DE19620926C2 - Magnetanordnung für ein NMR-Tomographiesystem, insbesondere für Haut- und Oberflächenuntersuchungen, Verfahren zur Herstellung der Magnetanordnung und Gradientenspulensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetanordnung für ein einsei­ tiges NMR-Tomographiesystem, das um eine z-Achse rotations­ symmetrisch aufgebaut ist, mit einem axial in Richtung der z-Achse magnetisierten permanentmagnetischen Ring mit Außen­ radius R_a und Innenradius R_i, der sich in axialer Richtung bis zu einer Ebene E (z = z_E) erstreckt, zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds B in einem Meßvolumen.

Eine solche Magnetanordnung ist bekannt aus der US-Patent­ schrift 5,117,188.

Die bekannte Anordnung umfaßt horizontale kreisringförmige Magnetfelderzeugungsmittel, die in der Regel als Spule aus­ geführt sind, die aber auch Permanentmagnete verwenden kann. Radial innerhalb und axial unterhalb dieses Kreisrings gibt es einen tellerförmigen Einsatz aus ferromagnetischem Mate­ rial, vorzugsweise Eisen, dessen Oberfläche so geformt sein soll, daß in einem kugelförmigen Abbildungsvolumen oberhalb der Kreisfläche ein homogenes Magnetfeld herrscht. Der Radi­ us der bevorzugten Anordnung entspricht etwa der Länge eines menschlichen Körpers und das Abbildungsvolumen hat einen Durchmesser von 30 cm. Obwohl Anordnungen für die bildgeben­ de magnetische Resonanz in aller Regel ein Gradientensystem erfordern mit Gradientenspulensätzen, die geschaltet mit ei­ nem Strom beaufschlagbar sind, werden solche in der genann­ ten US-Patentschrift nicht explizit erwähnt.

Tomographiesysteme zur Durchführung diagnostischer Untersu­ chungen am menschlichen Körper auf der Basis der magneti­ schen Kernresonanz (NMR) sind bekannt. Sie benötigen als ma­ gnetfelderzeugende Komponenten einen Hauptfeldmagneten sowie ein aus drei Gradientenspulen bestehendes Gradientenspulen­ system. Die Aufgabe des Hauptfeldmagneten besteht darin, in einem für die NMR-Untersuchung hinreichend großen Volumen ein hinreichend starkes und zeitlich und räumlich hinrei­ chend konstantes Magnetfeld zu erzeugen. Als Hauptfeldmagne­ te werden derzeit tiefkalte supraleitende Magnetsysteme mit Feldstärken zwischen 0,5 T und 4 T, resistive Magnetsysteme mit Feldstärken zwischen 0,1 T und 0,4 T sowie Dauermagnet­ systeme mit Feldstärken zwischen 0,06 T und 0,3 T einge­ setzt. Für NMR-Untersuchungen ist als Meßvolumen dabei stets nur ein räumlicher Bereich nutzbar, in dem die Magnetfeld­ stärke weitgehend konstant ist, d. h. die relative Schwan­ kung der Feldstärke kleiner als etwa 50 ppm ist. Bei soge­ nannten Ganzkörpermagneten, mit denen der menschliche Körper vollständig untersucht werden kann, ist dieser Bereich in der Regel näherungsweise kugelförmig mit Durchmessern zwi­ schen 30 cm und 50 cm.

Unter einem "einseitigen" NMR-Tomographiesystem wird ein Sy­ stem verstanden, bei dem der Zugriff auf das Meßvolumen über einen Polarwinkel von nahezu 180° und einen Azimutwinkel von 360° möglich ist.

Supraleitende Ganzkörpermagnete mit normalerweise solenoid­ förmiger Magnetspule besitzen eine röhrenförmige Patienten­ öffnung mit einem Durchmesser von etwa 90 cm und einer Länge zwischen 1,4 m und 2,5 m, wobei das Meßvolumen im Zentrum der Röhre liegt. Das röhrenförmige Gradientenspulensystem befindet sich ebenfalls in der Patientenöffnung des Magneten und umschließt den Patienten.

Resistive Magnetsysteme sind häufig ähnlich aufgebaut und besitzen ein röhrenförmiges Gradientenspulensystem und eine röhrenförmige Patientenöffnung, die den Patienten umschlie­ ßen. Andere Formen resistiver Systeme sind Polschuhmagnete, bei denen der Patient zwischen den Polschuhen eines Elektro­ magneten liegt. Bei Ganzkörpermagneten beträgt der Polschuh­ abstand etwa 50 cm bis 60 cm. Das Gradientenspulensystem be­ steht aus zwei scheibenförmigen Teilsystemen, die an den Polschuhen des Magneten befestigt sind und die Patientenöff­ nung weiter verkleinern. Die Polschuhe aus Eisen befinden sich stets an den Enden eines Rückschlußjochs aus Eisen. Dieses Joch kann C-förmig sein oder beispielsweise aus zwei quadratischen oder rechteckigen Eisenplatten bestehen, die durch vier eiserne, an den Ecken angebrachte Säulen mitein­ ander verbunden sind. Die zwei Hauptfeldspulen umschließen dann in der Regel je einen zylindrischen Eisenkern, der ei­ nen Polschuh mit der benachbarten Eisenplatte des Rück­ schlußjochs verbindet.

Dauermagnetsysteme sind in der Regel Polschuhmagnete, die sich von resistiven Polschuhmagneten im wesentlichen nur da­ durch unterscheiden, daß die von den Magnetspulen umgebenen zylindrischen Eisenkerne jeweils durch einen zylindrischen Block aus Dauermagnetmaterial ersetzt sind.

Herkömmliche Ganzkörpersysteme haben unabhängig vom Typ den Nachteil, daß sie in der Regel den menschlichen Körper sowie das Gradientenspulensystem in gewisser Weise umschließen und deshalb relativ groß und hauptsächlich durch Materialkosten entsprechend teuer sind. Weitere Kosten entstehen durch den entsprechend großen Platzbedarf, durch Abschirmmaßnahmen für das magnetische Streufeld und das für Tomographiesysteme ebenfalls benötigte Hochfrequenzfeld, durch Zusatzkomponen­ ten wie Patientenliegen sowie durch Hochleistungsnetzgeräte und Energieverbrauch zum Betrieb der großvolumigen Gradien­ tenspulensysteme.

Der Betrieb supraleitender und resistiver Hauptfeldmagnete ist darüber hinaus mit beträchtlichen Kosten für Energie verbunden, bei supraleitenden Systemen durch den Betrieb von Refrigeratoren oder die Rückverflüssigung von Kühlmitteln, bei resistiven Systemen durch die elektrische Verlustlei­ stung in den Spulen.

Für zahlreiche Klassen von Anwendungen, bei denen nicht je­ der Bereich des menschlichen Körpers mit Methoden der MR- Tomographie erfaßbar sein muß, wird deshalb die Entwicklung dedizierter kleiner Tomographiesysteme mit eingeschränkter Größe des Meßvolumens erwogen und zum Teil durchgeführt, die nicht den Nachteil großer System- und Betriebskosten besit­ zen. Ein Beispiel ist der Einsatz relativ kleiner resistiver Polschuhmagnete für orthopädische Untersuchungen von Fuß-, Knie-, Hand- und Ellenbogengelenken.

Eine weitere wichtige Klasse von Anwendungen, für die es je­ doch bisher noch kein geeignetes dediziertes NMR-Tomogra­ phiesystem gibt, ist die Diagnose sichtbarer Veränderungen der menschlichen Haut. Im Gegensatz zu den Verhältnissen bei Ganzkörpertomographen kann hier die Größe des Meßvolumens mit Feldvariationen von etwa 20 ppm auf Werte im Bereich 1 . . . 2 cm³ oder sogar weniger eingeschränkt werden. Dennoch sollten sämtliche Bereiche der Haut unbehindert durch den Hauptfeldmagneten oder das Gradientenspulensystem erfaßbar sein. Die Felderzeugung sollte zur Vermeidung von größeren Betriebskosten möglichst durch den Einsatz von Dauermagnet­ material erfolgen. Die Magnetfeldstärke sollte nicht schwä­ cher als bei entsprechenden Ganzkörpertomographen, d. h. mög­ lichst größer als 0,1 T sein. Die Abmessungen des Magnetsy­ stems sollten bei Meßvolumina von 1 . . . 2 cm³ erheblich unter denen eines Ganzkörpermagneten liegen, d. h. in allen Rich­ tungen beispielsweise kleiner als 0.5 m sein. Ferner sollte die Form des Hauptfeldmagneten so beschaffen sein, daß es möglich wird, ein Gradientenspulensystem zu befestigen, das im wesentlichen drei Anforderungen erfüllt:

• - es müssen im Bereich des Meßvolumens des Magneten drei zu­ einander orthogonale Feldgradienten hinreichender Linearität und Stärke erzeugt werden können;
• - die Gradientenspulen sollten kein Streufeld im Bereich des Hauptfeldmagneten erzeugen, um Wirbelströme im Material des Hauptfeldmagneten zu vermeiden;
• - wie oben erwähnt, sollte das Gradientenspulensystem auf­ grund seiner mechanischen Anordnung den Zugang des Patien­ ten bzw. des zu untersuchenden Bereichs der Haut zum Meß­ volumen nicht behindern.

Geeignete Gradientenspulen mit diesen Eigenschaften sind neuartig und werden in einer parallelen deutschen Patentan­ meldung beschrieben.

Verkleinerte Versionen der oben beschriebenen herkömmlichen Ganzkörpertomographen erfüllen diese Forderungen nicht, ins­ besondere, weil nicht mehr alle Bereiche der Haut, d. h. der Oberfläche eines Patienten in das Meßvolumen gelangen kön­ nen. Ein Beispiel dafür ist aus der DE 38 09 173 A1 bekannt. Hier wird eine näherungsweise solenoidförmige Spulenanord­ nung mit kleinen Abmessungen zur Erzeugung des Hauptfeldes vorgeschlagen. Damit sind jedoch nur Untersuchungen der Haut in den Bereichen des Patienten möglich, die in die Magnet­ spule eingeführt werden können, also beispielsweise im Be­ reich der Hand und des Unterarms. Naheliegende Lösungsansät­ ze auf der Basis von Hufeisenmagneten oder mit Magnetsyste­ men, in deren Streufeld NMR-Experimente durchgeführt werden könnten, scheitern an der starken Inhomogenität des Feldes.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Magnetan­ ordnungen der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen sich NMR-Untersuchungen der Haut oder anderer oberflächennaher Bereiche durchführen lassen und die die obengenannten Anforderungen erfüllen bzw. die entsprechenden Vorteile be­ sitzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem radialen Bereich R < R_i mindestens ein weiteres rota­ tionssymmetrisches felderzeugendes Element aus permanentma­ gnetischem Material bezüglich der Ebene E auf derselben Sei­ te wie der permanentmagnetische Ring mit axialem Abstand von der Ebene E angeordnet ist, wodurch eine Vertiefung V an der der Ebene E zugewandten Oberfläche der Magnetanordnung ge­ bildet wird, und daß die felderzeugenden Elemente aus perma­ nentmagnetischem Material wenigstens 90%, vorzugsweise 99% des homogenen Magnetfelds B im Meßvolumen erzeugen.

