DE4416907C1 - Therapietomograph mit Homogenisierungseinrichtung - Google Patents
Therapietomograph mit HomogenisierungseinrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kernspinresonanz (NMR)-Tomogra
phen mit einer supraleitenden Hauptfeldspule zur Erzeugung
eines statischen, homogenen Magnetfeldes im Untersuchungsvo
lumen des Kernspintomographen, dessen Zentrum mit einem Ko
ordinatenursprung eines kartesischen x-, y-, z-Koordinaten
systems zusammenfällt, mit einem Paar untereinander gleicher
äußerer Feldspulen, die auf einer gemeinsamen Achse (z) mit
einem axialen Abstand (g₁) zueinander angeordnet sind, sowie
mit einem Paar innerer, mit den äußeren Feldspulen koaxialer
Feldspulen, die ebenfalls untereinander gleich sind, wobei
beide Spulenpaare symmetrisch zu einer zentralen, zur ge
meinsamen Achse (z) senkrecht verlaufenden Mittelebene (E)
angeordnet sind, wobei der axiale Abstand (g₁) der äußeren
Feldspulen zwischen 1/4 und 3/4, vorzugsweise 1/2 des Innen
durchmessers (da2) der äußeren Feldspulen beträgt, wobei der
axiale Abstand (g₂) der inneren Feldspulen geringfügig, d. h.
um bis zu 15% unterschiedlich gegenüber dem axialen Abstand
(g₁) der äußeren Feldspulen ist, wobei - im Betrieb der
Hauptfeldspule - die Stromrichtung in den inneren Feldspulen
zu derjenigen in den äußeren Feldspulen entgegengesetzt
gerichtet ist, wobei eine axiale Raumtemperaturbohrung, die
sich in Richtung des homogenen Magnetfeldes erstreckt, und
eine transversale Zugangsöffnung, die sich quer zur Richtung
des homogenen Magnetfeldes erstreckt, vorgesehen ist, und
mit einer Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten
des statischen Magnetfeldes.
Ein solcher NMR-Tomograph ist beispielsweise bekannt aus der
DE 39 07 927 A1.
Der Hauptfeldmagnet des bekannten Tomographen besteht aus
einer Doppelhelmholtz-Spulenanordnung mit gegenläufiger
Strombeschickung. Ein derartiges NMR-Tomographiemagnetsystem
ermöglicht es, mit vergleichsweise geringen axialen und ra
dialen Abmessungen sowie verhältnismäßig geringem Gesamtge
wicht einen Zugang zum Untersuchungsvolumen aus mehreren
verschiedenen Richtungen freizulassen, wobei die Anordnung
auch weitgehend unanfällig gegen Wirbelstromeffekte ist, die
beim Schalten der in der Tomographie notwendigen Feldgradienten
entstehen können. Insbesondere transversale Zugangs
öffnungen zum Untersuchungsvolumen sind schon deshalb be
sonders wichtig, damit Klaustrophobieprobleme bei den in dem
Tomographen zu untersuchenden Patienten gar nicht erst ent
stehen bzw. stark abgemildert werden. Außerdem erfordern
zahlreiche Therapiemaßnahmen, wie z. B. chirurgische, insbe
sondere mikrochirurgische Eingriffe oder Bestrahlungen, die
mit dem Tomographiegerät unmittelbar verfolgt und kontrol
liert werden sollen, einen möglichst freien axialen und
transversalen Zugang zum Patienten.
Andererseits sollen die mit einem derartigen Therapietomo
graphen herstellbaren NMR-Schnittbilder eine möglichst hohe
Auflösung und ein möglichst hohes Signal-zu-Rausch-Verhält
nis aufweisen. Aus diesem Grund ist es erforderlich, daß das
von der Hauptfeldspule erzeugte statische Magnetfeld im Un
tersuchungsvolumen eine möglichst hohe Homogenität besitzt.
Aus der DE 36 16 078 A1 und der US 4,682,111 ist jeweils be
kannt, Inhomogenitäten eines NMR-Magneten gleichzeitig
mittels Shimspulen und ferromagnetischen Homogenisierungs
elementen zu korrigieren. Dabei wird das Magnetfeld eines
NMR-Magneten mit gegenüberliegenden Polschuhen
homogenisiert.
Ein zweckmäßiges mathematisches Hilfsmittel zur Beschreibung
der Inhomogenitäten in einem Bereich um das Symmetriezentrum
eines Magnetsystems stellt eine Entwicklung des Feldes nach
Kugelflächenfunktionen dar. Bei NMR-Tomographen dominiert
nur die axiale, d. h. die z-Komponente. Es gilt allgemein:
Bei idealen rotationssymmetrischen Anordnungen verschwinden
auch alle Terme in der Summe, die zu nicht-rotationssymme
trischen Feldkomponenten gehören, d. h. alle Terme mit m = 0.
In der üblichen Nomenklatur werden derartige Terme als "tes
serale" Terme bezeichnet, während Terme, die zu m = 0 gehö
ren, als "zonale" Terme bezeichnet werden.
