DE10304249A1

DE10304249A1 - Magnetresonanzgerät mit einer Gradientenspule und einer elektrisch leitfähigen Struktur

Info

Publication number: DE10304249A1
Application number: DE10304249A
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Heid
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: CN100426002C; GB2400180A; CN1519578A; DE10304249B4; GB2400180B; US6844733B2; US20040183535A1; GB0402107D0

Abstract

Ein Magnetresonanzgerät beinhaltet folgende Merkmale: DOLLAR A - eine Gradientenspule zum Erzeugen eines Gradientenfelds, DOLLAR A - eine elektrisch leitfähige Struktur, DOLLAR A - die die Gradientenspule wenigstens teilweise umgibt und DOLLAR A - die ausgelöst durch eine Stromänderung in der Gradientenspule ein Wirbelstromfeld erzeugt, wobei wenigstens ein Anteil des Wirbelstromfelds hinsichtlich wenigstens einem nichtlinearen Anteil des Gradientenfelds innerhalb eines Abbildungsvolumens des Magnetresonanzgeräts kompensierend wirkt, und DOLLAR A - eine Korrekturspule, DOLLAR A - die mit der Gradientenspule in Reihe geschaltet ist und DOLLAR A - die zweischen der Gradientenspule und der Struktur angeordnet ist, DOLLAR A zum Erzeugen eines Magnetfelds, das innerhalb des Abbildungsvolumens frei von einem linearen Anteil ist und zum Kompensieren wenigstens des nichtlinearen Anteils des Gradientenfelds gestaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanzgerät.
Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik unter anderem zum Gewinnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsobjekts. Dabei werden in einem Magnetresonanzgerät einem statischen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagneten erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überlagert, die von einem Gradientenspulensystem erzeugt werden. Ferner umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfrequenzsystem, das zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen Hochfrequenzsignale in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die ausgelösten Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder erstellt werden.
Zum Erzeugen von Gradientenfeldern sind in Gradientenspulen des Gradientenspulensystems entsprechende Ströme einzustellen. Dabei betragen die Amplituden der erforderlichen Ströme bis zu mehreren 100 A. Die Stromanstiegs- und -abfallraten betragen bis zu mehreren 100 kA/s. Da das Gradientenspulensystem ist in der Regel von elektrisch leitfähigen Strukturen umgeben ist, werden in diesen durch die geschalteten Gradientenfelder Wirbelströme induziert. Beispiele für derartige leitfähige Strukturen sind der Vakuumbehälter und/oder die Kälteschilde eines supraleitenden Grundfeldmagneten, ein Hochfrequenzschirm, beispielsweise aus einer Kupferfolie, und eine Antenne des Hochfrequenzsystems. Die mit den Wirbelströmen einhergehenden Felder sind unerwünscht, weil sie die Gradientenfelder ohne gegensteuernde Maßnahmen schwächen und in ihrem zeitlichen Verlauf verzerren, was zur Beeinträchtigung der Qualität von Magnetresonanzbildern führt.
Das Verzerren eines Gradientenfeldes infolge der Wirbelstromfelder kann bis zu einem gewissen Grad durch ein entsprechendes Vorverzerren einer das Gradientenfeld steuernden Größe kompensiert werden. Zum Kompensieren ist die steuernde Größe dabei derart zu filtern, dass die bei nicht-vorverzerrtem Betreiben der Gradientenspule auftretenden Wirbelstromfelder, durch das Vorverzerren aufgehoben werden. Zum Filtern ist ein Filternetzwerk einsetzbar, dessen Größen durch Zeitkonstanten und Koeffizienten bestimmt sind, die beispielsweise mit einem Verfahren entsprechend der DE 198 59 501 C1 ermittelbar sind.

