DE102011089445A1

DE102011089445A1 - Verfahren zur Reduzierung von mechanischen Schwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem

Info

Publication number: DE102011089445A1
Application number: DE102011089445A
Authority: DE
Inventors: Peter Dietz; Andreas Krug
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: CN103176151A; US9229078B2; DE102011089445B4; CN103176151B; US20130162249A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von mechanischen Schwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem,
mit einem Gradientensystem (100), das einen Gradientenspulenkörper (200) und eine ganz oder teilweise den Gradientenspulenkörper (200) umgreifende, elektrisch leitfähigen Ummantelung (150) umfasst, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bestimmung einer mechanischen Eigenschwingungsmode (s) des Gradientenspulenkörpers (200) in dem Magnetresonanzbildgebungssystem (10); Bestimmung von Anregungskraftkomponenten (f) für diese Eigenschwingungsmode (s); Bestimmung von elektrisch leitfähigen Bereichen des Gradientensystems (100), die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems eine Lorentzkraftkomponente (l) erzeugen, die zu den Anregungskraftkomponenten (f) beitragen; Modifikation der bestimmten elektrisch leitfähigen Bereiche so, dass möglichst wenige der Lorentzkraftkomponenten (l) mit den bestimmten Anregungskraftkomponenten (f) übereinstimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduzierung von mechanischen Schwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem und darüber hinaus ein Gradientensystem, das nach dem Verfahren zur Reduzierung von mechanischen Schwingungen konstruiert ist, sowie ein Magnetresonanzbildgebungssystem mit einem derartigen Gradientensystem.
Bildgebende Systeme, die auf einem Verfahren der Magnetresonanzmessung, insbesondere von Kernspins, basieren, sogenannte Magnetresonanztomographen, haben sich durch vielfältige Anwendungen erfolgreich etabliert und bewährt. Dabei wird üblicherweise zur Datenakquisition ein statisches Grundmagnetfeld, das zur Anfangsausrichtung und Homogenisierung von zu untersuchenden magnetischen Dipolen dient, zur Ortsauflösung des bildgebenden Signals mit einem schnell geschalteten Magnetfeld, dem sogenannten Gradientenfeld, überlagert. Je nach Betriebsart des Bildgebungssystems werden dabei unterschiedliche Schaltsequenzen und Magnetfeldstärken angewandt. Das Gradientenspulensystem zur Erzeugung des Gradientenfeldes ist typischerweise ein schnell geschaltetes elektrisch betriebenes Magnetsystem mit einer oder mehreren Gradientenspulen, die üblicherweise Magnetfelder in zueinander orthogonalen Raumrichtungen x, y und z erzeugen. Die Gradientenspulen sind zu einem Gradientenkörper vergossen. Im Folgenden wird das Gradientenspulensystem auch kurz als „Gradientensystem“ bezeichnet.
Aufgrund der Wechselwirkung des Gradientensystems mit dem Grundmagnetfeld, das typischerweise hohe Magnetfeldstärken von einigen Tesla aufweist, ist das Gradientensystem immensen Belastungskräften ausgesetzt. Das Gradientensystem wird dabei in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Bildgebungssystems zu starken mechanischen Schwingungen angeregt, die u. a. von der Frequenz der Umschaltung des Gradientenfeldes von der Dämpfung durch die Lagerung des Gradientensystems abhängen. Die Systemrandbedingungen der Lagerung und Dämpfung sowie die mechanischen Eigenschaften des Gradientensystems resultieren in der Ausbildung von Eigenschwingungen des Gradientensystems in dem Magnetresonanzbildgebungssystem.
Zur Verbesserung der Bildqualität (Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses) erreichen die zumeist mit Hilfe von supraleitenden Magnetspulen erzeugten Grundmagnetfelder Stärken von 3 Tesla und mehr. Beim Betrieb von supraleitenden Magnetspulen erhöht sich die Gefahr des Zusammenbrechens der Supraleitung mit Zunahme des Betriebsstromes der supraleitenden Spulen.
Streufelder des Gradientensystems führen zu starken Belastungen des Grundmagnetsystems und induzieren insbesondere Wirbelströme in einem typischerweise leitfähige Materialien umfassenden Kälteschild des supraleitenden Grundmagnetsystems, die zu einem verstärkten Wärmeeintrag in das Kühlsystem des Grundmagneten führen. Dies kann bis zum Zusammenbrechen der Supraleitung während des normalen Betriebs des Magnetresonanzbildgebungssystems führen. Das Magnetresonanzbildgebungssystem kann dadurch nachhaltig zerstört werden.
Darüber hinaus verstärken sich auch die auf das Gradientensystem wirkenden Lorentzkräfte mit Zunahme der Stärke des Grundmagnetfeldes, sodass die Schwingungsanregung des Gradientensystems in einem Grundmagnetfeld der beschriebenen Stärke zu starker Lärmbelastung führt und auch die Bilderfassung beeinträchtigen kann.
Somit ist es unumgänglich, die Wechselwirkung von Streufeldern des Gradientensystems, insbesondere gegenüber dem Grundmagneten, der das Grundmagnetfeld von z. B. 3T und mehr erzeugt, zu unterdrücken und darüber hinaus auch mechanische Schwingungen zu reduzieren bzw. deren Anregung abzuschwächen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit die Abschirmung von Streufeldern eines Gradientensystems bei gleichzeitiger Optimierung und Reduzierung von mechanischen Schwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Verfahrens nach Anspruch 1 und einem Gradientensystem nach Anspruch 8 sowie einem Magnetresonanzbildgebungssystem nach Anspruch 9 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Reduzierung von mechanischen Schwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem vorgeschlagen, mit einem Gradientensystem, das einen Gradientenspulenkörper mit einer Anzahl von Gradientenspulen und eine ganz oder teilweise den Gradientenspulenkörper umgreifende, elektrisch leitfähige Ummantelung bzw. Abschirmung aufweist. Die Abschirmung ist insbesondere vorgesehen, um Streufelder des Gradientensystems abzuschirmen. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:
Zum einen werden mechanische Eigenschwingungsmode des Gradientenspulenkörpers in dem Magnetresonanzbildgebungssystem sowie Anregungskraftkomponenten für diese Eigenschwingungsmode bestimmt.
Zum anderen werden elektrisch leitfähige Bereiche des Gradientensystems bestimmt, die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems eine Lorentzkraftkomponente erzeugen, die zu den Anregungskraftkomponenten beiträgt. Die elektrisch leitfähigen Bereiche umfassen dabei erfindungsgemäß sowohl die Gradientenspulen des Gradientensystems als auch die elektrisch leitfähige Ummantelung.
