DE19645813A1 - Aktive Abschirmmagneten mit einzigem Formkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft diagnostische Magnetresonanz-Abbildungseinrichtungen und ins­ besondere einen verbesserten Magnetresonanz-Magneten (MRI) mit aktiver Abschirmung, der eine einzelne Formspule verwendet.

MRI-Magneten, die für die diagnostische Abbildung verwendet werden, arbeiten üblicher­ weise mit supraleitenden Spulen, um das statische Magnetfeld hoher Intensität zu erzeu­ gen, das bei solchen Systemen notwendig ist, und mit einer Abschirmung, um zu verhin­ dern, daß Streufelder die Räume durchsetzen, die der Öffentlichkeit zugänglich sind.

Es gibt drei grundlegende Verfahren zum Abschirmen des MRI-Magneten:
Die ferromagnetische Abschirmung und die aktive Abschirmung. Die erste Methode sieht vor, Eisen um den MRI-Magneten in Form eines Rückführjoches anzuordnen. Die zweite Methode umfaßt die Verwendung von aktiven Abschirmmagneten. Die Methoden zum Abschirmen von Magneten verwenden entgegengesetzt verlaufende Spulen und Eisen in verschiedenen Kombinationen.

Bei der aktiven Abschirmung von MRI-Systemen werden zwei Sätze von Spulen verwen­ det, nämlich ein erster Satz von Spulen, der auf das homogene Magnet-Hauptfeld anspricht, und ein zweites Spulensystem, das als aktive Abschirmung verwendet wird. Üblicherweise bestehen die Spulen aus supraleitendem Material.

Bei der Konstruktion eines aktiven Abschirmmagnets bekannter Art ist es erforderlich, daß die äußeren und inneren Magnete auf getrennten Formkörpern gewickelt werden, und daß die Formkörper selbst später zusammengebaut werden. Dies ist deshalb der Fall, weil die Spulen sich längs der Z-Achse überlappen.

Um die Abschirmspulen zusammenzubauen, die erheblichen Kräften ausgesetzt sein können, ist es notwendig, massive Komponenten zur Aufnahme der Befestigungen vorzusehen. Diese Technik hat den erheblichen Nachteil, daß die Anhäufung von kleinsten Toleranzen und Relativbewegungen von Teilen der Anordnung unter Last zu einer ganz erheblichen Reduzierung der Homogenität führt.

Technisch wird jeder Satz von Spulen in Schlitze auf der eigenen, speziellen Spulenhal­ terung eingepaßt, die als Formkörper bezeichnet wird, d. h., daß der erste Satz von Spulen 22, der für das homogene Magneffeld verantwortlich ist, auf einen ersten Spulenkörper 23 passend aufgebracht wird, und der zweite Satz von Spulen 21, der für die aktive Abschir­ mung verantwortlich ist, auf einen zweiten Spulenkörper 24 passend aufgesetzt wird. Der Aufbau, der mindestens zwei getrennte Formkörper für ein MRI-System benutzt, ist z. B. aus den US-Patenten 53 29 266, 52 10 512, 52 96 810, 48 90 082 und 5045 826 beschrieben und dargestellt. Hierdurch wird insbesondere der Gegenstand des US- Patentes 50 12 217 der Anmelderin auf einem integrierten, aktiven, abgeschirmten Magneten weiter verbessert.

Aktive Abschirmmagnete zur Verwendung in einem MRI können auf zwei grundsätzliche Arten konstruiert werden. Entweder wird der Leiter direkt auf einen Formkörper aufge­ wickelt, oder er wird in eine Form gelegt und mit Harz imprägniert. Die zweite Methode ergibt getrennte, freistehende Spulen, die später auf einem Formkörper oder Formkörpern zusammengebaut werden können. Beide Methoden sind verwendet worden, um arbeits­ fähige Magnete zu konstruieren.

Das Aufwickeln des Leiters direkt auf einen Formkörper wird heutzutage bei der Her­ stellung von MRI-Magneten bevorzugt. Wenn der Leiter direkt auf den Formkörper aufge­ wickelt wird, wird die Verarbeitungszeit verkürzt, so daß wertvolle Zeit gewonnen wird. Ferner ist die direkte Bewicklung exakter in Bezug auf das genaue Anordnen der Spule an der richtigen Position auf dem Formkörper als dies bei einer Gießanordnung der Fall ist.

