WO2018109099A1 - Mri-system mit spaltstruktur in einer abschirmrohr-anordnung - Google Patents

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WO2018109099A1
WO2018109099A1 PCT/EP2017/082863 EP2017082863W WO2018109099A1 WO 2018109099 A1 WO2018109099 A1 WO 2018109099A1 EP 2017082863 W EP2017082863 W EP 2017082863W WO 2018109099 A1 WO2018109099 A1 WO 2018109099A1
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WO
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arrangement
mri system
shielding tube
abschirmrohr
perforations
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PCT/EP2017/082863
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Inventor
Michael Westphal
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Bruker Biospin Gmbh
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    • G01R33/385—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils
    • G01R33/3854—Systems for generation, homogenisation or stabilisation of the main or gradient magnetic field using gradient magnetic field coils means for active and/or passive vibration damping or acoustical noise suppression in gradient magnet coil systems

Definitions

  • the invention relates to an MRI system comprising
  • cryostat with a vacuum container and a cryocontainer, wherein in the cryocontainer a superconducting magnet coil system for generating a magnetic field BO in a sample volume in a room temperature bore of the cryostat is arranged,
  • an RF coil system in the room temperature bore for generating and receiving RF signals into and out of the sample volume
  • a gradient coil system in the room temperature bore for generating magnetic field gradients in the sample volume
  • vibrations in the room temperature bore can expose a patient being examined to considerable noise.
  • the vibrations of the gradient coil system can be strong
  • Magnetic field B0 lead to the induction of eddy currents, which in turn eddy currents in adjacent conductive structures of the
  • cryocontainer which can continue into the cryocontainer.
  • the induced eddy currents heat the cryocontainer and lead to an increased consumption of coolant (mostly liquid helium) of the superconducting magnet coil system in the cryocontainer, which makes the operation of the MRI system more expensive.
  • Frequency differs as much as possible from the characteristic frequencies of the other shells in cryostats, and further has a poor electrical conductivity. There are, among other things, serious
  • the invention has for its object to provide an MRI system in which the effects of mechanical vibrations of the Gradient spool system can be reduced in a simpler and better way.
  • the shielding tube arrangement has a gap structure with a multiplicity of gaps which extend over at least part of the radial depth of the shielding tube arrangement
  • gaps are arranged distributed axially and azimuthally over the shielding tube arrangement
  • the MRI device uses a shielding tube arrangement which is mechanically weakened both in the axial direction and in the azimuthal direction and therefore can be deformed comparatively easily elastically in the axial direction and in the azimuthal direction, ie a respective "effective" modulus of elasticity is lowered This allows the frequencies f 0 of
  • Eigenresonanzen of all types of vibration modes are selectively changed, in particular lowered.
  • the formation of long-wave vibration modes can be suppressed.
  • the natural resonances of the shielding tube arrangement can be detuned, in particular with respect to the natural resonances, by other approximately cylindrical conductive structures, such as the walls of the vacuum container or cryocontainer, or of radiation shields.
  • Resonance catastrophe can be so easily excluded.
  • a special Choice of materials is not required for this, in particular common, nevertheless preferably heavy materials (with high density) such as copper can be used well.
  • the shielding tube arrangement generally provides azimuthal and axially continuous current paths, but may not have the full radial wall thickness.
  • the shielding tube arrangement is electrically conductive and therefore designed so that eddy currents can be induced in it, in particular with fundamentally arbitrary sizes of current loop diameters in the axial and azimuthal direction.
  • the size of current loops is not limited by the columns at the top.
  • a very effective electrical shielding can be achieved to the outside, in particular into the region of a superconducting magnetic field coil.
  • the columns are typically evenly distributed on the shielding tube assembly.
  • the columns separate weighting elements (or weighting areas) on a support tube, or separate perforations are formed in a shielding tube.
  • a Ablerohr arrangement has at least 50, and usually even at least 500 separate weighting elements or
  • the shielding tube assembly is self-supporting, i. all parts of the
  • Shielding tube are firmly connected (without a support structure).
  • the Ablerohr arrangement is radially between the
  • Gradientenspulensystem and the cryocontainer and more preferably between the gradient coil system and the cryostat arranged; but it is also possible to arrange the Ablerohr arrangement within the cryostat, such as in the vacuum container instead of (or in addition to) a radiation shield.
  • the MRI system is typically a whole body tomograph, with a patient opening at least 60 cm in diameter; Alternatively, preclinical MRI systems can be formed.
  • cryogenic container In the cryogenic container is
  • the Ablerohr arrangement is formed substantially Vietnamese bobzylindermantelelförmigen, wherein an axial length L of the Ablerohr arrangement is usually 3 to 6 times as large as its (largest outer) radius R.
  • a typical length L is between 150 cm and 250 cm.
  • a typical radius R is between 35 cm and 55 cm.
  • the shielding tube arrangement is basically lead-free and uranium-free.
  • the Ablerohr arrangement is preferably made of at least 50Vol% of a material with high density (preferably 6 g / cm3 or higher, or even with 8 g / cm3 or higher, such as from or containing copper), usually a metallic material.
  • the shielding tube arrangement comprises an electrically conductive support tube and a plurality of weighting elements, which are arranged spaced apart on the support tube, so that between the weighting elements, the gap structure is formed, in particular wherein the support tube made of stainless steel.
  • the electrical conductivity and the rigidity of the shielding tube arrangement are determined by the support tube, whereas the vibration behavior can be specifically influenced via the weighting elements or their inertia, and in particular a natural frequency can be reduced.
  • Weighting elements is usually very easily possible, in particular usually easier than the introduction of perforations.
  • the weighting elements are typically fastened to the outside of the support tube, for example, soldered, welded (in particular spot-welded) or glued.
  • the gap structure usually forms a grid on the entire
  • the support tube is typically made of metal, especially stainless steel.
  • the support tube usually provides azimuthal and axially uninterrupted current paths.
  • the support tube is formed generally continuous (without perforations), and usually has a circular cylindrical shell shape.
  • the weighting elements are preferably made of a high-density material (preferably 6 g / cm 3 or even 8 g / cm 3 or higher, such as of or containing copper), usually a metallic material.
  • Weighting element can span a large area, but only minimally affects the electrical conductivity and rigidity of the Ablerohr arrangement. In most cases, exactly one spacer per weighting element is formed.
  • the radial height of a spacer is typically smaller than the radial height of the weighting element, preferably by at least a factor 2.
  • the weighting elements can also be arranged directly on the support tube.
  • the Ablerohran Aunt has a shielding tube having a plurality of separate perforations as a gap structure, each passing completely through the wall of the shielding tube, in particular wherein each perforation comprises a gap or more contiguous columns.
  • the Perforations do not resist deformation.
  • Embodiment it is also possible to introduce into a tube, the columns only as depressions or grooves of radially inside and / or radially outside, for example, to mill.
  • a development of this embodiment is preferred in which the following applies for the gap width SB and a maximum extent AD of a respective gap: SB ⁇ 0.25 * AD, preferably SB ⁇ 0.1 * AD.
  • SB ⁇ 0.25 * AD preferably SB ⁇ 0.1 * AD.
  • SB ⁇ 1/20 * R preferably where SB ⁇ 1/50 * R, where R: largest radius of the shielding tube arrangement.
  • the gap width SB is between 100 pm and 2.5 mm.
  • the gap width can be transverse to the (local) direction of extension or transverse to
  • Perforations are each formed with at least one straight gap extending at an angle ⁇ between 30 ° and 60 ° or between -60 ° and -30 ° to the axial direction. This makes it possible to use local
  • the gaps of a perforation or a group of perforations are each arranged approximately lozenge-shaped, in particular wherein a pair of opposing peaks of a rhombus are aligned azimuthally axially and / or a pair of opposing peaks of the rhombus. This shape has in practice particularly low frequencies of natural resonances both axial / longitudinal and radial / azimuthal.
  • each diamond further a central slot is provided which extends between a pair of opposing peaks of the rhombus.
  • the diamonds or perforations can then have the shape of a "double arrow.”
  • the central slot Through the central slot (gap), the elasticity of the shielding tube increases further in the direction perpendicular to the central slot.
  • the shielding tube is formed with two alternating types of perforations, in particular wherein the two types of perforations with the same shape, but rotated against each other, preferably rotated by 90 ° from each other, are formed.
  • Shielding tube WS> 8 mm, preferably WS> 10 mm, particularly preferably WS> 12 mm.
  • the electrically conductive material of the shielding tube has a density p with p> 6.0 g / cm 3 ,
  • the shielding tube is formed from a multiplicity of mutually fixed foils, in particular metal foils.
  • the foils (or sheets) are so thin that they can easily be processed (for example punched) for the introduction of the perforations.
  • the films are joined together so that the introduced perforations are aligned, for example by soldering.
  • the Ablerohr between adjacent perforations webs with a minimum width MB forms, with 1/100 * R ⁇ MB and MB ⁇ 1/5 * R, preferably where 1/40 * R ⁇ MB and / or MB ⁇ 1/0 * R, with R: largest radius of the shielding tube arrangement.
  • the minimum width is between 2.5 mm and 4.0 cm.
  • Perforations each have a maximum axial extent AX and a maximum azimuthal extent AZ, wherein: AX ⁇ 0.3 * R and AZ ⁇ 0.3 * R, preferably where AX ⁇ 0.2 * R and / or AZ ⁇ 0, 2 * R, particularly preferably where AX ⁇ 0.1 * R and / or AZ ⁇ 0.1 * R, where R: largest radius of the Ablerohr- arrangement.
  • the Ablering- arrangement is arranged radially between the gradient coil system and the cryostat.
  • the shielding tube assembly is in the room temperature bore in ambient air around the
  • a periodic structure is easy to design and essentially allows the same mechanical and electrical behavior locally everywhere. This avoids the emergence of additional modes and different electrical shielding effects over the extent of the Ablerohr arrangement.
  • a periodic slit or a periodic group of slits is repeated on the shielding tube arrangement with an always same offset in the axial and / or radial direction.
  • PL for a minimum period length PL of the periodically arranged columns or groups of columns: PL ⁇ 0.4 * R, preferably where PL ⁇ 0.3 * R, more preferably where PL ⁇ 0.2 * R.
  • the gap structure of the shielding-tube arrangement is valid for an area fraction FP: FP ⁇ 25%, preferably FP ⁇ 10%.
  • Vibration amplitude in the Ablerohr arrangement adjusted, and an energy transfer to the outside is reduced. Note that in addition usually FP> 1%.
  • the Ablering- arrangement relative to the Gradientenspulensystem and compared to the cryocontainer, and preferably relative to the entire cryostat, at least in the axial direction, and preferably also in the radial direction, is mounted freely oscillatable.