Auf diese Weise läßt sich bei geeigneter Wahl der detail­ lierten geometrischen Abmessungen der Vertiefung V im Be­ reich des Schnittpunktes der Ebene E mit der z-Achse ein für NMR-Messungen geeignetes Meßvolumen mit praktisch ver­ schwindender Variation des in z-Richtung gerichteten Ma­ gnetfeldes B_z erzeugen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die radial äußere Oberfläche der Anordnung zylindrisch mit einem Zylinderradius R_a und erstreckt sich axial bis zu der Ebene E. Der radial äußere Teil der Anordnung besitzt dann an der Ebene E zwangsläufig eine ebene Oberfläche. Auf diese Weise ist eine vereinfachte Herstellung der Anordnung möglich.

In einer darüber hinaus bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung ist die Form der Vertiefung V weitgehend zylindrisch mit der Zylinderachse z mit im wesentlichen ebenem Boden und zylindrischer äußerer Begrenzung mit dem Zylinderradius R_i und der axialen Länge T. Mit der auf diese Weise vereinfach­ ten Form ist eine vereinfachte und preisgünstige Herstellung der Anordnung möglich.

In einer darüber hinaus bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung sind in einen weitgehend ebenen Boden der Vertiefung V rotationssymmetrische Strukturen eingearbeitet. Auf diese Weise läßt sich ein besonders großes Meßvolumen mit homoge­ nem Magnetfeld erzeugen.

In einer alternativ oder darüber hinaus bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung sind in die der Ebene E abgewandten Rückseite der Magnetanordnung rotationssymmetrische Struktu­ ren eingearbeitet. Damit läßt sich ein besonders großes Meß­ volumen mit homogenem Magnetfeld erzeugen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Magnetanordnung mehrere ineinandergestellte und miteinander mechanisch fest verbundene permanentmagnetische Zylinderringe sowie ggf. einen permanentmagnetischen Vollzy­ linder auf der z-Achse. Die mechanische Verbindung kann bei­ spielsweise durch Verguß mit Kunstharz erfolgen. Dann läßt sich durch eine geeignete Wahl der Innen- und Außenradien sowie der axialen Längen der Zylinder ein besonders großes Meßvolumen mit homogenem Magnetfeld erzeugen. Gleichzeitig besteht die Anordnung dann nur noch aus relativ einfach und präzise herstellbaren Komponenten.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt das Verhältnis der Zylinderradien R_a/R_i zwischen 1,2 und 4,0. Auf diese Weise lassen sich bei vorgegebener Größe des Meß­ volumens besonders kompakte Magnetanordnungen realisieren.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung liegt das Verhältnis T/R_i aus der axialen Länge T und dem Radius R_i der Vertiefung V in einem Bereich zwischen 0,2 und 0,8. Auf diese Weise lassen sich ebenfalls bei vorgegebener Größe des Meßvolumens besonders kompakte Magnetanordnungen realisie­ ren, und darüber hinaus bietet die Vertiefung ausreichend viel Platz für ein in axialer Richtung ausgedehntes, zum Ma­ gneten hin aktiv abgeschirmtes Gradientenspulensystem, das im Bereich der Magnetanordnung kein Streufeld erzeugt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Magnetanordnung ist der Außenradius R_a ≦ 0,4 m. Eine derartige Magnetanordnung ist besonders handlich und leicht handhabbar. Ausführungsformen mit R_a < 0,1 m eignen sich besonders für Anwendungen im Bereich der Dermatologie, wobei bei der Herstellung der Anordnung besonders wenig Ma­ terial verbraucht wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die von der Magnetanordnung erzeugte Magnetfeldstärke zwischen 0,05 T und 0,3 T. Damit können gängige, handelsübliche permanent­ magnetische Materialien zur Herstellung der Magnetanordnung ohne weiteres verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich das Meßvolumen in axialer Richtung vollständig oder teilweise auf der von der Magnetanordnung abgewandten Seite der Ebene E. Auf diese Weise ergibt sich für den Patienten ein besonders guter Zugang zum Meßvolumen.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Magnetanordnung, bei der auf der der Ebene E abgewandten Seite der Magnetanordnung eine magnetische Spiegelplatte aus weichmagnetischem Material vorgesehen ist. Auf diese Weise wird die Apparatur einerseits besonders kompakt, andererseits können bis zu 50% an teurem permanentmagneti­ schem Material zur Herstellung der Anordnung bei gleicher erzeugbarer Magnetfeldstärke eingespart werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind an der Rückseite oder an dem Boden der Vertiefung V eine oder mehrere scheibenförmige, entfernbare Trägerplatten ange­ bracht, auf denen kleine Zusatzmagnete befestigt werden kön­ nen. Damit wird es möglich, durch Messung des Magnetfeldes im Bereich des Meßvolumens festgestellte und beispielsweise durch Fertigungstoleranzen bedingte Abweichungen von einem homogenen Feldverlauf zu korrigieren. Die Zusatzmagnete kön­ nen in derselben Richtung wie der Hauptfeldmagnet oder in entgegengesetzter Richtung magnetisiert sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthalten die felderzeugenden Elemente einen Dauermagnetwerkstoff mit großer magnetischer Härte, dessen Magnetisierung M(H) im aufmagnetisierten Zustand bei Anlegen eines magnetischen entmagnetisierenden Feldes H bis zu der Stärke, bei der die magnetische Induktion B im Magnetmaterial verschwindet, um weniger als 20% gegenüber der Remanenzmagnetisierung M_r re­ duziert ist. Dadurch wird erreicht, daß sich die Magnetan­ ordnung an keiner Stelle im Magnetwerkstoff im eigenen Ma­ gnetfeld entmagnetisiert.