Weiterhin erfolgt eine Modifikation der bestimmten elektrisch leitfähigen Bereiche so, dass möglichst wenige der Lorentzkraftkomponenten mit den Anregungskraftkomponenten übereinstimmen bzw. die Anregungskraft der Eigenschwingung minimal ist.
Ein erfindungsgemäßes Gradientensystem umfasst folglich einen Gradientenspulenkörper mit einer Anzahl von Gradientenspulen und eine ganz oder teilweise den Gradientenspulenkörper umgreifende, elektrisch leitfähige Ummantelung, wobei zur Konstruktion bzw. Herstellung dieses Gradientensystems das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird.
Ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzbildgebungssystem enthält dementsprechend ein solchermaßen aufgebautes Gradientensystem. Daneben enthält das Magnetresonanzbildgebungssystem eine Vielzahl von weiteren üblichen Komponenten, wie z. B. den erwähnten Grundmagneten, ein Hochfrequenzsendesystem, ein Hochfrequenzempfangssystem, eine ansteuerbare Patientenliege, eine Steuereinrichtung etc., um nur einige Komponenten zu nennen. Grundsätzlich sind dem Fachmann der Aufbau und die Betriebsweise eines Magnetresonanzbildgebungssystems sowie die benötigten Komponenten bekannt, so dass auf genauere Erläuterungen hierzu verzichtet werden kann.
Mit Hilfe der Erfindung kann durch die leitfähige Ummantelung einerseits eine wirkungsvolle wenigstens teilweise Abschirmung von Streufeldern des Gradientensystems erreicht werden. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Idee zugrunde, Pfade von Wirbelströmen, die durch das Magnetsystem in der leitfähigen Ummantelung induziert werden, so zu wählen, dass aus ihnen möglichst Lorentzkraftkomponenten resultieren, die nicht zu einer Anregung von Eigenschwingungen des Magnetsystems beitragen können. Mechanische Eigenschwingungen des Magnetresonanzbildgebungssystems werden so reduziert und die Anregungskraft der Eigenschwingung wird minimal.
Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass sich die notwendige Abschirmungswirkung gegenüber den Streufeldern durch die leitfähige Ummantelung bzw. Abschirmung bei Modifikation von Wirbelstrompfaden in bzw. auf der Ummantelung nur geringfügig ändert und eine unwesentliche Änderung der Stabilität bzw. Gewichtsverteilung des Gradientenspulenkörpers erreicht werden kann.
Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, wobei die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein können.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Gradientenspulenkörper um einen länglichen rohrartigen Gradientenspulenkörper, dessen Längsachse bzw. Längsausdehnung in Richtung des einleitend beschriebenen Grundmagnetfelds orientiert ist. Die Richtung der Längsausdehnung ist somit im Folgenden mit der Orientierungsrichtung des Grundmagnetfelds synonym bezeichnet.
Dabei ist hervorzuheben, dass die Erfindung nicht auf einen rohrartigen Gradientenspulenkörper beschränkt ist, beispielsweise kann der Gradientenspulenkörper auch einen im Wesentlichen „C“- bzw. „U“-förmigen Querschnitt orthogonal zu seiner Längsausdehnung aufweisen.
Wie bereits angedeutet, kann die Abschirmwirkung durch die leitfähige Ummantelung bestimmt werden. Dabei sollte vorzugsweise die Ummantelung in der Lage sein, den Wirbelstrom ohne zu große thermische Verluste zu leiten. Insbesondere kann dazu vorteilhafterweise auch der Skin-Effekt, der die Eindringtiefe von Wirbelströmen in die Ummantelung bestimmt, berücksichtigt werden.
Dies kann beispielsweise bei der Anpassung der Dicke der Ummantelung erfolgen, um die Wärmeentwicklung durch die Wirbelströme in vertretbaren Grenzen zu halten und die Dicke hinsichtlich abzuschirmender Streufelder zu optimieren. Dabei kann die elektrisch leitfähige Ummantelung eine Dicke quer zu einer Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers aufweisen, die der Skin-Eindringtiefe, einer aufgrund des Skin-Effekts festgelegten Eindringtiefe in die Ummantelung von induzierten Wirbelströmen, wenigstens entspricht.
Bevorzugt weist die leitfähige Ummantelung eine Dicke auf, die eine weitgehend vollständige Abschirmung des Magnetfelds des Gradientensystems wenigstens quer zu der Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers bedingt. Vorzugsweise beträgt die Dicke der Ummantelung (quer, vorzugsweise senkrecht, zur Längsachse des Gradientenspulenkörpers) hierzu mindestens 0,5 mm und/oder maximal 5 mm.
Außerdem weist die Ummantelung bei den erwähnten Schichtdicken bevorzugt mindestens eine spezifische Leitfähigkeit von 1,6·10⁷ S/m auf.
Bevorzugt umschließt die elektrisch leitfähige Ummantelung den Gradientenspulenkörper auch in Umfangsrichtung vollständig, um beispielsweise radiale Streufelder so weit wie möglich vollständig abzuschirmen.
Eine vollständige Ummantelung in Umfangsrichtung ist dabei insbesondere so aufzufassen, dass die Ummantelung bzw. Abschirmung mehrere Bereiche aufweist, die in Umfangsrichtung durchgängig den Gradientenspulenkörper umschließen. Bevorzugt sind mindestens 70% der Umfangsfläche des Gradientenspulenkörpers, besonders bevorzugt 100%, in Umfangsrichtung durch die Ummantelung umschlossen, sodass eine optimale Abschirmungswirkung daraus resultiert. Fehlende Flächen sollten dabei vorzugsweise die grundsätzlichen Bahnen der Wirbelströme nicht unterbrechen. d.h. es sollte sich vorzugsweise nicht um durchgehende Schlitze handeln, die die leitfähige Fläche in Teilflächen zerlegen. So kann dafür gesorgt werden, dass die Abschirmwirkung allenfalls wenig beeinträchtigt wird.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die leitfähige Ummantelung ein oder mehrere Modifikationselemente, beispielsweise im Verhältnis zur Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers kurze Schlitze oder andere zur räumlichen Strombegrenzung bzw. Stromführung ausgebildete Elemente, zur Veränderung von Lorentzkräften von induzierten Strömen bzw. zur Veränderung des Strompfades induzierter Ströme auf.
