DE4142263A1 - Gradientenspulensystem - Google Patents
GradientenspulensystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von kern
magnetischen Resonanzen (NMR) mit einer Feldspule zur Erzeugung
eines homogenen Magnetfeldes Bz in Richtung einer
z-Achse und einem System von Gradientenspulen zur Erzeugung
mindestens eines, wenigstens annähernd konstanten magnetischen
Feldgradienten innerhalb eines Meßvolumens im homogenen Bereich
des durch die Feldspule erzeugten Magnetfeldes, wobei das System
von Gradientenspulen mindestens ein Untersystem von Transversal-
Gradientenspulen zur Erzeugung von magnetischen Feldgradienten
Gx bzw. Gy in einer zur z-Achse senkrechten Richtung x bzw. y
aufweist.
Ein solcher NMR-Aufbau ist beispielsweise aus der
DE-OS 31 33 873 bekannt.
Ein wesentlicher Bestandteil derartiger NMR-Systeme, die in
der Regel für die Kernspintomographie eingesetzt werden, ist
ein System von drei Gradientenspulen, die unabhängig voneinander
mit Strömen unterschiedlicher Stärke gespeist werden. Diese
Spulen haben die Aufgabe, dem homogenen Magnetfeld Bz der Grund-
Feldspule konstante Feldgradienten mit einstellbarer Stärke zu
überlagern, wobei die Richtung eines dieser Gradienten (dBz/dz)
in der Regel parallel zur Richtung des homogenen Grundfeldes
Bo z, d. h. zur Achse des Grundfeldmagneten (z-Gradient = Axial-
Gradient), und die Richtungen der beiden anderen Gradienten
(dBz/dx, dBz/dy) dazu und zueinander orthogonal transversal zur
Richtung des Grundfeldes verlaufen (x- und y-Gradienten = Trans
versal-Gradienten). Der räumliche Bereich, in dem das Magnetfeld
dieser Gradientenspulen näherungsweise linear verläuft, kann
für ortsauflösende NMR-Verfahren (Bildgebung, ortsselektive
Spektroskopie) genutzt werden, sofern dieser Bereich nicht
durch Inhomogenitäten des Grundfeldes weiter eingeschränkt
wird. Die Gradientenspulen sind in der Regel auf einem zylin
drischen Tragerohr befestigt, das den Patienten umschließt.
Bedingt durch die geometrische Anordnung konventioneller Grad
ientenspulen besitzt nun das Tragerohr zu beiden Seiten des
Zentrums des linearen Bereichs eine axiale Ausdehnung, die das
0.6- bis 1.5fache des Durchmessers des Tragerohrs beträgt. Bei
einem typischen Wert von 0.7 m für den Durchmesser des Trage
rohres sind dies 0.42 m bis 1.05 m. Der Patient wird also von
einer relativ langen, engen Röhre umschlossen. Dies kann bei
empfindlichen Patienten leicht zu Zuständen der Platzangst
(Klaustrophobie) führen. Ein weiterer Nachteil konventioneller
Gradientenspulensysteme besteht darin, daß es nicht möglich
ist, bei speziellen Teilkörperuntersuchungen wie z. B. Unter
suchungen des Kopfes oder von Extremitäten objektnahe Gradien
tenspulen zu verwenden, da die Spulen wegen des großen axialen
Abstandes des linearen Bereiches bis zu den Enden des Trage
rohres die Schultern des Patienten mit umschließen müssen,
also einen Durchmesser von mindestens 0.5 m besitzen müssen.
Objektnahe Gradientenspulen mit geringem Durchmesser besäßen
nämlich den Vorteil einer bei gegebener Gradientenstärke pro
Stromeinheit erheblich reduzierten Induktivität, wodurch ent
sprechend kleinere Gradientenanstiegszeiten ermöglicht würden.
Dies ist insbesondere für die Durchführbarkeit moderner NMR-
Untersuchungsmethoden (Echo-Planar-Verfahren etc.) vorteilhaft.
Der relativ große Abstand von den axialen Enden eines konventio
nellen Gradientenspulensystems bis zum Zentrum des linearen
Untersuchungsbereiches wird hauptsächlich durch die Geometrie
der Transversal-Gradientenspulen verursacht. Eine solche kon
ventionelle Spulenanordnung besteht aus vier symmetrisch auf
der Oberfläche eines Zylinders mit dem Radius R angeordneten
Teilspulen. Die Spulenanordnung ist im wesentlichen spiegel
symmetrisch zur Ebene z = 0 sowie zur Ebene y = 0 im Falle von
y-Gradientenspulen bzw. zur Ebene x = 0 im Falle von x-Gra
dientenspulen. Außerdem besitzen die beiden Teilspulen im Be
reich z < 0 unter Berücksichtigung der Flußrichtung des elek
trischen Stromes dieselbe Wickelrichtung, z. B. im Uhrzeiger
sinn bezüglich der durch die Gradientenrichtung vorgegebenen
Achse, während die beiden Teilspulen im Bereich z < 0 die ent
gegengesetzte Wickelrichtung aufweisen.
Wegen der Spiegelsymmetrie solcher Spulen wird nun unabhängig
von der detaillierten Führung der Windungen ein Magnetfeld
erzeugt, das dieselbe Symmetrie wie der gewünschte Transversal-
Gradient (x- bzw. y-Gradient) besitzt, das also bezüglich der
Ebene z = 0 eine gerade Funktion und bezüglich der Ebene y = 0
eine ungerade Funktion ist. Die detaillierte Führung der Windun
gen wird dabei so gewählt, daß die Abweichung der z-Komponente
des Magnetfeldes in einem möglichst großen Bereich von der
gewünschten Funktion Bz = ay gering ist.
Die unerwünscht große axiale Ausdehnung solcher Spulen wird
nun ersichtlich durch die "Rückflußabschnitte" der Windungen
verursacht, die zur Erzeugung eines hinreichend großen Volumens
mit annähernd linearem Feldverlauf (z. B. mit einer relativen
Abweichung vom ideal-linearen Verlauf von ± 5% in einem kugel
förmigen Volumen mit einem Durchmesser von 50% des die Gradien
tenspule kennzeichnenden Zylinderdurchmessers d) mindestens
bei z = ±0,6 d liegen müssen. Die Beeinträchtigung der Lineari
tät durch Rückschlußteile der Windungen mit relativ kleinem
Abstand z von der Mittelebene ist aufgrund der Überlegung er
sichtlich, daß diese Teile im Bereich ihrer axialen Position
einen Gradienten mit entgegengesetzter Richtung im Vergleich
mit dem durch die Windungsabschnitte in der Umgebung der Mittel
ebene z = 0 erzeugten Feldgradienten verursachen. Eine große
axiale Ausdehnung des linearen Untersuchungsvolumens ist also
nur mit solchen Gradientenspulen möglich, deren Rückschlußab
schnitte einen großen Abstand von der Mittelebene z = 0 be
sitzen.
Daher muß also ein Patient, bei dem beispielsweise ein Tomogramm
des Schädelinneren aufgenommen werden soll, mit dem Kopf voran
über eine lange axiale Strecke längs der z-Achse in eine lange
enge Röhre geschoben werden, damit der Kopf des Patienten im
Meßvolumen in der Mittelebene z = 0 zu liegen kommt. Falls der
Durchmesser d der Gradientenspulen, z. B. zum Zweck der Reali
sierung hoher Gradientenstärken oder geringer Induktivität,
geringer ist als die Schulterbreite des Patienten, würde der
Patient, wenn er in den Magneten geschoben wird, mit den Schul
tern hängen bleiben und der Kopf könnte gar nicht in das axial
entfernter liegende Meßvolumen eingebracht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine NMR-Vor
richtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu modifi
zieren, daß einerseits einer Klaustrophobie des Patienten ent
gegengewirkt wird, andererseits auch eine Kopfuntersuchung mit
einer Apparatur möglich ist, deren lichter Innendurchmesser
zwar größer als der Durchmesser eines menschlichen Kopfes,
jedoch kleiner als die durchschnittliche Schulterbreite eines
Menschen ist.
Die Erfindungsaufgabe wird dadurch gelöst, daß das Untersystem
von Transversal-Gradientenspulen unsymmetrisch bezüglich der
das Meßvolumen halbierenden Ebene z = 0, jedoch im wesentlichen
spiegelsymmetrisch zu einer die z-Achse enthaltenden, das Meß
volumen ebenfalls halbierenden Ebene x = 0 bzw. y = 0 aufgebaut
ist, und aus lediglich zwei Teilspulen besteht, deren Windungen
jeweils dieselbe Wicklungsrichtung bezüglich der durch die
Gradientenrichtung vorgegebenen Achse besitzen.
