DE4424580C2

DE4424580C2 - NMR-Scheibenspule

Info

Publication number: DE4424580C2
Application number: DE4424580A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr Mueller
Original assignee: Bruker Analytische Messtechnik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1994-07-13
Filing date: 1994-07-13
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2014-07-14
Also published as: US5570073A; DE4424580A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetsystem für einen Kernspintomographen mit mindestens zwei im wesentlichen konzentrisch in einer Mittelebene angeordneten felderzeugenden Magnetspulen S_i mit Radien r_Si, die in einem Untersuchungsvolumen ein entlang einer zur Mittelebene senkrechten z-Achse gerichtetes homogenes Magnetfeld erzeugen.

In der EP 0 160 350 B1 sind scheibenförmige Anordnungen von Magnetspulen zur Erzeugung eines homogenen Magnetfeldes für die NMR-Tomographie beschrieben. Diese Scheibenspulen bestehen aus ringförmig ineinander gesetzten konzentrischen Teilspulen, die jeweils radial alternierend von elektrischen Strömen mit entgegengesetzten Stromrichtungen durchflossen werden. Auf diese Weise kann mit derartigen flachen Spulenanordnungen in der Nähe des Zentrums des Untersuchungsvolumens die erforderliche Homogenität des NMR-Magnetfeldes erreicht werden.

Ein Vorteil derartiger scheibenförmiger Magnetspulenanordnungen besteht darin, daß sie eine recht gute Zugangsmöglichkeit zum Untersuchungsvolumen in axialer Richtung sowie schräg von der Seite bzw. von oben ermöglichen. Damit kann beispielsweise ein untersuchender Arzt während der Untersuchung eines Patienten Manipulationen an den im Untersuchungsvolumen befindlichen Körperteilen des Patienten vornehmen. Insbesondere wird damit auch die Möglichkeit eröffnet, minimal-invasive Chirurgie durchzuführen, wobei dem behandelnden Arzt die NMR-Aufnahmen während der Operation zumindest eine Orientierungshilfe im Körper des Patienten bieten. Im Idealfall ist sogar ein Monitoren der Operationsvorgänge aufgrund der erzeugten NMR-Bilder möglich.

Eine ähnlich strukturierte scheibenförmige Magnetspulenanordnung für die Felderzeugung bei der NMR-Tomographie ist auch aus der WO 90/05369 bekannt. Diese Anordnung enthält ebenfalls konzentrisch in der Mittelebene angeordnete Einzelspulen mit unterschiedlichen Radien, wobei mit axialem Abstand von der Scheibenspulenanordnung symmetrisch zur Mittelebene Polplatten aus ferromagnetischem Material vorgesehen sind, die auf einem die Scheibenspulenanordnung umgebenden Eisengehäuse befestigt sind, so daß ein im wesentlichen geschlossener magnetischer Fluß des von der Scheibenspulenanordnung erzeugten Magnetfeldes erreicht wird. Die Polplatten sollen die Kräfte aufgrund des magnetischen Flusses in der Wand im wesentlichen ausbalancieren.

Mit einer derartigen Anordnung wird allerdings kein Homogenitätsvolumen im Zentrum der Scheibenspulenanordnung erreicht, sondern es werden zwei Volumenbereiche mit hoher Magnetfeldhomogenität jeweils beidseits der Mittelebene der Anordnung mit axialem Abstand vor bzw. hinter der Scheibe aufgebaut. Aufgrund der in axialer Richtung blockierenden Metallplatten dieser bekannten H-Magnetanordnung bietet dieses System weder in axialer Richtung noch schräg von der Seite oder von oben eine gute Zugriffsmöglichkeit auf das geometrische Zentrum der Anordnung.

Auch das aus der US 5,117,188 bekannte Magnetsystem, das ebenfalls eine scheibenförmige Spulenanordnung aufweist, bietet keinen beidseitigen axialen oder schräg seitlichen Zugang zum Zentrum der Anordnung, der in diesem Fall auch das Volumen größter Homogenität enthält. Bei dieser Anordnung, bei der die z-Achse vertikal verläuft, ist unterhalb der Ringspule eine asymmetrische ferromagnetische Platte mit axialem Abstand von der Mittelebene der Spulenanordnung vorgesehen, auf der beispielsweise ein zu untersuchender Patient liegen kann. Mit Hilfe der asymmetrisch geformten ferromagnetischen Platte wird das Magnetfeld innerhalb des Untersuchungsvolumens verstärkt und lokal homogenisiert.