Besonders bevorzugt werden Dauermagnetwerkstoffe mit einer Remanenzmagnetisierung M_r oberhalb von 1,0 T beispielsweise aus SmCo-Verbindungen oder aus NdFeB-Legierungen. Ganz besonders bevorzugt sind NdFeB-Legierungen. Auf diese Weise lassen sich besonders hohe Magnetfeldstärken in dem Meßvolu­ men erzeugen.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Regeleinrichtung zur Regelung der Umgebungstem­ peratur der Magnetanordnung vorgesehen ist. Auf diese Weise lassen sich zeitliche Veränderungen des Magnetfelds im Meß­ volumen infolge von reversiblen Änderungen der Magnetisie­ rung durch zeitliche Veränderungen der Temperatur, die bei allen Magnetwerkstoffen mehr oder weniger stark zu erwarten ist, minimieren.

Darüber hinaus ist zur weiteren Verbesserung der Temperatur­ stabilisierung des Magnetwerkstoffs eine Ausführungsform be­ vorzugt, bei der die Oberfläche der Magnetanordnung ganz oder mindestens teilweise von einer ersten Schicht aus gut wärmeleitendem Blech und - in geringem Abstand davon - mit einer zweiten ganz oder teilweise aus Metall bestehenden Schicht umgeben ist, wobei die zweite Schicht mit der ersten Schicht durch schlecht wärmeleitende Abstandshalter verbun­ den ist und die Temperatur der zweiten Schicht geregelt oder stabilisiert wird. Der Werkstoff der ersten gut wärmeleitfä­ higen Schicht ist vorzugsweise Kupfer oder Aluminium. Auch für den Werkstoff der zweiten Schicht wird ein gut wärmelei­ tendes Material bevorzugt. Auf diese Weise bleiben durch die erste Schicht Temperaturgradienten auf der Oberfläche der Magnetanordnung minimal, und außerdem werden restliche Tem­ peraturschwankungen der temperaturstabilisierten zweiten Schicht nur in minimalem Ausmaß auf die Magnetanordnung übertragen. Die Oberfläche der zweiten Schicht bildet in der Nähe der Ebene E eine der Vertiefung V ähnliche Vertiefung V'. Dadurch kann die gesamte Anordnung so gestaltet werden, daß der Zugang des Patienten zum Meßvolumen kaum beeinträch­ tigt wird.

Diese temperaturstabilisierte Anordnung kann weiter verbes­ sert werden, wenn man in den Zwischenraum zwischen der er­ sten Schicht und der zweiten Schicht aus der Kältetechnik bekanntes Superisolationsmaterial einfügt und den Zwischen­ raum evakuiert. Auf diese Weise wird die Magnetanordnung noch besser gegen Temperaturschwankungen infolge von restli­ chen Temperaturschwankungen der zweiten Schicht geschützt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Magnetanordnung befindet sich in der Vertiefung ein Gradientenspulensystem, das ebenfalls auf einen durch die Ebene E begrenzten Halbraum beschränkt ist. Die Vertie­ fung V bietet in der Regel Platz für ein aus drei Teilspulen bestehendes Gradientenspulensystem, wobei der geometrische Verlauf der Windungen der drei Gradientenspulen so gestaltet werden kann, daß mit diesen Spulen in dem Meßvolumen Gradi­ entenfelder G_z = dB_z/dz, G_x = dB_z/dx, G_y = dB_z/dy einge­ stellt werden können, wobei x und y zwei vom Zentrum des Meßvolumens ausgehende, zueinander und zur z-Achse senk­ rechte Koordinatenachsen sind.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung dieser Aus­ führungsform kann an der Oberfläche des Gradientenspulensy­ stems eine weitgehend planare Oberflächen-Hochfrequenzspule angeordnet werden, die im Bereich des Meßvolumens ein magne­ tisches Hochfrequenzfeld erzeugt, dessen Richtung senkrecht zur z-Richtung ist. Der Hauptfeldmagnet bildet zusammen mit dem Gradientenspulensystem ein Gesamtsystem, das an der die Ebene E berührenden Seite eine weitgehend ebene Oberfläche besitzt, die im Bereich der Vertiefung V noch immer eine geringfügige Vertiefung aufweisen kann. Das Meßvolumen befin­ det sich vollständig vor dieser Oberfläche und ist für nahe­ zu alle Bereiche der Haut des menschlichen Körpers zugäng­ lich.

Bevorzugt wird die Verwendung der Magnetanordnung in einem MR-Tomographen mit einem Gradientenspulensystem bestehend aus drei Teilspulen zur Erzeugung dreier durch Wahl der Ströme in den Teilspulen einstellbarer Feldgradienten dB_z/dz, dB_z/dx, dB_z/dy in axialer Richtung z bzw. in zwei dazu und zueinander orthogonalen Richtungen x und y inner­ halb des Meßvolumens, wobei sich das Gradientenspulensystem vollständig auf der der Magnetanordnung zugewandten Seite des Meßvolumens befindet. Dies wird prinzipiell durch das Vorhandensein der Vertiefung V bzw. der Vertiefung V' in der Oberfläche der Magnetanordnung bzw. ihrer thermischen Ab­ schirmung möglich. Auf diese Weise bleibt der uneinge­ schränkte Zugang des Patienten zum Meßvolumen für Hautunter­ suchungen erhalten.

