NL9002621A - Magnetisch resonantie apparaat met afschermende magneet. - Google Patents

Description

Magnetisch resonantie apparaat met afschermende magneet.

De uitvinding heeft betrekking op een magnetisch resonantie apparaat uitgerust met een supergeleidend magneetspoelensysteem voor het opwekken van een stationair magneetveld in een meetruimte binnen de magneet.

Een dergelijk supergeleidend magneetspoelensysteem is bekend uit EP 138 270 (PHN 10.800). Aldaar is een uit supergeleidende spoelen opgebouwd magneetspoelensysteem beschreven dat, in het bijzonder voor actieve zelfafscherming twee coaxiaal gelegen, onderling met tegengestelde polariteit activeerbare spoelenstelsels bevat.

In dergelijke al dan niet actief afgeschermde magneetsystemen kunnen als gevolg van buiten de magneet optredende magneetveldvariaties interne magneetveldvariaties worden geïnduceerd.

Magneetveldverstoringen binnen de magneet kunnen licht een goede beeldvorming met behulp van magnetische reso-nantiesignalen verstoren.

De uitvinding berust mede op het volgende inzicht van de uitvinders. Supergeleidende MR magneten worden gewoonlijk gebruikt in de zogenaamde "persistent mode": De magneet is daarbij in zichzelf kortgesloten en als het magneetspoelcircuit goed supergeleidend is blijven stroom en veld over lange tijd zeer stabiel. Wanneer een op deze manier kortgesloten magneet wordt blootgesteld aan een veranderend extern gegenereerd magneetveld, bijvoorbeeld afkomstig van een bewegend gemagnetiseerd object of tengevolge van een veranderende elektrische stroom, zal de totale door de magneet omvatte magnetische flux konstant blijven. Wanneer het externe veld een magnetische flux in de magneet veroorzaakt verandert de stroom in de magneet met een bedrag dl, zodanig dat de verandering van de zelf-flux L.dl van de magneet gelijk maar tegengesteld is aan de externe magnetische flux met L als de zelfinductie van de magneet. Een stroomverandering dl veroorzaakt binnen de magneet een veldverandering ter grootte van K.dl waarbij K de spoelkonstante van de magneet is. Deze veldverandering is in de regel tegengesteld gericht aan de externe veldverandering. De factor K geeft de verhouding aan tussen een in een punt buiten de magneet opgewekte magnetische flux en de daardoor in de magneetspoel geïnduceerde flux. Het is echter niet automatisch zo dat de geïnduceerde veldverandering even groot is als de externe veldverandering. Indien dit niet zo is blijft er een netto veldverandering binnen de magneet over, die bij het maken van beelden met het MR systeem de beeldkwaliteit nadelig kan beïnvloeden. In het bijzonder opnamen met gradient-echo technieken met een lange echo-tijd zijn gevoelig voor dit soort veldveranderingen.

De uitvinding beoogt dergelijke magneetveldvariaties tot een, de beeldvorming niet storend niveau te reduceren en daartoe heeft een magnetisch resonantieapparaat van de in de aanhef genoemde soort tot kenmerk, dat ter reductie van storende magneetveldveranderingen binnen de magneet als gevolg van externe magneetveldvariaties coaxiaal met het supergeleidend magneetspoelsysteem gemonteerd een supergeleidend af-schermspoelsysteem is toegevoegd.

Door het aanbrengen van een supergeleidend afschermspoelsysteem kan worden bereikt dat het samengestelde magneetspoelsysteem is afgeschermd voor genoemde magneetveldvariaties doordat in de afschermspoel een aangepast tegenveld wordt opgewekt. In het bijzonder vormt het afschermspoelsysteem een in zichzelf kortgesloten supergeleidend spoelgeleidercircuit voor persisterende stroomvoering. Hierdoor kan een volkomen automatisch werkende afscherming worden gerealiseerd. In het bijzonder omvat het afschermspoelsysteem spoelen met op twee onderling verschillende diameter gelegen booggeleidersecties. Voor het opheffen van geïnduceerde gradientveldvariaties kan het gunstig zijn bijvoorbeeld symmetrisch ten opzichte van het axiale symmetrievlak gelegen spoelen met onderling tegengestelde polariteit bekrachtigbaar te schakelen.

