NL8603076A

NL8603076A - Gradient spoel voor magnetisch kernspin apparaat.

Info

Publication number: NL8603076A
Application number: NL8603076A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1986-12-03
Filing date: 1986-12-03
Publication date: 1988-07-01
Also published as: CN87108118A; KR880008035A; EP0274149B1; FI875274A; DE3773162D1; US4845432A; EP0274149A1; CN1011623B; FI875274A0; JPS63147450A

Description

1» PHN 11.947 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken

Gradient spoel voor magnetisch kernspin apparaat.

De uitvinding heeft betrekking op een spoelenstelsel voor een magnetisch resonantie apparaat met een magneetstelsel voor het opwekken van een langs een z-as verlopend cylinder vormig stationair magneetveld en met een magneetstelsel voor het opwekken van 5 onderling loodrechte en loodrecht op de z-as gerichte x en y gradientvelden en op een magnetisch resonantie apparaat uitgerust met een dergelijk spoelenstelsel.

Een dergelijk spoelenstelsel is bekend uit ÜS 4.486.711.

Een aldaar beschreven gradient spoelenstelsel bevat een aantal zich 10 radiaal over onderling gelijke openings hoeken over een cylindermantel uitstrekkende booggeleiders die onderling zijn verbonden met axiaal gerichte booggeleiders. Met een dergelijk spoelenstelsel kunnen gradientvelden met een relatief goede ruimtelijke homogeniteit worden opgewekt. De efficiency van een dergelijk spoelenstelsel is evenwel 15 relatief laag. De efficiency zou kunnen worden verhoogd door de booggeleiders dichter bij een radiaal door het centrum van het stationaire veld verlopend symmetrievlak van het stationair magneetveld aan te brengen, maar dat wordt als ontoelaatbaar gezien, omdat daardoor de ruimtelijke homogeniteit in de gradient van het gradientveld verloren 20 zou gaan.

De uitvinding beoogt een spoelenstelsel te verschaffen, dat onder behoud van een relatief eenvoudige geometrie, een hoge ruimtelijke homogeniteit paart aan een relatief hoge efficiency. Een in de aanhef genoemd spoelenstelsel heeft daartoe volgens de uitvinding tot 25 kenmerk, dat van twee boogvormige geleiderparen van het gradient spoelenstelsel aan weerszijden nabij een radiaal symmetrievlak van het staionair magneetveld gelegen bogen, zich over onderling beduidend verschillende openingshoeken (arc-angels) uitstrekken.

Doordat in een spoelenstelsel volgens de uitvinding van 30 de fundamenteel als gunstig aanvaarde geometrie met voor alle effectieve booggeleiders een substantieel gelijke booglengte kan, met behoud van een voldoende ruimtelijke homogeniteit, de efficiency van de spoel 8603076 ί * PHN 11.947 2 beduidend worden verhoogd.

In een voorkeursuitvoering strekt een eerste, meest nabij het symmetrievlak gelegen bogenpaar zich over een relatief grote hoek en een tweede daaraan aansluitend bogenpaar zich over relatief 5 kleine hoek uit. In het bijzonder is de openingshoek van het eerste bogenpaar ongeveer evenwel groter dan 100° als de openingshoek van het tweede bogenpaar kleiner is dan 120°. Het totale verschil tussen de hoeken bedraagt daarbij in het bijzonder bijvoorbeeld ongeveer 60°.

Door deze geometrie blijft bij een meer efficient spoelestelsel de 10 ruimtelijk veldhomogeniteit voldoende.

In een verdere voorkeursuitvoering is de openingshoek van een meest nabij het symmetrievlak aanliggende bogenpaar ongeveer 150° en van een tweede, daar substantieel tegenaanliggend bogenpaar, ongeveer 60°. Hierdoor is een uiterst efficiënte geometrie voor het 15 spoelenstelsel gerealiseerd.