Aktive Abschirmsysteme mit mehr als einem Formkörper haben, wie im Stand der Tech­ nik erläutert, Nachteile. Beispielsweise ist es schwierig, die beiden Formkörper zusam­ menzubauen, so daß die Genauigkeit des Systems verringert wird. Ein weiterer Nachteil eines solchen Systems liegt in den Abmessungen, die üblicherweise sehr groß sind. Ein anderer Nachteil eines Systems mit zwei Formkörpern ist darin zu sehen, daß die Spulen nicht in einem einzigen Vorgang auf den Formkörper aufgewickelt werden können (dies bedeutet, daß der Wicklungsvorgang teuerer, langsamer und weniger genau wird).

Eine durch den Stand der Technik angebotene Lösung zur Behebung der Schwierigkeiten beim Zusammenbau der beiden Formkörper bestand darin, einen einzigen Formkörper zu verwenden. Hierzu wird beispielsweise auf US-Patent 51 36 273 hingewiesen. Bei dieser bekannten Anordnung wird ein einzelner Formkörper verwendet, und die Abschirmspu­ len werden an den Enden des Formkörpers in einem größeren Radius als die inneren Hauptspulen plaziert. Ein derartiger Vorschlag nach dem Stande der Technik löst zwar das Problem des Zusammenbauens, ermöglicht jedoch nicht, die Spulen in einem einzigen Vorgang zu wickeln, und läßt auch nicht die besonders kompakte Lösung für eine gege­ bene Homogenität erkennen.

Da die Spulen nicht direkt auf einen einzelnen Formkörper aufgewickelt werden können, geht die Möglichkeit verloren, eine erhöhte Genauigkeit zu erzielen.

Es besteht deshalb ein Bedarf an einem kompakten MRI-Magneten mit einem einzigen Formkörper, der einen einzigen Windungsvorgang ermöglicht. Ein derartiges System hat entscheidende Vorteile bei der Konstruktion des Magneten, weil der Spulenwicklungs­ vorgang schneller, billiger und leichter zu steuern ist.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein verbessertes aktives Abschirm-MRI-System zu schaffen, das kompakter ist und das einen einzelnen Formkörper verwendet, der in einem einzigen Verfahren gewickelt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird ein aktiv abgeschirmter Magnetresonanz-Abbildungsmagnet verwendet. Der verbesserte Magnet ergibt ein kompakteres, preiswerteres und exakter arbeitendes MRI-System, das ermöglicht, daß alle Spulen des Magneten in einem einzigen Vorgang auf einem einzelnen Formkörper gewickelt werden. Ein derartiges MRI-System ist gekennzeichnet durch
einen aktiven Abschirmmagneten, der aufweist
einen ersten Satz von Magnetspulen mit einem vorwärtsgehenden Strom und einen zweiten Satz von Magnetspulen mit einem rückwärtsgehenden Strom, wobei jede Spule aus den ersten und zweiten Sätzen von Magnetspulen ihre eigenen typischen Dimensionen hat, die sich von dem inneren axialen Radius zum äußeren radialen Radius erstrecken,
die ersten und zweiten Sätze von Magnetspulen längs eines einzelnen Formkörpers angeordnet sind, und
der einzelne Formkörper Flansche aufweist, die gestatten, alle Spulen direkt auf den einzelnen Formkörper in einem einzigen Vorgang aufzuwickeln.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein bekanntes Ausführungsbeispiel einer Spulenanordnung in einem MRI-System mit aktiver Abschirmung, die zwei oder mehr Formkörper verwendet,

Fig. 2 eine bekannte Ausführungsform der Spulenanordnung in einem MRI-Magneten mit aktiver Abschirmung, die die aktiven Abschirmspulen an den Enden eines einzelnen Formkörpers plaziert,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung eines einzelnen Formkörpers in einem MRI-Magneten, wie er bei vorliegender Erfindung verwendet wird,

Fig. 4 ein Flußdiagramm eines Algorithmus zur Auslegung des Spulensystems nach der Erfindung,

Fig. 5 die Abmessungen einer einzelnen Spule auf einem Formkörper in einem MRI- System, und

Fig. 6 ein Beispiel einer Spulenanordnung in einem Ausführungsbeispiel eines MRI- Magneten nach der Erfindung, der einen einzelnen Formkörper verwendet.

