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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entwerfen einer Gradientenspule,
ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule, eine Gradientenspule,
ein Magnetresonanzgerät und ein kombiniertes PET-MR-System
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Bekannte
medizinische Bildgebungstechniken umfassen einerseits nuklearmedizinische
Techniken, die in erster Linie funktionelle Vorgänge in
einem Untersuchungsobjekt abbilden, und andererseits Techniken,
die vorrangig eine untersuchte Anatomie abbilden, wie zum Beispiel
Magnetresonanztechniken oder Computertomographietechniken.
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Zu
den nuklearmedizinischen Bildgebungstechniken gehört die
PET-Technik (PET: Positronen-Emissions-Tomographie). PET erzeugt
Bilder von lebenden Organismen, indem es die Verteilung einer vorher
verabreichten schwach radioaktiv markierten Substanz (Radiopharmakon)
im Organismus sichtbar macht, die derart im Organismus angereichert
wurde, dass biochemische und physiologische Vorgänge abbildet
werden können.
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Als
Radiopharmakon eignen sich hierbei Radionukleide, die beim Zerfall
Positronen aussenden. Die Positronen treten nach kurzer Distanz
(ca. 2–3 mm) in Wechselwirkung mit einem Elektron und es kommt
zur so genannten Annihilation. Dabei werden beide Teilchen, Positron
und Elektron, vernichtet, und es entstehen zwei hochenergetische
Photonen (Gammastrahlung) mit je 511 keV. Die sich in einem Winkel
von ca. 180° voneinander entfernen. Die dabei gebildete
Linie wird auch als „line of response” (LOR) bezeichnet.
Die beiden Photonen (Vernichtungsstrahlung) werden z. B. an einem
Detektorring gemessen, wo sie gleichzeitig an zwei Stellen eintreffen.
Durch die Koinzidenz der beiden Messergebnisse sind ein Nachweis
der Po sitronenemission und eine Schätzung des Ortes der
Annihilation möglich.
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Die
Magnetresonanztechnik (im Folgenden steht die Abkürzung
MR für Magnet-Resonanz) ist eine bekannte Technik, mit
der Bilder vom Inneren eines Untersuchungsobjektes erzeugt werden
können. Vereinfacht ausgedrückt wird hierzu das
Untersuchungsobjekt in einem MR-Gerät in einem vergleichsweise
starken statischen, homogenen Grundmagnetfeld (Feldstärken
von 0,2 Tesla bis 7 Tesla und mehr) positioniert, so dass sich dessen
Kernspins entlang des Grundmagnetfeldes orientieren. Zum Auslösen
von Kernspinresonanzen werden hochfrequente Anregungspulse in das
Untersuchungsobjekt eingestrahlt, die ausgelösten Kernspinresonanzen
gemessen und auf deren Basis MR-Bilder rekonstruiert. Zur Ortskodierung
der Messdaten werden dem Grundmagnetfeld schnell geschaltete magnetische
Gradientenfelder in drei Raumrichtungen überlagert. Die
aufgezeichneten Messdaten werden digitalisiert und als komplexe
Zahlenwerte in einer k-Raum-Matrix abgelegt. Aus der mit Werten
belegten k-Raum-Matrix ist mittels einer mehrdimensionalen Fourier-Transformation
ein zugehöriges MR-Bild rekonstruierbar. Diese Technik
erlaubt eine hervorragende Darstellung insbesondere von Weichteilen
mit wählbaren Kontrasten.
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Um
die Vorteile beider Techniken Synergietisch nutzen zu können
sind Bestrebungen vorhanden, MR- und PET-Systeme zu kombinieren.
Ein Beispiel für ein kombiniertes PET/MR-System mit einem für
MR geeigneten PET-Detektor ist in der Offenlegungsschrift
US 2007/0102641 A1 beschrieben.