Obwohl die eingangs erwähnte EP 0 160 350 B1 eine scheibenförmige Magnetspulenanordnung beschreibt, bei der der axiale und schräg-radiale Zugang zum Untersuchungsvolumen relativ groß ist, weist das bekannte Magnetsystem jedoch den Nachteil auf, daß aufgrund der alternierenden Stromrichtungen der Teilspulen der scheibenförmigen Anordnung die im Untersuchungsvolumen erzeugten Magnetfeldstärken trotz hoher Einzelströme relativ gering sind, da sich die erzeugten Teilfelder zum großen Teil gegenseitig aufheben. Um eine ausreichend hohe Magnetfeldstärke bei gleichwohl großer Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen zu erreichen, müssen derartige Systeme relativ groß gebaut werden. Außerdem wird bei resistiven Spulen eine sehr hohe elektrische Leistung für den Magnetfeldaufbau verbraucht, was bei Erzeugung höherer Magnetfeldstärken zu einer Erhitzung der Spulen bzw. zu Kühlproblemen führt. Schließlich ist auch der Platzbedarf für derartige Systeme relativ hoch.

Auch aus der EP 0 460 762 A1 ist eine Magnetspulenanordnung bekannt, bei der die gewünschte Homogenität des Hauptmagnetfeldes in der bekannten Weise durch gegenläufige Ströme und zusätzlich durch ferromagnetische Ringe für eine Feinkorrektur erreicht wird. Aufgrund der verwendeten alternierenden Ströme durch die Teilspulen hat auch dieses System die oben erwähnten gravierenden Nachteile einer ganz erheblichen Verringerung des maximal erreichbaren Magnetfeldes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, ein Magnetsystem der eingangs genannten Art vorzustellen, das einerseits gute Zugangsmöglichkeiten zum Untersuchungsvolumen in axialer Richtung von vorn und zumindest schräg von der Seite ermöglicht, das andererseits aber bei vergleichbarer erzeugbarer Magnetfeldstärke relativ kompakt gebaut werden kann bzw. gegenüber bekannten Magnetsystemen bei gleicher Amp´rewindungszahl und gleicher Feldhomogenität in einem vergleichbar großen Untersuchungsvolumen ein Magnetfeld mit wesentlich höherer Feldstärke zu erzeugen vermag.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe auf verblüffend einfache, aber wirkungsvolle Art und Weise dadurch gelöst, daß bei einem Magnetsystem mit den eingangs beschriebenen Merkmalen die felderzeugenden Magnetspulen S_i im Betrieb von gleichsinnigen Strömen durchflossen werden, und daß in der Mittelebene konzentrisch, radial zwischen den Magnetspulen S_i ein ferromagnetischer Ring R₁ mit Radius r_R1 vorgesehen ist.

Durch die Beschickung der Teilspulen mit gleichsinnigen Strömen (anstatt mit gegenläufigen wie beim Stand der Technik) wird mit der Erfindung ein ganz neuer Weg beschritten, der die Erzeugung wesentlich höherer Magnetfeldstärken ermöglicht. Die erforderliche Feldhomogenität wird nun nicht mehr durch Differenzfeldbildung bewirkt, sondern durch einen ferromagnetischen Ring, der für sich gesehen ein stark inhomogenes Magnetfeld erzeugt, welches aber gerade so gewählt ist, daß es die Inhomogenität des Summenfeldes aus den beiden Teilspulen kompensiert, ohne daß die Feldstärke wesentlich geschwächt wird.

Aufgrund der zweiten und jeder weiteren Magnetspule werden dem Gesamtsystem weitere Freiheitsgrade eröffnet, so daß mit einer derartigen Anordnung eine besonders hohe Homogenität des erzeugten Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen erreichbar ist. Theoretisch läßt sich bereits bei der Verwendung von zwei Magnetspulen eine Feldhomogenität bis zur achten Ordnung erreichen. Bei i < 2 können sogar Magnetfelder mit noch höheren Ordnungen der Homogenität erzeugt werden.

Ergänzend oder alternativ sind bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems mindestens zwei ferromagnetische Ringe R_i mit Radien r_Ri vorgesehen, die in der Mittelebene im wesentlichen konzentrisch zur Magnetspule S_i angeordnet sind. Auch durch das Vorsehen weiterer ferromagnetischer Ringe werden dem Magnetsystem zusätzliche Freiheitsgrade für die Homogenisierung des erzeugten Magnetfeldes eröffnet. Insbesondere in Verbindung mit der oben beschriebenen Ausführungsform mit mehreren Magnetspulen S_i, die von gleichsinnigen Strömen durchflossen werden, können bei extrem hoher Homogenität Magnetfelder sehr hoher Feldstärke im Untersuchungsvolumen erzeugt werden.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die Magnetspulen S_i von einem ferromagnetischen Joch umgeben sind. Dadurch kann das von den Magnetspulen erzeugte Streufeld nach außen hin relativ klein gehalten werden, andererseits wird aber auch das Untersuchungsvolumen, in dem das erzeugte Magnetfeld besonders homogen sein muß, gegen äußere Störfelder abgeschirmt. Außerdem wird durch eine konzentrierte Rückführung des magnetischen Flusses in der Abschirmung eine Erhöhung der magnetischen Feldstärke im Untersuchungsvolumen bewirkt.

Wenn die verwendeten Magnetspulen S_i resistiv sind, so wird für die gesamte Anordnung kein aufwendiges Kryosystem erforderlich. Ein solches Magnetsystem ist für kleine zu erzeugende Magnetfeldstärken besonders preisgünstig herstellbar. Da bei der Erzeugung vergleichbarer Magnetfeldstärken mit dem erfindungsgemäßen Magnetsystem eine wesentlich geringere elektrische Leistung als bei bekannten Magnetsystem erforderlich ist, sind die Anforderungen an die Kühlung des Systems ebenfalls erheblich geringer.

Alternativ dazu können bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform die Magnetspulen S_i supraleitend sein und sich (evtl. zusammen mit den ferromagnetischen Ringen R_i) innerhalb eines Kryostaten befinden. Mit einem solchen Magnetsystem können besonders hohe Magnetfeldstärken erreicht werden, wobei im Gegensatz zu resistiven Systemen zumindest im supraleitenden Kurzschlußbetrieb keine permanente Zufuhr elektrischer Energie zur Felderzeugung erforderlich ist.

Besonders kompakt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, bei der die Magnetspulen S_i auf Spulenträgern aufgewickelt und die Ringe R_i 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 Ringe R_i erfüllen.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems besitzt eine Faradayabschirmung für Hochfrequenzfelder, die zumindest teilweise in die Eisenabschirmung integriert ist, um die Gesamtanordnung möglichst kompakt zu halten.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die ferromagnetischen Ringe R_i Permanentmagnete sind. Damit kann bei kleinerer Querschnittsfläche der Ringe die gleiche Feldstärke im Untersuchungsvolumen erzeugt werden, wie bei nicht vollständig gesättigten weichmagnetischen Ringen.

Vorzugsweise besitzen die Ringe und ggf. 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.

Insbesondere können bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform die Ringe und ggf. die Abschirmung geschlitzt, lamelliert oder beispielsweise aus einem Pulverwerkstoff gepreßt sein.

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.

Beispielsweise für Anwendungen in der Mammographie, wenn beide Brüste gleichzeitig untersucht werden sollen, ist eine Ausführungsform besonders angepaßt, bei der die ferromagnetischen Ringe R_i und die Magnetspulen S_i elliptische oder näherungsweise rechteckige Form haben.