In een verdere voorkeursuitvoering zetten de booggeleiders van het tweede bogenpaar zich voort als onderdeel van een derde, verder van het symmetrievlak gelegen bogenpaar, dat booggeleiders met een aan de eerste twee paren booggeleiders gelijke stroomrichting 20 heeft, bij voorkeur per paar meerdere booggeleiders heeft en zich uitstrekt over een openingshoek van ongeveer 120°, meer in het bijzonder over een hoek van 120° of in geringe mate kleiner dan 120°. Voor alle booggeleiders van de genoemde drie bogenparen fungeert een vierde bogenpaar als terugvoerleiding. Dit bogenpaar is op een 25 zodanige afstand van het symmetrievlak georienteerd, dat daarvan, in een meetveld nabij het symmetrievlak, geen storende werking uitgaat, maar het stelsel niet nodelooos lang wordt.

In een voorkeursuitvoering liggen de booggeleiders van het eerste bogenpaar op een afstand van ten hoogste ongeveer 0,1 R van 30 het symmetrievlak verwijderd, waarbij R de straal van de booggeleiders voorstelt. De booggeleiders van het tweede bogenpaar liggen daar bij voorkeur substantieel tegenaan of in elk geval op relatief geringe afstand daarvan. In het bijzonder ligt het derde bogenpaar op een afstand van ten hoogste 1,0 R van het symmetrievlak verwijderd.

35 Aan de hand van de tekening zullen in het navolgende enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven. In de tekening toont 8603076 * t * PHN 11.947 3

Figuur 1 een magnetisch resonantie apparaat uitgerust met een spoelenstelsel volgens de uitvinding en

Figuur 2 een voorkeursuitvoering van een spoelenstelsel daarvoor.

5 Een magnetisch resonantie apparaat,zoals weergegeven in figuur 1, bevat een magneetstelsel 2 voor het opwekken van een staionair homogeen magneetveld, een magneetstelsel 4 voor het opwekken van magnetische gradientvelden, voedingsbronnen 6 en 8 voor respectievelijk het magneetstelsel 2 en het magneetstelsel 4. Een magneetspoel 10 10 diendende voor het opwekken van rf magnetisch wisselveld, is aangesloten op een radiofrequentbron 12. Voor detectie van, door het rf zendveld in een te onderzoeken object opgewekte magnetische resonantie signalen is hier een oppervlaktespoel 13 opgenomen. Voor het uitlezen is de spoel 13 verbonden met een signaalversterker 14. De signaalversterker 14 is 15 verbonden met een fasegevoelige gelijkrichter 16 die met een centrale besturingsinrichting 18 is verbonden. De centrale besturingsinrichting 18 stuurt verder een modulator 20 voor de radiofrequentbron 12, de voedingsbron 8 voor de gradientspoelen en een monitor 22 voor beeldweergave. Een hoogfrequent oscillator 24 stuurt zowel de modulator 20 20 als de meetsignalen verwerkende fasegevoelige gelijkrichter 16. Voor eventuele koeling dient een koelinrichting 26 met koelleidingen 27. Een dergelijke koelinrichting kan uitgevoerd zijn als waterkoeling voor weerstandsspoelen of als een vloeibaar helium dewarstelsel voor supergeleidende spoelen. De binnen de magneetstelsels 2 en 4 geplaatste 25 zendspoel 10 omsluit een meetruimte 28 die bij een apparaat voor medisch diagnostische metingen voldoende ruimte biedt voor opname van patiënten. In de meetruimte 28 kunnen aldus een stationair magneetveld, gradientvelden voor positie selectie van af te beelden doorsneden en een ruimtelijk homogeen radiofrequent wisselveld worden opgewekt.