Fig. 3 zeigt die Spulenanordnung in einem aktiv abgeschirmten MRI-Magneten mit einem einzigen Formkörper nach der Erfindung. Hierbei ist nur ein Quadrant dargestellt, die anderen drei Quadranten, die durch die Z-Achse und die R-Achse definiert sind, sind symmetrisch angeordnet. Die Z-Achse fällt mit der warmen Bohrung eines MRI-Magneten zusammen, die R-Achse mit der zentralen radialen Symmetrieebene eines MRI-Magneten.

Ein erster Satz von Spulen 12, 13, 14, 16, die üblicherweise aus supraleitendem Material bestehen, wird um die Z-Achse auf gegebenen Innenradien angeordnet, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Dieser Satz von Spulen, die einen Vorwärtsstrom führen, wie durch ein +Zeichen in den Figuren dargestellt, wird auch als der Hauptsatz von Spulen bezeichnet (die Hauptspulen erzeugen das Hauptmagnetfeld des MRI-Magneten).

Ein zweiter Satz von Spulen, der in diesem Beispiel nur eine Spule 15, üblicherweise aus einem supraleitenden Material aufweist, wird um die Z-Ache herum üblicherweise auf einem äußeren Radius angeordnet (ein größerer Radius als das Hauptspulensystem und koaxial dazu verlaufend), wie in Fig. 3 dargestellt. Ein Strom, der in seiner Richtung entgegengesetzt zu dem in die Hauptspulen eingespeisten Strom fließt, wie durch ein -Zeichen dargestellt, wird in den zweiten Satz von Spulen eingespeist. Der zweite Satz von Spulen führt einen Rückwärts-Strom. Beide Spulensysteme sind in Serie an eine Speisequelle (in der Zeichnung nicht dargestellt) angeschlossen, die die Spulensysteme mit Strom versorgt oder nicht. Die Spulensysteme in Serie können mit Hilfe eines supraleitenden Schalters in an sich bekannter Weise in Dauerbetrieb gesetzt werden.

In Fig. 3 sind die Spulen, die einen vorwärtsgehenden Strom aufweisen, nämlich 12, 13, 14 und 16, und die Spulen, die einen rückwärtsgehenden Strom aufweisen, nämlich 15, längs eines einzigen Formkörpers 11 zwischen Flanschen 33 angeordnet. Die Flansche 33 sind die Seitenwände der Wicklungsnut. Sie gewährleisten, daß alle Lagen einer Spule mit den gleichen axialen Anfangs- und End-Dimensionen gewickelt werden. Ohne Flansche sind die axialen Dimensionen von Spulen, die durch Wickeln gebildet werden, undefiniert. Ein einfaches Beispiel wäre eine Fadenrolle. Ohne die Seitenflansche würde der Faden von der Spule fallen und eine verhedderte Masse bilden.

Fig. 5 zeigt die Dimensionen einer einzelnen Spule, die auf einen Formkörper aufgewick­ elt ist. Jede Spule 34 entweder aus dem ersten oder aus dem zweiten Satz von Spulen wird zwischen Flanschen 33 angeordnet, und seine individuelle Dimension wird als der Abstand zwischen den Flanschen definiert, d. h. der Abstand von der axialen Dimension d1 einer speziellen Spule zur axialen Dimension d2.

Die radialen Dimensionen der Spule sind r1, die innere radiale Dimension, und r2, die äußere radiale Dimension. Alle Spulen (12-16) können eine beliebige Position längs des einzigen Formkörpers 11 einnehmen, solange sie mit den folgenden Beschränkungen und Bedingungen übereinstimmen.