Vorzugsweise beträgt die erzeugbare Stärke des homogenen statischen Magnetfelds ungefähr 0,1 Tesla bis 0,4 Tesla (entspricht einer Protonenfrequenz zwischen 5 MHz bis 15 MHz). In diesem Feldstärkebereich ist die Leistungseinsparung, insbesondere bei Verwendung von resistiven Magnetspulen, besonders hoch. Bei Erzeugung höherer Magnetfeldstärken können die ferromagnetischen Ringe in magnetische Sättigung geraten, was zu nicht-linearem Verhalten und zu Komplikationen bei der Homogenisierung des Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen führt.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, bei dem in einem Untersuchungsvolumen mit einem Durchmesser < 0,2 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.

Das erfindungsgemäße Magnetsystem kann so ausgebildet sein, daß es bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken betreibbar ist. Dadurch können mit der gleichen Anordnung verschiedene Kernresonanzfrequenzen angeregt werden. Bei anderen Betriebsfrequenzen kann beispielsweise eine günstigere Leistungsaufnahme des Hauptmagneten und/oder ein besseres Kontrastverhältnis bei der Bilderzeugung erreicht werden.

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 gezeigten beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines längs der z-Achse vertikal aufgeschnittenen erfindungsgemäßen Magnetsystems (entspricht Magnet 2 in der Tabelle);

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch die Mittelebene in einem Quadranten eines erfindungsgemäßen Magnetsystems (entspricht Magnet 2 in der Tabelle);

Fig. 3 einen Schnitt durch die Mittelebene in einem Quadranten eines Magnetsystems nach dem Stand der Technik (entspricht Magnet 1 in der Tabelle);

Fig. 4 einen Schnitt durch die Mittelebene in einem Quadranten einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems (entspricht Magnet 3 in der Tabelle);

Fig. 5 eine schematische, perspektivische Darstellung der unteren Hälfte des Magnetsystems gemäß Fig. 4 (entspricht Magnet 3 in der Tabelle) nach einem horizontalen Schnitt längs der z-Achse;

Fig. 6 eine schematische, perspektivische Darstellung der rechten Hälfte einer bevorzugten Ausführungs form des erfindungsgemäßen Magnetsystems (ent spricht Magnet 4 in der Tabelle) nach einem Vertikalschnitt längs der z-Achse;

Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch die Mittelebene in einem Quadranten des erfindungsgemäßen Magnetsystems nach Fig. 6 (entspricht Magnet 4 in der Tabelle);

Fig. 8 ein gerechnetes Diagramm der Linien gleicher Feld abweichung ± 100 ppm eines in 8. Ordnung homogenen Magnetfeldes in einem Quadranten im Untersuchungs bereich des Magnetsystems nach Fig. 7.;

Fig. 9 eine schematische Schnittdarstellung wie Fig. 7, aber verkleinert und mit Magnetfeldlinien;

Fig. 10 eine schematische Darstellung wie Fig. 9, aber verkleinert und mit den Linien gleicher Feldstärke im Außenbereich (Streufeld); und

Fig. 11 einen schematischen Vertikalschnitt durch ein er findungsgemäßes Magnetsystem (entspricht Magnet 4 in der Tabelle) längs der z-Achse mit angedeuteten Linien gleicher Feldstärke im Untersuchungsbereich, mit untersuchtem Patient und untersuchendem Operateur.

Das erfindungsgemäße Magnetsystem für einen Kernspintomographen zur Erzeugung eines entlang einer z-Achse senkrecht zur Mittelebene des Systems gerichteten statischen Magnetfeldes, dessen Homogenität im Untersuchungsvolumen besser als 10^-4 ist, weist mindestens zwei im wesentlichen konzentrisch in einer Mittelebene angeordnete feld erzeugende Magnetspulen S_i mit Radien r_Si auf, die im Betrieb von gleich sinnigen Strömen durchflossen werden, wobei in der Mittelebene konzentrisch, radial zwischen den Magnetspulen S_i ein ferromagnetischer Ring R₁ mit Radius r_R1 vorgesehen ist. Im einfachsten Fall kann damit die gleiche Magnetfeldhomogenität im Untersuchungsvolumen erreicht werden, wie mit einem herkömmlichen zweispuligen System, bei dem die beiden Magnetspulen in der Mittelebene des Magnetsystems konzentrisch zueinander angeordnet sind und von gegenläufigen Strömen durchflossen werden.

In Fig. 1 ist eine Hälfte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems gezeigt, bei der zusätzlich zur ersten felderzeugenden Magnetspule S₁ und zum ersten ferromagnetischen Ring R₁, der in die Spule S₁ integriert ist, konzentrisch dazu in der Mittelebene ein weiterer ferromagnetischer Ring R₂ sowie eine weitere felderzeugende Magnetspule S₂ vorgesehen sind. Die beiden Magnetspulen S₁ und S₂ sind derart verschaltet, daß sie im Betrieb von gleichsinnigen Strömen durchflossen werden und auf diese Weise gemeinsam additiv zum Aufbau eines homogenen statischen Magnetfeldes im Untersuchungsvolumen um das Zentrum der Anordnung beitragen.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt in Richtung der z-Achse durch einen Quadranten des Magnetsystems nach Fig. 1. Ebenso wie die Fig. 3, 4 und 7 ist die Schnittdarstellung in Fig. 2 maßstäblich, so daß außer den explizit gezeigten Größen des Innendurchmessers d_i, des Außendurchmessers d_a und der Länge l des Magnetsystems jeweils auch die Größen und Positionen der verwendeten Elemente (Magnetspulen S_i, Ringe R_i) entnommen werden können. Da es sich bei Fig. 2 ebenso wie bei den genannten Fig. 3, 4 und 7 jeweils um die z-Achse enthaltende Horizontal-Schnitte durch einen Quadranten des Systems handelt, sind nur die Größen d_i/2, d_a/2 und 1/2 dargestellt.

Bei anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetsystems können auch mehr als zwei Magnetspulen S_i und/oder mehr als zwei ferromagnetische Ringe R_i verwendet werden, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Derartige Systeme haben den Vorteil, daß noch mehr Parameter zur Optimierung der Feldhomogenität im Untersuchungsvolumen vorhanden sind, so daß damit eine noch höhere als die achte Ordnung der Homogenität erreicht werden kann.

Fig. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie Fig. 2 einen Schnitt durch die Mittelebene in einem Quadranten eines Magnetsystemes für einen Kernspintomographen, wobei in Fig. 3 allerdings ein Magnetsystem nach dem Stand der Technik dargestellt ist. Es enthält keine ferromagnetischen Ringe R_i wie die erfindungsgemäßen Magnetsysteme, dafür aber Magnetspulen S_i′, die mit Strömen beschickt werden, deren Richtung in radialer Abfolge der einzelnen Spulen alterniert. Bei dem dargestellten Magnetsystem sind die Ströme durch die Spulen S₁′ und S₃′ jeweils gleichgerichtet, während die Ströme durch die Spule S₂′ und S₄′ diesen jeweils entgegengerichtet sind. Dadurch läßt sich zwar ebenfalls wie bei dem erfindungsgemäßen Magnetsystem im Untersuchungsvolumen ein Feld hoher Homogenität erzeugen, jedoch zu Lasten der Magnetfeldstärke, da die Spulen mit umgekehrten Stromrichtungen sich gegenseitig im Aufbau des erzeugten Magnetfeldes schwächen. Auf diese Weise wird für die Erzeugung einer bestimmten Feldstärke im Untersuchungsvolumen mit resistiven Spulen erheblich mehr elektrische Leistung verbraucht, als bei den erfindungsgemäßen Magnetsystemen, bei denen die Magnetspulen S_i bei Betrieb gleichsinnig von Strom durchflossen werden.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines Eisenschildes als Abschirmung des in der Apparatur erzeugten Magnetfeldes nach außen sowie zur Abschirmung des Untersuchungsvolumens gegen Störungen von außen, wobei als zusätzlicher positiver Effekt bei der Verwendung eines solchen Eisenschildes bei gleicher elektrischer Leistung in einem resistiven Spulensystem eine höhere Magnetfeldstärke im Untersuchungsvolumen erreicht wird.