Beispielsweise kann mit Hilfe der Modifikationselemente das Einschließen oder das Ausschließen von bestimmten Bereichen der leitfähigen Ummantelung in den Strompfad von induzierten Wirbelströmen und somit eine Veränderung der induzierten Wirbelstromverteilung erreicht werden, sodass eine Verschiebung von Lorentzkraftkomponenten mit Hilfe der Verschiebung des Strompfades bzw. der Veränderung der Wirbelstromverteilung erreicht wird.
Bevorzugt umfassen die Modifikationselemente eine oder mehrere Ausnehmungen in der leitfähigen Ummantelung, die beispielsweise die bereits erwähnten Schlitze umfassen können. Darüber hinaus könnten die Ausnehmungen jedoch beispielsweise auch so gewählt sein, dass die Dicke der Ummantelung gegenüber einer gemittelten Dicke der Ummantelung am Ort der Ausnehmung reduziert ist. Die Abschirmungswirkung der leitfähigen Ummantelung wird dadurch nicht bzw. kaum verändert, gleichzeitig erfolgt eine Verschiebung des Wirbelstrompfades.
Darüber hinaus ist auch denkbar, dass die leitfähige Ummantelung aus mehreren Schichten besteht, die leitfähig oder auch besonders bevorzugt durch Isolatoren miteinander verbunden sind. Ein Modifikationselement kann in diesem Fall durch die Kombination mehrerer Ummantelungsschichten gebildet sein, wobei die leitfähigen Schichten sich z. B. in der Oberflächenform unterscheiden können.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch eine Modifikation von Wirbelstrompfaden in der leitfähigen Ummantelung eine oder mehrere der bestimmten Lorentzkraftkomponenten, die auf die leitfähige Ummantelung wirken, in eine Knotenebene der Eigenschwingungsmode verschoben.
Als Knotenebene einer Eigenschwingungsmode kann eine Ebene aufgefasst werden, die einen oder besonders bevorzugt mehrere Punkte im oder am Gradientenspulenkörper, bzw. insbesondere Punkte eines von dem Gradientenspulenkörper eingeschlossenen Volumens aufweist, die bei Anregung der Eigenschwingungsmode in Ruhe bleiben, also ortsfest beim Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems angeordnet sind. Für die Betrachtung können Punkte des eingeschlossenen Volumens als mit dem Gradientenspulenkörper verbunden aufgefasst werden. Dabei ist bevorzugt ein Normalenvektor der betrachteten Knotenebenen parallel zur Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers orientiert.
Durch die Verschiebung in eine Knotenebene kann die Anzahl bzw. die Vektorsumme der Lorentzkraftkomponenten, die zu einer Anregung einer Eigenschwingungsmode des Magnetsystems beitragen, reduziert werden, sodass hierdurch eine verminderte Anregung von Eigenschwingungsmoden resultiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei für mehrere zueinander unterschiedliche Eigenschwingungsmoden, bevorzugt für mehrere Eigenschwingungsmoden gleichzeitig, angewandt werden. Ein anfänglicher Schritt des Verfahrens umfasst an Stelle der Bestimmung nur einer mechanischen Eigenschwingungsmode des Gradientenspulenkörpers in dem Magnetresonanzbildgebungssystem dann die Bestimmung mehrerer mechanischer Eigenschwingungsmoden des Gradientenspulenkörpers. In diesem Fall ist in einem weiteren Schritt des Verfahrens die Bestimmung von Anregungskraftkomponenten für diese Eigenschwingungsmoden vorgesehen. Ferner erfolgt in einem weiteren Schritt die Bestimmung von elektrisch leitfähigen Bereichen des Magnetsystems, die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems eine Lorentzkraftkomponente erzeugen, die zur Anregungskraft beitragen, wobei die elektrisch leitfähigen Bereiche sowohl die Gradientenspulen als auch die elektrisch leitfähige Ummantelung umfassen. Analog zu vorbeschriebener Weise erfolgt in einem nachfolgenden Schritt eine Modifikation der bestimmten elektrisch leitfähigen Bereiche so, dass möglichst wenige der Lorentzkraftkomponenten mit den bestimmten Anregungskraftkomponenten übereinstimmen bzw. die Anregungskraft der Eigenschwingung minimal ist.
Insbesondere können gemeinsame Knotenebenen dieser Eigenschwingungen bestimmt werden, sodass der Strompfad induzierter Wirbelströme besonders bevorzugt eine Verschiebung von Anteilen von Wirbelstrompfaden in diese gemeinsamen Knotenebenen erfolgen und so eine gleichzeitige Reduktion der Anregung von mehreren zueinander unterschiedlichen Eigenschwingungsmoden erreicht werden kann.
Bevorzugt ist durch das erfindungsgemäße Verfahren somit auch ein Magnetresonanzbildgebungssystem festgelegt, mit einem Gradientensystem, das einen Gradientenspulenkörper mit einer Anzahl an Gradientenspulen und eine ganz oder teilweise den Gradientenspulenkörper umgreifende, elektrisch leitfähige Ummantelung aufweist. Dabei weist die elektrisch leitfähige Ummantelung einen Bereich auf, der in einer Knotenebene einer Eigenschwingungsmode angeordnet ist, wobei der Bereich im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems die höchste Stromdichte von in bzw. an der leitfähigen Ummantelung induzierten Wirbelströmen leitet.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Dabei sind in den verschiedenen Figuren gleiche Komponenten mit identischen Bezugsziffern versehen.
Es zeigen:
1 eine grob schematische Darstellung eines Magnetresonanzbildgebungssystems mit einer möglichen Wirbelstromverteilung, die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems in bzw. an der elektrische leitfähigen Ummantelung eines Gradientensystems auftritt,
2 eine dreidimensionale Darstellung einer Eigenschwingung des Gradientenspulenkörpers,
3 eine zweidimensionale Darstellung einer Eigenschwingung des Gradientenspulenkörpers, und
4 eine Darstellung wie in 1, wobei jedoch die gezeigte Wirbelstromverteilung mit Hilfe von Modifikationselementen geändert wird.
Im Betrieb eines Magnetresonanzbildgebungssystems 10 werden, wie oben erwähnt, gewöhnlich supraleitende Gradientenspulen genutzt, um ein statisches, homogenes Grundmagnetfeld B0 zu erzeugen und eine Grundausrichtung von magnetischen Momenten parallel zum Grundmagnetfeld B0 vorzunehmen, sodass eine definierte Magnetisierung eines abzubildenden Objekts vorliegt. Diese definierte Magnetisierung bildet einen Ausgangszustand für eine Magnetresonanzmessung. Das Grundmagnetfeld B0 erreicht in modernen Magnetresonanzbildgebungssystemen eine Stärke von 3 Tesla und mehr, sodass in die supraleitenden Gradientenspulen ein extrem hoher Betriebsstrom eingeprägt ist und die Gradientenspulen sehr empfindlich gegenüber Störungen des Systems sind. Diese Störungen des supraleitenden Systems können bis zum Zusammenbruch der Supraleitung führen, der das supraleitende Magnetsystem nachhaltig beschädigen kann.
