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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die
Kernspintomographie (Synonym: Magnetresonanztomographie; MRT)
wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten
Anwendung findet. Dabei bezieht sich die vorliegende
Erfindung insbesondere auf ein Kernspintomographiegerät, bei
dem Schwingungen von Gerätekomponenten, die sich in vielen
Aspekten negativ auf das Gesamtsystem auswirken, reduziert
sind.
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Die MRT basiert auf dem physikalischen Phänomen der
Kernspinresonanz und wird als bildgebendes Verfahren seit
über 15 Jahren in der Medizin und in der Biophysik
erfolgreich eingesetzt. Bei dieser Untersuchungsmethode wird
das Objekt einem starken, konstantem Magnetfeld ausgesetzt.
Dadurch richten sich die Kernspins der Atome in dem Objekt,
welche vorher regellos orientiert waren, aus.
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Hochfrequenzwellen können nun diese "geordneten" Kernspins zu
einer bestimmten Schwingung anregen. Diese Schwingung erzeugt
in der MRT das eigentliche Messsignal, welches mittels
geeigneter Empfangsspulen aufgenommen wird. Durch den Einsatz
inhomogener Magnetfelder, erzeugt durch Gradientenspulen,
kann dabei das Messobjekt in alle drei Raumrichtungen
räumlich kodiert werden. Das Verfahren erlaubt eine freie
Wahl der abzubildenden Schicht, wodurch Schnittbilder des
menschlichen Körpers in allen Richtungen aufgenommen werden
können. Die MRT als Schnittbildverfahren in der medizinischen
Diagnostik, zeichnet sich in erster Linie als
"nicht-invasive" Untersuchungsmethode durch ein vielseitiges
Kontrastvermögen aus. Die MRT verwendet heute Anwendungen mit
hoher Gradientenleistung, die bei Messzeiten in der
Größenordnung von Sekunden und Minuten eine exzellente
Bildqualität ermöglichen.
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Die ständige technische Weiterentwicklung der Komponenten von
MRT-Geräten, und die Einführung schneller
Bildgebungssequenzen eröffnete der MRT immer mehr
Einsatzgebiete in der Medizin. Echtzeitbildgebung zur
Unterstützung der minimalinvasiven Chirurgie, funktionelle
Bildgebung in der Neurologie und Perfussionsmessung in der
Kardiologie sind nur einige wenige Beispiele.
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Der grundsätzliche Aufbau eines der zentralen Teile eines
solchen MRT-Gerätes ist in Fig. 4 dargestellt. Sie zeigt
einen Grundfeldmagneten 1 (z. B. einen axialen supraleitenden
Luftspulenmagneten mit aktiver Streufeldabschirmung) der in
einem Innenraum ein homogenes magnetisches Grundfeld erzeugt.
Der supraleitende Magnet 1 besteht im Inneren aus
supraleitenden Spulen die sich in flüssigem Helium befinden.
Der Grundfeldmagnet ist von einem zweischaligen Kessel, der
in der Regel aus Edelstahl ist, umgeben. Der innere Kessel,
der das flüssige Helium beinhaltet und zum Teil auch als
Windungskörper für die Magnetspulen dient, ist über schwach
wärmeleitende Gfk-Stäbe (Rods) an dem äußeren Kessel, der
Raumtemperatur hat, aufgehängt. Zwischen innerem und äußerem
Kessel herrscht Vakuum.
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Mittels Tragelementen 7 ist die zylinderförmige
Gradientenspule 2 in den Innenraum des Grundfeldmagneten 1 in
das Innere eines Tragrohrs konzentrisch eingesetzt. Das
Tragrohr ist nach Außen durch eine äußere Schale 8, nach
Innen durch eine innere Schale 9 abgegrenzt. Die Funktion der
Schicht 10 wird später erläutert.