In een voorkeursuitvoering vormen de magneetspoel en de afschermmagneetspoelen samen een magneetspoelsysteem met een substantieel volledige afscherming tegen externe magneetveldvariaties. In een dergelijk magneetspoelsysteem kunnen door externe magneetveldvariaties geen interne veldvariaties worden geïnduceerd.

Een afschermspoelsysteem kan zijn uitgevoerd als een in zichzelf kortgesloten solenoïde en kan bijvoorbeeld ook zijn uitgevoerd als een stapeling van supergeleidende ringen of als een enkele cylinder uit supergeleidend materiaal zoals beschreven in US 4,931,735. Een solenoïde als afschermmagneetspoel zal voor optimale afscherming ten opzichte van de magneetspoel zelf relatief lang worden. Een korter afschermspoel systeem wordt gerealiseerd doordat in een voorkeursuitvoering van het afschermspoelsysteem twee in serie geschakelde coaxiale opgestelde spoelen met onderling verschillende diameter zijn opgenomen.

Aan een magneetspoelsysteem kan een afschermfaktor toegekend worden die sterk afhankelijk is van de geometrie van de spoel. Een supergeleidende MR magneet kan bijvoorbeeld bestaan uit 6 coaxiale spoelsecties met dezelfde diameter, met zodanige geometrie dat het veld homogeen is tot 12e orde en hebben een afschermfaktor van ongeveer 0.75 welke waarde afhankelijk is van bijvoorbeeld de breedte van de spoelsecties. dit betekent dat een externe veldverandering door het inductieeffect wordt gereduceerd tot ongeveer 0,25 van de waarde buiten de magneet.

Een bijzonder geval vormt de reeds genoemde klasse van magneten met aktieve strooiveldkompensatie. Hierbij bestaat het supergeleidend circuit uit spoelsecties mmet twee verschillende diameters, waarbij de spoelen op de grootste diameter een tegengestelde polariteit hebben. Een vereiste voor een goede eigen strooiveldonderdrukking is dat het magnetisch dipoolmoment nagenoeg nul moet zijn. Hierdoor wordt de daarmede evenredige afschermfaktor ook nagenoeg nul. Een aktief afgeschermde supergeleidende magneet heeft derhalve geen noemenswaardig kompenserend effekt ten opzichte van externe veldveranderingen.

Om eventuele wederkerige inductie tussen spoelen van een magneetspoelenstelsel volgens de uitvinding te reduceren omvat het afschermspoelsysteem in een voorkeursuitvoering drie paren spoelsecties verdeeld over twee verschillende diameters. Aldus kan een optimale afscherming worden gecombineerd met, bijvoorbeeld door de configuratie van de wikkeling, een hoge mate van veldhomogeniteit voor het afgeschermde magneetstelsel.

In het bijzonder is het afschermspoelsysteem coaxiaal en spiegelsymmetrisch ten opzichte van een axiaal middenvlak en bevat het spoelensecties met onderling gelijke polariteit met aan spoelensecties van het magneetspoelsysteem aangepaste diameters. Aldus kunnen afschermspoelsystemen worden gerealiseerd die in een gemeenschappelijk dewarvat, bij voorkeur op dragers voor spoelensecties van het stationair magneetspoelstelsel kunnen worden gemonteerd en waarvan de lengte in elk geval niet beduidend langer is dan de hoofdmagneet. Met bijvoorbeeld een axiaal meest naar binnen gelegen afschermspoelpaar kan de opscherming en de veldhomogeniteit worden geoptimaliseerd. Actief afgeschermde magneetstelsels maken uit constructief oogpunt toepassing van afschermspoelsecties met onderling verschillende diameter relatief eenvoudig, door aanpassing van diameters aan binnen of buiten diameters van de beide spoelenstelsels daarvan.

Om het optreden van hoge stroomsterkten in afschermspoelen, bijvoorbeeld als gevolg van quenchen of bij het activeren van de magneet en dergelijke te voorkomen zijn in een voorkeursuitvoering supergeleidende schakelaars in het afschermspoelcircuit opgenomen.