Die supraleitenden Gradientenspulen werden im Betrieb durch ein mit flüssigem Kühlmittel, insbesondere flüssigem Helium, betriebenes Kryostatsystem gekühlt, um eine widerstandlose Stromleitung zu erreichen. Die Rate der Verdampfung des Kühlmittels hängt vom Wärmeeintrag in das Kryostatsystem ab und erhöht sich drastisch, wenn beispielsweise Kälteschilde des Kryostatsystems dadurch wirkungslos werden, dass sie selbst eine Wärmequelle darstellen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn in metallischen Kälte- oder Strahlungsschilden, die typischerweise auch dünne bedampfte Folien umfassen, oder auch anderen Elementen des Kryostatsystems Wirbelströme induziert werden.
Es ist somit unumgänglich, insbesondere beim empfindlichen Betrieb mit Magnetfeldstärken von mehr als 3T, Induktionsströme durch Streufelder in bzw. an dem Kryostatensystem, das die supraleitende Magnetspule aufnimmt, zu vermeiden.
Eine bedeutende Quelle für Streufelder, die auf das Kryostatsystem und die supraleitende Spule bzw. Spulen wirken, stellt wie erwähnt das Gradientensystem des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 dar, welches schnell geschaltete Magnetfelder typischerweise in drei Raumrichtungen zur Ortsauflösung des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 erzeugt.
Aus dem Vorbeschriebenen wird deutlich, dass es insbesondere wünschenswert ist, Streufelder des Gradientensystems oder auch anderer Magnetsysteme, die auf das Kryostatsystem wirken, zu minimieren.
1 zeigt ein Magnetresonanzbildgebungssystem 10, wobei das Magnetresonanzbildgebungssystem 10 bis auf für die Erfindung besonders signifikante Elemente nur als ein Block schematisch dargestellt ist. Das Magnetresonanzbildgebungssystem 100 umfasst neben einer Vielzahl von Elementen wie beispielsweise Sendespulen, Empfangsspulen, Verstärker sowie zugeordnete Steuerungseinrichtungen beispielsweise auch einen sogenannten Patiententunnel, in dem ein Messraum angeordnet ist, in welchem ein homogenes Grundmagnetfeld B0 vorliegt, das in z-Richtung orientiert ist. Weiterhin umfasst das Magnetresonanzbildgebungssystem 10 ein Gradientensystem 100 mit einem Gradientenspulenkörper, dessen Längsausdehnung in Richtung des Grundmagnetfelds B0 orientiert ist, wobei die Darstellung des Gradientensystems 100 ebenfalls nur schematisch ist und sich wiederum nur auf signifikante Elemente der Erfindung beschränkt.
Im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 wirken Lorentzkräfte auf stromführende Abschnitte des Gradientensystems 100, die mit der Stärke des Grundmagnetfeldes B0 wachsen und das Gradientensystem 100 zu Schwingungen anregen. Diese Schwingungen sind eine nicht unerhebliche Lärmquelle, sodass eine Reduktion der Schwingungen ein entscheidendes Entwicklungsziel beim Entwurf von Magnetresonanzbildgebungssystemen 10 ist. Insbesondere können diese Schwingungen auch die Qualität der Bildgebung erheblich beeinflussen.
Die vorliegende Erfindung realisiert beide Entwicklungswünsche in synergetischer Art und Weise und schlägt ein Verfahren zur Reduzierung von mechanischen Schwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem 10 vor, das gleichzeitig Streufelder des Gradientensystems 100 unterdrückt und die Lärmbelastung durch Schwingungen des Gradientensystems 100 reduziert.
Diese Entwicklungsziele schließen sich gewöhnlich gegenseitig aus, da beispielsweise Abschirmeinrichtungen für Streufelder eine vorgegebene Leiterkonfiguration erfordern können. Ferner umfassen die Abschirmeinrichtungen für Streufelder des Gradientensystems 100 typischerweise leitfähige Materialien, in welche durch die Streufelder des Gradientensystems 100 Wirbelströme induziert werden, die wiederum einen Angriffspunkt für Lorentzkräfte, erzeugt durch das Grundmagnetfeld, darstellen.
Die Abschirmeinrichtungen werden so selbst zu Schwingungen angeregt oder verstärken die Schwingungen des Gradientensystems 100 in dem Magnetresonanzbildgebungssystem 10, sodass sich dadurch die Lärmbelastung beim Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 erhöht.
Somit scheint das technische Limit in einem Kompromiss zwischen Abschirmungswirkung und resultierender Lärmbelastung durch Abschirmeinrichtungen zu bestehen.
Die Erfindung schlägt, über dieses augenscheinliche technische Limit hinaus, ein Verfahren zur Reduzierung von mechanischen Schwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem 10 vor.
Wie bereits erwähnt und aus 1 ersichtlich, umfasst das Magnetresonanzbildgebungssystem 10 ein Gradientensystem 100, das hier einen länglichen rohrartigen Gradientenspulenkörper 200 mit einer oder mehreren Gradientenspulen aufweist. Das Gradientensystem 100 umfasst eine den Gradientenspulenkörper 200 in Umfangsrichtung vollständig umgreifende, elektrisch leitfähige Ummantelung 150, die in dem Ausführungsbeispiel aus 2mm dickem Kupfer gebildet wird. Dies entspricht in etwa der Begrenzung der Eindringtiefe von Wirbelströmen durch den Skin-Effekt, also der sogenannten Skin-Eindringtiefe.
Die Ummantelung 150 bildet in diesem Fall eine Abschirmeinrichtung für Streufelder des Gradientensystems 100, die fest mit dem Gradientenspulenkörper 200 verbunden ist. Ausdehnung und Orientierung der Ummantelung 150 bestimmen die Abschirmwirkung der Ummantelung 150. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei die Erkenntnis, dass die Abschirmwirkung einer Ummantelung auf Wirbelströmen 155 beruht, die ohne zu große Veränderung der Abschirmwirkung leicht in ihrem Verlauf veränderbar sind. Dies trifft beispielsweise auf aktive Abschirmeinrichtungen wie beispielsweise zur Abschirmung gegenläufig gewickelte Spulen nicht zu, sodass für aktive Abschirmeinrichtungen der oben angesprochene Kompromiss das technische Limit darstellt. Insbesondere ist hervorzuheben, dass die Wirbelstromverteilung bis zu einem gewissen Grad als selbstorganisierend betrachtet werden kann, sodass sich wiederum eine optimale Abschirmwirkung einstellt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die nachfolgend beschriebenen Schritte vorgesehen, um eine Reduzierung von mechanischen Schwingungen in dem Magnetresonanzbildgebungssystem zu ereichen.
