherming inzonderheid een magnetische afscherming die bij deze geometrie van magnetisatie overigens niet strikt nodig is. De 30 staaf 30 kan in de houder 32 warden geroteerd en aldus kan de homogeniteit van het magneetveld H warden geoptimaliseerd. Indien gewenst kan de drager 32 ook zo in de dragerccmbinatie 34-36 zijn gemonteerd dat de staaf met de drager 32 radiaal verplaatsbaar dus nainstelbaar is. Omdat alle staven hier gelijk zijn zal daaraan evenwel veelal geen behoefte 35 bestaan. De staven kunnen in de te gebruiken vorm zijn gemagnetiseerd maar er kan ook van bijvoorbeeld gemagnetiseerde vierkante staven, worden uitgegaan waaraan eerst daarna de gewenste vorm gegeven wordt. Om die bewerking eenvoudiger te maken kan de doorsnede van de staven ook de vorm 8402249 * PHN 11.097 5

Vs ♦ van een regelmatige veelhoek hebben. Ook dan kunnen de staven zijn opge-ncmen in dragers zoals de drager 32 waarvan een binnendianeter dan een omhullende cirkel voor de staaf vormt. Het aantal staven hangt af van de mate van de nagestreefde homogeniteit en bedraagt bijvoorbeeld 12 5 tot 24 stuks.

Geheel overeenkomstig kan ook· gewerkt worden met een homogeen gemagnetiseerd stelsel, dat wil hier zeggen dat de richting van de magnetisatie voor alle staren onderling parallel is, bijvoorbeeld parallel met de x-as in figuur 2. Een nadeel van een dergelijk stelsel, dat het 10 magnetisch gezien niet een gesloten systeem, vormt maar een gedeeltelijk uitwendig retourreld toont dat het nagestreefde veld compenseert en aanleiding zou geren tot een strooireld. Dit kan, zoals reeds qpgemerkt, worden ondervangen door een hier dus noodzakelijke zacht magnetische omhulling. Op zich kunnen de staren als zodanig geheel gelijk zijn aan 15 die voor het eerder beschreven systeem. Volgens de uitvinding gemagnetiseerde staren kunnen in beide systemen warden toegepast. Het is dus af gezien van de omhulling mogelijk enkel door rotatie van de staren bet ene systeem in het andere cm te bouwen. Het na-richten van de staren kan geheel enpirisch worden door gevoerd, maar ook kan uit te neten invloed 20 van de magnetisatierichting van elk van de staren op de homogeniteit van het veld een algorithms worden samengesteld voor bet instellen van elk van de staren. Uit synnetrie overwegingen zal dit bij voorkeur paarsgewijs, met paren van diametraal in het systeem gemonteerde staren worden doorge-voerd. De invloed van elk van de staren respectievelijk elk paar staren 25 kan warden berekend, maar deze kan ook enpirisch worden bepaald bij een békende rotatie de invloed op het veld in de meetruimte te meten.

Een meer compacte ophouw van permanent 'magnetisch materiaal wordt verkregen door zoals in figuur 2 is aangegeven de dwarsdoorsnede van alle staren een aan de gewenste geometrie aangepast cylinder segnent-30 vormige doorsnede te geren. Staren 40 met een dergelijke doorsnede worden weer samengesteld tot een magneetstelsel met een meetruimte 28.

Openingen 42 tussen de staren laten ook hier, zij het een beperkte rotatie toe. Voor het instellen op optimale homogeniteit van het reld behoeft de ruimte 42 niet groot te zijn daar de magnetisatierichting van elk van 35 de staren redelijk nauwkeurig kan zijn. De instelling kan hier bijvoorbeeld worden gerealiseerd door de staren te monteren in een drager 44 die van stelschroeren 46 is voorzien en eventueel een drager 48 die van verende elementen 49, bijvoorbeeld voldoende ductiel materiaal, is voorzien. Hst 8402249 ΰ * ΡΗΝ 11.097 6 praktische voordeel dat alle staven onderling gelijk en uitwisselbaar zijn komt hier te vervallen. Qndat door de nainstelling van de magneti-satierichting een hogere orde van homogeniteit van het magneetveld mogelijk is, zal het gunstig zijn meer dan de acht in WO 84/01226 genoende δ elementen toe te passen. Ook hier is afhankelijk van de geometrie en de gewenste homogeniteit een aantal van 12 a 24 staven aan te bevelen.

Op geheel overeenkomstige wijze kan ook hier met een stelsel gemagnetiseerd volgens «4 = 2ψ dan wel een stelsel met homogene magnetisatie gewerkt worden. Onderling omzetbaar zijn de systemen hier uiteraard niet 10 en bij de laatstgenoemde configuratie is weer een retourjuk nodig.