Dadurch wird der Abstand z₀ zwischen dem patientenseitigen
Ende eines Gradientenspulensystems und dem Zentrum des linearen
Untersuchungsbereichs erheblich verkleinert. Die Geometrie des
Gradientenspulensystems ist bei der erfindungsgemäßen Vorrich
tung so umgestaltet, daß der für NMR-Untersuchungen nutzbare
Bereich mit linearem Magnetfeld und Gradientenverlauf bereits
an dem patientenseitigen Ende des Gradientenspulensystems be
ginnen kann. Die detaillierte Führung der Windungsabschnitte
an der Patientenseite wird dabei so ausgeführt, daß sich hier
ein für NMR-Untersuchungen hinreichend großer Bereich mit einem
Feldverlauf ergibt, der hinreichend geringe Abweichungen vom
ideallinearen Gradientenfeldverlauf aufweist.
Ausgehend von der Geometrie konventioneller Gradientenspulen
läßt sich die Geometrie der erfindungsgemäßen Gradientenspulen
in folgender Weise ableiten:
Der patientenseitige Rückschlußabschnitt einer konventionellen
Gradientenspule, der einerseits den großen Abstand zum Zentrum
des linearen Bereiches verursacht und andererseits die Größe
des für NMR-Untersuchungen geeigneten linearen Bereiches prinzi
piell reduziert, wird auf die dem Patienten abgewandte Seite
verlegt. Die sich dadurch ergebende unsymmetrische Störung des
Feldverlaufs im Bereich der für NMR-Untersuchungen vorgesehenen
Zone kann einerseits durch die Verlegung der Rückschlußabschnit
te der Windungen mit einem großen Abstand von dieser Zone klein
gehalten werden, andererseits kann diese Störung durch die
detaillierte Führung der Windungsabschnitte an der Patienten
seite weitgehend kompensiert werden.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Transversal-Gra
dientenspule läßt sich also die oben genannte Aufgabe, nämlich
die Verkleinerung des Abstandes z₀ zwischen der patientenseiti
gen Stirnseite des Gradientenspulensystems und dem Zentrum des
für die NMR-Untersuchungen geeigneten Meßvolumens mit einfachen
Mitteln lösen.
In der Regel enthält eine Vorrichtung zur Erzeugung von kern
magnetischen Resonanzen auch ein Untersystem von Axial-Gradien
tenspulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldgradienten Gz
in Richtung der z-Achse. Bei den Axial-Gradientenspulen ist die
axiale Ausdehnung der Spule zu beiden Seiten des Zentrums des
linearen Feldbereichs geringer als bei den Transversal-Gradien
tenspulen. Sie beträgt bei Spulen hinreichender Linearität in
der Regel mehr als das 0.44fache (das √3/4fache) des Durch
messers der Spule. Bei Gradientenspulen, die für Ganzkörper
untersuchungen am erwachsenen Menschen geeignet sind, und in
der Regel einen Durchmesser d von 0.7 m aufweisen, sind dies
etwa ± 0.3 m. Dieser Wert ist also deutlich kleiner als bei
den Transversal-Gradientenspulen.
Bei herkömmlichen Axial-Gradientenspulen sind die Windungen der
Spule zylindersymmetrisch auf der Oberfläche eines Zylinders
mit dem Radius R um die z-Achse angeordnet. Die Anordnung der
Windungen ist in der Regel unter Berücksichtigung der Richtung
des Stromes anti-symmetrisch bezüglich der Ebene z = 0. Die
detaillierte Anordnung der Windungen ist wie im Fall der Trans
versal-Gradientenspulen so beschaffen, daß sich ein möglichst
großes Volumen mit einem Feldverlauf ergibt, dessen Abweichungen
gegenüber dem idealen Verlauf Bz = az hinreichend gering sind.
Bei Verwendung von erfindungsgemäßen Transversalgradientenspulen
und herkömmlichen Axial-Gradientenspulen wird der oben erwähnte
Abstand z₀ zwischen der patientenseitigen Stirnseite des Gra
dientenspulensystems und dem Zentrum des für die NMR-Unter
suchungen geeigneten Meßvolumens in der Regel durch die axiale
Ausdehnung der Axial-Gradientenspulen bestimmt.
