DE10116623C1 - Magnetresonanzapparatur mit Dämpfung innerer mechanischer Schwingungen - Google Patents

Abstract

Bei einer Magnetresonanz(= MR)-Apparatur mit einem Hauptfeldmagnetsystem mit einer röhrenförmigen Öffnung zur Aufnahme des zu untersuchenden Objekts und mindestens einer in dieser Öffnung angeordneten röhrenförmigen, mechanisch schwingungsfähigen Komponente, insbesondere einem Gradientenspulensystem, sowie mit mindestens einem von dem Hauptfeldmagnetsystem umschlossenen Zylinderelement aus elektrisch leitfähigem Material, das mechanisch fest mit mindestens einer der mechanisch schwingungsfähigen Komponenten verbunden oder ein integraler mechanischer Bestandteil derselben ist, liegt die Summe der Produkte p aus den elektrischen Leitfähigkeiten sigma, den Zylinderradien R und den Wandstärken d des Zylinderelements pro mechanisch schwingungsfähiger Komponente zwischen 1 Am/V und 10000 Am/V, vorzugsweise zwischen 10 Am/V und 1000 Am/V, besonders bevorzugt zwischen 20 Am/V und 500 Am/V. Dadurch erfolgt eine gute nach innen gerichtete Lärmdämpfung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanz(=MR)-Apparatur mit einem Hauptfeldmagnetsystem mit einer röhrenförmigen Öffnung zur Aufnah­ me des zu untersuchenden Objekts und mindestens einer in dieser Öff­ nung angeordneten röhrenförmigen, mechanisch schwingungsfähigen Komponente, nämlich einem Gradientenspulensystem, sowie mit mindestens einem von dem Hauptfeldmagnetsystem umschlossenen Zylinderelement aus elektrisch leitfähigem Material, das mechanisch fest mit mindestens einer der mechanisch schwingungsfähigen Kompo­ nenten verbunden oder ein integraler mechanischer Bestandteil dersel­ ben ist.

Eine solche Anordnung ist aus der WO 00/25146 A1 bekannt.

Eine MR-Apparatur für medizinische Zwecke wird unter anderem dazu verwendet, Querschnittsbilder eines Körpers zu erzeugen. Zu diesem Zweck wird in einem Untersuchungsvolumen der MR-Apparatur ein starkes, konstantes und gleichmäßiges Magnetfeld erzeugt. Ein Gra­ dientenfeld wird dem gleichmäßigen Feld überlagert, um die Stelle zu bestimmen, die aufgenommen werden soll. Die Atome der sich im Un­ tersuchungsvolumen befindlichen Probensubstanz werden dann durch ein HF-Feld angeregt und das Spinresonanzsignal, das bei der Relaxa­ tion der angeregten Atome entsteht, wird verwendet, um ein Bild des Querschnitts zu rekonstruieren, der durch das Gradientenfeld bestimmt wurde. Das konstante, gleichmäßige Feld wird durch einen Hauptfeld­ magneten erzeugt, der supraleitend sein kann. Zusammen mit der zu­ geordneten Umhüllung weist der Hauptfeldmagnet eine röhrenförmige Öffnung auf, in der das Untersuchungsvolumen angeordnet ist. Der Durchmesser dieser Röhre wird durch die Größe des zu untersuchen­ den Patienten bestimmt und hat daher einen vorgegebenen Minimal­ wert, z. B. etwa 90 cm.

Das Gradientensystem zum Erzeugen des magnetischen Gradienten­ felds im Untersuchungsvolumen ist innerhalb der genannten Röhre und um das Untersuchungsvolumen herum angeordnet. Das Gradienten­ system umfasst Gradientenspulen zur Erzeugung eines Gradientenfel­ des. Für jede der drei Koordinatenrichtungen x, y, und z werden Gra­ dienten erzeugt. Während des Messvorgangs werden die Gradienten­ spulen mit Stromstößen/impulsen gespeist, so dass infolge der auf die Gradientenspulen in dem starken Hintergrundfeld des Hauptfeldmag­ neten wirkenden Lorentzkräfte Körperschall in dem Gradientensystem entsteht, welcher von den Oberflächen des Gradientensystems als akustischer Lärm abgestrahlt wird. Um dies zu verhindern, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der WO 00/25146 A1 das Gradienten­ system von einer evakuierten Kapsel umschlossen, welche einerseits einen röhrenförmigen Zugang zum Arbeitsvolumen und welche andererseits an der dem Arbeitsvolumen abgewandten Seite des Gradien­ tensystems mit der Röhre des Hauptfeldmagneten vakuumdicht ver­ bunden ist, welche infolgedessen einen Teil der Kapsel bildet.

