DE19721985C2 - Gradientenspulenbaugruppe und Herstellungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gradientenspulenbaugruppe für einen Kernspintomographen mit mindestens einer Gradienten­ spule und einer Kühleinrichtung sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Gradientenspulenbaugruppe.

Beim Betrieb eines Kernspintomographen ist es zur Bilderzeu­ gung erforderlich, einem magnetischen Grundfeld mindestens einen Magnetfeldgradienten zu überlagern. Dies geschieht mittels einer Gradientenspulenbaugruppe, die im Grundfeld angeordnet ist. Üblicherweise weist die Gradientenspulen­ baugruppe mehrere Spulen auf, um drei senkrecht aufeinander stehende Magnetfeldgradienten zu erzeugen. Bei den heute häufig eingesetzten aktiv geschirmten Gradientenspulen sind zusätzlich zu das Nutzfeld erzeugenden Primärspulen Sekundär­ spulen vorhanden, die verhindern, daß in metallischen Teilen eines die Gradientenspulen umgebenden Grundfeldmagneten Wir­ belströme erzeugt werden. Diese Sekundärspulen sind konzen­ trisch um die Primärspulen und in einem Abstand zu diesen an­ geordnet. Typischerweise wird jede Gradientenspule von einem impulsförmigen Strom in der Größenordnung von etwa 300 A durchflossen. Durch den ohmschen Widerstand der Spule wird eine beträchtliche Energiemenge in Wärme umgewandelt.

Diese Wärme muß auf geeignete Weise abgeführt werden. Bei einem Kernspintomographen für Ganzkörperuntersuchungen ist eine gute Kühlung der Gradientenspulen besonders notwendig, weil hier der Patient im Innenraum der rohrförmig ausgebil­ deten Gradientenspulenbaugruppe liegt. Eine zu starke Erwär­ mung dieser Baugruppe wäre für den Patienten unangenehm und würde die Akzeptanz von kernspintomographischen Untersuchun­ gen beeinträchtigen.

Aus der DE 41 41 514 C2 ist eine Gradientenspulenbaugruppe der eingangs genannten Art bekannt. Als Kühleinrichtung die­ nen Lüftungskanäle, die durch Innenräume von U-Profilen in der Baugruppe gebildet sind.

Bei dieser Gradientenspulenbaugruppe ist jedoch das Einarbei­ ten der Kanäle für das Kühlmedium in die Baugruppe aufwendig, und die Wärmeabfuhr ist nicht optimal.

Die DE 34 04 457 A1 zeigt eine Einrichtung zur Kühlung eines Magnetsystems, die insbesondere zum Anbringen an einer Grund­ feldspule eines Kernspintomographen vorgesehen ist. Die Kühl­ einrichtung weist mehrere Kühlelemente mit je einer ring­ scheibensektorförmigen Wärmeleitplatte auf, die mit mehreren, in Umfangsrichtung regelmäßig verteilten Schlitzen versehen ist. Eine Kühlmittelleitung ist auf die Wärmeleitplatte auf­ gelötet oder aufgeschweißt oder in die Wärmeleitplatte einge­ bettet, eingepreßt oder eingeklebt.

Diese Kühleinrichtung ist nur zum Anbringen an ebenen zu kühlenden Flächen geeignet.

Die DE 40 17 260 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Gradienten-Spulenanordnung einer MRI-Apparatur.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die genannten Probleme zu ver­ meiden und eine Gradientenspulenbaugruppe zu schaffen, die auch gekrümmte Gradientenspulen aufweisen kann und bei der eine leistungsfähige Kühleinrichtung mit relativ geringem Aufwand verwirklicht ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gradientenspu­ lenbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Grundidee, einen flexiblen Trä­ ger für mindestens eine ihrerseits flexible Kühlleitung vor­ zusehen. Die Kühlleitung kann bequem in der optimalen Anord­ nung auf dem Träger montiert werden. Erst eine oder mehrere komplette Kühleinrichtungen werden dann, zusammen mit einer oder mehreren Gradientenspulen, zu der Gradientenspulenbau­ gruppe vereinigt. Die erfindungsgemäße Gradientenspulenbau­ gruppe kann daher kostengünstig gefertigt werden, ohne daß auf gute Kühleigenschaften verzichtet werden müßte. Der Trä­ ger bildet überdies einen zusätzlichen elektrischen Isolator.

Erfindungsgemäß sind auch die Verbindungsstellen zwischen der Kühlleitung und dem Träger flexibel. Die Flexibilität der Kühleinrichtung ist durch diese Maßnahme besonders groß, weil eine Relativbewegung zwischen der Leitung und dem Träger mög­ lich ist. Eine flexibel auf dem Träger angebrachte Kühllei­ tung kann überdies zur Feinjustierung in ihrer Lage verändert werden.

Eine flexible Kühleinrichtung kann entweder an einer flachen oder an einer gekrümmten Gradientenspule angebracht werden, wobei vorzugsweise die Kühleinrichtung der Form der Gradien­ tenspule angepaßt wird, um einen guten thermischen Kontakt zu ermöglichen. Die Gradientenspule kann in einer Richtung (z. B. zylindrisch oder kegelmantelförmig) oder in mehreren Richtun­ gen gekrümmt sein.

Um eine gute Kühlwirkung zu erreichen, dient bevorzugt eine Kühlflüssigkeit als Kühlmedium, beispielsweise Wasser, Öl oder ein Wasser/Öl-Gemisch.

Vorzugsweise wird die Kühleinrichtung im flachen Zustand auf­ gebaut. Dies ist besonders bequem und erlaubt die Verwendung einer Wickelform für die Kühlleitung. Der Träger kann jedoch auch schon beim Aufbringen der Kühlleitung auf die ungefähre spätere Krümmungsform vorgespannt werden.

Vorzugsweise erfolgt die flexible Verbindung zwischen der Kühlleitung und dem Träger durch eine Naht, die beispielswei­ se mit einem elastischen Faden oder mit etwas Spiel zwischen den Fadenschlingen und der Kühlleitung ausgeführt ist. Als Alternative kann die Kühlleitung mittels eines elastischen Klebers punktweise auf dem Träger aufgeklebt sein. Es kann jedoch auch eine relativ starre Verbindung zwischen Träger und Kühlleitung verwendet werden, wenn diese Verbindung auf solche Punkte beschränkt ist, die sich beim Anpassen der Kühleinrichtung an die Form der Gradientenspulen nicht oder nur wenig verschieben.

In einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Kühlleitung aus einem Kunststoffrohr, beispielsweise aus Polyacetat (PA) oder Polyethylen (PE). Prinzipiell könnte auch eine Leitung aus hinreichend weichem Metall, beispielsweise Kupfer, ver­ wendet werden. Eine solche Leitung hätte zwar einen geringe­ ren Wärmeübergangswiderstand; es würden sich aber Probleme durch Wirbelströme, hinsichtlich der elektrischen Isolierung und hinsichtlich der Verformbarkeit ergeben.

Die Kühlleitung ist vorzugsweise einstückig, d. h. trennstel­ lenfrei ausgebildet. Es sind also keine Verbindungsstücke (beispielsweise Winkelstücke oder U-Stücke) in der Kühllei­ tung vorgesehen. Eine derartige Kühlleitung ist über eine lange Lebensdauer hinweg zuverlässig dicht. Überdies werden strömungstechnische Probleme bei engen Kurvenradien von Verbindungsstücken vermieden.

Bevorzugt ist die Kühlleitung bifilar geführt, d. h. in Form einer langgestreckten Schleife, deren Umkehrpunkt ungefähr in der Mitte der Leitungslänge angeordnet ist und deren beide Schenkel mit entgegengesetzten Flußrichtungen nebeneinander verlaufen. Dadurch wird der Temperaturgradient über die Lei­ tungslänge ausgeglichen und eine gleichmäßigere Kühlwirkung erreicht. Bei einer bifilaren Anordnung liegen überdies Vor- und Rücklauf der Kühlleitung nahe beieinander, wodurch der Aufwand für die äußere Verschlauchung gering ist.

Die Kühlleitung kann spiralen- oder schlangenförmig geführt sein. Vorzugsweise ist der Kühlleitungsweg an die räumliche Verteilung des Kühlbedarfs angepaßt. Die Wandstärke der Kühl­ leitung wird vorzugsweise in Abhängigkeit von dem gewünschten Wärmedurchgangswert, dem Druck des Kühlmediums und den ge­ wünschten elektrischen Isolationseigenschaften passend ge­ wählt.

Die Kühleinrichtung weist vorzugsweise mehrere Kühlkreise auf, die parallelgeschaltet sein können. Dadurch werden der Druckverlust geringgehalten, die Durchflußmenge vergrößert und redundante Wege bereitgestellt. Die Kühlkreise können auch getrennte Anschlüsse aufweisen. Dann können, je nach dem augenblicklichen Kühlbedarf, einzelne Kühlkreise zu- oder abgeschaltet werden.

Bevorzugt ist der Träger aus einem nichtmagnetischen Kunst­ stoff oder Verbundwerkstoff gebildet, beispielsweise aus einer Hartgewebeplatte, einer GFK-Platte oder einer geeig­ neten Kunststoffplatte. Der Träger braucht nur so flexibel zu sein, daß er in die vorgesehene Form gebracht werden kann.

Die Dicke des Trägers wird in Abhängigkeit von dem gewünsch­ ten Wärmedurchgangswert und den elektrischen Isolationseigen­ schaften gewählt.

Vorzugsweise sind an dem Träger Befestigungs- oder Montage­ elemente für mindestens ein weiteres Bauelement ausgebildet oder angebracht. Dieses weitere Bauelement kann eine weitere Gradientenspule sein, die an der der Kühlleitung entgegenge­ setzten Seite des Trägers befestigt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Gradienten­ spule(n) und Kühleinrichtung(en) mit einer geeigneten Ver­ gußmasse, beispielsweise mit einem gefüllten Epoxidharz, vergossen, um die Gradientenspulenbaugruppe zu bilden. Wenn die Vergußmasse bei höheren Temperaturen (beispielsweise 120°C) gehärtet wird, müssen die Bauteile der Kühleinrich­ tung(en) aus hinreichend temperaturbeständigen Werkstoffen gefertigt sein. Durch das Vergießen wird eine im wesentlichen starre Baugruppe geschaffen. Die Flexibilität des Trägers und der Kühlleitung vereinfacht in diesem Fall die Herstellung der Gradientenspulenbaugruppe und führt überdies zu einer geringeren mechanischen Belastung im Betrieb, weil unter­ schiedliche Temperaturausdehnungen der einzelnen Bauteile ausgeglichen werden.

Bei einer Gradientenspulenbaugruppe mit mehreren Gradienten­ spulen sind vorzugsweise mehrere Kühleinrichtungen, gegebe­ nenfalls in unterschiedlichen Schichten abwechselnd mit je einer Gradientenspule, vorgesehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird bevor­ zugt eine Wickelform eingesetzt, um der Kühlleitung einen Verlauf zu geben, der an die Kühlerfordernisse angepaßt ist.

Die Herstellung der Gradientenspulenbaugruppe ist besonders kostengünstig, wenn zunächst eine Gradientenspule auf einem Wickeldorn bereitgestellt wird, dann die Kühleinrichtung auf dieser Gradientenspule angebracht wird, gegebenenfalls eine weitere Gradientenspule an Montageelementen der Kühleinrich­ tung angebracht wird, alle genannten Bauteile gemeinsam ver­ gossen werden, und schließlich der Wickeldorn aus der so gebildeten Gradientenspulenbaugruppe herausgezogen wird.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun unter Hinweis auf die schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kühleinrich­ tung,

Fig. 2 den Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung des in Fig. 2 mit einem Kreis bezeichneten Bereichs, und

Fig. 4 eine geschnittene Darstellung eines Bereichs einer rohrförmigen Gradientenspulenbaugruppe.

Die in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellte Kühleinrichtung 10 weist einen flexiblen Träger 12 auf, der als etwa quadrati­ sche, flache Kunststoffplatte ausgestaltet ist. Auf einer Seite des Trägers 12 sind zwei Kühlleitungen 14, 14' spiral­ förmig angeordnet und mit dem Träger 12 durch flexible Nähte 16 verbunden.

Die beiden Kühlleitungen 14, 14' sind als flexible Kunst­ stoffleitungen aus Polyacetat (PA) ausgebildet. Sie sind bifilar geführt, also als langgezogene Schleifen, wobei die beiden Schenkel einer solchen Schleife jeweils mit entgegen­ gesetzten Laufrichtungen eines Kühlmediums nebeneinander angeordnet sind. Die Mitte jeder Kühlleitung 14, 14', also die Umkehrstelle, ist in Form eines "S" in der Mitte des Trägers 12 angeordnet. Die Kühlleitungen 14, 14' sind je einstückig und somit trenn- und verbindungsstellenfrei.

