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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Verbindungsvorrichtung zur Lagefixierung einer Gradientenspulenbaugruppe
in einer Grundfeldmagnetbaugruppe eines Kernspintomographen. Die
Erfindung bezieht sich auch auf Vorrichtungen mit Komponenten, die
den genannten vergleichbar sind. Beispielsweise ist die Erfindung
auch . prinzipiell anwendbar, wenn es sich bei einer Gradientenspulenbaugruppe
um eine Baugruppe handelt, die aus mehreren rohrförmigen Teilabschnitten
besteht.
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Insbesondere ist die Erfindung nicht
beschränkt
auf Vorrichtungen, deren relevante Komponenten die genannten Bezeichnungen „Gradientenspulenbaugruppe" und „Grundfeldmagnetbaugruppe" bzw. „Kernspintomograph" führen. So
betrifft die Erfindung beispielsweise selbstverständlich auch
einen „Magnetresonanztomographen". Außerdem bezieht
sich die Erfindung auf die Verwendung der beschriebenen Verbindungsvorrichtung.
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Eine Domäne der Kernspintomographie
ist die Diagnostik von Erkrankungen des zentralen Nervensystems.
Besonders Hirninfarkte und Anfangsstadien der multiplen Sklerose
lassen sich mit dieser Methode früher erkennen als mit der Computertompgraphie.
Dabei arbeitet die Kernspintomogrphie ohne Anwendung ionisierender
Strahlung. So ist trotz der hohen Kosten die Kernspintomographie
heute in vielen großen
Krankenhäusern
und Praxen ein Standardinstrument.
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Die Kernspintomographie nutzt die
sogenannte Kernspinresonanz von Atomkernen in einem magnetischen
Feld unter Einstrahlung elektromagnetischer Wellen. Die zur Anregung
der Atomkerne erforderlichen elektromagnetischen Wellen werden von Hochfrequenzspulen
erzeugt, die gepulste Wellen aussenden. In den Pausen empfangen
sie die von den angeregten Atomkernen ausgesandte Kernspinresonanz.
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Um mehrdimensionale Körperschnitte
bildlich darstellen zu können,
muss der Ort des Ursprungs der ausgesandten Welle bestimmt werden. Dazu
addiert man zu dem bestehenden konstanten Magnetfeld, dem „Grund(magnet)feld" ein weiteres-Magnetfeld, das „Gradient-(Magnet)feld", das an jedem Ort
eine andere Größe besitzt.
Dieses Gradient-Magnetfeld wird von den Gradientenspulen erzeugt.
Strahlt man gleichzeitig Wellen verschiedener Energien ein, so besitzen
auch die ausgesandten Wellen unterschiedliche Energien. Weil jede
Energie der ausgesandten Wellen abhängig vom Magnetfeld ist und
dieses Magnetfeld an jedem Ort im Körper verschieden ist, kann
die ausgesandte Welle so einem bestimmten Ort im Körper zugeordnet
werden.
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Beim Betrieb eines Kernspintomographen erzeugt
die Grundfeldmagnetbaugruppe ein statisches Grundfeld in der Größenordnung
von etwa 0,25 bis 3 Tesla (T). Die Gradientenspulenbaugruppe weist üblicherweise
mehrere Spulen auf, um drei senkrecht zueinander stehende Magnetfeldgradienten
zu erzeugen. Typische Werte für
die von den Gradientenspulen erzeugten Feldstärken liegen bei bis zu circa
60 Millitesla pro Meter (mT/m).
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Jede Gradientenspule wird typischerweise von
einem impulsförmigen
Strom in einer Größenordnung
von bis zu 300 Ampere (A) mit Anstiegszeiten von weniger als einer
Millisekunde (ms) durchflossen. Dabei wirken im magnetischen Grundfeld
auf die Leiter der Gradientenspulen Lorentz-Kräfte, die sich entsprechend
dem Stromfluss durch die Gradientenspulen zyklisch ändern. Diese
Kräfte
regen die Gradientenspulenbaugruppe zu Schwingungen an. Die dabei
auftretenden Kräfte
sind so groß,
dass bei der Messung auch erhebliche Geräuschbelastungen von bis zu über 100
dezibel (dB) für
einen Menschen im Kersnpintomographen entstehen.
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Ein Kernspintomograph weist üblicherweise eine
zylinderförmige Öffnung auf,
die im Wesentlichen von der Grundfeldmagnetbaugruppe begrenzt ist.