Fig. 4 zeigt in einem Schnitt durch die Mittelebene eines Quadranten eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, die der in Fig. 2 gezeigten sehr ähnlich ist, wobei hier zusätzlich eine Abschirmung in Form eines ferromagnetischen Joches J um das Magnetsystem herum vorgesehen ist.

In Fig. 5 ist räumlich die untere Hälfte des Magnetsystems nach Fig. 4 gezeigt, wobei die Blickrichtung schräg von oben auf die horizontale Schnittfläche zwischen den beiden Systemhälften verläuft. Mit einer derartigen, das gezeigte Magnetsystem bis auf die axialen Zugangslöcher um die z-Achse herum vollständig umgebenden Eisenabschirmung können die magnetischen Streufelder im Außenraum bei Betrieb der Magnetspulen nahezu bei Null gehalten werden.

Eine etwas geringere Abschirmwirkung hat die Eisenabschirmung J′ bei der in Fig. 6 in einer räumlichen Schnittdarstellung gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems. Dafür ist die Anordnung aber wesentlich kompakter und behindert den axialen Zugriff auf das Untersuchungsvolumen sowie den Zugriff schräg von der Seite nur minimal. Die Abschirmung durch das Eisenjoch J′ ist bei dieser Ausführungsform besonders eng am Hauptspulensystem anliegend gestaltet. Zum Größenvergleich ist in Fig. 6 außerdem ein maßstabsgerechter Operateur neben dem erfindungsgemäßen Magnetsystem dargestellt.

Fig. 7 gibt einen Schnitt durch die Mittelebene eines Quadranten der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems wieder. Der Zeichnung kann wiederum die genaue Dimensionierung dieser Ausführungsform entnommen werden.

Fig. 8 zeigt 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 der in Fig. 7 schematisch gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems zusammenfällt. Die Seitenlängen der gerechneten Darstellung entsprechen in der Natur jeweils 0,35 m. Man erkennt in dem Diagramm von Fig. 8 vier "Strahlenbündel", was ein System von achter Ordnung in der Feld-Homogenität anzeigt.

Das Diagramm von Fig. 9 enthält denselben Quadranten der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, wie er in Fig. 7 dargestellt ist, wobei die Elemente des Magnetsystems gegenüber der Darstellung in Fig. 7 etwas verkleinert gezeichnet sind.

Fig. 9 stellt zudem den Verlauf der Magnetfeldlinien bei Stromdurchfluß durch die Spulen S₁, S₂ in den äußeren Bereichen des Magnetsystems dar. Inbesondere zeigt sich eine Konzentration der magnetischen Feldlinien im ferromagnetischen Ring R₂ und in dem als Abschirmung wirkenden Eisenjoch J′, die eine entsprechende Konzentration des magnetischen Flusses durch die genannten Elemente anzeigt.

Das Diagramm von Fig. 10 enthält wiederum einen Schnitt durch die Mittelebene in einem Quadranten der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetsystems, wobei die Einzelelemente noch kleiner als in Fig. 9 dargestellt sind. Zusätzlich ist in Fig. 10 der Verlauf von Linien gleicher Magnetfeldstärke im Außenraum (= Streufeld) gezeigt, die sich in dem abschirmenden Eisenjoch J′ konzentrieren. Die dargestellten Streufeldlinien sind mit abnehmender Stärke beginnend mit der 5mT-Linie bis zur 0,5mT-Linie dargestellt.

Fig. 11 schließlich zeigt in einem schematischen Vertikalschnitt längs der z-Achse eine komplette Kernspintomographieanlage, bei der das erfindungsgemäße scheibenförmige Magnetsystem 1 mit dem Homogenitätsbereich 2 im Untersuchungsvolumen gezeigt ist. Ein liegender Patient 3 ist so positioniert, daß sein Kopf im Zentrum des Magnetsystems 1 zum Liegen kommt. Die Anlage weist außerdem ein Gradientensystem und gegebenenfalls eine Abschirmung für dieses Gradientensystem auf.

Weiterhin erkennt man in der Darstellung von Fig. 11 stehend einen Operateur 4, der einen bequemen Zugang zu dem Kopfbereich während der Untersuchung des Patienten 3 hat. Der Patient 3 ist in bezug auf das bildgebende System fixiert, so daß eine eindeutige Zuordnung der räumlichen Position zu den in der Anlage erstellten Tomogrammen möglich ist.

Im folgenden werden weitere Einzelheiten von möglichen Ausführungsformen der Erfindung angegeben. Die Ausbildung des erfindungsgemäßen Magnetsystems für besonders vorteilhafte Anwendungen läßt eine Reihe von Gestaltungsmöglichkeiten zu, die unter anderem folgende Punkte umfassen:
Durch Skalierung lassen sich eine Vielzahl unterschiedlicher Durchmesserverhältnisse erreichen. Damit kann das erfindungsgemäße Magnetsystem optimal an konkrete Randbedingungen angepaßt werden.

Die felderzeugenden und feldbestimmenden Elemente lassen sich in konischer Weise so ausbilden, daß der freie axiale Zugang zum Untersuchungsvolumen sowie eine Zugriffsmöglichkeit schräg zur z-Achse optimiert wird.

Die Magnetspulen S_i können entweder resistiv sein oder supraleitendes Material enthalten. Im letzteren Falle werden sie zusammen mit den ferromagnetischen Ringen R_i innerhalb eines Kryostaten untergebracht.

Die Magnetspulen S_i können auf Spulenträgern aufgewickelt sein, in welche die ferromagnetischen Ringe R_i zumindest teilweise integriert sein können.

In der Eisenabschirmung, die bei den oben beschriebenen Ausführungsformen durch ferromagnetische Joche J, J′ realisiert ist, kann eine Faradayabschirmung zumindest teilweise integriert sein.

Die ferromagnetischen Ringe R_i können Permanentmagnete sein.

Um bei Gradientenschaltungen in der Tomographieanordnung das Anwerfen elektrischer Wirbelströme zu vermeiden, die in der Regel starke Verzerrungen des Magnetfelds im Untersuchungsvolumens zur Folge haben, weisen die ferromagnetischen Ringe R_i eine möglichst geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Insbesondere können sie geschlitzt, lamelliert oder aus Pulverwerkstoff gepreßt sein.

Die ferromagnetischen Ringe R_i sowie die Magnetspulen S_i können je nach Einsatzgebiet die Form von Kreisringen, elliptischen Ringen oder rechteckigen Ringen aufweisen. Dies kann beispielsweise beim Anwendungsfall der Mammographie von Vorteil sein.

Die Feldstärkenabhängigkeit der Homogenität beim erfindungsgemäßen Magnetsystem kann besonders gering gehalten werden, so daß Schwankungen der Betriebsstromstärke keine Auswirkungen auf die Homogenität haben und der Magnet auch bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken betrieben werden kann.

Zur Homogenisierung kann ein Shim-System eingesetzt werden, wobei passives Shimen für das erfindungsgemäße Magnetsystem besonders geeignet ist.

Die Ausbildung der Flußrückführung kann in unterschiedlicher Weise durch Vorsehen eines Eisenmantels, beispielsweise in Form der oben beschriebenen magnetischen Joche J, J′ erfolgen.

Die Tabelle im Anschluß an die Beschreibung zeigt einen Systemvergleich von berechneten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetsystems (Magnete 2, 3 und 4 entsprechend Fig. 2, 4 und 7) mit einem Magnetsystem nach dem Stand der Technik (Magnet 1 entsprechend Fig. 3).

Bei dem herkömmlichen Magneten 1 besteht das Magnetsystem aus insgesamt vier Teilspulen, von denen zwei mit positivem und zwei mit relativ dazu negativem Strom bei Betrieb durchflossen werden. Typischerweise werden mit einem derartigen bekannten Magnetsystem bei resistiven Magnetspulen Feldstärken von etwa 0,05 T erreicht.