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Es
besteht weiterhin Bedarf an verbesserten Komponenten für
kombinierte PET-MR-Geräte sowie für Magnetresonanzgeräte.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zum Entwerfen und ein Verfahren zum Herstellen einer verbesserten
Gradientenspule, sowie eine verbesserte Gradientenspule anzugeben,
mit der Fehlfunktionen in den Geräten, in denen die Gradientenspule eingesetzt
wird, vermieden werden.
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Weiter
ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Magnetresonanzgerät
mit verbesserten Messeigenschaften sowie ein kombiniertes PET-MR-System
mit verbesserten Messeigenschaften anzugeben.
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Die
erstgenannten Aufgaben werden gelöst durch ein Verfahren
zum Entwerfen einer Gradientenspule gemäß Anspruch
1, ein Verfahren zum Herstellen einer Gradientenspule gemäß Anspruch
5, sowie eine Gradientenspule gemäß Anspruch 8.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bei der Entwicklung
von Gradientenspulen, bei der bislang nur die Qualität
des erzielten magnetischen Feldes im Messvolumen Innerhalb der Gradientenspule,
und gegebenenfalls eine möglichst gute Unterdrückung
des magnetischen Feldes im Außenbereich der Gradientenspule
beachtet wurden, bisher ungenutzte freie Parameter für
weitere Optimierungen verwendet werden können.
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Daher
werden in einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Entwerfen einer Gradientenspule, welche mehrere Teilspulen umfasst,
folgende Schritte durchgeführt:
- – Variieren
von Parametern der Struktur der Gradientenspule,
- – Bestimmen des von den Variationen der Struktur der
Gradientenspule erzeugten elektrischen Feldes,
- – Wählen der Parameter der Variation der Struktur mit
einem optimalen elektrischen Feld.
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Die
Optimierung kann nach verschiedenen Gesichtspunkten erfolgen. Beispielsweise
kann ein insgesamt möglichst homogenes elektrisches Feld angestrebt
werden, oder ein Auftreten von lokalen Überhöhungen
möglichst unterdrückt werden. Eine weitere Möglichkeit
einer Optimierung ist eine Unterdrückung bzw. Schwächung
des erzeugten elektrischen Feldes in bestimmten Bereichen der Gradientenspule.
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Entsprechend
umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule die
Schritte Entwerfen einer Gradientenspule ge mäß dem
vorbeschriebenen Verfahren und Herstellen der entworfenen Gradientenspule.
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Die
resultierende Gradientenspule besitzt somit eine Struktur, die ein
von der Gradientenspule erzeugtes elektrisches Feld, z. B. hinsichtlich
einer Verteilung des Feldes, optimiert.
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Durch
die Optimierung des von der Gradientenspule erzeugten elektrischen
Feldes kann der Anwendungsbereich der Gradientenspule z. B. für
neue Anwendungen, wie etwa kombinierte PET-MR-Systeme, erweitert
werden, die eine Empfindlichkeit gegen elektrische Felder aufweisen.
Daneben können auch bei reinen MR-Anwendungen die Leistungsmöglichkeiten
verbessert werden. Beipielsweise kann durch die Optimierung des
elektrischen Feldes eine Bildung von Spannungsspitzen in der Gradientenspule
vermieden werden. Spannungspitzen begünstigen das Entstehen
von Teilentladungen zwischen Leitern und anderen leitfähigen
Strukturen der Gradientenspule. Aufgrund von Teilentladungen können
sogenannte „Spikes” entstehen, die je nach verwendeter
Messsequenz, zu störenden Bildartefakten bis hin zur Unbrauchbarkeit
der Aufnahmen führen.
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Vorteilhaft
haben die zu variierenden Parameter der Struktur der Gradientenspule
keinen Einfluss auf ein durch die Gradientenspule erzeugtes magnetisches
Feld. Somit kann die Optimierung des von der Gradientenspule erzeugten
magnetischen Feldes unabhängig von der Optimierung des
erzeugten elektrischen Feldes erfolgen.