Zur Lösung der Erfindungsaufgabe ist deshalb eine geometrische
Umgestaltung der Axial-Gradientenspulen dergestalt vorgesehen,
daß die Axial-Gradientenspulen zylindersymmetrisch bezüglich
der z-Achse und total unsymmetrisch bezüglich der das Meßvolumen
halbierenden Ebene z = 0 angeordnet sind, und daß die Axial-
Gradientenspulen aus mindestens zwei Teilspulen bestehen, die
auf verschiedenen Seiten bezüglich der Ebene z = 0 angeordnet
sind, wobei die Teilspulen auf der einen Seite überwiegend die
umgekehrte Wicklungsrichtung aufweisen wie die Teilspulen auf
der anderen Seite der Ebene z = 0, und wobei die Anzahl der
Windungen mit einem bestimmten Wickelsinn ungleich der Anzahl
der Windungen mit dem entgegengesetzten Wickelsinn ist.
Dadurch wird erreicht, daß die Ausdehnung z₀ der Spule patien
tenseitig vom Betrage her kleiner ist als die √3d/4, wobei d
der zylindrische Durchmesser der Wicklung ist.
Bei Ausführungsformen der Erfindung können die Transversal-
Gradientenspulen bezüglich des Meßvolumens asymmetrisch ange
ordnete Sattelspulen sein, während sie bei anderen Ausführungs
formen in Bezug auf das Meßvolumen asymmetrisch angeordnete
stromlinienförmige Spulen sind, die den in der EP-03 20 285
gezeigten konventionellen symmetrisch angeordneten stromlinien
förmigen Spulen entsprechen, mit welchen eine Optimierung der
Spuleninduktivität L sowie eine besonders hohe Linearität des
jeweils zu erzeugenden Feldgradienten erreicht werden kann.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der er
findungsgemäßen NMR-Vorrichtung findet eine Feldspule zur Er
zeugung des homogenen Magnetfeldes Bz Verwendung, welche extrem
geringe axiale Ausdehnung aufweist, wie z. B. in der
EP-01 60 350 beschrieben. Diese sogenannte "Scheiben"-Feldspule
hat bei sehr flachem geometrischen Aufbau einen Homogenitäts
bereich bis an den Rand der Spule. Bei Verwendung herkömmlicher
Gradientenspulen für tomographische Zwecke geht jedoch dieser
Vorteil weitgehend wieder verloren, während mit den erfindungs
gemäß modifizierten asymmetrischen Gradientenspulen der Meßbe
reich bis an den Rand der "Scheiben"-Feldspule ausgenutzt werden
kann, was z. B. in der Mammographie von großem Nutzen sein
kann.
Da sich beim Schalten der elektrischen Ströme durch die oben
beschriebenen asymmetrischen Gradientenspulen aufgrund der
fehlenden Symmetrie bezüglich der das Meßvolumen halbierenden
Ebene z = 0 entsprechend unsymmetrische und störende Wirbel
ströme in der umgebenden Metallstruktur des Grundfeldmagneten
einstellen können, werden bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung die Gradientenspulen aktiv abgeschirmt (siehe
z. B. EP-A1 02 16 590). Zweckmäßigerweise sind dazu aktive Ab
schirmspulen auf einem Zylinder um die z-Achse, der einen grö
ßeren Radius aufweist als der die Gradientenspulen enthaltende
Zylinder, angeordnet, wobei die aktiven Abschirmspulen im we
sentlichen die gleichen Symmetrieeigenschaften wie die Gra
dientenspulen besitzen.
Damit eine gute Abschirmwirkung erzielt wird, muß die axiale
Ausdehnung der Abschirmspulen größer sein als die der Gradien
tenspulen selbst, und zwar auch in Richtung der Patientenseite.
Da jedoch die aktiven Abschirmspulen vorzugsweise einen um
etwa einen Faktor 1.15 bis 1.4 größeren Durchmesser als die
Gradientenspulen besitzen, werden dadurch die guten Eigenschaf
ten des erfindungsgemäßen asymmetrischen Gradientenspulensystems
in Hinblick auf die gewünschte Reduzierung von Klaustrophobie
und die bessere Ausnutzung des Meßvolumens nicht beeinträchtigt.
Um eine optimale Abschirmwirkung zu erzielen, sind bei einer
bevorzugten Ausführungsform die Abschirmspulen auf einer beider
seits der Ebene z = 0 größeren axialen Länge als die Gradienten
spulen vorgesehen.