Bereits der unabgeschirmte Magnet 2 mit dem erfindungsgemäßen Magnetsystem erreicht demgegenüber bei vergleichbarem elektrischen Leistungsverbrauch eine Feldstärke von 0,117 T, wobei der Innendurchmesser d_i erheblich größer ist als bei dem bekannten Magneten 1, so daß sich ein wesentlich besserer Zugang in axialer Richtung und schräg zur z-Achse auf das Untersuchungsvolumen ergibt. Das Kupfergewicht bei dem erfindungsgemäßen Magneten 2 ist gegenüber dem bekannten Magnet 1 nur unwesentlich erhöht. Bei gleicher erzeugter Feldstärke würde der Magnet 2 nur etwa 18,2% der Leistung von Magnet 1 benötigen.

Bei Magnet 3 ist gegenüber Magnet 2 ein ferromagnetisches Joch als Abschirmung vorgesehen, was zu einer weiteren Erhöhung der erzeugten Magnetfeldstärke bei gleicher elektrischer Leistung in einem resistiven System führt. Gegenüber Magnet 1 erzeugt Magnet 3 bei etwa gleicher elektrischer Leistung ungefähr ein Magnetfeld von dreieinhalbfacher Feldstärke bzw. bei gleicher erzeugter Magnetfeldstärke werden von dem Magneten 3 nur etwa 11% der Leistung des Magneten 1 benötigt.

Der Magnet 4 schließlich ist ähnlich aufgebaut wie Magnet 3, wobei jedoch die Eisenabschirmung kompakter um die Spulen und ferromagnetischen Ringe angeordnet ist. Dadurch tritt eine etwas schlechtere Abschirmwirkung ein und auch das im Untersuchungsvolumen erzeugte Magnetfeld ist bei gleicher elektrischer Leistung etwas schwächer. Dafür benötigt das Magnetsystem mit dem Magneten 4 erheblich weniger Platz.

Claims

1. Magnetsystem für einen Kernspintomographen mit minde stens zwei im wesentlichen konzentrisch in einer Mittel ebene angeordneten felderzeugenden Magnetspulen S_i mit Radien r_Si, die in einem Untersuchungsvolumen ein ent lang einer zur Mittelebene senkrechten z-Achse gerichte tes homogenes Magnetfeld erzeugen, und die im Betrieb von gleichsinnigen Strömen durchflossen werden, wobei in der Mittelebene konzentrisch, radial zwischen den Ma gnetspulen S_i ein ferromagnetischer Ring R_i mit Radius r_R1 vorgesehen ist.

2. Magnetsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei ferromagnetische Ringe R_i mit Radien r_Ri vorgesehen sind, die in der Mittelebene im wesentlichen konzentrisch zu den Magnetspulen S_i angeordnet sind.

3. Magnetsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe R_i und die Magnetspulen S_i in der Mittelebene radial von innen nach außen in einer alternierenden Abfolge R₁S₁R₂S₂ . . . R_iS_i, angeordnet sind.

4. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen S_i von ei nem ferromagnetischen Joch (J, J′) umgeben sind.

5. Magnetsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Faradayabschirmung vorgesehen ist, die zumin dest teilweise in das ferromagnetische Joch (J, J′) in tegriert ist.

6. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen S_i resistiv sind.

7. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen S_i supraleitend sind und sich innerhalb eines Kryostaten befinden.

8. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspulen S_i auf Spu lenträgern aufgewickelt sind, und daß die ferromagneti schen Ringe R_i zumindest teilweise in die Spulenträger integriert sind.

9. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe R_i Permanentmagnete sind.

10. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe R_i eine möglichst geringe elektrische Leitfähig keit aufweisen.

11. Magnetsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe R_i geschlitzt, lamelliert oder aus Pulverwerkstoff gepreßt sind.

12. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe R_i Kreisringe sind.

13. Magnetsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetischen Ringe R_i elliptisch sind.

14. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugbare Stärke des homogenen statischen Magnetfeldes 0,1 Tesla bis 0,4 Tes la (entspricht einer Protonenfrequenz von 5 MHz bis 15 MHz) beträgt.

15. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Untersuchungsvolu men mit einem Durchmesser < 0,2 m eine Magnetfeld homogenität < 10^-4 erreicht werden kann.

16. Magnetsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es für den Betrieb bei ver schiedenen Magnetfeldstärken geeignet ist.