Tot nu toe is uitgegaan van een enkelvoudige laag staven. Ben in figuur 4 in langsdoorsnede geschetste uitvoeringsvorm toont twee lagen staven. Een eerste of binnenste laag 50 bestaat uit twee gedeelten 52 en 54 met een tussenruimte 56 en een tweede of buitenste laag 58 die 15 hier uit doorlopende staven bestaat. Elk van de stelsels 52 , 54 en 58 is opgebouwd als de eerder beschreven stelsels. Met een dergelijk stelsel kan een magneet worden samengesteld waarvan de homogeniteit van het veld H bijvoorbeeld ook nabij een eindvlak 60 van de magneet voor diagnostische metingen voldoende homogeen is. De geometrie, in het bijzonder de onder-2o linge positie van het eindvlak 60 van een binnenste en een eindvlak 61 van de buitenste laag en de grootte van de onderbreking 56 kunnen geoptimaliseerd worden voor het homogeniseren van het magneetveld nabij het eindvlak 60. Ook kan hiertoe extra magnetisch materiaal dan wel een additieve magneetspoel worden toegevoegd. Een magneet met een goed hcmo-25 geen magneetveld nabij een eindvlak is in het bijzonder toepasbaar voor bijvoorbeeld mamma-onder zoek. De diameter van de magneet en daarmede de gehele afmeting en het toale gewicht daarvan kan bij een specifiek daarop gerichte magneet beduidend worden gereduceerd. Een diameter van 15 a 20 cm is dan toereikend. Mat het gebruik van een solenoide als 3Q zend-meetspoel is hiermede een goedkoop, gemakkelijk bedienbaar en voor het hoofdveld geen energievragen! kernspin resonantie apparaat verschaft. De diameter van de magneet kan nog beperkt worden door het ontwerp zo te kiezen, dat een gradientspoelsysteem 62 in de ruimte 56 opgenomen kan worden. Een dergelijke magneet kan uit symmetrie over-35 wegingen in principe tweezijdig worden gebruikt. Cmdat het veld bij een juiste ophouw ter plaatse van een eindvlak 64 identiek is aan het veld ter plaatse van het eindvlak 60 kan een van de magneetuiteinden ook als referentie worden gebruikt, bijvoorbeeld met een dummy object wraardoor 8402249 EHN 11.097 7 voor systematische veldinhcmogeniteiten kan woeden gecorrigeerd.

Door de onderlinge positie van de eindvlakken van de twee lagen aan heide magneetuiteinden ongelijk uit te voeren kan de magneet a-symnetrisch warden gemaakt. Het magneetveld nabij elk van de uiteinden 5 kan dan aan een specifieke toepassing worden aangepast.

10 15 20 25 30 35 8402249

Claims (9)

1. Kernspin resonantie apparaat net een uit permanent magnetisch materiaal opgebouwd magneetstelsel (21) voor liet opwekken van een homogeen hoofdmagneetveld (H), met het kenmerk, dat het permanent magnetisch materiaal in de vorm van, ten aanzien van de magnetisatierichting na- 5 instelbaar in het magneetstelsel gemonteerde staven (30, 40) is gemonteerd.

2. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het magneetstelsel substantieel cirkel-cylindervormig is en voor het permanent magnetisch materiaal in het stelsel geldt dat de hoek ( oC) tussen de magnetisatierichting en een vaste x-richting steeds 10 twee maal de poolnoek () voor het betreffende volume gedeelte met een x-as is.

3. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het permanent magnetisch materiaal in het stelsel een uniforme magnetisatierichting heeft.

4. Kernspin resonantie apparaat volgens een der voorgaande con clusies, met het kenmerk, dat het magneetstelsel substantieel cirkel-cylindrisch is en elk van de dwars gemagnetiseerde staven (30, 40) om een as dwars qp de magnetisatierichting roteerbaar is opgesteld.

5. Kernspin resonantie apparaat volgens een der voorgaande con-20 clusies, met het kenmerk, dat de staven (30) een cirkelvormige doorsnede hebben.

6. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het magneetstelsel twee lagen permanent magnetische staven (50, 58) bevat.

7. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 6, met het ken merk, dat althans een van de lagen staven in axiale richting een onderbreking (56) vertoont.

8. Kernspin resonantie apparaat volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat althans aan een axiaal uiteinde (60 , 64) 30 van het magneetstelsel, het hoofdmagneetveld aldaar homogeniserende magnetische voorzieningen zijn getroffen.

9. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het magneetstelsel aansluitend aan althans een van de uiteinden een werkzame meetruimte met een diameter van ongeveer 20 cm toont. 35 8402249