-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zur
Herstellung einer Gradientenspule wie sie in der Kernspintomographie
(Synonym: Magnetresonanztomographie; MRT) eingesetzt werden. Dabei
bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf eine neue
Technik zur Herstellung von Scheiben- bzw. Sattelspulen.
-
Die
MRT basiert auf dem physikalischen Phänomen der Kernspinresonanz
und wird als bildgebendes Verfahren seit über 15 Jahren in der Medizin
und in der Biophysik erfolgreich eingesetzt. Bei dieser Untersuchungsmethode
wird das Objekt einem starken, konstantem Magnetfeld ausgesetzt. Dadurch
richten sich die Kernspins der Atome in dem Objekt, welche vorher
regellos orientiert waren, aus. Hochfrequenzwellen können nun
diese „geordneten" Kernspins zu einer
bestimmten Schwingung (Resonanzfrequenz) anregen. Diese Schwingung
erzeugt in der MRT das eigentliche Meßsignal (HF-Antwortsignal),
welches mittels geeigneter Empfangsspulen aufgenommen wird.
-
Für die Bildrekonstruktion
ist die exakte Information über
den jeweiligen Entstehungsort des HF-Antwortsignals (Ortsinformation
bzw. Ortskodierung) Voraussetzung. Diese Ortsinformation wird durch
magnetische Zusatzfelder (magnetische Gradientenfelder) zum statischen
Magnetfeld entlang der drei Raumrichtungen gewonnen. Diese Gradientenfelder
sind im Vergleich zum Hauptfeld klein und werden durch zusätzliche
Widerstandsspulen in der Patientenöffnung des Magneten erzeugt.
Durch diese Gradientenfelder ist das Gesamtmagnetfeld in jedem Volumenelement
anders und damit auch die Resonanzfrequenz. Wird eine definierte
Resonanzfrequenz eingestrahlt, so können also nur die Atomkerne
angeregt werden, die sich an einem Ort befinden, an dem das Magnetfeld
die entsprechende Resonanzbedingung erfüllt. Geeignete Änderungen
der Gradientenfelder ermöglichen
es, den Ort eines solchen Volumenelements, bei dem die Resonanzbedingung
erfüllt
ist, definiert zu verschieben und so den gewünschten Bereich abzutasten.
-
Die
Gradientenfelder entlang aller drei Raumrichtungen werden durch
drei unterschiedliche Teilwicklungen (sogenannten Gradientenspulen)
erzeugt welche das sogenannte Gradientensystem bilden. Die Gradientenspulen
erzeugen ein dem jeweils eingeprägten
Strom proportionales, räumlich
jeweils zueinander senkrechtes Gradientenfeld. Dabei wird unterschieden
zwischen planaren Gradientenspulen bei offenen MRT-Systemen (z.B.
Typ Magnetom Open) und zylinderförmigen
Gradientenspulen (Maxwell-Spulen) bzw. teilzylinderförmigen Gradientenspulen
(Sattel-Spulen) bei geschlossenen MRT-Systemen (z.B. Typ Magnetom Vision).
-
Die
zylinderförmige
Gradientenspule (Maxwellspule) ist eine gewöhnliche Zylinderspule die ein axiales
Feld erzeugt welches in radialer Richtung variiert. Die Herstellung
erfolgt durch Wicklung eines elektrischen Leiters auf einer Zylinderoberfläche in axialer
Richtung.
-
Die
planaren Gradientenspulen sowie die Sattelspulen weisen eine brezelförmige bzw.
spiralartige Leiterstruktur auf. Die derzeitige Herstellung erfolgt
durch Einbringen des elektrischen Leiters in entsprechende (brezelförmige bzw.
spiralförmige)
Einfräsungen
bzw. Vertiefungen einer flachen Wickelplatte und anschließendem Verkleben
der so erzeugten brezelförmigen
bzw. spiralförmigen
Leiterbahn mit einer Trägerplatte
welche letztendlich von der Wickelplatte abgehoben wird. Zur Erzeugung
von Sattelspulen wird die Trägerplatte
auf den gewünschten Radius
gerollt. Dieser Schritt wird als "Umformprozeß" oder "Rollen" bezeichnet.