Bei dem erwähnten Speisen der Gradientenspulen mit Stromstö­ ßen/impulsen werden mitunter mehr oder weniger starke magnetische Streufelder auch radial außerhalb des Gradientensystems, also im Be­ reich des Hauptfeldmagneten erzeugt. Diese Streufelder können Wir­ belströme in den elektrisch leitenden Teilen der MR-Apparatur induzie­ ren, die in der Nähe der Gradientenspulen angeordnet sind, insbeson­ dere in den metallischen Teilen, die zum Erzeugen des Hauptfelds vorgese­ hen sind. Beispiele sind der röhrenförmige Teil der Umhüllung des Spulensystems, jedwede innerhalb der Umhüllung gelegene thermische Abschirmungen (für den Fall eines supraleitenden Spulensystems) oder die Spulen des Hauptfelds selbst. Die durch die Wirbelströme erzeug­ ten Magnetfelder verursachen erheblichen Lärm, da die Teile, die die Wirbelströme leiten, in dem Hintergrundfeld des Hauptfeldmagneten ebenfalls Lorentzkräften unterworfen sind, die Körperschall erzeugen und auf die Kapsel übertragen.

Um dem entgegen zu wirken, wurde versucht, die Magnetfelder, die au­ ßerhalb des Untersuchungsvolumens erzeugt werden, abzuschirmen oder zu kompensieren. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, eine die Gradientenspule umgebende Abschirmspule vorzusehen, um die Streufelder zu kompensieren. Diese Abschirmspule sollte den Raum außerhalb des Untersuchungsvolumens aktiv abschirmen, indem ein kompensierendes Feld erzeugt wird. Eine vollständige Abschirmung ist mit einer Abschirmspule jedoch nicht möglich, da die Abschirmspule aus diskreten Windungen aufgebaut ist und da aufgrund von Herstel­ lungstoleranzen Abweichungen unausweichlich sind, so dass Magnet­ fluss zwischen den Windungen nach außen dringen kann.

Zur Verbesserung der aktiven Abschirmung ist in der WO 00/25146 vorgeschlagen, dass das Gradientensystem zusätzlich eine Wirbelstromabschirmung aufweist, die aus einem elektrisch leitfähigen, im Wesentlichen geschlossen Zylinderelement besteht und dass das Gra­ dientenspulensystem und die Abschirmspule innerhalb des Zylinder­ elements angeordnet sind und in Verbindung damit eine mechanisch starre Einheit bilden. Dadurch wird erreicht, dass die parasitären Felder der Gradientenspulen beim Speisen mit Stromstößen/impulsen nur langsam auf- und abgebaut werden. Infolgedessen werden in den elekt­ risch leitfähigen Teilen des Hauptfeldmagneten nur in schwachem Ma­ ße Wirbelströme und, damit verbunden, mechanische Schwingungen und Körperschall angeregt. Die Wirkungsweise der Anordnung wird umso besser, je größer das Produkt p aus der elektrischen Leitfähigkeit, der Wandstärke d und dem Radius R des Zylinderelements sind. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt das Produkt p = 80000 Am/V. Es ist anzumerken, dass die in der WO 00/25146 offenbarte Lehre neben weiteren Vorteilen der zusätzlichen Reduzierung von Lärm dient, wel­ cher bereits durch die bekannte Verwendung einer evakuierten, das Gradientensystem vollständig umschließenden Kapsel vermindert ist.