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In
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfassen die zu
variierenden Parameter der Struktur der Gradientenspule eine Wickelrichtung
der Teilspulen und/oder eine Verschaltungsreihenfolge der Teilspulen
der Gradientenspule. Diese Parameter sind ohne großen Aufwand
variierbar.
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Die
zweitgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst
durch ein Magnetresonanzgerät mit einer vorbeschriebenen
Gra dientenspule bzw. ein kombiniertes PET-MR-System mit einer vorbeschriebenen
Gradientenspule. Dabei sind jeweils die oben genannten Vorteile
sinngemäß zu übertragen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen
sowie anhand der Zeichnungen. Die aufgeführten Beispiele stellen
keine Beschränkung der Erfindung dar. Es zeigen:
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1 ein
schematisches Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Verfahren,
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2 eine
schematische Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen
Gradientenspule,
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3 eine
dreidimensionale schematische Darstellung von Teilspulen einer Gradientenspule,
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4 ein
medizinisches Gerät mit einer Gradientenspule.
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1 zeigt
schematisch ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen
Verfahren, nämlich eines Verfahrens 200 zum Entwerfen
einer Gradientenspule 3 und eines Verfahrens 300 zur
Herstellung einer Gradientenspule 3 in einer Zusammenschau.
Dabei umfasst die Gradientenspule 3 Teilspulen. Die Teilspulen
werden in der Regel in Reihe verschaltet, um zumindest für
niedrige Frequenzen der Gradientenströme einen gleichen
Strom in allen Teilspulen zu erhalten und dadurch ein von der Gradientenspule 3 erzeugtes
magnetisches Feld zu idealisieren.
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Bei
dem Verfahren 200 zum Entwerfen einer Gradientenspule 3 werden
in abwechselnden Schritten 201 und 202 Parameter
der Struktur der Gradientenspule 3 variiert (201)
und ein von einer Gradientenspule 3 mit einer Struktur
gemäß einer momentanen Variation der Parameter
erzeugtes elektrisches Feld bestimmt (202). Abschließend
wird eine Struktur mit den Parametern, die das elektrische Feld
der Gradientenspule 3 optimieren als Entwurf ausgewählt
(Schritt 203).
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Die
variierten Parameter der Struktur sind insbesondere eine Wickelrichtung
von Teilspulen der Gradientenspule 3 und/oder eine Verschaltungsreihenfolge
der Teilspulen der Gradientenspule 3. Für das
zu erzeugende Magnetfeld kann die Wickelrichtung beliebig gewählt
werden. Dasselbe gilt für die Verschaltungsreihenfolge.
Bei der Wahl der beiden Parameter ist lediglich darauf zu achten,
dass die Flussrichtung des Stromes in jeder Teilspule der Gradientenspule
gemäß dem angestrebten Magnetfeld verläuft.
D. h. wind die Anschlusspolarität einer Teilspule invertiert,
so muss auch die Wickelrichtung invertiert werden. Darüber
hinaus sind die Verschaltungsreihenfolge und die Wickelrichtung
frei variierbar.
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Ein
von der Gradientenspule 3 erzeugtes elektrisches Feld kann
außerdem durch die zu variierenden Parameter der Struktur
der Gradientenspule 3 beeinflusst werden.
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Für
das Verfahren 300 zur Herstellung einer Gradientenspule 3 wird
zunächst wie oben beschrieben mittels des Verfahrens 200 eine
Gradientenspule 3 entworfen. Das Ergebnis des Entwurfs 203 des
Verfahrens 200 zum Entwerfen einer Gradientenspule 3 wird
sodann hergestellt.
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Dabei
werden insbesondere Teilspulen der Gradientenspule 3 in
einer vorbestimmten Wickelrichtung gewickelt (Block 301)
und/oder die Teilspulen der Gradientenspule gemäß einer
vorbestimmten Verschaltungsreihenfolge verschalten (Block 302). Dabei
ist die Wickelrichtung der Teilspulen bzw. die Verschaltungsreihenfolge
derart gewählt, dass ein durch die Gradientenspule 3 erzeugtes
elektrisches Feld optimiert ist. Die vorbestimmte Wickelrichtung bzw.
die vorbestimmte Verschaltungsreihenfolge wurde dabei bereits im
Verfahren 200 zum Entwerfen einer Gradientenspule 3 gewählt.
