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Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanztomographiegerät.
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Magnetresonanzgeräte (MRTs) zur Untersuchung von Objekten oder Patienten durch Magnetresonanztomographie sind beispielsweise aus der
DE 10314215 B4 bekannt.
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Ein Magnetresonanztomographiegerät MRT verfügt über meist dreiachsige Gradientenspulen (auch GC oder Gradient Coil genannt), die zur Erzeugung von Magnetfeldern in Richtung z.B. der drei kartesischen Raumachsen eingesetzt werden. Um die gewünschten Feldstärken zu erzeugen können Ströme von mehreren hundert Ampere verwendet werden. Die Gradientenspulenleiter können dazu lagenweise auf Zylinderflächen aufgebaut werden, wobei sie durch die Anordnung im Grundfeld des MRT-Magneten hohen Wechselkräften (Lorentzkräften) ausgesetzt sind. Um eine mechanische Fixierung der Leiter sowie eine gute thermische Ankopplung an die Kühleinrichtung zu erreichen, werden die Leiter meist in eine Harzmatrix (Expoxy) eingebettet. Die hohen elektrischen Ströme erzeugen Verlustwärme bis zu 25kW.
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Um die dissipative Leistung möglichst effektiv abführen zu können werden zwischen die einzelnen Spulenlagen Kühlschläuche in das Harz eingebettet (typisch: mehrere hundert Meter Kühlschlauch pro Spule und mehrere parallele Kühlungskreise). Es kann die Anforderung bestehen, die in den Spulenwicklungen gebildete Verlustwärme mit möglichst kleinem thermischem Widerstand an die Wärmesenke (Kühlmedium, meist Wasser) abzuleiten und gleichzeitig eine elektrische Isolation zwischen den Kupferspulen sowie zum ggf. elektrisch leitfähigen Kühlmedium herzustellen.
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Auf die Optimierung des Platzbedarfes für die einzelnen Lagen wird daher große Sorgfalt gelegt. Wird für den Spulenleiter ein großer Leiterquerschnitt gewählt, um wenig Verlustwärme zu erzeugen, führt dies zu erhöhtem radialem Platzbedarf für die Gesamtspule. Je größer der Radius einer Spulenlage gewählt wird, desto mehr Strom wird für die Erzeugung des gewünschten Magnetfeldes aufgewendet. Der Strombedarf kann dabei etwa proportional der fünften Potenz des Radius sein (I ~ R5). Daher kann es sinnvoll sein, die Radien möglichst klein zu halten und den Lagenaufbau möglichst kompakt auszuführen. Die Leiterquerschnitte werden z.B. gerade so groß gewählt, um bei Nennleistungsbetrieb eine Betriebstemperatur von etwa 85°C zu erreichen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kühlung von Gradientenspulen eines MRT zu optimieren. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
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Ohne notwendigerweise die Dicke der Kühllagen, den Durchfluss oder das Kühlmedium zu verändern optimieren Ausgestaltungen der Erfindung die Kühlung der innersten Gradienten-Spulen-Lage verglichen mit zumindest intern bekannten üblichen Aufbauten.
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Weitere Merkmale und Vorteile von möglichen Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
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1 schematisch ein MRT-System,
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2 schematisch vereinfacht ausschnittsweise Spulenlagen eines Gradientensystems eines MRT,
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3 einen systematischen Teilschnitt durch eine zumindest intern bekannte Gradientenspulenkühlung von drei kartesische Spulenlagen, mit integrierter Kühleinrichtung sowie einem typischen Temperaturverlauf im warmen Zustand,
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4 als systematischer, vereinfachender Teilschnitt eine erfindungsgemäß ausgestaltete Gradientenspulenkühlung,
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5 als systematischer vereinfachender Teilschnitt eine erfindungsgemäß ausgestaltete Gradientenspulenkühlung wie in 4, ergänzt um ein Temperaturprofil.
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1 zeigt (insbesondere als technischer Hintergrund) ein (in einem geschirmten Raum oder Faraday-Käfig F befindliches) bildgebendes Magnetresonanzgerät MRT 101 mit einer Ganzkörperspule 102 mit einem hier röhrenförmigen Raum 103 in welchen eine Patientenliege 104 mit einem Körper z.B. eines Untersuchungsobjektes (z.B. eines Patienten) 105 (mit oder ohne Lokalspulenanordnung 106) in Richtung des Pfeils z gefahren werden kann, um durch ein bildgebendes Verfahren Aufnahmen des Patienten 105 zu generieren. Auf dem Patienten ist hier eine Lokalspulenanordnung 106 angeordnet, mit welcher in einem lokalen Bereich (auch field of view oder FOV genannt) des MRT Aufnahmen von einem Teilbereich des Körpers 105 im FOV generiert werden können. Signale der Lokalspulenanordnung 106 können von einer z.B. über Koaxialkabel oder per Funk (167) etc an die Lokalspulenanordnung 106 anschließbaren Auswerteeinrichtung (168, 115, 117, 119, 120, 121 usw.) des MRT 101 ausgewertet (z.B. in Bilder umgesetzt, gespeichert oder angezeigt) werden.