Nun liegt ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung einer evaku­ ierten Kapsel darin, dass eine solche Kapsel relativ aufwändig herzu­ stellen ist. Die Ursache dafür liegt nicht zuletzt darin, dass ein Gra­ dientensystem zahlreiche Versorgungsleitungen wie Stromkabel und Leitungen für Kühlwasser besitzt, welche einerseits vakuumdicht durch die Kapsel hindurch geführt werden müssen und die andererseits so beschaffen sein müssen, dass an den vakuumdichten Durchführungen kein Körperschall durch diese Leitungen von dem mechanisch schwin­ genden Gradientensystem auf die Kapsel übertragen wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine MR-Apparatur der eingangs genannten Art mit möglichst einfachen technischen Mitteln derart wei­ terzubilden, dass der Lärm schwingungsfähiger Komponenten wir­ kungsvoll reduziert werden kann, so dass eine MR-Aufnahme für einen Patienten erträglicher wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß überraschend einfach und tech­ nisch leicht realisierbar dadurch gelöst, dass die Summe der Produkte p aus den elektrischen Leitfähigkeiten σ, den Zylinderradien R und den Wandstärken d des Zylinderelements pro mechanisch schwingungsfä­ higer Komponente zwischen 1 Am/V und 10.000 Am/V, vorzugsweise zwischen 10 Am/V und 1000 Am/V, besonders bevorzugt zwischen 20 Am/V und 500 Am/V liegt.

Ein Zylinderelement, das diesen Anforderungen entspricht, ist elektrisch relativ schlecht leitfähig. Allgemein werden in einem Zylinderelement bei mechanischen Schwingungen in dem Hintergrundfeld des Haupt­ feldmagneten mehr oder weniger starke Wirbelströme mit der Frequenz der mechanischen Schwingung induziert, welche grundsätzlich nach der Lenzschen Regel die ursächliche mechanische Schwingung dämpfen. Überraschenderweise gelingt dies jedoch nur dann in prak­ tisch nutzbarer Weise, wenn das Zylinderelement den genannten An­ forderungen entspricht. Da das Zylinderelement mechanisch fest mit einer schwingungsfähigen Komponente, insbesondere dem Gradien­ tensystem verbunden ist, werden so die mechanischen Schwingungen der schwingungsfähigen Komponente, insbesondere des Gradienten­ systems, gedämpft.

Im Gegensatz zum in der WO 00/25146 beschriebenen Stand der Technik wird bei der erfindungsgemäßen MR-Apparatur die Vibration des Zylinderelements optimal gedämpft, während bei der WO 00/25146 der zeitliche Anstieg oder der zeitliche Abfall parasitärer Magnetfelder des Gradientensystems im Bereich des Haupffeldmagneten möglichst langsam erfolgt. Das Erreichen beider Ziele ist mit derselben Anord­ nung nicht möglich. Im Stand der Technik, wie beispielsweise in der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 199 47 539.3-42, wird für den Abschirmzylinder ein Wert für das Produkt p von mindes­ tens 20000 Am/V, vorzugsweise 40000 Am/V angegeben. Für den Ab­ schirmzylinder der WO 00/25146 lässt sich für die darin als besonders geeignet erwähnten Materialien Kupfer und Aluminium ein Wert p von etwa 80000 Am/V berechnen. Diese Abschirmzylinder müssen daher eine hohe Leitfähigkeit und eine große Zylinderdicke aufweisen, ganz im Gegensatz zu den erfindungsgemäßen Zylinderelementen. Aus den angegebenen Produkten p der Abschirmzylinder des Standes der Technik ergibt sich zweifelsfrei, dass die darin beschriebenen Ab­ schirmzylinder eine völlig andere technische Aufgabe lösen als das Zy­ linderelement der erfindungsgemäßen MR-Apparatur und umgekehrt zur Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung überhaupt nicht geeignet sind.

Die erfindungsgemäße Lösung wirkt hauptsächlich und besonders gut bei Hochfeldmagneten mit magnetischen Flussdichten < 3 Tesla. Bei solchen hohen Flussdichten treten besonders große Lorentzkräfte auf, die in einer MR-Apparatur besonders großen Lärm erzeugen. Dieser Lärm wird durch die erfindungsgemäße Modifikation der MR-Apparatur stark gedämpft.

Es sei hier noch angemerkt, dass als Zylinderelemente nicht nur Zylin­ der im strengen mathematischen Sinne verstanden werden, sondern auch andere geometrische Formen. So können Formen wie Kegel, Doppelkegel, Halbkegel und sphärische Formen ebenfalls Verwendung finden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen MR- Apparatur sind die mechanisch schwingungsfähige Komponente und das Zylinderelement mit einer erstarrten und gehärteten Vergussmasse miteinander vergossen und bilden eine einzige mechanische Einheit. Auf diese Weise ist die mechanische Verbindung zwischen dem Zylin­ derelement und der schwingungsfähigen Komponente besonders gut.

Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Vergussmasse ein mit Glasfasern oder Kohlefasern verstärktes gehär­ tetes Kunstharz ist. Auf diese Weise lässt sich eine besonders harte mechanische Verbindung zwischen dem Zylinderelement und der mechanisch schwingungsfähigen Komponente mit einer wohlerprobten Technologie realisieren.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn mindestens ein Zylinderelement Kohlefasermaterial enthält, insbesondere aus Kohlefasermaterial auf­ gebaut ist. Kohlefasern weisen eine schlechte elektrische Leitfähigkeit auf, haben gute Schalldämpfeigenschaften und eine hohe mechanische Stabilität. Daher sind sie besonders gut für den Einsatz als Zylinder­ element geeignet.

Eine alternative Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein Zylinderelement aus einer Metalllegierung, insbesondere aus einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung oder aus un­ magnetischem Stahl besteht. Diese Materialien weisen eine relativ­ schlechte elektrische Leitfähigkeit auf und können ohne größeren tech­ nischen Aufwand in dünnen Wandstärken herstellt werden.

In einer besonderen Ausführungsform ist das Zylinderelement ein nahtloses Metallrohr. In diesem Falle wird die Erzeugung der kompen­ sierenden Wirbelströme durch keine Naht gestört und die Wirksamkeit des Zylinderelements nicht gemindert.

Wenn mindestens ein Zylinderelement aus mehreren radial aufeinan­ derfolgenden Schichten aufgebaut ist, wird ebenfalls eine hochwirksa­ me Dämpfung der parasitären Magnetfelder bewirkt. Zusätzlich wird jedoch eine optimierte mechanische Dämpfung des Lärms aufgrund des schichtartigen Aufbaus erzielt.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung besteht das Zylinderelement aus einer in mehreren Lagen gewickelten Metallfolie. Dies ist ein besonders einfaches Herstellungsverfahren für das Zylinderelement, das wegen der induktiven Kopplung der verschiedenen Lagen miteinander seine Dämpfungswirkung auch dann nicht verliert, wenn die übereinander gewickelten Lagen keinen elektrischen Kontakt miteinander haben. Die induktive Kopplung eines derartigen Zylinderelements mit dem Haupt­ feldmagneten ist dabei gering. Dies bietet den Vorteil, dass man bei­ spielsweise Gradientenspulen mit einem derartigen Zylinderelement bei geladenem Hauptfeldmagneten ohne allzu große Magnetkräfte in den Magneten ein- und ausbauen kann. Vorzugsweise ist die Metallfolie um die mechanisch schwingungsfähige Komponente gewickelt.

Bei einer alternativen Ausführungsform besteht das Zylinderelement aus mehreren getrennten, miteinander großflächig überlappenden Me­ tallblechen. Die Vorteile sind ähnlich wie bei dem aus einer in mehreren Lagen gewickelten Metallfolie bestehenden Zylinderelement.

Bei einer besonders bevorzugten alternativen Ausführungsform ist das Zylinderelement aus einem mehrlagigen Kunststoff-Compound mit ein­ gelagerten elektrisch leitfähigen Strukturen aufgebaut. Die Herstellung eines Zylinderelement aus diesem Material ist besonders einfach. Durch die Wahl verschiedener Kunststoff-Compounds kann das Zylin­ derelement für eine optimale Dämpfung besonders gut an die jeweils zu dämpfende schwingungsfähige Komponente angepasst werden.

Wenn eine Kühleinrichtung zur Kühlung mindestens eines Zylinderele­ ments vorgesehen ist, kann das Zylinderelement sehr dünnwandig aus­ gebildet werden, ohne bei Aufnahme hoher Wirbelströme thermisch beschädigt zu werden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen MR- Apparatur ist mindestens ein Zylinderelement mit dem Gradientenspu­ lensystem der MR-Apparatur mechanisch starr verbunden. Die durch das Gradientenspulensystem verursachten Kräfte können somit nur zu einer geringfügigen Verwindung der starren Anordnung führen, nicht jedoch zu einer Lärm verursachenden Verschiebung einzelner Kompo­ nenten.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Zylinderelement in thermischem Kontakt zu einer Kühleinrichtung des Gradientenspulensystems steht. Die Kühleinrichtung des Gradientenspulensystems kann somit gleich­ zeitig zur Kühlung des Zylinderelement verwendet werden. Eine sepa­ rate Kühlvorrichtung für das Zylinderelement ist nicht notwendig.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung sind mehrere Kühleinrichtungen für das Gradientenspulensystem vorgesehen und es ist an jeder Kühlein­ richtung ein Zylinderelement mit thermischem Kontakt angeordnet. Mit einer derartigen Anordnung kann eine effektive Dämpfung mit einer hochwirksamen Kühlung der Zylinderelemente verbunden werden.

Wenn das Zylinderelement radial außerhalb der Gradientenspulen des Gradientenspulensystems angeordnet ist, wird die Größe des Untersu­ chungsraums nicht durch das Zylinderelement beeinträchtigt. Beson­ ders vorteilhaft und überraschend an dieser Anordnung ist, dass die Ursache für die Dämpfung, nämlich dass das Zylinderelement außerhalb der lärmverursachenden Gradientenspulen angeordnet ist, jedoch nach innen, d. h. in den Untersuchungsraum hinein wirkt, so dass dort nahezu kein Lärm auftritt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Gradientenspulensystem aktiv abgeschirmt und umfasst ein Abschirmspulensystem. Dabei ist eine radial innen liegende Gradientenspule von einer radial äußeren Spule umgeben, deren Leiterbahnen so angeordnet sind, dass das Ge­ samtfeld dieser Anordnung in dem gesamten außerhalb der Abschirm­ spule liegenden Raum theoretisch vollständig oder zumindest nähe­ rungsweise verschwindet.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Abschirmspulensystem mechanisch starr mit den Gradienten­ spulen verbunden ist und dass das Zylinderelement radial außerhalb des Abschirmspulensystems angeordnet ist. Dadurch wird eine beson­ ders gute Lärmdämpfung sowohl nach außen zum Hauptfeldmagneten als auch nach innen zum Untersuchungsraum erzielt. Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass in diesem Fall in dem Zy­ linderelement ausschließlich die durch mechanische Schwingungen verursachte, diese Schwingungen dämpfende Wirbelströme und theo­ retisch keine durch das Speisen der Gradientenspulen mit Stromstö­ ßen/impulsen direkt induzierte Wirbelströme auftreten.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Zylinderelement mechanisch starr mit einer schallabsorbierenden röh­ renförmigen Kapsel verbunden, die ein Gradientenspulensystem der MR-Apparatur ganz oder teilweise radial und/oder axial umschließt. Die röhrenförmige Kapsel kann luftgefüllt oder evakuiert sein. Wenn sie evakuiert ist, werden Schallwellen nicht übertragen. Außerdem kann das Gradientensystem selbst gedämpft und/oder elastisch gelagert sein, so dass Schwingungen des Gradientensystems nicht an angren­ zende Bauteile weiter geleitet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Zylinderelement selbst eine me­ chanisch schwingungsfähige Komponente und radial innerhalb eines Gradientenspulensystems der MR-Apparatur angeordnet ist. Ein sol­ ches Zylinderelement kann beispielsweise einfach in den Untersu­ chungsraum existierender MR-Apparaturen eingeführt werden. Beste­ hende MR-Apparaturen können so einfach nachgerüstet werden und bei neuen MR-Apparaturen ist kein zusätzlicher konstruktiver Aufwand nötig, um einen lärmarmen Untersuchungsraum in der MR-Apparatur zu schaffen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschrei­ bung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß einzeln für sich und zu meh­ reren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Cha­ rakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße MR-Apparatur mit einer ersten Anordnung des Zylinderelements;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße MR-Apparatur mit einer zweiten Anordnung des Zylinderelements; und

Fig. 3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße MR-Apparatur mit einer dritten Anordnung des Zylinderelements.

Fig. 4 einen Querschnitt eines Zylinderelements.

Fig. 5 den theoretisch ermittelten Verlauf der Dämpfungszeitkonstanten als Funktion der Frequenz einer mechanischen Schwingung röh­ renförmiger Komponenten mit erfindungsgemäßen Zylinderele­ mente mit unterschiedlichen Produkten p.