Darüber hinaus ist eine Weiterbildung dieser Anordnung vor­ teilhaft, bei der alle Teilspulen aktive Abschirmspulen ent­ halten, die das Streufeld jeder Teilspule im Bereich des Ma­ gnetwerkstoffs der Anordnung weitgehend reduzieren. Auf die­ se Weise können einerseits die Ströme in den Gradientenspu­ len schnell ein- und ausgeschaltet werden, ohne daß sich den Gradientenfeldern unerwünschte zeitabhängige Störfelder in­ folge von im Magnetwerkstoff oder den Blechen und der ther­ mischen Abschirmung induzierten Wirbelströmen überlagern, und andererseits wird so im Magnetwerkstoff keine Wärme durch die Wirbelströme erzeugt und damit die thermische Sta­ bilität beeinträchtigt.

Bei einer verbesserten Weiterbildung ist vorgesehen, daß sich die Windungen jeder Abschirmspule in jeweils einer zur z-Achse senkrechten Ebene befinden. Auf diese Weise wird die Herstellung der Abschirmspulen sehr vereinfacht.

Besonders bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der diese Ebenen möglichst dicht am Boden der Vertiefung V der Magnet­ anordnung bzw. der Vertiefung V' der thermischen Abschirmung angeordnet sind. Auf diese Weise läßt sich einerseits eine besonders gute Abschirmwirkung der Gradientenspulen und au­ ßerdem eine bei vorgegebener auf den Spulenstrom bezogener Gradientenstärke minimale Induktivität erzielen, die für das Schaltverhalten erwünscht ist.

Bei einer alternativen Weiterbildung befinden sich die Win­ dungen oder Windungsabschnitte jeder Abschirmspule zum einen Teil in jeweils einer zur z-Achse senkrechten Ebene und zum anderen Teil auf der Oberfläche eines diese Ebene radial au­ ßen begrenzenden Zylinders, wobei diese Ebenen vorzugsweise möglichst dicht am Boden der Vertiefung V der Magnetanord­ nung bzw. der Vertiefung V' der thermischen Abschirmung an­ geordnet sind und die Zylinderoberfläche möglichst dicht an der Oberfläche der zylindrischen Begrenzung der Vertiefung V bzw. der Vertiefung V'. Auf diese Weise wird eine noch bes­ sere Abschirmwirkung des Feldes der Gradientenspule zum Hauptfeldmagneten hin erzielt.

Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung, bei der sich die nicht in den Abschirmspulen befindlichen Windungen jeder Teilspule jeweils in einer Ebene befinden. Auf diese Weise wird die Herstellung der Teilspulen besonders einfach.

Darüber hinaus bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der diese Ebene einen möglichst geringen Abstand zum Meßvolumen bzw. zu dem Bereich besitzt, den man für eine unbehinderte Untersuchung des Patienten benötigt. Auf diese Weise läßt sich eine besonders gute Abschirmwirkung sowie eine Minimie­ rung der Induktivität erreichen.

Alternativ bevorzugt ist eine Weiterbildung, bei der die nicht in den Abschirmspulen befindlichen Wicklungen der Teilspulen in einer Fläche angeordnet sind, die im Bereich kleinerer radialer Abstände von der z-Achse eine Vertiefung V" zur Magnetanordnung aufweist. Auf diese Weise wird es möglich, auch die Haut im Bereich schwerer zugänglicher Tei­ le des menschlichen Körpers (Nasen, Ohren) zu untersuchen.

In den Rahmen der Erfindung fällt auch ein Gradientenspulen­ system für ein einseitiges NMR-Tomographiesystem mit einer Magnetanordnung, die vorzugsweise in der oben beschriebenen Art ausgestaltet ist. Das erfindungsgemäße Gradientenspulen­ system zeichnet sich dadurch aus, daß drei Teilspulen zur Erzeugung dreier durch Wahl der Ströme in den Teilspulen einstellbarer Magnetfeldgradienten dB_z/dz, dB_z/dx, dB_z/dy in Richtung der z-Achse der Magnetanordnung bzw. in zwei dazu orthogonalen Raumrichtungen x und y innerhalb des Meßvolu­ mens des Tomographiesystems sowie drei Abschirmspulen vorge­ sehen sind, die jeweils einer der drei Teilspulen zugeordnet sind, und daß die Windungen der Teilspulen und der Abschirm­ spulen auf Kegeloberflächen mit Kegelöffnungswinkeln zwi­ schen 150° und 180° liegen. Ein derartiges Gradientenspulen­ system ist besonders gut zum Einsatz in der oben beschriebe­ nen erfindungsgemäßen Magnetanordnung geeignet.

Zur Herstellung des Hauptfeldmagneten werden Verfahren be­ vorzugt, bei denen die Magnetanordnung vollständig aus vor­ gefertigten, nicht-aufmagnetisierten Teilkörpern, beispiels­ weise durch Verkleben zusammengefügt und erst anschließend aufmagnetisiert wird. Das Aufmagnetisieren kann in einem Pulsfeldmagneten oder in einem supraleitenden Magneten er­ folgen. Diese Methode wird dadurch möglich, daß die Magnet­ anordnung mit beispielsweise etwa 20 cm axialer Länge und einem Außenradius R_a von etwa 25 cm relativ kompakt ist, vollständig in solche Magnetisierungsmagnete hineinpaßt und außerdem keine Teile aus Weicheisen wie z. B. Joche enthält, die das magnetisierende Feld erheblich verzerren würden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß während der Fertigung keine Magnetkräfte auftreten und so eine besonders einfache und präzise Herstellung möglich wird.

Darüber hinaus werden Herstellungsverfahren bevorzugt, bei denen die vorgefertigten, nicht-aufmagnetisierten Teilkörper Zylinderringe oder Vollzylinder sind. Diese sind an die ge­ forderte Rotationssymmetrie optimal angepaßt und erlauben eine besonders präzise Fertigung.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Be­ schreibung und der beigefügten Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merk­ male erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehre­ ren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die er­ wähnten Ausführungsformen sind nicht als abschließende Auf­ zählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter.

