DE69532101T2

DE69532101T2 - Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz

Info

Publication number: DE69532101T2
Application number: DE69532101T
Authority: DE
Inventors: Michael A. Mentor Morich; Labros S. Solon Petropoulos
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 2004-06-09
Anticipated expiration: 2015-08-02
Also published as: JPH0884720A; EP0701143A1; US5545996A; EP0701143B1; DE69532101D1; JP3682627B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz, das Folgendes umfasst: einen Hauptmagneten zur Erzeugung eines temporär konstanten Magnetfelds durch eine Patientenaufnahmeöffnung, eine Gradientenfeldspulenanordnung mit einer Primärspule und einer Abschirmungsspule zur Erzeugung von Magnetfeldern, die in der genannten Öffnung Magnetfeldgradienten bilden und dazu neigen, außerhalb der Patientenaufnahmeöffnung aufgehoben zu werden, und eine HF-Spule zur Erzeugung von Magnetresonanz in der Öffnung, wobei das genannte temporär konstante Magnetfeld Komponenten an der Gradientenfeldspulenanordnung hat, die sich in Bezug auf die Öffnung in axialer und radialer Richtung erstrecken und die während des Betriebs mit dem Strom, der an die Primär- und Abschirmungsspulen der Gradientenfeldspulenanordnung angelegt wird, auf eine solche Weise in Wechselwirkung treten, dass die Primär- und Abschirmungsspulen eine Lorentz-Nettokraft erfahren, wobei die Primärspule oder die Abschirmungsspule zusätzliche Kraftkorrekturwicklungen haben, die jeweils angrenzend an Kantenbereiche der Primärspule oder der Abschirmungsspule, axial vom Isozentrum des Magnetfelds abgesetzt, angeordnet sind.
Magnetische Bilderzeugungsgeräte haben im Allgemeinen eine Öffnung mit einem Durchmesser von 90 cm oder mehr, um den Körper eines zu untersuchenden Patienten aufzunehmen. Die Öffnung ist von einer Reihe ringförmiger supraleitender Magneten umgeben, um entlang der Längsachse der Patientenaufnahmeöffnung ein im Wesentlichen homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Je geringer der axiale Abstand der Magneten ist, desto homogener wird das primäre Magnetfeld innerhalb der Patientenaufnahmeöffnung und desto länger ist die axiale Ausdehnung, über die ein derartiges homogenes Magnetfeld vorhanden ist. Üblicherweise ist die Öffnung mindestens 1,6 m lang und oft noch länger.
Einer der Nachteile derartiger langer Öffnungsmagneten besteht darin, dass die interessierende Region für das medizinische Personal häufig unzugänglich ist. Wenn auf der Grundlage des Bildes ein bestimmter Vorgang durchgeführt werden, muss der Patient zunächst aus der Öffnung entfernt werden, bevor man den Vorgang durchführen kann.
Durch das Bewegen des Patienten erhöht sich jedoch das Risiko von Justierungsfehlern zwischen Patient und Bild.
Eine Möglichkeit, den Zugang zum Patienten zu verbessern, besteht darin, die Länge des Magneten und der Patientenaufnahmeöffnung zu verringern. Wenn man den Magneten und die Öffnung auf etwa 1 m oder ungefähr um den Durchmesser der Öffnung verkürzte, würde dies den Zugang zum Patienten deutlich verbessern. Obwohl die Größe des homogenen Magnetfelds dabei zu einer scheibenähnlichen Form komprimiert wird, reicht der Bereich wesentlicher Homogenität immer noch für eine Serie von 10 bis 20 zusammenhängenden Schichtbildern aus. Helikale oder kontinuierliche Kernspinresonanz-Abtastverfahren (NMR) können ebenfalls angewendet werden.
