FI86584B - Kaernmagnetisk resonansapparat med en permanent magnet. - Google Patents

Description

1 86584

Ydinmagneettista resonanssia käyttävä, kestomagneetilla varustettu laite Tämä keksintö liittyy ydinmagneettista resonanssia 5 käyttävään laitteeseen, jossa on magneettijärjestelmä, joka sisältää kestomagneettimateriaalia tasaisen päämag-neettikentän kehittämiseksi, gradienttikelojen järjestelmän ja radiotaajuuskelan.

Tämän tyyppinen laite tunnetaan PCT-patenttihake-10 muksesta WO 84/01226. Tämän tunnetun laitteen haitta on, että, koska vain vähäisellä kestomagneettimateriaalin magnetisaation poikkeamalla halutusta suunnasta on häiritsevä vaikutus kehitettävän mittauskentän tasaisuuteen, materiaalilohkot, jotka ovat komposiitin muodossa, on vaikea 15 magnetisoida riittävän tarkasti suunnan suhteen. Johtuen lohkojen rajoitetusta mahdollisuudesta jälkeenpäin tapahtuvaan suuntaukseen säteittäisessä suunnassa kaikki mahdolliset tuloksena olevat kentän epätasaisuudet ovat usein vaikeita korjata. On myös vaikea koota renkaan muotoinen mag-20 neetti lohkoista.

Keksinnön tarkoituksena on voittaa nämä haitat ja siten se liittyy johdannossa mainitun tyyppiseen ydinmagneettista resonanssia käyttävään laitteeseen, jossa kesto-magneettimateriaali koostuu pääosin sivusuunnassa magneti-25 soiduista, tasaisten tasojen rajoittamista tangoista, jotka ympäröivät pituusakselin suhteen magneettista kenttätilaa, jonka sivuttainen poikkileikkaus on oleellisesti monikulmion muotoinen.

Kestomagneettimateriaalisten tankojen avulla, jotka : 30 muotonsa johdosta ovat suhteellisen helppoja magnetisoida suuntautuneesti, muodostetaan monikulmiomaisen poikkileikkauksen omaava kenttätila, jossa magneettikentällä on riittävä tasaisuus mahdollistamaan lääketieteellisten ydinmag-neettisten resonanssitutkimusten suorittaminen suhteellisen 35 suuressa tilassa myös ilman tankojen jälkisuuntausta. Mit- taustilalle voidaan antaa geometria, joka soveltuu suoritet-tavan tutkimuksen luonteeseen.

2 86584

Edullisessa suoritusmuodossa magneetti käsittää 4 tankoa, joiden poikittaisena poikkileikkauksena on suorakulmainen tasakylkinen kolmio, jossa magnetisoinnin suunta yhtyy huippukulman puolittajaan. Neljän tangon sivupinnat 5 määrittävät neliömäisen poikkileikkauksen omaavan kenttätilan, nähtynä pituussuunnassa, joka on tankojen ympäröimä. Magneetin sekä sivuviiva että pituusdimensio voidaan valita vapaasti, jolloin on edullista kentän tasaisuuden johdosta tehdä pituus vähintään samaksi kuin sivun pituus ja edulli-10 sesti noin 1,5 kertaa pidemmäksi.

Toisessa suoritusmuodossa magneetti käsittää suorakulmaisen poikkileikkauksen omaavan kenttätilan, jonka kaksi vastakkaista sivua on muodostettu kestomagneettitankojen kantatahkoista, joilla tangoilla on poikkileikkauksena 15 suorakulmainen tasakylkinen kolmio, kahden muun sivun ollessa muodostettuna kahden keskimmäisen tangon suorista sivuista, joilla tangoilla on trapetsoidinen poikkileikkaus.

Eräässä toisessa suoritusmuodossa magneetti sisältää 20 kuusikulmaisen poikkileikkauksen omaavan kenttätilan, jonka neljä sivua on muodostettu kestomagneettitankojen sivu-tahkoista, joiden poikkileikkauksena on suorakulmainen tasakylkinen kolmio, muiden kahden sivun ollessa muodostettuna kahden keskimmäisen tangon tasaisista sivuista, 25 joilla tangoilla on oleellisesti suorakulmainen poikki- leikkaus. Kukin täten muodostettu kestomagneetti on paluu-: '·· ikeen ympäröimä, jonka materiaalilla on suhteellisen kor- kea permeabiliteetti , sovitettuna oikosulkemaan ja palaut-: : : tamaan tässä asennossa esiintyvät kenttävoimakkuusviivat.

:Y: 30 Tällaisella magneettijärjestelmällä ei siten ole lainkaan häiritsevää hajakenttää ainakaan sivuttaissuunnassa. Paluu-ikeen geometria voidaan sovittaa paikallisesti vallitse-vaan magneettivuohon siten, että magneetti järjestelmän kokonaismassaa voidaan vähentää.

35 Lisäämällä ylimääräisiä magneettivaikutuksia yli määräisen kestomagneettimateriaalin, ferromagneettisen 3 86584 materiaalin tai sähkömagneettisten kelojen muodossa tai sovittamalla ilmavälejä kestomagneettimateriaalisten tankojen väliin kentän tasaisuutta mittaustilassa voidaan lisätä tai suurentaa käyttökelpoista mittaustilaa. Näillä 5 keinoin on myös mahdollista parantaa erityisesti pääkentän tasaisuutta kenttätilassa lähellä toista pituussuuntaista päätytasoa.

Vuoraamalla kenttätila voimakkaasti anisotrooppi-sella magneettisella materiaalilla magnetisoinnin suuntais-10 ten paikallisten häiriöiden vaikutus kentän tasaisuuteen mittaustilassa voidaan neutraloida.

Vielä eräässä suoritusmuodossa laitteen gradientti-kelat, jotka ovat tarpeen mittausta ja myöhempää näyttöä varten, voidaan sovittaa tiloihin, jotka syntyvät magneet-15 tijärjestelmän kestomagneettimateriaalin valitun rakenteen johdosta. Gradienttikelojen tavanomaisilla toimintataajuuksilla kestomagneettimateriaalilla on riittävän alhainen suojauskerroin sallimaan tällainen järjestely edellyttäen että käytetään ferriittiä.

20 Seuraavassa joitakin keksinnön mukaisia edullisia suoritusmuotoja kuvataan yksityiskohtaisemmin viitaten piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen ydinmagneettista resonanssia käyttävän laiteen varustettuna kestomagnee-25 tiliä, kuvio 2 esittää kaaviollisesti sen kestomagneettien . . perusmuotojen rakenteen ja muodon, kuvio 3 esittää tällaisten magneettijärjestelmien suoritusmuotoja sivuttaisena poikkileikkauksena ja 30 kuvio 4 esittää tällaisen magneettijärjestelmän varustettuna kentän yhdistävillä magneettilaitteilla.

Kuviossa 1 esitetty ydinmagneettista resonanssia käyttävä laite käsittää kestomagneettijärjestelmän 2 vakaan tasaisen magneettikentän H kehittämiseksi, magneettijärjes-35 telmän 4 magneettisten gradienttikenttien kehittämistä 4 86584 varten, jotka on tavallisesti muodostettu kolmeakselisella sähkömagneettisella kelajärjestelmällä, teholähteen 6 gra-dienttikelojen 4 järjestelmää varten ja suurtaajuisen viri-tyskelan 10 suurtaajuisen vaihtosähkömagneettikentän kehit-5 tämistä varten, mitä tarkoitusta varten kela 10 on kytketty suurtaajuuslähteeseen 12. Ydinmagneettisten resonanssisig-naalien, jotka on kehitetty suurtaajuisella kentällä tutkittavassa kohteessa ilmaisemiseksi käytetään tässä myös yksinkertaisuuden vuoksi suurtaajuuskelaa 10, joka on tätä 10 tarkoitusta varten kytketty signaalivahvistimeen 14. Signaa- livahvistin 14 on kytketty vaiheherkkään tasasuuntaajaan 16, joka on kytketty keskusohjausyksikköön 18. Keskusohjaus-yksikkö 18 ohjaa myös modulaattoria 20 suurtaajuuslähdettä 12 varten, teholähdettä 6 gradienttikeloja varten ja moni-15 toria 22 näyttöä varten. Suurtaajuinen oskillaattori 24 ohjaa sekä modulaattoria 20 että vaiheherkkää tasasuuntain-ta 16, joka käsittelee mittaussignaalit. Piirityskela 10, joka on sijoitettu magneettijärjestelmän 2 ja 4 sisään ympäröi ja määrittää mittaustilan 28, joka laitteessa niin-20 kutsuttuja koko kehon ydinmagneettisia resonanssimittauksia varten on kyllin suuri sisällyttämään potilaan. Siten mittaustilan 28 täytyy kehittää vakaa tasainen magneettikenttä H, gradienttikentät niiden tutkittavan kohteen leikkausalueiden määrittämiseksi, jotka on mitattava ja näytettävä · 25 ja tilan suhteen tasainen radiotaajuusvaihtokenttä ydin- magneettisten resonanssisignaalien kehittämistä varten. Tiettyjä tutkimuksia varten, kuten ne jotka suoritetaan kehon ääreisosille, mutta myös esimerkiksi selkäydintutki-·_· j musta varten voi olla edullisempaa käyttää suurtaajuuskela- :: 30 ilmaisua, joiden kelojen muoto voidaan sovittaa tutkittavaan kehon osaan, kuten pintakelat paikallisia kehon tutkimuksia | varten, esim. sydän- ja selkäydintutkimuksiin tai solenoi- .··.·. dityyppisiä keloja, joihin kehon ääreisosia voidaan viedä sisään. Jälkimmäinen sisältäisi yksityiskohtaisemmin käsien, - 35 jalkojen ja rintojen tutkimuksen. Ilmaisukela on tällöin sisällytetty mittaustilaan, johon virityskela voi kehittää 5 86584 paikallisesti tasaisen suurtaajuisen kentän tai johon mit-tauskela itse voi tuottaa tämän suurtaajuisen kentän. Erityisesti tätä käyttötarkoitusta varten on usein suotava, että päämagneettikenttä olisi riittävän tasainen magneet-5 tijärjestelmän toisen aksiaalisen pään lähellä.

Kuvio 2 esittää kaaviollisesti miten sähkömagneetti-materiaalia olevien sivuttaissuuntaisten magnetisoitujen levyjen avulla voidaan muodostaa erilaisia magneettiraken-teita erityistarkoituksia varten.

10 Kuvio 2a esittää sivuttaispoikkileikkauksena kesto- magneettimateriaalia olevat levyt 30, joiden vahvuus on b, järjestettyinä keskinäiselle etäisyydelle a, missä yksinkertaisuuden vuoksi on esitetty, että a = b, mutta tämä ei ole ehto seuraavan pätevyydelle. Levyt 30 on magnetisoi-15 tu esitettyjen nuolien m suunnassa. Tuloksena magneettikenttä H on kehitetty tilaan 32 levyjen väliin. Jos levyjen 30 mitta on tehty suureksi, kenttä H levyjen välillä tulee olemaan erittäin tasainen. Tällaisessa järjestelmässä ei tapahdu muutosta magneettikentässä tilassa 32 eikä myöskään 20 materiaalin magnetisaatiossa, kun kestomagneettimateriaalin sijoittelulle ja keskinäisisille etäisyyksille 32 on annettu kuviossa 2b esitetty rakenne. Tämä soveltuu myös, jos kuvion 2b järjestelmää muutetaan kiertämällä sitä 90° piirustuksen tasossa kuviossa 2c esitetyksi rakenteeksi. Vas-25 taavasti kuvioissa 2b ja 2c esitettyjen rakenteiden läpäisevä kerrostaminen johtaa kuviossa 2d esitettyyn rakenteeseen. Osa kuviossa 2d esitetystä rakenteesta leikattuna pitkin katkoviivoja 34, 35, 36 ja 37 kulmapisteineen A, B, C, ja D johtaa magneettiin, jolla on kuviossa 2e esi-30 tetty poikkileikkaus. Käyttäen paluuiestä 40, jonka materiaalilla on korkea magneettinen permeabiliteetti, jonka poikittainen poikkileikkaus voi olla paikallisesti sovi-tetty magneettivuohon, joka vaikuttaa missä tahansa tietyssä pLstecssä, voidaan aikaansaada käyttökelpoinen mag-35 neettijärjestelmä. Mitoitettaessa paluuies on edullista 6 86584 valita vuoarvo, joka ei ole suurempi kuin arviolta puolet materiaalin saturaatiomagnetisoinnista. Paluuieksen ulkopuolella ei tällöin ole häiritseviä hajamagneettikenttiä. Koko kehon tutkimuksia varten tässä poikkileikkauksena 5 esitetyn neliömäisen kenttätilan 32 sivulla on pituus esimerkiksi 0,75 m, ääreisosien tutkimuksia varten sivun pituus esimerkiksi 0,25 m on riittävä.

Osa kuvion 2d rakenteesta katkoviivoja 34, 35, 38 ja 39 pitkin kulmapisteinä E, B, F ja G johtaa kuviossa 10 2f esitettyyn rakenteeseen. Tämä rakenne, kun se jaetaan pitkin linjaa 42 ja yhdistettävän osan välimagneetin 44 muodossa sijoittamisen jälkeen, jonka magneetin 44 magne-tisoinnin intensiteetti on sama kuin linjan 42 jakamalla kolmiolla, johtaa käyttökelpoiseen magneettijärjestelmään, 15 jolla on kuviossa 2g esitetty kenttätila 28. Magneettijär-jestelmän ympärille on kuten aikaisemminkin sovitettu paluuies 40, jonka materiaalilla on korkea permeabiliteetti. Paluuiestä 40 voidaan pienentää magneettivuon johtamisen kannalta nollavahvuuteen välimagneetin 44 keskiosan 46 20 vieressä, koska magneettivuota ei ole läsnä tässä paikassa. Tätä tarkoitusta varten ikeelle voidaan antaa kuviossa 3a viivoilla 48 esitetty muoto. Paluuikeen massaa voidaan täten vähentää johtaen kuviossa 3 esitettyyn magneettiin. Toisaalta samalla kun säilytetään riittävä tasaisuus mag-: 25 neettikentällä H kenttätilassa 28, välikestomagneeteille 44 voidaan antaa erilainen muoto, tehdä esimerkiksi ohuemmiksi säteettäisessä suunnassa, toisin sanoen magneti-soinnin suunnassa. Tuloksena kuitenkin magneettikentän arvo muuttuu. Sovittamalla paluuies 40 kestomagneettimateriaalin 30 tuloksena olevaan geometriaan, saadaan kuviossa 3b esitetty magneettijärjestelmä. Myös tässä sattumalta ikeen 40 vahvuutta voidaan vähentää vastaavalla tavalla välimagneettien 44 kunkin ulkosivun keskiosan vieressä.

Samalla tavoin kuvion 2e pohjalta voidaan toteuttaa 35 magneetti, jolla on kuviossa 3c esitetty rakenne, jakamalla 7 86584 jakolinjaa 41 pitkin ja lisäämällä väliosat 43 ja toinen ies 40. Kuvioissa 3a ja 3b esitettyjen rakenteiden mukaisesti iestoateriaalia voidaan jälleen säästää tai kesto-magneettimateriaalin massa voidaan optimoida. Kuvioon 3c 5 esiintyvien rakenteiden etu koostuu pääasiassa merkittävästi houkuttelevammasta käyttökelpoisen avoimen tilan ja koko avoimen tilan suhteesta, kuten voidaan päätellä suoraan esitetystä rakenteesta.

Kokonaismassan vähentämiseksi edellä esitetyn mukai-10 sesti muodostettujen magneettien pituus voidaan rajoittaa aksiaalisessa suunnassa esimerkiksi noin 1,5 - 2 kertiaseen kestomagnetisointujen tankojen kenttätilan relevanttiin poikkileikkausdimenssioon. Kun poikkileikkaus vähenee massan väheneminen on likimain verrannollinen lineaaristen 15 dimenssioiden kolmanteen potenssiin, koska pituutta voidaan tällöin myös vähentää. Ajateltua linjaa, kuten on kuvattu yllä viitaten kuvioon 2 yhdelle dimenssiolle, voidaan myös soveltaa kolmeen dimenssioon siten, että tuotetaan kahdek-sanpintainen magneetti, jonka kenttätilassa lukuunottamatta 20 epäsäännöllisyyksiä kestomagneettimateriaalissa aikaansaa daan ideaalinen kentän tasaisuus. Mittaustila on tällöin kuitenkin suljettu kaikilta sivuilta sähkömagneettimate-riaalilla tai iesmateriaalilla ja tutkittavat kohteet eivät siten pääse siihen.

25 Esimerkki pituudeltaan rajoitetusta magneetista on annettu kuviossa 4. Poikkileikkauksena tämä magneetti vastaa oleellisesti kuviossa 3a kuvattua magneettia. Myös tässä paluuiestä 40 voidaan pienentää. Magneettikentän tasaisuus kenttätilassa 28 paranee tässä lisäämällä ver-30 houskerros 50 voimakkaasti anisotrooppista pehmeää mag- neettimateriaalia. Erityisessä sovellutuksessa tämä materiaali koostuu esimerkiksi sivusuunnassa suunnatusta lamelli-rakenteesta, joka on muodostettu vuorottaisesti korkean permeabiliteetin omaavasta maynecLLiniatcriaa] Lsta ja mag-35 netoitumattomasta materiaalista. Tämä suojauskerros neutra- s 86584 loi kentän epätasaisuudet tangoissa 30 ja 44 vastaavasti. Kestomagneettimateriaalin suikaleet, kuten pituussuuntaiset suikaleet 52 ja poikittaiset suikaleet 54, on sovitettu vähentämään kenttätilan rajoitetun pituuden negatii-5 vista vaikutusta. Tätä tarkoitusta varten voidaan vaihtoehtoisesti käyttää sähkömagneettista kelaa sijoitettuna lähelle päätypintaa 56 tai lähelle molempia päätypintoja 56 ja 58. Kelan etuna on, että se sallii kentän tasaisuuden määrän sovittamisen nopeasti ja optimaalisesti käyt-10 täjän vaatimuksiin paikan päällä. Esimerkiksi kentän tasaisuutta lähellä päätypintaa voidaan parantaa mahdollisesti kentän tasaisuuden kustannuksella lähempänä keskustaa. Sama parannus voidaan myös toteuttaa magneettilius-koilla. Mutta se ei ole tällöin enää aseteltavissa. Sym-15 metriasyistä voi olla edullista antaa verhouskerroksen, kuten on esitetty esillä olevassa esimerkissä, ulottua jakolinjan 42 leikkaustasoa pitkin, mutta tämä ei ole välttämätöntä.

Keksinnön mukaisesti kootuissa kestomagneeteissa 20 on tyhjiä tiloja, joita ei voida tehokkaasti käyttää.

Käytännön sovellutuksessa gradienttikelat, jotka vaaditaan leikkauksittaista mittausta varten ja myöhemmin näyttöä varten voidaan sijoittaa näihin tiloihin. Koska gra-dienttikeloja ei tällöin tarvitse sijoittaa kenttätilaan 25 niiden käyttämiseksi tehokkaasti, kenttätila voidaan tehdä pienemmäksi siten, aikaansaadaan vahvistus magneetin massan suhteen, säilyttäen samalla käsiksi päästävyys ja kenttävoimakkuus. Kuvio 3a esittää hyvin kaaviollisesti kuinka gradienttikelat 60 voidaan sijoittaa magneetti-30 järejestelmän tyhjiin kohtiin.

Claims (11)

1. Ydinmagneettiresonanssilaite, jossa on kesto-magneettimateriaalista koottu magneettijärjestelmä (2) 5 homogeenisen päämagneettikentän (H) kehittämistä varten, tunnettu siitä, että kestomagneettimateriaali koostuu pääosin sivusuuntaisesti magnetisoiduista tasaisten pintojen rajoittamista tangoista (30, 44), jotka ympäröivät magneettikenttätilaa (28, 32) pituusakselia pitkin, 10 joka poikkileikkaukseltaan on oleellisesti monikulmion muotoinen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinmagneettiresonanssilaite, tunnettu siitä, että kestomagneettimateriaali koostuu oleellisesti neljästä tangosta (30), 15 joista jokainen muodostaa poikkileikkauksena suorakulmaisen tasakyIkisen kolmion, jotka tangot sulkevat sisäänsä poikkileikkaukseltaan neliömäisen kenttätilan (32) ja jotka on magnetisoitu huippukulman puolittajän suunnassa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinmagneettire- 20 sonanssilaite, tunnettu siitä, että kestomagneettimateriaali koostuu pääosin kahdesta tangosta (30), jotka muodostavat tasakyIkisen kolmion, jonka huippukulma on poikkileikkaukseltaan suora kulma ja kahdesta tangosta, jotka muodostavat poikkileikkaukseltaan trapetsoidin (44), 25 jotka yhdessä ympäröivät suorakulmaisen kenttätilan (28).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ydinmagneettiresonanssilaite, tunnettu siitä, että kestomagneettimateriaali koostuu pääosin neljästä tangosta (30), jotka muodostavat poikkileikkauksena suorakulmaisen tasaky Ikisen 30 kolmion, ja kahdesta tangosta (43), joilla on suorakulmainen poikkileikkaus, jotka yhdessä ympäröivät poikkileikkaukseltaan kuusikulmaista kenttätilaa (28).

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen ydinmagneettiresonanssilaite, tunnettu siitä, että 35 kestomagneettimateriaalin ympärille on sijoitettu paluuies ίο B 6 5 8 4 (40), jonka materiaalilla on suhteellisen korkea permeabi-liteetti.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen ydinmagneettiresonanssilaite, tunnettu siitä, että paluuikeen 5 (40) paikallinen poikkileikkaus suorassa kulmassa paikal lisesti vaikuttavaan magneettivuohon nähden on sovitettu tämän vuon voimakkuuteen.

7. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen ydinmagneettiresonanssilaite, tunnettu siitä, että 10 se kenttätilan osa, joka on kestomagneettisen materiaalin ympäröimä, on verhoiltu voimakkaasti anisotrooppisella magneettisella materiaalilla (50).

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen ydinmagneettiresonanssilaite, tunnettu siitä, että verhousmate- 15 riaalilla (50) on sivusuunnassa suunnattu kerroksittainen rakenne, joka koostuu vuorotellen korkean permeabiliteetin omaavasta magneettisesta materiaalista ja ei-magneettises-ta materiaalista.

9. Patenttivaatimuksen 3 mukainen ydinmagneettire-20 sonanssilaite, tunnettu siitä, että poikkileikkaukseltaan trapetsoidin muotoisilla välitangoilla (44) on magnetisoinnin suunnassa mitta, joka on pienempi kuin kolmikulma isten tankojen (30) korkeus, ja että paluuikeen (40) muoto on sovitettu vastaavasti.

9 86584

10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen ydinmagneettiresonanssilaite, tunnettu siitä, että tangot on rajoitettu pituussuunnassa alueelle yhdestä kahteen kertaan kenttätilan poikkileikkaus, jonka muodostavat kestomagneettitangot, ja että on sovitettu lisämagneetti-30 välineet (52, 54) parantamaan kentän tasaisuutta kenttätilassa.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen ydinmagneettiresonanssilaite, tunnettu siitä, että lisämagneet-tivälineet on sovitettu antamaan parannus kentän tasaisuu-35 teen ainakin lähellä magneetin toista päätypintaa (56, 58). li 3 6584