In dieser Öffnung
ist eine Gradientenspulenbaugruppe zu positionieren und in ihrer
Lage zu fixieren. Dabei spielt eine möglichst präzise Lagefixierung eine wichtige
Rolle im Hinblick auf die Ortsauflösung bei der Messung mit einem
Kernspintomographen. Diese steht wiederum in unmittelbarem Zusammenhang
mit der Qualität
des Messergebnisses.
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Die Gradientenspulenbaugruppe weist üblicherweise
eine im Wesentlichen zylinderförmige
Gestalt auf. Im Inneren befindet sich dabei die Liege für einen
zu untersuchenden Menschen.
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Aus den oben angeführten Gründen ist
man bestrebt, die Gradientenspulenbaugruppe möglichst präzise gegenüber der Grundfeldmagnetbaugruppe zu
positionieren und in dieser Lage zu fixieren.
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Aus der
DE 197 22 481 C2 ist ein
Kernspintomograph bekannt, der eine Geräuschminderungseinrichtung zum
Dämpfen
der Schwingungen der Gradientenspulenbaugruppe aufweist. In einer
Ausgestaltung dieser Erfindung wird die Gradientenspulenbaugruppe
durch mehrere diskrete Keile gegenüber der Grundfeldmagnetbaugruppe
fixiert.
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Durch die Anwendung mehrerer Keile
ist die Positionierung und die Montage der Gradientenspulenbaugruppe
dabei relativ aufwendig und zeitintensiv. Außerdem entstehen durch die
Anwendung der Keile diskrete Kräfte,
die quasi-punktuell an der entsprechenden Stirnseite der Gradientenspulenbaugruppe
angreifen. Dies kann Verformungen der Gradientenspulenbaugruppe
hervorrufen und Quelle für Messungenauigkeiten
sein.
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Alternativ wird nach dem Stand der
Technik die Gradientenspulenbaugruppe mittels Schraubverbindungen
gegenüber
der Grundfeldmagnetbaugruppe fixiert. Auch hierbei kann der letztgenannte
Nachteil auftreten, da die Kräfte
diskret an der Gradientenspulenbaugruppe angreifen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Verbindungsvorrichtung zur Lagefixierung einer Gradientenspulenbaugruppe
in einer Grundfeldmagnetbaugruppe eines Kernspintomographen bereitzustellen,
mit der die Gradientenspulenbaugruppe gegenüber dem Grundfeldmagneten derart
fixiert wird, dass die Gradientenspulenbaugruppe einfach und dennoch
in dem Grundfeldmagneten positioniert und fixiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des unabhängigen
Anspruchs gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Gemäß der Erfindung erfolgt die
Lagefixierung der Gradientenspulenbaugruppe mittels eines Klemmelementes,
das ringförmig
ausgestaltet ist und auf einer Stirnseite der Gradientenspulenbaugruppe in
den Zwischenraum zwischen der Gradientenspulenbaugruppe und die
Grundfeldmagnetbaugruppe geklemmt ist.
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Das Klemmelement weist dabei eine
kegelabschnittsförmige
beziehungsweise konische Innenfläche
auf. Diese Innenfläche
ist so gestaltet, dass sich ihr größter Durchmesser entweder direkt
an der zur Gradientenspulenbaugruppe weisenden Stirnseite oder jedenfalls
sehr nahe dieser Stirnseite befindet.
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Der kleinste Durchmesser der konischen
Innenfläche
befindet sich weiter von der zur Gradientenspulenbaugruppe weisenden
Stirnseite entfernt, beispielsweise etwa im mittleren Abschnitt
zwischen den beiden Stirnseiten des Klemmelementes. Auf jeden Fall
ist die Innenfläche
so gestaltet, dass sie in den Zwischenraum zwischen der Gradientenspulenbaugruppe
und der Grundfeldmagnetbaugruppe eingeführt werden kann.
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Auf seiner Außenseite kann das Klemmelement
zylindrisch geformt sein, so dass es im Wesentlichen formschlüssig mit
der Innenseite der Öffnung in
Verbindung steht.
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Wird das Klemmelement nun in den
Zwischenraum zwischen der Gradientenspulenbaugruppe und die Grundfeldmagnetbaugruppe
geklemmt, wird durch die beiden genannten Flächen eine Keilwirkung hervorgerufen.
