DE4402027C1 - Kernspinresonanz-Tomographiemagnetsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kernspinresonanz (NMR)-Tomogra­ phiesystem mit einem Kryostaten mit horizontaler Raumtempe­ raturbohrung mit einem Durchmesser d zwischen 20 cm und 50 cm, vorzugsweise zwischen 20 cm und 40 cm, der einen mit flüssigem Helium gefüllten Behälter aufweist und eine in en­ gem thermischen Kontakt mit dem flüssigen Helium stehende supraleitende Solenoidspule mit horizontaler Achse (r=0) zur Erzeugung eines statischen homogenen Magnetfelds in einem Homogenitätsvolumen in der Raumtemperaturbohrung, dessen Zentrum sich in einem Abstand l_m von einem axialen Ende (z=0) der Raumtemperaturbohrung befindet.

Ein solches NMR-Tomographiesystem ist beispielsweise aus dem Firmenprospekt BIOSPEC-Series der Firma Bruker Medizintech­ nik GmbH in D-76287 Rheinstetten vom März 1992 bekannt.

Die bekannten NMR-Tomographiemagnetsysteme dienen unter an­ derem zur In-Vivo-Spektroskopie und Schnittbilderzeugung in der Humanmedizin sowie zur Untersuchung von kleinen Tieren zu Forschungszwecken. Während die Geräte mit größeren Boh­ rungsdurchmessern des Magneten im Bereich 80-100 cm zur Ganzkörperuntersuchung von Patienten eingesetzt werden, wer­ den die Systeme mit Magnetbohrungsdurchmessern zwischen 20 und 60 cm in der Hauptsache für Forschungszwecke verwendet.

Zu Teilkörperuntersuchungen menschlicher Extremitäten, z. B. einer Hand oder eines Fußes oder gar der Aufnahme eines menschlichen Knies eignen sich die bekannten Geräte nur schlecht, da bei den Ganzkörpertomographen der ganze Patient eingelegt werden muß und somit im allgemeinen bei Teilkör­ peruntersuchungen gleichzeitig Signale von nicht-interes­ sierten Bereichen des Körpers aufgenommen werden. Bei den kleineren Magneten könnte zwar ein einzelner Arm in Einzel­ fällen etwa bis zum Ellenbogen untersucht werden, jedoch ist eine Teilkörperuntersuchung eines menschlichen Beines insbe­ sondere im Kniebereich mit den bekannten Geräten aufgrund ihrer Geometrie ebenfalls nicht möglich, da es selbst ein gesunder Patient nicht schaffen würde, das andere Bein, das untersucht werden soll, im rechten Winkel dazu horizontal gestreckt in die enge Magnetbohrung einzuführen. Erst recht wird dies nicht bei einem kranken oder verletzten Menschen gelingen.

Aus der DE- 40 10 032 A1 ist zwar ein supraleitendes Magnet­ system für die Teilkörpertomographie bekannt, mit dem durch die C-förmige Querschnittsgeometrie des zugehörigen Kryosta­ ten ein ungehinderter Zugriff auf das Meßvolumen des Systems von oben ohne weiteres möglich ist, was in der Tat die NMR- Untersuchung eines Patienten erheblich erleichtert. Dies wird jedoch bei dem bekannten System mit einem sehr kompli­ zierten und aufwendig herzustellenden Kryostatenaufbau er­ kauft, wobei zudem die Kräfte, mit denen sich die Magnetspu­ len anziehen, und die bei derartigen Magneten in der Größen­ ordnung von mehreren Tonnen liegen, unsymmetrisch abgefangen werden müssen, was aufgrund des erforderlichen Sicherheits­ standards den statischen Aufbau des Systems noch weiter ver­ teuert. Außerdem wird bei den bekannten C-förmigen Magneten keine Solenoidspule verwendet, sondern ein System von teil­ weise gegenläufigen Spulen, so daß bei gleichem Volumen eine wesentlich geringere maximale Feldstärke als mit Solenoid­ spulensystemen erzeugt werden kann.

Aus der Druckschrift JP 61-17 20 40 (A) in Patents Abstracts of Japan, Sect. P, Vol. 10 (1986), Nr. 382 (P-529) ist ein Kernspinresonanz-Tomographiegerät mit einem Kryostaten mit horizontaler Raumtemperaturbohrung bekannt, bei welchem die Kryostatenaußenwand zur Benutzerseite hin deutlich abge­ schrägt ist. Nähere Angaben hinsichtlich der Bemessung der Kryostatenaußenwand sowie der Raumtemperaturbohrung können der Druckschrift jedoch nicht entnommen werden. Bei der be­ kannten Vorrichtung wird zum Zwecke der "Verkleinerung" des NMR-Magneten das statische Magnetfeld nicht durch eine supraleitende Solenoidspule, sondern durch vier Teilspulen erzeugt. Die Abschrägung der Kryostatenaußenwand kommt da­ durch zustande, daß man den Durchmesser der beiden mittleren Teilspulen vergrößert.

Aus der EP 0 350 267 A1 ist ein supraleitender NMR-Magnet mit einem "tempelförmigen" Aufbau bekannt, der einen beque­ men seitlichen Zugriff auf den zu untersuchenden Patienten erlaubt, der jedoch gegenüber dem konventionellen Hohlzylin­ deraufbau wiederum einen sehr kompliziert aufgebauten Kryo­ staten erfordert. Wegen der speziellen Spulenform des be­ kannten tempelförmigen Magneten ergibt sich wiederum im Ge­ gensatz zu einem Solenoid-Magneten eine äußerst schlechte Feldstärkenausnutzung und daher eine wesentlich geringere Auflösung der erzeugten NMR-Bilder. Feine Strukturen, wie sie gerade für den Orthopäden wichtig sind, können damit nicht genau genug erfaßt werden.