In het navolgende zullen enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven aan de hand van de tekening. In de tekening toont:

Figuur 1 een schematische weergave van een kernspinresonantie apparaat volgens de uitvinding, en

Figuur 2 een uitvoeringsvorm van een spoelenstelsel voor een dergelijk apparaat.

Een kernspinresonantie apparaat zoals weergegeven in figuur 1 bevat een stationair veld magneet met elektromagnetisch spoelsysteem 1, met bijvoorbeeld vier a acht spoelen 2 voor het opwekken van een sterk, stationair, homogeen magneetveld in een zich binnen het spoelsyteem bevindende meetruimte 3. Voor diverse toepasbare spoelsystemen wordt verwezen naar MR imaging, blz. 121-123. Voor de hier verder te beschrijven toepassing als kernspintomograaf, dat wil zeggen voor een plaksgewijze afbeelding van een object, worden gradientspoelen 4 gebruikt. Bij kernspinspectrometrie apparaten, dat wil zeggen apparaten voor detectie van onderscheiden kernspintypen van elementen of moleculen in een object zijn de gradientspoelen niet noodzakelijk.

Relatief dicht om de meetruimte zijn verder radiofrequentspoelen 5 opgenomen die als zendspoelen voor een radiofrequent elektromagnetisch veld en als detectiespoel voor daardoor opgewekte kernspinresonantie signalen fungeren. Voor beide functies kunnen ook afzonderlijke spoelen worden gebruikt. Door het radiofrequente elektromagnetische veld in een te meten object gestimuleerde kernspinsresonantie signalen worden via een signaalversterker 6 opgenomen en via een fase-gevoelige versterker 8 toegevoerd aan een centrale rekenen stuurinrichting 10. Verder zijn een modulator 12 voor een radiofrequente voedingsbron 14, voedingsbronnen 16 en 25 voor de hoofdveldmagneetspoelen, een voedingsbron 17 voor de gradientspoelen, een hoogfrequentoscillator 18 en een monitor 20 voor beeldweergave aangegeven. De oscillator 18 stuurt zowel de modulator 12 voor de radiofrequente velden als de meetsignaal verwerkende fasegevoelige versterker 8.

Volgens de uitvinding is concentrisch om of in het stationair veld magneetspoelsysteem een afschermspoelsysteem 22 met een voeding 25 opgenomen. In een voorkeursuitvoering omvat het afschermspoelsysteem, hier aangepast aan een stationair veld magneetstelsel met actieve eigen afscherming, drie paren spoelensecties 24 waarvan axiaal gemeten een binnenste paar 241 en een buitenste paar 243 op een draagkoker voor een eerste magneetspoelsysteem 26 van de hoofdmagneet en een centraal paar 242 op een draagkoker van een tweede magneetspoelsysteem 28 van de hoofdmagneet 1 zijn gelegen. Vooral met de axiale lengte en de wikkelzijde van het spoelenpaar 241 kan de afscherming en de veldhomogeniteit worden geoptimaliseerd.

Er zijn zoals reeds opgemerkt veel mogelijke spoelconfiguraties mogelijk die aan de gestelde voorwaarde voldoen. Een eenvoudige oplossing vormen simpele solenoïde spoelen met eindige lengte met uniform aantal windingen per lengteëenheid. Berekeningen tonen aan dat als funktie van de lengte-diameter verhouding van de solenoïde de afschermfaktor 1 van dit type spoelen wordt verkregen bij een lengte diameter verhouding van 1,75. Als de spoel langer is wordt een externe veldverandering over-gekompenseerd, terwijl een kortere spoel een extern veld te weinig kompenseert.