In einem anfänglichen Schritt erfolgt die Bestimmung einer mechanischen Eigenschwingungsmode s des Gradientenspulenkörpers 200 in dem Magnetresonanzbildgebungssystem 10.
Die Ermittlung einer Eigenschwingungsmode s kann beispielsweise während der Entwurfsphase des Magnetresonanzbildgebungssystems 10, bevorzugt mit Hilfe einer Simulation, erfolgen. Dabei kann beispielsweise ein Modell zur Beschreibung einer gedämpften mechanischen Schwingung Mφ .. + Dφ . + Kφ = 0 (1) zugrunde liegen, wobei die Eigenschwingungsmode s mit Hilfe der Bestimmung eines Eigenwertes bzw. einer Eigenfrequenz ω aus dem Ansatz φ = exp(iωt)Φ (2) erfolgen kann. Dabei beschreibt Gleichung (2) eine Schwingungsgleichung mit der Eigenfrequenz ω für einen Eigenvektor Φ einer Eigenschwingungsmode s, wobei der Eigenvektor die Auslenkung des Gradientensystems am Ort x beschreibt. In dem Modell beschreibt M eine Massenmatrix, K eine Elastizitätsmatrix und D eine Dämpfungsmatrix, wobei die jeweils besagten Matrizen zugeordneten Eigenschaften des Gradientensystems 100 und insbesondere des Gradientenspulenkörpers 200 sowie der Ummantelung 150 so dem Modell hinzugefügt werden.
Darüber hinaus ist auch die direkte Messung von Eigenschwingungsmoden s in dem Magnetresonanzbildgebungssystem 10 von bereits existierenden Gradientensystemen 100 denkbar. Bevorzugt beschränkt sich der Frequenzbereich, aus dem die bestimmte Eigenschwingungsmode s ausgewählt bzw. in dem nach Eigenschwingungsmoden gesucht wird, auf Schwingungsfrequenzen, die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems anregbar sind, also beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebsart des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 festgelegt sind. Dabei kann bevorzugt ein Frequenzintervall berücksichtigt werden, das durch die am häufigsten genutzte Betriebsart des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 bestimmt ist.
Eine typische Eigenschwingungsmode s des Gradientensystems 100 bzw. des Gradientenspulenkörpers 200 ist beispielsweise dreidimensional in 2 und zweidimensional in 3 dargestellt. Die Eigenschwingungsmode s bestimmt in diesem Fall zwei Knotenebenen k1 und k2, wobei Teile des Gradientenspulenkörpers 200, die in diesen Knotenebenen k1, k2 angeordnet sind, bei Anregung der Eigenschwingungsmode s ortsfest, also in Ruhe, bleiben.
Weitere besonders bevorzugt bestimmte Eigenschwingungsmoden s umfassen grundlegende Zylindermoden, die mit Hilfe von 4,6 oder höherer geradzahliger Anzahl von Knotenebenen beschrieben werden.
In einem nachfolgenden Schritt werden Anregungskraftkomponenten f für diese Eigenschwingung s bestimmt. Insbesondere kann dieser Schritt kombiniert mit einem weiteren nachfolgenden Schritt erfolgen, in dem elektrisch leitfähige Bereiche des Gradientensystems 100 bestimmt werden, die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 Lorentzkraftkomponenten l erzeugen, die zu Anregungskraftkomponenten f beitragen. Dabei umfassen die elektrisch leitfähigen Bereiche sowohl die Gradientenspulen als auch die elektrisch leitfähige Ummantelung 150.
Die Bestimmung der Anregungskraftkomponenten f kann sich dann auf die elektrisch leitfähigen Bereiche beschränken.
In 1 ist dies exemplarisch für einen Wirbelstrom 155 und einige Anregungskraftkomponenten f bzw. Lorenzkraftkomponenten l durchgeführt, die radial zur Richtung der Längsausdehnung wirken. Insbesondere kann dabei eine Beschränkung auf elektrisch leitfähige Bereiche erfolgen, die Ströme tragen, die einen Winkel ungleich Null mit dem Grundmagnetfeld B0 einschließen. Im Fall der elektrisch leitfähigen Ummantelung schließt die Beschränkung Wirbelstromanteile aus, die parallel bzw. antiparallel zum Grundmagnetfeld B0 orientiert sind.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Bestimmung der Anregungskraftkomponenten f und Lorenzkraftkomponenten l beispielsweise mit Hilfe eines Partizipationsfaktorenansatzes durchgeführt werden. Die mit Hilfe des Partizipationsfaktorenansatzes ermittelten Partizipationsfaktoren beschreiben das Maß der Anregung der Eigenschwingung s durch die Lorentzkraftkomponenten l und stellen daher ein Maß für die Anregungskraftkomponenten f dar.
Im Rahmen der Erfindung ist denkbar, dass das Verfahren zur Reduzierung mechanischer Schwingungen für mehrere Eigenschwingungsmoden gleichzeitig angewandt wird, also in einem ersten Schritt mehrere Eigenschwingungsmoden s des Gradientensystems 100 ausgewählt werden. Die Eigenschwingungsmoden s, repräsentiert durch ihre Eigenvektoren Φ, bilden algebraisch ein Basissystem (minimales Erzeugendensystem aus linear unabhängigen Vektoren). Die Lorenzkraft, gebildet aus den Lorenzkraftkomponenten l, kann in diesem Basissystem linear entwickelt werden; dies repräsentiert den sogenannten Partizipationsfaktorenansatz. Die Entwicklungskoeffizienten bilden dann die bereits erwähnten Partizipationsfaktoren P und bilden ein Skalarprodukt zwischen der Lorentzkraft an einem bestimmten Ort und einem Vektor, der die Eigenschwingungsmode s an diesem Ort repräsentiert, also die Bewegung des Gradientensystems 100 und insbesondere des Gradientenspulenkörpers 200 sowie der Ummantelung 150 an diesem Ort beschreibt und beispielsweise einem Eigenvektor Φ entspricht. Formal kann dies durch die Darstellung P = Φ·F_l (3) abgebildet werden, wobei F_l die Summe der Lorenzkraftkomponenten l beschreibt.