In der Fig. 1 ist eine MR-Apparatur 1 im Längsschnitt dargestellt. Die MR-Apparatur 1 weist eine röhrenförmige Öffnung 2 auf, in der schwin­ gungsfähige Komponenten 3 angeordnet sind. In der Fig. 1 ist die schwingungsfähige Komponente 3 als Gradientenspule ausgebildet. Die schwingungsfähige Komponente 3 umschließt ein Untersuchungs­ volumen 4. Sie ist mechanisch starr mit einem Zylinderelement 5 ver­ bunden, das radial außerhalb der schwingungsfähigen Komponente 3 angeordnet ist. Das Zylinderelement weist den Radius R und die Wanddicke d auf. Wird ein Gradient geschaltet, dann bewegt sich das Zylinderelement mit der schwingungsfähigen Komponente, dem Gra­ dientensystem mit. Infolge dieser Bewegung des Zylinderelements in dem möglichst starken Hintergrundfeld des Hauptfeldmagneten werden in dem elektrisch leitfähigen Zylinderelement Wirbelströme induziert. Infolge der relativ schlechten elektrischen Leitfähigkeit des Zylinderele­ ments, gekennzeichnet durch den spezifizierten Wertebereich für das Produkt p, wird dabei die mechanische Schwingung der schwingungs­ fähigen Komponente optimal gedämpft, so dass der Lärm im Untersu­ chungsvolumen 4 deutlich reduziert wird. Dies ist mit der Entwicklung von Wärme und einem Temperaturanstieg in dem Zylinderelement ver­ bunden.

In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform einer MR-Apparatur 10 gezeigt. In der röhrenförmigen Öffnung 11 ist eine als schallabsorbie­ rende röhrenförmige Kapsel ausgebildete schwingungsfähige Kompo­ nente 12 vorgesehen. Innerhalb der schwingungsfähigen Komponente 12 ist eine Gradientenspule 13 angeordnet. Die schwingungsfähige Komponente 13 ist mit einem Zylinderelementen 14a und 14b starr ver­ bunden.

Eine weitere alternative Ausführungsform einer MR-Apparatur 20 ist in der Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist in einer röhren­ förmigen Öffnung 21 eine Gradientenspule 22 vorgesehen. In die röh­ renförmige Gradientenspule 22 ist ein Zylinderelement 23 eingescho­ ben, das in diesem Fall auch die schwingungsfähige Komponente dar­ stellt, die gedämpft wird. Der Lärm im Untersuchungsvolumen 24 wird mit dieser Anordnung erheblich verringert.

Die dämpfende Wirkungsweise eines elektrisch leitfähigen Zylinderele­ ments wird, ausgehend von dem in Fig. 4 gezeigten Querschnitt, im fol­ genden erläutert. Das Zylinderelement 43 befinde sich in dem Magnet­ feld eines Hauptfeldmagneten mit der magnetischen Induktion B in Richtung der Achse aus der Zeichenebene heraus. Infolge der festen Verbindung mit einer schwingungsfähigen Komponente führt es eine radiale Schwingung aus. Die durch die Schwingung verursachte zeitli­ che Änderung des Radius betrage r(t) als Funktion der Zeit t. Dabei wird ein elektrischer Strom i(t) in Umfangsrichtung induziert. Es gilt das Induktionsgesetz:

dΦ/dt = 2πBRdr/dt + R²πdB/dt = -R^*i(t),

und das Durchflutungsgesetz (zeitliche Ableitung)
dB/dt = (1/I)µ₀di/dt: zeitliche Ableitung der infolge des Stromes i verur­ sachten zusätzlichen Induktion. Das Durchflutungsgesetz in dieser Form gilt streng nur für eine unendlich große Länge I des Zylinderele­ ments.
Φ: von dem Zylinderelement eingeschlossener magnetischer Fluss,
R^*: elektrischer Widerstand des Zylinderelements in Umfangsrichtung.

Insgesamt ergibt sich für die Beziehung zwischen dem zeitlichen Ver­ lauf der radialen Schwingung r(t) und dem induzierten Strom i(t):

2πBRdr/dt = -Ldi/dt - R^*i(t)

L: Induktivität des Zylinderelements.

Für sinusförmige Schwingungen der Frequenz f bzw der Kreisfrequenz ω gilt bei komplexer Schreibweise für r(t) und i(t):

i0 = -(jω2πBR)/((jωL + R^*)r0),

i0, r0: komplexe Amplituden, die Beträge entsprechen den jeweiligen Spitzenwerten,
j: imaginäre Zahl mit Betrag 1.