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

Fig. 1: einen schematischen Querschnitt durch eine Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen rotationssymmmetri­ schen Magnetanordnung;

Fig. 2: einen schematischen Querschnitt durch eine Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen rotationssymmmetri­ schen Magnetanordnung mit thermischer Vakuum-Isolie­ rungsschicht;

Fig. 3: den Verlauf der magnetischen Induktion B längs der z-Achse des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1;

Fig. 4: den Verlauf der magnetischen Induktion B in der Ebene z = 0 als Funktion des radialen Abstands r von der z-Achse im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1;

Fig. 5: einen schematischen Schnitt durch ein für die Magnet­ anordnung nach Fig. 1 geeignetes Gradientensystem;

Fig. 6: den Verlauf der Windungen einer Hälfte einer erfin­ dungsgemäßen Transversalgradientenspule (G_x);

Fig. 7: das Windungsmuster einer zu den Fig. 5 und 6 gehö­ renden Abschirmspulenhälfte;

Fig. 8: einen schematischen Schnitt durch eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gradientenspu­ lensystems.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch eine er­ findungsgemäße rotationssymmetrische Magnetanordnung 1, der die Rotationsachse z enthält. Die Magnetanordnung 1 besteht in diesem Fall aus einem äußeren Zylinderring 4 mit dem Au­ ßenradius R_a und dem Innenradius R_i sowie in dessen Bohrung 7 einem inneren Zylinderring und wiederum in dessen Bohrung einem Vollzylinder. Das eine (in der Figur rechte) axiale Ende 5 des äußeren Zylinders 4 definiert eine Ebene E. Die entsprechenden (rechten) axialen Enden des inneren Zylinder­ ringes sowie des Vollzylinders sind von der Ebene E beab­ standet. Auf diese Weise entsteht eine zylindrische Vertie­ fung V mit der axialen Ausdehnung T und dem Außenradius R_i.

Beispielhafte Abmessungen sind Außen- bzw. Innenradien von R_a = 13,4 cm bzw. R_i = 8,04 cm und eine axiale Länge von 17,6 cm für den äußeren Zylinderring 4, Radien von 7,37 cm bzw. 2,43 cm und eine axiale Länge von 14 cm für den inneren Zylinderring und ein Radius von 1,51 cm und eine Länge von 14 cm für den Vollzylinder. Die axiale Länge T der Vertie­ fung V beträgt T = 3,7 cm.

Bei ideal hartmagnetischem Dauermagnetwerkstoff mit feld­ stärkeunabhängiger Magnetisierung entsteht dann ein nahezu zylinderförmiges Meßvolumen 2 mit Variationen der Magnet­ feldstärke unterhalb von 20 ppm (parts per million) mit ei­ ner axialen Ausdehnung von 1 cm und einem Durchmesser von 1,6 cm. Bei einer Magnetisierung des Magnetwerkstoffs von 1,3 T beträgt die Induktion B₀ im Meßvolumen 0,184 T. Das Zentrum des Meßvolumens V ist 4 cm von dem Boden 6 der Ver­ tiefung V beabstandet.

An der Rückseite 8 der Magnetanordnung 1 sind entfernbare Trägerplatten 9 angebracht, auf denen magnetisierte Stücke 10 aus Dauermagnetwerkstoff befestigt sind, mit denen Inho­ mogenitäten des Magnetfelds im Meßvolumen 2 beispielsweise infolge von mechanischen Toleranzen der Anordnung kompen­ siert werden können.

Fig. 2 zeigt ebenfalls einen stark schematisierten Quer­ schnitt durch die Magnetanordnung 1. Hier ist entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die gesamte Oberfläche der Magnetanordnung 1 unmittelbar mit einer wärmeleitfähigen metallischen ersten Schicht 11 umgeben. Außerdem ist die An­ ordnung mit einer zweiten metallischen Schicht 12 umgeben, deren Temperatur geregelt wird. Die zweite Schicht 12 aus Blech ist mit schlecht wärmeleitenden Abstandshaltern 13 mit der Magnetanordnung 1 verbunden. Das Volumen zwischen der Magnetanordnung 1 und der zweiten Schicht 12 wird vorzugs­ weise evakuiert. Die zweite Schicht 12 weist an der dem Meß­ volumen 2 zugewandten Seite eine Vertiefung V' auf. In der Vertiefung V' befindet sich ein Gradientenspulensystem 3 zur Erzeugung dreier durch Wahl der Ströme in Teilspulen des Gradientenspulensystems 3 einstellbarer Magnetfeldgradienten innerhalb des Meßvolumens 2.

Fig. 3 zeigt für die Magnetanordnung 1 in Fig. 1 den Verlauf der magnetischen Induktion B längs der z-Achse im Bereich des Meßvolumens 2. Die Koordinate z = 0 befindet sich in einem Abstand von 4,0 cm von dem Boden der Vertiefung V.

Fig. 4 zeigt für die Magnetanordnung 1 in Fig. 1 den Verlauf der magnetischen Induktion B in der Ebene z = 0 als Funktion des radialen Abstands r von der z-Achse.