Diese führt
zu einer Versteifung der Gradientenspulenbaugruppe. Eine Schwingungsminderung
der Gradientenspulenbaugruppe ist die Folge und außerdem eine
damit verbundene Lärmreduktion.
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Das Klemmelement stellt im Wesentlichen einen
zusammenhängenden,
einstöckigen
Körper dar,
der allerdings Bohrungen aufweisen kann. Diese Bohrungen können beispielsweise
für Stromanschlüsse oder
Anschlüsse
für Kühlvorrichtungen vorgesehen
sein.
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Das Klemmelement kann für derlei
Zwecke auch einen Spalt aufweisen. In diesem Fall stellt das Klemmelement
eine Art „Spange" dar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung weist die Gradientenspulenbaugruppe an der
Stirnseite, die dem Klemmelement zugewandt ist, eine kegelabschnittförmige Außenfläche auf,
die zu der kegelabschnittförmigen
Innenfläche des
Klemmelementes derart kongruent ist, dass das Klemmelement mit seiner
Innenfläche
und die Gradientenspulenbaugruppe mit der genannten Außenfläche eine
gemeinsame formschlüssige
Kontaktfläche bilden.
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Selbstverständlich kann diese Kontaktfläche auch
nur Teile der Innenfläche
des Klemmelementes und/oder der Außenfläche der Gradientenspulenbaugruppe
umfassen. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Innenfläche des
Klemmelementes in den Zwischenraum zwischen Gradientenspulenbaugruppe
und Grundfeldmagnetbaugruppe übersteht.
Dies kann beispielsweise fertigungstechnische Vorteile bieten.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist die Kontaktfläche zwischen dem Klemmelement
und der Gradientenspulenbaugruppe achsensymmetrisch. Insbesondere
ist der Fall hervorzuheben, das die Gradientenspulenbaugruppe und
die Kontaktfläche
eine gemeinsame Symmetrieachse aufweisen.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt,
dass bei der Montage der Gradientenspulenbaugruppe eine Kraft entsteht,
die selbstzentrierend auf die Gradientenspulenbaugruppe wirkt.
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Vorteilhaft wird in diesem Fall von
der Kontaktfläche
und der Symmetrieachse ein Winkel zwischen 5 und 15 Grad eingeschlossen.
Dieser Gradbereich hat sich bisher als zweckdienlich erwiesen. Die
Erfindung ist jedoch nicht auf Flächen dieses Winkelintervalls
beschränkt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist die Gradientenspulenbaugruppe und die
Grundfeldmagnetbaugruppe an der Stirnseite der Gradientenspulenbaugruppe,
die dem Klemmelement abgewandt ist, direkt über eine zweite Kontaktfläche formschlüssig verbunden.
Diese Kontaktfläche
kann ebenfalls kegelabschnittsförmig sein.
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Auch diese zweite Kontaktfläche kann
achsensymmetrisch ausgestaltet sein. Insbesondere kann sie mit der
Gradientenspulenbaugruppe eine gemeinsame Symmetrieachse aufweisen.
Dies bietet wiederum Vorteile im Hinblick auf eine selbstzentrierende
Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe beim Einbau derselben.
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Auch die zweite Kontaktfläche kann
vorteilhaft mit der Symmetrieachse einen Winkel zwischen 5 und 15
Grad einschließen.
Die Erfindung ist wiederum nicht auf Flächen dieses Winkelintervalls
beschränkt.
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Bei der Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe
wird für
die Verklemmung des Klemmelementes zwischen den beiden Baugruppen
eine Kraft auf das Klemmelement ausgeübt, durch die sich das Klemmelement
in dem Spalt zwischen der Gradientenspulenbaugruppe und der Grundfeldmagnetbaugruppe
in einer Endposition verkeilt. Dies bewirkt die oben genannte Versteifung
der Gradientenspulenbaugruppe.
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Vorteilhaft wird das Klemmelement
in dieser Position mittels Bolzen und/oder Schraubbolzen oder dergleichen
gehalten. Diese Bolzen können
beispielsweise an der Grundfeldmagnetbaugruppe angebracht sein,
und – bei
symmetrischer Ausgestaltung – auf
das Klemmelement die Kraft parallel zur Symmetrieachse in Richtung
auf die Gradientenspulenbaugruppe bewirken.
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Vorteilhaft ist das Klemmelement
aus einem elektrisch nicht leitfähigem
Material gefertigt.