Die Erfindung bezieht einen induzierten Wirbelstrom in eine Betrachtung der Lorentzkraftverteilung, die auf den Gradientenspulenkörper 200 sowie die Ummantelung 150 wirkt, ein. Eine besondere Schwierigkeit kann in diesem Zusammenhang die Bestimmung der leitfähigen Bereiche der Ummantelung 150 hervorrufen, die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 eine Lorentzkraftkomponente l erzeugen, die zur Anregungskraftkomponente f beitragen.
Dazu ist es notwendig, die Wirbelstromverteilung in der Ummantelung 150 zu ermitteln; unterschiedliche Möglichkeiten sind dazu denkbar.
Beispielsweise kann bei vollständiger Absorption von Streufeldern des Magnetsystems davon ausgegangen werden, dass sich ein Wirbelstrom so einstellen wird, dass in der Ebene der Oberfläche der elektrisch leitfähigen Ummantelung 150 Feldkomponenten eines mit einem schnell geschalteten Magnetfeld einhergehenden elektrischen Felds verschwinden.
Eine weitere Möglichkeit, die Wirbelstromverteilung zu bestimmen, besteht darin, eine Koppelinduktivität zwischen Gradientenspulen, die in dem Gradientensystem 100 ein Streufeld erzeugen, und der Ummantelung 150 zu berücksichtigen und zu berechnen. Die Koppelinduktivität legt dann eine Spannung fest, die aufgrund der zeitlichen Änderung des Stroms durch die Gradientenspulen in der Ummantelung induziert wird. Darüber hinaus wird die Eigeninduktivität der Ummantelung im Bereich der Fläche der Wirbelstromverteilung berücksichtigt, wobei – durch die Koppelinduktivität bestimmt – aufgrund des magnetischen Flusses durch die Wirbelstromverteilung in besagter Fläche in gleicher Weise proportional zur Änderung der Stromverteilung eine Spannung in der Ummantelung 150 induziert wird. Bei gleicher Zeitabhängigkeit und gleichen induzierten Spannungen ergibt sich der induzierte Wirbelstrom aus dem reziproken Verhältnis der negativen Koppelinduktivität der Gradientenspulen zu der Eigeninduktivität der Ummantelung 150 multipliziert mit der Stromänderung durch die Gradientenspulen.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Wirbelstromverteilung mit Hilfe einer Finite-Element-Methode zu bestimmen, bevorzugt mit Hilfe eines elektronischen Rechnersystems.
Der Beitrag der in bzw. an der Ummantelung 150 induzierten Wirbelstromverteilung kann als additiver Term in der Partizipationsfaktorenberechnung eingebracht werden, sodass explizit Anregungskraftkomponenten f identifizierbar sind, die auf die Wirbelstromverteilung in der leitfähigen Ummantelung 150 zurückgeführt werden können.
Diese kann beispielsweise auch bei der Optimierung des Gradientensystems 100 im Zusammenwirken mit der elektrisch leitfähigen Ummantelung berücksichtig werden. Die besagten additiven Terme können in der Ermittlung eines Minimums einer sogenannten Zielfunktion, beispielsweise der quadratischen Funktion der Stromverteilung, berücksichtigt werden oder zum Beispiel auch als sogenannte lineare Nebenbedingung in diese eingebracht werden.
Nach Bestimmung der Anregungskraftkomponenten f können ungünstige bzw. die gravierendsten Beiträge durch die leitfähige Ummantelung 150 identifiziert werden und explizit einem Eigenvektor der mechanischen Schwingungen bzw. einer Eigenschwingungsmode s zugeordnet werden. Dabei kann zur Bestimmung der gravierendsten Beiträge beispielsweise ein örtlicher Schwellwert für die Stärke und Richtung einer Lorenzkraftkomponente festgelegt sein, und alle Lorenzkraftkomponenten, die diesen Schwellwert überschreiten, werden entsprechend mit Hilfe der Erfindung, wie nachfolgend beschrieben, verändert.
In einem weiteren Schritt erfolgt eine Modifikation der bestimmten elektrisch leitfähigen Bereiche so, dass möglichst wenige der Lorentzkraftkomponenten l mit den bestimmten bzw. identifizierten Anregungskraftkomponenten f übereinstimmen. Dies wird im Folgenden genauer beschrieben. Der auch durch die zuvor beschriebene Identifikation bzw. Bestimmung von Lorenzkraftkomponenten bestimmte Wirkort der Lorentzkraftkomponenten wird gezielt durch Modifikation der leitfähigen Ummantelung 150 verändert.
Insbesondere ist nochmals hervorzuheben, dass das zuvor beschriebene Verfahren für mehrere zueinander unterschiedliche Eigenschwingungsmoden s gleichzeitig angewandt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, dass die elektrisch leitfähige Ummantelung 150 eine Dicke aufweist, die – zumindest quer zu einer Längsausdehnung bzw. Längsrichtung z des Gradientenspulenkörpers 200 – eine vollständige Abschirmung des Streufelds des Gradientensystems 100 bewirken kann. Dabei ist die Dicke hier senkrecht zur Längsausdehnung z des Magnetsystems 100 bzw. des Gradientenspulenkörpers 200 betrachtet. Je nach Aufbau kann auch eine vollständige Abschirmung in nahezu allen Richtungen, d. h. auch beispielsweise in Längsrichtung z, erreicht werden.
Dabei ist vor allem eine Materialkonfiguration so festzulegen, dass der Skin-Effekt keine Begrenzung der Abschirmwirkung bedingt, die eine vollständige Abschirmung der Streufelder verhindert.
Darüber hinaus kann aber auch vorgesehen sein, die Abschirmwirkung bzw. besagte Dicke der leitfähigen Ummantelung 150 an Streufelder anzupassen, die in einer bestimmten Frequenzdomäne oszillieren bzw. auftreten. Beispielsweise ist die Frequenzdomäne in dem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass verstärkt die vorbeschriebenen Verdampfungsmechanismen des flüssigen Kühlmittels, insbesondere des Heliums, unterdrückt werden. Dazu kann beispielsweise die Frequenzdomäne an Streufelder angepasst sein, die eine Oszillationsfrequenz von mehr als 1000 Hz aufweisen.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel der 1 zeigt dazu eine elektrisch leitfähige Ummantelung 150, die den Gradientenspulenkörper 200 in Umfangsrichtung vollständig umschließt, wobei die Ummantelung 150 aus Kupfer gefertigt ist. Die Abschirmwirkung ist, wie bereits angedeutet, durch eine bevorzugte Wahl der Dicke im Bereich von 1 bis 3 mm auf eine Frequenzdomäne im kHZ-Bereich optimiert. Insbesondere kann die Dicke der Ummantelung so gewählt werden, dass sie der Eindringtiefe von Abschirmströmen (Skin-Eindringtiefe), die durch Streufelder der unteren Grenzfrequenz der Frequenzdomäne erzeugt werden, im Wesentlichen entspricht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist so eine besonders bevorzugte Dicke der elektrisch leitfähigen Ummantelung im Bereich von 2 mm festgelegt.
Eine Optimierung auf mehrere Frequenzdomänen kann beispielsweise mit Hilfe einer Kombination mehrerer elektrisch leitfähiger Materialien erreicht werden, beispielsweise können dazu Edelmetalle wie z. B. Gold oder Silber jeweils separate Schichten bzw. separate Beschichtungen der elektrisch leitfähigen Ummantelung 150 bilden, wobei die Schichten auch eine zueinander unterschiedliche Dicke – wiederum quer zur Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers betrachtet – aufweisen können.
Die elektrisch leitfähige Ummantelung 150 kann ein oder mehrere Modifikationselemente 160 zur Veränderung von Lorentzkräften bzw. Lorenzkraftkomponenten l induzierter Ströme aufweisen.
Beispielsweise kann dazu der Aufbau der elektrisch leitfähigen Ummantelung in mehreren Schichten erfolgen, wobei zumindest einige der in radialer Richtung, quer zur Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers 200, übereinander angeordneten Schichten eine zueinander unterschiedliche Oberflächenform aufweisen. Beispielsweise könnten in den jeweiligen Schichten Durchbrüche mit unterschiedlichen Formen und Positionen angeordnet sein.
Aus 4, die eine leitfähige Ummantelung bestehend aus nur einer Schicht zeigt, ist ersichtlich, dass die Modifikationselemente 160 eine oder mehrere Ausnehmungen in der leitfähigen Ummantelung 150 umfassen bzw. durch Ausnehmungen gebildet werden. Wie dem Vergleich von 1 mit 4 entnommen werden kann, sind somit Wirbelstrompfade, die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 in bzw. an der gemäß dem Ausführungsbeispiel den Gradientenspulenkörper 200 in Umfangsrichtung vollständig umschließenden elektrisch leitfähigen Ummantelung auftreten, in bzw. an der elektrisch leitfähigen Ummantelung 150 mit Hilfe der Modifikationselemente 160 verschiebbar.
Durch die Zusammenschau der 1 und 4, die ein identisches Ausführungsbeispiel für unterschiedliche Schritte des Verfahrens zeigen, ist ebenfalls ersichtlich, dass die Ausnehmungen bzw. Modifikationselemente 160 durch einen oder mehrere Schlitze 161 in der leitfähigen Ummantelung 150 gebildet sind, um die Wirbelstrompfade zur Reduktion von Eigenschwingungen des Gradientenspulenkörpers 200 zu verschieben. Dabei zeigt 1 einen Wirbelstrompfad, der beispielsweise auf bereits beschriebene Art und Weise zur Bestimmung der Lorenzkraftkomponenten l, also bevorzugt bereits zum Zeitpunkt der Konstruktion des Magnetsystems, ermittelt werden kann.
4 zeigt hierzu eine Vielzahl von im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung z des Gradientenspulenkörpers 200 angeordneten Schlitzen 161, um eine Verschiebung von Wirbelstrompfaden im Wesentlichen in Richtung der Längsachse des Gradientenspulenkörpers 200 zu bedingen. In dem Ausführungsbeispiel verlängern bzw. verkürzen die Schlitze 161 den vorbestimmten Wirbelstrompfad. Die Abschirmwirkung der elektrisch leitfähigen Schicht wird dadurch kaum verändert. Beispielsweise kann bereits während der Konstruktion des Magnetsystems 100 die Lage und Ausdehnung der Ausnehmungen bzw. Schlitze festgelegt sein, jedoch ist auch denkbar, die Schlitze 161 nach einer testweisen Inbetriebnahme des Gradientensystems 100 zu modifizieren und die Schlitze 161 nachträglich anzubringen.
In dem Ausführungsbeispiel der 4 verschieben die Schlitze 161 durch die Modifikation der Wirbelstrompfade in der leitfähigen Ummantelung 150 auch eine oder mehrere der bestimmten Lorentzkraftkomponenten l, die auf die leitfähige Ummantelung 150 wirken, in eine Knotenebene k1, k2 der Eigenschwingungsmode s, die den Knotenebenen der 2 und 3 entsprechen. Ein Normalenvektor kn der Knotenebenen k1 bzw. k2 ist dabei parallel zur Längsrichtung z bzw. Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers 200, orthogonal zur Richtung der Dicke der elektrisch leitfähigen Ummantelung 150 orientiert. Die Schlitze 161 sind im Verhältnis zur Längsausdehung des Gradientenspulenkörpers 200 kurz und erreichen vorzugsweise ein Drittel oder weniger der Längsausdehnung. Wie ebenfalls aus 4 ersichtlich ist, weisen bei diesem Ausführungsbeispiel mehrere parallel zueinander angeordnete Schlitze 161 senkrecht zur Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers übereinstimmende Anfangspunktebenen und Endpunktebenen auf, sind also in Richtung der Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers 200 gleich lang.
Die Verschiebung in Richtung einer der Knotenebenen k1 bzw. k2 wird mit Hilfe der Zusammenschau der 2 und 3 nochmals verdeutlicht, welche die Schwingungszustände einer typischen Eigenschwingungsmode s und die Verschiebung von Wirbelstrompfaden skizzieren. In der Knotenebene k1 sind in dem Ausführungsbeispiel keine Schlitze 161 bzw. Ausnehmungen angeordnet, sodass Wirbelstrompfade durch die Knotenebene führen und der Beitrag der Lorentzkraftkomponenten l für Wirbelstromanteile, die in dieser Knotenebene liegen, nicht zur Schwingungsanregung der Eigenschwingungsmode s beiträgt.
Mathematisch betrachtet, erfolgt die Verschiebung der Lorenzkraftkomponenten l, die auf die elektrisch leitfähige Ummantelung 150 wirken, mit Hilfe der Modifikationselemente 160, insbesondere Schlitze 161 so, dass ein Skalarprodukt der Lorentzkraftkomponenten l und einem Eigenvektor Φ der Eigenschwingung s minimal wird, also das Produkt aus Partizipationsfaktor (das, wie bereits angedeutet, für die Ummantelung separiert gebildet werden kann) und Eigenvektor möglichst verschwindet bzw. minimal wird. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn ermittelte Lorenzkraftkomponenten l an ihrem Angriffspunkt auf das Magnetsystem orthogonal zu Eigenvektoren Φ der Eigenschwingungsmode s sind.