  • the shielding tube arrangement is mounted mechanically vibration isolated. This minimizes mechanical vibration of the superconducting magnet coil system of a sample in the sample volume, thereby improving the quality of an MRI measurement.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section through an embodiment of an MRI system according to the invention, with a Ablerohr- arrangement in the room temperature hole between
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through an embodiment of an inventive MRI system, with a Ablerohr- arrangement in the vacuum container of the cryostat.
  • Fig. 3 is a schematic side view of a shielding for the
  • FIG. 4 is a schematic end view of the shielding tube of Fig. 3;
  • Shielding tube for the invention with continuous perforations
  • Fig. 6b is a detail of a schematic longitudinal section of a
  • FIG. 7 is a schematic side view of a Ablerohr arrangement for the invention, with a support tube and square
  • Embodiment of an MRI system according to the invention with vibration-decoupled mounting of the shielding tube arrangement in the room temperature bore.
  • an MRI system 1 according to the invention, embodied here as a whole-body tomograph, comprising a cryostat 2 having a room temperature bore 3.
  • the room temperature bore 3 contains an RF coil system 6, with which RF pulses can be radiated into a sample volume 7 in the interior of the RF coil system 6 and RF signals can be received from the sample volume 7.
  • the cryostat 2 comprises an evacuated vacuum container 8, which is bounded radially inward by a cryostat 8a.
  • a radiation shield 9 is arranged, which is at a temperature of about 80 K. cooled, such as with liquid nitrogen.
  • the vacuum container 8 contains a cryocontainer 10, which is at least partially filled with a coolant (here liquid helium at 4.2 K) radially inward through a coolant (here liquid helium at 4.2 K) radially inward through a coolant (here liquid helium at 4.2 K) radially inward through a coolant (here liquid helium at 4.2 K) radially inward through a coolant (here liquid helium at 4.2 K) radially inward through a coolant (here liquid helium at 4.2 K) radially inward through a coolant (here liquid helium at 4.2 K) radially inward through a coolant (here liquid helium at 4.2 K)
  • Cryo container wall 10a is limited.
  • a bobbin 11 is arranged, on which a superconducting wire is wound in a solenoid shape and thereby forms a superconducting magnet coil system 12.
  • Superconducting magnet coil system 12 generates a strong, static
  • Gradient coil system 4 magnetic field gradients connected; In doing so, strong electric currents are conducted through the gradient coil system 4.
  • the switching frequency is usually between 1 kHz and 2 kHz.
  • the current-carrying conductors in the gradient coil system 4 experience Lorentz forces in the strong
  • Gradientenspulensystem 4 is set in mechanical vibrations.
  • the thus-moved conductive structures of the gradient coil system 4 in the magnetic field can generate eddy currents in adjacent conductive cylindrical structures, such as in the cryostat wall 8a.
  • the eddy currents in turn generate Lorenz forces in the cryostat 8a wall, which in turn moves them.
  • This in turn can eddy currents in more external structures, such as the radiation shield 9, and so on on the cryocontainer wall 10a into the carrier 11 or even in the
  • Magnetic coil system 12 in create. This leads to a
  • Shielding tube arrangement 5 is arranged radially spaced from both the gradient coil system 4 and the cryocontainer wall 8a and opposite the cryostat 2 and the gradient coil system 4
  • the shielding tube arrangement 5 is here designed as a shielding tube made of copper with continuous perforations (not shown in detail, cf., however, FIG. 3 or 6a) which extend axially (see axis A of FIG
  • Room temperature bore 3 which runs coaxially to the tube axis) and azimuthally distribute and extend.
  • the shielding tube assembly 5 electrically shields the outer conductive cylindrical structures 8a, 9, 10a, 11 from the
  • the shielding tube arrangement 5 is equipped with significantly lower resonance frequencies (longitudinal and radial) than the outer structures 8a, 9, 10a, 11. Due to the comparatively large mass, induced eddy currents can cause the shielding tube arrangement 5 deflect only with a very small amplitude, whereby a further induction of eddy currents in the cryostat wall 8 a is minimized. Due to the continuous perforations, a noise development upon oscillation of the shielding tube arrangement 5 is reduced.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of an MRI system 1 according to the invention, similar to the MRI system of FIG. 1, so that only the essential differences are explained.
  • the shielding tube assembly 5 is disposed within the vacuum container 8, here between the cryostat wall 8a and a Radiation shield 13, which is cooled here to a temperature of about 20 K, such as with liquid helium.
  • the shielding tube assembly 5 is here on a
  • the shielding tube assembly 5 is here
  • Weighting members made of copper are attached (not shown in detail, but see Fig. 7 and Fig. 8).
  • the Ablerohran extract 5 prevents or minimizes a transmission of eddy currents from the cryostat 8a on the radiation shield 13 or the other, outer, conductive cylindrical structures such as the Kryo effecterwand 10 a or the carrier 11, and thus heating of the superconducting magnet coil system 12th
  • FIG. 3 in a schematic side view
  • Fig. 4 in a
  • FIG. 1 schematic end view show a shielding tube assembly 5 for the invention, as it can be installed in the MRI system of FIG. 1, for example.
  • the shielding tube assembly 5 is a substantially
  • cylindrical jacket shielding tube 14 which is made here of copper. In the center of the annular cross-section shielding tube 14 extends in the axial direction of a tube axis RA. In the shown
  • the axial length L of the Ablerohrs 14 is about 4.4 times as large as its (outer) radius R.
  • the wall thickness WS (in the radial direction) of the Ablerohrs 14 here is about 0.022 times the radius R.
  • the shielding tube 14 has a gap structure 15 with a plurality of gaps 16.
  • the columns 16 each run here (on the circular cylindrical bent shield tube 14) straight, ie the axial position and the azimuthal position change as they progress along the respective gap 16 linear, and with a constant gap width.
  • the columns 16 are here in each case continuously, ie extend through the entire wall thickness WS.
  • Most of the columns 16 run here at 45 ° (or -45 °) to the axial direction (see the tube axis RA) and also to the azimuthal direction (along the tube circumference), so have a gradient component both in the axial direction and in the azimuthal direction , Some columns 16 run here in the azimuthal direction.
  • all perforations 17 are of the same type, in particular of the same shape, size and orientation relative to the axial direction and to the (local) azimuthal direction.
  • the perforations 17 are here approximately diamond-shaped, in each case with two opposite, closed tips and a slot running between them, which runs in the azimuthal direction ("double arrow") .
  • the open tips of a respective perforation 7 lie in the axial direction of each other
  • the flanks of the arrowheads run here at an angle ⁇ of 45 ° or -45 ° to the axial direction.
  • the perforations 17 are arranged distributed over the entire axial length L and the entire circumference of the shielding tube 4, arranged here distributed periodically.
  • the axial period length PLAX and the azimuthal period length PLAZ are here significantly smaller than the radius R, here with PLAX / R of about 0.19 and PLAZ / R of about 0.19.
  • the largest axial extent AX of a perforation 17 and the largest azimuthal extent AZ of a perforation 17 are also each clearly smaller than the radius R, here with AX / R of about 0.16 and AZ / R of about 0, 6.
  • Electric currents can flow around the comparatively small perforations 7, in particular circulating currents around one or more perforations 7, or else currents around the entire circumference of the shielding tube 17 or also over the entire length L of the shielding tube 14.
  • the gap structure 15 weakens the shielding tube 14 mechanically both in the axial and in the radial direction significantly.
  • the gap structure 15 (or its gaps 16) typically occupies only an area fraction FP of less than 20%, usually far less than 10%, based on the entire (still unperforated) outer surface of the shielding tube 14.
  • the shielding tube arrangement 5 has with respect to compressions or strains in the axial direction (along the tube axis RA) to a spring constant D1, which is significantly smaller than a spring constant D1 ', which would have the Ablerohr- arrangement 5, if the gap structure 15 would not be present ( with the same outer shape and the same material).
  • a spring constant D1 which is significantly smaller than a spring constant D1 ', which would have the Ablerohr- arrangement 5, if the gap structure 15 would not be present ( with the same outer shape and the same material).
  • the shielding tube arrangement 5 has a spring constant D2 with regard to compressions or strains in the radial direction (compare radius R), which is significantly smaller than a spring constant D2 'which the shielding tube arrangement 5 would have if the gap structure 5 were not present (with the same external shape and the same material).
  • D2 / D2 ' 0.08.
  • D2 * AR FR
  • FR radial force
  • the (effective) spring constants D1, D2 are proportional to the (effective) modulus of elasticity in the corresponding direction. Due to the setting of D1, D2, self-resonances of the shielding tube arrangement can easily be adjusted or detuned, in particular natural resonances with fO.about. (E / p) 2 , with fO:
  • FIGS. 5a to 5e show alternative variants of a gap structure 15 for a shielding tube arrangement 5 with continuous perforations 17, as shown in FIG.
  • the gap width SB (which is the same here for all columns 6, including central slot 18) is significantly smaller than the maximum extent AD of a respective gap 16.
  • the perforations 17 are formed as in Fig. 5a, but arranged in a hexagonal grid. This allows the
  • Perforations 17 are set more closely, whereby a particularly easy elastic deformability can be achieved.
  • Fig. 5c has substantially diamond-shaped perforations 17 as illustrated in Fig. 3, but with two types 17a, 7b of
  • diamond-shaped perforations 17 are provided.
  • the (closed) tips 20a, 20b are connected to a slot 19 which perpendicular to the tube axis RA (thus azimuthally) runs.
  • the (closed) tips 20a, 20b are connected to a slot 21 which runs parallel to the tube axis RA (ie axially).
  • the two types 17a, 17b are of the same shape (including size), but rotated by 90 ° to each other. Perforations of the same type 7a, 17b follow each other here in the axial direction (and also in the azimuthal direction); in diagonal direction they alternate.
  • Fig. 5d shows a variant also with the two types 17a, 17b of diamond-shaped perforations as known from Fig. 5c, but in the axial direction (and also in the azimuthal direction), the two types 17a, 17b alternate. Perforations of the same type 17a, 17b follow each other in a diagonal direction.
  • Fig. 6a is a partial longitudinal section through a shield tube 14 for the
  • the slots or columns 16 of the Perforations are continuous, so that, for example, ambient air can pass from an inner side 24 through the perforations 17 to the outer side 25 of the shielding tube 14. Thereby, a noise load of the environment at a vibration of the shielding tube 14 can be reduced.
  • the continuous perforations 17 can, for example, with
  • Water jet cutting can be made.
  • FIG. 6 b which shows a further partial longitudinal section through a shielding tube 14 for the invention
  • gaps 26, which protrude into the shielding tube only in a groove-like manner, here from the outside 25 are also possible to provide gaps 26, which protrude into the shielding tube only in a groove-like manner, here from the outside 25.
  • the gap depth T is at least as large as half
  • the shielding tube 14 is also mechanically weakened, which makes it easier to deform.