Damit beträgt die auf die Länge I bezogene elektrische Verlustleistung:

P = (1/2)R^*i0²/I = (2π/µ₀)B²r0²ω₀ω²/(ω² + ω₀ ²),

mit: ω₀ = R^*/L.

Im Falle hinreichend langer Zylinderelemente gilt:

ω₀ = 2/(µ₀σRd).

Durch die Wahl der elektrischen Leitfähigkeit σ und der Wandstärke d des Zylinderelements lässt sich ω₀ in weiten Grenzen einstellen. Die elektrische Verlustleistung P, welche die Dämpfung der Schwingung bewirkt, wird maximal wenn ω₀ den Wert ω annimmt. Dabei ist ω die Kreisfrequenz der mechanischen Schwingung, welche in der Regel gleich der Kreisfrequenz einer mechanischen Resonanz ist. Typische Werte für mechanische Resonanzfrequenzen f = ω/(2π) liegen zwi­ schen 500 Hz und 5000 Hz. Von daher ergeben sich die im Vergleich mit der WO 00/25146 überraschend kleinen Werte für das Produkt p aus dem Radius R, der Wandstärke d und der elektrischen Leitfähigkeit σ des Zylinderelements.

Nun ist die mechanische Schwingung der gesamten schwingungsfähi­ gen Komponente mit gespeicherter elastischer Energie verbunden. Für den Momentanwert W(t) der gespeicherten Energie pro Längeneinheit gilt:

W(t) = (1/2)Gr²(t)

G = 2πDE/R2: Federkonstante pro Längeneinheit für radiale Schwingungen,
D: Wandstärke der schwingungsfähigen Komponente,
E: mittlerer Elastizitätsmodul der schwingungsfähigen Komponente,
R2: mittlerer Radius der schwingungsfähigen Komponente.

Die mittlere gespeicherte Energie W pro Längeneinheit einer zunächst ungedämpft angenommenen Schwingung beträgt:

W = πDEr0²/(2R2).

Im Falle einer ausschließlich durch die Wirbelströme in dem Zylinder­ element gedämpften Schwingung wird die mittlere gespeicherte Energie W zunächst mit der Leistung P abgebaut. Für die zeitliche Abnahme der gespeicherten Energie ergibt sich eine Zeitkonstante T1 = W/P. Für die zeitliche Abnahme der Amplitude r(t) der Schwingung ergibt sich eine genau doppelt so große Zeitkonstante T2. Es gilt:

T2 = DEµ₀(ω² + ω₀ ²)/(2R2B²ω₀ω²).

In Fig. 5 sind für eine schwingunsfähige Komponente in einer Magnet­ resonanzapparatur mit den charakteristischen Werten:
D = 0,05 m,
E = 5 × 10¹⁰ Pa,
R2 = 0,2 m,
B = 7 T
Funktionen T2(f) für unterschiedliche Werte für das Produkt p, welches die Kreisfrequenz ω₀ bestimmt, dargestellt. Für Frequenzen f oberhalb von 1000 Hz lassen sich mit erfindungsgemäßen Einrichtungen durch­ aus Dämpfungszeitkonstanten T2 im Bereich zwischen 10 ms und 100 ms erreichen, wodurch Körperschall wirksam reduziert wird.

Grundsätzlich ist zu beachten, dass natürlich die mit erfindungsgemä­ ßen Einrichtungen angestrebten Dämpfungen mit elektrischen Strömen in dem jeweiligen Zylinderelement verbunden sind, welche im Rahmen des hier angegebenen Formalismus berechnet werden können und welche zusätzliche magnetische Störfelder erzeugen, die prinzipiell zu Störungen der Funktion der Magnetresonanzapparatur führen können. Diese Ströme bzw. die damit verbundenen Magnetfelder sind jedoch in der Regel sehr klein im Vergleich mit den von dem Gradientensystem direkt erzeugten Magnetfeldern. Die Störfelder lassen sich besonders klein halten, wenn man die Kreisfrequenz ω₀ größer wählt als die zu dämpfende Kreisfrequenz ω. Auch dann kann noch eine gute Dämp­ fung erzielt werden, welche für höhere Frequenzen sogar besonders gut ist. Generell können auch die in der Druckschrift P. Jehenson, M. Westphal, N. Schuff, J. Magn. Res. 90, 264-278 (1990) beschriebenen Methoden mit geeigneten Modifikationen verwendet werden, um solche Störfelder zu kompensieren.

Claims (19)

1. Magnetresonanz(= MR)-Apparatur (1; 10; 20) mit einem Haupt­ feldmagnetsystem mit einer röhrenförmigen Öffnung (2; 11; 21) zur Aufnahme des zu untersuchenden Objekts und mindestens einer in dieser Öffnung angeordneten röhrenförmigen, mecha­ nisch schwingungsfähigen Komponente (3; 12; 23), nämlich ei­ nem Gradientenspulensystem, sowie mit mindestens einem von dem Hauptfeldmagnetsystem umschlossenen Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) aus elektrisch leitfähigem Material, das me­ chanisch fest mit mindestens einer der mechanisch schwin­ gungsfähigen Komponenten (3; 12; 23) verbunden oder ein inte­ graler mechanischer Bestandteil derselben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Produkte p aus den elektrischen Leitfähigkeiten σ, den Zylinderradien R und den Wandstärken d des Zylinder­ elements (5; 14a, 14b; 23; 43) pro mechanisch schwingungsfähi­ ger Komponente (3; 12; 23; 43) zwischen 1 Am/V und 10.000 Am/V, vorzugsweise zwischen 10 Am/V und 1000 Am/V, beson­ ders bevorzugt zwischen 20 Am/V und 500 Am/V liegt.

2. MR-Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingungsfähige Komponente (3; 12; 23) und das Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) mit einer erstarrten und gehärteten Vergussmasse miteinander vergossen sind und eine einzige mechanische Einheit bilden.

3. MR-Apparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergussmasse ein mit Glasfasern oder Kohlefasern ver­ stärktes gehärtetes Kunstharz ist.

4. MR-Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) Kohlefasermaterial enthält, insbesondere aus Kohlefasermaterial aufgebaut ist.

5. MR-Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mindestens ein Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) aus einer Metalllegierung, insbesondere aus einer Kup­ fer- oder Aluminiumlegierung oder aus unmagnetischem Stahl besteht.

6. MR-Apparatur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) ein nahtloses Metallrohr ist.

7. MR-Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) aus mehreren radial aufeinanderfolgenden Schichten aufgebaut ist.

8. MR-Apparatur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) aus einer in mehreren Lagen gewickelten Metallfolie besteht.

9. MR-Apparatur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) aus mehreren ge­ trennten miteinander großflächig überlappenden Metallblechen besteht.

10. MR-Apparatur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderelement (5; 14a, 14b; 23; 43) aus einem mehrlagigen Kunststoff-Compound mit eingelagerten elektrisch leitfähigen Strukturen aufgebaut ist.

11. MR-Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Kühleinrichtung zur Kühlung mindestens eines Zylinderelements (5; 14a, 14b; 23; 43) vorge­ sehen ist.

12. MR-Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zylinderelement (5) mit dem Gradientenspulensystem (3) der MR-Apparatur (1) me­ chanisch starr verbunden ist.

13. MR-Apparatur nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeich­ net, dass das Zylinderelement (5) in thermischem Kontakt zu ei­ ner Kühleinrichtung des Gradientenspulensystems (3) steht.

14. MR-Apparatur nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühleinrichtungen für das Gradientenspulensystem (3) vorgesehen sind, und dass an jeder Kühleinrichtung ein Zylin­ derelement (5) mit thermischem Kontakt angeordnet ist.

15. MR-Apparatur nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderelement (5) radial außerhalb der Gradientenspulen des Gradientenspulensystems (3) ange­ ordnet ist.

16. MR-Apparatur nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Gradientenspulensystem (3) aktiv ab­ geschirmt ist und ein Abschirmspulensystem umfasst.

17. MR-Apparatur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschirmspulensystem mechanisch starr mit den Gradien­ tenspulen verbunden ist und dass das Zylinderelement (5) radial außerhalb des Abschirmspulensystems angeordnet ist.

18. MR-Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zylinderelement (14a, 14b) mechanisch starr mit einer schallabsorbierenden röh­ renförmigen Kapsel (2) verbunden ist, die ein Gradientenspulen­ system (13) der MR-Apparatur (10) ganz oder teilweise radial und/oder axial umschließt.

19. MR-Apparatur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass das Zylinderelement (23) selbst eine mechanisch schwingungsfähige Komponente und radial inner­ halb eines Gradientenspulensystems (22) der MR-Apparatur (20) angeordnet ist.