DE3445724A1

DE3445724A1 - Magnetische feldspule fuer einen nmr-computertomographen

Info

Publication number: DE3445724A1
Application number: DE19843445724
Authority: DE
Inventors: Hidenobu Amagasaki Hyogo Itagaki; Tadatoshi Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1983-12-15
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1985-06-27
Also published as: GB8431655D0; GB2153080B; JPS60128339A; GB2153080A

Description

HOFFMANN . EITtIE « PARTNER "· '3445724

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE

PATENTANWÄLTE DIPL.-ΙΝΘ. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-ING. W. LEHN DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN . DR. RER. NAT. H-A. BRAUNS ■ DIPL.-ING. K. QORG

. K. KOHLMANN ■ RECHTSANWALT A. NETTE

- 3 - 41 235 q/gt

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo / JAPAN

Magnetische Feldspule für einen NMR-Computertomographen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Feldspulenanordnung einer nuklear magnetischen Resonanzvorrichtung für einen Computertornographen (im folgenden NMR-CT bezeichnet) und insbesondere auf einen NMR-CT mit verbesserter Zuverlässigkeit.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen ein Beispiel einer konventionellen Vorrichtung dieses Typs, wobei Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer konventionellen Gradientenfeld- spulenstruktur, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer RF-Spulenstruktur und Fig. 3 die Konstruktion einer magnetischen Spule für den NMR-CT zeigt, wobei der letztere aus der Gradientenfeldwicklungsstruktur und der RF-Spulenstruktur zusammengesetzt ist. In diesen Fig. ist die Gradientenfeldwicklung 10 mit einer Gradientenfeld-G^-Spule 1 versehen, welche aus vier Spulen besteht, welche durch einen Spulenträgerrahmen 4 getragen werden, die das magnetische Feld mit dem Gradienten in der X-Richtung erzeugen. Desweiteren ist eine Gradientenfeld-G -Spule 2 vorgesehen, die aus vier Spulen besteht, die das magnetische Feld mit dem Gradienten in der Richtung senkrecht zur X-Richtung erzeu-

ARABELLASTRASSE 4 . D-8OOO MÜNCHEN 81 · TELEFON CO89} 911O87 . TELEX 5-29619 Cf³ATHEJ ■ TELEKOPIERER 91 S£

gen. Desweiteren ist eine Gradientenfeld-G_z-Spule 3 vorgesehen, die aus zwei Spulen besteht, um das magnetische Feld mit dem Gradienten in Z-Richtung zu erzeugen {senkrecht zur X- und Y-Richtung). Das magnetische Feld mit dem Gradienten in einer willkürlichen Richtung kann durch geeignetes Steuern der Ströme erzeugt werden, welche durch die G -Spule 1, G_v-Spule 2 und G -Spule 3 fließen.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist innerhalb der Spulenstruk-10- -tür 10 eine RF-Spule 20 vorgesehen. Mit Bezug auf Fig. 3 ist ersichtlich, daß die RF-Spule 20 aus einem zylindrischen Trägerrahmen 40 zusammengesetzt ist, auf dem eine sogenannte Sattelspule 5 angeordnet ist. Eine einheitliche Feldspulenstruktur 6 ist außerdem zur Erzeugung eines besonders gleichförmigen Magnetfelds in Z-Richtung vorgesehen. Obwohl die gleichförmige Feldspulenstruktur 6 in Fig. 3 dargestellt ist, und zwar angeordnet außerhalb der Gradientenfeldspulenstruktur 10, können, falls dies gewünscht ist, die Spuienstrukturen 6 und 10 in ihrer Lage untereinander ausgetauscht werden.

Beim Betrieb wird in einem NMR-Betrachtungssystem der Körperteil,' der geprüft werden soll, innerhalb der RF-Spulenstruktur 20 angeordnet, um von diesem ein NMRrSignal zu erhalten.. Fig. 4 zeigt die Bestimmung einer tomographischen Ebene durch einen menschlichen Kopf. Fig. 4 zeigt eine durchgehende Linie, die Beziehung der Lage des Kopfes zu einem magnetischen Feld mit der Intensität B„ in Z-Richtung, welche die Summe eines Gradientenfeldes und eines besonders gleichförmigen Feldes ist.

Es wird eine Scheibe des Kopfes angenommen, die eine Mittelpunktslinie bei Z und eine Dicke von J[Z aufweist. Die

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Intensität des magnetischen Feldes, in dsm die Scheibe angeordnet ist, liegt zwischen {B„_n - --4B₁₇) und (B„q + 2"4B-) . Daher liegt die Resonanzfrequenz einer Substanz (Protonen) in der Scheibe, von der das NMR-Signal erhalten wird, innerhalb eines Bereiches zwischen O ~ I^4Bz^{) bis} ^^(BZ0 ⁺ Ί^ΔΒΖ* ' ^{wobei das} gyromagnetische Verhältnis ist. Wenn ein Hochfrequenz-(RF)-Magnetfeld, welches durch die RF-Spulenstruktur 20 erzeugt ist und dessen Frequenzkomponenten innerhalb des oben genannten Bereiches liegen, zusätzlich an die Scheibe angelegt wird, werden nur Protonen in der Scheibe erregt und absorbieren Energie. Ein NMR-Detektorsignal wird daher erzeugt, von dem ein NMR-Tomogramm durch Verarbeitung mittels eines Computers rekonstruiert werden kann. Wie bereits zuvor erwähnt, ist es zur Bestimmung einer bestimmten Scheibenebene des Kopfes notwendig, ein RF-FeId mit einer Frequenz im konstanten Bereich und eir, Gradientenfeld an den Kopf oder anderen zu prüfenden Körperteilen anzulegen.

Um ein RF-FeId zu erzeugen, dessen Frequenzbereich von V(B₂₀ - 1ΔB₂) bis Y(B₂₀ + ^·ΔΒ_Ζ) reicht, wird ein Strom an die RF-Spule angelegt, welcher durch Modulation eines sinusförmigen Stromes mit einer Frequenz T(B₂₀) erhalten wird. Die anzuwendende Modulation ist so ausgewählt, daß ein Frequenzspektrum erhalten durch Fourier-Transformation einer hierdurch modulierten Stromwellenform innerhalb des

1 1

Frequenzbereiches von Y(B^_n - 0-AB₁₇) bis Y(B_17n + 0-AB₁₇) fällt.

Fig. 5 zeigt das RF-FeId und ein Beispiel des Stromwellenverlaufes, der durch die G -Spule fließt, um das Gradientenfeld in der Z-Richtung zu erzeugen. Die Abszisse zeigt die Zeit an. In Fig. 5 wird der G„-Spulenstrom nach dem An-

legen des RF-Feldes invertiert, so daß die Phase der angeregten Protonen gleichförmig bzw. einheitlich gemacht wird. ·

Die Gradientenfeldspulenstruktur 10, die in Fig. 1 gezeigt ist, und die RF-Spulenstruktur 20, die in Fig. 2 gezeigt ist, sind koaxial angeordnet wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Wenn die Spulenstrukturen 10 und 20 ideal hergestellt und angeordnet sind, gibt es zwischen ihnen keine elektromagnetische Kopplung, welches für die in Fig. 5 gezeigten Wellenformen der Fall ist. Jedoch ist es unmöglich aus praktischem Grunde sie ideal herzustellen und anzuordnen, was zu dem Ergebnis führt, daß zwischen ihnen eine elektromagnetische Kopplung unvermeidbar ist.

Die Folge einer solchen elektromagnetischen Kopplung ist in Fig. 6 gezeigt, welche die tatsächlichen Wellenformen zeigt, die durch eine konventionelle magnetische Feldspulenstruktur für ein NMR-CT erhalten wird. Das bedeutet, wenn die RF-Spule impulsförmig während der Bestromung der G„-Spule bestromt wird, eine RF-Impulsspennung in der G-Spule induziert wird, aufgrund dessen sich der G₇-Spulenstrom ändert. Aufgrund der Änderung des G„-Spulenstromes wird ein Gradientenfeld, welches innerhalb des Bereiches (B₂₀ - 2- ΔB₂) bis (B_zo + 2"ZlB₂) liegt, auch an die Körper

2- ΔB₂) bis (B_zo

teile angelegt, die nicht die Scheibe mit der Dicke dem Mittelpunkt Ζ,, sind. Das bedeutet, daß Protonen außerhalb der Scheibe ebenfalls angelegt werden und daß das erhaltene NMR-Signal Information nicht nur von der gewünschten Scheibe sondern auch von Bereichen rund um die Scheibe enthält. Dieses führt zu Störungen und Verwischungen im Tomogramm.