Insbesondere bei der Verwendung einer sehr flachen "Scheiben"-
Feldspule würden dadurch jedoch die Wicklungen der Abschirm
spulen am patientenseitigen Ende der Vorrichtung über das axiale
Ende der Gradientenspule hinausragen und damit den Vorteil der
extrem geringen axialen Ausdehnung wieder zunichte machen.
Vorzugsweise für diesen Fall können bei einer Ausführungsform
die Windungen der Abschirmspulen an der durch das axiale Ende
der Gradientenspule vorgegebenen Position (z = -|z₀|) in der
Ebene z = - |z₀| geführt und radial verteilt werden. Die Ver
teilung der Windungen der Abschirmspule in der Ebene z =
- |z₀| sowie im Bereich z < - |z₀| auf der die anderen Teile
der Abschirmspule mit Radius Rs enthaltenden Zylinderoberfläche
ist so zu gestalten, daß dies durch die Gradientenspule erzeugte
Magnetfeld in dem Halbraum z < - |z₀|, Radius r < Rs minimal
wird.
Damit ist das patientenseitige Ende der Abschirmspulen, das
sonst in axialer Richtung auf den Patienten ragen würde, ge
wissermaßen radial nach außen "abgekröpft" und behindert nicht
mehr den axialen Zugang zum Meßvolumen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und er
läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden
Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung
einzeln, für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination
Anwendung finden. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Darstellung der erfindungs
gemäßen asymmetrischen Sattel-Gradientenspulen
mit angedeutetem kugelförmigen Meßvolumen;
Fig. 1b konventionelle sattelförmige Transversal-Gra
dientenspulen nach dem Stand der Technik;
Fig. 2a eine ebene Abwicklung der erfindungsgemäßen
Doppelsattel-Transversal-Gradientenspulen mit
angedeuteter Lage des Meßvolumens und Strom
richtungspfeilen;
Fig. 2b eine Abwicklung von konventionellen symmetrisch
angeordneten Doppelsattel-Spulen nach dem Stand
der Technik;
Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch eine NMR-Vorrichtung
in der x = 0- oder y = 0-Ebene mit
- a) erfindungsgemäßen asymmetrischen Gradienten spulensystemen;
- b) konventionellen symmetrischen Gradientenspulen systemen nach dem Stand der Technik;
Fig. 4a oben: Einen schematischen Schnitt durch eine erfin
dungsgemäße NMR-Vorrichtung mit asymmetrischen
Axial-Gradientenspulen
unten: Ein Diagramm des zugehörigen Magnetfeldverlaufes in Richtung der z-Achse;
unten: Ein Diagramm des zugehörigen Magnetfeldverlaufes in Richtung der z-Achse;
Fig. 4b oben: Einen vertikalen Schnitt durch eine konventio
nelle NMR-Vorrichtung
unten: Schema des zugehörigen Magnetfeldverlaufes;
unten: Schema des zugehörigen Magnetfeldverlaufes;
Fig. 5 Schema eines Vertikalschnittes durch eine er
findungsgemäße NMR-Vorrichtung mit asymmetrischen
Gradientenspulen und patientenseitig "abgekröpf
ten"-Abschirmspulen.
Die in Fig. 1b schematisch dargestellte Anordnung von konventio
nellen, einfach-sattelförmigen Transversal-Gradientenspulen
weist eine Spiegelsymmetrie der vier Teilspulen 11′, 11′′,
11′′′ und 11′′′′ bezüglich der Symmetrieebenen z = 0 und y = 0
auf. Durch die in Pfeilrichtung fließenden Ströme wird in einem
Meßvolumen 1 ein ungefähr linear in y-Richtung verlaufender
magnetischer Feldgradient erzeugt. Das Meßvolumen 1 wird an
nähernd von einer Kugel definiert, deren Mittelpunkt im Schnitt
punkt der drei Symmetrieebenen z = 0, x = 0 und y = 0 liegt.