Die erste Bedingung ist, daß die ersten und zweiten Spulensätze in einem dreidimensio­ nalen Raum so angeordnet sind, daß ein starkes und homogenes Magnetfeld innerhalb des Magneten erzeugt wird, und ein Streufeld nahe Null außerhalb des Magneten ge­ messen wird.

Eine zweite Bedingung für das System ist, daß alle Spulen auf dem einzelnen Formkörper 11 zwischen Flanschen 33 so angeordnet ist, daß sie sich in der Z-Richtung nicht über­ lappen. Dies bedeutet, daß die größere axiale Dimension einer spezifischen Spule kleiner ist als die kleinere axiale Dimension der nächsten Spule. Im Beispiel nach Fig. 3 ist die größere axiale Dimension der Spule 14 kleiner als die kleinere axiale Dimension der Spule 15. Die gleiche Bedingung gilt für alle Spulen. Diese Bedingung ermöglicht es, alle Spulen aus den ersten und zweiten Spulensätzen auf einem einzigen Formkörper anzu­ ordnen.

Da alle Spulen (sowohl die ersten als auch die zweiten Sätze von Spulen) auf einem einzelnen Formkörper aufgewickelt sind, treten keine Genauigkeitsprobleme auf, die sich aus dem Zusammenbau von mehr als einem Formkörper ergeben würden. Da alle Spulen in den durch Flansche auf einem einzigen Formkörper ausgebildeten Nuten angeordnet sind, kann das System in einem einzigen Durchgang gewickelt werden, so daß sich ein Herstellvorgang ergibt, der weniger kostet, schneller durchgeführt werden kann und leichter steuerbar ist. Der einzelne Formkörper kann exakter hergestellt werden, da er ohne Störungen in einem einzigen Verfahrensschritt bearbeitbar ist.

Ein weiteres wesentliches Merkmal vorliegender Erfindung ist darin zu sehen, daß der Vorteil eines besonders kompakten Systems in axialer Richtung für eine gegebene Magnetfeld-Homogenität erzielt werden kann. Dies ergibt sich aufgrund der speziellen Anordnung der Abschirmspulen, die nicht genau axial auf dem Formkörper angeordnet sein müssen, im Gegensatz zu bekannten Systemen - siehe beispielsweise US-Patente 50 45 826, 51 36 273 und 49 68 961. Diese bekannten Vorschläge geben an, daß die Abschirmspulen 26 an den beiden Enden des Formkörpers (Fig. 2), d. h. die Hauptspulen 25 stets in der Mitte des Formkörpers zwischen den Abschirmspulen 26 angeordnet sind (Fig. 2).

Es ist in der MRI-Industrie bekannt, daß die Homogenität des Abbildungsvolumens maßgeblich durch die axiale Erstreckung des inneren Magneten gesteuert wird. Zur Erzielung einer gegebenen Homogenität würden sowohl die Anordnung nach der Erfindung, als auch die nach dem Stand der Technik die gleiche axiale Erstreckung für den inneren Magneten ergeben müssen. Mit anderen Worten bedeutet dies, daß zur Erzielung einer gegebenen Homogenität die axiale Erstreckung des inneren Magneten (der erste Satz von Spulen) nach dem Stand der Technik d3 der Fig. 2 gleich der axialen Erstreckung des inneren Magneten (der erste Satz von Spulen), 2 × d5 nach Fig. 3 sein müßte. Während im Falle der Erfindung die axiale Erstreckung des inneren Magneten auch die Gesamterstreckung des Systems ist, hat die axiale Erstreckung des bekannten Systems den Wert d4, eine Dimension, die größer ist als der Wert d3 (Fig. 2). Dies stellt sicher, daß die Erfindung, die zeigt, daß Abschirmspulen nicht die am weitesten axial angeordneten Spulen des Spulensatzes sind, eine kompaktere Konstruktion bei einer gegebenen Homogenität erhält.

Ein kompakteres MRI-System hat zahlreiche Vorteile. Es wird Stellfläche im Krankenhaus, die sehr teuer ist, durch Verwendung eines kompakteren Systems gespart. Zusätzlich zeigen Studien in bezug auf das Befinden und die Einstellung des Patienten zu dem MRI- System, in dem er liegt, daß ein kürzeres System den Patienten ein komfortableres Gefühl gibt. Dies ist natürlich ein sehr positives Resultat. Es kann somit davon ausgegangen werden, daß ein kürzeres MRI-System, das die gleichen Bildqualitäten wie ein längeres MRI-System hat, auf alle Fälle zu bevorzugen ist.