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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine magnetische Feldspulenstruktur für ein NMR-CT zu schaffen, das eine RF-Spule und eine Gradientenfeldspule aufweist, zwischen denen keine hochfrequente elektromagnetische Kopplung besteht und die folglich eine exakte ScheibenebenenbeStimmung liefert.

Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung diese Aufgabe gelöst durch Schaffung einer magnetischen Feldspulenstruktür für ein NMR-CT, die eine Abschirmungsschicht aufweist, welche aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist und zwar in der Form eines Zylinders, der zu-■ mindest, innerhalb oder außerhalb der Gradientenfeldspule angeordnet ist.

.

Im folgenden werden die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer konventionellen Gradientenfelderzeugungsspule, 20

Fig 2 eine perspektivische Ansicht einer RF-Felderzeugungsspule,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer magnetischen Feldspulenstruktur für ein NMR-CT,

Fig. 4 die Grundmerkmale zur Bestimmung einer Scheibenebene für die NMR-Tomographie,

Fig. 5 ideale Wellenverläufe eines RF-Feldes und den

Strom, der durch die Gradientenspule fließt,

Fig. 6 ähnliche Wellenverläufe verglichen mit denen von Fig. 5 für einen aktuellen Fall,

9 <Φ <t w w « u

3Α4572Λ

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer Gradientenspule, die als bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestaltet ist, und
5

Fig. 8, 9 und 10 perspektivische Ansichten von Gradientenspulen für andere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Gemäß Fig. 7, welche eine perspektivische Darstellung einer Spulenstruktur 10 zur Erzeugung eines Gradientenfeldes darstellt zur Veranschaulichung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung, ist eine zylindrische Abschirmungsschicht 7, welche aus elektrisch leitfähigem Material besteht, rund um einen zylindrischen Spulenträ-■ gerrahmen 4 angeordnet. Gradientenfelderzeugungsspulen 1, 2 und 3 sind auf der äußeren Oberfläche der Abschirmungsschicht 7 vorgesehen.

Die Dicke t der Abschirmungs- und Schutzschicht 7 ist so ausgewählt, daß sie die folgenden Bedingungen erfüllti

δ(fRp) <t« 6(f_G),

wobei f_R„ die Frequenz des RF-magnetischen Feldes, f_, eine Steuerfrequenz für die Spulenstruktur 10 zur Erzeugung des Gradienten-Magnetfeldes und δ(f) die Eindringtiefe ist, die durch den Ausdruck

2p
.

dargestellt ist, wobei p der spezifische Widerstand der Abschirmungsschicht, f die Frequenz und μ die Permeabilität der Abschirmungsschicht ist.

b W Λ » A «4

Das bedeutet, wenn die Dicke der Abschirmungsschicht gleich oder größer als die Eindringtiefe gemacht wird, welche durch die RF-Feldfrequenz und den spezifischen Widerstand der Abschirmungsschicht bestimmt ist, jedoch kleiner als die Eindringtiefe, welche durch die Gradientenfeldsteuerfrequenz und den spezifischen Widerstand der Abschirmungsschichten bestimmt ist, wird das RF-FeId, das durch eine RF-Spule 20 erzeugt wird und die Rampenfeldspule 10 durchdringt, durch Wirbelströme abgeschirmt, die in der Abschirmungsschicht 7 erzeugt werden. Auf diese Weise wird die Änderung des Gradientenfeldspulenstromes aufgrund des RF-Feldes beseitigt. ■Somit wird es möglich, die Scheibengrenzen präzise zu bestimmen. Da auf der anderen Seite die Dicke t der Abschirmungsschicht 7 ausreichend kleiner als die Eindringtiefe o"(f_r) ist, welche mit der Gradientenfeldspulensteuerfrequenz verknüpft ist, wird das Gradientenfeid duch die Schicht 7 nicht elektromagnetisch abgeschirmt.

Für die Werte:

f_RF

f_ = 1 KHz

f_RF = 10 MKz,

P = 2.7 x 10 Ω in

P - 4* χ 10 H/m

δ (f_RF) = 27 um und δ (f_G) =2.6· mmr

ergibt sich S[f ) als:
30

"RF'

= 27 um < t << 6(f„) = 2.6 mm.

B V ·* · ti *

- ₁₀ - 3 4 A b 7 2

Somit ist ein geeigneter Wert für <f(f_RF) zum Beispiel 30 μπι.

