DE19851582C1 - Schaltbare Gradientenspulenanordnung - Google Patents

Abstract

Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte, wobei Leiterenden in der(n) Primärebene(n) unterschiedlich untereinander und/oder mit Leiterenden in der(n) Sekundärebene(n) unter Bildung von Spulenanordnungen mit unterschiedlichen Feldqualitäten/Leistungsmerkmalen durch ein Standardschaltsystem zur logischen Verschaltung der einzelnen Teilspulen in Form von wenigstens vier bipolaren Schaltern (S1-S5) verbindbar sind, von denen je einer als Stromanschlußschalter (S1, S2) die Enden jeder Teilspule (L1-L4) mit den Stromanschlüssen verbindet, einer (S3) der Teilspule (L1-L4) parallelgeschaltet ist, und wenigstens ein Schalter (S4, S4') in einem abzweigenden Verbindungszweig (8) zum wahlweisen Anschließen an andere Teilspulen (L1-L4) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte zur Erzeugung transversaler oder longitudinaler Gradientenfelder.

Die geforderte Leistungsfähigkeit einer Gradientenspule hängt im wesentlichen von der Art der MR-Bildgebung ab. Konventio­ nelle MR-Bildgebung verlangt üblicherweise ein gutes Lineari­ tätsvolumen (-5% im Linearitätsvolumen von 40-50 cm) bei moderaten Gradientenstärken (10-20 mT/m) und Schaltzeiten (-1 ms). Für die schnelle MR-Bildgebung werden hohe Gra­ dienten (20-40 mT/m) sehr schnell geschaltet (100-500 µs). Dadurch können Nebeneffekte in Form von peripheren Muskelsti­ mulationen auftreten. Um diese Effekte zu vermeiden, wird im allgemeinen das Linearitätsvolumen der Gradientenspulen ver­ kleinert, was zu einer Verringerung der maximalen Feldhübe führt und deshalb auch zu einer Verringerung des Stimulati­ onsrisikos (der max. Feldhub bestimmt, neben anderen Aspek­ ten, das Stimulationsrisiko). Daher kann sich bei schnellen Gradientenspulen das Linearitätsvolumen von typischerweise 40-50 cm auf 20 cm DSV verringern. Eine Spule mit solchen Eigenschaften ist üblicherweise nicht für konventionelle Ganzkörperanwendungen geeignet, wohl aber für schnelle MR- Bildgebungstechniken wie EPI, RARE, HASTE, GRASE etc. Hier ist die Geschwindigkeit der wesentliche Vorteil.

Ein anderer Grund für verschiedene Feldqualitäten liegt da­ rin, daß, wenn eine Gradientenspule auf ein bestimmtes Volu­ men ausgelegt wird, die Linearität in der Regel mit dem Ab­ stand zum Zentrum abnimmt. Der menschliche Körper folgt aber nicht unbedingt dieser Vorgabe. So befinden sich z. B. die Schultern in diesem Bereich. Bei Aufnahmen der Wirbelsäule ist es oft sinnvoll, die gesamte Wirbelsäule ohne Umlagerung abzubilden. Auch hier liegen, je nach Mittenpositionierung, die zervikalen und/oder lumbalen Wirbel im Bereich der grö­ ßeren Nichtlinearitäten. Bildverzeichnungen sind daher nicht zu vermeiden. Bei Kopfgradientenspulen liegt, wegen des klei­ neren Durchmessers der Spule, ein kleineres Homogenitätsvo­ lumen vor. Das erlaubt nur die Abbildung von Teilen des Ge­ hirnes, nicht aber die Bildgebung der zervikalen Wirbelsäule. Wünschenswert für den Radiologen kann es daher sein, von ei­ nem zentralen FOV auf ein verschobenes FOV umzuschalten. Dies ist bisher aber nicht möglich. Es existieren nur Ausführungs­ formen in der einen oder anderen Art.

