NL9001300A - Magneetstelsel voor magnetische resonantie. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Magneetstelsel voor magnetische resonantie.

De uitvinding heeft betrekking op een magneetstelsel uitgerust met meerdere coaxiaal opgestelde magneetspoelen voor het opwekken van een stationair magneetveld in een meetruimte van een magnetisch resonantie apparaat.

Een dergelijk magneetstelsel is bekend uit ÜS 4,771,243.

Een door een coaxiaal spoelenstelsel opgewekt stationair op een as van het magneetstelsel magneetveld B voldoet algmeen aan de vorm: b=q0z0+a1z1+a2z2+a3z3+a4z4+a5z5+a6z6 + ...

Spoelenstelsels voor magnetische resonantie apparaten worden gebruikelijk zodanig ontworpen dat oneven orde termen in het magneetveld niet optreden. Dit wordt in praktische magneten veelal gerealiseerd door het spoelenstelsel op te bouwen uit symmetrisch ten opzichte van een middenvlak opgestelde spoelen en deze allen gelijkgericht te bekrachtigen. Verder zijn bekende spoelenstelsels zodanig ontworpen dat tweede- en vierde-orde bijdragen tot het magneetveld in een te kiezen meetruimte verwaarloosbaar klein zijn. Deze voorwaarde beperkt de vrijheid in axiale onderlinge positionering van magneetspoelen van het magneetstelsel waardoor hieraan een minimale lengte-diameter verhouding wordt opgelegd. Bedacht moet worden dat bij een praktisch magneetstelsel de lengte groter en de effectieve diameter kleiner wordt door noodzakelijke minimale afmetingen van de daarbij te gebruiken cryostaat. In ÜS 4,771,243 wordt beschreven hoe vervolgens, met behulp van ferro magnetische ringen, hogere-orde veldbijdragen, dat wil hier zeggen zesde-en hogere-orde velden, gereduceerd en wordt aldus in een meetruimte een magneetveld met een voldoende ruimtelijke veldhomogeniteit gerealiseerd. In genoemd document wordt een met behulp van magnetisch materiaal verkregen veldcorrectie gebruikt voor het realiseren van een betere veldhomogeniteit in de meetruimte. Opgemerkt wordt, dat de veldcorrectie ook kan worden aangewend voor het korter maken van het magneetstelsel. Vooral de genoemde voorwaarde van een verwaarloosbaar tweede- en vierde-orde veldbijdrage van het spoelenstelsel beperkt de mogelijkheid tot verkorting van het raagneetstelsel sterk.

Een kort magneetstelsel is beschreven in EP 160 350. Dit is bereikt door een magneetstelsel op te bouwen uit concentrisch gelegen spoelen en die onderling zodanig te bekrachtigen dat toch weer eenmeetruimte met een ruimtelijk homogeen stationair magneetveld wordt opgewekt. Een dergelijk magneetstelsel is evenwel zeer inefficiënt en daardoor minder geschikt voor het opwekken van relatief sterke stationaire magneetvelden.

De uitvinding beoogt genoemde beperkingen op te heffen en daartoe heeft een magneetstelsel van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding tot kenmerk dat dit is uitgerust met actieve en passieve magneetspoelelementen voor het vormen van locaal hogere-orde veldbijdragen compenserende, onderling tegengesteld gerichte magneetvelden.

Doordat in een magneetstelsel volgens de uitvinding onder meer de voorwaarde ten aanzien van de tweede- en de vierde-orde veldbijdrage niet in acht wordt genomen kan een aanzienlijk korter magneetstelsel met substantieel coaxiaal opgestelde spoelelementen worden gerealiseerd. In het navolgende zal dienaangaande worden gesproken over een magneetstelsel met een aanzienlijk grotere openingshoek, welke hoek is gedefinieerd als een maximale opening van een cylindervormige open ruimte van de magneet, gezien vanaf een magneetmiddelpunt.

In een voorkeursuitvoering worden de passieve spoelelementen gevormd door ringsegmentenvormig elementen uit ferro magnetisch materiaal. Door aangepaste positionering daarvan worden met behulp daarvan locaal te sterke magneetvelden gecompenseerd. Het ferro-magnetische materiaal kan ook in de vorm van een aantal losse, bijvoorbeeld ook rechte elementen zijn aangebracht.

Een verdere voorkeursuitvoering bevat onderling tegengesteld activeerbare actieve spoelelementen met overeenkomstige functies. Door actieve spoelelementen, gerangschikt symmetrisch ten opzichte van een middenvlak, gelijk gericht te activeren, kan het optreden van oneven orde termen in het magneetveld worden vermeden.

Door passieve spoelelementen althans radiaal gezien binnen actieve spoelelementen te monteren kan, omdat de eerste geen thermische isolatie bijvoorbeeld in de vorm van een Dewar vat behoeft een grotere openingshoek voor het magneetstelsel worden gerealiseerd.In het bijzonder bedraagt de openingshoek ten minste ongeveer 45°. Bij ontwerpen voor een optimale openingshoek ligt een axiaal meest naar buiten gelegen passief element bijvoorkeur binnen een kegelmantel door een centraal punt van het magneetstelsel en een meest naar buiten gelegen afscherming van een actief spoelelement.