Bei einer darüber hinaus spiegelsymmetrischen Anordnung ver
schwinden außerdem alle Amplituden An0 mit ungeradem Wert
von n. Bei Spulenanordnungen wie der in der eingangs zi
tierten DE 39 07 927 A1 beschriebenen verschwinden zudem alle
Terme mit n<8. Dann ergibt sich für das homogene Ma
gnetfeld in z-Richtung der folgende Ausdruck:
Speziell entlang der z-Achse erhält man bei der Doppelhelm
holtz-Anordnung mit gegenläufigen Strömen
Bz = A₀₀ + A₈₀ z⁸ + A10,0 z¹⁰ + . . . (3)
A₀₀ ist das gewünschte homogene Feld. Die übrigen Summanden
stellen bei dieser Spulenanordnung selbst bei idealer Bau
weise unvermeidlich Feldstörungen dar, die bei z- bzw.
r-Werten von 20 cm vom Symmetriezentrum relative, d. h. auf
A₀₀ bezogene Größen von etwa 10 ppm annehmen. Für kleinere
z- bzw. r-Werte sind die Störungen wegen der zn-Abhängig
keit (n 8) in der Regel viel kleiner, so daß innerhalb ei
nes kugelförmigen Volumens um das Symmetriezentrum mit einem
Durchmesser von etwa 40 cm nur noch Feldstörungen unterhalb
von 10 ppm auftreten und damit hochwertige NMR-Abbildungs
verfahren möglich werden.
Durch mechanische Toleranzen bei der Herstellung der Spulen
körper sowie durch die prinzipielle helixförmige statt ide
al-rotationssymmetrische Form der Windungen der Hauptfeld
spule erhält man Abweichungen von diesem idealen Verhalten,
die sich in nicht-verschwindenden Störamplituden Anm, Bnm
mit n < 8 und m 0 widerspiegeln. In der Praxis muß man
diese Störamplituden experimentell durch Messungen ermitteln
und mit Hilfe von supraleitenden oder resistiven Zusatzspu
len oder strategisch günstig plazierten, z. B. in der Bohrung
der Magnetspule angebrachten Eisenstücken kompensieren.
Eine derartige Kompensation ist unter dem Fachbegriff "Shi
men" bekannt. In der DE 35 11 303 A1 beispielsweise sind su
praleitende Shim-Spulen beschrieben. Die Verwendung von fer
romagnetischen Shim-Platten ist z. B. aus der DE 17 64 564 A1
bekannt.
Bei einem Therapietomographen mit seitlich und axial offenem
Spulensystem, das sowohl einen transversalen als auch einen
axialen Zugriff auf das Untersuchungsvolumen erlaubt, ergibt
sich gegenüber einem herkömmlichen Tomographen die Schwie
rigkeit, daß in dem gesamten Bereich der seitlichen Zugangs
öffnung weder eine Bohrung zum Befestigen von Eisenstücken
noch ein anderer Tragekörper zum Befestigen von supraleiten
den oder resistiven Korrekturspulen zur Verfügung steht. Da
mit gibt es erhebliche Einschränkungen für die Plazierung
von Shim-Elementen. Bestimmte Typen von Feldstörungen können
deshalb nicht mehr ohne weiteres kompensiert werden. Der bei
klassischen Systemen bevorzugte Anbringungsort für derartige
Shim-Elemente im Mittelbereich in Nähe des Homogenitätsvolu
mens befindet sich bei den oben beschriebenen Therapie-Sy
stemen im Bereich des transversalen Zugangs und darf deshalb
nicht verbaut werden.
Darüber hinaus muß bei allen supraleitenden Korrektur-Spulen
darauf geachtet werden, daß sie nicht induktiv mit der su
praleitenden Hauptfeldspule koppeln. Ansonsten würde bei
spielsweise eine zeitliche Drift des von der Hauptfeldspule
erzeugten homogenen Magnetfelds zu einem Umladen der Korrek
turspulen führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen NMR-
Tomographen der eingangs genannten Art vorzustellen, bei dem
eine Homogenisierung des Hauptmagnetfelds ohne eine Behinde
rung des axialen oder des transversalen Zugangs zum Untersu
chungsvolumen ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die
Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des stati
schen Magnetfeldes folgende Elemente umfaßt:
- - ferromagnetische Homogenisierungselemente, vorzugswei se Plättchen, die an solchen vorgegebenen Positionen auf der Oberfläche der Raumtemperaturbohrung beider seits der transversalen Zugangsöffnung angebracht sind, daß mindestens eine Komponente der tesseralen Feldstörungen der Typen Anm mit n = 1 bis 3, vorzugs weise n = 1 bis 6, und m = 1 bis n kompensiert wird,