Um nicht von vorneherein festlegen zu müssen, welche eine Feldqualität die Gradientenspulenanordnung besitzen soll, worauf die Anlage beim Kunden dann festgelegt ist, ist in der Offenlegungsschrift DE 195 40 746 A1 auch bereits ein Magnet­ resonanz-Abbildungssystem vorgeschlagen worden, bei welchem ein modulares Gradientensystem verwendet wird, das ein kon­ ventionelles und ein schnelles Gradientenspulensystem in ei­ nem Spulenkörper vereinigt. Das konventionelle Gradienten­ system weist dabei ein großes Linearitätsvolumen auf, das aber nur langsam geschaltet werden kann und zudem nur mittle­ re Gradientenamplituden erlaubt. Das schnelle Gradientensy­ stem dagegen zeigt ein kleineres Linearitätsvolumen, erlaubt dafür allerdings das schnellere Schalten von sehr hohen Gra­ dientenamplituden. Im Prinzip handelt es sich aber dabei um nichts anderes als die Vereinigung zweier völlig getrennter Gradientenspulensysteme, die lediglich auf ein und demselben Rohrträger gewickelt worden sind, wobei neben der getrennten Ansteuerung dieser Gradientenspulensysteme auch eine Hinter­ einanderschaltung oder Parallelschaltung möglich ist.

In der Patentschrift US 5,349,318 A ist eine Gradientenspulen­ anordnung beschrieben, bei der Leiter der Gradientenspule im wesentlichen in einer Primärebene, die ein innerer Zylinder­ mantel ist, und in einer Sekundärebene angeordnet sind, die ein äußerer Zylindermantel ist und den inneren Zylindermantel konzentrisch umgibt. Dabei beinhaltet die Leiteranordnung auf jeder der beiden Zylindermäntel eine Teilspule mit einer spi­ ralförmigen Leiteranordnung sowie eine Anzahl von Teilspulen mit einer hufeisenförmigen Leiteranordnung. An einer Stirn­ seite der Zylindermäntel sind die offenen Leiterenden der Teilspulen zwischen den beiden Zylindermänteln über leitfä­ hige Verbindungsdrähte fest miteinander verbunden, wobei die Verbindungsdrähte an den Leiterenden beispielsweise angelötet sind. Damit ist auch die Feldqualität der Gradientenspulen­ anordnung festgelegt und nicht veränderbar.

In der älteren, am Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem amt­ lichen Aktenzeichen 198 49 731 ist eine ähnliche Leiteranord­ nung für eine Gradientenspulenanordnung wie in vorgenannter US-Patentschrift beschrieben. Dabei sind aber die offenen Leiterenden der Teilspulen an einer Stirnfläche der Gradien­ tenspulenanordnung über spezielle Plattenverbinder verbunden. Durch die Plattenverbinder sind unter anderem in einer weit­ gehend frei wählbaren Verbindungsreihenfolge die Leiterenden untereinander verbindbar, so daß die Gradientenspulenanord­ nung zur Erzielung in weitem Umfang unterschiedlicher Feld­ qualitäten und Leistungsmerkmale in platzeffizienter Weise ausbildbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gradientenspu­ lenanordnung, die Teilspulen umfaßt, so auszugestalten, daß bei einfachem Aufbau in besonders vielfältiger Weise ein un­ terschiedliches Verschalten der Teilspulen untereinander mög­ lich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Die Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1 umfaßt folgende Merkmale:

• - In einer Primärebene angeordnete Teilspulen,
• - in einer Sekundärebene angeordnete weitere Teilspulen,
• - die Primär- und die Sekundärebene besitzen einen radialen Abstand,
• - die Teilspulen weisen eine Vielzahl offener Leiterenden auf,
• - wenigstens ein Standardschaltsystem mit wenigstens vier bipolaren Schaltern zur logischen Verschaltung von Teilspulen,
• - einer der Schalter verbindet als ein Stromanschlußschalter eines der Leiterenden einer der Teilspulen mit einem Stromanschluß,
• - einer der Schalter ist der Teilspule parallelgeschaltet,
• - einer der Schalter ist zum wahlweisen Anschließen an andere Teilspulen in einem Verbindungsabzweig angeordnet, der zwischen einem der Stromanschlußschalter und einem zugehörigen Leiterende der Teilspule abzweigt, und
• - das Standardschaltsystem ist zur Bildung von Gradienten­ spulenanordnungen mit unterschiedlichen Feldqualitä­ ten/Leitungsmerkmalen derart schaltbar ausgebildet, daß Leiterenden in der Primärebene mit Leiterenden in der Se­ kundärebene und/oder Leiterenden innerhalb einer der Ebe­ nen untereinander verbindbar sind.

Durch dieses erfindungsgemäße Standardschaltsystem lassen sich die einzelnen Teilspulen, wobei eine Teilspule auch nur eine einzige Wicklung umfassen kann, in vielfältigster Weise miteinander verschalten, wobei einzelne der Teilspulen durch die Überbrückungsschalter auch vollständig in ihrer Wirkung ausgeschaltet werden können, so daß je nach dem gewünschten Anwendungsfall beim Kunden jeweils optimale Gradientenspulen­ anordnungen herstellbar sind, die dem speziellen Untersu­ chungstyp besonders gerecht werden werden können.

Dabei ist sowohl ein statisches Verschalten der Gradienten­ spulenanordnung mit Hilfes der erfindungsgemäßen Schalteran­ ordnung jeweils vor einer Untersuchungssequenz, als auch ein dynamisches Verschalten während der Untersuchungssequenz mög­ lich. Für eine statische Verschaltung eignen sich dabei Schalter, die durch Gas oder Flüssigkeit, insbesondere die Kühlflüssigkeit der Gradientenspulenanordnung, betätigbare mechanische Schalter sind oder aber auch elektrisch getrie­ bene Schütze. Bei Anordnung dieser Schütze im Gradienten­ streufeld können sie dabei ohne eigene Erregerwicklung ausge­ bildet sein.

Insbesondere für das dynamische Schalten während einer Unter­ suchungssequenz sollen die bipolaren Schalter bevorzugt als in einem Magnetfeld lauffähige Halbleiterschaltelemente aus­ gebildet sein, bevorzugt in der Weise, daß sie IGBT's und/oder Thyristoren enthalten.

Die bipolaren Schalter können zumindest teilweise ringförmig an einem Stirnende der Gradientenspule sowohl innerhalb als auch außerhalb des Vergusses der Gradientenspule angeordnet sein. Für spezielle Anwendungszwecke liegt es dabei auch im Rahmen der Erfindung, daß eine leitfähige Kühlflüssigkeit verwendet wird, die zum Schalten der bipolaren Schalter her­ angezogen wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine aufgeklappte Darstellung einer Spule der Primär- und der Sekundärebene mit der netzar­ tigen Verschaltung der Windungen untereinan­ der,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Verschal­ tung durch eine starre Konfiguration der Leiterschleifen nach Kundenwunsch,

Fig. 3 eine Seitenansicht des statisch verschalteten Stirnendes der Gradientenspulenanordnung nach Fig. 2,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsge­ mäßen Standardschaltsystems zur logischen Verschaltung einer Teilspule mit einer Viel­ zahl weiterer Teilspulen,

Fig. 5 eine Verschaltung von vier Teilspulen des Standardschaltmoduls nach Fig. 4,

Fig. 6 eine alternative Verschaltung von vier Teil­ spulen mit einem abgewandelten Standard­ schaltmodul mit fünf bipolaren Schaltern pro Teilspule,

Fig. 7 ein Schaltbild eines als Halbleiterschalter ausgebildeten bipolaren Schalters,

Fig. 8 eine schematische Stirnansicht einer Gradien­ tenspulenanordnung mit einer Schaltplatine mit einer Vielzahl von elektrischen Schalt­ elementen zum Verschalten der als Punkte an­ gedeuteten Wicklungsenden der Teilspulen,

Fig. 9 und 10 Seitenansichten der Anordnung nach Fig. 1, bei der die Kontakte zum einen außen liegen und zum anderen in den Verguß mit eingebettet sind,

Fig. 11 eine Stirnansicht einer Gradientenspulenan­ ordnung mit mechanischen Schaltelementen zum gruppenweise unterschiedlichen Verschalten der Wicklungsenden der Teilspulen,

Fig. 12 eine Seitenansicht der Spulenanordnung nach Fig. 11,

Fig. 13 eine schematische Ansicht einer Z-Spule mit unterbrochenen Teilspulen und herausgezoge­ nen, in unterschiedlicher Weise verschaltba­ ren Steuerleitungen,

Fig. 14 und 15 Seitenansichten der Anordnung nach Fig. 1 mit vergossenen bzw. außerhalb der Gradientenspu­ lenanordnung angeordneten Schaltelementen, und

Fig. 16 und 17 eine Teilstirnansicht bzw. Seitenansicht ei­ ner Anordnung für eine Z-Spulenanordnung, bei der sowohl die Wicklungen der Primärspule als auch der Sekundärspule in beliebiger Weise miteinander verschaltbar sind.

Die Fig. 1 zeigt in aufgeklappter Darstellung eine Spule 1 der Primärwicklung und eine Spule 2 der Sekundärwicklung, die durch ein Netzwerk 3 miteinander verbunden sind. Dabei sind jeweils Wicklungsenden der Teilspulen der Primärspule 1 mit Enden von Wicklungen der Teilspulen der Sekundärspule 2 ver­ bunden. Die Verknüpfungspunkte 4 sind dabei so zu verstehen, daß durch im nachfolgenden noch im einzelnen zu beschreibende Schaltanordnungen jeweils zwei auf der gleichen horizontalen Linie liegende Verknüpfungspunkte 4 miteinander verbunden sind.

Die Fig. 2 und 3 zeigen dabei schematisch den einfachsten Fall einer kundenspezifischen Verschaltung mit Hilfe von starren Schaltbrücken 5. Diese werden so gewählt, daß kunden­ spezifisch eine optimal angepaßte Gradientenspulenanordnung erzielt wird, die aber keine Veränderung ermöglicht, es sei denn durch eine relativ aufwendige, anders geartete starre Verschaltung.

Das eigentliche Wesen der vorliegenden Erfindung besteht aber in der Ausbildung eines Schaltsystems, um beim Kunden wahl­ weise völlig unterschiedliche Gradientenspulenkonfigurationen auszubilden und somit die Abbildungseigenschaften dem jeweils gewünschten Untersuchungstyp optimal bei jeder Untersuchung anpassen zu können.

Hierzu ist erfindungsgemäß ein Standardschaltsystem für jede Teilspule vorgesehen, wie sie in Fig. 4 anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels dargestellt ist. Die Teilspule L1, die selbst­ verständlich auch nur eine einzige Wicklung darstellen könnte, ist dabei mit vier bipolaren Schaltern S1 bis S4 ver­ sehen, von denen die Schalter S1 und S2 als Stromanschluß­ schalter die Enden 6 und 7 der Teilspule L1 mit den beiden Stromanschlüssen der jeweiligen Gradientenspule verbinden. Der Schalter S3 ist der Teilspule L1 parallelgeschaltet und kann sie also überbrücken und damit in ihrer Wirkung aus­ schalten, und der Schalter S4 liegt in einem Verbindungsab­ zweig 8 zum wahlweisen Anschließen an andere Teilspulen. Eine Verschaltung aus vier derartigen Teilspulen L1 bis L4 mit dem Standardschaltsystem nach Fig. 4 ist dabei in Fig. 5 darge­ stellt.

Das nachstehende Diagramm gibt die drei globalen Schaltzu­ stände jedes bipolaren Schalters für Serienschaltung, Par­ allelschaltung und Bypass bei einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 wieder.

Dabei bedeutet 1, daß der jeweilige Schalter geschlossen ist und 0, daß der Schalter geöffnet ist. Die Kombination 0/1 bedeutet, daß einer der beiden Zusände möglich ist.

Die Fig. 6 zeigt eine alternative Verschaltung, bei der jedes Standardschaltsystem zum Verschalten einer Teilspule L1 bis Ln fünf bipolare Schalter S1, S2, S3, S4' und S5 umfaßt. Dies ermöglicht eine Vielzahl weiterer Kombinationen von Serien- und Parallelschaltung der Teilspulen. Bei 9 ist dabei ein Gradientenverstärker angedeutet.

Die Fig. 7 zeigt die Ausbildung eines bipolaren Schalters S1 bis S5 als Halbleiterschalter mit zwei IGBT's 10 und 11, die jeweils durch Dioden 12 und 13 mit unterschiedlicher Durch­ gangsrichtung überbrückt sind.

Die in den Fig. 4, 5 und 6 dargestellte Topologie unter­ liegt verschiedenen Anforderungen, je nachdem ob die Schalte­ lemente schnell oder langsam geschaltet werden. Bei einer dynamischen Schaltung, im Falle also einer Abänderung der Gradientenspulenanordnung während des Ablaufs einer Sequenz, kann dies nur mittels Halbleitern erfolgen, wie sie in der Fig. 7 anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt ist. Dabei werden bevorzugt die bereits angesprochenen IGBT's ver­ wendet, da sie hohe Ströme und Spannungen schalten können. Es ist jedoch auch der Einsatz von Thyristoren möglich, da das Schalten bei Strom 0 (oder bei sehr kleinen Offsetströmen) stattfinden kann.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen schematisch die Möglichkeit einer Ausbildung des Schaltsystems unter Verwendung elektrischer Schaltelemente. Die elektrischen Schaltelemente 14 dienen dabei in Verbindung mit einer Platine 15 mit einer Vielzahl von Stromlaufbahnen 16 bis 20 zum unterschiedlichen Verschal­ ten der durch ihre Wicklungsenden 21 und 22 an der Stirnseite der Gradientenspulenanordnung angedeuteten Teilspulen. In der Seitenansicht nach Fig. 9 ist die Verschaltung außerhalb des Vergusses der Gradientenspule innerhalb eines Deckels 23 an­ geordnet, während bei der Anordnung nach Fig. 10 die elektri­ schen Schaltelemente innerhalb des Vergusses der Gradienten­ spule liegen und nur die Steuerleitungen 24 nach außen ge­ führt sind. Es ist auch ein Aufbau denkbar, bei dem mehrere Platinen übereinanderliegend den Stromlauf steuern.

Die Fig. 11 und 12 zeigen Pin Ausführungsbeispiel mit ei­ ner mechanischen Ausbildung der Schalter. Das mechanische Schaltelement 14' dient zur Verschiebung von beispielsweise aus Kupfer bestehenden Kontaktbügeln 25 und 26 längs der Dop­ pelpfeile 27 und 28. Diese Kontaktbügel 25 und 26 in Fig. 11 gleiten unter den mit den Wicklungsenden 21 bzw. 22 verbunde­ nen Kontaktstegen, wobei je nach der Stellung der Kontaktbü­ gel 25 und 26 unterschiedliche Gruppen von Kontaktstegen 29 elektrisch kontaktiert werden und demzufolge die entsprechen­ den Wicklungen miteinander verbunden sind.

Die Fig. 13 bis 15 zeigen eine mögliche Anwendung der er­ findungsgemäßen Verschaltung für Z-Spulen, wobei in Fig. 14 die Schaltelemente im Verguß integriert sind und bei Fig. 15 außerhalb des Vergusses der Gradientenspule angeordnet sind. Die einzelnen Teilspulen der aufgetrennten Z-Spulen sind da­ bei in der Sekundärebene mittels Steuerleitungen 30 zur Stirnseite nach vorne gezogen, so daß sie dort durch in Fig. 13 angedeutete Brücken, die in Wahrheit natürlich durch er­ findungsgemäße Standardschaltsysteme ausgebildet sein sollen, in unterschiedlicher Weise miteinander verbindbar sind. Diese Aufteilung und unterschiedliche Verschaltbarkeit ist dabei beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 13 und 15 nur bei der Sekundärspule, nicht aber bei der Primärspule, vorgese­ hen. Deren beide Anschlüsse 31 werden unverändert an den ent­ sprechenden Gradientenspulenverstärker angeschlossen.

In den Fig. 15 und 17 ist demgegenüber ein Ausführungsbei­ spiel dargestellt, bei dem sowohl die Wicklungen der Sekun­ därspule der Z-Spulenanordnung als auch der Primärspule un­ tereinander und miteinander in unterschiedlicher Weise über ein Schalterarray 14'' verbindbar sind. Die Punkte stellen dabei jeweils mögliche Verknüpfungsstellen dar.

Claims (8)

1. Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte zur Erzeugung transversaler oder longitudinaler Gradienten­ felder, beinhaltend folgende Merkmale:

• 1. In einer Primärebene angeordnete Teilspulen,
• 2. in einer Sekundärebene angeordnete weitere Teilspulen,
• 3. die Primär- und die Sekundärebene besitzen einen radialen Abstand,
• 4. die Teilspulen weisen eine Vielzahl offener Leiterenden auf,
• 5. wenigstens ein Standardschaltsystem mit wenigstens vier bipolaren Schaltern (S1 bis S5) zur logischen Verschaltung von Teilspulen,
• 6. einer der Schalter verbindet als ein Stromanschlußschalter (S1, S2) eines der Leiterenden einer der Teilspulen mit einem Stromanschluß,
• 7. einer der Schalter (S3) ist der Teilspule parallelgeschal­ tet,
• 8. einer der Schalter (S4, S4') ist zum wahlweisen Anschlie­ ßen an andere Teilspulen in einem Verbindungsabzweig (8) angeordnet, der zwischen einem der Stromanschlußschalter (S1, S2) und einem zugehörigen Leiterende der Teilspule abzweigt, und
• 9. das Standardschaltsystem ist zur Bildung von Gradienten­ spulenanordnungen mit unterschiedlichen Feldqualitä­ ten/Leistungsmerkmalen derart schaltbar ausgebildet, daß Leiterenden in der Primärebene mit Leiterenden in der Se­ kundärebene und/oder Leiterenden innerhalb einer der Ebe­ nen untereinander verbindbar sind.

2. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die bipolaren Schalter (S1-S5) statisch jeweils vor einer Sequenz betä­ tigt werden.

3. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die bipolaren Schalter (S1-S5) durch Gas oder Flüssigkeit, insbesondere die Kühlflüssigkeit, betätigbare mechanische Schalter sind.

4. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolaren Schalter (S1-S5) elektrisch getriebene Schütze umfassen.

5. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schütze ohne Erregerwicklung im Gradientenstreufeld angeordnet sind.

6. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die bipolaren Schalter (S1-S5) als in einem Magnetfeld lauffähige Halb­ leiterschaltelemente ausgebildet sind.

7. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Halblei­ terschaltelemente IGBT's (10, 11) und/oder Thyristoren ent­ halten.

8. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bipolaren Schalter (S1-S5) zumindest teilweise ringförmig an einem Stirnende der Gradientenspule angeordnet sind.