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Beispielsweise kann das Klemmelement
aus einem Glashartgewebe auf Epoxidbasis angefertigt sein, beispielsweise
aus Hartgewebe 2372 („HGW 2372").
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Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf
einen Kernspintomographen, der eine Verbindungsvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist und auf eine Verwendung einer solchen Verbindungsvorrichtung.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Eigenschaften
sollen nunmehr anhand einer detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
und bezugnehmend auf die Figuren der beigefügten Zeichnungen erläutert werden.
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1 zeigt
die Teile eines Kernspintomographen im Längsschnitt, und
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2 zeigt
die entsprechenden Teile eines Kernspintomographen im Querschnitt.
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1 zeigt
die für
die Erfindung wesentlichen Komponenten eines Kernspintomographen
im Längsschnitt, 2 diese Komponenten im Querschnitt.
Die Gradientenspulenbaugruppe 2 wird in der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 durch
die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung
lagefixiert gehalten. An einer Stirnseite 21 der Gradientenspulenbaugruppe 2 steht
die Gradientenspulenbaugruppe 2 über ein Klemmelement 3 mit
der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 in Kontakt. Auf der gegenüberliegenden
Stirnseite 22 der Gradientenspulenbaugruppe 2 steht
die Gradientenspulenbaugruppe 2 mit der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 direkt
in Kontakt.
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Das Klemmelement 3 ist ringförmig ausgebildet,
wobei der Außendurchmesser 40 des
Klemmelementes 3 dem Innendurchmesser 40 der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 entspricht.
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Auf seiner Außenseite ist das Klemmelement 3 zylinderförmig geformt,
so dass es in die Öffnung 15 der
Grundfeldmagnetbaugruppe 1 geschoben werden kann.
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An seiner Innenseite weist das Klemmelement 3 eine
kegelstumpfförmige,
also konische Innenfläche
auf. Diese erstreckt sich von derjenigen Stirnseite 31 des
Klemmelementes 3, die der Gradientenspulenbaugruppe 2 zugewandt
ist bis zu einer Höhe
im Bereich zwischen den beiden Stirnseiten 31, 32 des
Klemmelementes 3. Es ist aber auch möglich, dass sich diese Innenfläche bis
zur gegenüberliegenden
Stirnseite 32 erstreckt.
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Der größte Durchmesser dieser Innenfläche ist
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
etwas kleiner als der Außendurchmesser 40 des
Klemmelementes. Ein typischer Wert für den Abstand zwischen der
Außenfläche der
Gradientenspulenbaugruppe 2 und der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 liegt
beispielsweise im Bereich von etwa fünf bis zehn Millimeter (mm).
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Zwischen der Höhe des kleinsten Durchmessers 41 der
konischen Innenfläche
des Klemmelementes 3 und der gegenüberliegenden Stirnseite 32 des
Klemmelementes 3 ist die Innenseite des Klemmelementes 3 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
in Form einer zweiten Innenfläche 7 zylindrisch
gestaltet, wobei der Innendurchmesser 41 dieser zweiten Innenfläche 7 dem
kleinsten Durchmesser 41 der konischen Innenfläche entspricht.
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Die Gradientenspulenbaugruppe 2 ist
im Wesentlichen rohrförmig
gestaltet. 2 zeigt ihren
Innendurchmesser 43. Dieser ist so groß, dass die Liege für einen
zu untersuchenden Menschen im Inneren der Gradientenspulenbaugruppe 2 Platz
findet.
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Die Gradientenspulenbaugruppe 2 weist
auf ihrer dem Klemmelement 3 zugewandten Stirnseite 21 eine
konische Außenfläche auf,
die zur konischen Innenfläche
des Klemmelementes 3 derart kongruent gestaltet ist, dass
sich nach Verkeilung des Klemmelementes 3 zwischen die
Gradientenspulenbaugruppe 2 und die Grundfeldmagnetbaugruppe 1 eine
flächige
formschlüssige
Verbindung 4 entsteht.
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Damit eine Verkeilung des Klemmelementes 3 möglich ist,
ist der größte Durchmesser
der konischen Innenfläche
des Klemmelementes 3 größer als der
kleinste Durchmesser 41 der konischen Außenfläche der
Gradientenspulenbaugruppe 2.
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Die konische Innenflächen des
Klemmelementes 3 und die konische Außenfläche der Gradientenspulenbaugruppe 2 sind
derart achsensymmetrisch gestaltet, dass sie mit der Gradientenspulenbaugruppe 2 die
Symmetrieachse 10 gemeinsam haben. Dadurch wirken bei der
Verkeilung des Klemmelementes 3 bei der Montage der Gradientenspulenbaugruppe 2 selbstzentrierende
Kräfte.