Een lengte-diameter verhouding van 1,75 is onpraktisch voor een praktische MR magneet. In de aan de hand van Figuur 2 geschetste uitvoeringsvorm wordt een aanzienlijk korter spoelensysteem met afschermfaktor 1 verkregen door gebruik te maken van 2 coaxiale spoelen van verschillende diameter, die samen een gesloten supergeleidend circuit vormen. Het is gewenst het afschermspoelstelsel zodanig te ontwerpen dat in de spoel een goede veldhomogeniteit wordt gerealiseerd. Een redelijke homogeniteit is gewenst omdat bij een slechte homogeniteit de afschermfaktor buiten het iso-centrum niet gelijk is aan die in het centrum en dit verschil mag niet te groot worden. Verder zal er als er een netto inductieve koppeling is tussen de supergeleidende magneet en de supergeleidende afschermspoel een drift van het veld van de magneet, tengevolge van zijn restweerstand, een stroom in de afschermspoel induceren die veel groter kan worden dan de geïnduceerde stroomveranderingen ten gevolge van externe stoorvelden en het veld van deze drift-geïnduceerde stroom de homogeniteit van het magneetsysteem niet nadelig mag beïnvloeden. Als tussen een afschermspoel en de magneetspoel wederkerige inductie optreedt moet voor de berekening van de afschermspoelconfiguratie ook met de verandering in de geïnduceerde spoelstroom ten gevolge van de inductieve koppeling rekening worden gehouden.

Omdat de stroomsterkte door stroomwikkelingen van het afschermspoelsysteem relatief zwak zijn kan veelal gewerkt worden met supergeleidende stroomdraden met relatief lage Ic bijvoorbeeld met enkelvoudige stroomgeleiders opgebouwd uit een supergeleidende kerndraad met een niet supergeleidende mantel.

Claims (12)

1. Magnetisch resonantie apparaat uitgerust met een supergeleidend stationair veld magneetspoelsysteem voor het opwekken van een magneetveld in een meetruimte binnen de magneet met het kenmerk, dat ter reductie van magneetveld verstoringen in de meetruimte als gevolg van externe magneetveldvariaties coaxiaal met het stationair veld magneetspoelsysteem een supergeleidend afschermspoelsysteem is toegevoegd.

2. Magnetisch resonantie apparaat volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het afschermspoelsysteem een in zichzelf kortgesloten supergeleidend magneetcircuit omvat.

3. Magnetisch resonantie apparaat volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat het afschermspoelsysteem op verschillende diameter gelegen spoelensecties omvat.

4. Magnetisch resonantie apparaat volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat het afschermspoelsysteem een supergeleidende solenoïde omvat.

5. Magneetspoelsysteem volgens een der conclusies 1,2 of 3 met het kenmerk, dat het afschermspoelsysteem drie in serie geschakelde coaxiaal gemonteerde spoelenparen met onderling twee verschillende diameters bevat.

6. Magnetisch resonantie apparaat volgens een der conclusies 1,2,3 of 4 met het kenmerk, dat het afschermspoelsysteem is opgebouwd uit spoelenparensecties die op dragers voor magneetspoelen van de stationair veldmagneet zijn gemonteerd.

7. Magnetisch resonantie apparaat volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat het stationair veldmagneetspoelenstelsel eigen strooiveld afschermend is uitgevoerd en magneetspoelsecties van het afschermspoelsysteem op dragers van zowel de eigenlijke magneetspoelen als de strooiveldafschermspoelen zijn gemonteerd.

8. Magnetisch resonantie apparaat volgens een der conclusies 1,2,3,5,6 of 7 met het kenmerk, dat het afschermspoelsysteem twee axiaal ten opzichte van elkaar verschoven paren spoelenstelsels voor activering met tegengestelde polariteit bevat.

9. Magnetisch resonantie apparaat volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk, dat spoelensecties van het afschermspoelsysteem zijn gewikkeld uit een enkelvoudige supergeleidende draad met niet supergeleidende afscherming.

10. Magnetisch resonantie apparaat volgens een der voorgaande conclusies met het kenmerk dat in het supergeleidende magneetspoelcircuit van het afschermspoelsysteem een supergeleidende schakelaar is opgenomen.

11. Magnetisch resonantie apparaat volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het afschermspoelsysteem een bus uit supergeleidend materiaal bevat.

12. Supergeleidend magneetsysteem voor het opwekken van een stationair magneetveld met het kenmerk, dat coaxiaal met magneetspoelen daarvan een supergeleidend afschermspoelsysteem is opgenomen voor compensatie van in het magneetstelsel geïnduceerde magnetische veldveranderingen als gevolg van extern optredende magnetische flux variaties.