Bevorzugt kann so zum Zeitpunkt der Konstruktion des Gradientensystems 100 ein Magnetresonanzbildgebungssystem 10 festgelegt sein, das einen länglichen rohrartigen Gradientenspulenkörper 200 mit einer Anzahl an Gradientenspulen umfasst, wobei das Gradientensystem 100 eine ganz oder teilweise den Gradientenspulenkörper 200 umgreifende, elektrisch leitfähige Ummantelung 150 aufweist und wobei die elektrisch leitfähige Ummantelung 150 dazu ausgebildet ist, im Bereich einer Knotenebene einer Eigenschwingungsmode s die höchste Stromdichte von im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 in bzw. an der leitfähigen Ummantelung induzierten Wirbelströmen zu leiten. Die Stromdichteverteilung von im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 in der leitfähigen elektrischen Ummantelung 150 induzierten Wirbelströmen erreicht also eine maximale Stromdichte im Bereich der Knotenebene k1 bzw. Knotenebenen k1 und k2 der Eigenschwingungsmoden s.
Die entsprechenden Modifikationsmittel 160 können in diesem Fall beispielsweise durch unterschiedliche Materialien für die leitfähige Ummantelung 150, unterschiedliche Beschichtungen bzw. Schichten der leitfähigen Ummantelung 150, oder Abweichungen in der Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht, bevorzugt jeweils im Bereich der Knotenebene k1 bzw. k2 der Eigenschwingungsmode s, insbesondere wie zuvor beschrieben gebildet sein.
Aus dem oben Beschriebenen wird deutlich, dass die Erfindung wirkungsvoll Möglichkeiten bereitstellt, um mechanische Eigenschwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem zu reduzieren, und gleichzeitig eine Abschirmung von Streufeldern bewirkt.
Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Merkmale sämtlicher Ausführungsbeispiele oder in Figuren offenbarter Weiterbildungen in beliebiger Kombination verwendet werden können. Es wird abschließend ebenfalls darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorhergehend detailliert beschriebenen Verfahren, Gradientensystemen und Magnetresonanzbildgebungssystemen lediglich um Ausführungsbeispiele handelt, welche vom Fachmann in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann der als länglich, rohrartig beschriebene Gradientenspulenkörper auch einen Querschnitt in „U“ bzw. „C“-Form (für sogenannte „offene“ Magnetresonanztomographen) aufweisen. Weiterhin schließt die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. „eine“ nicht aus, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können.
Bezugszeichenliste

10: Magnetresonanzbildgebungssystem
100: Gradientensystem
150: Ummantelung/Abschirmeinrichtung
155: Wirbelstrom
160: Modifikationselemente
161: Schlitze
200: Gradientenspulenkörper
f: Anregungskraft
l: Lorentzkraft
k1, k2: Knotenebenen
kn: Normalenvektor
s: Eigenschwingungsmode
z: Richtung
B0: Grundmagnetfeld

Claims

Verfahren zur Reduzierung von mechanischen Schwingungen in einem Magnetresonanzbildgebungssystem, mit einem Gradientensystem (100), das einen Gradientenspulenkörper (200) mit einer Anzahl von Gradientenspulen und eine ganz oder teilweise den Gradientenspulenkörper (200) umgreifende, elektrisch leitfähige Ummantelung (150) aufweist, umfassend die Schritte – Bestimmung einer mechanischen Eigenschwingungsmode (s) des Gradientenspulenkörpers (200) in dem Magnetresonanzbildgebungssystem (10); – Bestimmung von Anregungskraftkomponenten (f) für diese Eigenschwingungsmode (s); – Bestimmung von elektrisch leitfähigen Bereichen des Gradientensystems (100), die im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems eine Lorentzkraftkomponente (l) erzeugen, die zu Anregungskraftkomponenten (f) beitragen, wobei die elektrisch leitfähigen Bereiche sowohl die Gradientenspulen als auch die elektrisch leitfähige Ummantelung (150) umfassen; – Modifikation der bestimmten elektrisch leitfähigen Bereiche so, dass möglichst wenige der Lorentzkraftkomponenten (l) mit den bestimmten Anregungskraftkomponenten (f) übereinstimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Ummantelung (150) eine Dicke in radialer Richtung, quer zu einer Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers (200) aufweist, die einer Skin-Eindringtiefe in die Ummantelung (150) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Ummantelung (150) den Gradientenspulenkörper (200) in Umfangsrichtung vollständig umschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Ummantelung (150) ein oder mehrere Modifikationselemente (160) zur Veränderung von Lorentzkräften von induzierten Strömen aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikationselemente (160) eine oder mehrere Ausnehmungen in der leitfähigen Ummantelung (150) umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikationselemente (160) durch Modifikation von Wirbelstrompfaden in der leitfähigen Ummantelung (150) eine oder mehrere der bestimmten Lorentzkraftkomponenten (l), die auf die leitfähige Ummantelung (150) wirken, in eine Knotenebene der Eigenschwingungsmode (s) verschieben, wobei bevorzugt ein Normalenvektor der Knotenebene parallel zur Längsausdehnung des Gradientenspulenkörpers (200) orientiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren für mehrere zueinander unterschiedliche Eigenschwingungsmoden (s) angewandt wird.
Gradientensystem (100) mit einem Gradientenspulenkörper (200) mit einer Anzahl von Gradientenspulen und einer ganz oder teilweise den Gradientenspulenkörper (200) umgreifenden, elektrisch leitfähigen Ummantelung (150), dadurch gekennzeichnet, dass das Gradientensystem (100) nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche konstruiert ist.
Magnetresonanzbildgebungssystem (10) mit einem Gradientensystem (100) nach Anspruch 8.
Magnetresonanzbildgebungssystem (10), insbesondere nach Anspruch 9, mit einem Gradientensystem (100), das einen Gradientenspulenkörper (200) mit einer Anzahl von Gradientenspulen und eine ganz oder teilweise den Gradientenspulenkörper (200) umgreifende, elektrisch leitfähige Ummantelung (150) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Ummantelung (150) einen Bereich aufweist, der in einer Knotenebene einer Eigenschwingungsmode (s) angeordnet ist, und der Bereich im Betrieb des Magnetresonanzbildgebungssystems 10 die höchste Stromdichte von in bzw. an der leitfähigen Ummantelung (150) induzierten Wirbelströmen leitet.