  • FIG. 7 shows a schematic side view of a shielding tube arrangement 5, in which a multiplicity of weighting elements 29 are fastened on an electrically conductive carrier tube 28 (shown dotted).
  • the support tube 28 is formed here continuously (without perforations) and consists of stainless steel.
  • the carrier tube could be formed by a conductive coating on a non-conductive body (such as plastic).
  • the weighting elements 29 are here square in plan view and made of copper.
  • Weighting elements 29 each have a spacer 30 on the
  • the weighting elements 29 have a radial height HB, which here is about 3 times as large as the radial height HA of the spacers 30 and also about 3 times as large as the (radial) wall thickness TW of the support tube 28. In general HB > 2 * HA, preferably HB> 5 * HA, and also HB> 2 * TW, preferably HB> 5 * TW.
  • the weighting elements 29 are arranged at a distance from one another, cf. the column structure 15 with the columns 16, so that the
  • Weighting elements 29 (with expected mechanical
  • Oscillation amplitudes can move against one another without colliding with one another (cf., again, FIG. 7).
  • a part of the columns 16 extends axially here, and a further part of the columns 16 runs here in an azimuthal manner, so that the columns 6 as a whole have both course components in the axial direction and in the azimuthal direction.
  • SB 0.14 * AZ.
  • SB ⁇ 0.2 * AX and SB ⁇ 0.2 * AZ usually apply.
  • the spring constants D1 in the axial direction and D2 in the radial direction of the shielding tube arrangement 5 are significantly smaller than the corresponding ones
  • the weighting elements 29 are axially and azimuthally distributed on the
  • the weighting elements 29 are arranged here in a square grid; Note that other types of grids, such as a
  • the weighting elements 29 here cover about 77% of the radial
  • Fig. 9 shows schematically a perspective section of a shielding tube 14 for the invention. This one is rhomboid with here
  • the shielding tube 14 is composed of several (here four) foils 31, such as copper foils.
  • the films 31 are stacked on each other in the radial direction and attached to each other (such as glued, preferably with an electrically conductive adhesive, or welded).
  • Each individual foil 31 is so thin that an introduction of a perforation into the respective foil 31 is easily possible. After fixing the foils 31 together, the perforations of the respective foils 31 are aligned, so that the entire shielding tube 14 is also continuous
  • FIG. 10 shows schematically a cross section of an MRI system 1 according to the invention with a vibration-decoupled mounting of the
  • the cryostat 2 in this case has receptacles 40 for spring elements 41 in an upper and a lower area.
  • the Spring elements 41 are coupled on the other side with receptacles 42 on the Ablerohr- arrangement 5.

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Abstract

Ein MRI-System (1), umfassend - einen Kryostaten (2) mit einem Vakuumbehälter (8) und einem Kryobehälter (10), wobei im Kryobehälter (10) in supraleitendes Magnetspulensystem (12) zur Erzeugung eines Magnetfelds B0 in einem Probenvolumen (7) in einer Raumtemperaturbohrung (3) des Kryostaten (2) angeordnet ist, - ein HF-Spulensystem (6) in der Raumtemperaturbohrung (3), zum Erzeugen und Empfangen von HF-Signalen in bzw. aus dem Probenvolumen (7), - ein Gradientenspulensystem (4) in der Raumtemperaturbohrung (3), zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten im Probenvolumen (7), - und eine Abschirmrohr-Anordnung (5), die zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material besteht, wobei die Abschirmrohr-Anordnung (5) radial um das Gradientenspulensystem (4) angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmrohr-Anordnung (5) eine Spaltstruktur (15) mit einer Vielzahl von Spalten (16; 26) aufweist, die sich zumindest über einen Teil der radialen Tiefe der Abschirmrohr-Anordnung (5) erstrecken, dass die Spalten (16; 26) axial und azimutal über die Abschirmrohr- Anordnung (5) verteilt angeordnet sind, und dass die Verläufe der Spalten (16; 26) Anteile in axialer Richtung und Anteile in azimutaler Richtung haben. Die Erfindung stellt ein MRI-System zur Verfügung, bei dem die Auswirkungen von mechanischen Schwingungen des Gradientenspulensystems auf einfachere und bessere Weise gemindert werden können.

Description

MRI-System mit Spaltstruktur in einer Abschirmrohr-Anordnung
Die Erfindung betrifft ein MRI-System, umfassend
- einen Kryostaten mit einem Vakuumbehälter und einem Kryobehälter, wobei im Kryobehälter ein supraleitendes Magnetspulensystem zur Erzeugung eines Magnetfelds BO in einem Probenvolumen in einer Raumtemperaturbohrung des Kryostaten angeordnet ist,
- ein HF-Spulensystem in der Raumtemperaturbohrung, zum Erzeugen und Empfangen von HF-Signalen in bzw. aus dem Probenvolumen,
- ein Gradientenspulensystem in der Raumtemperaturbohrung, zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten im Probenvolumen,
- und eine Abschirmrohr-Anordnung, die zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material besteht, wobei die Abschirmrohr-Anordnung radial um das Gradientenspulensystem angeordnet ist. Ein solches MRI-System ist aus der US 2010/0271024 A1 bekannt geworden.
In der bildgebenden Kernspinresonanz (magnetic resonance imaging, MRI) werden zur Erzeugung von Bildschnitten in schneller Folge Hochfrequenzpulse und Gradientenfelder erzeugt. Insbesondere das schnelle Schalten von
Gradientenfeldern führt im starken Magnetfeld B0 aufgrund von Lorenzkräften zu mechanischen Schwingungen des Gradientenspulensystems. Diese
Schwingungen können zum einen in der Raumtemperaturbohrung einen untersuchten Patienten einem erheblichen Lärm aussetzen. Zum anderen können die Schwingungen des Gradientenspulensystems im starken
Magnetfeld B0 zur Induktion von Wirbelströmen (Eddy currents) führen, die wiederum Wirbelströme in benachbarten leitfähigen Strukturen des
umgebenden Kryostaten induzieren, was sich bis in den Kryobehälter fortsetzen kann. Die induzierten Wirbelströme erwärmen den Kryobehälter und führen zu einem erhöhten Verbrauch an Kühlmittel (meist flüssiges Helium) des supraleitenden Magnetspulensystems im Kryobehälter, was den Betrieb des MRI-Systems teurer macht.
Die Problematik von mechanischen Schwingungen eines
Gradientenspulensystems wird beispielsweise in der EP 2 864 802 B1 (Calvert) diskutiert; als Maßnahme wird dort eine aktive Schwingungsdämpfung vorgeschlagen. Eine aktive Schwingungsdämpfung ist jedoch sehr aufwändig.
In der DE 101 27 822 B4 (Ries) wurde vorgeschlagen, bei einem
Grundfeldmagneten eines MRI-Systems mit einer inneren, einer äußeren und einer mittleren Einheit, die hohlzylinderförmig und elektrisch leitfähig
ausgebildet sind, die Eigenfrequenz eines inneren Zylindermantels einer der Einheiten verstimmt gegenüber den Eigenfrequenzen der inneren
Zylindermäntel der anderen Einheiten zu wählen, so dass eine auf
magnetischer Kopplung beruhende Schwingungsübertragung gedämpft wird. Insbesondere wird zur Verstimmung ein 80K Strahlungsschild aus Kupfer oder Messing vorgeschlagen. In Ausführungsformen wird vorgeschlagen, den inneren Zylindermantel der mittleren Einheit in axialer Richtung mit wenigstens drei Schlitzen zu versehen, oder auch einen der Zylindermäntel mit in axialer Richtung länglich ausgebildeten Streifen zu versehen. Nachteilig dabei ist, dass die vorgeschlagenen Maßnahmen einen konstruktiven Eingriff in den
Kryostaten erforderlich machen, und auch in gewissem Umfang
Wirbelstromeinträge verbleiben.
In der DE 10 2006 018 650 B4 (Westphal) wird vorgeschlagen, ein warmes Schwingungssystem, etwa ein Edelstahlrohr in der Raumtemperaturbohrung des Kryostaten, bezüglich elektrischer Leitzahl und mechanischer Kennzahl auf ein oder mehrere tiefkalte Schwingungssysteme abzustimmen. Auch hierbei verbleiben in gewissem Umfang Wirbelstromeinträge.
Aus der US 2010/0271024 A1 (Aubert) ist es bekannt geworden, zwischen einem Gradientenspulensystem und einem inneren Zylinder eines Kryostaten eine zusätzliche zylindrische Hülle vorzusehen, deren charakteristische
Frequenz sich möglichst stark von den charakteristischen Frequenzen der übrigen Hüllen in Kryostaten unterscheidet, und die weiterhin eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweist. Es werden unter anderem schwere
Materialien (mit hoher Dichte) und hoher Elastizität (niedrigem E-Modul) empfohlen, insbesondere Blei. Für diesen Ansatz stehen nur wenige
Materialien zur Verfügung, die teuer sind und auch gesundheitliche bzw.
umweltschutztechnische Probleme bereiten können. Insbesondere ist der Einsatz von Blei aufgrund zahlreicher Vorschriften mittlerweile kaum mehr möglich.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein MRI-System zur Verfügung zu stellen, bei dem die Auswirkungen von mechanischen Schwingungen des Gradientenspulensystems auf einfachere und bessere Weise gemindert werden können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache und wirkungsvolle Weise gelöst durch ein MRI-System der eingangs genannten Art, das dadurch
gekennzeichnet ist,
dass die Abschirmrohr-Anordnung eine Spaltstruktur mit einer Vielzahl von Spalten aufweist, die sich zumindest über einen Teil der radialen Tiefe der Abschirmrohr-Anordnung erstrecken,
dass die Spalten axial und azimutal über die Abschirmrohr-Anordnung verteilt angeordnet sind,
und dass die Verläufe der Spalten Anteile in axialer Richtung und Anteile in azimutaler Richtung haben.
Die erfindungsgemäße MRI-Anordnung nutzt eine Abschirmrohr-Anordnung, die sowohl in axialer Richtung als auch in azimutaler Richtung mechanisch geschwächt ist und sich daher in axialer Richtung und azimutaler Richtung vergleichsweise leicht elastisch verformen lässt, d.h. ein jeweiliges„effektives" E-Modul wird gesenkt. Dadurch können die Frequenzen f0 von
Eigenresonanzen von allen Arten von Schwingungsmoden (insbesondere longitudinalen und azimutalen Schwingungsmoden) gezielt verändert werden, insbesondere gesenkt werden. Insbesondere kann die Ausbildung von langwelligen Schwingungsmoden unterdrückt werden.
Die Eigenresonanzen der Abschirmrohr-Anordnung können insbesondere gegenüber den Eigenresonanzen von anderen näherungsweise zylindrischen leitfähigen Strukturen wie den Wänden vom Vakuumbehälter oder Kryobehälter oder auch von Strahlungsschilden verstimmt werden. Eine
Resonanzkatastrophe kann so leicht ausgeschlossen werden. Eine besondere Materialauswahl ist dafür nicht erforderlich, insbesondere können gängige, gleichwohl bevorzugt schwere Materialien (mit hoher Dichte) wie Kupfer gut eingesetzt werden. Durch die Menge des Materials für die Abschirmrohr- Anordnung kann ein hohes Gewicht, das bei einer Schwingung bewegt werden muss, vorgegeben werden, ohne gleichzeitig die Elastizität zu vermindern.
Durch die Spalten wird erreicht, dass eine effektive Federkonstante D1 in axialer Richtung und eine effektive Federkonstante D2 in azimutaler Richtung der Abschirmrohr-Anordnung im Vergleich zu einer Federkonstanten D1 ' in axialer Richtung und einer Federkonstanten D2' in azimutaler Richtung einer Abschirmrohr-Anordnung ohne Spaltstruktur vermindert ist.
Durch die sowohl azimutalen als auch axialen Verlaufsanteile der Spalten der Spaltstruktur ist es grundsätzlich möglich, durch verschwenkende Biegungen in der Abschirmrohr-Anordnung eine Streckung oder Stauchung in axialer oder auch radialer Richtung herbeizuführen. Dadurch wird die Elastizität besonders hoch.
Die Abschirmrohr-Anordnung stellt, trotz der Spaltenstruktur, in der Regel azimutal und axial durchgehende Strompfade zur Verfügung, ggf. jedoch nicht über die volle radiale Wandstärke. Die Abschirmrohr-Anordnung ist elektrisch leitfähig und daher dazu ausgebildet, dass Wirbelströme in ihr induziert werden können, insbesondere mit grundsätzlich beliebigen Größen von Stromschleifen- Durchmessern in axialer und azimutaler Richtung. Insbesondere wird die Größe von Stromschleifen nicht durch die Spalten nach oben hin begrenzt. Dadurch kann eine sehr effektive elektrische Abschirmung nach weiter außen, insbesondere in den Bereich einer supraleitenden Magnetfeldspule, erreicht werden.
Aufgrund des (in Hinblick auf die Elastizität) hohen Gewichts der Abschirmrohr- Anordnung erfährt die Abschirmrohr-Anordnung nur vergleichsweise geringe mechanische Schwingungsamplituden durch Lorenzkräfte aufgrund von in ihr induzierten Wirbelströmen, wodurch elektromagnetische Kopplungen nach weiter außen vermindert sind, also die Weitergabe von Energie reduziert wird.
Die Spalten sind typischerweise gleichmäßig auf der Abschirmrohr-Anordnung verteilt. Typischerweise werden durch die Spalten Beschwerungselemente (oder Beschwerungsbereiche) auf einem Trägerrohr voneinander separiert, oder separierte Perforationen in einem Abschirmrohr ausgebildet. In der Regel weist eine Abschirmrohr-Anordnung wenigstens 50, und in der Regel sogar wenigstens 500 voneinander separate Beschwerungselemente oder
Perforationen auf.
Die Abschirmrohr-Anordnung ist selbsttragend, d.h. alle Teile des
Abschirmrohrs sind (ohne eine Stützstruktur) fest miteinander verbunden.
Bevorzugt ist die Abschirmrohr-Anordnung radial zwischen dem
Gradientenspulensystem und dem Kryobehälter, und besonders bevorzugt zwischen dem Gradientenspulensystem und dem Kryostaten angeordnet; es ist aber auch möglich, die Abschirmrohr-Anordnung innerhalb des Kryostaten anzuordnen, etwa im Vakuumbehälter anstelle von (oder zusätzlich zu) einem Strahlungsschild.
Das MRI-System ist typischerweise ein Ganzkörpertomograph, mit einer Patientenöffnung von wenigstens 60cm Durchmesser; alternativ können auch präklinische MRI-Systeme ausgebildet werden. Im Kryobehälter ist
typischerweise flüssiges Helium angeordnet, das das supraleitende
Magnetspulensystem kühlt. Typischerweise ist die Abschirmrohr-Anordnung im Wesentlichen kreiszylindermantelförmig ausgebildet, wobei eine axiale Länge L der Abschirmrohr-Anordnung meist 3-bis 6-mal so groß ist wie dessen (größter Außen-)Radius R. Eine typische Länge L liegt zwischen 150 cm und 250 cm. Ein typischer Radius R liegt zwischen 35 cm und 55 cm. Meist gilt L > 3*R oder L > 4*R. Die Abschirmrohr-Anordnung ist grundsätzlich bleifrei und Uran-frei ausgebildet. Die Abschirmrohr-Anordnung ist bevorzugt zu wenigstens 50Vol% aus einem Material mit hoher Dichte (bevorzugt mit 6 g/cm3 oder höher, oder auch mit 8 g/cm3 oder höher, etwa aus oder enthaltend Kupfer) gefertigt, meist einem metallischen Material.
Bevorzugte Ausführunqsformen der Erfindung
Ausführungsformen zu einem Trägerrohr mit Beschwerungselementen
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen MRI-Systems sieht vor, dass die Abschirmrohr-Anordnung ein elektrisch leitfähiges Trägerrohr und eine Vielzahl von Beschwerungselementen umfasst, die voneinander beabstandet auf dem Trägerrohr angeordnet sind, so dass zwischen den Beschwerungselementen die Spaltstruktur ausgebildet ist, insbesondere wobei das Trägerrohr aus Edelstahl gefertigt ist. Die elektrische Leitfähigkeit und die Steifigkeit der Abschirmrohr-Anordnung werden durch das Trägerrohr bestimmt, wohingegen über die Beschwerungselemente bzw. deren Trägheit das Schwingungsverhalten gezielt beeinflusst werden kann, und insbesondere eine Eigenfrequenz gesenkt werden kann. Die Anbringung von
Beschwerungselementen ist meist sehr einfach möglich, insbesondere meist einfacher als das Einbringen von Perforationen. Die Beschwerungselemente werden typischerweise auf der Außenseite des Trägerrohrs befestigt, beispielsweise aufgelötet, geschweißt (insbesondere punktgeschweißt) oder aufgeklebt. Die Spaltstruktur bildet meist ein Gitter auf der gesamten
Abschirmrohr-Anordnung aus. Die Beschwerungselemente können
beispielsweise als quadratische Plättchen ausgebildet sein; die Spaltstruktur bildet dann ein quadratisches Gitter. Das Trägerrohr ist typischerweise aus Metall gefertigt, insbesondere Edelstahl. Bei Verwendung eines
vergleichsweise schlecht leitenden Metalls (etwa mit der Leitfähigkeit von Edelstahl von ca. 1 ,4*106 S/m oder schlechter bei 20°C) für das Trägerrohr kann die vom Gradientenspulensystem ausgekoppelte Energie mit besonders hohem Anteil als ohmsche Wärme im Trägerrohr verbraucht werden, was besonders wirksam einen Energieeintrag in den Kryobehälter verhindert bzw. reduziert. Das Trägerrohr stellt in der Regel azimutal und axial ununterbrochene Strompfade zur Verfügung. Das Trägerrohr ist in der Regel durchgehend (ohne Perforationen) ausgebildet, und hat meist eine kreiszylindermantelförmige Gestalt. Die Beschwerungselemente werden bevorzugt aus einem Material mit hoher Dichte (bevorzugt mit 6 g/cm3 oder auch mit 8 g/cm3 oder höher, etwa aus oder enthaltend Kupfer) gefertigt, meist einem metallischen Material.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die
Beschwerungselemente jeweils über einen oder mehrere Abstandhalter auf dem Trägerrohr befestigt, insbesondere wobei der oder die Abstandhalter, mit denen jeweils ein Beschwerungselement befestigt ist, zusammen eine Fläche AS einnehmen, und das Beschwerungselement eine Fläche AB überdeckt, mit 5*AS-SAB. Durch den Abstand halter wird bewirkt, dass das
Beschwerungselement eine große Fläche überspannen kann, aber nur minimal die elektrische Leitfähigkeit und die Steifigkeit der Abschirmrohr-Anordnung beeinflusst. Meist ist genau ein Abstandhalter je Beschwerungselement ausgebildet. Die radiale Höhe eines Abstandhalters ist typischerweise kleiner als die radiale Höhe des Beschwerungselements, bevorzugt um wenigstens einen Faktor 2. Alternativ können die Beschwerungselemente auch direkt auf dem Trägerrohr angeordnet sein.
Ausführungsformen betreffend perforiertes Abschirmrohr
Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abschirmrohr-Anordnung ein Abschirmrohr aufweist, das als Spaltstruktur eine Vielzahl von separaten Perforationen aufweist, die jeweils vollständig durch die Wand des Abschirmrohres hindurchtreten, insbesondere wobei jede Perforation einen Spalt oder mehrere zusammenhängende Spalten umfasst. Die Perforationen bringen einer Verformung keinen Widerstand entgegen.
Hierdurch kann eine sehr starke Erhöhung der Elastizität erreicht werden (d.h. eine sehr starke Absenkung des effektiven E-Moduls). Zudem kann mit durchgehenden Perforationen bei Verwendung des Abschirmrohrs in der Umgebungsluft in der Raumtemperaturbohrung ein akustischer Kurzschluss eingerichtet werden, so dass Schwingungen des Abschirmrohrs zu keiner (oder nur einer geringen) Lärmentwicklung führen. Alternativ zu dieser
Ausführungsform ist es auch möglich, in ein Rohr die Spalten lediglich als Vertiefungen bzw. Nuten von radial innen und/oder radial außen einzubringen, etwa einzufräsen.
Bevorzugt ist eine Weiterbildung dieser Ausführungsform, bei der für die Spaltbreite SB und eine größte Ausdehnung AD eines jeweiligen Spaltes gilt: SB < 0,25*AD, bevorzugt SB < 0,1 *AD. Durch vergleichsweise schmale Spalten kann eine starke mechanische Schwächung bei Erhalt von viel Masse erreicht werden. Typischerweise gilt auch alternativ oder zusätzlich SB < 1/20*R, bevorzugt wobei SB < 1/50*R, mit R: größter Radius der Abschirmrohr- Anordnung. Meist liegt die Spaltbreite SB zwischen 100 pm und 2,5 mm. Die Spaltbreite kann quer zur (lokalen) Erstreckungsrichtung bzw. quer zur
(größten) Ausdehnung des Spalts gemessen werden.
Bevorzugt ist auch eine Weiterbildung, bei der zumindest ein Teil der
Perforationen jeweils ausgebildet ist mit wenigstens einem geraden Spalt, der in einem Winkel α zwischen 30° und 60° oder zwischen -60° und -30° zur axialen Richtung verläuft. Dadurch ist es möglich, mittels lokaler
Biegeverformungen von Material am geraden Spalt besonders einfach axiale und radiale Streckungen bzw. Stauchungen zu bewirken, was weit weniger Kraft erfordert als eine unmittelbare lokale Streckung oder Stauchung von Material. Bevorzugt beträgt a=45° oder -45°. Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung sind die Spalte einer Perforation oder einer Gruppe von Perforationen jeweils näherungsweise rautenförmig angeordnet, insbesondere wobei ein Paar einander gegenüberliegender Spitzen einer Raute axial und/oder ein Paar einander gegenüberliegender Spitzen der Raute azimutal ausgerichtet sind. Diese Gestalt hat in der Praxis besonders niedrige Frequenzen von Eigenresonanzen sowohl axial/longitudinal als auch radial/azimutal.
Besonders bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der in jeder Raute weiterhin ein mittiger Schlitz vorgesehen ist, der zwischen einem Paar einander gegenüberliegender Spitzen der Raute verläuft. Die Rauten bzw. Perforationen können dann die Gestalt eines„Doppelpfeils" aufweisen. Durch den mittigen Schlitz (Spalt) erhöht sich die Elastizität des Abschirmrohrs in Richtung senkrecht zum mittigen Schlitz weiter.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn abwechselnd zwei Typen von Rauten vorgesehen sind, deren mittige Schlitze (Spalten) zwischen unterschiedlich orientierten Paaren von Spitzen verlaufen. Dadurch kann eine Erhöhung der Elastizität in mehrere Richtungen, insbesondere axial und azimutal, eingerichtet werden.
Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung, bei der das Abschirmrohr mit zwei sich abwechselnden Typen von Perforationen ausgebildet ist, insbesondere wobei die beiden Typen von Perforationen mit gleicher Gestalt, aber gegeneinander verdreht, bevorzugt um 90° gegeneinander verdreht, ausgebildet sind.
Hierdurch kann eine hohe Elastizität auch in zwei (oder bei noch mehr Typen von Perforationen noch mehr) Richtungen erreicht werden. Ein Typus ist typischerweise axial ausgerichtet, und der andere Typus ist typischerweise azimutal ausgerichtet, um die effektiven Federkonstanten D1 , D2 gezielt beeinflussen zu können. Bei einer anderen Weiterbildung gilt für eine Wandstärke WS des
Abschirmrohrs: WS > 8 mm, bevorzugt WS > 10 mm, besonders bevorzugt WS > 12 mm. Durch eine hohe Wandstärke kann eine große Gesamtmasse des Abschirmrohrs erreicht werden, wodurch die Schwingungsamplitude infolge von Lorenzkräften durch Wirbelströme im Abschirmrohr klein gehalten wird. Dies hält weiter außen induzierte Wirbelströme klein.
Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung, bei der das elektrisch leitfähige Material des Abschirmrohrs eine Dichte p aufweist, mit p > 6,0 g/cm3,
bevorzugt wobei p > 8,0 g/cm3. Auch dadurch kann eine hohe Gesamtmasse des Abschirmrohrs erreicht werden, wodurch die Schwingungsamplitude infolge von Lorenzkräften durch Wirbelströme im Abschirmrohr klein gehalten wird. Dies hält wiederum weiter außen induzierte Wirbelströme klein.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Abschirmrohr aus einer Vielzahl von gegeneinander fixierten Folien, insbesondere Metallfolien, gebildet. Die Folien (oder Bleche) sind so dünn, dass sie zur Einbringung der Perforationen leicht bearbeitet (etwa gestanzt) werden können. Die Folien werden so miteinander verbunden, dass die eingebrachten Perforationen fluchten, beispielsweise durch Löten.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der das Abschirmrohr zwischen benachbarten Perforationen Stege mit einer minimalen Breite MB ausbildet, mit 1/100*R < MB und MB < 1/5*R, bevorzugt wobei 1/40*R < MB und/oder MB < 1/ 0*R, mit R: größter Radius der Abschirmrohr-Anordnung. Meist liegt die minimale Breite zwischen 2,5 mm und 4,0 cm. Diese Stegbreiten haben sich in der Praxis bewährt, insbesondere bezüglich einer ausreichenden
mechanischen Stabilität bei Montage und Betrieb, sowie bezüglich der
Einstellung von Resonanzfrequenzen.
Allgemeine Ausführungsformen Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Ausführungsform mit Beschwerungselementen oder der Ausführungsform mit durchgehenden Perforationen ist vorgesehen, dass die Beschwerungselemente oder
Perforationen jeweils eine maximale axiale Ausdehnung AX und eine maximale azimutale Ausdehnung AZ aufweisen, wobei gilt: AX < 0,3*R und AZ < 0,3*R, bevorzugt wobei AX < 0,2*R und/oder AZ < 0,2*R, besonders bevorzugt wobei AX < 0,1 *R und/oder AZ < 0,1 *R, mit R: größter Radius der Abschirmrohr- Anordnung. Durch eine fein unterteilte Spaltstruktur ist sichergestellt, dass die (relativen) mechanischen Schwächungen und die (verbleibende) Leitfähigkeit entsprechend fein verteilt werden, wodurch die Ausbildung von störenden Zusatzmoden vermieden wird bzw. eine Ausbildung auch von kleineren
Kreisströmen möglich wird, so dass Energie gezielt im Abschirmrohr absorbiert werden kann. Man beachte, dass meist auch zusätzlich gilt: AX > 1/200*R oder AX > 1/100*R, und AZ > 1/100*R.
Vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung hierzu, bei der für die Spaltbreite SB der Spalte weiterhin gilt: SB < 1/5*AX und SB < 1/5*AZ. Durch die kleine Spaltbreite ist sichergestellt, dass eine große Gesamtmasse der Abschirmrohr-Anordnung erreicht werden kann. Meist gilt auch zusätzlich SB > 1/50*AX und SB
1/50*AZ.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der durch die Spaltstruktur eine effektive Federkonstante D1 in axialer Richtung und eine effektive
Federkonstante D2 in azimutaler Richtung der Abschirmrohr-Anordnung im Vergleich zu einer Federkonstanten D1' in axialer Richtung und einer
Federkonstanten D2' in azimutaler Richtung einer Abschirmrohr-Anordnung ohne Spaltstruktur vermindert ist, wobei gilt: D1/D1' < 0,3 und D2/D2' < 0,3, bevorzugt wobei D1/D1' < 0,1 und/oder D2/D2' < 0,1. Die angegebenen Verminderungen der Federkonstanten D1 , D2 sind mit
Beschwerungselementen oder auch durchgehenden Perforationen gut zu erreichen, und ermöglichen eine gezielte Einstellung von Frequenzen von Eigenresonanzen grundsätzlich unabhängig vom verwendeten Material der Abschirmrohr-Anordnung.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Abschirmrohr- Anordnung radial zwischen dem Gradientenspulensystem und dem Kryostaten angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Abschirmrohr-Anordnung befindet sich in der Raumtemperaturbohrung in Umgebungsluft, um das
Gradientenspulensystem herum. In diesem Fall braucht die Konstruktion des Kryostaten nicht verändert zu werden, was einen besonders einfachen Aufbau erlaubt. Bei Verwendung von durchgehenden Perforationen kann über einen so genannten akustischen Kurzschluss die Lärmentwicklung klein gehalten werden.
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der die Spaltstruktur periodisch auf der Abschirmrohr-Anordnung ausgebildet ist. Eine periodische Struktur ist einfach auszubilden und ermöglicht im Wesentlichen lokal überall das gleiche mechanische und elektrische Verhalten. Dies vermeidet die Entstehung von Zusatzmoden und unterschiedlich starke elektrische Abschirmwirkungen über die Ausdehnung der Abschirmrohr-Anordnung. Ein periodischer Spalt oder eine periodische Gruppe von Spalten wiederholt sich auf der Abschirmrohr- Anordnung mit einem immer gleichen Versatz in axialer und/oder radialer Richtung. Typischerweise gilt für eine kleinste Periodenlänge PL der periodisch angeordneten Spalten oder Gruppen von Spalten: PL < 0,4*R, bevorzugt wobei PL < 0,3*R, besonders bevorzugt wobei PL < 0,2*R. Bevorzugt gilt für die Periodenlänge PLAZ in azimutaler Richtung und die Periodenlänge PLAX in axialer Richtung auch PLAZ < 0,4*R, bevorzugt PLAZ < 0,3*R, und/oder PLAX < 0,4*R, bevorzugt PLAX < 0,3*R. Meist gilt auch zusätzlich PLAZ > 1/100*R, und PLAX >1/200*R oder PLAX > 1/100*R. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform gilt für einen Flächenanteil FP der Spaltstruktur an der Abschirmrohr-Anordnung: FP < 25%, bevorzugt FP < 10%. Dadurch kann wiederum die Gesamtmasse der Abschirmrohr-Anordnung besonders groß gewählt werden. Entsprechend wird eine niedrige
Schwingungsamplitude in der Abschirmrohr-Anordnung eingestellt, und ein Energieübertrag weiter nach außen ist reduziert. Man beachte, dass zusätzlich meist auch gilt FP > 1%.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Abschirmrohr- Anordnung gegenüber dem Gradientenspulensystem und gegenüber dem Kryobehälter, und bevorzugt gegenüber dem gesamten Kryostaten, zumindest in axialer Richtung, und bevorzugt auch in radialer Richtung, frei schwingfähig gelagert ist. Mit anderen Worten, die Abschirmrohr-Anordnung ist mechanisch schwingungsisoliert gelagert. Dadurch werden mechanische Schwingungen des supraleitenden Magnetspulensystems einer Probe im Probenvolumen minimiert, und dadurch die Qualität einer MRI-Messung verbessert.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die
Schilderung der Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausfüh- rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MRI-Systems, mit einer Abschirmrohr- Anordnung in der Raumtemperaturbohrung zwischen
Gradientenspulensystem und Innenwand des Kryostaten;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßes MRI-System, mit einer Abschirmrohr- Anordnung im Vakuumbehälter des Kryostaten;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht eines Abschirmrohrs für die
Erfindung, mit rautenförmigen Perforationen; Fig. 4 eine schematische Stirnansicht des Abschirmrohrs von Fig. 3;
Fig. 5a-5e verschiedene Varianten von periodischen Perforationsmustern eines Abschirmrohrs, für die Erfindung; Fig. 6a einen Ausschnitt aus einem schematischen Längsschnitt eines
Abschirmrohrs für die Erfindung, mit durchgehenden Perforationen;
Fig. 6b einen Ausschnitt aus einem schematischen Längsschnitt eines
Abschirmrohrs für die Erfindung, mit nutenförmigen Spalten; Fig. 7 eine schematische Seitenansicht einer Abschirmrohr-Anordnung für die Erfindung, mit einem Trägerrohr und quadratischen
Beschwerungselementen; ein Ausschnitt aus einem schematischen Längsschnitt der Abschirmrohr-Anordnung von Fig. 7; einen ausgeschnittenen Teil eines Abschirmrohrs für die
Erfindung, in schematischer perspektivischer Darstellung; eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MRI-Systems, mit schwingungsentkoppelter Lagerung der Abschirmrohr-Anordnung in der Raumtemperaturbohrung.
Die Fig. 1 zeigt in einer ersten Ausführungsform ein erfindungsgemäßes MRI- System 1 , hier ausgebildet als Ganzkörper-Tomograph, umfassend einen Kryostaten 2 mit einer Raumtemperaturbohrung 3.
In der Raumtemperaturbohrung 3 ist ein Gradientenspulensystem 4
angeordnet, das erfindungsgemäß von einer Abschirmrohr-Anordnung 5 radial umgeben ist, die hier ebenfalls in der Raumtemperaturbohrung 3 angeordnet ist. Weiterhin enthält die Raumtemperaturbohrung 3 ein HF-Spulensystem 6, mit dem HF-Pulse in ein Probenvolumen 7 im Inneren des HF-Spulensystems 6 eingestrahlt werden können und HF-Signale aus dem Probenvolumen 7 empfangen werden können.
Der Kryostat 2 umfasst einen evakuierten Vakuumbehälter 8, der nach radial Innen durch eine Kryostatenwand 8a begrenzt ist. Im Vakuumbehälter 8 ist hier ein Strahlungsschild 9 angeordnet, der auf eine Temperatur von ca. 80 K gekühlt ist, etwa mit flüssigem Stickstoff. Weiterhin enthält der Vakuumbehälter 8 einen Kryobehälter 10, der mit einem Kühlmittel (hier flüssiges Helium bei 4,2 K) zumindest teilweise gefüllt ist nach radial innen durch eine
Kryobehälterwand 10a begrenzt ist. Im Kryobehälter 10 ist ein Spulenträger 11 angeordnet, auf dem ein Supraleiterdraht hier solenoidförmig aufgewickelt ist und dadurch ein supraleitendes Magnetspulensystem 12 bildet. Das
supraleitende Magnetspulensystem 12 erzeugt ein starkes, statisches
Magnetfeld B0 im Probenvolumen 7; darüber hinaus herrscht auch im gesamten radialen Innenbereich der Magnetspulenanordnung 12 ein starkes Magnetfeld.
Bei Bildaufnahmen aus dem Probenvolumen 7 werden mit dem
Gradientenspulensystem 4 Magnetfeldgradienten geschaltet; dabei werden starke elektrische Ströme durch das Gradientenspulensystem 4 geleitet. Die Schaltfrequenz liegt meist zwischen 1 kHz und 2 kHz. Die stromführenden Leiter im Gradientenspulensystem 4 erfahren Lorentzkräfte im starken
Magnetfeld des Magnetspulensystems 12, wodurch das
Gradientenspulensystem 4 in mechanische Schwingungen versetzt wird. Die solchermaßen bewegten leitfähigen Strukturen des Gradientenspulensystems 4 im Magnetfeld können Wirbelströme in benachbarten leitfähigen zylindrischen Strukturen erzeugen, etwa in der Kryostatenwand 8a. Die Wirbelströme erzeugen wiederum Lorenzkräfte in der Kryostatenwand 8a, wodurch diese wiederum bewegt wird. Dies kann wiederum Wirbelströme in weiter außen liegenden Strukturen, etwa dem Strahlungsschild 9, und so fort über die Kryobehälterwand 10a bis in den Träger 11 oder gar in das
Magnetspulensystem 12 hinein erzeugen. Dadurch kommt es zu einer
Erwärmung des Kühlmittels im Kryobehälter 10, was den Kühlmittelverbrauch erhöht.
Um die Übertragung von Wirbelströmen bis in den Träger 1 oder gar das Magnetspulensystem 12 hinein zu minimieren, ist erfindungsgemäß hier die Abschirmrohr-Anordnung 5 zwischen dem Gradientenspulensystem 4 und dem Kryobehälter 2 bzw. dessen Kryobehälterwand 8a angeordnet. Die
Abschirmrohr-Anordnung 5 ist sowohl von dem Gradientenspulensystem 4 als auch von der Kryobehälterwand 8a radial beabstandet angeordnet und gegenüber dem Kryostaten 2 und dem Gradientenspulensystem 4
schwingungsentkoppelt gelagert.
Die Abschirmrohr-Anordnung 5 ist hier als ein Abschirmrohr aus Kupfer mit durchgehenden Perforationen (nicht näher dargestellt, vgl. hierzu aber Fig. 3 oder Fig. 6a) ausgebildet, die sich axial (vgl. Achse A der
Raumtemperaturbohrung 3, die koaxial zur Rohrachse verläuft) und azimutal verteilen und erstrecken. Die Abschirmrohr-Anordnung 5 schirmt die äußeren leitfähigen zylindrischen Strukturen 8a, 9, 10a, 11 elektrisch von dem
Gradientenspulensystem 4 ab. Weiterhin ist die Abschirmrohr-Anordnung 5 aufgrund der Perforationen und des Gewichts des Kupfermaterials mit deutlich niedrigeren Resonanzfrequenzen (longitudinal und radial) ausgestattet als die äußeren Strukturen 8a, 9, 10a, 11. Aufgrund der verhältnismäßig großen Masse können induzierte Wirbelströme die Abschirmrohr-Anordnung 5 auch nur mit einer sehr kleinen Amplitude auslenken, wodurch eine weitere Induktion von Wirbelströmen in der Kryostaten wand 8a minimiert ist. Durch die durchgehenden Perforationen ist eine Lärmentwicklung bei Schwingung der Abschirmrohr-Anordnung 5 reduziert.
Die Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MRI- Systems 1 , ähnlich zu dem MRI-System aus der Fig. 1 , so dass nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden.
In dieser Ausführungsform sind in der Raumtemperaturbohrung 3 des
Kryostaten 2 das Gradientenspulensystem 4 und das HF-Spulensystem 6 angeordnet. Die Abschirmrohr-Anordnung 5 ist innerhalb des Vakuumbehälters 8 angeordnet, hier zwischen der Kryostatenwand 8a und einem Strahlungsschild 13, der hier auf eine Temperatur von ca. 20 K gekühlt ist, etwa mit flüssigem Helium. Die Abschirmrohr-Anordnung 5 wird hier auf eine
Temperatur von ca. 80 K gekühlt, etwa mittels flüssigen Stickstoffs, so dass die Abschirmrohr-Anordnung 5 gleichzeitig die Funktion eines (weiteren)
Strahlungsschilds hat. Die Abschirmrohr-Anordnung 5 besteht hier
vorzugsweise aus einem Trägerrohr aus Edelstahl, auf dem
Beschwerungselemente aus Kupfer befestigt sind (nicht näher dargestellt, vgl. aber Fig. 7 und Fig. 8).
Die Abschirmrohr-Anordnung 5 verhindert bzw. minimiert eine Übertragung von Wirbelströmen von der Kryostatenwand 8a auf den Strahlungsschild 13 oder die anderen, weiter außen liegenden, leitfähigen zylindrischen Strukturen wie die Kryobehälterwand 10a oder den Träger 11 , und damit eine Erwärmung des supraleitenden Magnetspulensystems 12.
Die Fig. 3 in schematischer Seitenansicht und die Fig. 4 in einer
schematischen stimseitigen Ansicht zeigen eine Abschirmrohr-Anordnung 5 für die Erfindung, wie sie etwa im MRI-System von Fig. 1 verbaut werden kann.
Die Abschirmrohr-Anordnung 5 ist mit einem im wesentlichen
zylindermantelförmigen Abschirmrohr 14 ausgebildet, das hier aus Kupfer gefertigt ist. Im Zentrum des im Querschnitt kreisringförmigen Abschirmrohrs 14 verläuft in axialer Richtung eine Rohrachse RA. In der gezeigten
Ausführungsform ist die axiale Länge L des Abschirmrohrs 14 ca. 4,4 mal so groß wie dessen (äußerer) Radius R. Die Wandstärke WS (in radialer Richtung) des Abschirmrohrs 14 beträgt hier das ca. 0,022-fache des Radius R. Typische Abmessungen der Abschirmrohr-Anordnung 5 liegen bei L von 2,0 m, R=0,45 m und WS=0,01 m.
Das Abschirmrohr 14 weist eine Spaltstruktur 15 mit einer Vielzahl von Spalten 16 auf. Die Spalten 16 verlaufen hier jeweils (auf dem kreiszylindrisch gebogene Abschirmrohr 14) gerade, d.h. die axiale Position und die azimutale Position ändern sich beim Fortschreiten entlang des jeweiligen Spalts 16 linear, und mit konstanter Spaltbreite. Die Spalten 16 sind hier jeweils durchgehend, d.h. erstrecken sich durch die gesamte Wandstärke WS. Die meisten der Spalten 16 verlaufen hier unter 45° (oder -45°) zur axialen Richtung (vgl. die Rohrachse RA) und auch zur azimutalen Richtung (entlang des Rohrumfangs), haben also einen Verlaufsanteil sowohl in axialer Richtung als auch in azimutaler Richtung. Einige Spalten 16 verlaufen hier in azimutaler Richtung.
Eine Gruppe von hier jeweils fünf zusammenhängenden Spalten 16 bildet jeweils eine Perforation 17; verschiedene Perforationen 17 sind durch
(durchgehende) Stege des Abschirmrohrs 14 voneinander getrennt. In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform sind alle Perforationen 17 vom gleichen Typ, insbesondere mit gleicher Gestalt, Größe und Orientierung relativ zur axialen Richtung und zur (lokalen) azimutalen Richtung.
Die Perforationen 17 sind hier näherungsweise rautenförmig ausgebildet, jeweils mit zwei einander gegenüberliegenden, geschlossenen Spitzen und einem zwischen diesen geschlossenen Spitzen verlaufenden Schlitz, der hier in azimutaler Richtung verläuft („Doppelpfeil"). Die offenen Spitzen einer jeweiligen Perforation 7 liegen in axialer Richtung einander gegenüber. Die Flanken der Pfeilspitzen verlaufen hier mit einem Winkel α von 45° oder -45° zur axialen Richtung.
Die Perforationen 17 sind über die gesamte axiale Länge L und den gesamten Umfang des Abschirmrohrs 4 verteilt angeordnet, hier periodisch verteilt angeordnet. Die axiale Periodenlänge PLAX und die azimutale Periodenlänge PLAZ sind hier deutlich kleiner als der Radius R, hier mit PLAX/R von ca. 0,19 und PLAZ/R von ca. 0,19. Die größte axiale Ausdehnung AX einer Perforation 17 und die größte azimutale Ausdehnung AZ einer Perforation 17 sind ebenfalls jeweils deutlich kleiner als der Radius R, hier mit AX/R von ca. 0,16 und AZ/R von ca. 0, 6.
Um die vergleichsweise kleinen Perforationen 7 herum können elektrische Ströme fließen, insbesondere Kreisströme um eine oder mehrere Perforationen 7, oder auch Ströme um den gesamten Umfang des Abschirmrohrs 17 herum oder auch über die gesamte Länge L des Abschirmrohrs 14.
Die Spaltstruktur 15 schwächt das Abschirmrohr 14 mechanisch sowohl in axialer als auch in radialer Richtung erheblich. Dabei nimmt die Spaltstruktur 15 (bzw. deren Spalten 16) typischerweise lediglich einen Flächenanteil FP von weniger als 20% ein, meist weit weniger als 10%, ein, bezogen auf die gesamte (noch unperforierte) Außenfläche des Abschirmrohrs 14.
Die Abschirmrohr-Anordnung 5 weist bezüglich Stauchungen oder Dehnungen in axialer Richtung (entlang der Rohrachse RA) eine Federkonstante D1 auf, die deutlich kleiner ist als eine Federkonstante D1 ', die die Abschirmrohr- Anordnung 5 hätte, wenn die Spaltstruktur 15 nicht vorhanden wäre (bei gleicher äußerer Gestalt und gleichem Material). Beispielsweise gilt
D1/D1 '=0,08. Hierbei gilt D1*AL=FA, mit FA: axiale Kraft, die der
Stauchung/Dehnung entgegengebracht wird, und ΔΙ_: Änderung der axialen Länge.
Weiterhin weist die Abschirmrohr-Anordnung 5 bezüglich Stauchungen oder Dehnungen in radialer Richtung (vgl. Radius R) eine Federkonstante D2 auf, die deutlich kleiner ist als eine Federkonstanten D2', die die Abschirmrohr- Anordnung 5 hätte, wenn die Spaltstruktur 5 nicht vorhanden wäre (bei gleicher äußerer Gestalt und gleichem Material). Beispielsweise gilt
D2/D2'=0,08. Hierbei gilt D2*AR=FR, mit FR: radiale Kraft, die der
Stauchung/Dehnung entgegengebracht wird, und AR: Änderung des Radius. Die (effektiven) Federkonstanten D1 , D2 sind proportional zum (effektiven) E- Modul in der entsprechenden Richtung. Durch die Einstellung von D1 , D2 können leicht Eigenresonanzen der Abschirmrohr-Anordnung eingestellt bzw. verstimmt werden, insbesondere Eigenresonanzen mit fO ~ (E/p) 2, mit fO:
Resonanzfrequenz; E: (effektives) E-Modul, p: (effektive) Dichte.
Die Figuren 5a bis 5e zeigen alternative Varianten einer Spaltstruktur 15 für eine Abschirmrohr-Anordnung 5 mit durchgehenden Perforationen 17, etwa wie in Fig. 3 gezeigt.
In Fig. 5a weisen die Perforationen 17 jeweils zwei einander
gegenüberliegende, näherungsweise halbkreisförmig gebogene Spalten 16 und einen diese verbindenden Mittelschlitz 18 auf. Die Perforationen 17 sind in einem quadratischen Gitter angeordnet.
Die Spaltbreite SB (die hier für alle Spalten 6, einschließlich Mittelschlitz 18) gleich ist, ist deutlich kleiner als die maximale Ausdehnung AD eines jeweiligen Spalts 16. Hier gilt in etwa 1/20*AD=SB.
In der Variante von Fig. 5b sind die Perforationen 17 wie in Fig. 5a ausgebildet, jedoch in einem hexagonalen Gitter angeordnet. Hierdurch können die
Perforationen 17 enger gesetzt werden, wodurch eine besonders leichte elastische Verformbarkeit erreichbar ist.
Die Variante von Fig. 5c weist im Wesentlichen rautenförmige Perforationen 17 wie in Fig. 3 erläutert auf, wobei jedoch zwei Typen 17a, 7b der
rautenförmigen Perforationen 17 vorgesehen sind. Beim ersten Typus 17a sind die (geschlossenen) Spitzen 20a, 20b mit einem Schlitz 19 verbunden, der senkrecht zur Rohrachse RA (also azimutal) verläuft. Beim zweiten Typus 17b sind die (geschlossenen) Spitzen 20a, 20b mit einem Schlitz 21 verbunden, der parallel zur Rohrachse RA (also axial) verläuft. Die beiden Typen 17a, 17b sind von gleicher Gestalt (einschließlich Größe), aber um 90° gegeneinander rotiert. Perforationen gleichen Typs 7a, 17b folgen hier in axialer Richtung (und auch in azimutaler Richtung) aufeinander; in diagonaler Richtung wechseln sie sich ab.
Eine typische Spaltbreite SB ist typischerweise deutlich kleiner als die maximale axiale Ausdehnung AX oder die maximale azimutale Ausdehnung AZ einer Perforation 17; vorliegend gilt ungefähr SB=1/20*AX und SB=1/20*AZ.
Zwischen den (separaten) Perforationen 17 verbleiben noch Stege 22 aus dem Material des Abschirmrohrs. Die minimale Breite MB der Stege 22 ist deutlich kleiner als AX und auch als AZ, hier mit ca. MB=1/10*AX und MB=1/ 0*AZ. Allgemein ist meist 1/40*AX<MB<1/3*AX und 1/40*AZ<MB<1/3*AZ vorgesehen.
Fig. 5d zeigt eine Variante ebenfalls mit den zwei Typen 17a, 17b von rautenförmigen Perforationen wie aus Fig. 5c bekannt, wobei jedoch in axialer Richtung (und auch in azimutaler Richtung) sich die beiden Typen 17a, 17b abwechseln. In einer diagonalen Richtung folgen jeweils Perforationen gleichen Typs 17a, 17b aufeinander.
In der Variante von Fig. 5e sind ebenfalls zwei Typen 17a, 17b von im
Wesentlichen rautenförmigen Perforationen wie in Fig. 5d vorgesehen. Die Mittelschlitze 19, 21 sind hier jedoch schräg (unter 45°oder -45°) zur Rohrachse RA orientiert.
In der Fig. 6a ist ein Teil-Längsschnitt durch ein Abschirmrohr 14 für die
Erfindung dargestellt, wie es etwa in der in Fig. 3 dargestellten Abschirmrohr- Anordnung verwendet werden kann. Die Schlitze bzw. Spalten 16 der Perforationen sind durchgängig, so dass beispielsweise Umgebungsluft von einer Innenseite 24 durch die Perforationen 17 an die Außenseite 25 des Abschirmrohrs 14 gelangen kann. Dadurch kann eine Lärmbelastung der Umgebung bei einer Schwingung des Abschirmrohrs 14 vermindert werden. Die durchgängigen Perforationen 17 können beispielsweise mit
Wasserstrahlschneiden gefertigt werden.
Wie in Fig. 6b, die einen weiteren Teil-Längsschnitt durch ein Abschirmrohr 14 für die Erfindung zeigt, ersichtlich, können auch Spalten 26 vorgesehen sein, die nur nutenartig in das Abschirmrohr einragen, hier von der Außenseite 25 aus. Meist ist die Spalttiefe T dabei wenigstens so groß wie die halbe
Wandstärke, also T > 0,5*WS. Bevorzugt gilt T >0,75*WS. Im Bereich der Spalten 26 ist auch hier das Abschirmrohr 14 mechanisch geschwächt, wodurch es sich leichter verformen lässt.
In der Fig. 7 in einer schematischen Seitenansicht ist eine Abschirmrohr- Anordnung 5 dargestellt, bei der auf einem elektrisch leitfähigen Trägerrohr 28 (gepunktet dargestellt) eine Vielzahl von Beschwerungselementen 29 befestigt ist. Das Trägerrohr 28 ist hier durchgehend (ohne Perforationen) ausgebildet und besteht aus Edelstahl. Alternativ könnte auch das Trägerrohr durch eine leitfähige Beschichtung auf einem nicht leitfähigen Grundkörper (etwa aus Kunststoff) ausgebildet sein. Die Beschwerungselemente 29 sind hier in Aufsicht quadratisch und aus Kupfer ausgebildet.
Wie in dem Teil-Längsschnitt von Fig. 8 ersichtlich, sind die
Beschwerungselemente 29 jeweils über ein Abstandhalter 30 auf dem
Trägerrohr 28 befestigt. Durch die Abstandhalter 30 wird erreicht, dass die Beschwerungselemente 29 zwar mit ihrer Massenträgheit zum
Schwingungsverhalten der gesamten Abschirmrohr-Anordnung 5 beitragen, nicht aber das Trägerrohr 28 versteifen. Eine etwaige Versteifung beschränkt sich auf die jeweilige Fläche AS, mit der ein Abstandhalter 30 zum Trägerrohr 28 eine Verbindung hat. Die Fläche AS ist deutlich kleiner als die Fläche AB, mit der ein Beschwerungselement 29 das Trägerrohr überdeckt. Im gezeigten Beispiels gilt ca. AS=1/25*AB; im Allgemeinen gilt meist AS<1/5*AB, bevorzugt AS<1/10*AB. Die Beschwerungselemente 29 haben eine radiale Höhe HB, die hier ca. 3 mal so groß ist wie die radiale Höhe HA der Abstandhalter 30 und auch ca. 3 mal so groß ist wie die (radiale) Wandstärke TW des Trägerrohrs 28. Im Allgemeinen gilt HB>2*HA, bevorzugt HB>5*HA, und auch HB>2*TW, bevorzugt HB>5*TW.
Die Beschwerungselemente 29 sind untereinander beabstandet angeordnet, vgl. die Spaltenstruktur 15 mit den Spalten 16, so dass die
Beschwerungselemente 29 sich (bei zu erwartenden mechanischen
Schwingungsamplituden) gegeneinander bewegen können, ohne aneinander zu stoßen (vgl. hierzu auch wieder Fig. 7). Ein Teil der Spalten 16 verläuft hier axial, und ein weiterer Teil der Spalten 16 verläuft hier azimutal, so dass die Spalten 6 insgesamt sowohl Verlaufsanteile in axialer Richtung und in azimutaler Richtung haben.
Die (kleinste) Spaltbreite SB ist dabei deutlich kleiner als die maximale axiale Ausdehnung AX und auch als die maximale azimutale Ausdehnung AZ der Beschwerungselemente 29; vorliegend gilt hier ca. SB=0,14*AX und
SB=0,14*AZ. Im Allgemeinen gilt meist SB<0,2*AX und SB<0,2*AZ. Die maximalen axialen Ausdehnungen AX und maximalen azimutalen
Ausdehnungen AZ der Beschwerungselemente 29 sind weiterhin deutlich kleiner als der (maximale) Radius R der Abschirmrohr-Anordnung 5. Vorliegend gilt ca. AX=0,24*R und AZ=0,24*R.
Die Federkonstanten D1 in axialer Richtung und D2 in radialer Richtung der Abschirmrohr-Anordnung 5 sind deutlich kleiner als die entsprechenden
Federkonstanten D1 ' und D2', wenn die Spaltstruktur 15 nicht vorhanden wäre, also ein durchgängiges„Beschwerungsrohr" um das Trägerrohr 28 angeordnet und auf diesem befestigt wäre (hier über Abstandhalter, was bei einem durchgängigen Beschwerungsrohr aber mechanisch eine untergeordnete Rolle spielt). Hier gilt ca. D1/D1'=0,1 und D2/D2'=0,1.
Die Beschwerungselemente 29 sind axial und azimutal verteilt auf dem
Trägerrohr 28 angeordnet, hier periodisch verteilt angeordnet, vgl. die axiale Periodenlänge PLAX und die azimutale Periodenlänge PLAZ. Diese sind deutlich kleiner als der Radius R, hier ca. mit PLAX=0,28*R und PLAZ=0,28*R. Die Beschwerungselemente 29 sind hier in einem quadratischen Gitter angeordnet; man beachte, dass auch andere Arten von Gitter, etwa ein
Rechteckgitter oder ein hexagonales Gitter, leicht eingerichtet werden können. Die Beschwerungselemente 29 bedecken hier ca. 77% der radialen
Außenfläche der Abschirmrohr-Anordnung 5, und die Spaltstruktur 15 nimmt einen Flächenanteil FP von ca. 23% ein.
Die Fig. 9 zeigt schematisch einen perspektivischen Ausschnitt aus einem Abschirmrohr 14 für die Erfindung. Dieses ist mit hier rautenförmigen
Perforationen 17 versehen, vgl. zum Beispiel die Fig. 3. Das Abschirmrohr 14 ist aus mehreren (hier vier) Folien 31 , etwa Kupferfolien, zusammengesetzt. Die Folien 31 sind in radialer Richtung aufeinander gestapelt und aneinander befestigt (etwa verklebt, bevorzugt mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff, oder verschweißt). Jede einzelne Folie 31 ist so dünn, dass eine Einbringung einer Perforation in die jeweilige Folie 31 leicht möglich ist. Nach dem aneinander Befestigen der Folien 31 fluchten die Perforationen der jeweiligen Folien 31 , so dass auch das gesamte Abschirmrohr 14 durchgehende
Perforationen 17 von entsprechender Gestalt aufweist.
Die Fig. 10 zeigt schematisch einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen MRI-Systems 1 mit einer schwingungsentkoppelten Lagerung der
Abschirmrohr-Anordnung 5. Der Kryostat 2 weist dabei in einem oberen und einem unteren Bereich Aufnahmen 40 für Federelemente 41 auf. Die Federelemente 41 sind anderseitig mit Aufnahmen 42 an der Abschirmrohr- Anordnung 5 gekoppelt. Durch diese Anordnung kann vorteilhaft eine Entkopplung der Schwingungen der Abschirmrohr-Anordnung 5 gegenüber dem Kryostaten 2 und dem Gradientenspulensystem 4 erreicht werden.
Bezugszeichenliste
1 MRI-System
2 Kryostat
3 Raumtemperaturbohrung
4 Gradientenspulensystem
5 Abschirmrohr-Anordnung
6 HF-Spulensystem
7 Probenvolumen
8 Vakuumbehälter
8a Kryostatenwand
9 Strahlungsschild
10 Kryobehälter
10a Kryobehälterwand
11 Träger
12 supraleitendes Magnetspulensystem
13 Strahlungsschild
14 Abschirmrohr
15 Spaltstruktur
16 Spalt
17 Perforation
17a, 17b Typen von Perforationen
18 Schlitz (Spalt)
19 Schlitz(Spalt)
20a, 20b Spitzen (rautenförmige Perforation) 21 Schlitz (Spalt)
22 Steg
24 Innenraum
25 Außenraum
26 nutartiger Spalt
28 Trägerrohr
29 Beschwerungselement
30 Abstandhalter
31 Folie
40 Aufnahme
41 Federelement
42 Aufnahme
A Achse (Raumtemperaturbohrung)
AB Fläche (Beschwerungselement)
AD maximale Ausdehnung
AS Fläche (Abstand halter)
AX maximale axiale Ausdehnung
AZ maximale azimutale Ausdehnung
HA radiale Höhe Abstandhalter
HB radiale Höhe Beschwerungselement
L axiale Länge
MB minimale Stegbreite
PLAX Periodenlänge (axial)
PLAZ Periodenlänge (azimutal)
R Radius
RA Rohrachse
SB Spaltbreite
TW radiale Wandstärke des Trägerrohrs
WS Wandstärke
α Winkel eines Spalts gegen die axiale Richtung

Claims

Patentansprüche
MRI-System (1 ), umfassend
- einen Kryostaten (2) mit einem Vakuumbehälter (8) und einem
Kryobehälter (10), wobei im Kryobehälter (10) ein supraleitendes
Magnetspulensystem (12) zur Erzeugung eines Magnetfelds B0 in einem Probenvolumen (7) in einer Raumtemperaturbohrung (3) des Kryostaten (2) angeordnet ist,
- ein HF-Spulensystem (6) in der Raumtemperaturbohrung (3), zum Erzeugen und Empfangen von HF-Signalen in bzw. aus dem
Probenvolumen (7),
- ein Gradientenspulensystem (4) in der Raumtemperaturbohrung (3), zur Erzeugung von Magnetfeldgradienten im Probenvolumen (7),
- und eine Abschirmrohr-Anordnung (5), die zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material besteht, wobei die Abschirmrohr- Anordnung (5) radial um das Gradientenspulensystem (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmrohr-Anordnung (5) eine Spaltstruktur (15) mit einer Vielzahl von Spalten (16; 26) aufweist, die sich zumindest über einen Teil der radialen Tiefe der Abschirmrohr-Anordnung (5) erstrecken, dass die Spalten (16; 26) axial und azimutal über die Abschirmrohr- Anordnung (5) verteilt angeordnet sind,
und dass die Verläufe der Spalten (16; 26) Anteile in axialer Richtung und Anteile in azimutaler Richtung haben.
2. MRI-System (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmrohr-Anordnung (5) ein elektrisch leitfähiges Trägerrohr (28) und eine Vielzahl von Beschwerungselementen (29) umfasst, die voneinander beabstandet auf dem Trägerrohr (28) angeordnet sind, so dass zwischen den Beschwerungselementen (29) die Spaltstruktur (15) ausgebildet ist,
insbesondere wobei das Trägerrohr (28) aus Edelstahl gefertigt ist.
3. MRI-System (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschwerungselemente (29) jeweils über einen oder mehrere
Abstandhalter (30) auf dem Trägerrohr (28) befestigt sind,
insbesondere wobei der oder die Abstandhalter (30), mit denen jeweils ein Beschwerungselement (29) befestigt ist, zusammen eine Fläche AS einnehmen, und das Beschwerungselement (29) eine Fläche AB überdeckt, mit 5*AS<AB.
4. MRI-System (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmrohr-Anordnung (5) ein Abschirmrohr (14) aufweist, das als Spaltstruktur (15) eine Vielzahl von separaten Perforationen (17) aufweist, die jeweils vollständig durch die Wand des Abschirmrohres (14) hindurchtreten, insbesondere wobei jede Perforation (17) einen Spalt (16) oder mehrere zusammenhängende Spalten (16) umfasst.
5. MRI-System (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Spaltbreite SB und eine größte Ausdehnung AD eines jeweiligen Spaltes (16) gilt:
SB < 0,25*AD,
bevorzugt SB < 0,1 *AD.
6. MRI-System (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Perforationen (17) jeweils ausgebildet ist mit wenigstens einem geraden Spalt (16), der in einem Winkel α zwischen 30° und 60° oder zwischen -60° und -30° zur axialen Richtung verläuft.
7. MRI-System (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass die Spalte (16) einer Perforation (17) oder einer Gruppe von Perforationen (17) jeweils näherungsweise rautenförmig angeordnet sind, insbesondere wobei ein Paar einander
gegenüberliegender Spitzen (20a, 20b) einer Raute axial und/oder ein Paar einander gegenüberliegender Spitzen (20a, 20b) der Raute azimutal ausgerichtet sind.
8. MRI-System (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass das Abschirmrohr (14) aus einer Vielzahl von gegeneinander fixierten Folien (31 ), insbesondere Metallfolien, gebildet ist.
9. MRI-System (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass das Abschirmrohr (14) zwischen benachbarten Perforationen (17) Stege (22) mit einer minimalen Breite MB ausbildet, mit
1/100*R < MB und MB < 1/5*R,
bevorzugt wobei 1/40*R < MB und/oder MB < 1/10*R,
mit R: größter Radius der Abschirmrohr-Anordnung (5).
10. MRI-System (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Beschwerungselemente (29) oder
Perforationen (17) jeweils eine maximale axiale Ausdehnung AX und eine maximale azimutale Ausdehnung AZ aufweisen, wobei gilt:
AX < 0,3*R und AZ < 0,3*R,
bevorzugt wobei AX < 0,2*R und/oder AZ < 0,2*R,
besonders bevorzugt wobei AX < 0,1 *R und/oder AZ < 0,1 *R, mit R: größter Radius der Abschirmrohr-Anordnung (5).
11. MRI-System (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Spaltbreite SB der Spalte (16; 26) weiterhin gilt:
SB < 1/5*AX und SB < 1/5*AZ. 2. MRI-System (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Spaltstruktur (15) eine effektive
Federkonstante D1 in axialer Richtung und eine effektive Federkonstante D2 in azimutaler Richtung der Abschirmrohr-Anordnung (5) im Vergleich zu einer Federkonstanten D1 ' in axialer Richtung und einer
Federkonstanten D2' in azimutaler Richtung einer Abschirmrohr- Anordnung (5) ohne Spaltstruktur (15) vermindert ist, wobei gilt:
D1/D1 ' < 0,3 und D2/D2' < 0,3,
bevorzugt wobei D1/D1' < 0,1 und/oder D2/D2' < 0,1.
13. MRI-System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmrohr-Anordnung (5) radial zwischen dem Gradientenspulensystem (4) und dem Kryostaten (2) angeordnet ist.
14. MRI-System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltstruktur (15) periodisch auf der
Abschirmrohr-Anordnung (5) ausgebildet ist.
15. MRI-System (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmrohr-Anordnung (5) gegenüber dem Gradientenspulensystem (4) und gegenüber dem Kryobehälter (10), und bevorzugt gegenüber dem gesamten Kryostaten (2), zumindest in axialer Richtung, und bevorzugt auch in radialer Richtung, frei schwingfähig gelagert ist.
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