Zur Erzeugung des linearen transversalen Feldgradienten im
Meßvolumen 1 tragen lediglich die "nützlichen Sattelteile" 12′,
12′′, 12′′′ und 12′′′′ bei, während die restlichen Teile der
Teilspulen 11′, 11′′, 11′′′ und 11′′′′, insbesondere die vom
Meßvolumen abgewandten "Rückflußsattelteile" 13′, 13′′, 13′′′
und 13′′′′ lediglich dem Rückfluß des Stromes durch die Teil
spulen dienen. Fig. 1b zeigt deutlich, daß der Zugang zum Meß
volumen 1 in Richtung der z-Achse insbesondere durch die in
axialer Richtung vom Meßvolumen wegragenden Rückflußsattelteile
13′, 13′′ 13′′′ und 13′′′′ behindert wird.
Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen asymmetrischen
Anordnung von Transversal-Gradientenspulen die Rückflußsattel
teile 23′, 23′′ der zugehörigen nützlichen Sattelteile 22′,
22′′ der Teilspulen 21′, 21′′ auf die vom Betrachter aus gesehen
rechte Seite des Meßvolumens 1 geklappt. Gegenüber der kon
ventionellen Anordnung sind die weiteren Teilspulen 21′′′,
21′′′′, die ebenfalls auf der rechten Seite der Ebene z = 0
angeordnet sind, unverändert geblieben. Aus geometrischen Grün
den umgreifen die Sattelteile der modifizierten Teilspulen
21′, 21′′ diese unveränderten Teilspulen 21′′′, 21′′′′. Es
bilden daher die Teilspulen 21′, 21′′′ zusammen eine Teilspule
20′ und die Teilspulen 21′′, 21′′′′ zusammen eine Teilspule
20′′. Infolgedessen ist die Gesamtanordnung der erfindungsge
mäßen asymmetrischen Transversal-Gradientenspulen aus lediglich
zwei Teilspulen 20′, 20′′ aufgebaut, die sich symmetrisch bezüg
lich der Ebene y = 0 gegenüber liegen. Der Tatsache, daß die
nützlichen Sattelteile 21′, 21′′ eine etwas unterschiedliche
Feldverteilung erzeugen als die etwas kleineren nützlichen
Sattelteile 22′′′, 22′′′′, kann durch unterschiedliche Wick
lungszahlen der entsprechenden Teilspulen und durch eine An
passung der genauen axialen Positionen der Sattelteile 21′,
21′′ Rechnung getragen werden. Damit ist es möglich, im Meß
volumen 1 einen annähernd linearen Feldgradientenverlauf zu
erzeugen. In Fig. 1a wird deutlich, daß der axiale Zugang zum
Meßvolumen 1 in z-Richtung auf der vom Betrachter links der z
= 0-Ebene liegenden Seite der Anordnung durch das "Wegklappen"
der Rückflußsattelteile 23′, 23′′ entscheidend verbessert worden
ist.
Die in Fig. 2b gezeigte schematische Abwicklung eines Systems
von vier konventionellen Doppelsattelspulen, die ein Gradienten
feld von höherer Linearität als die in Fig. 1b gezeigten Ein
fach-Sattelspulen erzeugen, besteht wiederum aus vier Teilspulen
30′, 30′′, 30′′′ und 30′′′′. Das Meßvolumen 1 ist bei der Ab
wicklung doppelt angedeutet. Jede der Doppelsattelspulen besteht
jeweils aus einer Ineinanderschachtelung von zwei Teilspulen
31′, 31′′, deren nützliche Sattelteile 32′, 32′′ in Richtung
der z-Achse voneinander im axialen Abstand gehalten sind und
bei Stromfluß durch die Spulen zum Aufbau des transversalen
Magnetfeldgradienten beitragen, während die entsprechenden
Rückflußsattelteile 33′, 33′′ auf der axial vom Meßvolumen 1
abgelegenen Seite parallel zusammenliegend geführt sind.
Demgegenüber besteht das in Fig. 2a gezeigte erfindungsgemäße
asymmetrische Untersystem von Transversal-Gradientenspulen
wiederum aus nur zwei gegenüber liegenden Teilspulen 40′, 40′′,
bei denen die zu den nützlichen Sattelteilen 42′, 42′′; 42′′′,
42′′′′ gehörenden Rückflußsattelteile 43′, 43′′; 43′′′, 43′′′′
auf die von den nützlichen Sattelteilen abgewandte Seite der
Ebene z = 0 geklappt sind. Dadurch entsteht auf der vom Be
trachter linken Seite der in Fig. 2a dargestellten asymmetri
schen Doppelsattelspulen wieder ein bedeutend erleichterter
axialer Zugriff zum Meßvolumen 1 in z-Richtung, da der Abstand
z₀ zwischen dem patientenseitigen Ende des Gradientenspulen
systems und dem Zentrum des linearen Untersuchungsbereiches
gegenüber dem konventionellen System erheblich verkleinert
wurde.