Ein Algorithmus zur Auslegung eines optimalen Magneten mit aktiver Abschirmung und mit einem einzelnen Formkörper, wie er in vorliegender Erfindung beschrieben und dargestellt ist, ist in Fig. 4 in Form eines Flußdiagramms zusammengefaßt. Bei der Ausführung dieses Algorithmus in iterativer Weise werden unterschiedliche Parameter des Spulensystems, z. B. der Spulendimension, der Anzahl von Spulenwindungen und des Spulendurchmessers nacheinander geändert, bis die Konstruktion einwandfrei ist, d. h. die theoretische Konstruktion alle Leistungsziele erreicht oder überschreitet.

Um zu prüfen, ob die unterschiedlichen Leistungsziele erreicht worden sind, ist es erfor­ derlich, das Feld der Target-Gradienten intern und extern, wie auch die theoretischen Ampere-Windungen bei jeder Iteration zu berechnen.

Das Magnetfeld Bz wird üblicherweise durch sphärische Harmonische unter Verwendung der Legendre Polynominal-Expansion des Magnetfeldes berechnet. Das Feld am Isozen­ trum des Magneten beträgt Bo.

wobei das sphärische Koordinatensystem durch den Radius R und die Winkel θ, Φ definiert ist,
m und n ganze Zahlen sind,
A, B Koeffizienten sind, die die Größe der Magnetfeldgradienten bestimmen.

Ein Beispiel für einen Target-Gradienten kann sein, daß die Z 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, interne Gradienten, alle so nahe wie möglich bei Null liegen, und daß das externe Dipol- Feld und Sextupol-Felder (die ersten beiden Ausdrücke) ebenfalls so nahe wie möglich bei Null gewählt werden. Diese axial symmetrischen Gradienten werden durch die obige Gleichung bestimmt, wenn m=0.

Die Berechnung der "theoretischen Ampere-Windungen" bedeutet die Berechnung von Ampere-Windungen, die nicht auf physische Supraleiter bezogen sind. So kann man aus Zweckmäßigkeitsgründen einen Magnet mit nichtphysischen Dimensionen in manchen oder allen der Spulen konstruieren und später auf physische Dimensionen umwandeln. Ein Beispiel kann das Konstruieren eines Magneten sein, bei dem alle Ampere-Windun­ gen für jede Spule an einer einzigen Stelle konzentriert sind. Dies ist von Vorteil in Hinblick auf die mathematische Einfachheit. Zu einem späteren Zeitpunkt kann die vereinfachte Konstruktion in eine real arbeitende Konstruktion mit praktischen Leitern umgesetzt werden.

Um reale Spulendimensionen zu optimieren, werden die axialen und radialen Dimen­ sionen der Spulen so eingestellt, daß sie die beste Homogenität innerhalb der Beschrän­ kung von integralen Windungen und Schichten innerhalb einer jeden Spule sowie das Erfüllen aller Leistungsanforderungen ergeben.

Die Optimierung erfolgt unter Verwendung eines geeigneten Optimierers, z. B. ZXSSQ, der die Spulendimension als einen Satz so einstellt, daß eine Zielfunktion minimiert wird. Die Targetfunktion kann beispielsweise aus Targetgradienten in der vorbeschriebenen Weise erzeugt werden.

Leistungstargets werden verwendet, um die Spulen für den MRI-Magneten zu konzipie­ ren. Beispiele für mögliche Leistungstargets sind die Homogenität des Magnetfeldes, die Magnetkräfte zwischen den Spulen (können die vorhergehenden die durch die Spulen erzeugten Kräfte stützen), Löschleistung, Feldstärke an Verbindungsstellen, Schaltern, Leitern, und Spulenbeanspruchungen.