Das Ergebnis des Verfahrens 300 zur Herstellung einer Gradientenspule 3 ist
die Gradientenspule 3 mit einer, z. B. hinsichtlich einer
Verteilung, eines durch die Gradientenspule erzeugten elektrischen
Feldes optimierten Struktur.
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Weitere
Schritte, wie ein Vergießen der Teilspulen in Harz, sind
bekannt und daher hier nicht beschrieben.
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In 2 ist
schematisch eine „aufgefächerte” Gradientenspule 3 dargestellt,
wobei lediglich die für die Transversalgradienten die eine
Primärspule 3.1 und eine Sekundärspule 3.2 umfasst.
Dabei erzeugt die Primärspule 3.1 das gewünschte
magnetische Feld und die Sekundärspule 3.2, auch
Schirmspule genannt, schirmt das magnetische Feld nach außen
hin ab.
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Die
Primärspule 3.1 umfasst zwei Sattelspulen 3.11 und 3.12,
die je zwei Teilspulen 3.111, 3.112 und 3.121, 3.122 umfassen,
um das gewünschte magnetische Feld durch einen Strom durch
die Primärspule erzeugen zu können. Desgleichen
umfasst die Sekundärspule 3.2 zwei Sattelspulen 3.21 und 3.22, die
je zwei Teilspulen 3.111, 3.112 und 3.121, 3.122 umfassen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die hier als rechtwinklig dargestellten
Teilspulen stark vereinfacht sind. Die tatsächliche Geometrie
der Teilspulen wird in bekannter Weise derart gewählt,
dass ein erzeugtes magnetisches Feld optimiert wird.
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In
der in 2 gewählten Darstellung sind die einzelnen
Teilspulen 3.111, 3.112 und 3.121, 3.122 und 3.111, 3.112 und 3.121, 3.122 zur
besseren Veranschaulichung nebeneinander dargestellt. Tatsächlich
werden jeweils die beiden Sattelspulen 3.11 und 3.12 sowie 3.21 und 3.22 gebogen
und zu einer zylindrischen Primärspule 3.1 bzw.
Sekundärspule 3.2 zusammengesetzt.
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Dies
ist beispielhaft für die Primärspule 3.1 in 3 gezeigt,
in der die Sattelspulen 3.11 und 3.12 auf einen
Träger 9 gewickelt dargestellt sind. Die Sekundärspule 3.2 wird
analog auf einen Träger mit größerem
Durchmesser als der Träger 9 der Primärspule
gewickelt, um später einen Umfang aufzuweisen, der geeignet
ist, die Primärspule 3.1 innerhalb der Sekundärspule 3.2 anzuordnen.
Dabei ist die Sekundärspule 3.2 weiterhin um mindestens
einige Zentimeter von der Primärspule 3.1 beabstandet.
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Die
in 2 angegebene Verschaltungsreihenfolge der Teilspulen
ist: 3.111–3.112–3.121–3.122–3.211–3.212–3.221–3.222.
Durch diese Verschaltungsreihenfolge und die dargestellten Wickelrichtungen
der Teilspulen 3.111 bis 3.222 wird einfach erreicht,
dass in benachbarten Leitern der Gradientenspule keine gegenläufigen Stromrichtungen
vorliegen. Dies ist insbesondere in Bezug auf die äußeren
Windungen benachbarter Teilspulen von Bedeutung. Durch die Optimierung können
große Spannungsdifferenzen zwischen benachbarten Leitern,
und damit Überhöhungen des elektrischen Feldes
an diesen Punkten vermieden werden. Ordnete man zwei benachbarte
Teilspulen, z. B. die Teilspulen 3.111 und 3.121,
derart nah beieinander an, dass die äußeren Windungen
der Teilspulen sich beinahe berühren, kann das, je nach
Verschaltung, zu einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden Leitern
bis zur maximalen Spannung eines Verstärkers der Gradientenspule 3 führen.