Derselbe Effekt zeigt sich auch im Vergleich von Fig. 3b, wo
ein konventionelles NMR-System mit symmetrischen Gradienten
spulen im Transversalschnitt schematisch dargestellt ist, mit
dem erfindungsgemäßen System in Fig. 3a. Angedeutet sind hier
jeweils die Feldspule 2, aktive Abschirmspulen 3 und 6 und in
Fig. 3b symmetrische Axial-Gradientenspulen 4 bzw. in Fig. 3a
erfindungsgemäß modifizierte asymmetrische Axial-Gradienten
spulen 5. Auch hier wird im Falle der asymmetrischen Gradienten
spulen der Abstand z₀ erheblich verkleinert.
Fig. 4b zeigt nochmals einen schematischen Vertikalschnitt
durch eine herkömmliche NMR-Vorrichtung mit Feldspule 2, aktiven
Abschirmspulen 3 und symmetrisch angeordneten Axial-Gradienten
spulen 4, die ein Neßvolumen 1 einschließen. Darunter ist eben
falls schematisch der bezüglich der Ebene z = 0 anti-symmetri
sche Verlauf des damit erzeugten magnetischen Feldgradienten
in Richtung der z-Achse angedeutet. Fig. 4a hingegen zeigt die
erfindungsgemäßen asymmetrischen Axial-Gradientenspulen 5 mit
den zugehörigen, ebenfalls asymmetrisch angeordneten aktiven
Abschirmspulen 6. Der zugehörige Feldverlauf Bz (z) ist bezüg
lich der Ebene z = 0 nicht mehr anti-symmetrisch sondern total
unsymmetrisch. Durch entsprechende Anordnung der Windungen der
Axial-Gradientenspulen 5 kann ein für NMR-Untersuchungen hin
reichend großer Bereich mit lediglich geringen Abweichungen
vom ideal linearen Gradientenverlauf erreicht werden.
Da die bei herkömmlichen anti-symmetrischen Axial-Gradienten
spulen 4 gegebene Eigenschaft eines verschwindenden Feldwertes
aus Bz = 0 in der Ebene z = 0 keine Vorraussetzung für die
Durchführbarkeit von ortsselektiven NMR-Verfahren ist, lassen
sich die Eigenschaften der erfindungsgemäßen unsymmetrischen
Axial-Gradientenspulen 5 im Hinblick auf eine Verkleinerung des
Abstandes z₀ und/oder eine Verbesserung der Linearität durch
die Realisierung eines Gradientenfeldverlaufes mit folgenden
Eigenschaften weiter verbessern:
In dem für die NNR-Untersuchungen vorgesehenen Bereich des
Neßvolumens 1 wird näherungsweise ein Feldverlauf der Form
Bz (z) = B₀ + (B1/z1) z
realisiert. Die Koordinate z = 0 liegt dabei etwa im Zentrum des für NMR-Untersuchungen vorgesehenen Bereiches. Außerdem besitzen B₀ und B1/z1 das gleiche Vorzeichen und B1 ist ungefähr gleich B₀. Damit kann dann insgesamt der in Fig. 4a unten an gegebene Feldverlauf näherungsweise realisiert werden.
Bz (z) = B₀ + (B1/z1) z
realisiert. Die Koordinate z = 0 liegt dabei etwa im Zentrum des für NMR-Untersuchungen vorgesehenen Bereiches. Außerdem besitzen B₀ und B1/z1 das gleiche Vorzeichen und B1 ist ungefähr gleich B₀. Damit kann dann insgesamt der in Fig. 4a unten an gegebene Feldverlauf näherungsweise realisiert werden.