Obwohl ein adäquates Bildgebungsvolumen verbleibt, neigt das Magnetfeld im Raum um die Peripherie der die Gradientenspule aufnehmenden Öffnung herum dazu, relativ inhomogen zu werden, und hat sowohl axiale z-Komponenten als auch radiale x- und xy-Komponenten. Die Gradientenspule hat in der Regel Wicklungen zur Erzeugung von drei linearen und orthogonalen Magnetfeldgradienten, um eine räumliche Auflösung und Unterscheidung von Kernspinresonanzsignalen zu schaffen. Gradientenspulen sind typischerweise dafür konzipiert und konstruiert, die Stärke und Linearität über das Bildgebungsvolumen und die gespeicherte Energie und Induktivität in der Gradientenspule zu optimieren. Siehe hierzu beispielsweise die US-amerikanische Patentschrift Nr. 5.296.810 von Morich. Zur Erzeugung der Magnetfeldgradienten werden Stromimpulse an die x-, y- und/oder z-Gradienten angelegt. Diese Ströme treten mit dem Hauptmagnetfeld in Wechselwirkung, um Lorentz-Kräfte an der Gradientenspule zu erzeugen. Aufgrund der in den Gradientenspulenströmen enthaltenen Symmetrie werden die Lorentz-Kräfte über der gesamten Spule aufgehoben, wenn die Gradientenspule in einem homogenen Magnetfeld angeordnet wird. Wenn das Hauptmagnetfeld jedoch weniger homogen ist, insbesondere wenn signifikante radiale und inhomogene axiale Komponenten im Umfeld der Gradientenspulen vorhanden sind, kann ein Nettoschub entwickelt werden. In der Regel verursacht eine Impulsgabe bei der z-Gradientenspule einen Nettoschub in der z-Richtung, eine Impulsgabe bei der x-Gradientenspule einen Nettoschub in der x-Richtung, und eine Impulsgabe bei der y-Gradientenspule einen Nettoschub in der y-Richtung. Im Fall der z-Gradientenspule kann die axiale Nettokraft in der Größenordnung von einigen hundert Pfund (1 Pfund = 4,448 N) liegen. Diese Nettoschübe neigen dazu, die Gradientenspule axial aus der Öffnung herauszudrücken oder herauszudrängen. Obwohl die Gradientenspule mechanisch verankert werden kann, neigen diese großen Kräfte weiterhin dazu, starke Geräusche sowie verstärkte Vibrationen am Magneten und beim Patienten zu verursachen. Derartige Vibrationen haben schädliche Auswirkungen auf die Bilderzeugung, wie beispielsweise einen Verlust an Auflösung.
Ein Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz der eingangs erwähnten Art ist aus der Patentschrift EP-A-0.231.879 bekannt. Die Primär- und Abschirmungsspulen des bekannten Geräts erzeugen ein lineares Gradientenfeld innerhalb der Gradientenfeldspulenanordnung. Außerhalb der Gradientenfeldspulenanordnung haben die Primär- und Abschirmungsspulen im Wesentlichen einen Wert von Null. Als Folge wird eine Wechselwirkung zwischen der Gradientenfeldspulenanordnung und externen Strukturen eliminiert. Insbesondere wird die Erzeugung von unerwünschten Wirbelströmen in dem Hauptmagneten durch das Magnetfeld der Gradientenfeldspulenanordnung verhindert. Eine Reduzierung der Wirbelstromeffekte um mehr als den Faktor 100 wird ohne weiteres erzielt. Durch die Eliminierung induzierter Wirbelströme wird die Stabilität des Gradientenfelds verbessert. Wenn die Primär- und Abschirmungsspulen der Gradientenfeldspulenanordnung fest miteinander verbunden sind, werden Kräfte zwischen der Gradientenfeldspulenanordnung und dem Hauptmagneten im Wesentlichen aufgehoben, so dass Geräusche reduziert werden.
Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, ein Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei dem mechanische Vibrationen und hörbare Geräusche, die durch die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld des Hauptmagneten und dem an die Primär- und Abschirmungsspulen der Gradientenfeldspulenanordnung angelegten Strom verursacht werden, weiterhin reduziert werden.
Um die genannte Aufgabe zu erfüllen, ist ein erfindungsgemäßes Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz dadurch gekennzeichnet, dass den Kraftkorrekturwicklungen während des Betriebs Strom zugeführt wird, und zwar in einer Richtung, die der Richtung des der betreffenden Primär- oder Abschirmungsspule zugeführten Stroms entgegengesetzt ist, so dass die Kraftkorrekturwicklungen eine Lorentz-Kraft erfahren, wobei der genannte Strom, der den Kraftkorrekturwicklungen zugeführt wird, so beschaffen ist, dass die genannte durch die Kraftkorrekturwicklungen erfahrene Lorentz-Kraft gleich und entgegengesetzt zu der von den Primär- oder Abschirmungsspulen erfahrenen Lorentz-Nettokraft ist.
In einem erfindungsgemäßen Gerät hat die Patientenaufnahmeöffnung üblicherweise ein Länge/Durchmesser-Verhältnis von weniger als 1,5:1, zum Beispiel von 1:1.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist die Gradientenspulenanordnung eine selbstabschirmende Gradientenspule mit einer Primärspule und einer Abschirmungsspule, wobei Stromimpulse durch die Primär- und die Abschirmungsspule fließen, welche Magnetfelder erzeugen, die innerhalb der Gradientenspulenanordnung kombiniert werden, um einen linearen Magnetfeldgradienten zu bilden, und die außerhalb der Gradientenspulenanordnung dazu neigen aufgehoben zu werden, wobei die durch die Abschirmungsspule fließenden Stromimpulse in Wechselwirkung mit den genannten radialen Magnetfeldkomponenten treten, um eine erste Kraft zu erzeugen, wobei die primäre Gradientenspule die genannten Kraftkorrekturwicklungen enthält, so dass Stromimpulse durch die primäre Gradientenspule mit den genannten radialen Magnetfeldkomponenten in Wechselwirkung treten, um eine zweite Kraft zu erzeugen, die gleich der ersten Kraft und ihr entgegengesetzt ist.