Die Kühlleitung 14 weist zwei Anschlüsse 18 auf, die als Vor- und Rücklaufanschluß dienen und am Rand des Trägers 12 neben­ einander angeordnet sind. Entsprechend ist die Kühlleitung 14' mit zwei Anschlüssen 18' versehen. Über die Anschlüsse 18, 18' können die Kühlleitungen 14, 14' an ein Kühlsystem des Kernspintomographen angeschlossen werden, das das Kühl­ medium, beispielsweise Wasser, durch die Kühlleitungen 14, 14' pumpt.

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel bedecken die Kühlleitungen 14, 14' den Träger 12 ungefähr gleichmäßig über seine gesamte Fläche. Lücken finden sich lediglich in der Mitte des Trägers 12 (bei den Umkehrstellen der Kühlleitungen 14, 14', die wegen des begrenzten Biegeradius der Kühlleitun­ gen 14, 14' einen gewissen Platz benötigen) und an vier Befe­ stigungslöchern 20. Dieses Ausführungsbeispiel der Kühlein­ richtung 10 ist daher für Anwendungen geeignet, bei denen die abzuleitende Wärme ungefähr gleichmäßig freigesetzt wird. In Ausführungsalternativen weist die Leitungsführung dichtere und weniger dichte Bereiche auf, um die Kühlwirkung an unter­ schiedliche Wärmeabgabezonen anzupassen.

Die Nähte 16 sind parallel zu den Seitenrändern des Trägers 12 an diesem angebracht, um die Kühlleitungen 14, 14' flexi­ bel auf dem Träger 12 zu halten. Einige der Nähte 16 sind von den Mitten der Seitenränder des Trägers 12 zum Mittelpunkt des Trägers 12 geführt, während andere Nähte 16 nur in einem Randbereich des Trägers 12 angeordnet sind. Jede Nahtschlinge umschließt eine Kühlleitung 14, 14' locker und verläuft durch den Träger 12.

An der den Kühlleitungen 14, 14' abgewandten Seite des Trä­ gers 12 sind Montageelemente 22 aufgeklebt, an die beispiels­ weise eine weitere Gradientenspule angebracht werden kann.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Gra­ dientenspulenbaugruppe umschließen zwei rohrförmig ausgestal­ tete Gradientenspulen 24, 24' eine Kühleinrichtung 10, die in ihrer Form an die Krümmung der Gradientenspulen 24, 24' ange­ paßt ist. Die innere Gradientenspule 24 ist als Sattelspule ausgebildet, um einen Magnetfeldgradienten in x-Richtung zu erzeugen. Eine weitere innere Gradientenspule, die zu der Gradientenspule 24 um 90° versetzt angeordnet ist und einen Magnetfeldgradienten in y-Richtung erzeugt, ist in Fig. 4 nicht gezeigt. Die äußere Gradientenspule 24' weist zwei ringförmige Wicklungen auf und dient zum Erzeugen eines Gradienten in z-Richtung.

Bei der Anordnung nach Fig. 4 sind die Kühlleitungen 14, 14' der inneren Gradientenspule 24 zugewandt, während die äußere Gradientenspule 24' an den Montageelementen 22 befestigt ist. Justierbolzen sind in die Gradientenspule 24 eingearbeitet und verlaufen durch die Löcher 20 des Trägers 12. Die gesamte Baugruppe ist mit einem gefüllten Epoxidharz vergossen.

Zum Herstellen der Baugruppe nach Fig. 4 wird zunächst ein zylindrischer Wickeldorn bereitgestellt. Auf diesem werden die Gradientenspule 24 für den Gradienten in x-Richtung sowie die weitere innere Gradientenspule für den Gradienten in y- Richtung angeordnet. Geeignete Justierbolzen werden in die Gradientenspulen eingesetzt.

Gleichzeitig wird eine ausreichende Anzahl von Kühleinrich­ tungen 10 angefertigt. Für jede Kühleinrichtung 10 werden zwei Kühlleitungen 14, 14' in je eine Rinne einer Wickelform eingelegt, so daß die Kühlleitungen 14, 14' in ihrem späteren Verlauf in der Wickelform gehalten werden. Die Wickelform wird nun auf den noch flachen Träger 12 gelegt, und die Kühl­ leitungen 14, 14' werden durch Langlöcher in der Wickelform flexibel an den Träger 12 angenäht. Nun kann die Wickelform entfernt werden.

Als nächster Schritt werden die flachen, flexiblen Kühlein­ richtungen 10 entsprechend der Krümmung der bereits auf dem Wickeldorn befindlichen Gradientenspulen gebogen und mit ihren Befestigungslöchern 20 auf die Justierbolzen aufge­ setzt, wobei die Kühlleitungen 14, 14' diesen Gradienten­ spulen zugewandt sind. Wenn die gesamte Außenfläche der inneren Gradientenspulen von Kühleinrichtungen 10 abgedeckt ist, wird die Gradientenspule 24' an den Montageelementen 22 befestigt. Die gesamte Baugruppe, die sich noch auf dem Wickeldorn befindet, wird in einer geeigneten Form mit einem gefüllten Epoxidharz vergossen. Nach dem Aushärten des Harzes bei etwa 120°C wird der Wickeldorn aus der fertigen Gradien­ tenspulenbaugruppe herausgezogen.

Claims (13)

1. Gradientenspulenbaugruppe für einen Kernspintomographen, mit mindestens einer Gradientenspule (24, 24') und mindestens einer Kühleinrichtung (10), dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kühleinrichtung (10) mindestens eine flexible Kühlleitung (14, 14') für ein Kühlmedium auf­ weist, die flexibel an einem flexiblen Träger (12) angebracht ist.

2. Gradientenspulenbaugruppe nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühllei­ tung (14, 14') flexibel auf den Träger (12) aufgenäht oder flexibel auf den Träger (12) aufgeklebt ist.

3. Gradientenspulenbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kühllei­ tung (14, 14') aus einem vorzugsweise trennstellenfreien Kunststoffrohr besteht.

4. Gradientenspulenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleitung (14, 14') bifilar geführt ist.

5. Gradientenspulenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) aus einem nichtmagnetischen Kunststoff oder Verbundwerkstoff gebildet ist.

6. Gradientenspulenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) mindestens ein Montageelement (22) für ein weiteres Bauelement, insbesondere eine weitere Gradienten­ spule (24, 24'), aufweist.

7. Gradientenspulenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspulenbaugruppe mit einer Vergußmasse, vor­ zugsweise mit einem gefüllten Epoxidharz, vergossen ist.

8. Gradientenspulenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspule (24, 24') in mindestens einer Rich­ tung gekrümmt und die Kühleinrichtung (10) der Form der Gra­ dientenspule (24, 24') angepaßt ist.

9. Verfahren zum Herstellen einer Gradientenspulenbaugruppe für einen Kernspintomographen, insbesondere einer Baugruppe gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, mit den Schritten:

• a) Bereitstellen mindestens einer Gradientenspule (24, 24'),
• b) Bereitstellen mindestens einer Kühleinrichtung (10), die mindestens eine flexible Kühlleitung (14, 14') für ein Kühlmedium aufweist, wobei die Kühlleitung (14, 14') flexibel an einem flexiblen Träger (12) angebracht ist, und
• c) Anbringen der Kühleinrichtung (10) an der Gradientenspule (24, 24').

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Schritt b) die Kühlein­ richtung (10) in einem flachen Zustand bereitgestellt wird, und daß sie in Schritt c) hinsichtlich ihrer Form an die Form der Gradientenspule (24, 24') angepaßt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, da­ durch gekennzeichnet, daß in Schritt

• a) die folgenden Teilschritte ausgeführt werden:
  • 1. Einlegen der Kühlleitung (14, 14') in eine Wickelform, und
  • 2. Anbringen der in der Wickelform befindlichen Kühlleitung (14, 14') an dem Träger (12).

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß in Schritt c) mindestens ein weiteres Bauelement, insbesondere eine weitere Gradientenspule (24, 24'), an der Kühleinrichtung (10) angebracht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß

• 1. in Schritt a) die Gradientenspule (24, 24') auf einem Wickeldorn bereitgestellt wird,
• 2. in Schritt c) die Kühleinrichtung (10) an der auf dem Wickeldorn befindlichen Gradientenspule (24, 24') ange­ bracht wird,
• 3. in einem weiteren Schritt die Gradientenspule (24, 24'), die Kühleinrichtung (10) und gegebenenfalls das weitere Bauelement gemeinsam vergossen werden, und
• 4. in einem abschließenden Schritt der Wickeldorn aus der somit gebildeten Gradientenspulenbaugruppe entfernt wird.