Een verdere voorkeursuitvoering bevat twee axiaal extreem gelegen, gelijkgericht te activeren actieve spoelelementen en een centraal gelegen tegengesteld activeerbaar spoelelement. Aan de buitenste spoelen enerzijds en de centrale spoel anderzijds kan een verschillende straal worden gegeven. Aan dit systeem zijn in een voorkeursuitvoering vier passieve elementen in de vorm van ringen uit magnetisch materiaal toegevoegd. De magnetische ringen hebben een diameter van bijvoorbeeld 0,5 tot 0,7 van de binnendiameter van de actieve spoelen. In een voorkeursuitvoering in de lengte-diameter verhouding van een centraal ringenpaar bijvoorbeeld ongeveer 0,4 en van een buitenste ringenpaar ongeveer 0,8. De lengte-diameter verhouding van het spoelenstelsel als geheel kan bijvoorbeeld ongeveer 0,6 of minder zijn. De ringenparen behoeven niet een onderling gelijke diameter te hebben terwijl de doorsnede van de ringen aan gewenste veldbijdragen of montage voorwaarden kan worden aangepast. Ook kunnen van passieve elementen gedeelten van ringen of additieve ringen, trimbaar dus in geringe mate uiterst beheerst instelbaar, in praktische gevallen axiaal verplaatsbaar zijn gemonteerd of kunnen die uitwisselbaar ferro-magnetisch materiaal bevatten.

In een verdere voorkeursuitvoering is, voor strooiveld reductie, aan een centraal gelegen, actief spoelelement een zodanige diameter gegeven dat dit met ongeveer 30¾ van het aantal ampère windingen van elk van de buitenste spoelen activeerbaar is. De diameter van de centrale spoel is daarbij, afhankelijk van de geometrie van de passieve elementen, ongeveer 1,5 maal die van de buitenste actieve spoelelementen. Tot in hoge mate kan de afmeting van eeen spoelenstelsel volgens de uitvinding naar groten of kleinere waarden geschaald worden waarbij de schaling substantieel langs radialen vanuit het spoelcentrum verloopt. Alle spoelen van, in het bijzonder supergeleidende magneetstelsels zijn ter wille van de stabiliteit in serie geschakeld.

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 schematische weergave van een magneetstelsel van een magnetisch resonantie apparaat en figuur 2 en figuur 3 uitvoeringsvoorbeelden van magneetstelsels volgens de uitvinding.

Een magneetstelsel voor een magnetisch resonatie apparaat als geschetst in figuur 1 toont een spoelendrager 2 met electromagnetische spoelen 4, in het navolgende ook actieve spoelelementen te noemen, en magnetiseerbare spoelelementen 6 bijvoorbeeld bestaande uit ringen of ringsegmenten van ferro magnetisch materiaal zoals ijzer, later ook wel passieve spoelelementen genoemd. Om de spoelendrager 2 bevindt zich een afscherming 8, bijvoorbeeld voor electrische isolatie, voor warmte isolatie of voor beiden. Bij gebruikelijke supergeleidende magneten vormt een helium Dewar vat deel van de afscherming en is dan door de noodzaak van bijvoorbeeld te evacueren warmteschilden relatief dik. Door gebruik te maken van hoge Tc supergeleidende stroomgeleiders kan bijvoorbeeld met vloeibare stikstof worden gekoeld waardoor, zij het een bescheiden, winst aan afschermvolume kan worden verkregen. Een dergelijk spoelenstelsel is gebruikelijk cirkelcilindervormig uitgevoerd en spiegelsymmetrisch ten opzichte van een symmetrievlak 10 dat dwars op een as 12 door een spoelmiddelpunt 14 verloopt. Een theoretische lengte-diameter verhouding van een dergelijk spoelenstelsel wordt gegeven door een diameter DT van de actieve spoelementen 4 of althans van de meest naar buiten gelegen spoelelementen en een lengte Lp gemeten tussen de axiale uiteinden van de buitenste actieve spoeleleraenten 4. Genoemde afmetingen leiden tot een theoretische openingshoek <*T voor het magneetstelsel.

Voor een praktisch magneetstelsel geldt een lengte L, een diameter D en een openingshoek α als aangegeven.

Een voorkeursuitvoering van een supergeleidend magneetstelsel volgens de uitvinding als aangegeven in figuur 2 toont drie actieve spoelelementen met een centrale spoel 40 en buitenste spoelen 44. De spoelen zijn opgenomen in een helium Dewar vat 20, hier met twee vacuumwanden 22 en 24 en een stikstof wand 26. De heliumruimte 21 is voorzien van een opening 28 voor bijvullen van nieuw vloeibaar helium. Opgemerkt wordt nogmaals, dat een tot nu toe beschreven spoelenstelsel een tweede en vierde orde met bijvoorbeeld een positieve tweede orde afwijking gerekend vanuit het systeemmidden veldafwijking zal tonen. De centrale spoel 40 kan ook zijn opgedeeld met in twee bij voorkeur symmetisch ten opzichte van het symmetrievlak 10 gelegen spoelhelften, maar ook daarmede wordt hier niet beoogd de genoemde tweede en vierde orde fouten op te heffen. In de geschetste uitvoeringen zijn met een beduidende kleinere straal magnetiseerbare passieve elementen 60 en 64 in het magneetstelsel opgenomen. Met de gezamenlijke spoelelementen is hier een optimaal homogeen magneetveld in een meetruimte 30 gerealiseerd. Een dergelijk spoelontwerp toont bijvoorbeeld voor een meetruimte met een diameter van bijvoorbeeld 20 cm een openingshoek α van ten minste 90°. In deze configuratie is de stroomrichting in de buitenste spoelen 44 tegengesteld aan die in de centrale spoel 40 met voor de centrale spoel bijvoorbeeld ongeveer 80.000 ampère windingen en voor de buitenste spoelen bijvoorbeeld ongeveer 250.000 ampère windingen.

Figuur 3 toont een spoelenstelsel met een sterk gereduceerd extern strooiveld. Hierin is aan een centrale spoel 40 een beduidend grotere straal gegeven en is daarvan, om de veldbijdrage daarvan weer op het gewenste niveau te brengen, het aantal ampère windingen opgevoerd tot bijvoorbeeld ongeveer 350.000. Het aantal ampère windingen voor de buitenste spoelen 44 met tegengestelde richting bedraagt hierbij ongeveer 30.000. Hoewel de schetsmatige weergave dat niet toont, is voor zover gewenst de positie, de geometrie en de ijzerinhoud van de passieve spoelelementen voor een optimale veldhomogeniteit aan de nieuwe spoelconstructie aangepast. Een dergelijk raagneetstelsel toont een ongeveer gelijke openingshoek en toelaatbaar raeetvolume als dit in figuur 2 weergegeven raagneetstelsel en is ook wat Dewar vat en afschermingen betreft overeenkomstig uitgevoerd. Op basis van het uitvindingsprincipe kunnen ook magneetstelsels worden ontworpen waarvoor de symmetrie ten opzichte van het symmetrievlak 10 niet meer in acht is genomen, bijvoorbeeld door aan spoelelementen, passieve of actieve aan een zijde van het symmetrievlak een afwijkende diameter te geven. Hierdoor kan een magneetstelsel worden ontworpen dat voor een gelijk of groter meetvolume niet groter behoeft te zijn. Een dergelijk meetvolume is dan bijvoorbeeld wel slechts van een zijde of bereikbaar, kan aan een zijde zelfs geheel zijn afgesloten en leent zich in het bijzonder voor onderzoek van perifere delen van patiënten zoals armen (handen), benen (voeten) en het hoofd.

Claims (11)

1. Magneetstelsel voor het opwekken van een stationair magneetveld in een meetruimte van een magnetisch resonantie apparaat, uitgerust met meerdere coaxiaal opgestelde magneetspoelen met het kenmerk dat, het magneetstelsel is uitgerust met een combinatie van magneetspoelen en passieve magnetische elementen waarbij de laatste locale veldbijdragen van tweede en hogere orde van de magneetspoelen reduceren.

2. Magneetstelsel volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de passieve spoelelementen worden gevormd door ringsegmentvormig gemonteerd zacht magnetisch materiaal.

3. Magneetstelsel volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk dat daarin onderling tegengesteld activeerbare magneetspoelen zijn opgenomen.

4. Magneetstelsel volgens conclusie 1, 2 of 3 met het kenmerk, dat daarin onderling tegengesteld activeerbare magneetspoelen en ringvormige magneetspoelelementen uit zacht magnetisch materiaal zijn opgenomen.

5. Magneetstelsel volgens een der conclusies 1, 2, 3 of 4 met het kenmerk, dat passieve magneetspoeleleraenten radiaal gezien substantiaal binnen actieve spoelelementen zijn gemonteerd.

6. Magneetstelsel volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat een centrale openingshoek daarvan ten minste ongeveer 45° bedraagt.

7. Magneetstelsel volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat een axiaal buitenste passief magneetspoelelement op een gelijke of grotere openingshoek is gemonteerd dan een qua openingshoek minimale afscherming van een actief spoelelement.

8. Magneetstelsel volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat daarin twee gelijkgericht activeerbare buitenste magneetspoelen en een centraal gelegen tegengesteld gericht activeerbare magneetspoel bevat.

9. Magneetstelsel volgens conclusie 8 met het kenmerk, dat voor strooiveldcompensatie de centrale magneetspoel een substantieel grotere diameter dan de buitenste spoelen en een daaraan aangepast aantal ampère windingen heeft.

10. Magneetstelsel volgens conclusie 8 of 9 met het kenmerk, dat daarin twee paren passieve spoelelementen zijn opgenomen met een axiale positie-ringstraal verhouding van ongeveer 0,4 van een binnenste paar en ongeveer 0,8 voor een buitenste paar.

11. Magneetstelsel volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk dat passieve magneetelementen daarin trimbaar zijn uitgevoerd.