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Um mit einem Magnetresonanzgerät MRT 101 einen Körper 105 (ein Untersuchungsobjekt oder einen Patienten) mittels einer Magnet-Resonanz-Bildgebung zu untersuchen, werden verschiedene, in ihrer zeitlichen und räumlichen Charakteristik genauestens aufeinander abgestimmte Magnetfelder auf den Körper 105 eingestrahlt. Ein starker Magnet (oft ein Kryomagnet 107) in einer Messkabine mit einer hier tunnelförmigen Öffnung 103, erzeugt ein statisches starkes Hauptmagnetfeld B0, das z.B. 0,2 Tesla bis 3 Tesla oder auch mehr beträgt. Ein zu untersuchender Körper 105 wird auf einer Patientenliege 104 gelagert in einen im Betrachtungsbereich FoV („field of view“) etwa homogenen Bereich des Hauptmagnetfeldes B0 gefahren. Eine Anregung der Kernspins von Atomkernen des Körpers 105 erfolgt über magnetische Hochfrequenz-Anregungspulse B1 (x, y, z, t) die über eine hier als (z.B. mehrteilige = 108a, 108b, 108c) Körperspule 108 sehr vereinfacht dargestellte Hochfrequenzantenne (und/oder ggf. eine Lokalspulenanordnung) eingestrahlt werden. Hochfrequenz-Anregungspulse werden z.B. von einer Pulserzeugungseinheit 109 erzeugt, die von einer Pulssequenz-Steuerungseinheit 110 gesteuert wird. Nach einer Verstärkung durch einen Hochfrequenzverstärker 111 werden sie zur Hochfrequenzantenne 108 geleitet. Das hier gezeigte Hochfrequenzsystem ist lediglich schematisch angedeutet. Oft werden mehr als eine Pulserzeugungseinheit 109, mehr als ein Hochfrequenzverstärker 111 und mehrere Hochfrequenzantennen 108a, b, c in einem Magnet-Resonanz-Gerät 101 eingesetzt. Weiterhin verfügt das Magnet-Resonanz-Gerät 101 über Gradientenspulen 112x, 112y, 112z, mit denen bei einer Messung magnetische Gradientenfelder BG (x, y, z, t) zur selektiven Schichtanregung und zur Ortskodierung des Messsignals eingestrahlt werden. Die Gradientenspulen 112x, 112y, 112z werden von einer Gradientenspulen-Steuerungseinheit 114 gesteuert, die ebenso wie die Pulserzeugungseinheit 109 mit der Pulssequenz-Steuerungseinheit 110 in Verbindung steht.
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Von den angeregten Kernspins (der Atomkerne im Untersuchungsobjekt) ausgesendete Signale werden von der Körperspule 108 und/oder mindestens einer Lokalspulenanordnung 106 empfangen, durch zugeordnete Hochfrequenzvorverstärker 116 verstärkt und von einer Empfangseinheit 117 weiterverarbeitet und digitalisiert. 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.
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Für eine Spule, die sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben werden kann, wie z.B. die Körperspule 108 oder eine Lokalspule 106, wird die korrekte Signalweiterleitung durch eine vorgeschaltete Sende-Empfangs-Weiche 118 geregelt. Eine Bildverarbeitungseinheit 119 erzeugt aus den Messdaten ein Bild, das über eine Bedienkonsole 120 einem Anwender dargestellt und/oder in einer Speichereinheit 121 gespeichert wird. Eine zentrale Rechnereinheit 122 steuert die einzelnen Anlagekomponenten.