- - mindestens vier supraleitende, separat mit Strom be schickbare Korrekturspulen (C₁ bis C₄) koaxial zur Hauptfeldspule, wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C₄) aus mindestens zwei Teilspulen (C1i, C1a bis C4i, C4a) besteht, die bei Betrieb von entgegengesetzt gerichte ten Strömen durchflossen werden, wobei alle Teilspulen aller Korrekturspulen zur gemeinsamen Achse (z) ko axiale Zylinderspulen mit einem Durchmesser von weni ger als dem Innendurchmesser (da2) der äußeren Feld spulen sind, wobei in jeder Korrekturspule (C₁ bis C₄) jeweils eine Teilspule (C1i bis C4i) einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene (E) hat, der im we sentlichen gleich dem Abstand des radial inneren Feld spulenpaares von der Mittelebene ist, so daß sich die se Teilspulen in einem axialen Bereich g₂/2|z|g₂/2+b erstrecken, und wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C₄) jeweils mindestens eine zweite Teilspule (C1a bis C4a) mit umgekehrter Stromrichtung besitzt, die einen grö ßeren axialen Abstand von der Mittelebene (E) als das radial innere Feldspulenpaar hat.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch An
bringen von Eisen auf dem Innenzylinder außerhalb des mitt
leren Bereichs, wo sich die seitliche Zugriffsöffnung befin
det, eine gleichzeitige Kompensation aller tesseralen und
zonalen Störterme nicht möglich ist. Wohl aber ist eine
vollständige Kompensation aller tesseralen Terme allein zu
mindest bis zur 6. Ordnung (n = 1 bis 6; m = 1 bis n) mög
lich. Dafür entstehen aber zusätzliche zonale Störterme,
insbesondere A₂₀, A₄₀, A₆₀, die aber relativ klein gehalten
werden können. Das Lösungsprinzip der vorliegenden Erfindung
besteht darin, daß sämtliche tesserale Terme bis zur 6. Ord
nung durch ferromagnetische Homogenisierungselemente auf dem
Innenzylinder der Raumtemperaturbohrung außerhalb des mitt
leren Bereichs (Zugriffsöffnungen) kompensiert werden, wäh
rend alle verbleibenden zonalen Störterme durch spezielle
supraleitende Korrekturspulen, die gemeinsam mit den supra
leitenden Hauptfeldspulen in einem Helium-Kryostaten unter
gebracht sind, korrigiert werden.
Bei einer Ausführungsform sind die Windungszahlen aller
Teilspulen einer Korrekturspule so gewählt, daß die Gegenin
duktivität zwischen der Hauptfeldspule und der Korrekturspu
le verschwindet. Auf diese Weise wird eine Kopplung zwischen
Hauptfeldspule und Korrekturspulen völlig vermieden. Daher
entsteht kein Umladen der Korrekturspulen bei einer eventu
ellen Drift der Hauptfeldspule, und eine Gefahr der Zerstö
rung von supraleitenden Korrekturspulen im Falle eines Quen
ches des supraleitenden Spulensystems wird abgewendet.
Bei einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform weisen alle
Teilspulen der Korrekturspulen, die der Mittelebene (E) am
nächsten benachbart sind, einen größeren Innendurchmesser
auf, als der Außendurchmesser di1 des inneren Feldspulenpaa
res. Dies führt zu besonders hohen Amplituden des erzeugten
Korrekturfeldes.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist vorgese
hen, daß bei mindestens einer Korrekturspule die beiden
Teilspulen näherungsweise denselben Innendurchmesser besit
zen, und daß bei mindestens einer weiteren Korrekturspule
die der Mittelebene nähere Teilspule einen größeren Innen
durchmesser, die der Mittelebene entferntere Teilspule einen
kleineren Innendurchmesser hat.
Auch mit dieser Maßnahme können besonders hohe Korrekturfeld
amplituden erreicht werden.
Noch höhere Amplituden des erzeugten Korrekturfeldes werden
bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform erhalten, bei
der der Innendurchmesser der der Mittelebene entfernteren
Teilspule der weiteren Korrekturspule ungefähr gleich dem
Innendurchmesser di2 der inneren Feldspulen ist.
Bei einer fertigungstechnisch besonders einfachen, kompakten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Tomographen ist
vorgesehen, daß die der Mittelebene näheren Teilspulen der
Korrekturspulen in einer gemeinsamen Wickelkammer eines Spu
lenträgers zusammen mit der jeweiligen inneren Feldspule und
die der Mittelebene ferneren Teilspulen der Korrekturspulen
in einer weiteren gemeinsamen Wickelkammer des Spulenträgers
untergebracht sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform schließlich sind die
ferromagnetischen Homogenisierungselemente Permanentmagnete.
Hierdurch läßt sich die Richtung der Magnetisierung relativ
zur Feldrichtung frei wählen, so daß zusätzliche, bessere
Möglichkeiten zur Kompensation von Feldstörungen gegeben
sind.
Bei dem erfindungsgemäßen NMR-Tomographen können auch zu
sätzliche Raumtemperatur-Shim-Systeme zum Eliminieren von
Feldstörungen des Typs A₁₀, A₁₁ und B₁₁ sowie A₂₀ vorgesehen
sein. Damit wird überdies ein weiterer Freiheitsgrad gegen
über einem System von ausschließlich supraleitenden, im
Kurzschlußverfahren betriebenen Shimspulen erreicht.