Fig. 5 zeigt einen stark schematischen Schnitt durch ein für die Magnetanordnung 1 in Fig. 1 geeignetes Gradientenspulen­ system 3. Es besitzt eine axiale Ausdehnung von 2,6 cm und einen Radius von 7,3 cm. Seine Rückseite befindet sich in einem Abstand von 0,6 cm von dem Boden 6 der Vertiefung V. Seine Vorderseite besitzt einen Abstand von 3,2 cm von dem Boden 6 der Vertiefung bzw. von 0,8 cm von dem Zentrum z = 0 des Meßvolumens 2. Eingezeichnet sind außerdem zwei Ebenen 16 bzw. 14, in denen die Windungen einer Gradientenspule bzw. einer Abschirmspule geführt sind. Diese Ebenen besitzen Abstände von 1,2 cm bzw. von 3 cm von dem Zentrum z = 0 des Meßvolumens 2.

Fig. 6 zeigt am Beispiel des Gradientenspulensystems 3 aus Fig. 5 den Verlauf der Windungen einer Hälfte einer Trans­ versalgradientenspule, beispielsweise einer x-Gradientenspu­ le, die in dem Meßvolumen 2 ein Gradientenfeld dB_z/dx hoher Linearität erzeugt. Die gezeigten 10 Windungen sind in einer halbkreisförmigen Fläche mit einem Radius von 5 cm verteilt. Die Windungen der anderen Hälfte ergänzen den Halbkreis zum Vollkreis und verlaufen spiegelbildlich. Bei einem Strom von 10 A beträgt die Gradientenstärke 25 mT/m. Die Induktivität beträgt 5,2 MikroHenry. Das gezeigte Windungsmuster kann beispielsweise durch Ätzen einer kupferbeschichteten Folie oder durch Fräsen oder Wasserstrahlschneiden einer Kupfer­ platte erzeugt werden.

Fig. 7 zeigt am Beispiel des Gradientenspulensystems 3 aus Fig. 5 und Fig. 6 das Windungsmuster einer Hälfte der zuge­ hörigen Abschirmspule mit zwei Windungen.

Fig. 8 schließlich zeigt einen stark schematisierten Schnitt durch ein alternativ gestaltetes Gradientenspulensystem 3'.

Hier sind die Windungen der Abschirmspule auf einem Trage­ körper verteilt, der einen ebenen Teil 14' und einen zylin­ drischen Teil 15 besitzt. Die Windungen der Gradientenspule 16' sind auf einem Tragekörper verteilt, der die Ausbildung einer Vertiefung V" gestattet.

Claims (31)

1. Magnetanordnung für ein einseitiges NMR-Tomographiesy­ stem, das um eine z-Achse rotationssymmetrisch aufge­ baut ist, mit einem axial in Richtung der z-Achse ma­ gnetisierten permanentmagnetischen Ring (4) mit Außen­ radius R_a und Innenradius R_i, der sich in axialer Rich­ tung bis zu einer Ebene E (z = z_E) erstreckt, zur Er­ zeugung eines homogenen Magnetfelds B in einem Meßvolu­ men (2), dadurch gekennzeichnet,
daß in einem radialen Bereich R < R_i mindestens ein weiteres rotationssymmetrisches felderzeugendes Element aus permanentmagnetischem Material bezüglich der Ebene E auf derselben Seite wie der permanentmagnetische Ring (4) mit axialem Abstand von der Ebene E angeordnet ist, wodurch eine Vertiefung V an der der Ebene E zugewand­ ten Oberfläche der Magnetanordnung (1) gebildet wird,
und daß die felderzeugenden Elemente aus permanentma­ gnetischem Material wenigstens 90%, vorzugsweise 99% des homogenen Magnetfelds B im Meßvolumen (2) erzeugen.

2. Magnetanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die radial äußere Oberfläche der Magnetanord­ nung (1) zylindrisch mit Zylinderradius R_a ist und sich axial bis zur Ebene E erstreckt.

3. Magnetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Form der Vertiefung V zylindrisch mit der Zylinderachse z mit im wesentlichen ebenem Boden (6) und zylindrischer äußerer Begrenzung (7) mit Zylinder­ radius R_i und einer axialen Länge T ist.

4. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in einen weitgehend ebenen Boden (6) der Vertiefung V rotationssymmetrische Strukturen eingearbeitet sind.

5. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß in die der Ebene E ab­ gewandte Rückseite der Magnetanordnung (1) rotations­ symmetrische Strukturen eingearbeitet sind.

6. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (1) mehrere ineinandergestellte und miteinander mecha­ nisch fest verbundene permanentmagnetische Zylinderrin­ ge sowie ggf. einen permanentmagnetischen Vollzylinder auf der z-Achse umfaßt.

7. Magnetanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Verhältnis der äußeren zu den inneren Zy­ linderradien zwischen 1,2 und 4,0 liegt.

8. Magnetanordnung nach Anspruch 3 und 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis T/R_i aus der axialen Länge T der Vertiefung V und dem Innenradius R_i zwi­ schen 0,2 und 0,8 beträgt.

9. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenradius R_a ≦ 0,4 m, vorzugsweise R_a < 0,1 m ist.

10. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Magnetanordnung (1) erzeugte Magnetfeldstärke zwischen 0,05 T und 0,3 T liegt.

11. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßvolumen (2) in axialer Richtung vollständig oder zumindest teilweise auf der der Magnetanordnung (1) abgewandten Seite der Ebene E liegt.

12. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der Ebene E abgewandten Seite der Magnetanordnung (1) eine magneti­ sche Spiegelplatte aus weichmagnetischem Material vor­ gesehen ist.

13. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß an der Rückseite der Magnetanordnung (1) oder an dem Boden (6) der Vertie­ fung V eine oder mehrere scheibenförmige, vorzugsweise entfernbare Trägerplatten (9) angebracht sind, auf denen kleine Zusatzmagnete (10) zum Shimmen des Magnetfeldes B befestigt werden können.

14. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugenden Elemente einen Dauermagnetwerkstoff mit großer magneti­ scher Härte enthalten, dessen Magnetisierung M(H) im aufmagnetisierten Zustand bei Anlegen eines magneti­ schen entmagnetisierenden Feldes H bis zu der Stärke, bei der die magnetische Induktion B im Magnetmaterial verschwindet, um weniger als 20% gegenüber der Rema­ nenzmagnetisierung M_r reduziert ist.

15. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die felderzeugenden Elemente einen Dauermagnetwerkstoff mit einer Remanenz­ magnetisierung M_r < 1,0 T, beispielsweise aus SmCo-Ver­ bindungen, vorzugsweise aus NdFeB-Legierungen enthal­ ten.

16. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung zur Regelung der Umgebungstemperatur der Magnetanord­ nung (1) vorgesehen ist.

17. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Ma­ gnetanordnung (1) ganz, zumindest aber teilweise von einer ersten Schicht (11) aus gut wärmeleitendem Blech und, in geringem Abstand davon, mit einer zweiten ganz oder teilweise aus Metall bestehenden Schicht (12) um­ geben ist, wobei die zweite Schicht (12) mit der ersten Schicht (11) durch einen oder mehrere schlecht wärme­ leitende Abstandshalter (13) verbunden ist, und wobei die Temperatur der zweiten Schicht (12) geregelt oder stabilisiert wird.

18. Magnetanordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich­ net, daß der Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Schicht (11 bzw. 12) Superisolationsmaterial enthält und ansonsten evakuiert ist.

19. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß sich in der Vertiefung V ein Gradientenspulensystem (3) befindet, das ebenfalls auf einen durch die Ebene E begrenzten Halbraum beschränkt ist.

20. Magnetanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß an der Oberfläche des Gradientenspulensystems (3) eine weitgehend planare Oberflächen-Hochfrequenz­ spule angeordnet ist, die im Bereich des Meßvolumens (2) ein magnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt, dessen Richtung senkrecht zur z-Achse ist.

21. Magnetanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gradientenspulen­ system (3) mit drei Teilspulen zur Erzeugung dreier durch Wahl der Ströme in den Teilspulen einstellbarer Magnetfeldgradienten dB_z/dz, dB_z/dx, dB_z/dy in Richtung der z-Achse bzw. in zwei dazu orthogonalen Raumrichtun­ gen x und y innerhalb des Meßvolumens (2) vorgesehen ist, wobei sich das Gradientenspulensystem (3) voll­ ständig auf der der Magnetanordnung (1) zugewandten Seite des Meßvolumens (2) befindet.

22. Magnetanordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß alle Teilspulen aktive Abschirmspulen enthal­ ten, die das Streufeld jeder Teilspule im Bereich des Magnetwerkstoffs der Anordnung weitgehend reduzieren.

23. Magnetanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Windungen jeder Abschirmspule in je­ weils einer zur z-Achse senkrechten Ebene (14) befin­ den.

24. Magnetanordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß diese Ebenen (14) möglichst dicht am Boden (6) der Vertiefung V der Magnetanordnung (1) bzw. einer Vertiefung V' einer thermischen Abschirmung (11, 12) angeordnet sind.

25. Magnetanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß die Windungen oder Windungsabschnitte jeder Abschirmspule zum einen Teil in jeweils einer zur z-Achse senkrechten Ebene (14') und zum anderen Teil auf der Oberfläche eines diese Ebene radial außen be­ grenzenden Zylinders (15) angeordnet sind, wobei diese Ebenen (14') vorzugsweise möglichst dicht am Boden (6) der Vertiefung V der Magnetanordnung (1) bzw. einer Vertiefung V' einer thermischen Abschirmung (11, 12) und die Zylinderoberfläche (15) möglichst dicht an der Oberfläche der Begrenzung (7) der Vertiefung V bzw. der Vertiefung V' angeordnet sind.

26. Magnetanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die nicht in den Abschirmspulen befindli­ chen Windungen jeder Teilspule jeweils in einer Ebene befinden.

27. Magnetanordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeich­ net, daß diese Ebene einen möglichst geringen Abstand zum Meßvolumen (2) bzw. zu dem Bereich besitzt, der für eine unbehinderte Untersuchung des Patienten benötigt wird.

28. Magnetanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeich­ net, daß die nicht in den Abschirmspulen befindlichen Wicklungen der Teilspulen in einer Fläche angeordnet sind, die im Bereich kleinerer radialer Abstände von der z-Achse eine Vertiefung V" zur Magnetanordnung (1) aufweist.

29. Gradientenspulensystem für ein einseitiges NMR-Tomogra­ phiesystem, mit einer Magnetanordnung vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß drei Teilspulen zur Erzeugung dreier durch Wahl der Ströme in den Teilspulen einstellbarer Magnetfeldgradi­ enten dB_z/dz, dB_z/dx, dB_z/dy in Richtung der z-Achse der Magnetanordnung (1) bzw. in zwei dazu orthogonalen Raumrichtungen x und y innerhalb des Meßvolumens (2) des Tomographiesystems sowie drei Abschirmspulen vorge­ sehen sind, die jeweils einer der drei Teilspulen zuge­ ordnet sind, und daß die Windungen der Teilspulen und der Abschirmspulen auf Kegeloberflächen mit Kegelöff­ nungswinkeln zwischen 150° und 180° liegen.

30. Verfahren zur Herstellung einer Magnetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetanordnung (1) vollständig aus vorgefer­ tigten, nicht-aufmagnetisierten Teilkörpern, beispiels­ weise durch Verkleben zusammengefügt und erst anschlie­ ßend aufmagnetisiert wird.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilkörper Zylinderringe und/oder Vollzylinder ver­ wendet werden.