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Die Gradientenspule 2 besitzt drei Teilwicklungen, die ein
dem jeweils eingeprägten Strom proportionales, räumlich
jeweils zueinander senkrechtes Gradientenfeld erzeugen. Wie
in Fig. 5 dargestellt umfaßt die Gradientenspule 2 eine x-
Spule 3, eine y-Spule 4 und eine z-Spule 5, die jeweils um
den Spulenkern 6 gewickelt sind und so ein Gradientenfeld
zweckmäßigerweise in Richtung der kartesischen Koordinaten x,
y und z erzeugen. Jede dieser Spulen ist mit einer eigenen
Stromversorgung ausgestattet um unabhängige Strompulse
entsprechend der in der Pulssequenzsteuerung programmierten
Folge amplituden- und zeitgenau zu erzeugen. Die
erforderlichen Ströme liegen bei etwa 250 A. Da die
Gradientenschaltzeiten so kurz wie möglich sein sollen, sind
Stromanstiegsraten in der Größenordnung von 250 kA/s nötig.
In einem außerordentlich starken Magnetfeld wie es der
Grundfeldmagnet 1 erzeugt (typischerweise zwischen 0,22 bis
1,5 Tesla) sind mit derartigen Schaltvorgängen aufgrund der
dabei auftretenden Lorentzkräfte starke mechanische
Schwingungen verbunden. Alle mechanisch an das
Gradientensystem angekoppelten Systemkomponenten (Gehäuse,
Abdeckungen, Kessel des Grundfeldmagneten bzw. Magnethülle,
HF-Körperspule usw.) werden zu erzwungenen Schwingungen
angeregt.
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Da die Gradientenspule in aller Regel von leitfähigen
Strukturen umgeben ist (z. B. Magnetgefäß aus Edelstahl),
werden in diesen durch die gepulsten Felder Wirbelströme
angeworfen, die durch Wechselwirkung mit dem Grundmagnetfeld
Kraftwirkungen auf diese Strukturen ausüben und diese
ebenfalls zu Schwingungen anregen.
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Es gibt noch eine Vibrationsquelle die hauptsächlich das
Magnetgefäß zu Schwingungen anregt. Dies ist der sogenannte
Kaltkopf 6 der dafür sorgt, daß die Temperatur des
Grundfeldmagneten 1 erhalten bleibt. Er wird von einem
Kompressor angetrieben und übt auf die Hülle des
Grundfeldmagneten 1 mechanische Schläge aus.
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Diese Schwingungen der verschiedenen MR-Komponenten wirken
sich in vielen Aspekten negativ auf das MR-System aus:
- 1. Es wird ausgesprochen starker Luftschall erzeugt (Lärm)
der sich als Belästigung des Patienten, des Bedienpersonals
und anderen Personen in der Nähe der MR-Anlage darstellt.
- 2. Die Vibrationen der Gradientenspule sowie des
Grundfeldmagneten und deren Übertragung auf den HF-
Resonator und die Patientenliege im Innenraum des
Grundfeldmagneten bzw. der Gradientenspule äußern sich in
unzureichender klinischer Bildqualität, die sogar zu
Fehldiagnosen führen kann (z. B. bei funktioneller
Bildgebung, fMRT).
- 3. Hohe Kosten entstehen auch durch die Notwendigkeit einer
schwingungsdämpfenden Systemaufstellung - ähnlich wie ein
optischer Tisch - um eine Übertragung der Schwingungen auf
den Boden bzw. umgekehrt zu unterbinden.
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Im Stand der Technik wird der Übertragung von
Schwingungsenergie zwischen Gradientenspule und Tomograph
durch den Einsatz von mechanischen und/oder
elektromechanischen Schwingungsdämpfern entgegengewirkt.
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So wird in der Offenlegungsschrift DE 197 22 481 A1 ein
Kernspintomographie-Gerät offenbart, das einen von einer
Magnethülle umgebenden Magnetkörper aufweist, und diese
Magnethülle einen Innenraum umgibt und begrenzt, wobei sich
in diesem Innenraum ein Gradientenspulensystem befindet und
wobei auf einer den Innenraum begrenzenden Innenseite der
Magnethülle eine dämpfende Struktur zur Absorption
akustischer Schwingungen vorgesehen ist, welche beim Schalten
der die Gradientenfelder erzeugenden Ströme hervorgerufen
werden. Gedacht wird in diesem Falle an flüssige, gasförmige
oder schüttfähige Dämmstoffe aus denen mindestens ein
dämpfendes Kissen gebildet wird.
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In der Patentschrift DE 197 34 138 A1 wird der Einsatz
ebenfalls passiv wirkender gummiartiger Dämpfungselemente
(z. B. Gummilager) beansprucht sowie die Kapselung der
Gradientenspule in einem separaten Vakuumgehäuse.
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Zur Reduktion der Schwingungen werden üblicherweise auch
folgende weitere passive Maßnahmen vorgenommen:
- - Generelle Kapselung der Vibrationsquelle
- - Einsatz dicker und schwerer Materialien
- - von "Außen" aufgebrachte Dämpfungsschichten (z. B. Teer)
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Insbesondere der Lärm-Entstehungsweg über das Innere des MR-
Gerätes, d. h. Produktion von Lärm durch Vibration der
Gradientenspule und Übertragen des Lärms auf das in der
Gradientenspule befindliche Tragrohr (Fig. 4), welches
diesen nach Innen an den Patienten und den Innenraum
abstrahlt, wird gemäß dem US-Patent 4954781 durch eine
dämpfende viskoelastische Schicht 10 (Fig. 4) in der
doppellagigen inneren Schicht 9 des Tragrohrs blockiert.
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Weiterhin ist es bekannt dies durch Einbringen
schallabsorbierender sogenannter akustischer Schäume in den
Bereich zwischen Tragrohr und Gradientenspule zu erreichen.
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DE 196 43 116 A1 offenbart die Integration magnetostriktiver
Materialien, insbesondere in die Gradientenspule, wodurch im
geregelten Betrieb ein aktives Gegensteuern ermöglicht und so
die Schwingungsamplitude der Gradientenspule vermindert wird.
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Die Patentschrift DE 44 32 747 C2 lehrt ebenfalls eine aktive
Dämpfung einzusetzen, dies jedoch durch integrierte
elektrostriktive Piezo-Aktuatoren.
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Nichtsdestotrotz ist die akustische Abstrahlung eines heute
üblichen MRT-Gerätes immer noch sehr hoch.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die
Lärmübertragung beim Betrieb eines MRT-Gerätes weiter zu
verringern.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des
unabhängigen Anspruchs gelöst. Die abhängigen Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders
vorteilhafter Weise weiter.
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Es wird ein Kernspin-Tomographiegerät vorgeschlagen, das
einen Magnetkörper aufweist, umgeben von einer Magnethülle
die einen Innenraum umgibt und begrenzt, wobei sich in diesem
Innenraum ein Gradientenspulensystem befindet. Auf einer den
Innenraum begrenzenden Innenseite der Magnethülle ist eine
dämpfende Schichtblechstruktur vorgesehen zur Absorption
akustischer Schwingungen, welche beim Umschalten des
Gradientenspulensystems erzeugt werden.
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Vorteilhafterweise wird dadurch die sich als Lärm
darstellende Belästigung reduziert. Außerdem wird die
Übertragung von Schwingungen auf den HF-Resonator und die
Patientenliege vermindert, so daß die klinische Bildqualität
nicht wesentlich beeinträchtigt wird.
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Bezüglich des Aufbaus der dämpfenden Schichtblechstruktur
gibt es verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten:
Stellt die dämpfende Schichtblechstruktur ein offenes System
dar, bildet ein inneres Blech (1) die vakuumtragende
Innenwand der Magnethülle und ein äußeres Blech (2) mit einer
zwischen den beiden Blechen (1) und (2) liegenden
Dämpfungsebene die eigentlich dämpfende Außenwand der
Magnethülle.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich das offene System dabei nur
über die dem Innenraum zugewandte Teilfläche der Magnethülle.
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Stellt die dämpfende Schichtblechstruktur ein geschlossenes
System darstellt, bildet sowohl das innere Blech (1) sowie
das äußere Blech (2) die vakuumtragende Wand der Magnethülle,
wobei sich zwischen den beiden Blechen (1) und (2) eine
Dämpfungsebene befindet.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich das geschlossene System
dann nur über die dem Innenraum zugewandte Teilfläche der
Magnethülle.
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Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn sich das
geschlossene System über die gesamte Fläche der Magnethülle
erstreckt.
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Die dämpfende Schichtblechstruktur ist vorteilhafterweise aus
zwei Blechen mit einer dazwischen befindlichen Dämpfungsebene
gebildet.
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Genauso kann es aber auch von Vorteil sein, wenn die
dämpfende Schichtblechstruktur in einem Mehrschichtaufbau (3)
ein geschlossenes System aus mehreren Blechen mit dazwischen
liegenden Dämpfungsebenen gebildet ist.
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Dabei ist die Dämpfungsebene vorteilhafterweise eine
viskoelastische Schicht.
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Um eine Übertragung der mechanischen Schwingungen des
Kaltkopfes auf die Magnethülle zu verhindern, ist ein
weiterer vorteilhafter Bestandteil der vorliegenden
Erfindung, daß die dämpfende Schichtblechstruktur in Form
eines offenen oder geschlossenen Systems ringförmig um den
Kaltkopf gelegt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen
bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch den
Grundfeldmagneten und den Komponenten des Innenraums den
er umschließt.
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Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch die dämpfende
Schichtblechstruktur, die ein offenes System darstellt,
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Fig. 1b zeigt einen Schnitt durch die dämpfende
Schichtblechstruktur, die ein geschlossenes System
darstellt das sich nur über der dem Innenraum
zugewandten Teilfläche der Magnethülle erstreckt,
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Fig. 1c zeigt einen Schnitt durch die dämpfende
Schichtblechstruktur, die ein geschlossenes System
darstellt das sich über die gesamte Fläche der
Magnethülle erstreckt,
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Fig. 1d zeigt einen Schnitt durch die dämpfende
Schichtblechstruktur, die ein geschlossenes System aus
mehreren Blechen mit dazwischen befindlichen
Dämpfungsebenen bildet,
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Fig. 2a zeigt einen Schnitt durch die Magnethülle an
der Stirnseite unter Verwendung von radial angeordneten
Versteifungen,
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Fig. 2b zeigt die Frontansicht auf die Stirnseite des
Grundfeldmagneten unter Verwendung von radial
angeordneten Versteifungen,
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Fig. 3 stellt die Patientenliege dar, die durch
Integration von dämpfenden Schichten in die Tragstruktur
schwingungsgedämpft ist.
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Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung des
Grundfeldmagneten nach dem Stand der Technik,
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Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung der
Gradientenspule mit den drei Teilwicklungen nach dem
Stand der Technik,
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Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch den
Grundfeldmagneten 1 eines MRT-Gerätes und durch weitere
Komponenten des Innenraums den dieser umschließt. Der
Grundfeldmagnet 1 enthält supraleitende Magnetspulen die sich
in flüssigem Helium befinden und ist von einer Magnethülle 12
in Form eines zweischaligen Kessels umgeben. Für eine
Konstanthaltung der Temperatur ist der außen an der
Magnethülle 12 angebrachte sogenannte Kaltkopf 15
verantwortlich. In dem von der Magnethülle 12 (auch
Magnetgefäß genannt) umschlossenen Innenraum ist über
Tragelemente 7 die Gradientenspule 2 konzentrisch eingehängt.
Im Innern der Gradientenspule 2 ist wiederum der
Hochfrequenz-Resonator 13 ebenfalls konzentrisch eingebracht.
Dieser hat die Aufgabe, die von einem Leistungssender
abgegebenen HF-Pulse in ein magnetisches Wechselfeld zur
Anregung der Atomkerne des Patienten 18 umzusetzen und,
anschließend das von dem präzedierenden Kernmoment ausgehende
Wechselfeld in eine dem Empfangszweig zugeführte Spannung zu
wandeln. Der Patient 18 wird auf einer Patientenliege 19, die
sich auf einer Gleitschiene 17 befindet, über auf dem HF-
Resonator 13 angebrachten Rollen 20 in die Öffnung bzw. den
Innenraum des Systems eingefahren. Die Gleitschiene ist auf
einem vertikal verstellbaren Tragrahmen 16 gelagert.
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Das schematisch in Fig. 1 dargestellte System hat nun zwei
Vibrations-Quellen bzw. Schwingungszentren. Das ist zum einen
der Kaltkopf 15, zum anderen die Gradientenspule 2.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Lärmübertragung
durch den Einsatz einzelner schichtweise aufgebauter
Komponenten an bestimmten strategischen Stellen zu
vermindern.
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Die angesprochenen strategischen Stellen, an denen dämpfende
Schichtblechstrukturen eingesetzt werden sollen, sind die
Magnethülle 12, insbesondere der besonders
schwingungssensitive Bereich der Magnetinnenseite 14
(Warmbore), der Bereich um den Kaltkopf 15 und die
Patientenliege 16, 17, 19.
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Da die schwingenden Teile ein fast kontinuierliches
Eigenschwingungsspektrum aufweisen, ist es besonders für
höhere Frequenzen (> 100 Hz) ein effektiverer Weg, die
Dämpfung der Schicht zu erhöhen als die Masse oder die
Steifigkeit. Herkömmlich kann dies z. B. durch Aufbringen von
Schwerfolien realisiert werden. Im Fall der Magnethülle 12
ist eine Metalloberfläche sowohl vakuumtechnisch wie auch in
Design (Größe; harte Oberfläche) und Konstruktion
(Toleranzen) von Vorteil. Ein dämpfendes Schichtblech hat in
Bezug auf die Dicke die größte Schwingungsreduktion im
Vergleich zu anderen passiven Methoden. Die natürliche
Versteifung durch den Schichtaufbau sorgt für eine größere
Steifigkeit im Verhältnis zum Gewicht.
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Die Integration schwingungsdämpfender Eigenschaften in die
Struktur der entsprechenden Komponenten weist dabei keine
Nachteile in Design und Funktionalität auf. Der Einsatz eines
dämpfenden Schichtblechs vermindert die Schwingungsamplituden
um einen Faktor > 10 ohne Einschränkungen in Funktionalität
oder Design. Derzeit sind Schichtbleche in Sandwichaufbau
bereits großtechnisch-kommerziell erhältlich (BONDAL-Stahl,
Firma Krupp-Hösch) oder durch überschaubaren Aufwand
herstellbar (mit z. B. 3M-Scotchdamp zwischen den Blechlagen).
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Erfindungsgemäß sind verschiedene Ausführungen vorstellbar:
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Fig. 1a zeigt ein System das nur an der den Innenraum 21
begrenzenden Innenseite 14 der Magnethülle 12 zweischichtig
ist. Die innere Schicht A hat, wie die Stirnseite K, zur
Aufgabe das Vakuum im Inneren der Magnethülle 12 gegenüber
dem außen herrschenden Luftdruck aufrechtzuerhalten. Dies
erfordert eine ausreichende mechanische Steifigkeit um der
statischen Unterdrucklast standzuhalten. In dem in Fig. 1a
dargestellten System ist nur die den Innenraum 21 begrenzende
Innenseite 14 der Magnethülle 12 mit einer weiteren
Blechschicht B versehen. Diese muß nicht vakuumdicht sein.
Sie hat zur Aufgabe die Steifigkeit sowie die Dämpfung der
Innenseite 14 zu erhöhen. Die eigentliche Dämpfung jedoch
bewirkt eine Dämpfungsschicht, die zwischen den beiden
Blechschichten A und B als Mittelschicht E dargestellt ist.
Diese ist mit den angrenzenden Metallschichten A und B
klebend verbunden. Da in Fig. 1a die äußere Schicht B keine
tragende Funktion hat, wird die dargestellte Struktur der
Magnethülle 12 als offenes System bezeichnet.
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Dagegen zeigt Fig. 1b ein geschlossenes System. Hier besteht
die den Innenraum 21 begrenzende Innenseite 14 der
Magnethülle 12 ebenfalls aus einer inneren Schicht C und
einer äußeren Schicht D. Zwischen beiden Schichten befindet
sich ebenfalls eine Dämpfungsschicht E. Der Unterschied zu
dem offenen System in Fig. 1a ist jedoch der, daß mit der
inneren Schicht C auch die äußere Schicht D wie die
Stirnfläche K dem Ultrahochvakuum im Inneren der Magnethülle
12 standhalten muß. Die beiden Schichten bzw. Bleche C und D
sind daher miteinander und mit der Schale K verschweißt und
bilden somit eine geschlossene konstruktive Einheit in Form
einer Sandwichkonstruktion. Dieses geschlossene System ist
zwar kostenaufwendiger, hat aber eine höhere Steifigkeit und
und blockiert dadurch um so besser eine Lärmübertragung.
Die Blechdicken der jeweiligen Schichten kann in beiden
Systemen gleich oder aber unterschiedlich sein. In den
Ausführungsformen der Fig. 1a und 1b ist ein schichtweiser
Aufbau durch eine viskoelastische Zwischenschicht
ausschließlich in dem besonders schwingungssensitiven Bereich
des Warmbores 14 (Fig. 1) dargestellt. Genauso ist aber auch
eine dämpfende Schichtblechstruktur über die gesamte
Magnethülle 12 denkbar wie in Fig. 1c dargestellt.
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Eine zwar kostenaufwendigere aber noch effektivere Dämpfung
erreicht man durch einen schichtweisen Aufbau mit mehr als
zwei wie in Fig. 1d z. B. drei Blechschichten G, H, J.
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Wie oben erwähnt wird durch einen Mehrschichtaufbau die
natürliche Steifigkeit der entsprechenden Oberfläche erhöht.
Eine noch höhere Steifigkeit insbesondere an der Stirnseite
der Magnethülle 12 erhält man durch Anbringen zusätzlicher
radial angeordneter Versteifungen F (Fig. 2a Schnittbild und
2b Frontansicht).
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Die eben aufgeführten Ausführungsmöglichkeiten sind dazu
geeignet, bei entsprechend angepaßter Integration, die
Ausbreitung von Vibrationen zu verhindern und zwar durch
ringförmige Isolation der Vibrationsquelle, wie sie
beispielsweise der Kaltkopf darstellt.
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In Fig. 3 ist eine Patientenliege dargestellt. Ein
muldenförmiges Brett 19, auf dem der Patient liegt, ist auf
eine Gleitschiene 17 montiert. Die Gleitschiene 17, selbst
horizontal beweglich, befindet sich auf einem vertikal
verstellbaren Tragrahmen 16, durch den die Liege mit dem
Patienten auf Höhe der Roll-Lager 20 gebracht werden und in
die Öffnung des Systems eingefahren werden kann.
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Eine Vibrationsübertragung des Magneten bzw. des HF-
Resonators auf die Patientenliege 16, 17, 19 kann ebenfalls
durch Integration von dämpfenden Schichten E in die
Tragstruktur der Liege, das heißt in das Brett 19 und die
Gleitschiene 17 bzw. zwischen beide Teile, zwischen
Tragrahmen 16 und Gleitschiene 17 sowie durch ein dämpfendes
Roll-Lager 20 verhindert werden.