Durch einen Einsatz eines aktiv geschirmten Gradientenspulensystems sind ferner die auf einer vorgebbaren Hüllfläche, die beispielsweise durch einen inneren Zylindermantel eines 80-K-Kälteschilds des supraleitenden Grundfeldmagneten verläuft, durch die bestromten Gradientenspulen induzierten Wirbelströme reduzierbar. Eine zur Gradientenspule zugehörige Sekundärspule weist dabei in der Regel eine geringere Windungsanzahl als die Gradientenspule auf und ist mit der Gradientenspule derart verschaltet, dass die Sekundärspule vom gleichen Strom wie die Gradientenspule, allerdings in entgegengesetzter Richtung durchflossen wird. Die Sekundärspule wirkt dabei auf das Gradientenfeld im Abbildungsvolumen schwächend. Eine Gradientenspule mit zugehöriger Sekundärspule zum Reduzieren eines Gradientenfeldes auf einer vorgebbaren Hüllfläche ist beispielsweise in der GB 2 180 943 A beschrieben.

Des Weiteren ist in der DE 34 11 222 A1 ein Magnetresonanzgerät beschrieben, das drei Gradientenspulen zum Erzeugen von Gradientenfeldern und wenigstens eine weitere von den Gradientenspulen unabhängig betreibbare Spulenanordnung zum Erzeugen eines in Richtung eines Grundmagnetfeldes verlaufenden Magnetfeldes umfasst. Dabei ist die weitere Spulenanordnung derart gestaltet, dass sich das Magnetfeld räumlich nichtlinear ändert und dass ein Überlagern des Magnetfeldes mit Gradientenfeldern eine definierte, zeitlich räumliche Änderung einer Magnetflussdichte ergibt. Die weitere Spulen anordnung ist in einer Ausführungsform derart gestaltet, dass das Magnetfeld einen räumlichen Verlauf aufweist, der einer Kugelfunktion zweiter oder dritter Ordnung entspricht. Mit der weiteren Spulenanordnung sind insbesondere durch die Gradientenfelder hervorgerufene, unerwünschte Wirbelstromeffekte beseitigbar.

Schließlich ist aus der DE 101 56 770 A1 ein Magnetresonanzgerät mit einem Gradientenspulensystem bekannt, bei dem eine elektrisch leitfähige Struktur derart angeordnet und ausgebildet ist, dass wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens des Magnetresonanzgeräts ein von einem Gradientenfeld über Induktionseffekte hervorgerufenes Magnetfeld der Struktur dem Gradientenfeld ähnlich ist. Dabei ist in einer Ausführungsform wenigstens ein Teil der Struktur als ein Bestandteil eines Grundfeldmagneten fassmantelförmig ausgebildet. Dadurch ist unter anderem mit Vorteil das Gradientenspulensystem ohne Sekundärspulen ausbildbar, da die an sich unerwünschten Folgen der geschalteten Gradientenfelder aufgrund der Ähnlichkeit des durch die Struktur hervorgerufenen Magnetfeldes durch eine Vorverzerrung beherrschbar sind, so dass keine Schwächung der Gradientenfelder aufgrund von Sekundärspulen stattfindet.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Magnetresonanzgerät zu schaffen, das bei einfachem und kompaktem Aufbau eine effiziente Kompensationsmöglichkeit für Wirbelstromfelder ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Gemäß Anspruch 1 beinhaltet ein Magnetresonanzgerät folgende Merkmale:

– Eine Gradientenspule zum Erzeugen eines Gradientenfelds,
– eine elektrisch leitfähige Struktur,
– die die Gradientenspule wenigstens teilweise umgibt und
– die ausgelöst durch eine Stromänderung in der Gradientenspule ein Wirbelstromfeld erzeugt, wobei wenigstens ein Anteil des Wirbelstromfelds hinsichtlich wenigstens einem nichtlinearen Anteil des Gradientenfelds innerhalb eines Abbildungsvolumens des Magnetresonanzgeräts kompensierend wirkt, und
– eine Korrekturspule,
– die mit der Gradientenspule in Reihe geschaltete ist und
– die zwischen der Gradientenspule und der Struktur angeordnet ist,

zum Erzeugen eines Magnetfelds, das innerhalb des Abbildungsvolumens frei von einem linearen Anteil ist und zum Kompensieren wenigstens des nichtlinearen Anteils des Gradientenfelds gestaltet ist.