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In der MR-Tomographie werden Bilder mit hohem Signal/Rauschverhältnis (SNR) heute in der Regel mit so genannten Lokalspulenanordnungen (Coils, Local Coils) aufgenommen. Dies sind Antennensysteme, die in unmittelbarer Nähe auf (anterior) oder unter (posterior) oder an oder in dem Körper 105 angebracht werden. Bei einer MR-Messung induzieren die angeregten Kerne in den einzelnen Antennen der Lokalspule eine Spannung, die dann mit einem rauscharmen Vorverstärker (z.B. LNA, Preamp) verstärkt und schließlich an die Empfangselektronik weitergeleitet wird. Zur Verbesserung des Signal/Rauschverhältnisses auch bei hochaufgelösten Bildern werden so genannte Hochfeldanlagen eingesetzt (1.5T-12T oder mehr). Wenn an ein MR Empfangssystem mehr Einzelantennen angeschlossen werden können, als Empfänger vorhanden sind, wird zwischen Empfangsantennen und Empfänger z.B. eine Schaltmatrix (auch RCCS genannt) eingebaut. Diese routet die momentan aktiven Empfangskanäle (meist die, die gerade im Field of View des Magneten liegen) auf die vorhandenen Empfänger. Dadurch ist es möglich, mehr Spulenelemente anzuschließen, als Empfänger vorhanden sind, da bei einer Ganzkörperabdeckung nur die Spulen ausgelesen werden müssen, die sich im FoV (Field of View) bzw. im Homogenitätsvolumen des Magneten befinden.
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Als Lokalspulenanordnung 106 wird z.B. allgemein ein Antennensystem bezeichnet, das z.B. aus einem oder als Array-Spule aus mehreren Antennenelementen (insb. Spulenelementen) bestehen kann. Diese einzelnen Antennenelemente sind z.B. als Loopantennen (Loops), Butterfly, Flexspulen oder Sattelspulen ausgeführt. Eine Lokalspulenanordnung umfasst z.B. Spulenelemente, einen Vorverstärker, weitere Elektronik (Mantelwellensperren etc), ein Gehäuse, Auflagen und meistens ein Kabel mit Stecker, durch den sie an die MRT-Anlage angeschlossen wird. Ein anlagenseitig angebrachte Empfänger 168 filtert und digitalisiert ein von einer Lokalspule 106 z.B. per Funk etc empfangenes Signal und übergibt die Daten einer digitalen Signalverarbeitungseinrichtung die aus den durch eine Messung gewonnenen Daten meist ein Bild oder ein Spektrum ableitet und dem Nutzer z.B. zur nachfolgenden Diagnose durch ihn und/ oder Speicherung zur Verfügung stellt.
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2 zeigt schematisch (Gradientenspulen-)Spulenlagen a, b, c (a und b für die Erzeugung von Magnetfeldern in x- und y Richtung) eines Gradientensystems eines MRT 101.
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Spulen in Spulenlagen a, b, c sind durch ihre Anordnung und Ausgestaltung jeweils für die Erzeugung jeweils eines Gradienten-Magnetfelds (BG (x, y, z, t)) in eine von drei Richtungen x, y, z ausgebildet,
z.B. die Spule 112z zur Erzeugung eines Gradienten-Magnetfelds in Richtung z dadurch, dass sie um die Achse Ax, z herum hier etwa kreisförmig angeordnete Windungen aufweist, die Spule 112y zur Erzeugung eines Gradienten-Magnetfelds in Richtung y, und
die Spule 112x zur Erzeugung eines Gradienten-Magnetfelds in Richtung x.
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3 zeigt eine zumindest intern bekannte Gradientenspulenkühlung mit transversalen Spulenlagen a, b, c für die Erzeugung von Magnetfeldern in x-, y- und z-Richtung. Spulenlagen werden nach zumindest intern bekanntem Stand der Technik möglichst weit radial innen angeordnet, um einen möglichst effizienten Aufbau zu erhalten. Eine radial außen liegende Kühllage führt durch Strom in Gradientenspulen in den Spulenlagen entstehende Wärme ab. Auf die Kühllage folgt eine weitere Spulenlage. Hier wird meist die helmholzartig gewickelte c-Spule gewählt, die intrinsisch die höchste Effizienz der Felderzeugung mit sich bringen kann. Vorteil der beschriebenen Anordnung kann eine hohe Lageeffizienz der beiden Transversalspulenlagen sein. Nachteilig bezüglich möglicher Nennstrombelastung kann sich der relativ hohe thermische Widerstand der kühlungsfernen Lage a zur Wärmesenke hin auswirken.
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4 zeigt schematisch und vereinfacht ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Gradientenspulensystem GS (eines Magnetresonanztomographiegeräts 101) mit drei Spulenlagen a, b, c, welche Spulenlagen a, b, c mit Gradientenspulen 112x, 12y, 112z darin jeweils für die Erzeugung jeweils eines zeitlich veränderlichen Gradienten-Magnetfelds BG (x, y, z, t) in eine von drei z.B. zueinander orthogonale Richtungen vorgesehen sind, insbesondere in x-Richtung, y-Richtung, z-Richtung. Die Spulenlagen a, b, c, und Kühllagen KL1, KL2 können z.B. umlaufend um eine Zylinderachse Ax des (einen Radius Ra aufweisenden) MRT-bore 103 (MRT-Öffnung) angeordnet.
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Zwischen einer ersten (a) und einer zweiten (b) der Spulenlagen a, b, c ist eine erste Kühllage KL1 angeordnet, die hier als Kühlelement(e) einen oder mehrere Kühlschläuche KS1 aufweist, die von einem Kühlmedium wie hier Wasser Wa1 durchflossen sind.
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Zwischen einer zweiten (b) und einer dritten (c) der Spulenlagen a, b, c ist eine zweite Kühllage KL2 angeordnet, die hier ebenfalls als Kühlelement(e) einen oder mehrere Kühlschläuche KS2 aufweist, die von einem Kühlmedium wie hier Wasser Wa2 durchflossen sind.
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Hier ist aus Übersichtlichkeitsgründen jeweils nur eine Windung eines Kühlschlauchs KS1 (ebenso KS2) im Querschnitt dargestellt, üblicherweise können es z.B. mehrere Windungen (in insbesondere z-Richtung) nebeneinander oder mehrere Kühlschläuche KS1 (in insbesondere z-Richtung) nebeneinander in je einer Kühllage KL1, KL2 sein.
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Kühlschläuche KS können z.B. in an sich bekannter Weise aufgebaut sein und/oder mit einer Umwälzpumpe und/oder einem Kühlaggregat etc verbunden sein.
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An jeder der drei Spulenlagen a, b, c anliegend ist also (mindestens) eine Kühllage KL1, KL2 in unmittelbarer Nähe angeordnet, also z.B. daran direkt anliegend oder z.B. nur durch eine dünne elektrisch isolierende Schicht und/oder tragende Anordnung etc getrennt anliegend.
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Radiale Leiterquerschnitte von Leitern 112x, 112y, 112z in den Spulen-Lagen a, b, c könnten aufgrund der hier zwei Kühllagen KL1, KL2 kleiner sein als sie ohne zwei Kühllagen wären.
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Ein Vorteil der Erfindung kann darin gesehen werden, einen Lagenaufbau einer Gradientenspulen-Anordnung anzugeben, der gegenüber dem zumindest intern bekannten Stand der Technik bei gleicher zulässiger Betriebstemperatur höher bestrombar (mit Strom beaufschlagbar) sein kann und damit höhere Nenngradientenfelder ermöglichen kann. An jede Spulenlage a, b, c kann eine Kühllage Kl1, Kl2 in unmittelbarer Nähe angeordnet werden. Der thermische Übergangswiderstand zwischen einer (Kühllage KL1) der Kühllagen und der nach 2 kühlungsfernen Spulen (12x) kann dadurch reduziert sein.
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Um den Gesamtbauraum nicht zu erhöhen bzw. Leiterradien unvorteilhaft nach außen zu verschieben können die Leiterquerschnitte (radial) bei dieser Ausführung reduziert werden, um Platz für die (gegenüber dem zumindest intern bekannten Stand der Technik mit nur einer Kühllage) zusätzliche Kühllage zu erhalten. Gelingt es, die Kühllagen sehr dünn auszuführen, so kann die ggf. notwendige Reduktion der Leiterhöhe mit der einhergehenden Verlustleistungssteigerung zweitrangig im Vergleich zum Zugewinn in der Entwärmungs-Performance (oder Kühl-Leistung) werden.
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Mögliche Vorteile können sein:
- – Eine effektivere Kühlung der Spulenwicklungen bzw. reduzierter thermischer Widerstand der (nach dem zumindest intern bekannten Stand der Technik) kühlungsfernen Spulenachse zum Kühlmedium; dadurch könnte auch ein Betrieb der Gradientenspule mit höheren Stromstärken möglich sein, d.h. höhere Nenngradientenstärken bei gleicher zulässiger Maximaltemperatur könnten möglich sein,
- – Vermeidung von Temperaturspitzen im Bereich eng gewickelter Leiter der Spulenebenen; dadurch gleichmäßigere Temperaturverteilung und weniger thermomechanische Spannungen im Spulenaufbau,
- – Optimierung beim Bau von Hochleistungsspulen in geringem Bauraum.
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5 zeigt eine Ansicht wie in 4, ergänzt um ein vereinfachtes, schematisches Temperaturprofil TP. Die Temperatur ist in den Kühllagen wegen des Kühlmittels darin am niedrigsten, und in den Spulen 112x, 112y, 112z der Spulenlagen a, b, c jeweils höher als im Kühlmittel, und in der innersten Spulenlage c ähnlich hoch wie in den beiden äußeren Spulenlagen a, b.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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