Damit hätte man eine extreme Überhöhung
des elektrischen Feldes an diesem Ort.
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Die
gezeigte Gradientenspule 3 ist somit derart optimiert,
dass insbesondere in ihrem zentralen Bereich keine Überhöhungen
des elektrischen Feldes auftreten. Durch die Verschaltungsreihenfolge fließt
ein Strom gemäß den mit „A” bis „P” bezeichneten
Anschlusspunkten der Teilspulen 3.111 bis 3.222 durch
die Gradientenspule. Die Führung der Verbindungen (nicht
dargestellt) zwischen den Anschlusspunkten „A” bis „P” der
Teilspulen 3.111 bis 3.222 kann dabei beliebig
geführt werden, da ein magnetisches Feld, das von einer
solchen Verbindung erzeugt wird gegenüber dem durch die
Teilspulen erzeugten Feld vernachlässigbar ist. In der
Regel werden die Verbindungen daher so geführt werden,
dass ein vorhandener Raum in der Gradientenspule bestmöglich
genutzt wird.
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Hingegen
kann es sinnvoll sein die Führung der Verbindungsleiter
hinsichtlich eines zwischen Verbindungsleiter und Spu le 3 oder
zwischen zwei Verbindungsleitern erzeugten elektrischen Feldes zur
Vermeidung von Spikes zu optimieren.
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4 zeigt
ein Magnetresonanzgerät 100 mit einer Gradientenspule 3,
die eine Primärspule 3.1 und eine Sekundärspule 3.2 umfasst,
die von einer Magneteinheit 1 umgeben sind. Die Gradientenspule 3 umgibt
einen Patiententunnel T, in dem ein Patient auf einem Patientenlagerungstisch 7 eingebracht werden
kann, um einer Untersuchung unterzogen zu werden. Weitere Teile,
wie Steuereinheiten und Hochfrequenzeinheiten, des Magnetresonanzgeräts 100 sind
bekannt und der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Die
Gradientenspule 3 ist beispielsweise durch oben beschriebene
Verfahren derart hergestellt, dass Teilentladungen zwischen Teilspulen 3.111 bis 3.222 der
Gradientenspule 3 durch eine geeignete Verteilung des durch
die Gradientenspule 3 erzeugten elektrischen Feldes vermieden
werden. Wie bereits oben erwähnt, kann so die Bildung von „Spikes” vermieden
werden.
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Weiterhin
kann das Magnetresonanzgerät 100 ein kombiniertes
PET-MR-System sein, und zusätzlich eine PET-Detektionsvorrichtung 5 umfassen. Die
PET-Detektionsvorrichtung 5 ist dabei ebenfalls in dem
Patiententunnel T in einem zentralen Bereich der Gradientenspule 3 angeordnet
und ist von der Gradientenspule 3 umgeben. Die Elektronik
der PET-Detektionsvorrichtung 5 ist dabei auf umgebende
elektrische Felder empfindlich und kann, z. B. durch lokal überhöhte
elektrische Felder gestört werden. Durch geschickte Wahl
der Verschaltungsreihenfolge und der Wickelrichtung von Teilspulen 3.111 bis 3.222 der
Gradientenspule 3 kann aber ein von der Gradientenspule 3 erzeugtes
elektrisches Feld derart optimiert werden, dass es im Bereich der PET-Detektionsvorrichtung 5 des
kombinierten PET-MR-Systems 100 minimiert ist und/oder
keine Überhöhungen des elektrischen Feldes entstehen, die
die Elektronik der PET-Detektionsvorrichtung 5 stören
können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0102641
A1 [0006]