Eines der Leistungstargets ist das Optimieren der Homogenität und Abschirmung. Diese Targets sind zufriedenstellend, wenn sie das gewünschte Leistungstarget erfüllen oder überschreiten.

Das Leistungstarget für die Homogenität kann beispielsweise so gewählt sein, daß das Magnetfeld sich nicht um mehr als +/- 5 Teile pro Million zwischen verschiedenen Werten verändert, die bei einem definierten Kugelvolumen von 50 cm Durchmesser auf der Basis des Isozentrums des Magneten gemessen werden.

Eine weitere Begrenzung der Spulenanordnung besteht darin, daß das Feld in den Leitern bestimmte Grenzwerte nicht übersteigen darf, da sonst die Supraleitfähigkeit verloren geht.

Ein Beispiel für ein Feld, das zu hoch ist, ist ein solches, das außerhalb des Bereiches der supraleitenden Phase liegt. Hierzu wird z. B. auf "Case Studies in Superconducting Magnets" von Yukikazu Iwasa, veröffentlicht von Plenum Press, Fig. 1.1 auf Seite 3 verwiesen.

Wenn das Feld zu hoch ist, kann eine Option darin bestehen, die Raumumhüllende der Spulen zu vergrößern, wodurch das Feld verringert wird. Trotzdem ist dies für den Fall nicht möglich, daß die gewünschten Begrenzungen für die Raumumhüllenden über­ schritten werden.

Eine weitere Beschränkung, die bei der Konstruktion beachtet werden muß, ist die, daß das Feld an Verbindungsstellen und Schaltern für deren einwandfreies Arbeiten niedrig sein muß. Der aktuelle Wert hängt von der Art des verwendeten Supraleiters ab.

Ist das Feld an der Verbindungsstelle oder am Schalter zu hoch, führt dies dazu, daß der Magnet mit einer Geschwindigkeit abfällt, die größer ist als das Leistungstarget.

Eine weitere Beschränkung, die bei der Konstruktion zu berücksichtigen ist, ist die Leistung des Magneten während eines Löschens.

Ein Beispiel einer zufriedenstellenden Löschleistung wäre, daß die Spulenspannung im Falle eines Löschens auf weniger als 1 kV, verglichen mit Erde, beschränkt wäre, und die Temperatur aller Spulen in jedem Fall kleiner als 300 K wäre. Die Löschleistung wird unter Verwendung des Computerprogramms "QUENCH" geprüft. Hierzu wird beispiels­ weise auf die Beschreibung dieses Computerprogramms hingewiesen, das dem Buch mit dem Titel "Superconducting Magnets" von M.N. Wilson, verlegt von Clarendon Press, Oxford 1983, Seiten 218 ff beschrieben wurde.

Die Spulenkräfte werden aus dem Vektorprodukt von Stromdichte und Feld berechnet:

F = ∫ J × B (2)

wobei F die Kraft auf einem Leiter,
J die Stromdichte,
B das Magnetfeld am Leiter, und
V das Volumen der Spule ist.

Die Gesamtkraft auf den Leiter wird als das Integral über das Spulenvolumen bewertet.

Beanspruchungen in dem Formkörper und Spulenbeanspruchungen werden unter Verwendung eines urheberrechtlich geschützten, endlichen Elementprogramms, z. B. ANSYS berechnet.

Ein Beispiel für eine zufriedenstellende Spulenbeanspruchung wäre die, daß der Spitzenwert einer Von Mises-Beanspruchung unter Arbeitsbedingungen einen Wert von 0,1% der Nachweis-Beanspruchung des Supraleiters, nämlich 200 Newton/mm² übersteigt.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer funktionsfähigen Spulenanordnung, die mit dem Algorithmus der Fig. 4 nach vorliegender Erfindung eines aktiven Abschirm-MRl-Systems mit einem einzigen Formkörper ausgebildet ist. Die Dimensionen, die durch Symmetrie um die Ebene Z=0 gegeben sind, weisen einen Satz von neun Spulen (31-39) auf, wie in Fig. 6 gezeigt. Die dargestellten Spulen sind Solenoide und sind somit symmetrisch um die Z-Achse angeordnet. Am inneren (vorwärtsgehenden) Magneten sind sieben Spulen (31-37) vorgesehen, und damit überspannt die Mittenspule durch Symmetrie die Ebene Z=0. Dies ist in der nachstehenden Tabelle in Form einer Spule, die mit Z=0 beginnt, dargestellt, die andere Hälfte wird ergänzt. Physikalisch wird nur eine Spule in dieser Position gewickelt und ergibt keine Verbindungen auf der Z=0 Ebene.

