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Die
vorliegende Anmeldung ist eine Zusatzanmeldung zu
DE 44 12 755 C2 vom 13.4.
1994, auf die hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
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Die
Erfindung betrifft ein Magnetsystem für die Kernspinresonanz(NMR)-Tomographie
zur Erzeugung eines homogenen statischen Magnetfelds innerhalb eines
Untersuchungsvolumens mit genau zwei bezüglich einer durch das Zentrum
des Unterschungsvolumens verlaufenden z-Achse koaxialen, beiderseits
des Untersuchungsvolumens angeordneten Magnetspulen (S1,
S2), wobei die erste Magnetspule bezüglich des
Zentrums des Untersuchungsvolumens eine z-Position zS1 einnimmt
und einen mittleren Abstand rS1 von der z-Achse
aufweist und wobei die zweite Magnetspule bezüglich des Zentrums des Untersuchungsvolumens eine
z-Position zS2 einnimmt und und einen mittleren
Abstand rS2 von der Achse aufweist, und
beide Magnetspulen (S1, S2)
bei Betrieb gleichsinnig von Gleichstrom durchflossen werden und
wobei koaxial zu den beiden Magnetspulen (S1;
S2) mehrere ferromagnetische Ringe (R11, R12; R21, R22) vorgesehen
sind, die näher
am Zentrum des Untersuchungsvolumen angeordnet sind als die ihnen
jeweils benachbarte Magnetspule (S1; S2).
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Ein
solches Magnetsystem ist beispielsweise bekannt aus
GB 22 19 406 A1 .
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NMR-Tomographiesysteme
finden ihre medizinische Hauptanwendung in der Tomographie zur nicht-invasiven
Untersuchung von Patienten. Dabei muß bei der Auslegung des Systems
darauf geachtet werden, daß sowohl
die Feldstärke
als auch die Homogenität
des statischen Magnetfelds möglichst
hoch ist, damit u.a. eine hohe Auflösung der erzeugten Schnittbilder
erzielt wird. Das Gewicht des Magnetsystems sollte möglichst
gering sein, um Standortprobleme zu vermeiden. Um Klaustrophobie
des Patienten zu vermeiden sollte die Baulänge möglichst gering, bzw. seitliche Öffnungen
vorhanden sein, durch die u.U. sogar Überwachungs- und Therapiemaßnahmen
während
der Bildaufnahme möglich
sein können.
Selbstverständlich
ist es auch wünschenswert,
möglichst
wenig teure Materialien zu verwenden und bei Betrieb möglichst
wenig Energie zu verbrauchen.
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In
der
DE 36 16 078 C2 ist
ein Elektromagnetsystem für
die Kernspintomographie beschrieben, bei dem ein resistiver H-Magnet
mit geeigneten Polschuhen verwendet wird. Bei diesem bekannten System
besteht zwar die Möglichkeit
eines transversalen, nicht jedoch eines freien axialen Zugangs zum
Untersuchungsvolumen. Wegen der massiven Polschuhe ergeben sich
in der Regel starke Wirbelstromprobleme. Das homogene Magnetfeld
wird im Wesentlichen nicht durch die Geometrie der Spulen, sondern
durch die Form der Polschuhe erzeugt, was die Variationsmöglichkeiten
bei der Gestaltung des Magnetfelds erheblich einschränkt. Gegenüber sogenannten „Luftspulenanordnungen", unter die auch
ein Magnetsystem nach
DE
39 07 927 A1 fällt,
handelt es sich bei dem Polschuh-Elektromagnetsystem nach der
DE 36 16 078 C2 um
einen völlig
anderen Magnettypen, der entsprechend seinen Eigenheiten ganz andere
Probleme aufweist.
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Aus
der
EP 0 011 335 B1 ist
eine Magnetspulenanordnung bekannt, die unter den Magnettypus „Luftspule" fällt. Es
handelt sich dabei um eine Doppel-Helmholtz-Anordnung mit mindestens vier stromführenden
Einzelspulen, bei der die Ströme
im Betrieb parallel durch die Spulen fließen. Diese bekannte Anordnung stellt
aufgrund der Geometrie der Magnetspulen nur einen äußerst schmalen
Spalt für
einen seitlichen Zugriff zur Verfügung, der von einem Therapeuten
praktisch nicht genutzt werden könnte.
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Bei
der aus
DE 32 45 944
C2 bekannten Spulenanordnung handelt es sich schließlich ebenfalls
um eine Doppel-Helmholtz-Anordnung mit mindestens vier stromführenden
Einzelspulen, bei der der Strom im Betrieb gleichsinnig durch die
Spulen fließt.
Diese bekannte Anordnung läßt aufgrund
der dort vorgesehenen Eisenabschirmung keinen transversalen Zugriff
zu, da die Abschirmung allseits geschlossen ist.
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Demgegenüber beschreibt
die oben zitierte
DE
39 07 927 A1 ein Luftspulensystem in Doppel-Helmholtz-Anordnung,
bei der die vorgesehenen vier Teilspulen mit gegenläufigen Strömen beschickt
werden, was eine wesentlich größere Beabstandung
der Spulenpaare in axialer Richtung ermöglicht, so daß ein relativ
großer
transversaler Zugang von der Seite zum Untersuchungsvolumen her
freibleibt. Dieses Anordnung würde es
einem Therapeuten, insbesondere einem Operateur in der Tat ermöglichen,
eine direkte Behandlung des untersuchten Patienten vorzunehmen,
während
die Behandlungswirkung durch simultane Übertragung der aufgenommenen
Tomogramme auf einen Monitor in Sichtweite des Therapeuten überwacht
werden kann. Ein Nachteil des Magnetsystems nach der
DE 39 07 927 A1 besteht
jedoch darin, daß die
Spulenanordnung relativ kompliziert ist und daß durch die gegenläufige Beschickung der
Spulen mit Strömen
zur Erzeugung des Magnetfelds erheblich höhere Ampèrewindungszahlen erforderlich
sind als bei den oben genannten Doppel-Helmholtz-Anordnungen mit
paralleler Strombeschickung, wie sie beispielsweise aus der
EP 0 011 335 B1 oder
der
DE 32 45 944 C2 bekannt
sind. Insbesondere bei resistiven Magnetspulen ist damit auch eine
wesentlich höhere
elektrische Leistung zur Erzeugung des Magnetfelds erforderlich.
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Die
US 4,771,243 befaßt sich
mit einer Magnetspule, bei der die Positionen vom insgesamt sechs
Teilspulen mit gleichem Radius auf einem Zylinder festgelegt sind.
Das Feld wird praktisch ausschließlich durch diese Spulen erzeugt.
An einem Gradientensystem befestigte Eisenringe gleichen Komponenten
höherer
Ordnung aus.
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Die
eingangs zitierte
GB
22 19 406 A1 beschreibt ein Magnetsystem für die Kernresonanz-tomographie
mit zwei koaxialen Spulen und koaxialen ferromagnetischen Ringen,
bleibt jedoch insgesamt sehr vage und quantitative Ausführungsbeispiele
fehlen. Insofern ist nicht ersichtlich, ob und ggf. wie ein hinreichend
homogenes und großes
Untersuchungsvolumen bei akzeptablen Abmessungen der Apparatur erreichbar
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Magnetsystem der eingangs
genannten Art vorzustellen, bei dem zur Erzeugung des homogenen
statischen Magnetfelds in einem mit dem bisheriger Anordnungen vergleichbaren
Untersuchungsvolumen bei gleicher Feldstärke eine geringere Ampèrewindungszahl,
bzw. eine geringere elektrische Leistung und damit geringere Anforderung
an die Kühlung
der Anordnung erforderlich sein sollen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe dadurch gelöst,
daß koaxial
zu jeder Magnetspule (S1; S2)
jeweils zwei ferromagnetische Ringe (R11,
R12; R21, R22) vorgesehen sind, wobei für die z-Positionen
zR11, zR12, zR21, zR22 der Ringe
(R11, R12; R21, R22) gilt:
|zRij| < |zSi| < 1,67
|ZRi1| und |rRij| < |rSi| < 1,67 |rRi1| mit i,j = 1,2 sowie |zRi2| < |zRi1|
und 0,6 |rSi| < |rRi2| < |rSi|
mit i = 1,2 und daß
die
Ringe (Rij) derart positioniert und dimensioniert
sind, daß das
Magnetfeld im Zentrum des Untersuchungsvolumens bei Betriebsstrom
durch die Magnetspulen (S1, S2)
mindestens bis zur 10. Ordnung homogenisiert wird.
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Vorzugsweise
ist das Magnetfeld mindestens bis zur 12. Ordnung homogenisiert.
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Der
mittlere Abstand rSi der Spulen Si von der z-Achse bzw. der mittlere Abstand
rij der Ringe Rij von der
z-Achse wird jeweils vom Schwerpunkt der entsprechenden Querschnittsflächen der
Spulen bzw. Ringe in einer von der z-Achse ausgehenden Halbebene
bestimmt. Entsprechendes gilt für
die Bestimmung der jeweiligen mittleren z-Positionen zSi,
zRij.
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Gegenüber der
Anordnung nach der
DE
39 07 927 A1 sind bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem lediglich
zwei stromführende
Spulen erforderlich, die gleichsinnig beschickt werden. Damit ist
eine optimale Ausnutzung der elektrischen Leistung, bzw. der verwendeten
Ampèrewindungszahl
zur Felderzeugung garantiert. Die bei der bekannten Anordnung zusätzlich erforderlichen
Spulen werden bei der erfindungsgemäßen Anordnung gewissermaßen ersetzt
durch ferromagnetische Ringe. Die Ringpositionen unterscheiden sich jedoch
deutlich von den Spulenpositionen. Auf diese Weise wird die Magnetanordnung
entscheidend verkleinert und das relativ teure Spulenmaterial (Kupfer
und andere elektrisch gut leitende Materialien) wird reduziert.
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Einen
besonders guten axialen Zugang zum Untersuchungsvolumen erhält man bei
einer Ausführungsform,
bei der der minimale Innendurchmesser diRij eines
jeden Rings (Rij) jeweils größer als
50%, vorzugsweise größer als
80%, seines maximalen Außendurchmessers
daRij ist.
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Besonders
kompakt ist eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Magnetsystems,
bei der die Magnetspulen (S1, S2)
auf Spulenträgern
aufgewickelt und zwei Ringe (R11, R21) zumindest teilweise in die Spulenträger integriert
sind. Dabei können
die Spulenträger
vollständig
oder aber auch nur teilweise aus ferromagnetischem Material bestehen
und die oben definierten geometrischen Bedingungen für die beiden
Ringe (R11, R21)
erfüllen.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform
der Erfindung, bei der eine integrierte Eisenabschirmung um das
Magnetsystem vorgesehen ist. Dadurch kann einerseits das Streufeld
des Magneten nach außen
hin abgeschirmt werden, andererseits wird aber auch das Untersuchungsvolumen,
in dem das erzeugte Magnetfeld besonders homogen sein muß, gegen äußere Störfelder
abgeschirmt. Überdies
bewirkt eine Eisenabschirmung, daß bei gleichem Strom durch
die Magnetspulen das erzeugte Feld im Untersuchungsvolumen eine
noch höhere
Feldstärke
aufweist.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, daß die Eisenabschirmung
im zentralen Bereich mindestens einen durchgängigen, um die z-Achse verlaufenden
Ringspalt aufweist, so daß neben
dem axialen Zugang zwischen den ferromagnetischen Ringen ein nahezu
allseitiger transversaler Zugang ermöglicht wird.
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Die
Abschirmung kann dann insbesondere nach Art zweier Halbschalen angeordnet
sein, so daß das geschlossene
magnetische Joch fehlt. Aufgrund der Kraftentwicklung bei Betrieb
der Magnetspulen muß zwar ein
Abstandshalter vorgesehen sein, der jedoch nicht ferromagnetisch
ist. Aufgrund des durchgängigen
Ringspaltes im zentralen Bereich wird ein besonders guter transversaler
Zugriff bei voller Rotationssymmetrie der ferromagnetischen Abschirmung
ermöglicht,
wobei die Rotationssymmetrie eine besonders hohe Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen
ermöglicht.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Magnetsystems
besitzt eine Faraday-Abschirmung für Hochfrequenzfelder, die zumindest
teilweise in die Eisenabschirmung integriert ist, um die Gesamtanordnung
möglichst
kompakt zu halten.
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Bevorzugt
ist eine Ausführungsform,
bei der die ferromagnetischen Ringe (Rij,
i,j = 1,2) zumindest teilweise Permanentmagnete sind. Damit kann
bei kleinerer Querschnittsfläche
der Ringe die gleiche Feldstärke im
Untersuchungsvolumen erzeugt werden, wie bei nicht vollständig gesättigten
weichmagnetischen Ringen.
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Vorzugsweise
besitzen die Ringe und ggfs. die Abschirmung eine möglichst
kleine elektrische Leitfähigkeit,
um eine Ausbildung von Wirbelströmen
beim Schalten von Magnetfeldgradienten und die dadurch verursachte
Störung
der Feldhomogenität
zu verhindern.
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Insbesondere
können
bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform die Ringe und ggfs.
die Abschirmung geschlitzt, lamelliert oder beispielsweise aus einem
Pulverwerkstoff gepreßt
sein.
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Bei
einer symmetrischen und daher fertigungstechnisch besonders einfachen
Ausführungsform
sind die ferromagnetischen Ringe des erfindungsgemäßen Magnetsystems
Kreisringe. Damit wird auch die höchstmögliche Homogenität des statischen
Magnetfelds im Untersuchungsvolumen erzielt.
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Beispielsweise
für Anwendungen
in der Mammographie, wenn beide Brüste gleichzeitig untersucht werden
sollen, ist eine Ausführungsform
besonders angepaßt,
bei der die ferromagnetischen Ringe und die Hauptspulen elliptische
oder näherungsweise
rechteckige Form haben.
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Besonders
vorteilhaft läßt sich
von der erfindungsgemäßen Neuerung
bei resistiven Magnetspulen Gebrauch machen. Im Vergleich zu den
oben zitierten bekannten Systemen, beispielsweise der Anordnung nach
DE 39 07 927 A1 ,
verbraucht das erfindungsgemäße System
zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds vergleichbarer Feldstärke eine
erheblich geringere elektrische Leistung, ist wesentlich leichter,
kompakter und enthält weniger
Kupfer. Das erfindungsgemäße Magnetsystem
kann allerdings auch supraleitende Magnetspulen enthalten, wobei
dann aufgrund der geringeren erforderlichen Ampèrewindungszahl bei Erzeugung einer
vergleichbaren magnetischen Feldstärke die Spulen erheblich kleiner
als bei bekannten Anordnungen dimensioniert werden können.
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Vorzugsweise
beträgt
die erzeugbare Stärke
des homogenen statischen Magnetfelds ungefähr 0,1 Tesla bis 0,5 Tesla
(entspricht etwa einer Protonenfrequenz zwischen 5 MHz bis 20 MHz).
In diesem Feldstärkebereich
ist die Leistungseinsparung, insbesondere bei Verwendung von resistiven
Magnetspulen, besonders hoch und die Dimensionierung besonders einfach,
da sie in diesem Bereich nur schwach von der Betriebsfeldstärke abhängt. Es
ist sogar ein Betrieb bei unterschiedlichen Feldstärken möglich, da
in diesem Bereich die ferromagnetischen Ringe magnetisch noch nicht
gesättigt
sind und daher ihr anteiliger Beitrag zum Gesamtfeld im wesentlichen
nur von ihrer Positionierung und Formgebung (Entmagnetisierungsfaktor)
und kaum von der Feldstärke
abhängt.
Die verbleibenden Feldabhängigkeiten
können
durch die in jedem Tomographiesystem vorhandenen Shimspulen mit
ausgeglichen werden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Magnetsystems,
bei dem in einem Untersuchungsvolumen mit einem Durchmesser > 0,3 m eine Magnetfeldhomogenität < 10–4 erreicht werden
kann, so daß in
einem besonders großen
Untersuchungsraum immer noch hinreichend hoch aufgelöste Schnittbilder
des Meßobjekts,
bzw. des untersuchten Patienten erzeugt werden können.
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Die
z-Achse des erfindungsgemäßen Magnetsystems
kann vorzugsweise horizontal verlaufen, damit bei einem Ganzkörpertomographen
der zu untersuchende Patient liegen kann, während bei Nutzung eines transversalen
oder axialen Zugangs der untersuchende Therapeut, bzw. Operateur
stehen oder sitzen kann. In einer alternativen Ausführungsform
kann sie jedoch auch vertikal verlaufen, z.B. für orthopädische Untersuchungen unter
Belastung.
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Das
Magnetsystem kann auch mehr als vier ferromagnetische Ringe enthalten,
wodurch die Feldhomogenität
noch weiter verbessert werden kann, allerdings i.a. auf Kosten des
freien transversalen Zugangs. Dabei ist zudem zu beachten, daß für relativ
große
z-Werte der Ringe das Feld im Zentrum durch diese verstärkt wird,
für kleine
z-Werte jedoch geschwächt.
Permanentmagnetische Ringe könnten
allerdings gegenläufig
magnetisiert sein, so daß diese
prinzipiell auch für
kleine z-Werte einen positiven Beitrag im Zentrum liefern können.
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Obwohl
zwei Magnetspulen ausreichen, könnte
man diese in Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Magnetsystems
durch weitere gleichsinnig oder gegensinnig gewickelte ergänzen, etwa
durch mehr oder weniger formales Aufspalten jeweils einer Spule
in zwei Teilspulen oder durch Hinzufügen von gegensinnigen Spulen
mit sehr kleinen Ampèrewindungszahlen
zur marginalen weiteren Verbesserung der Homogenität, wobei
aber der Hauptbeitrag zum Feld nach wie vor von den beiden Hauptspulen
und den magnetisierten ferromagnetischen Ringen kommt.
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Durch
die Verwendung der ferromagnetischen Ringe kann das Magnetsystem
vorzugsweise sehr kurz gebaut werden. Es wird bei einem Ganzkörpersystem
dadurch durchaus möglich,
Baulängen
von weniger als 1,2 m, sogar von weniger als 1,05 m und in Extremfällen, wenn
man im Homogenitätsvolumen
eine kleine Welligkeit in Kauf nimmt, sogar von etwa 0,85 m zu erreichen.
Dies stellt eine enorme Verbesserung gegenüber dem bisherigen Stand der
Technik dar. Aufstellungprobleme werden gemildert, Klaustrophobie
vermieden und der axiale Zugang verbessert.
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Dabei
kann der Durchmesser des Systems vorzugsweise unter 1,5 m bzw. sogar
unter 1,3 m gehalten werden, was das Gerät sehr kompakt macht und die
Platzprobleme weiter reduziert.
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Durch
die effektive Nutzung der Beiträge
der ferromagnetischen Ringe kann das Gesamtgewicht bevorzugter Ausführungsformen,
selbst inklusive einer integrierten Eisenabschirmung, gering gehalten
werden, beispielsweise unter 55000 N oder sogar unter 32000 N, was
selbstverständlich
Transport- und Aufstellungsprobleme verkleinert.
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Insbesondere
kann in vorteilhafter Weise das Gewicht der Magnetspulen verkleinert
werden, da ein wesentlicher Beitrag zum Feld von den ferromagnetischen
Ringen kommt und die Anordnung insgesamt effektiver ist. Vorzugsweise
beträgt
das Drahtgewicht der Magnetspulen weniger als 21000 N, in einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
weniger als 13000 N.
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Bei
einem extrem kompakten System kann unter geringfügigem Verzicht auf Homogenität und freiem Zugang
sogar ein Spulengewicht von weniger als 8000 N und ein Gesamtgewicht
von weniger als 22000 N erreicht werden.
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Bei
resistiven Systemen verringern sich dadurch neben den Materialkosten
auch die Leistungsaufnahme und die Kühlprobleme. Bei supraleitenden
Systemen wird teurer Supraleiterdraht eingespart, und durch die leichteren
und kompakteren Spulen wird auch die Kryostatenkonstruktion einfacher.
Vorzugsweise befinden sich bei supraleitenden Magnetspulen auch
zumindest ein Teil der ferromagnetischen Ringe innerhalb eines Kryostaten
auf tiefer Temperatur.
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Vorzugsweise
besteht ein axialer Zugang von mindestens 0,5 m bzw. mindestens
0,6 m, d.h. auch die Innendurchmesser der Spulen und Ringe sind
größer als
dieser Wert. Dadurch wird in Anwendungsformen das Einschieben eines
Patienten gerade noch möglich.
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In
Ausführungsformen
mit teilweise unterbrochener oder ganz entfallender Eisenabschirmung
besteht in vorteilhafter Weise zwischen den ferromagnetischen Ringen
ein transversaler Zugang, d.h. die äußeren Ringe Ri1 haben
einen Abstand von mindestens 0,4, vorzugsweise 0,5 m, die beiden
inneren Ri2 einen von mindestens 0,2 m,
vorzugsweise 0,24 m. Auf diese Weise kann ein Patient während der
Untersuchung beobachtet oder therapiert werden oder der Zugang kann
für Zuleitungen
genutzt werden. Zudem verringert sich die Klaustrophobiegefahr,
dadurch, daß der
Patient nach außen
blicken kann (wofür
einigermaßen
transparente Gradienten- und HF-Systeme erforderlich sind).
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Zum
Ausgleich von Montagefehlern und Fertigungstoleranzen ist es schließlich vorteilhaft,
wenn die Magnetspulen und/oder die ferromagnetischen Ringe, insbesondere
bei den resistiven Ausführungsformen, mechanisch
justierbar sind. Sie können
dazu in einem Rahmen montiert sein, so daß beispielsweise über Justierschrauben
Translations-, Dreh- und
Kippfreiheitsgrade bestehen.
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Selbstverständlich enthält ein komplettes
Magnetsystem für
die Kernspintomographie weitere Details und ergänzende Komponenten wie Gradietensysteme,
Shimsysteme, Netzgeräte,
HF-Einrichtungen usw., die dem Fachmann aus dem allgemeinen Stand
der Technik geläufig
sind und auf die daher hier nicht näher eingegangen wird. Erwähnt sei
nur noch, daß Gradienten-
und HF-System an die jeweilige Aufgabenstellung angepaßt sind
und dabei einerseits die Zugangsmöglichkeiten möglichst
erhalten und andererseits die im eigentlichen Magnetsystem freibleibenden
Räume zwischen
Spulen und Ringen möglichst
ausnutzen.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
beigefügten
Zeichnung. Ebenso können
die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale
erfindungsgemäß jeweils
einzeln für
sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden.
Die erwähnten
Ausführungsformen
sind nicht als abschließende
Aufzählung
zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand konkreter
Ausführungsbeispiele
näher beschrieben
und erläutert.
Es zeigen:
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1:
einen schematischen, die z-Achse enthaltenden Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Magnetsystems;
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2:
einen schematischen, die z-Achse enthaltenden Längsschnitt einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Magnetsystems
mit transversaler Zugangsmöglichkeit;
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3:
eine perspektivische Darstellung mit einem Joch, das den transversalen
Zugang ermöglicht;
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4:
einen schematischen, die z-Achse enthaltenden Längsschnitt einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Magnetsystems
mit axialem Zugang;
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5:
eine Darstellung der Feldlinien in einem Quadranten bei einer halbschalenförmigen ferromagnetischen
Abschirmung;
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6:
eine Darstellung eines Magneten mit vertikaler Richtung der z-Achse;
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7:
ein gerechnetes Diagramm der Linien gleicher Feldabweichung ±100 ppm
eines in 12. Ordnung homogenen Magnetfelds in einer erfindungsgemäßen Magnetanordnung.
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Das
in 1 dargestellte erfindungsgemäße Magnetspulensystem für die Kernspinresonanz(NMR)-Tomographie
weist beiderseits eines Untersuchungsvolumens 1 koaxial
bezüglich
einer z-Achse angeordnete Magnetspulen S1,
S2 auf, die bei Betrieb gleichsinnig von
Gleichstrom durchflossen werden. Koaxial zu den beiden Magnetspulen
S1, S2 sind jeweils
zwei ferromagnetische Ringe R11, R12 bzw. R21, R22 vorgesehen, die näher am Zentrum des Untersuchungsvolumens 1 angeordnet
sind als die ihnen jeweils benachbarte Magnetspule. Die Ringe R11, R12 bzw. R21, R22 sind derart
positioniert und dimensioniert, daß das Magnetfeld im Zentrum
des Untersuchungsvolumens 1 bei Stromfluß durch
die Magnetspulen S1, S2 bis
zur 12. Ordnung homogenisiert wird.
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Das
in 1 gezeigte System wurde realisiert mit einer Feldstärke von
0,2 Tesla, einer Leistung der resistiven, wassergekühlten Magnetspulen
S1 und S2 von 38
kW. Das Un tersuchungsvolumen 1, in dem eine Homogenität des erzeugbaren
Magnetfeldes von < 10–4 herrscht,
hat einen Durchmesser von 320 mm. Das Gewicht der Apparatur beträgt 31 000
N, die Länge
nur 1,00 m und der Durchmesser 1,28 m. Der axiale Zugang hat eine Öffnung von
0,55 m. Transversal bleiben zwischen den ferromagnetischen Ringen
Ri1 50 cm, zwischen den Ringen Ri2 24 cm frei. Die Kupferspulen wiegen zusammen
12000 N.
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Die äußeren Ringe
Ri1 sind teilweise in die Spulenträger integriert.
Sie könnten
auch separat sein, wobei dann die Spulen radial ganz außerhalb
der Ringe liegen und ihren rechteckigen Querschnitt beibehalten können.
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Das
System ist von einer integrierten Eisenabschirmung 2 umgeben,
die grundsätzlich
auch entfallen kann (bei entsprechender Anpassung der Spulen- und
Ringgeometrien, bzw. -Positionen). Die Eisenabschirmung 2 muß sich nicht
vollkommen rotationssymmetrisch um die Magnetachse z erstrecken
sondern sie kann i.a. in symmetrischer Weise im zentralen Bereich
unterbrochen sein um zwischen den Ringen transversale Zugangsmöglichkeiten
zu schaffen. Im Extremfall können
sogar ein oder mehrere komplette Ringspalte freigelassen werden,
die nur durch urimagnetische Abstützungen überbrückt sind, bzw. die Eisenabschirmung 2 kann auch
vollständig
entfallen. Zur Veranschaulichung der Größenverhältnisse sind in 1 eine
Patientin 100 auf einer Patientenliege 101 sowie
ein Therapeut 102 eingezeichnet.
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Eine
Hauptanwendung des erfindungsgemäßen Magnetspulensystems
ist die Ganzkörpertomographie,
insbesondere auch die Mammographie.
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In
Tabelle 1 ist dieses Magnetsystem (CIMS = Compact Imaging Magnet
with integrated Screen) der
1 einem
herkömmlichen
kommerziellen System (SIR) mit vier Spulen, das im wesentlichen
auf dem in der
DE 31
23 493 A1 beschriebenen Konzept beruht, gegenübergestellt.
Bei gleicher Feldstärke
und gleich großem
Homogenitätsbereich
fallen vor allem die auf 2/3 reduzierte Länge, das mehr als halbierte
Gesamtgewicht und die auf ein Drittel drastisch reduzierte Kupfermenge
auf, bei etwa gleicher Leistungsaufnahme, merklich reduziertem Außendurchmesser,
aber auch kleinerem Innendurchmesser der Spulen.
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In
Tabelle 2 sind beispielhaft drei Ausführungsformen der Erfindung
einander gegenübergestellt.
Sie haben alle denselben Grundaufbau und auch dieselbe Magnetfeldstärke im Homogenitätsvolumen,
unterscheiden sich jedoch in Details, da sie auf etwas unterschiedliche
Anwendungen zugeschnitten sind. Die Tabelle soll nur die grundsätzliche Variabilität des Konzepts
veranschaulichen. Die Erfindung ist jedoch keinesfalls auf den Rahmen
dieser Beispiele eingeschränkt.
So kann, wie gesagt, die Eisenabschirmung entfallen oder die Feldstärke kann,
insbesondere bei supraleitenden Varianten, etwas höher liegen.
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In 2 ist
der mögliche
transversale Zugang veranschaulicht. Bezugszeichen entsprechen der
der 1. Im Bereich des transversalen Zugangs ist die
Eisenabschirmung 2 unterbrochen. Dies kann, muß jedoch
nicht, über
den ganzen Umfang geschehen.
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3 zeigt
aufgebrochen perspektivisch einen Magneten mit Eisenabschirmung 2 in
Jochform, die einen besonders guten transversalen Zugang zum Patienten
ermöglicht.
Das Joch weist eine zweizählige
Rotationssymmetrie bezüglich
der z-Achse auf.
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4 veranschaulicht
für eine
besonders kompakte Variante der Erfindung den dann besonders guten axialen
Zugang für
einen Therapeuten 102.
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Das
Diagramm der
5 enthält einen Quadranten der Spulen-Ring-Anordnung
mit einem Schnitt durch die Magnetspule S
1 und
die Ringe R
11 und R
12,
sowie einer Eisenabschirmung
2. Dargestellt ist der Verlauf
der magnetischen Feldlinien für
eine halbschalen-förmige ferromagnetische
Abschirmung, die rotationssymmetrisch um die z-Achse ist und bei
z = 0 über
den ganzen Umfang einen Ringspalt freiläßt. Eine solche halbschalen-förmige Abschirmung ist im Detail
der Stammanmeldung
DE
44 12 755 C2 , dort im Zusammenhang mit
2,
beschrieben.
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In 6 ist
eine Anwendung gezeigt, bei der die Magnetachse z in vertikaler
Richtung verläuft.
In dieser Anordnung ist die Untersuchung am Menschen unter Belastung
möglich.
Für die
Orthopädie
sind Untersuchungen des Knies oder der Lendenwirbelbereiche unter
Belastung besonders wichtig. Der Magnet steht auf einer vertikal
verschiebbaren Einrichtung 103, die einerseits einen bequemen
Einstieg für
den Patienten 100 erlaubt, andererseits eine genaue vertikale
Positionierung des Zentrums des Homogenitätsvolumens. Alternativ könnte auch
bei fixiertem Magneten der Patient 100 über ein vertikal verfahrbares
Podest einsteigen und positioniert werden.
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7 zeigt
für einen
Quadranten ein gerechnetes Diagramm der Linien gleicher Feldabweichung
(besonders hervorgehoben die Linien mit ±100 ppm Abweichung) in einer
Ebene senkrecht zur z-Achse, wobei die linke obere Ecke des Bildes
mit dem Zentrum des Untersuchungsvolumens 1 in der Apparatur
zusammenfällt.
Die Seitenlängen
der gerechneten Darstellung entsprechen jeweils 0,35 m. Man erkennt
in dem Diagramm von 7 sechs „Strahlenbündel", was ein System 12. Ordnung der Feldhomogenität anzeigt.
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Von
einer Feldhomogenität
12. Ordnung kann im konkreten Fall etwas abgewichen werden, wobei aber
die Homogenität
in der Nähe
der exakten Lösung
12. Ordnung liegen sollte. Mit einem sogenannten „overshoot" der Homogenität kann beispielsweise
ein System 10. Ordnung realisiert werden, das aber nahezu den Homogenitätsanforderungen
des Systems 12. Ordnung genügt.
Der Vorteil eines solchen Systems mit „overshoot" liegt in einem größeren Homogenitätsradius,
wobei als Nachteil eine geringe Welligkeit des Feldverlaufs im Homogenitätsbereich
der Apparatur in Kauf genommen werden muß. Durch die weniger strikten Randbedingungen
wird es auch möglich,
die Positionen der Ringe soweit zu verändern, daß ein wesentlich besserer transversaler
Zugang möglich
wird.
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