Insbesondere Feldstörungen des Typs A₁₁ und B₁₁ können durch
einen schwachen Gleichstromanteil in einem x-, y-Gradienten
spulensystem nach den Fig. 8, 9a und 9b sowie der zugehöri
gen Beschreibung der DE 42 30 145 A1, auf die hier vollin
haltlich Bezug genommen wird, behoben werden. Statt dessen
können allerdings auch weitere Shim-Spulen vorgesehen sein,
die einen entsprechenden räumlichen Aufbau aufweisen wie die
in der DE 42 30 145 A1 beschriebenen Gradientenspulen.
Eine Korrektur von Feldstörungen des Typs A₁₀ kann durch ein
abgeschirmtes z-Gradientenspulensystem gemäß der DE 42 30 145 A1
eliminiert werden, das die Merkmale der Ansprüche 14
und 15 der genannten Offenlegungsschrift verwirklicht.
Feldstörungen von Störtermen des Typs A₂₀ schließlich können
durch vier koaxial zur z-Achse gewickelte Luftspulen kompen
siert werden, die entweder an der Innenwand der Raumtempera
turbohrung oder an der Innenseite einer transversalen Zu
gangsöffnung positioniert sind.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be
schreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die
vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merk
male erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehre
ren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die ge
zeigten beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als ab
schließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr
beispielhaften Charakter.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an
hand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Hauptfeldmagnetsystem mit transversaler Zu
griffsmöglichkeit nach dem Stand der Technik in
vereinfachter, schematischer Schnittdarstellung in
einer die zentrale Längsachse z des Magnetsystems
enthaltenden Radialebene;
Fig. 2 eine perspektivische Gesamtansicht des erfindungs
gemäßen NMR-Tomographen mit zugehörigem Kryostaten
für eine supraleitende Hauptfeldmagnetspule;
Fig. 3 einen Schnitt durch die seitliche Zugriffslücke
des in Fig. 2 dargestellten Systems mit Blick auf
die Patientenbohrung einer der beiden Hauptspulen
hälften und darin angebrachten Shim-Plättchen; und
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung des erfin
dungsgemäßen NMR-Tomographen in einer die zentrale
Längsachse z des Magnetsystems enthaltenden Radi
alebene.
Das in der Fig. 1 dargestellte Hauptfeldspulensystem 10 um
faßt ein äußeres Paar von Wicklungen bzw. Feldspulen 1a und
1b sowie ein inneres Paar von Wicklungen bzw. Feldspulen 2a
und 2b, welche entlang einer gemeinsamen zentralen Achse z
koaxial und bezüglich einer zentralen Quermittelebene E,
welche rechtwinklig zu der zentralen Achse verläuft, insge
samt symmetrisch angeordnet sind. Die äußeren Wicklungen 1a
und 1b sowie die inneren Wicklungen 2a und 2b sind auf einen
insgesamt mit 3 bezeichneten Spulenkörper aufgewickelt, wel
cher zwei Tragringe 3a und 3b umfaßt, welche die jeweils
einseitig von der Quermittelebene E angeordnete äußere und
innere Wicklung 1a und 2a bzw. 1b und 2b tragen. Diese Trag
ringe 3a und 3b des Spulenkörpers 3 haben je ein äußeres,
gemäß der Darstellung der Fig. 1 nach außen offenes, durch
rechtwinklig aneinander anschließende Profilschenkel be
grenztes U-Profil 4a bzw. 4b, durch deren in axialer Rich
tung gemessene lichte Breite B und durch deren in radialer
Richtung gemessene Tiefe (da1-da2)/2 die rechteckige Quer
schnittsfläche von Wickelkammern 5a bzw. 5b bestimmt ist,
die von den Windungen der äußeren Feldspulen 1a bzw. 1b in
dichtestmöglicher Packung eingenommen werden, wobei mit da1
der Außendurchmesser und da2 der Innendurchmesser der äuße
ren Wicklungen 1a bzw. 1b bezeichnet sind.
Des weiteren haben die Tragringe 3a und 3b je ein inneres,
gemäß der Darstellung der Fig. 1 ebenfalls nach außen offe
nes, durch rechtwinklig aneinander anschließende Profil
schenkel begrenztes U-Profil 6a bzw. 6b, durch deren in
axialer Richtung gemessene lichte Breite b und deren in ra
dialer Richtung gemessene Tiefe (di1-di2)/2 die - ebenfalls
rechteckige - Querschnittsfläche von Wickelkammern 7a bzw.
7b bestimmt ist, die von den Wicklungen der inneren Feldspu
len 2a bzw. 2b - in dichtestmöglicher Packung - eingenommen
wird, wobei mit di1 der Außendurchmesser und di2 der Innen
durchmesser der inneren Wicklungen 2a bzw. 2b bezeichnet
sind. Die Tragringe 3a und 3b der beiden Teilspulenpaare
werden zweckmäßig aus separaten Teilringen 3a₁ und 3a₂ bzw.
