DE3534383C2

DE3534383C2 -

Info

Publication number: DE3534383C2
Application number: DE3534383A
Authority: DE
Inventors: Hideto Hachiohji Tokio/Tokyo Jp Iwaoka; Tadashi Musashino Tokio/Tokyo Jp Sugiyama; Yuji Tokio/Tokyo Jp Inoue
Original assignee: Yokogawa Electric Corp; Yokogawa Medical Systems Ltd
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1984-09-27
Filing date: 1985-09-26
Publication date: 1992-12-24
Also published as: JPH0315802B2; JPS6180808A; GB2165095A; GB8523330D0; GB2165095B; DE3534383A1; US4716370A

Description

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung zur Erzeu gung eines statischen Magnetfelds für einen mit kernma gnetischer Resonanz (NMR) arbeitenden Tomographen.

Ein NMR-Tomograph, der Schnittbilder eines Untersu chungsobjekts liefert, verwendet beispielsweise normal leitende Magnete entsprechend der in Fig. 2 gezeigten Anordnung zur Erzeugung des statischen Magnetfelds. Zur Erzeugung von Bildern hoher Güte muß die Magnetfeld homogenität im Untersuchungsbereich in der Größenord nung von etwa 10 ppm liegen. Zur Erzielung einer sol chen Homogenität wurden bereits verschiedene Konstruk tionen entwickelt, von denen eine, die im folgenden an hand von Fig. 2 erläutert werden soll, in "Practical Method of Improving the Uniformity of Magnetic Fields Generated by Single and Double Helmholtz Coils", Rev. Sci. Instrum. 52(3), März 1981, S. 447-453, beschrie ben ist. Eine entsprechende Spulensanordnung ist auch der Gegenstand der älteren Anmeldung P 35 14 818.7 Gemäß Fig. 2 sind vier Spulen symmetrisch angeordnet. Eine solche Anordnung ist als Doppel-Helmholtz-Anord nung bekannt; sie wird häufig bei NMR-Tomographen ver wendet. Dieses Spulensystem wird beim Stand der Technik nach den folgenden Bedingungen ausgelegt:
Wenn man zunächst annimmt, daß die Querschnittsfläche der Spulenwicklungen vernachlässigt werden kann, dann werden die Abstände zwischen dem Spulen wie folgt ein gestellt:

cos R₁ = z₁/R₀ = 0,76506,
cos R₂ = z₂/R₀ = 0,28523.

Das Verhältnis zwischen den Amperewindungen der Spulen soll

AT₂/AT₁ = 1,4660

betragen.

Unter diesen Bedingungen sind die die Inhomogenität des Magnetfelds beschreibenden Fehlerglieder der zweiten, vierten und sechsten Ordnung des Magnetfelds alle gleich Null, so daß eine Kompensations-Spulenanordnung achter Ordnung gebildet wird.

Doppel-Helmholtz-Spulen mit nicht vernachlässigbarer rechtwinkliger Querschnittsfläche werden wie folgt aus gelegt:

cos R₁ = z₁/R₀ = 0,76506,
cos R₂ = z₂/R₀ = 0,28523.

Das Verhältnis der Amperewindungen der Spulen beträgt jetzt

AT₂/AT₁ = 1,4660,

und

a₁/a₂ = 0,67188.

Wenn die Stromdichten durch die Spulen jeweils gleich sind, gilt:

b₁/b₂ = 1,01523.

Die Faktoren werden so vorgegeben, daß gilt:

a₁, a₂, b₁, b₂ « R₀.

Durch die Wahl der Abmessungen auf die angegebene Weise werden die Fehlerglieder zweiter und vierter Ordnung des Magnetfelds jeweils zu Null. Damit wird eine Kom pensations-Spulenanordnung sechster Ordnung verwirk licht.

Eine solche Spulenanordnung besitzt allerdings große Abmessungen, verbraucht eine große elektrische Ener giemenge und verfügt über ein höheres Gewicht. Darüber hinaus hat der Durchmesser C der freien Öffnung, durch welchen die Größe des nutzbaren Untersuchungsvolumens bestimmt wird, einen sehr kleinen Wert.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schaffung einer ein statisches Magnetfeld erzeugenden Spulenan ordnung, die eine geringe Größe sowie ein niedriges Gewicht besitzt, gleichwohl über ein großes nutzbares Volumen verfügt, wenig elektrische Energie verbraucht und wirtschaftlich herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angege benen Merkmale gelöst.