-
Nach
dem derzeitigen Herstellungsverfahren von planaren Gradientenspulen
sowie Sattelspulen ist es nicht möglich eine durchgehende Wicklung
zu erzeugen, da man aus dem Inneren jeder spiralförmigen Wicklung
(auch "Auge" genannt) eine Verbindung
nach außen
schaffen muss, durch welche die Spulen verbunden werden können. Diese
Verbindung wird bei der Endmontage der Gradientenspule – bei Sattelspulen
nach dem Rollen – durch
weiches Einlöten
sogenannter "innerer
(Löt-)
Verbinder" hergestellt.
Dies hat unterschiedliche Nachteile: Derartige Lötverbinder sind üblicherweise
als gefräste
und daher teure Einzelteile ausgeführt. Das Einlöten als solches
stellt einen aufwendigen Verfahrensschritt im Herstellungsprozess
von planaren Gradientenspulen sowie Sattelspulen dar. Des weiteren
sind Lötstellen stets
als potentielle Fehlerquellen anzusehen da die Lötstelle brechen oder bei schlechter
Lötung
den elektrischen Widerstand erhöhen
kann. Außerdem können Lotspritzer
die beim Löten
anfallen im späteren
Betrieb Kurzschlüsse
hervorrufen.
-
Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 39 38 167 A1 ist ein Gradientenspulensystem
für einen
Kernspintomographen bekannt, das jeweils mehrere Sattelspulen für den X-Gradienten
und den Y-Gradienten enthält.
Die Windungen der Sattelspulen für
den X-Gradienten und den Y-Gradienten sind im Wickelbett eines hohlzylindrischen
Trägerkörpers angeordnet.
Die jeweils einem Feldgradienten zugeordneten Sattelspulen bestehen
aus einem einzigen gemeinsamen Seilleiter, so dass es möglich ist,
ein Gradientenspulensystem mit jeweils vier Sattelspulen ohne Zwischenkontakte
zu erhalten. Hierfür
sind an mehreren Stellen der Sattelspulen Unterführungen für den Leiter vorgesehen. Weiter
offenbart das Dokument
DE
39 38 167 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Gradientenspulensystems
durch Verwendung eines ein Wickelbett aufweisenden hohlzylindrischen
Trägerkörpers.
-
Ein
Verfahren zum Herstellen einer Gradientenspulenanordnung einer MRI-Apparatur
ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 17 260 A1 beschrieben.
Gemäß diesem
Dokument werden Sattelspulen dadurch hergestellt, dass Drähte in Nuten
einer ersten Form eingebracht werden, so dass die räumliche
Anordnung der Sattelspulen durch die Lage der Nuten bestimmt wird.
Anschließend
wird auf der Verdrahtung ein in einen Klebstoff eingetauchtes Tuch
platziert und mittels einer Form an die Verdrahtung gepresst. Anschließend wird
der Klebstoff ausgehärtet
damit das Tuch an der Verdrahtung haftet. Auf diese Weise wird eine
Sattelspulenanordnung gebildet, die das Tuch und die Verdrahtung
enthält.
-
Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 42 32 882 A1 offenbart eine Vorrichtung
zum Wickeln von Fingerprintspulen, die eine Platte aufweist, die
um den Stagnationspunkt der Wicklungen einer Fingerprintspule drehbar
ist. In der Platte sind an festgelegten Punkten Stifte fixierbar,
die Umlenkpunkte für
die Wicklungen definieren. Ferner ist eine Zuführeinrichtung vorgesehen, mit
der ein Leiter der drehbaren Platte tangential zuführbar ist.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, den konstruktiven Aufbau
sowie das Herstellungsverfahren von Gradientenspulen zu verbessern bzw.
zu vereinfachen.
-
Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
-
Es
wird eine Gradientenspule für
ein Magnet-Resonanz-Tomographie-Gerät vorgeschlagen welches eine
auf einer ersten Fläche
angeordnete spiralförmige
Spule und eine innere und eine äußere Leiterzuführung der
Spule aufweist, wobei die innere Leiterzuführung auf einer zweiten, zur
ersten beabstandeten Fläche
angeordnet ist und die Spule mit ihren Leiterzuführungen aus einem durchgehenden einteiligen
elektrischen Leiter besteht. Damit entfällt die derzeit übliche Verwendung
von gelöteten
kostenintensiven inneren Verbindern. Erfindungsgemäß wird die
Spule auf einer Trägerplatte
fixiert und ist die innere Leiterzuführung außerhalb der Trägerplatte angeordnet.
-
Falls
die erfindungsgemäße Gradientenspule
als planare Spule ausgebildet sein soll, so stellt die erste Fläche eine
Ebene dar.
-
Bei
einer Ausbildung der Gradientenspule als Sattelspule stellt die
erste Fläche
eine Zylindermantelfläche
dar.
-
Erfindungsgemäß wird weiterhin
ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule beansprucht,
aufweisend die folgenden Schritte:
- – Einlegen
eines Teiles eines elektrischen Leiters in eine die Form einer auf
einer ersten Fläche
angeordneten spiralförmigen
Spule vorgebende Nut einer Wickelplatte,
- – Verkleben
der so geformten Leiterbahnanordnung mit einer Trägerplatte,
- – Abheben
der Trägerplatte
und
- – Biegen
eines im Spulenzentrum verbliebenen Teiles des elektrischen Leiters
in eine zweite Fläche
so dass eine radiale innere Leiterzuführung entsteht. Die so erzeugte
Gradientenspule ist planar mit einer freien radialen inneren Zuführung.
-
Durch
einen weiteren Verfahrensschritt lassen sich jeweils beide erfindungsgemäßen planaren Gradientenspulen
in Sattelspulen umformen.
-
Beansprucht
wird demnach ein Verfahren zur Herstellung einer Gradientenspule
gemäß Anspruch
4, weiterhin aufweisend den darauffolgenden Schritt des Rollens
der Spule auf einer Zylindermantelfläche, wobei die innere Leiterzuführung eine
parallele Ausrichtung zur Zylinderachse erfährt.
-
Weitere
Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
werden nun anhand von Ausführungsbeispielen
bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
-
1a zeigt
eine perspektivische Darstellung einer planaren Gradientenspule
bzw. einer Sattelspule vor dem Rollen mit freier Rückführung des Verbindungsdrahtes,
-
1b zeigt
einen Schnitt durch die Wickelplatte einer planaren Gradientenspule
bzw. einer Sattelspule vor dem Rollen mit freier Rückführung des Verbindungsdrahtes,
-
2a zeigt
eine perspektivische Darstellung einer nicht erfindungsgemäßen planaren
Gradientenspule bzw. einer Sattelspule vor dem Rollen mit integrierter
Rückführung des
Verbindungsdrahtes,
-
2b zeigt
einen ersten Schnitt durch die nicht erfindungsgemäße Wickelplatte
einer planaren Gradientenspule bzw. einer Sattelspule vor dem Rollen
mit integrierter Rückführung des
Verbindungsdrahtes,
-
2c zeigt
einen zweiten Schnitt durch die nicht erfindungsgemäße Wickelplatte
einer planaren Gradientenspule bzw. einer Sattelspule vor dem Rollen
mit integrierter Rückführung des
Verbindungsdrahtes,
-
3 zeigt
perspektivisch die erfindungsgemäße Ausführung einer
zweiteiligen Sattelspule mit Rückführung des
Verbindungsdrahtes auf größerem Radius,
-
4 zeigt
perspektivisch die erfindungsgemäße Ausführung einer
zweiteiligen Sattelspule mit Rückführung des
Verbindungsdrahtes auf kleinerem Radius.
-
1a zeigt
eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen vollständig durchgewickelten
planaren Gradientenspule bzw. Sattelspule vor dem Rollen. Die Spule
ist als rundförmige
Spirale 2 dargestellt, die in der Mitte ein Zentrum 1 (auch
Auge genannt) aufweist. Mit "vollständig durchgewickelt" wird eine Leiterbahnanordnung
bezeichnet, bei der aus dem Inneren (dem Auge 1) der Spirale 2 ohne
Lötverbindung eine
radiale Verbindung X nach Außen
geschaffen ist. Die radiale Verbindung X (innere Leiterzuführung) nach
Außen
kann natürlich
nicht auf der gleichen Ebene der Spirale erfolgen, sondern wird
bei planaren Gradientenspulen in einer Fläche ober- oder unterhalb der
Spulenebene, bei Sattelspulen auf einer Zylindermantelfläche mit
größerem oder
kleinerem Radius positioniert. Die innere Leiterzuführung X
wird dadurch erhalten, daß beim
Wickeln der Spirale von innen nach außen nicht mit dem Leiter-Ende
begonnen wird, sondern ein entsprechend langes Leiterstück freigehalten
wird, welches letztlich nach dem Wickeln über die Spirale gebogen bzw.
geknickt wird. Beim Wickeln der Spirale von außen nach innen wird zuletzt
noch so viel elektrischer Leiter hinzugenommen, daß durch
Biegen des Leiter-Endes im Auge 1 eine radiale Leiterzuführung X
(innere Leiterzuführung) über die
gesamte Spirale 2 hinweg realisiert werden kann. Dabei
sei darauf hingewiesen, daß die spiralförmige Spulenform
gegebenenfalls auch eckig, insbesondere bei planaren Gradientenspulen
auch brezelförmig,
ausgebildet sein kann.
-
In
dieser ersten Ausführungsform
gemäß 1a erfolgt
die Rückführung des
Leiters X (innere Leiterzuführung)
oberhalb der Spulenebene. Die Vorgehensweise zur Herstellung einer
Leiterbahnanordnung gemäß 1a besteht
darin entweder von innen nach außen oder von außen nach
innen den Leiter in die entsprechend spiralförmige Nut 3 einer
Wickelplatte W zu legen. Das äußere Leiterbahnende 6 der
Spule befindet sich dementsprechend in der Spulenebene während das
innere Leiterbahnende X (innere Leiterzuführung) zunächst axial zur Spulenebene
ausgerichtet ist. Die so geschaffene Spule wird nach Beendigung
des Wickelns mit einer Trägerplatte
T verklebt und von der Wickelplatte W abgehoben. Anschließend wird
bei der Fertigung einer planaren Gradientenspule das innere Leiterbahnende
X (innere Leiterzuführung)
so gebogen, daß es
in geringem gleichmäßigem Abstand
zur Spulenebene frei aus dem Spulenbereich herausgeführt wird.
Zuletzt wird das gebogene Leiterbahnende X (innere Leiterzuführung) entweder
mit dem flächigen
Spulenteil Z vergossen oder an diesem bei der Endmontage provisorisch
mit geeignetem Kleber fixiert. In 1b ist
in dem Schnittbild A-A durch die Wickelplatte W sowie durch die
Trägerplatte
T die relative Lage der Leiterbahnen X bzw. Z einer gemäß 1a zu
fertigenden planaren Gradientenspule zueinander dargestellt. Das
innere Leiterbahnende X (innere Leiterzuführung) ist knapp über der
Trägerplatte
T radial nach außen
geführt.
-
2a zeigt
eine per perspektivische Darstellung einer Ausführungsform einer nicht erfindungsgemäßen vollständig durchgewickelten
planaren Gradientenspule bzw. Sattelspule vor dem Rollen. Die Leiterzuführung Y
(innere Leiterzuführung) zum
Spulenzentrum 1 erfolgt gemäß 2a in
einer Ebene unterhalb der spiralförmig angeordneten Leiterbahnen
Z. Die Vorgehensweise zur Herstellung einer Leiterbahnanordnung
gemäß 2a besteht
darin zunächst
eine radiale Leiterzuführung
Y (innere Leiterzuführung)
zum Spulenzentrum zu schaffen, indem der zuführende Leiter Y in eine relativ
zu den Nuten für
die eigentliche Magnetfelderzeugende Spulenspirale tiefergelegene
Nut 4 der Wickelplatte W eingelegt wird. Vom Zentrum 1 aus
wird dann der ebene Spulenteil Z durch Einlegen des Leiters in die höhergelegenen
spiralförmigen
Nuten der Wickelplatte W erzeugt, so daß das äußere Spulenende 6 (äußere Leiterzuführung) in
der Spulenebene, die innere Zuführung
Y unter der Spulenebene zu liegen kommt. Die so entstandene Leiterbahnanordnung wird
durch Laminieren mit einer Trägerplatte
T fixiert die letztendlich von der Wickelplatte W abgehoben wird.
In den 2b und 2c ist
in zueinander senkrechten Schnittbildern die relative Lage der Leiterbahnen
Y, Z zueinander insbesondere die Leiterbahnzuführung Y zum Spulenzentrum 1 dargestellt. Schnitt
B-B zeigt die in der Wickelplatte W im Vergleich zu den Spiral-Nuten tiefergelegene
Zuführung zum
Spulenzentrum 1. Der zu Schnitt B-B senkrechte Schnitt
C-C zeigt die Leiterbahnzuführung
Y zum Spulenzentrum 1 unter den eigentlichen spiralförmig gelegten
Leiterbahnen Z. Diese Leiterbahnanordnung ist bereits nach der Einlaminierung
mit der Trägerplatte
T vollständig
fixiert.
-
Bei
beiden Ausführungsformen
kann auf einen inneren Verbinder und damit auf das Löten im sensiblen
Bereich des Spulenzentrums 1 verzichtet werden, was zum
einen den Fertigungsprozeß vereinfacht
und zum anderen eine potentielle Fehlerquelle ausschließt.
-
Im
Prinzip können
beide der eben beschriebenen Ausführungsformen der planaren Spulen
zur Herstellung von zwei- oder mehrteiligen Sattelspulen verwendet
werden, die bei entsprechender gegenseitiger Anordnung und Verschaltung
orthogonale Gradientenfelder liefern. Bei der Fertigung einer Sattelspule
wird die Trägerplatte
T der ersten oder zweiten Ausführungsform
in der Weise gebogen oder gerollt, daß sie den Teil einer Zylindermantelfläche 5 bildet. Durch
90°- bzw.
180°-Versatz
von vier der so gebildeten Sattelspulen können zwei zueinander orthogonale
transversale Gradientenfelder erzeugt werden, die beide wiederum
orthogonal zu dem axialen Gradientenfeld der bereits erwähnten Maxwellspule
(z-Spule) eines geschlossenen MRT-Systems sind. Dabei ist dringend
darauf zu achten, daß bei
jeder Sattelspule die Leiterrückführung X
vom Spulenzentrum 1 gemäß der ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
bzw. die Leiterzuführung
Y zum Spulenzentrum 1 gemäß der nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform
exakt parallel zur Zylinderachse des so gebildeten zylindrischen
Gradienten-(Spulen-) Systems verläuft, um keine axiale Feldkomponente
zu verursachen; Diese würde
die Linearität
der Maxwellspule beeinflussen und damit Bildverzerrungen hervorrufen.
-
In
den 3 und 4 ist jeweils eine zweiteilige
Sattelspule dargestellt. Aus Gründen
der Übersichtlichkeit
bzw. zur besseren Darstellung ist nur die Leiterbahnanordnung abgebildet.
Die jeweiligen Trägerplatten
sind nicht dargestellt bzw. sind als transparent zu betrachten.
Die beiden Figuren unterscheiden sich in der Art und Weise der Leiterzuführung bzw.
der Leiterrückführung zum
bzw. vom Spulenzentrum. 3 zeigt eine zweiteilige Sattelspule mit
jeweils zwei zur Zylinderachse parallelen Leiterzuführungen
X die einen größeren Abstand
zur Zylinderachse haben als die Spule selbst. In 4 ist
es gerade umgekehrt: Beide Leiterzuführungen Y befinden sich auf
einer Zylindermantelfläche
mit kleinerem Radius als die der Spulen selbst. Selbstverständlich ist
es auch möglich
beide Leiterzuführungsarten
in einer zweiteiligen Sattelspule zu kombinieren. Da in den 3 und 4 die
Trägerplatten
nicht eingezeichnet sind geht aus der jeweiligen Zeichnung nicht hervor,
ob die Leiterzuführung
frei oder in der Trägerplatte
integriert ist. Beides bzw. auch die Kombination beider Möglichkeiten
ist denkbar. Wohlgemerkt sind in beiden Figuren exakt parallel zur
Zylinderachse um das axiale Gradientenfeld der nicht dargestellten Maxwellspule
nicht zu beeinflussen.
-
Wie
bereits erwähnt
kann die Herstellung derartiger Sattelspulen durch Rollen der Trägerplatte der
beiden Ausführungsform
erfolgen. Eine andere Möglichkeit
der Herstellung besteht darin, bereits die Wickelplatte in erster
oder zweiter Ausführungsform als
zylindrische Wickelform mit dem gewünschten Radius auszuführen. In
beiden Fällen
kann auch hier auf einen zu lötenden
inneren Verbinder verzichtet und somit die Spule durchgehend gewickelt
werden. Der Prozess-Schritt des Rollens entfällt.