DE69121094T2

DE69121094T2 - Vorrichtung zum erzeugen von magnetfeldern

Info

Publication number: DE69121094T2
Application number: DE69121094T
Authority: DE
Inventors: Alan Armstrong; Ian Mcdougall
Original assignee: Oxford Medical Ltd; EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: Oxford Instruments Superconductivity Ltd; EIDP Inc
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: JPH05509396A; DE69121094D1; EP0526513B1; GB9009579D0; EP0526513A1; WO1991017455A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung magnetischer Felder, beispielsweise zur Verwendung in einer Kernspinresonanz (NMR)-Vorrichtung.
Eine herkömmliche NMR-Vorrichtung hat einen großen Solenoidmagneten, der ein starkes magnetisches Feld innerhalb seiner Bohrung erzeugt, wobei im Zentrum der Bohrung ein Arbeitsbereich ist, in dem die magnetische Feldstärke im wesentlichen uniform ist. Um ein Experiment durchzuführen, ist ein Gradientenspulensystem vorgesehen, das herkömmlicherweise durch resistive Leiter gebildet wird, so daß magnetische Gradienten mit den Feldern innerhalb des Arbeitsbereichs überlagert werden. Das Gradientenspulensystem ist innerhalb der Bohrung des Magneten positioniert, die einen relativ großen Durchmesser hat, um genug Raum für einen menschlichen Körper zuzulassen.
Wir haben alternative magnetische Felderzeugungsvorrichtungen vorgeschlagen, in denen das Arbeitsvolumen leichter zugänglich ist. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist ein C-förmiger Magnet. Der Vorteil dieses Magneten vom "offenen Zugriffstyps" ist es, daß ein Patient nicht vollständig innerhalb der Bohrung des Magneten positioniert werden muß, während gleichzeitig Zugriff auf den Patienten oder auf andere Objekte während der Durchführung des Experiments relativ einfach ist.
Wir haben nun eine weitere Verbesserung entwickelt, in der eine Vorrichtung zum Erzeugen von Magnetfeldern gemäß der vorliegenden Erfindung eine Erzeugungseinrichtung für ein primäres Magnetfeld aufweist, die wenigstens eine Polfläche, hinter der ein Magnetfeld erzeugt wird, hat, wobei das Feld im wesentlichen uniform innerhalb eines Arbeitsvolumens ist; und eine Erzeugungseinrichtung für magnetische Gradientenfelder, um ein magnetisches Gradientenfeld mit dem magnetischen Feld innerhalb des Arbeitsvolumens zu überlagern, wobei alle Erzeugungseinrichtungen des Gradientenmagnetfelds hinter der oder jeder Polfläche der Erzeugungseinrichtung für das primäre Magnetfeld positioniert sind.
Wir haben gefunden, daß es möglich ist, alle Erzeugungseinrichtungen für das Gradientenmagnetfeld in Bereichen hinter dem oder jeder Polfläche der Erzeugungseinrichtung für das primäre Magnetfeld vorzusehen.
Es ist in Aussicht gestellt, daß die Erzeugungseinrichtung für das primäre Magnetfeld den uniformen oder homogenen Bereich in einem Volumen erzeugen könnte, der von dem Volumen, das durch die Erzeugungseinrichtung für das primäre Magnetfeld selbst definiert ist, im Abstand getrennt ist. In der Tat könnte eine bewegbare Probe konstruiert werden, die die Erzeugungseinrichtung sowohl für das primäre als auch das Gradientenmagnetfeld umfaßt. Diese Anordnung wäre insbesondere nützlich zur Untersuchung großer Objekte.
Die Erfindung ist teilweise dort anwendbar, wo der Arbeitsbereich zwischen einander gegenüberliegenden Polflächen der Erzeugungseinrichtung für das primäre Magnetfeld definiert ist. Dies führt zu dem Vorteil, daß kein Teil des Spalts zwischen den Polflächen durch eine Erzeugungseinrichtung für ein Magnetfeld besetzt wird, womit das Volumen, das für das abzubildende Objekt verwendet werden kann, erhöht wird. Konsequenterweise können die Polflächen im Vergleich zu bekannten Anordnungen relativ nahe zueinander positioniert werden, wobei ermöglicht wird, daß die Menge an magnetischem Material, das notwendig ist, um ein gegebenes Betriebsfeld zu erzeugen, auf ein absolutes Minimum verringert werden kann. In der Tat führt die Erfindung zu einem Aufbau, in dem die Polflächen nahezu in Kontakt mit dem Objekt, das untersucht werden soll, plaziert werden können, um so eine hohe Gradientenstärke und eine schnelle Schaltrate zu schaffen.
Vorzugsweise umfaßt die Erzeugungseinrichtung für das primäre Magnetfeld eine Anzahl von Magnetfelderzeugern, beispielsweise einen Satz von Permanentmagneten aus Ferrit.
Die Verwendung von Permanentmagneten für die Erzeugungseinrichtung für das primäre Magnetfeld ermöglicht es, daß die Erzeugungseinrichtung für das Gradientenmagnetfeld in Form einer oder mehrerer Spulen vorliegt, die um und/oder die zwischen die Erzeuger der Erzeugungseinrichtung für das erste Magnetfeld gewickelt werden können. Dies ermöglicht es, Probleme mit dem Rückkehrbogen der Gradientenmagnetfeldspulen zu überwinden, da diese in irgendeiner Position gelegen sein können und sowohl aktive als auch Rückkehrbögen mit dem maximalen Grad an Freiheit plaziert werden können, um die Reinheit des Gradientenfelds zu maximieren. Außerdem bedeutet die Verwendung von Permanentmagneten, daß keine Wirbelstromprobleme auftreten.
Typischerweise wird die Erzeugungseinrichtung für das Gradientenmagnetfeld drei Sätze von Gradientenmagnetfeldspulen zum Erzeugen von drei orthogonalen magnetischen Gradientenfeldern umfassen.
Diese Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in einem C- förmigen Magnet geeignet.
Im allgemeinen werden die Polflächen in bezug auf einander fest eingestellt. Es ist allerdings möglich, die Polflächen, die die Erzeugungseinrichtung für das Primärmagnetfeld umfassen, und die Erzeugungseinrichtung für das Gradientenmagnetfeld beweglich zu montieren, so daß sie nahe zu einer Probe gebracht werden können, oder diese sogar zwischen denselben zu berühren.
Die Erfindung kann bei einer großen Vielfalt von Feldern angewendet werden, die nicht nur Ganzkörper-, Körperteile- und Tier-Kernspinresonanzabbildungen umfassen, sondern auch andere industrielle und kommerzielle Anwendungen, welche die Identifizierung, Charakterisierung, Messung, Qualitätskontrolle und Kontrolle von Materialien, Komponenten und Vorrichtungen betreffen. Während nicht beabsichtigt ist, erschöpfend zu sein, könnten spezifische Beispiele dieser Anwendungen die Identifikation von Drogen oder Explosivstoffen, die Charakterisierung von Grünkörperkeramik, die Messung von Ölsättigung und Permeabilität in gebohrten Kernen, die Qualitätssicherung in Polymer und Keramikverarbeitung, und die Qualitätssteuerung bei Lebensmitteln oder laminierten oder faserverstärkten Kompositmaterialien sein.
Ein Beispiel eines C-förmigen Magneten gemäß der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine Seitenansicht des Magneten, die schematisch die Gradientenspulen darstellt, ist;
Fig. 2 eine Endansicht des Magneten ist; und
Fig. 3 einen Stromlinienkörper schematisch darstellt, der zwischen den Polstücken des Magneten positioniert ist.
Der in den Zeichnungen gezeigte Magnet umfaßt ein C-förmiges Joch 1 mit einem Paar von Polstücken 2, 3, die auf den inneren Flächen der Arme des Jochs 1 angebracht sind, um so einander gegenüberzuliegen. Jedes Polstück 2, 3 umfaßt eine große Anzahl von kleinen, permanenten, elektrisch isolierten (wie beispielsweise Ferrit) Magneten (nicht gezeigt). Die Magneten sind so angeordnet, daß sie innerhalb eines Arbeitsvolumens 4 in dem geometrischen Zentrum zwischen den Polstücken 2, 3 ein gleichmäßiges magnetisches Feld von relativ großer Stärke, das für NMR geeignet ist, erzeugen.
Um ein NMR-Experiment durchzuführen, ist es notwendig, mit dem uniformen Feld innerhalb des Arbeitsbereichs 4 eine Reihe von Gradientenmagnetfeldern zu überlagern, die sehr schnell in Richtung geschaltet werden. Herkömmlicherweise sind diese Gradienten so angeordnet, daß sie in orthogonalen X-, Y- und Z-Richtungen, wie in den Zeichnungen gezeigt, liegen. Um dies zu erzielen, wird jedes Polstück 2, 3 mit einem Satz von drei Gradientenspulen versehen.
Ein erster Satz von Gradientenspulen 5, 6 erstreckt sich um das Ende des Volumens, das durch den Permanentmagneten definiert ist, wobei die Windungen jeder Spule im wesentlichen parallel zu der XY-Ebene liegen, so daß ein Gradient in der Z-Richtung erzeugt werden kann.
Ein zweiter Satz von Gradientenspulen 7, 8 mit rechtwinkelig geformten Windungen erstreckt sich mit den Ebenen der Windungen im wesentlichen parallel mit der XZ-Ebene, um so einen Gradientenmagnetfeld in der Y-Richtung zu erzeugen.
Ein dritter Satz von Gradientenmagnetfeldspulen 9, 10 ist vorgesehen, die eine Form ähnlich der Spulen 7, 8 haben, sich aber orthogonal zu diesen Spulen mit rechtwinkeligen Windungen in der YZ-Ebene erstrecken, um so ein Gradientenmagnetfeld in der X-Richtung zu erzeugen.
Es ist anzumerken, die aktiven Bögen jeder der Gradientenspulen gerade hinter den Polflächen und in der Nähe des Arbeitsvolumens 4 positioniert sind.
Fig. 3 stellt den Magneten der Fig. 1 und 2 dar, der unter Verwendung von NMR verwendet wird, um einen Stromlinienkörper 11, der zwischen den Polstücken 2, 3 positioniert ist, zu untersuchen.
Wir haben eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um den Effekt der Induktanz in einer Spule verschiedener magnetischer Elemente zu untersuchen, um zu beurteilen, welcher Effekt, falls überhaupt einer vorhanden, die Ferrit-Permanentmagneten auf die Gradientenspulen haben.
Es wurde eine Induktanz von zwischen 666 und 678 µH für eine flexible Drahtspule, abhängig davon, wieviel sie gedrückt wurde, gemessen. Wenn ein simuliertes Doppel E-Joch um die Spule unter Verwendung von Bündeln von Eisenscheiben aufgestellt wurde, erhöhte sich die Induktanz auf 1036 µH. Ein kurzer Tunnel aus vier Ferrit-Keramik-8-Blöcken um ein Teil der Spule, erzeugte eine Induktanz von 685 µH.
Sechs Ferrit-Blöcke in der Mitte der Spule führen zu einer Induktanz von 682 µH. Ein Eisenblech von ungefähr 14 swg unter der Spule führt zu einer Induktanz von 590 µH. Eine zwischen zwei Eisenplatten eingekeilte Spule führt zu einer Induktanz von 522 µH. Eine Spule, deren Ebene rechtwinkelig zu den zwei Eisenplatten angeordnet ist, führt zu einer Induktanz von 667 µH. Eine Spule, deren Ebene rechtwinkelig zu einem 12 mm dicken Aluminiumblech angeordnet ist, führt zu einer Induktanz von 604 µH und eine Spule, deren Ebene parallel zur Berührung des Aluminiumblechs ist, führt zu einer Induktanz von 364 µH.
Die Schlußfolgerung ist, daß Ferrit keinen nachteiligen Effekt auf die Spule hat und daß Eisenwirbelströme nur problematisch für eine Spule parallel und in der Nähe des Eisens ist.