Gegenstand der Erfindung ist eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines statischen Magnetfelds hoher Homogeni tät, bestehend aus einer einzigen zentralen Spule und zwei auf deren gegenüberliegenden Seiten angeordneten äußeren Spulen. Eine solche Spulenanordnung ist bei spielsweise aus der Druckschrift EP 67 933 A1, oder aus der US-Z.: Rev. Sci. Instrum., Vol. 46, No. 9, Sept. 1975, S. 1289-1290, bekannt. Erfindungsgemäß werden die Spulen nun so angeordnet, daß alle Glieder der Taylor- Reihenentwicklung des Magnetfelds in Richtung der z- Achse im Zentrum der Spulenanordnung minimiert sind, wobei die Stromdichte im Zentrum der zentralen Spule größer, nämlich gerade doppelt so groß wie in den ande ren Abschnitten ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer ein stati sches Magnetfeld erzeugenden Spulenanord mung gemäß der Erfindung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer soge nannten Doppel-Helmholtz-Anordnung.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt die wesentlichen Bestand teile einer ein statisches Magnetfeld erzeugenden Spu lenanordnung gemäß der Erfindung. Diese Spulenanord nung besteht aus einer zentral angeordneten Spule 1 ₁ und zwei auf deren gegenüberliegenden Seiten angeord neten äußeren Spulen 1 ₂ und 1₃. Die Stromdichte ist im zentralen Abschnitt P der zentralen Spule 1 ₁ doppelt so groß wie in den übrigen Abschnitten. Der zentrale Ab schnitt P besitzt in Richtung der z-Achse eine Breite w.

Die Positionen der Spulen 1 ₁, 1 ₂, 1 ₃, die Radien der äußeren Spulen 1 ₂ und 1 ₃ sowie die Breite w des zen tralen Abschnitts P der zentralen Spule 1 ₁ werden ent sprechend dem aus der US-Z.: Rev. Sci. Instrum., Vol. 46, No. 9, Sept. 1975, S. 1289-1290, bzw. der älteren Anmeldung P 35 14 818.7 bekannten Verfahren so einge stellt, daß die Glieder zweiter, vierter und sechster Ordnung der Taylorschen Reihe sämtlich minimiert sind.

Zu diesem Zweck wird die zentrale Spule 1 ₁ als aus zwei einander überlappenden Spulen 1 ₁′, 1 ₁′′ jeweils gleicher Form bestehend angesehen. Der Überlappungsbereich ist gerade der zentrale Abschnitt P der Spule 1 ₁, und die Stromdichte in diesem Überlappungsbereich ist somit doppelt so groß wie in anderen Abschnitten. Die Posi tionen und Radien der Spulen lassen sich bei dieser Vorgehensweise auf genau dieselbe Weise ermitteln wie im Fall der oben beschriebenen Doppel-Helmholtz-Spulen.

Die erwünschte Anordnung kann dadurch realisiert wer den, daß eine Spule auf dem zentralen Abschnitt P dich ter gewickelt wird als in den anderen Abschnitten oder daß durch diesen Abschnitt eine größere Strommenge ge leitet wird.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden das Verhältnis r′ des Produkts aus Strom und Windungszahl der zentralen Spule 1 ₁ zum Produkt aus Strom und Win dungszahlen der äußeren Spulen 1 ₂ und 1₃ sowie das Ver hältnis R_I/R_s des Radius R_I der zentralen Spule 1 ₁ zum Radius R_s der äußeren Spulen 1 ₂ und 1 ₃ für die Werte (vgl. Fig. 1) a/b der zentralen Spule 1 ₁ ≃0,08 und c/d der äußeren Spulen 1 ₂ und 1 ₃ ≃0,4 wie folgt ein gestellt:

R_I/R_s ≃ 1.3
r′ ≃ 0,6.

Claims

Spulenanordnung zur Erzeugung eines statischen Magnet feldes bei einem NMR-Tomographen, bestehend aus einer zentralen Spule (1 ₁) und zwei axial auf gegenüberlie genden Seiten der zentralen Spule (1 ₁) angeordneten Spulen (1 ₂, 1 ₃), wobei:
- - die zentrale Spule (1 ₁) einen mittleren Abschnitt (P) der Breite (w) aufweist,
- - die Stromdichte in diesem mittleren Abschnitt (P) der zentralen Spule (1 ₁) doppelt so groß eingestellt ist wie die Stromdichte in den beiden anderen benachbar ten Abschnitten und wobei
- - zum Zwecke der Homogenisierung des von der Spulenan ordnung erzeugten Magnetfelds
  - 1. die zentrale Spule (1 ₁) aus zwei gleichen, einan der im mittleren Abschnitt (P) überlappenden Spu len (1 ₁′, 1 ₁′′) angesehen wird und
  - 2. die Positionen und Radien der Spulen (1 ₁′, 1 ₁′′, 1 ₂, 1 ₃) auf dieselbe Weise ermittelt werden wie bei einer Doppel-Helmholtz-Spulenanordnung, derart, daß die Glieder zweiter, vierter und sechster Ordnung der Taylorschen Reihe der Funktion des axialen Magnetfelds im Zentrum der Spulenanord nung minimiert werden.