Obwohl im vorhergehenden Ausführungsbeispiel die Abschirmungsschicht 7 innerhalb der Gradientenfeldspulenstruktur 10 angeordnet ist, ist es möglich, sie außerhalb der Gradientenfeldspulenstruktur 10 anzuordnen, wie dies aus Fig. 8 ersichtlich ist oder aber innerhalb des Spulenträgerrahmens 4, wie in Fig. 9 zu sehen ist. Wenn darüber hinaus Abschirmungsschichten auf beiden Seiten der Gradxentenfeldspulenstruktur angeordnet sind, kann der Abschirmungseffekt weiter verbessert werden.

Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Rampenfeldspulenstruktur gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 10 ist eine Abschirmungsschicht 7 auf der Gradientenfeldspulenstruktur angebracht und zwar■ durch Umwickeln eines dünnen leitfähigen Bandes mit gewünschter Dicke. Benachbarte Kanten der Windungen des Bandes überlappen sich. Es ist möglich, ein leitfähiges Band ·■' zu verwenden mit einer Dicke, die kleiner als die Eindringtiefe £(f_Rp) ist, wobei das Band überlappend auf der Gradientenfeldspulenstruktur gewickelt sein kann, um eine vielgeschichtete Abschirmungsschicht zu bilden, deren Dikke gleich oder größer als die Eindringtiefe o"(f_RF) ist. Ein Metallgitter kann zur Bildung einer Abschirmungsschicht 7 verwendet werden.

Wie bereits zuvor erwähnt, ist eine zylindrische Abschirmungsschicht auf■zumindest einer Seite der Gradientenfeldspulenstruktur vorgesehen, so daß eine hochfrequente elektromagnetische Kopplung zwischen der RF-Spule und der Gradientenspule beseitigt ist mit der Folgewirkung, daß. die Scheibenebene präzise bestimmt werden kann.

- Leerseite

Claims

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE

PATENTANWÄLTE DIPL.-ΙΝβ. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · DIPL.-INQ. W. LEHN

DIPL.-INa. K. FDOHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ■ DR. RER. NAT. H.-A. BRAUNS · DIPL.-ING. K. GOR6

DIPU-INe. K. KOHLMANN · RECHTSANWALT A. NETTE

41 235 g/gt

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA
Tokyo / JAPAN

Magnetische Feldspule für einen NMR-Computertomographen

PATENTANSPRÜCHE :

Spulenanordnung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes zur Verwendung in einem : nuklear magnetischen
Resonanzgerät für eine Computertomographie (NMR-CT), gekennzeichnet durch eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines Gradientenfeldes zusammengesetzt aus einer felderzeugenden Spuleneinrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mit dem Gradienten in X-Richtung, eine Spuleneinrichtung zur Erzeugung eines Gradientenfeldes zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mit dem Gradienten in Y-Richtung

senkrecht zur X-Richtung, und eine Spuleneinrichtung zur Erzeugung eines Gradientenfeldes zur Lieferung des magnetischen Feldes mit dem Gradienten in Z-Richtung senkrecht zur X- und Y-Richtung, eine Anordnung zur Erzeugung eines gleichförmigen Feldes in Z-Richtung, • eine RF-Spulenanordnung, die innerhalb der Spulenstruktur zur Lieferung des einheitlichen bzw. gleichförmigen Feldes und der Spulenstruktur zur Erzeugung des Gradientenfeldes angeordnet ist, und eine zylindrische Abschirmungsschicht (7), welche aus einem

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elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist, welche auf zumindest auf der Innenseite oder der Außenseite"der Spulenanordnung zur Gradientenfelderzeugung angeordnet ist.
2. Magnetische Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch g.ekenn2;eichnet , daß die Abschirmungsschicht (7) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
3. Magnetische' Spulenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmungsschicht (7) gebildet durch Wickeln eines leitfähigen Bandes wird,, wobei die Kantenbereiche von benachbarten Windungen sich überlappen.
4. Magnetische Spulenanordnung: nach Anspruch.1, dadurch gekennzeichnet , daß die Abschirmungsschicht (7) ein Metallgitter aufweist.
5.· Magnetische Spulenanordnung .nach Anspruch'! 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der Abschirmungsschicht (7) gleich oder größer der Eindringtiefe ist, die bestimmt ist durch die RF-Feldfrequenz und den spezifischen Widerstand der Abschirmungsschicht und kleiner ist als eine Eindringtiefe, die durch die Gradientenfeldsteuerfrequenz und den spezifischen Widerstand der Abschirmungsschicht bestimmt ist.