Dies ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine zeitsparende Montage
und präzise
Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe 2.
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Die Neigung der Kontaktfläche 4 bezüglich der
Symmetrieachse 10 kann dabei in einem Winkelbereich zwischen
5 und 15 Grad liegen.
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Das Klemmelement besteht bevorzugt
aus einem elektrisch nicht leitendem Material mit einer hohen mechanischen
Festigkeit wie zum Beispiel HGW 2372.
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Nicht dargestellt in 1 und 2 sind
etwaige Löcher
in dem Klemmelement 5, durch die beispielsweise Stromanschlüsse oder
Anschlüsse
für Kühlvorrichtungen,
so wie sie für
Gradientenspulen typischerweise nötig sind, vorgesehen sind.
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Auch ist es denkbar, dass für derlei
Anschlüsse
das Klemmelement nicht in Form eines geschlossenen Ringes vorliegt,
sondern eines Ringes der einen Spalt aufweist, durch den diese Anschlüsse gelegt
werden können.
In diesem Fall bildet das Klemmelement 3 keinen geschlossenen
Ring, sondern stellt eine Art Spange dar.
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Im gezeigten Beispiel steht – wie oben
erwähnt – die Gradientenspulenbaugruppe 2 und
die Grundfeldmagnetbaugruppe 1 auf der Stirnseite 22 der
Gradientenspulenbaugruppe 2, die dem Klemmelement 3 abgewandt
ist, direkt über
eine formschlüssige
Kontaktfläche 6 miteinander
in Kontakt. Diese Kontaktfläche
kann ebenfalls kegelabschnittförmig
und insbesondere achsensymmetrisch geformt sein, wobei die Gradientenspulenbaugruppe 2 und
diese Kontaktfläche 6 eine
gemeinsame Symmetrieachse 10 aufweisen.
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Im gezeigten Beispiel weist auch
diese Kontaktfläche 6 mit
der Symmetrieachse 10 einen Winkelbereich von etwa 5 bis
15 Grad auf, wobei die Erfindung nicht auf Kontaktflächen beschränkt ist,
die durch diesen Winkelbereich ausgezeichnet sind. Durch eine achsensymmetrische
Form der Kontaktfläche 6 wird
eine exakte Positionierung bei der Verbindungsherstellung zwischen
der Gradientenspulenbaugruppe 2 und der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 wesentlich
durch ein selbstzentrierendes Moment erleichtert.
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Bei der Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe 2 wird
diese zunächst
in die Öffnung 15 der
Grundfeldmagnetbaugruppe 1 eingeführt und/die Kontaktfläche 6 hergestellt.
Anschließend wird
dann das Klemmelement gegen die Gradientenspulenbaugruppe 2 mit
einer Kraft F 11 gedrückt,
bis die Gradientenspulenbaugruppe 2 aufgrund der Form der
Kontaktflächen 4 und 6 sich
selbst zentrierend positioniert hat.
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Vorteilhaft kann das Klemmelement 3 in
dieser Position durch Bolzen beispielsweise Schraubenbolzen gehalten
werden, die beispielsweise an der Grundfeldmagnetbaugruppe 1 angebracht
sein können.
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Die Vorteile der Erfindung können wie
folgt zusammengefasst werden:
– Durch die im Wesentlichen
ringförmige
Verspannung der rohrförmigen
Gradientenspulenbaugruppe erfolgt eine Versteifung der Gradientenspulenbaugruppe.
– Die Versteifung
der Gradientenspulenbaugruppe führt
zu einer Schwingungsminderung und zu einer Lärmreduktion
– Verglichen
mit herkömmlichen
Methoden wird durch die Erfindung eine erhebliche Zeitersparnis
bei der Montage der Gradientenspulenbaugruppe in der Grundfeldmagnetbaugruppe
ermöglicht.
Es sind aufgrund der einstückigen
Ausbildung des Ringkeils nur vergleichsweise wenige Arbeitsschritte
zur Fixierung nötig.
– Durch
die Erfindung kann eine zeitaufwändige
Positionierung der Gradientenspulenbaugruppe nach dem Stand der
Technik entfallen, da die Vorrichtung selbstzentrierend gestaltet
werden kann.