In einer zweiten speziellen Ausführungsform hat die Gradientenspulenanordnung primäre und sekundäre Gradientenspulen mit jeweils vier symmetrisch angeordneten Thumbprint-Spulen, um transversal zur Längsachse der Öffnung einen Magnetfeldgradienten zu erzeugen, wobei die durch die Thumbprint-Spulen fließenden Stromimpulse in Wechselwirkung mit den genannten axialen und radialen Magnetfeldkomponenten treten, um die genannte radiale Kraft zu erzeugen, wobei die Kraftkorrekturwicklungen kraftausgleichende Stromschleifen enthalten, die angrenzend an ein Ende von mindestens einer der primären und sekundären Gradientenspulen angeordnet sind, um Stromflüsse zu führen, die in entgegengesetzter Richtung zu einer am dichtesten angrenzenden Thumbprint-Spule zirkulieren, um die genannten radialen Kräfte entlang der radialen Richtung auszugleichen.
In einer weiteren speziellen Ausführungsform hat die Gradientenspulenanordnung eine primäre z-Gradientenspule mit einer Reihe von Schleifenspulen, die um einen zylindrischen Spulenkörper herum angeordnet sind, um entlang der Längsachse der Öffnung ein z-Gradientenfeld zu erzeugen, und die Kraftkorrekturwicklungen haben Schleifen, die um Enden des zylindrischen Spulenkörpers herum verlaufen und mit den z-Gradienten-Schleifenspulen in Reihe geschaltet sind, um gemeinsame Stromimpulse, jedoch in entgegen gesetzter Richtung, zu führen.
In noch einer weiteren speziellen Ausführungsform hat die Gradientenspulenanordnung eine primäre z-Gradientenspule, um entlang der Längsachse der Öffnung und einer zweiten, abgeschirmten z-Gradientenspule ein z-Gradientenfeld zu erzeugen, wobei die zweite z-Gradientenspule um die primäre z-Gradientenspule herum angeordnet ist, wobei an die primäre und an die sekundäre z-Gradientenspule angelegte Stromimpulse Magnetfelder verursachen, die innerhalb der Gradientenspulenanordnung kombiniert werden, um axial entlang der Öffnung und der Gradientenspulenanordnung einen linearen Gradienten zu erzeugen, und die außerhalb der Gradientenspulenanordnung aufgehoben werden.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie den Zugang zu Bereichen des Patienten in der Untersuchungsregion erleichtert.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie die Bildqualität verbessert.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass sie die Befestigung und Konstruktion der Gradientenspulen vereinfacht.
Ein erfindungsgemäßes Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz sowie ein erfindungsgemäßes Verfahren für die Konstruktion der Spulen einer Gradientenspulenanordnung werden nun anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Gerätes zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz;
2A und 2B exemplarische Stromverteilungen für primäre z-Gradientenspule und die abgeschirmte z-Gradientenspule des Gerätes, und
3A und 3B eine primäre und eine abgeschirmte oder sekundäre x- oder y-Gradientenspulenwicklung des Gerätes.
Bezug nehmend auf 1 enthält das Gerät eine Vielzahl primärer Magnetspulen 10, die entlang einer Längs- oder z-Achse einer Zentralöffnung 12 ein temporär konstantes Magnetfeld erzeugen. Die primären Magnetspulen werden von einem Spulenkörper 14 getragen und von einem torischen Heliumgefäß oder -behälter 16 aufgenommen. Der Behälter ist mit flüssigem Helium gefüllt, um die primären Magnetspulen 10 auf supraleitenden Temperaturen zu halten. Der Behälter 16 ist von einer oder mehreren Kälteabschirmungen 18 umgeben, die sich in einem Vakuum-Dewar-Gefäß 20 befinden.