Claims

1. Eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung umfassend eine Primärmagnetfelderzeugungseinrichtung mit wenigstens einer Polfläche, jenseits der ein Magnetfeld erzeugt wird, wobei das Magnetfeld innerhalb eines Arbeitsvolumens im wesentlichen uniform ist; und eine Gradientenmagnetfelderzeugungseinrichtung zum überlagern eines Gradientenmagnetfelds mit dem Magnetfeld innerhalb des Arbeitsvolumens, wobei die gesamte Gradientenmagnetfelderzeugungseinrichtung hinter der oder jeder Polfläche der Primärmagnetfelderzeugungsvorrichtung positioniert ist.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die Primärmagnetfelderzeugungseinrichtung und die Gradientenmagnetfelderzeugungseinrichtung auf einer bewegbaren Sonde angebracht sind.

3. Eine Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welcher der Arbeitsbereich zwischen einander gegenüberliegenden Polflächen der Primärmagnetfelderzeugungseinrichtung definiert ist.

4. Eine Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welcher die Primärmagnetfelderzeugungseinrichtung einen C- förmigen Magneten umfaßt.

5. Eine Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welcher die Primärmagnetfelderzeugungseinrichtung einen Satz Permanentmagneten umfaßt.

6. Eine Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welcher die Gradientenmagnetfelderzeugungseinrichtung eine Anzahl elektrischer Spulen umfaßt.

7. Eine Vorrichtung nach Anspruch 6, abhängig von Anspruch 5, in welcher die Spulen um und/oder zwischen die Permanentmagneten gewickelt sind.

8. Kernspinresonanzvorrichtung, umfassend eine Magnetfelderzeugungsvorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.