Dadurch, dass die Korrekturspule mit dem Abklingen des Wirbelstromfelds das Kompensieren übernimmt, wird unabhängig vom zeitlichen Verlauf des Gradientenfelds eine gleichbleibend gute Kompensation sichergestellt. Dabei gewährleistet das Anordnen der Korrekturspule zwischen der Gradientenspule und der Struktur, insbesondere ein Anordnen möglichst nahe der Struktur, dass unmittelbar bei Stromänderungen in der Reihenschaltung das Magnetfeld der Korrekturspule aufgrund von durch die Korrekturspule in der Struktur hervorgerufenen Wirbelströmen im Abbildungsvolumen nahezu vollständig kompensiert wird. Mit dem Abklingen des durch die Gradientenspule bewirkten Wirbelstromfelds wird dann das Magnetfeld der Korrekturspule im Abbildungsvolumen mehr und mehr sozusagen magnetisch sichtbar, so dass das Magnetfeld der Korrekturspule in dem Maße kompensiert, in dem die Kompensationswirkung des durch die Gradientenspule hervorgerufenen Wirbelstromfelds abklingt. Da die Änderungen des Wirbelstromfelds und des Magnetfelds wegen vergleichbarer Stromflusspfade ähnliche Halbwertszeiten aufweisen, kann damit sozusagen für alle Zeiten eine ausreichende Kompensation erzielt werden. Das Magnetfeld der Korrekturspule hat dabei keine Schwächung des linearen Anteils des Gradientenfelds zur Folge, wie dies bei einer konventionellen, mit einer Sekundärspule geschirmten Gradientenspule der Fall ist. Die Vorteile einer erhöhten Leistung des nicht aktiv geschirmten Gradientenspulensystems bleiben also erhalten. In anderen Worten bleiben, abgesehen von den ohmschen Verlusten der typischerweise aus nur wenigen Drahtwindungen bestehenden Korrekturspule, Induktivität und Sensitivität der Gradientenspule bei der Reihenschaltung unverändert erhalten. Durch die Reihenschaltung entsteht ferner auch kein Bedarf einer weiteren, unabhängig ansteuerbaren Spannungsquelle für die Korrekturspule. Zum Bestimmen einer Leiteranordnung der Korrekturspule sind entsprechende Verfahren bekannt, so ist beispielsweise aus der DE 197 26 332 A1 ein Designverfahren für eine Leiteranordnung einer elektrischen Spule bekannt, bei dem eine Stromverteilung auf einer Oberfläche der Spule mittels einer zu minimierenden Zielfunktion, die Randbedingungen zulässt, so berechnet, dass an vorgebbaren Punkten ein mit Spule erzeugbares magnetisches Feld vorgebbare Werte genau oder bestmöglich erreicht.

Entsprechend dem Konzept der eingangs genannten DE 101 56 770 A1 ist eine Gradientenspule im Zusammenspiel mit einer elektrisch leitfähigen Struktur derart gestaltet, dass sich unmittelbar nach einer Stromänderung in der Gradientenspule ein aus dem direkten magnetischen Feld der Gradientenspule und einem Wirbelstromfeld der Struktur resultierendes Feld in einem Abbildungsvolumen einstellt, das im Idealfall die gewünschte räumliche Verteilung als ein streng lineares Gradientenfeld aufweist. Da das Wirbelstromfeld aber abklingt, ist bisher im Allgemeinen nicht erreichbar, dass diese räumliche Verteilung für alle Zeiten erhalten wird. Schließt sich beispielsweise an vorgenannte Stromänderung ein längerer Zeitraum mit einem konstanten Stromfluss in der Gradientenspule an, klingt das Wirbelstromfeld ab und es treten von der Gradientenspule hervorgerufen Magnetfeldstörungen in Erscheinung, da die kompensierende Wirkung der Struktur nicht oder kaum mehr vorhanden ist, auf der basie rend aber die Gradientenspule ja gerade konzipiert ist. Im Rahmen einer vorteilhaften Ausgestaltung ist durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Korrekturspule vorgenannter Effekt beseitigbar, wobei die Vorteile des Konzepts entsprechend der DE 101 56 770 A1 voll erhalten bleiben. So bleiben die Vorteile einer erhöhten Leistung des nicht aktiv geschirmten Gradientenspulensystems, die abschirmende Wirkung der elektrisch leitfähigen Struktur gegen magnetische Störfelder von außen und die Möglichkeit, die Struktur in einem größeren Abstand zu den Gradientenspulen anzubringen als Sekundärspulen in einem aktiv geschirmten Gradientenspulensystem, voll erhalten. Die Korrekturspule ist schließlich natürlich auch bei einem Magnetresonanzgerät, das im Wesentlichen entsprechend der DE 101 56 770 A1 gestaltet ist, aber beispielsweise aufgrund von Begrenzungen in der geometrischen Formgebung der leitfähigen Struktur diese nicht optimal ausbildbar ist, mit Vorteil einsetzbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Figur zeigt dabei als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Längsschnitt durch ein Magnetresonanzgerät, wobei lediglich ein rechter oberer Quadrant des Längsschnitts dargestellt ist. Dabei umfasst das Magnetresonanzgerät zum Erzeugen eines möglichst homogenen statischen Grundmagnetfelds innerhalb eines Abbildungsvolumens 15 einen supraleitenden Grundfeldmagneten, dessen Vakuumbehälter 10 als elektrisch leitfähige Struktur in der Figur dargestellt ist.

In einer Höhlung des Vakuumbehälters 10 ist ein, zwei voneinander getrennte, hohlzylinderförmige Hälften umfassendes Gradientenspulensystem 20 angeordnet. Jede der Hälften beinhaltet dabei zwei sattelförmige Teilspulen einer ersten transversalen Gradientenspule 21, zwei weitere sattelförmige Teilspulen einer zweiten transversalen Gradientenspule und eine solenoidartige Teilspule einer longitudinalen Gradientenspule, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Figur lediglich die erste transversale Gradientenspule 21 dargestellt ist. Zur Stromversorgung ist die Gradientenspule 21 mit einem Gradientenverstärker 29 verbunden.

Des Weiteren ist aus Gründen der Übersichtlichkeit ein zum Senden von Hochfrequenzsignalen und Empfangen von Magnetresonanzsignalen speziell ausgebildetes Antennensystem, das zwischen den beiden Hälften des Gradientenspulensystems 20 anordenbar ist, in der Figur ebenfalls nicht dargestellt.

Entsprechend dem Konzept der eingangs genannten DE 101 56 770 A1 sind die Gradientenspulen im Zusammenspiel mit dem Vakuumbehälter 10 derart gestaltet, dass sich unmittelbar nach einer Stromänderung, beispielsweise in der Gradientenspule 21, ein aus dem direkten magnetischen Feld der Gradientenspule 21 und einem Wirbelstromfeld des Vakuumbehälters 10 resultierendes Feld im Abbildungsvolumen 15 einstellt, das die gewünschte räumliche Verteilung als ein streng lineares Gradientenfeld aufweist. Dazu ist die Höhlung des Vakuumbehälters 10 zum Umsetzen des Konzepts der eingangs erwähnten DE 101 56 770 A1 im Mittenbereich im Wesentlichen fassmantelartig ausgebaucht. Unter Zuhilfenahme des Mittels der Vorverzerrung ist damit ein unverzerrtes resultierendes Feld im Abbildungsvolumen 15 einstellbar.

Schließt sich aber an vorgenannte Stromänderung beispielsweise ein längerer Zeitraum mit einem konstanten Stromfluss in der Gradientenspule 21 an, klingen das Wirbelstromfeld ab und es treten von der Gradientenspule 21 hervorgerufene Störungen des Gradientenfelds innerhalb des Abbildungsvolumens 15 in Erscheinung, da die kompensierende Wirkung der Struktur nicht oder kaum mehr vorhanden ist, auf der basierend aber die Gradientenspule 21 ja gerade konzipiert ist. Diese Störungen werden dann durch eine entsprechend gestaltete, mit der Gradientenspule 21 in Reihe geschaltete Korrekturspule 25 kompensiert. Dabei ist die Korrekturspule derart gestaltet, dass der lineare Feldanteil der Gradientenspule 21 durch die Korrekturspule 25 unbeeinflusst bleibt. Um unmittelbar bei der Stromänderung nicht zu stören, ist die Korrekturspule 25 zwischen dem Vakuumbehälter 10 und der Gradientenspule 21, insbesondere möglichst nahe dem Vakuumbehälter 10 angeordnet, da dann unmittelbar bei der Stromänderung aufgrund von Wirbelströmen im Vakuumbehälter 10 das Magnetfeld der Korrekturspule 25 im Abbildungsvolumen kompensiert wird. Mit dem Abklingen des durch die Gradientenspule 21 bewirkten Wirbelstromfelds wird dann das Magnetfeld der Korrekturspule 25 im Abbildungsvolumen 15 mehr und mehr sozusagen magnetisch sichtbar, so dass das Magnetfeld der Korrekturspule 25 in dem Maße kompensiert, in dem die Kompensationswirkung des durch die Gradientenspule 25 hervorgerufenen Wirbelstromfelds abklingt. Die Korrekturspule 25 ist dabei quasi derart gestaltet, dass mit ihr ein magnetisches Feld erzeugbar ist, das dem Unterschied im resultierenden Feld der Gradientenspule 21 mit und ohne Vorhandensein der elektrisch leitfähigen Struktur unmittelbar bei der Stromänderung entspricht.

Korrekturspulen der weiteren Gradientenspulen können in der gleichen Ebene wie die Korrekturspule 25 der Gradientenspule 21 angeordnet sein. In einer anderen Ausführungsform ist die Korrekturspule derart angeordnet, dass sie noch näher entlang der elektrisch leitfähigen Struktur verläuft. Dazu kann sie unter anderem wenigstens teilweise nicht ins Gradientenspulensystem 20 integriert sein. In wiederum anderen Ausführungsformen können auch anders geformte, beispielsweise ungeteilte Gradientenspulensystem zum Einsatz kommen.

Claims

Magnetresonanzgerät, beinhaltend folgende Merkmale: – Eine Gradientenspule zum Erzeugen eines Gradientenfelds, – eine elektrisch leitfähige Struktur, – die die Gradientenspule wenigstens teilweise umgibt und – die ausgelöst durch eine Stromänderung in der Gradientenspule ein Wirbelstromfeld erzeugt, wobei wenigstens ein Anteil des Wirbelstromfelds hinsichtlich wenigstens einem nichtlinearen Anteil des Gradientenfelds innerhalb eines Abbildungsvolumens des Magnetresonanzgeräts kompensierend wirkt, und – eine Korrekturspule, – die mit der Gradientenspule in Reihe geschaltete ist und – die zwischen der Gradientenspule und der Struktur angeordnet ist, zum Erzeugen eines Magnetfelds, das innerhalb des Abbildungsvolumens frei von einem linearen Anteil ist und zum Kompensieren wenigstens des nichtlinearen Anteils des Gradientenfelds gestaltet ist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 1, wobei die Korrekturspule bezüglich der Struktur derart angeordnet ist, dass das Magnetfeld das Kompensieren nach der Stromänderung in dem Maße übernimmt, in dem das Wirbelstromfeld mit der Zeit abklingt.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Korrekturspule in unmittelbarer Nähe der Struktur angeordnet ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gradientenspule und die Struktur derart aufeinander abgestimmt gestaltet sind, dass das Wirbelstromfeld innerhalb des Abbildungsvolumens dem Gradientenfeld ähnlich ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Magnetresonanzgerät einen Grundfeldmagneten umfasst und wenigstens ein Teil des Grundfeldmagneten als wenigstens ein Teil der Struktur ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 5, wobei der Grundfeldmagnet ein supraleitender Grundfeldmagnet ist, dessen Vakuumbehälter als die Struktur ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Struktur in etwa fassmantelförmig ausgebildet ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Gradientenspule in einem Gradientenspulensystem des Magnetresonanzgeräts angeordnet ist.
Magnetresonanzgerät nach Anspruch 8, wobei wenigstens ein Teil der Korrekturspule in das Gradientenspulensystem integriert ist.
Magnetresonanzgerät nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei das Gradientenspulensystem im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist.