DE3875863T2

DE3875863T2 - Magnetisches resonanzgeraet mit gradientenspulensystem.

Info

Publication number: DE3875863T2
Application number: DE8888201728T
Authority: DE
Inventors: Cornelis Leonardus Gerardu Ham; Johannes Adrianus Overweg
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1987-08-19
Filing date: 1988-08-12
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2008-08-13
Also published as: EP0304126B1; EP0304126A1; US4878023A; DE3875863D1; NL8701948A; JPS6470031A; JP2843829B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernspinresonanzgerät (MR-Gerät) mit einem Magnetsystem zur Erzeugung eines stationären Magnetfeldes und einem Spulensystem zur Erzeugung zueinander senkrechter Gradientenfelder.
Ein Kernspinresonanzgerät dieser Art ist aus EP-A-216590 bekannt. Ein darin beschriebenes Gradientenspulensystem umfaßt eine Anzahl Sattelspulen zur Erzeugung von X- und Y-Gradientenfeldern für ein Kernspinresonanzgerät, in dem die Richtung des stationären Magnetfeldes mit der (Z-)Achse eines zylindrischen Meßraumes zusammenfällt. Ein Gradientenspulensystem dieser Art ist im allgemeinen von einem oder mehreren elektrisch leitfähigen Zylindern umgeben, beispielsweise Wänden und Strahlungsabschirmungen eines supraleitenden Magneten. Beim Schalten des Stroms in Gradientenspulen werden Wirbelströme in diesen elektrisch leitfähigen Zylindern induziert, die den gewünschten Gradientenfeldern entgegenwirken. Die Schwächung des effektiven Gradientenfeldes kann teilweise mit Hilfe eines einstellbaren "Überschwingens" des durch die Gradientenspulen fließenden Stroms kompensiert werden. Das Überschwingen des Stroms (und damit auch die zu liefernde elektrische Leistung) hängt in hohem Maße von dem Verhältnis des Durchmessers der kleinsten Abschirmung um die Spule zu dem Durchmesser der Spule selbst ab. Die elektrische Leistung für die Spule nimmt zu, wenn der Durchmesser des elektrisch leitfähigen Zylinders abnimmt.
Die Wirbelströme schwächen nicht nur die gewünschten Gradienten, sondern verformen auch die Gradientenfelder. Die Beziehung zwischen Ort und effektiver Feldstärke unterscheidet sich dann von dem Fall, bei dem die Gradientenspule isoliert angeordnet ist. Außerdem wird diese Beziehung zwischen Feld und Ort im allgemeinen zeitabhängig sein, weil die Wirbelströme mit einer bestimmten Zeitkonstante abklingen. Insbesondere diese Zeitabhängigkeit führt im allgemeinen zu unerwünschten Störungen in den MR-Abbildungen.
Wenn die Wirbelströme nicht mit der Zeit abklingen würden, würde ihre Wirkung auf eine Zunahme der benötigten elektrischen Leistung und der Verzeichnung der erhaltenen Bilder beschränkt bleiben. Die Verzeichnung könnte im Prinzip vermieden werden, wenn man die Wirbelströme beim Entwurf der Spule berücksichtigt, so daß das effektive Feld so gut wie möglich die gewünschte Form hätte, wie in US-A-4785246 beschrieben. Das Abklingen der Wirbelströme könnte im Prinzip verhindert werden, indem man die Gradientenspulen mit einer supraleitenden Abschirmung umgibt. Dieses ist derzeit jedoch schwierig zu realisieren. Ein alternatives Verfahren mit vergleichbarem Resultat besteht in dem Anbringen eines Systems von "Abschirmspulen", die so entworfen sind, daß darin die Strommuster simuliert werden, die in einer supraleitenden Abschirmung auftreten würden. Speist man sie Abschirmspule mittels einer aktiven Stromversorgung, dann wird die Zeitabhängigkeit der Wirbelstromfelder beseitigt.
Ein solches System von Abschirmspulen bietet jedoch keine Lösung hinsichtlich der für das Überschwingen des Stroms benötigten elektrischen Leistung; im Gegenteil, beim Schalten des Stroms in der Spule ist der Effekt der Abschirmspule nahezu der gleiche, wie der, den eine leitfahige Abschirmung auf den Durchmesser der Abschirmspule ausüben würde, und da dieser Durchmesser immer kleiner ist als der Durchmesser der Kryostatabschirmungen, in denen anderenfalls die Wirbelströme induziert werden würden, wird die gesamte benötigte Leistung bedeutend höher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Problem der von einer transversalen Gradientenspule induzierten Wirbelströme zu vermeiden, ohne daß die gesamte für die Gradientenspule benötigte elektrische Leistung über die von einer vergleichbaren herkömmlichen Gradientenspule einschließlich ihrer Wirbelströme benötigten elektrischen Leistung ansteigt. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein erfindungsgemäßes Kernspinresonanzgerät der erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, daß Rückführungsbogenleiter des Gradientenspulensystems so in dem Spulensystem positioniert sind, daß sie von den effektiv zur Bildung der Gradientenfelder beitragenden Bogenleitern erzeugte Streufelder kompensieren.
Ausnutzung der Tatsache, daß eine herkömmliche X- und Y-Gradientenspule, wie beispielsweise aus EP-A-0216590 bekannt, Leiter enthält, die kaum zur Erzeugung der gewünschten Felder beitragen, sondern ausschließlich der Vervollständigung geschlossener Stromkreise der eine solche Gradientenspule bildenden Sattelspulen dienen, ermöglicht es, Streufelder der effektiven Bogenleiter zu kompensieren, ohne daß die in dem Spulensystem gespeicherte Energie hierzu erhöht werden muß.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden Stromrückführungsbogen, die - in axialer Richtung - weiter außen liegen, auf einen größeren Durchmesser verschoben und außerdem, wieder in axialer Richtung gesehen, zentraler in dem System angeordnet. Indem ein Teil der Rückführungsbogen über eine Zylinderfläche mit einem größeren Durchmesser in dieser Weise geeignet verteilt wird, kann das resultierende Streufeld auf nur einen Bruchteil des Streufeldes einer vergleichbaren herkömmlichen Gradientenspule verringert werden.
Da die Rückführungsbogen in bekannten Spulensystemen einen wesentlichen Beitrag zu der gespeicherten Leistung liefern, wird diese Leistung durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht erhöht.
Das Gradientenspulensystem zur Erzeugung von X-Gradientenfeldern umfaßt insbesondere zwei Sattelspulen, von denen jede eine kompensierende Sattelspule enthält. Diese Spulen sind bezüglich einer bei Z=0 radialen Symmetrieebene des Spulensystems paarweise symmetrisch positioniert. Mindestens ein Teil der Bogenleiter, die, in axialer Richtung gesehen, weiter außen liegen, wird also durch Bogen der inneren Spule ersetzt, oder besser gesagt, kompensiert. Eine geeignete Schaltung ist in diesem Zusammenhang beispielsweise die Reihenschaltung aus Rückführungsbogen von Kompensationsspulen und weiter außen liegenden Bogenleitern von Gradientenspulen. Der Hauptvorteil dieses Aufbaus besteht darin, daß die gesamte in dem Spulensystem gespeicherte Leistung wesentlich kleiner ist und ungefähr das Niveau eine isoliert angeordneten Gradientenspulensystems annehmen kann. Dies beseitigt sowohl die Nachteile, die Feldstörungen infolge von Wirbelströmen mit sich bringen, als auch die durch den höheren Energiegehalt des Spulensystems verursachten Nachteile.
Durch Ausnutzung der Freiheit in der Positionierung der in axialer Richtung weiter außen liegenden Bogenleiter wird in einer bevorzugten Ausführungsform für die Bogenleiter in diesem Gebiet ein größerer Durchmesser gewählt. Die Erreichbarkeit eines in dem Gerät liegenden Patienten wird damit vergrößert, und das Gerät wird patientenfreundlicher; andererseits kann den zentraler gelegenen Bogenleitern ein kleinerer Durchmesser gegeben werden, so das weitere Energieersparnis erhalten werden kann. Insbesondere können zentraler gelegene Bogenleiter, die wesentlich zu der gewünschten Felderzeugung beitragen, über leitfahige Verbindungen, die nicht streng axial verlaufen, mit weiter außen liegenden Rückführungsbogen gekoppelt werden, die sich entlang eines Kreisumfangs von größerem Durchmesser erstrecken. Besonders die Rückführungsbogen brauchen nicht streng kreisförmig zu sein; ihr axialer und radialer Verlauf kann, falls dies zur Felderzeugung, Feldkompensation oder Geometrie wünschenswert ist, in gewissem Maße angepaßt werden.
Eine weitere Ausführungsform des Spulensystems umfaßt Pakete axial oder radial gestapelter Bogenleiter wie in der von der Anmelderin mit der vorliegenden Anmeldung gleichzeitig eingereichten niederländischen Patentanmeldung detailliert beschrieben wird.
Einige bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein erfindungsgemäßes Kernspinresonanzgerät;
Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Gradientenspulensystems für das obengenannte Gerät, und
Figur 3 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines solchen Spulensystems.
Ein Kernspinresonanzgerät nach Figur 1 umfaßt ein Magnetsystem 2 zur Erzeugung eines stationären, homogenen Magnetfeldes, ein Magnetsystem 4 zur Erzeugung von Gradientenmagnetfeldern und Stromversorgungsquellen 6 und 8 für das Magnetsystem 2 bzw. das Magnetsystem 4. Eine Magnetspule 10 zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetwechselfeldes ist mit einer HF-Quelle 12 verbunden. Zur Detektion von von dem HF-Senderfeld in einem zu untersuchenden Objekt erzeugten Kernresonanzsignalen verwendet die vorliegende Ausführungsform eine Oberflächenspule 13. Zum Auslesen ist die Spule 13 mit einem Signalverstärker 14 verbunden. Der Signalverstärker 14 ist mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter 16 verbunden, der mit einer zentralen Steuereinheit 18 verbunden ist. Die zentrale Steuereinheit 18 steuert auch einen Modulator 20 für die HF-Quelle 12, die Stromversorgungsquelle 8 für die Gradientenspulen und einen Monitor 22 zur Bildwiedergabe. Ein HF-Oszillator 24 steuert sowohl den Modulator 20 als auch den die Meßsignale verarbeitenden phasenempfindlichen Gleichrichter 16. Eine Kühlvorrichtung 26 mit Kühlleitungen 27 kann zur Kühlung vorgesehen sein. Eine Kühlvorrichtung dieser Art kann als Wasserkühlungssystem für Widerstandsspulen oder als Dewar-System für gekühlte supraleitende Spulen ausgestaltet sein. Die innerhalb der Magnetsysteme 2 und 4 angeordnete Senderspule 10 umschließt einen Meßraum 28, der genügend Raum zur Aufnahme von Patienten bietet, falls es sich um ein Gerät für Messungen zur medizinischen Diagnostik handelt. Somit können in dem Meßraum 28 ein stationäres Magnetfeld, Gradientenfelder zur Wahl der Lage von abzubildenden Querschnitten und ein räumlich homogenes HF- Wechselfeld erzeugt werden.
Ein Gradientenmagnetsystem 4 ist bezüglich einer radialen Symmetrieebene 30 in üblicher Weise symmetrisch angeordnet, wobei die radiale Symmetrieebene also den Meßraum symmetrisch in zwei Hälften teilt und durch einen Punkt Z = 0 senkrecht zur Z-Achse des Magnetsystems gerichtet ist. Das von dem stationären Magnetsystem erzeugte stationäre Magnetfeld ist entlang der Z-Achse gerichtet. Ein Gradientenmagnetsystem in einem Kernspinresonanzgerät umfaßt für jede der Koordinatenrichtungen in üblicher Weise ein Spulensystem; diese Spulensysteme können Gradientenfelder in jeder der genannten Richtungen erzeugen und ermöglichen es, ein Objekt punktweise abzubilden. Auch in einem erfindungsgemäßen Gradientenspulensystem sind die Spulensysteme für den X- und den Y-Gradienten identisch und liegen zueinander um 90º gedreht.
Figur 2 zeigt X-Gradientenspulen 40 und 42, die an einer Seite der (Z = 0)-Symmetrieebene 30 in einem Spulensystem 4 für ein Kernspinresonanzgerät liegen. Jede dieser Spulen, die als Sattelspulen ausgebildet sind, umfaßt mehrere nicht gesondert dargestellte Bogenleiter 44, die nahe der Ebene 30 liegen, und mehrere Bogenleiter 46, die an einer von der (Z = 0)-Ebene entfernten Seite des Spulensystems liegen. Jede Spule enthält auch mehrere axiale Leiter 48, die die Bogenleiter miteinander verbinden. Entsprechend umfassen zwei Y-Gradientenspulen 50 und 52, hier an der anderen Seite der (Z = 0)-Ebene gelegen, mehrere nahe der (Z = 0)-Ebene 30 liegende Bogenleiter 54, mehrere von der (Z = 0)-Ebene entfernt liegende Bogenleiter 56 und mehrere sich axial erstreckende Verbindungsleiter 58. Azimutal gesehen sind die Y- Gradientenspulen gegenüber den X-Gradientenspulen um 90º gedreht. Es sei bemerkt, daß sowohl X-Gradientenspulen als auch Y-Gradientenspulen zu beiden Seiten der (Z = 0)-Ebene liegen. Bogenleiter sowohl für Spulen für X-Gradientenfelder als für Y- Gradientenfelder liegen üblicherweise mindestens teilweise ineinander verflochten und können verschiedene Bogenwinkel überstreichen.
Das Auftreten störender Wirbelströme kann verringert werden, indem Rückführungsbogen auf einer zylindrischen Oberfläche mit größerem Durchmesser angeordnet werden. Es werden Spulen 70 und 72 mit Bogenleitern 74 und 76 bzw. Bogenleitern 78 und 80 eines Kompensationsspulensystems gezeigt. Ebenso wie die am meisten in der Mitte gelegenen Bogenleiter 44 und 54 den bedeutendsten Beitrag zur Bildung der gewünschten Gradientenfelder leisten, tragen die überwiegend in der Mitte gelegenen Bogenleiter 74 und 78 der Kompensationsspulen zur Verringerung der Wirbelströme in der Abschirmung 60 bei. Da somit die einen verhältnismäßig großen Teil an Wirbelstromleistung aufnehmenden Abschirmungen des in EP-A-216590 beschriebenen Spulensystems fehlen, wird eine bedeutende Ersparnis in Hinblick auf die in dem Spulensystem gespeicherte Energie erreicht. Demzufolge wird weniger Leistung zur Aktivierung der Spulen erforderlich sein und kann schneller geschaltet werden. Da die Stromrichtung in entsprechenden Rückführungsbogenleitern der Gradientenspulen und der Kompensationsspulen entgegengesetzt ist und die zurückzuführende Gesamtstrommenge für beide Systeme in der gleichen Größenordnung liegt, kann im Vergleich zu gesonderten Kompensationsspulen eine weitreichende Kompensation erreicht werden. Besonders können Bogenleiter, die nicht wesentlich zu dem Gradientenfeld beitragen, zumindest teilweise auf einen größeren Durchmesser mit angepaßter axialer Positionierung gebracht werden, wenn dies für eine optimale Felderzeugung oder Kompensation erforderlich ist. Ein Beispiel für eine modifizierte Geometrie des Spulensystems wird in Figur 3 gegeben, die eine axiale Schnittansicht des Systems darstellt. Wieder sind die anhand von Figur 2 beschriebenen Bogenleiter 44, 46, 54 und 56 für die Gradientenspulen und Bogenleiter 74, 76, 78 und 80 für die Kompensationsspulen angegeben. Rückführungsbogenleiter 100 können daher sowohl als Gradientenspulenbogen als auch als Kompensationsspulenbogen betrachtet werden. Diesen Bogenleitern kann eine geometrisch günstigere Lege gegeben werden; beispielsweise kann, wie angegeben, ein im Vergleich zu den Gradientenspulenbogen größerer Durchmesser mit den beschriebenen Vorteilen realisiert werden. Im Rahmen der Erfindung kann ein Spulensystem zusammengestellt werden, in dem zentraler gelegene Bogenleiter, die wesentlich zu den Gradientenfeldern beitragen, über leitfähige Leiter, die sich nicht streng axial, sondern auch leicht radial erstrecken, mit Rückführungsbogen gekoppelt sind, die sich entlang eines Zylinderbogens von größerem Durchmesser erstrecken. Besonders die Rückführungsbogen brauchen nicht streng kreisförmige Bogen zu sein. Bei praktischen Ausführungsformen kann innerhalb des Bogens auch eine gewisse axiale Verschiebung auftreten, wiederum zur Anpassung an hinsichtlich Feldhomogenität, Kompensation und Geometrie gestellte Anforderungen. Beispielsweise können Leiter an inneren Zylinderflächen über mehr oder weniger radial verlaufende Verbindungen mit Leitern auf einer Oberfläche eines Zylinders von größerem Durchmesser verbunden sein. Weiter außen liegende Leiter tragen vermutlich nur in geringem Maße zu dem Gradientenfeld bei und kompensieren Streufelder, die andernfalls nach außen auftreten würden.

Claims

1. Kernspinresonanzgerät (MR-Gerät) mit einem Magnetsystem (2) zur Erzeugung eines stationären Magnetfeldes parallel zu einer zentralen Achse (z) in einem Meßraum (28) und einem Gradientenspulensystem (4) zur selektiven Erzeugung eines dem stationären Magnetfeld überiagerten Gradientenmagnetfeldes in dem Meßraum, wobei das Spulensystem elektrisch in Reihe geschaltete effektive Bogenleiter (44, 54) und Rückführungsbogenleiter (46, 56) enthält, die in die zentrale Achse (z) schneidenden Ebenen liegen, wobei die effektiven Bogenleiter (44, 54) wesentlicher zur Erzeugung des Gradientenmagnetfeldes beitragen als die Rückführungsbogenleiter (46, 56), dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungsbogenleiter (46, 56) so positioniert sind, daß sie von den effektiven Bogenleitern (44, 54) erzeugte Streumagnetfelder kompensieren.

2. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Rückführungsbogenleiter (46, 56) des Spulensystems sich entlang einer Zylinderfläche erstrecken, deren Durchmesser größer ist als der der effektiven Bogenleiter (44, 54).

3. Kernspinresonanzgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß effektive Bogenleiter mit im wesentlichen sattelförmigen Spulen von X(40, 42)- und Y(50, 52)-Gradientenspulen in dem Spulensystem elektrisch mit Rückführungsbogenleitern (46, 56) in Reihe geschaltet sind, die sich über einen größeren Durchmesser erstrecken.

4. Kernspinresonanzgerät nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, worin das Gradientenspulensystem eine zentrale Symmetrieebene (30) quer zu der zentralen Achse hat, wobei das Spulensystem effektive Bogenleiter (46, 56) enthält, die relativ dicht bei sowohl der genannten Symmetrieebene als auch der Achse angeordnet sind, und mit den effektiven Bogenleitern in Reihe geschaltete Rückführungsbogenleiter (46, 56), die relativ weit von sowohl der Symmetrieebene als auch der Achse entfernt angeordnet sind.

5. Kernspinresonanzgerät nach den Ansprüchen 1, 2, 3 oder 4, worin die relativ weit entfernten Rückführungsbogenleiter auf der Oberfläche eines äußeren Zylinders liegen und die relativ nahen effektiven Bogenleiter auf der Oberfläche eines koaxial in dem äußeren Zylinder gelegenen inneren Zylinders liegen.

6. Kernspinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gradientenspulensystem im wesentlichen ringförmige Bogenleiter enthält, die in axialer Richtung so kombiniert sind, daß sie Pakete bilden.

7. Kernspinresonanzgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gradientenspulensystem im wesentlichen ringförmige Bogenleiter enthält, die in radialer Richtung so kombiniert sind, daß sie Pakete bilden.

8. Kernspinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungsbogen sich entlang von Bogen erstrecken, die nicht streng kreisförmig sind.