Die Spulen 38 und 39 stellen den zweiten Satz von Spulen dar, der den Rückwärtsstrom führt. Dabei handelt es sich um Abschirmspulen.

Nachstehende Tabelle gibt die Spulendimensionen und Charakteristiken in einem möglichen, aktiven Abschirmmagneten an, wie in Fig. 6 dargestellt. Die Dimensionen sind nach Fig. 5 definiert. Diese Konfiguration kann auf einem einzelnen Formkörper in einem einzigen Vorgang gewickelt werden, während alle Begrenzungen und Beschrän­ kungen der Erfindung erfüllt werden.

Spulencharakteristiken für die Konfiguration nach Fig. 6

Die Änderungen in der inneren radialen Dimension ergeben zusätzliche Freiheitsgrade bei der Auslegung und Konstruktion, damit ein homogeneres Abbildungsvolumen geschaffen werden kann.

Zusammenfassend wird ein verbessertes MRI-System mit einem einzigen Formkörper vorgeschlagen. Dieses System hat gegenüber bekannten Systemen, die mehr als einen Formkörper verwenden, entscheidende Vorteile, aber auch gegenüber bekannten Systemen, die einen einzelnen Formkörper verwenden, dessen Abschirmspulen jedoch axial angeordnet sind.

Ein aktiver Abschirmmagnet, der nach dem Prinzip vorliegender Erfindung hergestellt ist, ergibt erhebliche Einsparungen an Gewicht, Größe und Kosten, verglichen mit bekannten Konstruktionen von MRI-Systemen; des weiteren wird damit ein exaktes Arbeiten des Systems erreicht.

Claims (31)

1. Aktiv abgeschirmtes Magnetresonanz-Abbildungssystem, das ein besonders kompak­ tes, preiswertes und exaktes MRI-System ergibt, bei dem alle Spulen des Systems in einem einzigen Vorgang gewickelt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß ein aktiver Abschirmmagnet vorgesehen ist, der aufweist:
einen ersten Satz von Magnetspulen mit vorwärtsgehendem Strom, und einen zweiten Satz von Magnetspulen mit rückwärtsgehendem Strom, sowie Anschlüssen, Schaltern und Leitungen,
wobei jede Spule aus den ersten und zweiten Sätzen von Magnetspulen ihre eigenen typischen Dimensionen hat, die sich von ihrem inneren Radius zum äußeren Radius erstrecken,
die ersten und zweiten Sätze von Magnetspulen alle längs eines einzigen Formkör­ pers angeordnet sind, und
der einzige Formkörper Flansche aufweist, die ein direktes Aufwickeln aller Spulen auf den einzigen Formkörper in einem Vorgang ermöglichen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausgesetzt, daß sie die Bedingung erfüllen, daß die ersten und zweiten Sätze von Magnetspulen alle in einem dreidimensionalen Raum so angeordnet sind, daß ein starkes und homogenes Magnetfeld innerhalb des Magneten und ein Streufeld nahe Null an der Außenseite des Magneten erzeugt wird.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spulen der beiden ersten und zweiten Sätze von Magnetspulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausgesetzt, daß die größere axiale Position einer Spule endet, bevor die kleinere axiale Position der Spule, die unmittelbar benachbart ist, beginnt, wobei die Anordnung einen einzigen Formkörper ohne Überlappung der ersten und zweiten Sätze von Magnetspulen in der Z-Achse ergibt.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Satz von Spulen in einem größeren Radius als der erste Satz von Spulen positioniert ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen in einer Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausge­ setzt, daß die Spulenkräfte von dem Formkörper aufgenommen werden können.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die echten Spulendimen­ sionen optimiert sind.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spu­ len in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausgesetzt, daß Homogenität und Abschirmung in diesem System einwandfrei sind.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausgesetzt, daß die Beanspruchungen der Spulen zufriedenstellend sind.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausgesetzt, daß das Feld für die Leiter des Systems nicht zu groß ist.

10. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausgesetzt, daß die Löschleistung zufriedenstellend ist.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausgesetzt, daß das Feld an den Verbindungsstellen und Schaltern des Systems niedrig genug ist.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen supraleitende Spulen sind.

13. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen normal leitende Spulen sind.

14. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen solenoidartige Spulen sind.

15. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter der ersten und zweiten Spulen durch den Algorithmus nach Fig. 4 erzeugt werden.

16. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen die folgenden Dimensionen haben:

17. Verfahren zum Konstruieren eines verbesserten, aktiv abgeschirmten Magnetresonanz- Abbildungssystems, das ein besonders kompaktes, preiswertes und exaktes MRI- System ergibt, welches in einem einzigen Vorgang gewickelt werden kann, bei dem ein aktiver Abschirmmagnet verwendet wird,
der aktive Abschirmmagnet die Verwendung eines ersten Satzes von Magnetspulen mit vorwärtsgehendem Strom und eines zweiten Satzes von Magnetspulen mit rück­ wärtsgehendem Strom umfaßt, und
Anschlüsse, Schalter und Leiter benutzt werden, wobei jede Spule, die von den ersten und zweiten Sätzen von Magnetspulen verwendet wird, ihre eigenen typischen Dimensionen hat, die sich von dem inneren Radius zum äußeren Radius erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß
die ersten und zweiten Sätze von Magnetspulen alle längs eines einzigen Formkör­ pers angeordnet werden, und
Flansche auf dem einzelnen Formkörper vorgesehen werden, damit alle Spulen direkt auf den einzelnen Formkörper in einem einzigen Vorgang aufgewickelt werden können.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spulen, sowohl die ersten als auch die zweiten Sätze von Magnetspulen, in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet werden, und daß die ersten und zweiten Sätze von Magnetspulen alle in einem dreidimensionalen Raum so angeordnet werden, daß ein starkes und homogenes Magnetfeld innerhalb des Magneten und ein Streufeld nahe Null an der Außenseite des Magneten erzeugt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet werden, vorausge­ setzt, daß die Anordnung sicherstellt, daß eine größere axiale Dimension der Spule endet, bevor die kleinere axiale Dimension der ihr benachbarten Spule beginnt, und die Anordnung einen einzigen Formkörper ohne Überlappung der ersten und zweiten Sätze von Magnetspulen in der Z-Achse ergibt.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Satz von Spulen in einem größeren Radius als der erste Satz von Spulen angeordnet wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Sätze von Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers ange­ ordnet sind, vorausgesetzt, daß die Spulenkräfte von dem Formkörper aufgenommen werden können.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die realen Spulendimen­ sionen optimiert werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Satz von Spulen in einer Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet werden, vorausgesetzt, daß Homogenität und Abschirmung zufriedenstellend sind.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Satz von Spulen in einer Position längs des Formkörpers angeordnet werden, voraus­ gesetzt, daß die Spulenbeanspruchungen zufriedenstellend sind.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Satz von Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeord­ net sind, vorausgesetzt, daß das Magnetfeld des Systems für die Leiter des Systems nicht zu hoch ist.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Satz von Spulen in einer beliebigen Position längs des einzigen Formkörpers angeord­ net sind, vorausgesetzt, daß die Löschleistung zufriedenstellend ist.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Satz von Spulen in einer Position längs des einzigen Formkörpers angeordnet sind, vorausgesetzt, daß das Magnetfeld des Systems an den Anschlußstellen und Schaltern des Systems ausreichend niedrig ist.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß für die ersten und zweiten Spulen supraleitende Spulen verwendet werden.

29. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß für die ersten und zweiten Spulen solenoidartige Spulen verwendet werden.

30. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Algorithmus nach Fig. 4 zur Erzeugung der Parameter für die ersten und zweiten Spulen verwendet wird.

31. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Spulen mit den folgenden Abmessungen verwendet werden: