DE3881982T2 - Magnetischer Resonanzapparat mit schallarmer Gradientenspule. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein freitragendes Gradientenspulensystem für einen Kernspinresonanzapparat, mit Spulen zum Erzeugen senkrecht aufeinander gerichteter Gradientenfelder, und bezieht sich ebenfalls auf einen Kernspinresonanzapparat mit einem derartigen Spulensystem.
• Ein Spulensystem dieser Art ist aus EP-A-152588 bekannt. Ein hier beschriebenes Gradientenspulensystem enthält Spulen, die in bezug auf eine Symmetrieebene des zylindrischen Meßraums paarweise angeordnet sind. Im Meßraum ist ein statisches Magnetfeld erzeugbar, das entlang einer axialen Achse gerichtet ist, der Z-Achse. Zum Erzeugen von Gradienten im Feld entlang der Z-Achse, die gegenseitig senkrecht und senkrecht zur Z-Achse gerichtet sind, enthalten Spulenpakete eines Spulenpaars sattelförmige Spulen, die in azimutaler Richtung gesehen in bezug aufeinander diametral angeordnet sind, und zwei ringförmige Spulenpaare zum Erzeugen eines Z-Gradienten. Das Sattelspulenpaket ist mit den ringförmigen Z-Gradientenspulen zur Bildung eines Spulenpakets durch Verkleben im Bereich örtlicher gegenseitiger Überlappungen der Spulenleiter kombiniert. Derart ausgebildete Teilspulensysteme können durch sich axial erstreckende Trägerelemente miteinander verbunden werden und bilden so ein komplettes Gradientenspulensystem, das mit Hilfe isolierender elastischer Zwischenstücke um eine Spulenschablone montiert ist. Dieser Aufbau bezweckt die Verringerung der Übertragung von Schwingungen aus den Gradientenspulen auf die Spulenschablone, wodurch das Geräusch im Kernspinresonanzapparat verringert wird.
• Obgleich auf diese Weise die Geräuscherzeugung verringerbar ist, erfährt die Verringerung eine Beschränkung, da streng fixierte Positionierung des Spulensystems, insbesondere der zwei Spulensystemhälften in bezug auf einander, verhältnismäßig steife Montage in bezug auf die Spulenschablone erfordert. Die Gefahr der Fehlorientierung von Spulenteilen in bezug auf einander erhöht sich dadurch, daß die Spulen nur stellenweise miteinander verbunden sind, d.h. im Bereich der gegenseitigen Überlappungen. Hierdurch kann die Schwingungserzeugung in den Spulen noch verhältnismäßig hoch und der endgültige Geräuschpegel im Apparat ebenfalls verhältnismäßig hoch sein.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile zu beseitigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Spulensystem der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Anzahl axial im Abstand voneinander liegender ringförmiger Pakete von Bogenleitern, von denen jedes Paket eine Anzahl von Bogenleitern in axialer Packung mit durchgehenden Isolierringen zwischen den Bogenleitern enthält und die Bogenleiter die Form radial verlängerter axialer schmaler Ringsegmente haben und zwischen den isolierenden Zwischenringen steif festgeklemmt sind, wobei die radiale Mitte der Zwischenringe mit der Krümmungsmitte der leitenden Ringsegmente zusammenfällt, und axial gerichtete Mittel zum steifen Verbinden der Pakete enthält.
• Es sei bemerkt, daß in GB-A-2 170 957 ein steifer Aufbau für ein Gradientenspulensystem beschrieben ist, in dem herkömmliche Gradientenspulen in Form von Sattelspulen auf einer geräuschabsorbierenden Spulenschablone angeordnet sind. Im erfindungsgemäßen Aufbau dagegen werden ganz autarke Ringsysteme mit stromführenden Bogenleitern gebildet, die zwischen den Zwischenringen steif festgeklemmt werden. Die Verwendung der bekannten Spulenschablone für das Gradientenspulensystem läßt sich wie folgt entfernen: Betreffende Bogenleiter werden miteinander und mit einer Stromquelle über sich axial erstreckende Stromleiter leitend verbunden.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiei werden Bogenleiter in Form radialer länglicher axial schmaler Ringsegmente axial mit den Zwischenringen gestapelt. Für ein zylindrisches Spulensystem mit einem Durchmesser beispielsweise von 75 cm beträgt insbesondere die Höhe der Bogenleiter etwa 40 mm und die Breite 5 mm. Hier wird die Höhe der Bogenleiter als der Unterschied zwischen dem inneren und dem äußeren Strahl der Ringsegmente definiert, wobei die Breite die Abmessung der Ringsegmente in axialer Richtung ist. Ein verhältnismäßig großes Höhe/Breitenverhältnis für ringförmige Bogenleiter fördert die Steifheit der Spulenpakete.
• In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel enthalten wenigstens einige der ringförmigen Pakete Bogenleiter für die X-Gradientenfelder, die mit Bogenleitern für die Y-Gradientenfelder verschachtelt sind. Dies fördert die Positionierung der Spulen in bezug aufeinander und daher die Genauigkeit der zu erzeugenden Gradientenfelder.
• In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel entspricht die erzeugte Oberfläche zwischen den Paketen und den axial gerichteten Mitteln zum Verbinden der Pakete wenigstens der erzeugten Gesamtfläche der kombinierten Pakete. Dies ergibt ein verhältnismäßig offenes System, so däß die Schwingungsübertragung auf Minimum gestellt wird. Das Gradientenspulensystem kann beispielsweise sechs bis zehn Spulenpakete enthalten, die alle im wesentlichen denselben Innendurchmesser aufweisen und in bezug auf die Zentralebene eines zylindrischen Meßraums symmetrisch angeordnet sind. Es ist also möglich, Spulenpakete mit verschiedenen Innendurchmessern zu verwenden. Beispielsweise bietet ein größerer Durchmesser für Pakete näher bei den Enden des Zylinders eine Verbesserung hinsichtlich der Erreichbarkeit eines Patienten oder ermöglicht die Verwendung eines kleineren Durchmessers für zentraler angeordnete Pakete, wodurch die erforderliche Energiemenge der Stromversorgung reduziert wird.
• Vorzugsweise bestehen die Bogenleiter aus einem elektrisch leitenden Material mit einem verhältnismäßig hohen Elastizitätsmodul, beispielsweise Kupfer.
• In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel werden Komplemente eines elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden Materials in den Bogenleitern für X- und Y-Gradientenspulen zur Bildung wenigstens im wesentlichen geschlossener Ringe beigegeben. Dies läßt sich mittels komplementärer Isolierringe verwirklichen, die vorzugsweise aus einem Material mit mechanischen Eigenschaften bestehen, wie z.B. Wärmedehnung, Elastizitätsmodul usw., die denen des Materials der Bogenleiter selbst entsprechen. Die Bogenleiter können auch durch elektrisch unterbrochene geschlossene Ringe gebildet werden, auf denen elektrische Kontakte für Verbindungsleiter im Bereich der Azimutbegrenzungen der Bogen vorgesehen sind. Vorzugsweise werden diese Kontakte derart aufgebaut, daß sie azimutal einstellbar sind, so daß die zu erzeugenden Gradientenfelder abstimmbar sind.
• In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel werden wenigstens einige der Zwischenringe und/oder der Bogenleiter mit Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen für eine feste radiale, axiale und/oder azimutale gegenseitige Positionierung zum Stapeln vorgesehen.
• In einem anderen Ausführungsbeispiel besteht das Mittel zum steifen Verbinden der Pakete aus einem Trägerzylinder, mit dem die Ringpakete steif verbunden sind und der einen vom Durchmesser der Ringpakete abweichenden Durchmesser hat. Hierdurch ist eine einfache zuverlässige und gute Montage möglich. Vorzugsweise ist der Durchmesser des Zylinders größer als der der Ringpakete. Die Leiter bilden beispielsweise Ränder auf einer Innenfläche eines Trägerzylinders. Da die erzeugte Energie der fünften Potenz des Strahls des Leiterbogens proportional ist, ergibt ein kleinerer Strahl (durch die Montage auf der Innenseite des Trägerzylinders) eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades. Da der Trägerzylinder sich jetzt außerhalb der Leiter befindet, kann er dicker und daher fester gemacht werden, aber insbesondere derart, daß auch die Geräuschunterdrückung besser ist.
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 einen Kernspinresonanzapparat mit einem erfindungsgemäßen Spulensystem,
• Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Spulensystems für einen derartigen Apparat,
• Fig. 3 eine Anordnung der Bogenleiter für dieses Spulensystem,
• Fig. 4 verschiedene Formen von Bogenleitern für axiale Stapelung für ein derartiges Spulensystem.
• Ein Kernspinresonanzapparat nach Fig. 1 enthält ein Magnetsystem 2 zum Erzeugen eines statischen einheitlichen Magnetfelds, ein Magnetsystem 4 zum Erzeugen magnetischer Gradientenfelder und Stromversorgungsquellen 6 und 8 für das Magnetsystem 2 bzw. das Magnetsystem 4. Eine Magnetspule 10 dient zum Erzeugen eines magnetischen Hf-Wechselfeldes und ist mit einer Hf-Quelle 12 verbunden. Zum Detektieren der von Hf übertragenen Feld erzeugter Kernspinsignale in einem zu untersuchenden Objekt ist eine Oberflächenspule 13 angeordnet. Für Lesezwecke ist die Spule 13 mit einem Signalverstärker 14 verbunden. Der Signalverstarker 14 ist mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter 16 verbunden, der mit einer zentralen Steuereinrichtung 18 verbunden ist. Die zentrale Steuereinrichtung 18 steuert auch einen Modulator 20 für die Hf-Quelle 12, die Stromversorgungsquelle 8 für die Gradientenspulen und einen Monitor 22 für die Wiedergabe. Ein Hf-Oszillator 24 steuert den Modulator 20 sowie den phasenempfindlichen Gleichrichter 16, der die Meßsignale verarbeitet. Ein Kühler 26 wird nach Bedarf für Kühlzwecke angeordnet. Ein Kühler dieser Art kann als Wasserkühlsystem für Widerstandsspulen oder als flüssig Heliumsystem oder Nitrogen Dewar-System für gekühlte Supraleitspulen aufgebaut werden. Die in den Magnetsystemen 2 und 4 angeordnete Übertragerspule 10 enthält einen Meßraum 28, die ausreichenden Raum zum Aufnehmen von Patienten bei einem Apparat für medizinisch diagnostische Messungen bietet. Also kann ein statisches magnetisches Feld, können Gradientenfelder für Positionswahl abzubildender Scheiben und kann ein räumlich einheitliches Hf-Wechselfeld im Meßraum 28 erzeugt werden.
• Ein Gradientenmagnetsystem 4 ist in bezug auf eine radiale Symmetrieebene 30 auf herkömmliche Weise symmetrisch angeordnet, und diese Ebene teilt also den Meßraum symmetrisch in zwei Teile und wird durch einen Punkt Z = 0 quer zu einer Z-Achse des statischen Magnetsystems gerichtet. Das vom statischen Magnetsystem erzeugte statische Magnetfeld ist daher entlang der Z-Achse gerichtet. Ein Gradientenmagnetsystem in einem Kernspinresonanzapparat enthält üblicherweise ein Spulensystem für jede der Koordinatenrichtungen, wobei die Anregung der Spulensysteme die Erzeugung von Gradientenfeldern in jeder der Richtungen und auch die punktweise Abbildung eines Objekts ermöglicht. Die Spulensysteme für den X-Gradienten und den Y-Gradienten in einem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem sind auch im wesentlichen gleich, aber gegeneinander über 90º gedreht, wenn azimutal gesehen. Der Unterschied kann aus dem Aufbau des ganzen Spulensystems bestehen, beispielsweise kann bei axialer Stapelung die Z-Stelle etwas abweichen.
• Ein Spulensystem nach Fig. 2 enthält neun Spulenpakete 40, die in bezug auf eine X-Y-Ebene 41 durch Z = 0 symmetrisch orientiert sind. In diesem Ausführungsbeispiel befindet sich ein erstes Spulenpaket 42 für X-Y-Gradientenfelder in der Symmetrieebene und enthält beispielsweise vier Bogenleiter, von denen zwei für ein X- Gradientenfeld und zwei für ein Y-Gradientenfeld dienen. Ausgehend von der Symmetrieebene 41 enthält ein folgendes Paketpaar 44 in diesem Fall nur einen oder mehrere Z-Gradienten-Bogenleiter, enthält ein folgendes Paketpaar 46 beispielsweise Pakete mit sieben X-Gradienten-Bogenleitern und sieben Y-Gradienten-Bogenleitern, ein folgendes Paketpaar 48 wiederum nur Z-Gradienten-Bogenleiter und ein Paketpaar 50 beispielsweise neun Bogenleiter, die als Rückleiter für die X- und Y-Gradienten- Bogenleiter dienen. Wie bereits erwähnt brauchen die Bogenleiter für die X- und Y- Felder sich nicht notwendigerweise über dieselben Bogenwinkel zu erstrecken. Die Stapel 42....50 sind mit axialen Verbindungsstäben 52 miteinander steif verbunden und bilden so ein festes autarkes Gradientenspulensystem, das in einer erzeugten Oberfläche 54 gesehen verhältnismäßig offen um die Z-Achse ist, wobei es beispielsweise höchstens ein Fünftel bis eine Hälfte des Oberflächenbereichs bedeckt. Zum Verwirklichen eines möglichst offenen Systems werden Bogenleiter für axial gestapelte Pakete vorzugsweise verhältnismäßig möglichst hoch aufgebaut, wobei die Höhe darin als der Unterschied in der radialen Abmessung zwischen der Innenseite und der Außenseite zu verstehen sei. Die Breite, die die axial gemessene Abmessung ist, kann dabei verhältnismäßig gering sein. Durch diesen Entwurf läßt sich sowohl ein offener als auch ein extrem fester Aufbau verwirklichen.
• In Fig. 3 ist schematisch die Anordnung von Bogenleitern in den verschiedenen Paketen dargestellt, d.h. ein Quadrant 60 für X-Z-Leiter und ein Quadrant 62 für Y-Z-Leiter, wobei die Quadrante jedoch nicht denselben Quadrant auf der Zylinderoberfläche 54 des Spulensystems bilden, sondern in diesem Bereich in bezug aufeinander azimutal über 90º verschoben sind. Da das Spulensystem in bezug auf eine Symmetrieebene 41 über Z = 0 und in bezug auf eine Ebene durch die Z-Achse symmetrisch ist, wird damit das ganze Spulensystem definiert. In der Figur fällt eine der Achsen mit der Z-Achse zusammen und die sich senkrecht erstreckende Achse bildet dabei den Winkel α zwischen 0 bis 90º nach Fig. 2. Die gegenseitig verschachtelte Positionierung von X- und Y-Bogenleitern wird damit veranschaulicht, däß diese Leiter bei der Trennung α = 0º und α = 90º gegeneinander verschoben dargestellt sind. Wenn keine Verschachtelung auftritt, da jeder der Bogenleiter sich über weniger als 90º erstreckt, befinden sich die Bogenleiter einander genau gegenüber. Zwischen den Bogenleitern 64, die durch verhältnismäßig dick gezogene Linien dargestellt sind, werden Spielräume 66 für die Distanzringe gebildet.
• Wie in Fig. 2 sind Bogenleiter der Pakete 42 bis 50 dargestellt, wobei die Z-Gradientenfeldpakete 44 und 48 durchgehende Ringe sind, die je eine größere oder geringere Anzahl von Leitern enthalten können (nicht getrennt dargestellt). Die Bogenleiter der Pakete 42 und 46 sind mit Rückbogenleitern des Pakets 50 verbunden, die axial gerichtete Leiter enthalten, die keine hohen Lorentz-Kräfte erfahren und nicht zur Bildung der Gradientenfelder beitragen, so daß sie keinem angepaßten Aufbau oder keiner angepaßten Orientierung bedürfen. Wie bereits erwähnt, können diese Leiter mit den Bogenleitern über elektrische Verbindungen verbunden werden, die möglicherweise als Gleitkontakte ausgebildet sind. Die Positionierung der erforderlichen axialen Verbindungen kann nach Bedarf an die Stelle wenigstens eines Teils dieser Axialleiter angepäßt werden.
• In Fig. 4 sind einige Ausführungsformen von Bogenleitern für Axialstapelung nach der Erfindung dargestellt. Ein Bogenleiter 70 einer X- oder Y-Gradientenspule erstreckt sich über einen Winkel von 2α beispielsweise von weniger als 90º; siehe beispielsweise den Bogenleiter 70 in Fig. 3. Restliche Teile 72 des Rings können erforderlichenfalls mit einem Isoliermaterial gefüllt werden oder der Leiter kann den ganzen Ring bedecken, wobei elektrische Kontakte 74 die Bogenlänge bestimmen. Daher ist für diese Bogenleiter keine Verschachtelung erforderlich. Ein Bogenleiter 76 erstreckt sich unter einem Winkel von 2α von beispielsweise 160º mit komplementären Räumen oder Füllstücken 78. Verschachtelung erfolgt dabei beim Stapeln. Ein ringförmiges Element 80 kann tatsächlich sowohl einen Z-Gradientenring als auch einen Zwischenring eines Isoliermaterials darstellen. Bei einem Z-Gradientenring werden die elektrischen Kontakte 74 wieder angeordnet und der Querschnitt des Rings kann betreffenden Anforderungen stellenweise angepaßt werden. Bei einem Isolierzwischenring ist ein Querschnitt 82 dargestellt, der, sofern die Höhe betroffen ist, an die Höhe eines Querschnitts 84 eines Bogenleiters angepäßt ist, und der für Platzersparnis verhältnismäßig dünn ausgeführt wird. Ein Zwischenring kann mit einer Verlängerung 88 oder 90 an einer Seite versehen werden, um geeignetes Abschirmen von den Bogenleitern an dieser Seite zu gewährleisten. Auf andere Weise kann ein Zwischenring mit Verlängerungen 88 und 90 an beiden Seiten vorgesehen werden, wobei die Verlängerungen axial ausragende Ränder 92 bzw. 94 enthalten, die die Bogenleiter einschließen. Diese Verlängerungen können mit Ausnehmungen 96 für die Positionierung der Axialleiter versehen werden. Sowohl die Bogenleiter als auch die Zwischenringe können mit Ausnehmungen oder Vorsprüngen zum Gewährleisten genauer axialer, radialer und azimutaler Positionierung versehen werden.

Claims (9)

1. Freitragendes Gradientenspulensystem (4) für einen Kernspinresonanzapparat, mit Spulen zum Erzeugen gegenseitig senkrecht aufeinander gerichteter Gradientenfelder in einem im allgemeinen zylindrischen Meßraum (28), dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Anzahl axial im Abstand von einander liegender ringförmiger Pakete (42, 44, 46, 48, 50) von Bogenleitern, wobei jedes Paket eine Anzahl von Bogenleitern (70, 76) in axialer Stapelung mit durchgehenden Isolierringen (80) zwischen den Bogenleitern enthält, die Bogenleiter die Form radial verlängerter, axial schmaler Ringsegmente haben und zwischen den Isolierenzwischenringen steif aufgeklemmt sind, wobei die radiale Mitte der Zwischenringe mit der Krümmungsmitte der leitenden Ringsegmente zusammenfällt, und axial gerichtete Mittel (52) zum steifen Verbinden der Pakete enthält.

2. Gradientenspulensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, däß wenigstens einige der ringförmigen Pakete (42, 46, 50) Bogenleiter (70, 76) für die X-Gradientenfelder in gegenseitiger Verschachtelung mit Bogenleitern für die Y-Gradientenfelder enthalten.

3. Gradientenspulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Oberfläche zwischen den Paketen (42, 44, 46, 48, 50) und den axial gerichteten Mitteln (52) zum Verbinden der Pakete wenigstens gleich der erzeugten Gesamtfläche der kombinierten Pakete ist.

4. Gradientenspulensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenleiter (70, 76) aus einem elektrisch leitenden Material mit einer verhältnismäßig großen Elastizitätsmodul besteht.

5. Gradientenspulensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Komplemente (72, 78) eines elektrisch isolierenden oder elektrisch leitenden Materials den Bogenleitern (70, 76) für X- und Y- Gradientenspulen zur Bildung wenigstens im wesentlichen geschlossener Ringe beigegeben werden.

6. Gradientenspulensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, däß elektrische Verbindungen zum leitenden Verbinden von Bogenleitern zum azimutalen Einstellen aufgebaut sind.

7. Gradientenspulensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, däß wenigstens einige der Zwischenringe (80) und/oder Bogenleiter (70, 76) mit Ausnehmungen (96) und/oder Vorsprüngen (92, 94) für eine gegenseitige feste radiale, axiale und/oder azimutale Positionierung zum Stapeln versehen sind.

8. Gradientenspulensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axial gerichteten Mittel zum festen Verbinden der Ringpakete (42, 44, 46, 48, 50) aus einem Trägerzylinder besteht, an dem die Ringstapel steif befestigt sind, und der einen vom Durchmesser der Ringpakete abweichenden Durchmesser hat.

9. Kernspinresonanzapparat mit einem Gradientenspulensystem nach einem oder mehreren der vorangehenden Anspüche.