Aus der US-PS 5,117,188 schließlich ist eine quasi-offene Magnetkonfiguration für die NMR-Bildgebung, ein sogenannter "Inside-out-"Magnet bekannt, bei dem die Magnetspule einen sehr großen Durchmesser und eine äußerst geringe Tiefe auf­ weist und das Untersuchungsvolumen knapp außerhalb der Ma­ gnetspule liegt. Ein solches Magnetsystem hat jedoch gegen­ über Solenoidspulen die Nachteile eines starken, in den Au­ ßenraum abgestrahlten Streufeldes, einer wesentlich geringe­ ren Feldhomogenität, eines viel kleineren Homogenitätsberei­ ches und einer erheblich geringeren maximal erzeugbaren Feldstärke, so daß die Auflösung der NMR-Bilder viel gerin­ ger ist als bei den obengenannten herkömmlichen Magnetsyste­ men mit Solenoid-Spulen, wie sie beispielsweise aus dem zi­ tierten BIOSPEC-Programm der Firma Bruker Medizintechnik GmbH bekannt sind. Bei gegebener Materiallänge an supralei­ tendem Draht, der den Preis eines solchen Magnetsystems we­ sentlich mitbestimmt, ist eine Inside-out-Magnetspule zudem viel unwirtschaftlicher.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein NMR-Tomographiemagnetsystem für Teilkörperuntersuchungen der menschlichen Extremitäten zu schaffen, das einfach und kom­ pakt im Aufbau sowie preisgünstig herstellbar ist, eine hohe Auflösung ermöglicht und dabei ein verhältnismäßig geringes Streufeld erzeugt, wobei der Patient in bequemer Körperhal­ tung untersucht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf ebenso einfache wie wirkungsvolle Weise dadurch gelöst, daß zumindest in einem Winkelbereich um die horizontale Achse die Außenhaut des Kryostaten zwischen dem axialen Ende (z=0) der Raumtempe­ raturbohrung und der Tiefe z=l_m des Zentrums des Homogeni­ tätsvolumens von der Achse (r=0) einen minimalen Abstand hat, der überall für 0zl_m kleiner oder gleich dem einer Geraden ist, die die beiden Punkte P₁ (z=0, r=h_e) und P₂ (z=l_m, r=h) verbindet und wobei gilt:

l_m, h_e < 35 cm, vorzugsweise < 30 cm, und h < 50 cm.

Diese geometrische Anordnung des Kryostaten ermöglicht es, einen auf einer horizontalen Liege gelagerten Patienten, von dem beispielsweise ein Bein im Kniebereich untersucht werden soll, mit dem zu untersuchenden Bein in die Raumtemperatur­ bohrung des Magnetsystems einzuschieben, während das nicht untersuchte Bein in dem Winkelbereich mit dem minimalen Ab­ stand zwischen der Außenhaut des Kryostaten und der Innen­ seite der Raumtemperaturbohrung bequem und ohne daß ein Spa­ gat oder andere Verrenkungen erforderlich wären, auf der Au­ ßenseite der Magnetanordnung zu lagern. Der Solenoidaufbau der Magnetspule sowie der im wesentlichen zylinderförmige Aufbau des zugehörigen Kryostaten bleiben bei der erfin­ dungsgemäßen Anordnung erhalten, so daß die Anordnung im Ge­ gensatz zu den oben genannten Spezialanordnungen mit wesent­ lich geringerem technischen und wirtschaftlichen Aufwand hergestellt werden kann. Damit steht ein kompaktes, preis­ wertes und für Teilkörperuntersuchungen speziell angepaßtes NMR-System zur Verfügung, das im Gegensatz zu Ganzkörper-Tomographieanordnungen im Bereich der Teilkörper­ untersuchungen einen wesentlich besseren "Füllfaktor" bietet und damit besonders kosteneffizient ist. Wegen der im Ver­ hältnis zum Volumen besonders hohen Feldstärke eines Soleno­ id-Magneten kann eine exzellente Auflösung der NMR-Bilder erreicht werden, wobei feine Strukturen insbesondere im An­ wendungsbereich der Orthopädie ausreichend genau hervortre­ ten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Tomographiemagnetsystems ist der Winkelbereich um die horizontale Kryostatenachse mit den minimalen Abständen h_e, h der Außenhaut des Kryostaten von der Innenseite der Raum­ temperaturbohrung vertikal oderhalb oder seitlich neben der Raumtemperaturbohrung angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil einer hohen Bequemlichkeit der Lagerung des zu un­ tersuchenden Patienten, insbesondere bei einer Teiluntersu­ chung eines Beines. Der Patient kann nämlich auf dem Rücken liegend das nicht untersuchte Bein entweder nach oben able­ gen oder unter einem relativ geringen Winkel zur Seite ab­ spreizen.

Insbesondere für derartige Beinuntersuchungen, beispielswei­ se im Bereich der Orthopädie, ist bei einer weiteren günsti­ gen Ausführungsform der Erfindung in dem Winkelbereich um die horizontale Kryostatenachse mit den minimalen Abständen h_e, h der Außenhaut des Kryostaten von der Innenseite der Raumtemperaturbohrung nahe der Außenhaut des Kryostaten eine Halterung für ein nicht zu untersuchendes Bein eines Patien­ ten vorgesehen ist.

Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Stirnfläche des Kryostaten zumindest in dem Winkelbereich um die horizontale Kryostatenachse mit den minimalen Abständen h_e, h der Außenhaut des Kryostaten von der Innenseite der Raumtemperaturbohrung abgeschrägt ist. Auch dadurch wird bei Beinuntersuchungen eine bequeme Auflage des nicht untersuch­ ten Beines des Patienten erreicht bzw. verbessert.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen NMR-Tomographiesystems, bei der die supraleitende Solenoidspule in axialer Richtung eine asymmetrische Vertei­ lung ihrer Windungen aufweist, derart, daß das Homogenitäts­ volumen des von der Solenoidspule erzeugbaren Magnetfeldes einen Abstand l_m von einem axialen Ende der Raumtemperatur­ bohrung hat, während die axiale Länge der Solenoidspule grö­ ßer als 2 l_m ist. Dadurch rutscht das Homogenitätsvolumen und damit das Meßvolumen weiter nach vorne in Richtung auf das axiale Ende der Raumtemperaturbohrung, in die die zu unter­ suchende Extremität des Patienten eingeschoben wird. Der Ab­ stand l_m kann dann bei gleicher maximal erzeugbarer Feld­ stärke, gleichem Durchmesser d der Raumtemperaturbohrung und gleichem kleinen Minimalabstand h zwischen der Außenhaut des Kryostaten und der Innenseite der Raumtemperaturbohrung noch kleiner gewählt werden. Dies hat gerade für die Anwendung des NMR-Tomographiesystems im Bereich von Teilkörperuntersu­ chungen den Vorteil, daß das Meßvolumen von der Stirnseite des Kryostaten her besser erreichbar ist und das zu untersu­ chende Körperteil nicht erst durch eine lange enge Röhre ge­ schoben werden muß. Außerdem kann dadurch der Gesamtaufbau noch kompakter gehalten werden.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen NMR-Tomographiemagnetsystems ist der mit flüs­ sigem Helium gefüllte Behälter asymmetrisch bezüglich der Achse der supraleitenden Solenoidspule angeordnet.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann entweder für sich oder zusätzlich der mit flüssigem Helium gefüllte Behälter asymmetrisch bezüglich der Ebene senkrecht zur Ach­ se der supraleitenden Solenoidspule im Abstand l_m von einem axialen Ende der Raumtemperaturbohrung angeordnet sein.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Kryostat im Bereich eines axialen Endes mit einem Patienten­ zugang zur Raumtemperaturbohrung einen geringeren Außen­ durchmesser hat als im Bereich des entgegengesetzten axialen Endes. Ein wesentlicher Vorteil der genannten asymmetrischen Anordnungsarten des Heliumtanks, die bereits aus der DE 37 24 562 A1 an sich bekannt sind, liegt darin, daß der minima­ le Abstand h der Außenhaut des Kryostaten und der Innenseite der Raumtemperaturbohrung noch weiter minimiert werden kann, indem die Anordnung so gestaltet wird, daß um die Magnetspu­ le herum kaum noch Heliumtankvolumen vorhanden ist.

Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist die supra­ leitende Solenoidspule weitgehend von gut wärmeleitendem Ma­ terial umschlossen, welches seinerseits eine gut wärmelei­ tende Verbindung zu den tiefsten Bereichen des mit flüssigem Helium gefüllten Behälters aufweist. Auf diese Weise ist überhaupt kein Heliumtankvolumen um die Spule herum mehr er­ forderlich. Dadurch kann der minimale Abstand h der Außen­ haut des Kryostaten von der Innenseite der Raumtemperatur­ bohrung das theoretisch denkbare Minimum erreichen. Außerdem wird die supraleitende Magnetspule auch bei niedrigem Flüs­ sigkeitsstand des Heliums im Behälter noch ausreichend gut gekühlt.

Besonders bevorzugt ist-eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen NMR-Tomographiesystems, bei der ein System von Gra­ dientenspulen zur Erzeugung mindestens eines, wenigstens an­ nähernd konstanten magnetischen Feldgradienten innerhalb des Homogenitätsvolumens des von der supraleitenden Solenoidspu­ le erzeugten statischen Magnetfelds vorgesehen ist, wobei ein Untersystem von Transversal-Gradientenspulen unsymme­ trisch bezüglich der das Homogenitätsvolumen halbierenden Ebene E senkrecht zur Achse der Solenoidspule jedoch im we­ sentlichen spiegelsymmetrisch zu einer diese Achse enthal­ tenden, das Homogenitätsvolumen ebenfalls halbierenden Ebene aufgebaut ist und aus lediglich zwei Teilspulen besteht, de­ ren Windungen jeweils dieselbe Wicklungsrichtung bezüglich der durch die Gradientenrichtung vorgegebene Achse besitzen, und/oder wobei ein Untersystem von Axial-Gradientenspulen zylindersymmetrisch bezüglich der Achse der Solenoidspule und total unsymmetrisch bezüglich der das Homogenitätsvolu­ men halbierenden, zur Achse der Solenoidspule senkrechten Ebene E angeordnet ist, wobei die Axial-Gradientenspulen aus mindestens zwei Teilspulen bestehen, die auf verschiedenen Seiten der Ebene E angeordnet sind, wobei die Teilspulen auf der einen Seite überwiegend die umgekehrte Wicklungsrichtung aufweisen wie die Teilspulen auf der anderen Seite der Ebene E und wobei die Anzahl der Windungen mit einem bestimmten Wickelsinn ungleich der Anzahl der Windungen mit entgegenge­ setztem Wickelsinn ist.

Derartige sogenannte asymmetrische "Kopfgradientenspulen" sind aus der DE 41 42 263 A1 an sich bekannt. Die asymmetri­ schen Kopfgradientenspulen tragen zu einer optimalen Raum­ ausnutzung der Gesamtanordnung bei und ermöglichen einen großen lichten Durchmesser der Raumtemperaturbohrung an der patientenseitigen Stirnseite des Kryostaten mit einer rela­ tiv geringen Wandstärke. Insbesondere bei einer konisch ver­ laufenden Beinform eines zu untersuchenden Patienten mit starkem Oberschenkeldurchmesser ist diese geometrische An­ ordnung sehr vorteilhaft.

Ebenfalls besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Tomographiemagnetsystems, bei der ein System von tesseralen Gradientenspulen zur Erzeugung minde­ stens eines, wenigstens annähernd konstanten magnetischen Feldgradienten innerhalb des Homogenitätsvolumens des von der supraleitenden Solenoidspule erzeugten statischen Ma­ gnetfelds vorgesehen ist, welches aus mindestens vier i.w. gleichen, symmetrisch mit radialem und axialem Abstand zu einem im Zentrum des Homogenitätsvolumens angenommenen Koor­ dinatenursprung angeordneten, sattelartigen Teilspulen be­ steht, die jeweils zwei in azimutaler Richtung um eine mit der Solenoidspulenachse zusammenfallende z-Achse verlaufen­ de, elektrisch leitfähige Segmente aufweisen, von denen ein Segment einen möglichst geringen radialen Abstand r₁ und das andere Segment einen möglichst großen radialen Abstand r₂ von der z-Achse hat, wobei jede Teilspule mehrere Windungen aufweist, und die beiden azimutalen Segmente einen axialen Abstand voneinander in Richtung der z-Achse aufweisen, wobei das radial äußere Segment mit dem radialen Abstand r₂ von der z-Achse axial bezüglich der z-Achse näher am Koordina­ tenursprung angeordnet ist als das radial innere Segment mit dem radialen Abstand r₁ von der z-Achse, und wobei die bei­ den Segmente durch Leiterabschnitte miteinander verbunden sind und sich gemeinsam auf einer rotationssymmetrischen oder ellipsoiden Fläche r(z) befinden.

Derartige tesserale Gradientenspulen sind in der älteren deutschen Patentanmeldung des gleichen Anmelders mit dem Ak­ tenzeichen P 42 30 145.9-33 beschrieben, auf die vollinhalt­ lich Bezug genommen wird. Eine derartige tesserale Gradien­ tenspulenanordnung ermöglicht eine noch bessere Raumausnut­ zung und eine bessere Zugänglichkeit insbesondere für Pati­ enten mit kräftigem Oberschenkel, beispielsweise Sportler mit Beinverletzungen, die mit dem Teilkörpertomographiesy­ stem für orthopädische Zwecke untersucht werden sollen.

Bei beiden obengenannten Gradientenspulenanordnungen erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Gradientenspulen durch ein System von Abschirmspulen mit gleicher Symmetrie wie die abzuschirmenden Gradientenspulen aktiv abgeschirmt sind. Dadurch können die Streufelder der Gradienten mit ei­ ner äußerst kompakten Abschirmanordnung weiter minimiert werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen.

Die einzelnen Merkmale können jeweils für sich oder zu mehreren in belie­ bigen Kombinationen bei Ausführungsformen der Erfindung ver­ wirklicht sein. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Übersichtsschnittzeichnung ei­ nes erfindungsgemäßen Teilkörpertomographen mit angedeutetem Patienten;

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des erfindungs­ gemäßen NMR-Tomographiemagnetsystems mit Helium­ tank und supraleitender Magnetspule;

Fig. 3 das System nach Fig. 2 mit einem weiteren Strah­ lungsschild;

Fig. 4 eine asymmetrische supraleitende Spulenanordnung mit gut wärmeleitender Umkleidung;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht eines erfin­ dungsgemäßen Magnetsystems mit asymmetrischen Gradientenspulen und "trichterförmiger" Eingang­ söffnung;

Fig. 6-8 Teilspulensysteme mit asymmetrischen Gradienten­ spulen gemäß DE 41 42 263 A1;

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht eines erfin­ dungsgemäßen Magnetsystems mit tesseralen Gradi­ entenspulen und "trichterförmiger" Eingangsöff­ nung;

Fig. 10 eine räumliche Ansicht einer Teilspule des Sy­ stems von Fig. 9 gemäß der älteren deutschen Pa­ tentanmeldung P 42 30 145.9-33; und

Fig. 11 eine schematische Schnittdarstellung aller vier Teilspulen einer Transversalgradientenspule auf einem Tragekörper mit tesseralen Gradientenspulen wie in Fig. 10.

Die Fig. 1 gezeigte schematische Übersichtszeichnung eines erfindungsgemäßen NMR-Tomographiesystems 1 zeigt einen ange­ deuteten Patienten, der sein zu untersuchendes Bein in eine Raumtemperaturbohrung 2 des ca. 1 m langen Kryostaten der Tomographieanordnung 1 eingeführt hat, während sein anderes Bein in angewinkelter Stellung bequem auf einer Halterung 7 über der oberen Außenhaut 6 des Kryostaten ruht, die z. B. auch durch eine (nicht dargestellte) Schlaufe realisiert sein kann, in welcher das zu untersuchende Bein gehalten wird. Durch die patientenseitig angeschrägte Stirnfläche 8 des Kryostaten kann der Winkel zwischen den Achsen der bei­ den Oberschenkel des Patienten in der Meßlage noch weiter verkleinert werden.

Ermöglicht wird das bequeme Einführen des zu untersuchenden Beins des Patienten dadurch, daß die Außenhaut 6 des Kryo­ staten in der Tiefe l_m vom patientenseitigen axialen Ende (z=0) der Raumtemperaturbohrung 2 zumindest in einem Winkel­ bereich um die horizontale Kryostatenachse 100 (r=0) einen minimalen Abstand h von der Innenseite der Raumtemperatur­ bohrung 2 aufweist, wobei in diesem Abstand l_m ungefähr das Zentrum des Homogenitätsvolumens 5 des vom Hauptfeldmagneten 4 des NMR-Systems 1 erzeugten homogenen Magnetfelds B liegt. Die Raumtemperaturbohrung 2 hat einen Durchmesser d zwischen 20 cm und 50 cm, vorzugsweise zwischen 20 cm und 40 cm und es gilt:

l_m, h_e < 35 cm, vorzugsweise < 30 cm und h < 50 cm.

In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße NMR-Tomographiemagnetsy­ stem 1 in einer Schnittansicht näher dargestellt: Es enthält eine supraleitende Solenoidspule 4, die sich in einem mit flüssigem Helium gefüllten Behälter 3 mit einem äußeren Tankrohr 3′′ und einem inneren Tankrohr 3′ befindet und in engem thermischen Kontakt mit dem flüssigen Helium im Behäl­ ter steht. Die supraleitende Solenoidspule 4 hat eine hori­ zontale Achse 100 und erzeugt im Homogenitätsvolumen 5 in einem etwa kugelförmigen Bereich mit einem Durchmesser von ca. 18 cm ein statisches Magnetfeld B mit einer Homogenität ΔB/B < 20 ppm.

Der Kryostat hat mindestens einen Versorgungsturm 9 mit ei­ nem in den Heliumtank 3 mündenden Halsrohr 12 zum Einfüllen bzw. Abdampfen des flüssigen Heliums und zum Einführen eines Stromstabes, der zum Aufladen der supraleitenden Solenoid­ spule 4 dient, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

Um bei möglichst einfachem Aufbau des Tomographiemagnetsy­ stems 1 eine zur Einführung von zu untersuchenden Extremitä­ ten möglichst günstige Geometrie zu erzielen, ist bei dem in Fig. 1 bis Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Winkel­ bereich um die horizontale Kryostatenachse mit minimalem Ab­ stand h der Außenhaut 6 von der Innenseite der Raumtempera­ turbohrung 2 vertikal oberhalb der Raumtemperaturbohrung 2 angeordnet. Er könnte aber auch seitlich neben der Raumtem­ peraturbohrung 2 angeordnet sein. In diesem Fall müßte der Patient das nicht-untersuchte Bein nach der entsprechenden Seite mit dem minimalen Abstand h abspreizen.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte asymmetrische Anordnung des mit flüssigem Helium gefüllten Behälters 3 bezüglich der Achse 100 der supraleitenden Solenoidspule 4 sowie bezüglich der Ebene senkrecht zur Achse 100 der supraleitenden Soleno­ idspule 4 im Abstand l_m vom patientenseitigen axialen Ende der Raumtemperaturbohrung 2 bewirkt eine Verschiebung des Homogenitätsvolumens 5 in Richtung auf das patientenseitige Ende der Anordnung. Dadurch wird das Homogenitätsvolumen 5 noch besser zugänglich und kann z. B. für die NMR-Untersu­ chung eines Patientenknies, wie in Fig. 1 angedeutet, ohne weiteres genutzt werden. Zusätzlich hat der in Fig. 1 ge­ zeigte Kryostat patientenseitig einen erheblich geringeren Außendurchmesser als am entgegengesetzten axialen Ende der Anordnung, wodurch die Raumausnutzung noch weiter zugunsten einer leichten Zugänglichkeit zum Meßvolumen 5 verbessert wird. Im Grenzfall kann das für das flüssige Helium erfor­ derliche Hohlvolumen vollständig auf der patientenabgewand­ ten Seite angeordnet sein, bzw. diametral gegenüber des nicht-untersuchten Beines, so daß der Abstand h bis in die Nähe des theoretischen Minimums reduziert werden kann.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die supraleitende Soleno­ idspule 4 weitgehend von gut wärmeleitendem Material um­ schlossen ist, welches seinerseits eine gut wärmeleitende Verbindung 10, beispielsweise eine Kupferlitze zum Boden des mit flüssigem Helium gefüllten Behälters 3 aufweist. Dadurch wird sichergestellt, daß die supraleitende Solenoidspule 4 auch bei niedrigem Stand des flüssigen Heliums im Behälter 3 ausreichend gut gekühlt wird.

Weiterhin dient der guten Kühlung eine in Fig. 3 angedeutete Anordnung von Strahlungsschilden 11 in Form einer Seiten­ platte 11′, eines Außenmantels 11′′ und eines um die Raum­ temperaturbohrung 2 angeordneten Innenrohres 11′′′. Es kön­ nen auch mehrere Strahlungsschilde vorgesehen sein, jedoch sollte mindestens ein Strahlungsschild auf einer Temperatur zwischen 4,2 K und Zimmertemperatur vorhanden sein, das die Solenoidspule 4 vollständig umgibt. Im allgemeinen wird die­ ser Strahlungsschild 11 auf der Temperatur von flüssigem Stickstoff gehalten. Seine Kühlung kann über einen in der Zeichnung nicht dargestellten N₂-Tank oder über einen Refri­ gerator erfolgen, der nicht-störend in räumlicher Entfernung vom Tomograhpiemagnetsystem 1 angeordnet sein kann.

Vorzugsweise ist ein zusätzlicher Strahlungsschild auf einer Temperatur zwischen 4 K und 70 K vorgesehen, der beispiels­ weise über das vom flüssigen Helium abdampfende gasförmige kalte Helium und/oder ebenfalls über einen Refrigerator ge­ kühlt werden kann.

In Fig. 4 ist eine asymmetrische Gradientenspule 4′ darge­ stellt, die eine gut wärmeleitende Ummantelung 13, bei­ spielsweise aus Kupfer- oder Aluminiumblech aufweist. Durch die in axialer Richtung asymmetrische Verteilung der Windun­ gen der supraleitenden Spule 4′ auf dem Spulenträger 14 kann das Homogenitätsvolumen 5 des von der Solenoidspule 4′ er­ zeugten Magnetfelds weiter in Richtung auf das patientensei­ tige Ende der Raumtemperaturbohrung 2 verschoben werden, was seine Zugänglichkeit erleichtert. Die Handhabbarkeit des er­ findungsgemäßen NMR-Tomographiesystems 1 wird damit noch weiter verbessert.

Insbesondere bei Verwendung einer derartigen asymmetrischen Solenoidspule 4′ empfiehlt sich die Verwendung eines eben­ falls asymmetrischen Gradientenspulensystems 15 zur Erzeu­ gung von wenigstens annähernd konstanten magnetischen Feld­ gradienten innerhalb des Homogenitätsvolumens 5 des von der supraleitenden Solenoidspule 4′ erzeugten statischen Magnet­ felds B. Eine solche Anordnung ist in Fig. 5 angedeutet. Derartige asymmetrische "Kopfgradientenspulen" sind an sich bereits aus der DE 41 42 231 A1 bekannt. Ein asymmetrisches Untersystem zur Erzeugung von Transversal-Gradienten ist in Fig. 6 gezeigt. Das Homogenitätsvolumen 5 der Solenoidspule fällt mit einem Meßvolumen zusammen, in dem durch die in Pfeilrichtung fließenden Ströme der asymmetrischen Transver­ sal-Gradientenspulen ein ungefähr linear in y-Richtung ver­ laufender magnetischer Feldgradient erzeugt wird. Bei Dre­ hung der Transveral-Gradientenspulen um 90° um die z-Achse wird eine Anordnung erhalten, die einen x-Gradienten erzeu­ gen kann.

Bei der in Fig. 6 gezeigten asymmetrischen Anordnung von Transversal-Gradientenspulen sind die Rückflußsattelteile 23′, 23′′ der zugehörigen nützlichen Sattelteile 22′, 22′′ der Teilspulen 21′, 21′′ auf die vom Betrachter aus gesehen rechte Seite des Meßvolumens 5 geklappt. Gegenüber einer konventionellen symmetrischen Anordnung sind die weiteren Teilspulen 21′′′, 21′′′′, die ebenfalls auf der rechten Sei­ te der Ebene z = 0 angeordnet sind, unverändert geblieben. Aus geometrischen Gründen umgreifen die Sattelteile der mo­ difizierten Teilspulen 21′, 21′′ diese unveränderten Teil­ spulen 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 asymmetrischen Transversal-Gradienten­ spulen aus lediglich zwei Teilspulen 20′, 20′′ aufgebaut, die sich symmetrisch bezüglich 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 Windungszahlung der entsprechen­ den Teilspulen und durch eine Anpassung der genauen axialen Positionen der Sattelteile 21′, 21′′ Rechnung getragen wer­ den. Damit ist es möglich, im Meßvolumen 5 einen annähernd linearen Feldgradientenverlauf zu erzeugen. In Fig. 6 wird deutlich, daß der axiale Zugang zum Meßvolumen 5 in z-Rich­ tung auf der vom Betrachter links der z = 0-Ebene liegenden Seite der Anordnung durch das "Wegklappen" der Rückflußsat­ telteile 23′, 23′′ entscheidend verbessert worden ist.

Das in Fig. 7 in einer ebenen Abwicklung gezeigte asymmetri­ sche Untersystem von Transversal-Gradientenspulen besteht wiederum aus nur zwei gegenüberliegenden Teilspulen 30′, 30′′, bei denen die zu den nützlichen Sattelteilen 32′, 32′′, 32′′′, 32′′′′ gehörenden Rückflußsattelteile 33′, 33′′, 33′′′, 33′′′′ auf die von den nützlichen Sattelteilen abgewandte Seite der Ebene z = 0 geklappt sind. Dadurch ent­ steht auf der vom Betrachter linken Seite der in Fig. 7 dar­ gestellten asymmetrischen Doppelsattelspulen wieder ein be­ deutend erleichterter axialer Zugriff zum Meßvolumen 5 in z-Richtung, da der Abstand z₀ zwischen dem patientenseitigen Ende des Gradientenspulensystems und dem Zentrum des linea­ ren Untersuchungsbereiches gegenüber dem konventionellen Sy­ stem erheblich verkleinert wurde.

Derselbe Effekt zeigt sich auch bei dem in Fig. 8 im Trans­ versalschnitt schematisch dargestellten asymmetrischen Axi­ al-Gradientenspulensystem 16. Angedeutet ist in Fig. 8 au­ ßerdem die Feldspule 4′ und eine aktive Abschirmspule 17. Mit dieser Anordnung kann der Abstand l_m vom stirnseitigen Ende der Raumtemperaturbohrung 2, in welchem ein annähernd konstanter linearer Feldgradient in z-Richtung erzeugt wer­ den kann, erheblich verkleinert werden.

In Fig. 9 ist schematisch ein weiteres Transveral-Gradien­ tensystem 18 gezeigt, das ebenfalls eine trichterförmige Eingangsöffnung an einem stirnseitigen Ende der Raumtempera­ turbohrung 2 ermöglicht. Die Transversal-Gradientenspulen 18 sind tesserale Gradientenspulen, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 42 30 145.9-33 beschrieben sind. Sie er­ möglichen eine noch bessere Raumausnutzung und eine weiter verbesserte Zugänglichkeit des Untersuchungsvolumens 5.

Die Teilspulen 40 des tesseralen Gradientensystems 18 sind sattelartig ausgeführt, wie in Fig. 10 zu erkennen ist. Die einzelnen Teilspulen 40 weisen jeweils zwei in azimutaler Richtung um die z-Achse verlaufende, elektrisch leitfähige Segmente 41, 42 auf, von denen das radial innere Segment 41 einen Abstand r₁ und das radial äußere Segment 42 einen Ab­ stand r₂ von der z-Achse aufweist. Die beiden Segmente 41, 42 sind axial bezüglich der z-Achse beabstandet, wobei das radial äußere Segment 42 näher am Koordinatenursprung ange­ ordnet ist als das radial innere Segment 41. Die beiden Seg­ mente 41, 42 sind durch Leiterabschnitte 43 miteinander ver­ bunden.

Die Teilspulen 20 können aus Drähten, vorzugsweise Kupfer­ drähten, oder wie in Fig. 10 gezeigt, aus elektrisch leitfä­ higen Bändern aufgebaut sein. Eine weitere Möglichkeit be­ steht darin, die Teilspulen 40 als Stream-line-Spulen aufzu­ bauen.

Bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform liegen die Seg­ mente 41, 42 der Teilspulen 40 auf Zylinderoberflächen um die z-Achse. In nicht dargestellten Ausführungsformen können die Segmente allerdings auch auf Kegeloberflächen liegen, die sich zum Koordinatenursprung hin öffnen.

Zur Kompensation der bei Stromfluß durch die Teilspule 40 hervorgerufenen Drehmomente können in der Zeichnung nicht dargestellte Kompensationsspulen vorgesehen sein, die im we­ sentlichen in ihrem Aufbau den Teilspulen 40 ähneln. Insbe­ sondere können die Kompensationsspulen auch azimutale innere Segmente und azimutale äußere Segmente aufweisen, die einen größeren radialen Abstand von der z-Achse besitzen, als die inneren Segmente.

Fig. 11 schließlich zeigt einen Schnitt durch das tesserale Gradientenspulensystem in der axialen Bohrung des Hauptfeld­ magneten in der xz-Ebene. Das gezeigte System enthält vier Teilspulen 40, die symmetrisch zum Koordinatenursprung ange­ ordnet und in einem Tragekörper 45 aus Kunststoff mit einer axialen Bohrung vergossen sind. Die vier Teilspulen 40 in Fig. 11 erzeugen zusammen einen im Untersuchungsvolumen um den Koordiantenursprung herum im wesentlichen konstanten Gradienten der axialen magnetischen Feldkomponente in Rich­ tung der x-Achse. In der Zeichnung nicht dargestellt ist ein um 90° um die z-Achse gegenüber dem gezeigten x-Gradienten­ systems verdrehtes y-Gradientensystem, das ansonsten den gleichen Aufbau wie das gezeigte x-Gradientensystem auf­ weist.

Sowohl die in den Fig. 5 bis 8, als auch in den Fig. 9. bis 11 gezeigten asymmetrischen Gradientenspulensysteme kön­ nen durch ein System von Abschirmspulen 47, die in Fig. 11 angedeutet sind, aktiv abgeschirmt sein, wobei die Abschirm­ spulen 47 vorteilhafterweise die gleiche Symmetrie wie die abzuschirmenden Gradientenspulen aufweisen. Die Abschirmspu­ len 47 dienen der Unterdrückung der restlichen Radialkompo­ nenten des von den Gradientenspulen erzeugten Magnetfeldes.

Das erfindungsgemäße NMR-Tomographiemagnetsystem 1 ist mit allen üblichen Komponenten ausgestattet, die auch bei be­ kannten Kernspinresonanz-Apparaturen Anwendung finden, einem HF-Sende- und -empfangspulensystem, einem Rechner zur Steuerung der Messung und zur Aufnahme und Verarbeitung der Meßdaten, einem Raumtemperatur-Shimsystem und ggf. einem su­ praleitenden Shimsystem für die Magnetspule usw.

Claims (12)

1. Kernspinresonanz (NMR)-Tomographiemagnetsystem mit ei­ nem Kryostaten mit horizontaler Raumtemperaturbohrung mit einem Durchmesser d zwischen 20 cm und 50 cm, vor­ zugsweise zwischen 20 cm und 40 cm, der einen mit flüssigem Helium gefüllten Behälter aufweist und eine in engem thermischen Kontakt mit dem flüssigen Helium stehende supraleitende Solenoidspule mit horizontaler Achse (100; r=0) zur Erzeugung eines statischen homogenen Magnetfelds in einem Homogenitätsvolumen in der Raumtemperaturbohrung, dessen Zentrum sich in einem Abstand l_m von einem axialen Ende (z=0) der Raumtemperaturbohrung befindet,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest in einem Winkelbereich um die horizontale Achse (100) die Außenhaut (6) des Kryostaten zwischen dem axialen Ende (z=0) der Raumtemperaturbohrung (2) und der Tiefe z=l_m des Zentrums des Homogenitätsvolumens (5) von der Achse (100; r=0) einen minimalen Abstand hat, der überall für 0zl_m kleiner oder gleich dem einer Geraden ist, die die beiden Punkte P₁ (z=0, r=h_e) und P₂ (z=l_m, r=h) verbindet und wobei gilt: l_m, h_e < 35 cm, vorzugsweise < 30 cm, und h < 50 cm.

2. NMR-Tomographiemagnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelbereich um die horizon­ tale Kryostatenachse mit den minimalen Abständen h_e, h der Außenhaut (6) des Kryostaten von der Innenseite der Raumtemperaturbohrung (2) vertikal oberhalb oder seitlich neben der Raumtemperaturbohrung (2) angeord­ net ist.

3. NMR-Tomographiemagnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Winkelbereich um die horizontale Kryostatenachse mit den minimalen Ab­ ständen h_e, h der Außenhaut (6) des Kryostaten von der Innenseite der Raumtemperaturbohrung (2) nahe der Au­ ßenhaut (6) des Kryostaten eine Halterung (7) für ein nicht zu untersuchendes Bein eines Patienten vorgese­ hen ist.

4. NMR-Tomographiemagnetsystem nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (8) des Kryostaten zumindest in dem Win­ kelbereich um die horizontale Kryostatenachse mit den minimalen Abständen h_e, h der Außenhaut (6) des Kryo­ staten von der Innenseite der Raumtemperaturbohrung (2) abgeschrägt ist.

5. NMR-Tomographiemagnetsystem nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die su­ praleitende Solenoidspule (4, 4′) in axialer Richtung eine asymmetrische Verteilung ihrer Windungen auf­ weist, derart, daß das Homogenitätsvolumen (5) des von der Solenoidspule (4, 4′) erzeugbaren Magnetfeldes B einen Abstand l_m von einem axialen Ende der Raumtempe­ raturbohrung (2) hat, während die axiale Länge der So­ lenoidspule (4, 4′) größer als 2 l_m ist.

6. NMR-Tomographiemagnetsystem nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit flüssigem Helium gefüllte Behälter (3) asymmetrisch bezüglich der Achse der supraleitenden Solenoidspule (4, 4′) angeordnet ist.

7. NMR-Tomographiemagnetsystem nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit flüssigem Helium gefüllte Behälter (3) asymmetrisch bezüglich der Ebene senkrecht zur Achse der supralei­ tenden Solenoidspule (4, 4′) im Abstand l_m von einem axialen Ende der Raumtemperaturbohrung (2) angeordnet ist.

8. NMR-Tomographiemagnetsystem nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kryostat im Bereich eines axialen Endes mit einem Pa­ tientenzugang zur Raumtemperaturbohrung (2) einen ge­ ringeren Außendurchmesser hat als im Bereich des ent­ gegengesetzten axialen Endes.

9. NMR-Tomographiemagnetsystem nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Soleno­ idspule (4, 4′) weitgehend von gut wärmeleitendem Ma­ terial (13) umschlossen ist, welches seinerseits eine gut wärmeleitende Verbindung (10) zu den tiefsten Be­ reichen des mit flüssigem Helium gefüllten Behälters (3) aufweist.

10. NMR-Tomographiemagnetsystem nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein System von Gradientenspulen (15) zur Erzeugung mindestens eines, wenigstens annähernd konstanten ma­ gnetischen Feldgradienten innerhalb des Homogenitäts­ volumens (5) des von der supraleitenden Solenoidspule (4, 4′) erzeugten statischen Magnetfelds B vorgesehen ist,
wobei ein Untersystem von Transversal-Gradientenspulen unsymmetrisch bezüglich der das Homogenitätsvolumen (5) halbierenden Ebene E senkrecht zur Achse der Sole­ noidspule (4, 4′) jedoch im wesentlichen spiegelsymme­ trisch zu einer diese Achse enthaltenden, das Homoge­ nitätsvolumen (5) ebenfalls halbierenden Ebene aufge­ baut ist und aus lediglich zwei Teilspulen (20′, 20′′; 30′, 30′′) besteht, deren Windungen jeweils dieselbe Wicklungsrichtung bezüglich der durch die Gradienten­ richtung vorgegebenen Achse besitzen,
und/oder wobei ein Untersystem von Axial-Gradienten­ spulen (16) zylindersymmetrisch bezüglich der Achse der Solenoidspule (4, 4′) und total unsymmetrisch be­ züglich der das Homogenitätsvolumen (5) halbierenden, zur Achse der Solenoidspule (4, 4′) senkrechten Ebene E angeordnet ist, wobei die Axial-Gradientenspulen (16) aus mindestens zwei Teilspulen bestehen, die auf verschiedenen Seiten der Ebene E angeordnet sind, wo­ bei die Teilspulen auf der einen Seite überwiegend die umgekehrte Wicklungsrichtung aufweisen wie die Teil­ spulen auf der anderen Seite der Ebene E und wobei die Anzahl der Windungen mit einem bestimmten Wickelsinn ungleich der Anzahl der Windungen mit entgegengesetz­ tem Wickelsinn ist.

11. NMR-Tomographiemagnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet,
daß ein System von tesseralen Gradientenspulen (18) zur Erzeugung mindestens eines, wenigstens annähernd konstanten magnetischen Feldgradienten innerhalb des Homogenitätsvolumens (5) des von der supraleitenden Solenoidspule (4, 4′) erzeugten statischen Magnetfelds vorgesehen ist,
welches aus mindestens vier i.w. gleichen, symmetrisch mit radialem und axialem Abstand zu einem im Zentrum des Homogenitätsvolumens (5) angenommenen Koordinate­ nursprung angeordneten, sattelartigen Teilspulen (40) besteht, die jeweils zwei in azimutaler Richtung um eine mit der Achse der supraleitenden Solenoidspule (4) zusammenfallende z-Achse verlaufende, elektrisch leitfähige Segmente (41, 42) aufweisen, von denen ein Segment (41) einen möglichst geringen radialen Abstand r₁ und das andere Segment (42) einen möglichst großen radialen Abstand r₂ von der z-Achse hat,
und daß jede Teilspule (40) mehrere Windungen auf­ weist, und die beiden azimutalen Segmente (41, 42) ei­ nen axialen Abstand voneinander in Richtung der z-Ach­ se aufweisen, wobei das radial äußere Segment (42) mit dem radialen Abstand r₂ von der z-Achse axial bezüg­ lich der z-Achse näher am Koordinatenursprung angeord­ net ist als das radial innere Segment (41) mit dem ra­ dialen Abstand r₁ von der z-Achse, und wobei die bei­ den Segmente (41, 42) durch Leiterabschnitte (43) mit­ einander verbunden sind und sich gemeinsam auf einer rotationssymmetrischen oder ellipsoiden Fläche r(z) befinden.

12. NMR-Tomographiemagnetsystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspulen (15, 16, 18) durch ein System von Abschirmspulen (47) mit gleicher Symmetrie wie die abzuschirmenden Gradienten­ spulen (15, 16, 18) aktiv abgeschirmt sind.