Eine weitere Verbesserung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in Fig. 5 dargestellt, wo die an die Symmetrie der total
unsymmetrischen Axial-Gradientenspulen 5 angepaßten aktiven
Abschirmspulen 6 im patientennahen Bereich nicht wie herkömmlich
in z-Richtung die Axial-Gradientenspulen überragen, sondern
durch radiale Verteilung in einer Ebene gewissermaßen "abge
kröpft" sind. Damit ergibt sich eine weitere Verbesserung des
axialen Zugriffs des Meßvolumen 1 bzw. eine Verringerung des
Abstandes z₀.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von kernmagnetischen Resonanzen
(NMR) mit einer Feldspule (2) zur Erzeugung eines homogenen
Magnetfeldes Bz in Richtung einer z-Achse und einem System
von Gradientenspulen zur Erzeugung mindestens eines, wenig
stens annähernd konstanten magnetischen Feldgradienten
innerhalb eines Meßvolumens (1) im homogenen Bereich des
durch die Feldspule (2) erzeugten Magnetfeldes, wobei das
System von Gradientenspulen mindestens ein Untersystem
von Transversal-Gradientenspulen zur Erzeugung von magne
tischen Feldgradienten Gx bzw. Gy in einer zur
z-Achse senkrechten Richtung x bzw. y aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Untersystem von Transversal-Gradientenspulen un
symmetrisch bezüglich der das Meßvolumen (1) halbierenden
Ebene z = 0, jedoch im wesentlichen spiegelsymmetrisch zu
einer die z-Achse enthaltenden, das Meßvolumen (1) eben
falls halbierenden Ebene x = 0 bzw. y = 0 aufgebaut ist
und aus lediglich zwei Teilspulen (20′, 20′′; 40′, 40′′)
besteht, deren Windungen jeweils dieselbe Wicklungsrichtung
bezüglich der durch die Gradientenrichtung vorgegebenen
Achse besitzen.
2. Vorrichtung zur Erzeugung von kernmagnetischen Resonanzen
(NMR) mit einer Feldspule (2) zur Erzeugung eines homogenen
Magnetfeldes Bz in Richtung einer z-Achse und einem System
von Gradientenspulen zur Erzeugung mindestens eines, wenig
stens annähernd konstanten magnetischen Feldgradienten
innerhalb eines Meßvolumens (1) im Inneren der Feldspule
(2), insbesondere nach Anspruch 1, wobei das System von
Gradientenspulen ein Untersystem von Axial-Gradientenspulen
(5) zur Erzeugung eines magnetischen Feldgradienten Gz in
Richtung der z-Achse aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Axial-Gradientenspulen (5) zylindersymmetrisch
bezüglich der z-Achse und total unsymmetrisch bezüglich
der das Meßvolumen (1) halbierenden Ebene z = 0 angeordnet
sind, und daß die Axial-Gradientenspulen (5) aus mindestens
zwei Teilspulen bestehen, die auf verschiedenen Seiten
bezüglich der Ebene z = 0 angeordnet sind, wobei die Teil
spulen auf der einen Seite überwiegend die umgekehrte
Wicklungsrichtung aufweisen wie die Teilspulen auf der
anderen Seite der Ebene z = 0 und wobei die Anzahl der
Windungen mit einem bestimmten Wickelsinn ungleich der
Anzahl der Windungen mit entgegengesetztem Wickelsinn
ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und wahlweise nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transversal-Gradienten
spulen in Bezug auf das Meßvolumen asymmetrisch angeordnete
Sattelspulen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und wahlweise nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transversal-Gradienten
spulen in Bezug auf das Meßvolumen asymmetrisch angeordnete
stromlinienförmige Spulen sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Feldspule (2) zur Erzeugung
eines homogenen Magnetfeldes Bz extrem geringe axiale
Ausdehnung aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Zylinder um die
z-Achse, der einen größeren Radius aufweist als der die
Gradientenspulen enthaltende Zylinder, aktive Abschirm
spulen (6) angeordnet sind, die im wesentlichen die glei
chen Symmetrieeigenschaften wie die Gradientenspulen be
sitzen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abschirmspulen (6) einen um einen Faktor 1.15 bis 1.4
größeren Durchmesser als die Gradientenspulen aufweisen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abschirmspulen (6) auf einer beiderseits der Ebene
z = 0 größeren axialen Länge als die Gradientenspulen
vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, und vorzugsweise nach
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Begren
zung der Abschirmspulen (6) auf der Seite der das Meß
volumen (1) halbierenden Ebene z = 0, die den geometrischen
Mittelpunkt der Vorrichtung nicht enthält, an dem axialen
Ende der Gradientenspulen vorgesehen ist, wobei die Win
dungen der Abschirmspulen (6) an diesem Ende in einer
Ebene radial verteilt sind.
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