30 Een gradient mageneetstelsel 4 is gebruikelijk symmetrisch ten opzichte van een radiaal symmetrievlak 30, dat dus ook de meetruimte symmetrisch in tweeën deelt en door een punt z=0 dwars op een z-as van de magneetstelsels is gericht. Het door het stationair magneetstelsel opgewekte stationair magneetveld is hier langs de z-as 35 gericht. Een gradient magneetstelsel in een magnetisch resonantie apparaat omvat gebruikelijk voor elk van de coördinaat richtingen een spoelenstelsel door activering waarvan gradient velden in elk van die 8603076 * PHN 11.947 4 richtingen kunnen worden opgewekt en een puntsgewijze afbeelding van een object kan worden gevormd. Ook in een gradient spoelenstelsel volgens de uitvinding zijn de spoelenstelsels voor de x- en de y-gradient onderling gelijk en liggen over 90° geroteerd ten opzichte van elkaar op de 5 spoelen dragende cylindermantel. In fig. 2a is een gradient spoelenstelsel, bijvoorbeeld voor een x-gradient veld, weergegeven. Het spoelenstelsel omvat vier segmenten die elk een kwadrant van het gehele stelsel vormen en onderling symmetrisch ten opzichte van radiaal symmetrie-vlak 30 en symmetrisch ten opzichte van een niet aangegeven 10 axiaal symmetrie vlak door de z=0, x=0-as zijn georiënteerd. Elk van de segmenten bevat een meest nabij het symmetrievlak 30 gelegen eerste geleiderboog 34, een tweede daaraan aansluitende geleiderboog 36 een op grotere afstand van het symmetrievlak gelegen geleiderboog 38 en een weer verder van het symmetrievlak gelegen geleiderboog 40 die als 15 retourgeleider van alle geleiders van de eerste drie geleiderbogen fungeert. In de geschetste uitvoeringsvorm bevatten de eerste en tweede geleiderboog slechts een enkele geleider, de derde geleiderboog zes geleiders en de retourgeleiderboog 40, dus acht geleiders. Hoewel aldus een uiterst gunstig systeem is gerealiseerd kan het aantal geleiders per 20 geleiderboog ook anders gekozen worden. Opgemerkt wordt nog, dat de stroomsterkte door alle geleiders van de geleiderbogen hier gelijk is en deze dus uit een doorlopende geleider kunnen worden gevormd en dat in de geschetste uitvoering ook zijn. Voor het bekrachtigen van de spoel is op de geleider een voedingsbron 42 aangesloten. Deze voedingsbron kan 25 voor alle vier de segmenten, of zelfs ook voor de segmenten van de overeenkomstige y-gradientspoel fungeren. Ook kan voor elk segment een afzonderlijke voeding zijn opgenomen of kunnen geleiderbogen afzonderlijk worden gevoed, in de geschetste uitvoering liggen de eerste twee geleiderbogen dicht tegen het symmetrievlak 30 aan en wel op een 30 afstand van bijvoorbeeld minder dan 0,1 R met R de straal van de spoelcylinder 42. De derde geleiderboog ligt hier op een afstand minimaal gelijk aan de straal R van het symmetrievlak en de retourgeleiderboog, mede afhankelijk van de geometrie van het stationair magneetstelsel op een afstand avan minimaal bijvoorbeeld 1,2 R.

35 Uiteraard gelden uit symmetrie overwegingen voor de andere segmenten overeenkomstige afstanden. De eerste booggeleider 34 strekt zich in deze configuratie uit over een openingshoek van bijvoorbeeld 150°, de 8603076 4 ? PHN 11.947 5 tweede over een openingshoek van 60° en de derde over een openingshoek van nabij 120°, maar wel niet meer dan 120°. Voor de retourbooggeleider is de openingshoek voor het op te wekken veld van minder belang, maar om veld inhomogeniteit te voorkomen is een hoek van 5 nabij 120° gunstig. Langs geleiders 46, die verbindingen tussen de onderscheiden booggeleiders verzorgen, liggen, substantieel axiaal, ook op een cylindermantel 44 van de spoelencylinder 42 en hebben geen invloed op het te gebruiken gradientveld. De invloed daarvan strekt zich in elk geval niet uit tot binnen het meetgebied 28 van het 10 magneetstelsel.

In het gradient magneetstelsel volgens de uitvinding zijn alle booggeleiders die effectief aan het gradientveld bijdragen dichter bij het radiaal symmetrievlak georiënteerd. Hierdoor is de efficiency van de spoel sterk verhoogd, is het in de spoel opgeslagen vermogen 15 beduidend verlaagd en kan daardoor met een eenvoudiger voedingsbron worden gewerkt en het spoelenstelsel minder zwaar worden uitgevoerd.

Hierdoor wordt niet alleen het benodigde vermogen gereduceerd, waardoor ook minder warmte in de spoel wordt opgewekt en de optredende Lorentzkrachten worden gereduceerd, maar kan tevens sneller worden 20 geschakeld, hetgeen het meetproces van het magnetisch resonantie apparaat als geheel gunstig beïnvloedt.

Bij een gunstig compromis ten aanzien van veldhomogeniteit en efficiency kunnen in gradientspoelen volgens de uitvinding door aanpassing van de openingshoeken lagere orde constanten 25 in de veldpolynoom ruim voldoende worden gereduceerd en kan zelfs de eerste vijfde orde constante substantieel tot nul worden gereduceerd, hetgeen in bekende spoelen niet mogelijk is. Hogere orde fouten leveren sterker nog dan in bekende spoelen eerst buiten het meetgebied een storende bijdrage en leveren, omdat daar toch niet wordt gemeten, geen 30 nadeel op. Het zal uit voorgaande duidelijk zijn, dat gebaseerd op de uitvinding andere configuraties kunnen worden ontworpen, waarbij bijvoorbeeld onderscheiden openingshoeken, afstanden tot het symmetrievlak, aantallen geleiden per geleiderboog en de straal van geleider in een andere onderlinge verhouding zijn geoptimaliseerd. Ook 35 kan de configuratie worden aangepast aan bijvoorbeeld een door het stationair magneetstelsel opgedrongen afmeting, bijvoorbeeld de lengte-diameter verhoudingen van een daarbij passende cylinder voor de 8603076 PHN 11.947 6 gradientspoelen. De substantieel axiaal verlopende verbindingsgeleiders tussen de onderscheiden booggeleiders dragen niet tot het veld bij en hebben in eerste instantie ook geen storende invloed. De plaats van deze geleiders kan derhalve, bijvoorbeeld aangepast aan de geometrie van de 5 gewenste spoel willekeurig worden gekozen en die mogen bijvoorbeeld ook allen aan eenzelfde zijde van de geleider liggen.

8603076

Claims

1. Spoelenstelsel voor een magnetisch reonantie apparaat met een magneetstelsel voor het opwekken van een langs een z-as verlopend cylindervormig stationair magneetveld en met een magneetstelsel voor het opwekken van onderling loodrechte en loodrecht op de z-as gerichte 5. en y gradientvelden met het kenmerk, dat van twee boogvormige geleiderparen van het gradient spoelenstelsel, aan weerszijden van een radiaal gericht symmetrievlak van het stationaire magneetveld gelegen bogen zich over onderling verschillende openingshoeken uitstrekken.

2. Spoelenstelsel volgens conclusie 1. met het kenmerk, dat 10 van de twee bogenparen een meest nabij het symmetrievlak gelegen paar zich over een relatief grote hoek en het andere paar zich over een relatief kleine hoek uitstrekt.

3. Spoelenstelsel volgens conclusie 2. met het kenmerk, dat de booglengte van het eerste bogenpaar substantieel evenveel groter is 15 dan 120° als de booglengte van het tweede paar kleiner is dan 120°.

4. Spoelenstelsel volgens conclusie 3. met het kenmerk, dat de booglengte van het eerste bogenpaar ongeveer 150° en de booglengte van het tweede bogenpaar ongeveer 90° is.

5. Spoelenstelsel volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat het eerste spoelenpaar zich uitstrekt over een hoek van ongeveer 160° en het tweede bogenpaar over een hoek van ongeveer 60°.

6. Spoelenstelsel volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de geleiderbogen van het tweede bogenpaar zich via een 25 langsgeleiding in een derde bogenparenstelsel met gelijke stroomrichting voortzetten tot over een aan dat bogenstelsel aangepaste booglengte.

7. Spoelenstelsel volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat een derde meerdere stroomgeleiders bevattend 30 bogenstelsel zich uitstrekt over een booglengte van minder dan 120° en een vierde bogenstelsel als terugvoerleiding voor alle booggeleiders van de eerste drie bogenstelsels fungeert. 8603076 t * PHN 11.947 8

8. Spoelenstelsel volgens conclusie 7 met het kenmerk, dat de eerste twee bogenparen op maximaal een afstand 0,25 R van het symmetrievlak liggen.

9. Spoelenstelsel volgens een der voorgaande conclusies met 5 het kenmerk, dat alle booggeleiders van een derde geleider bogenstelsel gelijke stroomrichting op een afstand van maximaal ongeveer 1,0 R van het symmetrievlak liggen.

10. Magnetisch resonantie apparaat uitgerust met een spoelenstelsel volgens een der voorgaande conclusies. 8603076