3b₁ und 3b₂ zur Aufnahme je einer Wicklung 1a und 2a bzw. 1b
und 2b gebildet. Nach dem Wickeln der Wicklungen werden die
Teilringe zu je einem Tragring 3a bzw. 3b zusammengebaut und
fest miteinander verbunden. Die solchermaßen gebildeten
Tragringe 3a und 3b werden ihrerseits durch Längsbalken 8
fest miteinander verbunden, wobei, wie nicht eigens darge
stellt, der axiale Abstand der Tragringe 3a und 3b justier
bar ist.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbei
spiel umfaßt der Spulenkörper 3 drei solcher Längsbalken,
die symmetrisch zu der durch die Zeichenebene markierten,
die zentrale Achse z des Magnetsystems 10 enthaltenden
Längsmittelebene angeordnet sind und dabei, entlang der
senkrechten Achse gesehen, in gleichen Winkelabständen -
axialsymmetrisch - um die Achse gruppiert sein können. Durch
die Balken 8 werden die axialen Kräfte aufgefangen, welche
die Wicklungen 1a und 1b sowie 2a und 2b im stromdurchflos
senen Zustand des Magnetsystems aufeinander ausüben. Der
axiale Abstand g₁, in dem die äußeren Wicklungen 1a und 1b
voreinander angeordnet sind, kann bei dem Magnetsystem 10
zwischen 1/4 und 3/4 des inneren Spulendurchmessers da2 der
äußeren Feldspulen 1a bzw. 1b variieren, wobei ein bevorzug
ter Wert dieses Abstandes g₁ bei etwa der Hälfte dieses in
neren Spulendurchmessers da2 liegt.
Der axiale Abstand g₁, in welchem die beiden Wicklungen 1a
und 1b des äußeren Spulenpaares voneinander angeordnet sind,
kann zwischen 1/4 und 3/4 des inneren Durchmessers da2 des
äußeren Spulenpaares 1a, 1b betragen und ist in spezieller
Gestaltung dieses Spulenpaares etwa, d. h. mit einer Abwei
chung von ± 10% halb so groß wie der innere Spulendurchmes
ser da2. Damit liegen die Schwerpunkte der Querschnitte der
Wicklungen 1a und 1b (axial (g₁ + B)/2, radial (da1 +
da2)/2) axial weiter auseinander als bei einer Helmholtz-An
ordnung dieses Wicklungspaars.
Das innere Spulenpaar 2a, 2b ist hinsichtlich seiner charak
teristischen Abmessungen - Außendurchmesser di1 und Innen
durchmesser di2 - kleiner als das äußere Spulenpaar 1a, 1b,
wobei seine Wicklungsdichte dem Betrag nach derjenigen des
äußeren Spulenpaares gleich ist. Bei Bedarf kann die Wick
lungsdichte abweichend gewählt werden.
Der axiale Abstand g₂ der inneren Wicklungen 2a und 2b ist
mit einer Abweichung von maximal 15% gleich dem axialen Ab
stand g₁ der äußeren Wicklungen 1a und 1b und beim darge
stellten, speziellen Ausführungsbeispiel geringfügig kleiner
als der axiale Abstand g₁ der äußeren Wicklungen 1a und 1b,
so daß die axiale lichte Weite zwischen den beiden Wicklun
gen 2a und 2b ähnlich derjenigen zwischen den beiden äußeren
Wicklungen 1a und 1b ist.
Der im Betrieb des Magnetsystems 10 durch das innere Paar
von Wicklungen 2a, 2b fließende Strom ist, der Richtung
nach, demjenigen entgegengesetzt, der durch das äußere Paar
1a, 1b fließt, so daß die von den beiden Wicklungspaaren 1a,
1b und 2a, 2b erzeugten Magnetfelder einander entgegenge
setzt sind, wobei die Windungszahlen der äußeren Wicklungen
1a und 1b zu den Windungszahlen der inneren Wicklungen 2a
und 2b - die gleiche Stromstärke in den Wicklungen 1a und 1b
sowie 2a, 2b vorausgesetzt - im Verhältnis von etwa 4/1 zu
einander stehen, wobei dieses Verhältnis innerhalb einer
Marge von ± 20% variieren kann.
Durch geeignete Wahl der Stärke der Ströme, welche durch die
beiden Wicklungspaare 1a, 1b sowie 2a, 2b fließen, läßt sich
ein statisches Magnetfeld erzeugen, das innerhalb des in der
Fig. 1 gestrichelt angedeuteten, kreisförmigen umrandeten
Untersuchungsvolumens V, dessen Durchmesser zirka 40 cm be
trägt (Feldabweichung 20 ppm), hinreichend homogen ist.
In einer bevorzugten Gestaltung des Magnetsystems 10 mit su
praleitenden Magnetspulen beträgt der axiale Abstand g₁ des
äußeren Wicklungspaares 1a, 1b 887 mm und die axiale Breite
B der Wickelkammern 220 mm. Die zwischen den Außenwänden der
Wickelkammern 5a und 5b gemessene axiale Ausdehnung L′ des
Magnetsystems 10 beträgt 1327 mm. Der Innendurchmesser da2
der äußeren Wickelkammern 5a und 5b beträgt 1818 mm und der
Außendurchmesser da1 der äußeren Wicklungen 1a und 1b
1997 mm. Die Windungsdichte in den äußeren Wickelkammern 5a
und 5b beträgt 18,40 Windungen/cm².
Bei dem inneren Wicklungspaar 2a, 2b beträgt der axiale Ab
stand seiner Wickelkammern 7a und 7b 881,5 mm, wobei die
axiale Breite b dieser Wickelkammern 7a und 7b jeweils 39,2 mm
beträgt. Der Innendurchmesser di2 der Wicklungen 2a und 2b
hat einen Wert von 1400 mm, während der Außendurchmesser di1
der inneren Wicklungen 2a und 2b einen Wert von 1507 mm hat.
Die Windungsdichte der inneren Wicklungen 2a und 2b ist der
jenigen der äußeren Wicklungen 1a und 1b entgegengesetzt und
hat den Wert -46,73 Windungen/cm². Bei dem genannten Abstand
g₂ der Wickelkammern 7a und 7b des inneren Spulenpaares 2a
und 2b läßt sich ein supraleitendes Kryomagnetsystem aufbau
en mit einem nutzbaren Zwischenraum z von 660 mm und einer
Raumtemperaturbohrung mit einem Durchmesser von 1250 mm zur
Aufnahme der erfindungsgemäßen Gradientenspulen.
Bei einer Stromstärke von 157 A ergibt sich ein homogenes
Magnetfeld im Zentrum des Magnetsystems 10 von 0,5 Tesla.
Die perspektivische Gesamtansicht einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen NMR-Meßeinrichtung in Fig. 2 zeigt unter
anderem die Gesamthöhe H der Apparatur, die vom Außendurch
messer des Kryostaten bestimmt wird, die Höhe h der horizon
talen Patientenbohrung, die Breite g der seitlichen Zu
griffslücke zum zentralen Untersuchungsvolumen und die Länge
L der Gesamtapparatur.
Auf Details des ebenfalls in Fig. 2 dargestellten Kryosy
stems für die supraleitende Hauptfeldmagnetspule wird nicht
näher eingegangen. Sämtliche supraleitenden Spulen sind im
Heliumtank des Kryostaten untergebracht.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die seitliche Zugriffslücke
des NMR-Tomographen senkrecht zur zentralen z-Achse. Durch
die aufgeschnittenen Längsbalken 8 sind Verbindungsrohre 11
zwischen den beidseitigen Heliumtanks des die supraleitende
Magnetspulenteile enthaltenden Kryosystems sowie Verbin
dungsrohre 12 zwischen den die Heliumtanks umgebenden Tanks
mit flüssigem Stickstoff zu sehen. Die üblicherweise vorhan
denen Strahlungsschilde sind nicht eingezeichnet. Auf dem
Umfang der Raumtemperaturbohrung verteilt sind ferromagneti
sche Homogenisierungselemente 20 in Form von Shim-Plättchen
angedeutet.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt durch den erfin
dungsgemäßen NMR-Tomographen in einer Ebene, die die z-Achse
enthält. Zu erkennen sind die äußeren Feldspulen 1a und 1b
sowie die inneren Feldspulen 2a und 2b beiderseits der Mit
telebene E. Radial innerhalb der äußeren Feldspulen 1a und
1b sind vier supraleitende, separat mit Strom beschickbare
Korrekturspulen C₁ bis C₄ symmetrisch um die z-Achse ange
ordnet. Jede Korrekturspule C₁ bis C₄ besteht aus mindestens
zwei Teilspulen Ci1, C1a bis C4i, C4a, die bei Betrieb von
entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen werden. Je
de Korrekturspule C₁ bis C₄ enthält eine Teilspule C1i bis
C4i, die einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene E
hat und sich im wesentlichen in einem axialen Bereich
g₂/2|z|g₂/2+b erstreckt. Mindestens eine zweite Teilspule
C1a bis C4a einer jeden Korrekturspule C₁ bis C₄ besitzt
demgegenüber einen größeren axialen Abstand von der Mittel
ebene E als das radial innere Feldspulenpaar 2a bzw. 2b.
Im rechten oberen Quadranten der in Fig. 4 im Schnittbild
schematisch dargestellten Anordnung ist ein Spulenträger ge
zeigt, der eine Wickelkammer 21 aufweist, in welcher die der
Mittelebene E näheren Teilspulen C1i und C2i gemeinsam mit
der inneren Feldspule 2b untergebracht sind. In einer weite
ren Wickelkammer 22 des Spulenträgers sind die von der Mit
telebene E weiter entfernten Teilspulen C1a und C2a zusammen
untergebracht. Ähnliche gemeinsame Wickelkammern sind auch
für die anderen vier Quadranten des dargestellten Schnittes
vorgesehen, aber der Übersichtlichkeit halber in der Zeich
nung Fig. 4 nicht dargestellt.
Im linken unteren Quadranten der schematischen Schnittzeich
nung ist eine Kammer 23 mit flüssigem Helium dargestellt, in
der die jeweiligen supraleitenden Spulenteile des linken un
teren Quadranten untergebracht sind. Ebenfalls aus Gründen
der Übersichtlichkeit wurde in den restlichen Quadranten von
Fig. 4 die Heliumkammer nicht dargestellt.
Die elektrische Verschaltung der Teilspulen kann bei einer
nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform auch
derart sein, daß zwei Teilspulen einer bestimmten Korrektur
spule beidseits der Mittelebene E angeordnet sind.
Schließlich sind in Fig. 4 auf der Innenseite der angedeute
ten Raumtemperaturbohrung längs der z-Achse an verschiedenen
Stellen ferromagnetische Homogenisierungselemente 20 ange
deutet, die nicht unbedingt in symmetrischer Weise bezüglich
der Ebene E oder bezüglich der z-Achse verteilt sein müssen.
Die konkreten Orte der Plazierung des jeweiligen Homogeni
sierungselementes 20 ergeben sich experimentell für jedes
individuelle NMR-System unterschiedlich in der Weise, daß
die tesseralen Feldstörungen weitgehend beseitigt werden.
Vorzugsweise werden Plättchen der Größe 50×40×0,3 mm³ an
der Oberfläche der Raumtemperaturbohrungen in beiden Kryo
statenhälften angebracht. Wie bereits oben erwähnt, liegt
die axiale Ausdehnung für die Verteilung der ferromagneti
schen Korrekturelemente 20 typischerweise zwischen |z|=g/2
und 1,4 g, wobei g die Breite der transversalen Zugangsöff
nung zum Untersuchungsvolumen V bedeutet.
Der Montageradius r für die Korrekturelemente 20 (= Radius
der Raumtemperaturbohrung) beträgt typischerweise ungefähr
1,8 g r 2 g.
Die ferromagnetischen Korrekturelemente 20 werden so ange
ordnet, daß im wesentlichen nur die tesseralen Störterme
(m = 0) sowie die ungeraden zonalen Störterme (n ungerade,
m = 0) verschwinden. Wegen des großen Abstands der Eisenstück
chen der Mittelebene E erzeugt eine solche Eisenverteilung
grundsätzlich zusätzliche zonale Störterme A₂₀, A₄₀, A₆₀,
die sich zu den von der Hauptfeldspule erzeugten gleichnami
gen Störtermen addieren. Es gibt mathematische Verfahren,
mit denen sich die verwendeten Eisenmengen minimieren las
sen. Dadurch bleiben auch die Zusatzstörterme relativ klein.
Grundsätzlich gilt für die Vorzeichen dieser Störterme:
A₂₀ < 0, A₄₀ < 0 und A₆₀ < 0.
Normalerweise bleibt A₆₀ dabei so klein, daß die NMR-Experi
mente dadurch nicht gestört werden. Eine Kompensation der
verbleibenden zonalen Störterme A₂₀ und A₄₀ (gegebenenfalls
auch A₁₀ und A₃₀) wird erfindungsgemäß mit Hilfe der oben
beschriebenen vier speziell angeordneten supraleitenden zy
lindersymmetrischen Korrekturspulen C₁ bis C₄ bewirkt, die
gemeinsam mit den Teilspulen 1a, 1b, 2a und 2b der Haupt
feldspule in der Heliumkammer 23 angeordnet sind. Prinzipi
ell können die Korrekturspulen C₁ bis C₄ auch von einem
Netzgerät gespeist werden. Vorzugsweise besitzen die Korrek
turspulen jedoch einen supraleitenden Schalter und werden im
"persistant mode", d. h. kurzgeschlossen, betrieben.
Von den vier Korrekturspulen C₁ bis C₄ befinden sich jeweils
zwei in einer Hälfte des Kryostaten. Jede Korrekturspule be
sitzt einen spiegelbildlich aufgebauten Partner in der je
weils bezüglich der Mittelebene E gesehen anderen Hälfte des
Kryostaten. In diesem Sinne sind die Korrekturspulen C₁ und
C₄ sowie die Korrekturspulen C₂ und C₃ spiegelbildliche
Partner.
Claims (7)
1. Kernspinresonanz (NMR)-Tomograph mit einer supraleiten
den Hauptfeldspule (10) zur Erzeugung eines statischen,
homogenen Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen des Kern
spintomographen, dessen Zentrum mit einem Koordinatenur
sprung eines kartesischen x-, y-, z-Koordinatensystems
zusammenfällt, mit einem Paar untereinander gleicher äu
ßerer Feldspulen (1a, 1b), die auf einer gemeinsamen
Achse (z) mit einem axialen Abstand (g₁) zueinander an
geordnet sind, sowie mit einem Paar innerer, mit den äu
ßeren Feldspulen koaxialer Feldspulen (2a, 2b), die
ebenfalls untereinander gleich sind, wobei beide Spulen
paare symmetrisch zu einer zentralen, zur gemeinsamen
Achse (z) senkrecht verlaufenden Mittelebene (E) ange
ordnet sind, wobei der axiale Abstand (g₁) der äußeren
Feldspulen (1a, 1b) zwischen 1/4 und 3/4, vorzugsweise
1/2 des Innendurchmessers (da2) der äußeren Feldspulen
(1a, 1b) beträgt, wobei der axiale Abstand (g₂) der in
neren Feldspulen (2a, 2b) geringfügig, d. h. um bis zu
15% unterschiedlich gegenüber dem axialen Abstand (g₁)
der äußeren Feldspulen (1a, 1b) ist, wobei - im Betrieb
der Hauptfeldspule (10) - die Stromrichtung in den inne
ren Feldspulen (2a, 2b) zu derjenigen in den äußeren
Feldspulen (1a, 1b) entgegengesetzt gerichtet ist, wobei
eine axiale Raumtemperaturbohrung, die sich in Richtung
des homogenen Magnetfeldes erstreckt, und eine transver
sale Zugangsöffnung, die sich quer zur Richtung des ho
mogenen Magnetfeldes erstreckt, vorgesehen ist, und mit
einer Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten
des statischen Magnetfeldes,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes folgende Elemente umfaßt:
dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung zur Kompensation von Inhomogenitäten des statischen Magnetfeldes folgende Elemente umfaßt:
- - ferromagnetische Homogenisierungselemente (20), vor zugsweise Plättchen, die an solchen vorgegebenen Posi tionen auf der Oberfläche der Raumtemperaturbohrung beiderseits der transversalen Zugangsöffnung ange bracht sind, daß mindestens eine Komponente der tesse ralen Feldstörungen der Typen Anm mit n = 1 bis 3, vorzugsweise n = 1 bis 6, und m = 1 bis n kompensiert wird,
- - mindestens vier supraleitende, separat mit Strom be schickbare Korrekturspulen (C₁ bis C₄) koaxial zur Hauptfeldspule (10), wobei jede Korrekturspule (C₁ bis C₄) aus mindestens zwei Teilspulen (C1i, C1a bis C4i, C4a) besteht, die bei Betrieb von entgegengesetzt ge richteten Strömen durchflossen werden, wobei alle Teilspulen aller Korrekturspulen zur gemeinsamen Achse (z) koaxiale Zylinderspulen mit einem Durchmesser von weniger als dem Innendurchmesser (da2) der äußeren Feldspulen (1a, 1b) sind, wobei in jeder Korrekturspu le (C₁ bis C₄) jeweils eine Teilspule (C1i bis C4i) einen möglichst geringen Abstand zur Mittelebene (E) hat, der im wesentlichen gleich dem Abstand des radial inneren Feldspulenpaares (2a, 2b) von der Mittelebene ist, so daß sich diese Teilspulen in einem axialen Be reich g₂/2|z|g₂/2+b erstrecken, und wobei jede Kor rekturspule (C₁ bis C₄) jeweils mindestens eine zweite Teilspule (C1a bis C4a) mit umgekehrter Stromrichtung besitzt, die einen größeren axialen Abstand von der Mittelebene (E) als das radial innere Feldspulenpaar (2a, 2b) hat.
2. NMR-Tomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Windungszahlen aller Teilspulen einer Korrektur
spule (C₁ bis C₄) so gewählt sind, daß die Gegenindukti
vität zwischen der Hauptfeldspule (10) und der Korrek
turspule (C₁ bis C₄) verschwindet.
3. NMR-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Teilspulen (C1i bis
C4i) der Korrekturspulen (C₁ bis C₄), die der Mittelebe
ne (E) am nächsten benachbart sind, einen Innendurchmes
ser aufweisen, der größer ist als der Außendurchmesser
di1 des inneren Feldspulenpaares (2a und 2b).
4. NMR-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einer Korrek
turspule (C₁; C₄) die beiden Teilspulen (C1i, C1a, C4i,
C4a) näherungsweise denselben Innendurchmesser besitzen,
und daß bei mindestens einer weiteren Korrekturspule
(C₂; C₃) die der Mittelebene (E) nähere Teilspule (C2i;
C3i) einen größeren Innendurchmesser, die der Mittelebe
ne (E) entferntere Teilspule (C2a, C3a) einen kleineren
Innendurchmesser hat.
5. NMR-Tomograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innendurchmesser der der Mittelebene (E) ent
fernteren Teilspule (C2a; C3a) der weiteren Korrektur
spule (C₂; C₃) ungefähr gleich dem Innendurchmesser di2
der inneren Feldspulen (2a, 2b) ist.
6. NMR-Tomograph nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die der Mittelebene (E) nä
heren Teilspulen (C1i bis C4i) der Korrekturspulen (C₁
bis C₄) in einer gemeinsamen Wickelkammer (21) eines
Spulenträgers zusammen mit der jeweiligen inneren Feld
spule (2a bzw. 2b) und die der Mittelebene (E) ferneren
Teilspulen (C1a bis C4a) der Korrekturspulen (C₁ bis C₄)
in einer weiteren gemeinsamen Wickelkammer (22) des Spu
lenträgers untergebracht sind.
7. NMR-Tomograph nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Homogenisie
rungselemente (20) Permanentmagnete sind.
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