Eine Ganzkörper-Gradientenspulenanordnung 30 umfasst x-, y- und z-Spulen, die um die Öffnung 12 herum angebracht sind. Vorzugsweise handelt es sich bei der Gradientenspulenanordnung um eine selbstabschirmende Gradientenspulenanordnung mit primären x-, y- und z-Spulenanordnungen r, die in einem dielektrischen Spulenkörper 34 eingekapselt sind, sowie mit einer sekundären oder abschirmenden Gradientenspulenanordnung 36, die sich auf einem die Öffnung definierenden Zylinder 38 des Vakuum-Dewar-Gefäßes 20 befindet. Der dielektrische Spulenkörper 34 mit den eingekapselten Gradientenspulen kann als Öffnungsauskleidung fungieren, oder es kann eine kosmetische Verkleidung eingesetzt werden. Vorzugsweise sind zwischen den dielektrischen Spulenkörpern der primären und der abschirmenden Gradientenspule nach Bedarf Shim-Einschübe (nicht gezeigt) positioniert, um das Magnetfeld zu justieren. In der Gradientenspulenanordnung 30 ist eine Ganzkörper-Hochfrequenzspule 40 angebracht. Zwischen der Ganzkörper-Hochfrequenzspule 40 und der Gradientenspulenanordnung 30 befindet sich eine Ganzkörper-Hochfrequenzabschirmung 42, zum Beispiel eine Schicht aus Kupferdrahtgeflecht.
Eine Benutzerschnittstelle und Steuereinheit 50 umfasst eine Anzeigeeinheit, beispielsweise einen Videomonitor 52, sowie Eingabemittel, einschließlich einer Tastatur 54 und einer Maus 56. Trackballs, Lichtstifte und andere Bedienereingabemittel kommen ebenfalls in Betracht. Computergestelle 58 enthalten einen MR-Sequenzspeicher und -Controller, einen Rekonstruktionsprozessor sowie andere Computerhardware und -software zur Steuerung der HF-Spule 40 und der Gradientenspule 30, um eine beliebige aus der Vielzahl konventioneller MR-Bildgebungssequenzen, einschließlich Echo-Planar, Echo-Volumen, Spin-Echo und andere Bildgebungssequenzen, zu implementieren. Echo-Planar- und Echo-Volumen-Bildgebungssequenzen sind durch kurze Datenerfassungszeiten sowie hohe Gradientenstärken und Anstiegsgeschwindigkeiten gekennzeichnet. Die Gestelle 58 enthalten außerdem einen digitalen Sender, um der HF-Spule HF-Erregungs- und Resonanzmanipulierungssignale zuzuführen, und einen digitalen Empfänger, um die Magnetresonanzsignale zu empfangen und zu demodulieren. Die empfangenen Magnetresonanzsignale werden von einem Array-Prozessor und zugehöriger Software zu einer Bilddarstellung rekonstruiert, die im Computerspeicher, auf einer Festplatte oder einem anderen Aufzeichnungsmedium gespeichert wird. Ein Videoprozessor extrahiert selektiv Teile der gespeicherten rekonstruierten Bilddarstellung und formatiert die Daten für die Anzeige durch den Videomonitor 52. Es kann auch ein Bilddrucker vorgesehen werden, um Ausdrucke von ausgewählten Bildern auf Papier anzufertigen.
In der bevorzugten Ausführungsform haben der Durchmesser und die Länge der Öffnung 12 ein Größenverhältnis von etwa 1:1. Es ist allerdings zu beachten, dass die vorliegende Erfindung auch für andere Magneten geeignet ist, insbesondere für Magneten mit begrenzter Hauptmagnetfeldhomogenität. Normalerweise könnte man erwarten, dass Magneten mit einem Öffnungslänge/Durchmesser-Verhältnis von bis zu 1,5:1 für die vorliegende Erfindung in Frage kommen. Die vorliegende Erfindung wird jedoch auch für Magnetresonanzbildgebungsgeräten mit längeren Öffnungen geeignet sein, bei denen die Hauptmagnetfeldinhomogenität, insbesondere radiale Feldkomponenten, in dem Bereich der Gradientenspulen ausreicht, um eine Bildverschlechterung aufgrund von Vibration zu verursachen, oder bei denen die Nettokräfte ausreichen, um eine mechanische Befestigung der Gradientenspulen schwierig zu machen.
Die Wechselwirkung zwischen den sich räumlich verändernden Komponenten der Magnetfelder und den Stromdichten der Spulenanordnung wirft zwei unterschiedliche Probleme auf. Zum einen besteht eine Wechselwirkung zwischen dem azimutal gerichteten Strom der z-Gradientenspule mit B_ρ0. Da beide Größen punktsymmetrische Funktionen um das geometrische Zentrum des magnetischen Pluspols des Gradientensystems sind, erzeugen sie nach der Lorentz-Kraft-Gleichung eine z-gerichtete Schubkraft. Je nach dem axialen oder z-Verhalten von B_ρ0, insbesondere seines Wertes an den Leitern der z-Gradientenspule, kann der Wert der Schubkraft mehrere hundert Pfund oder einige taussend Newton erreichen.
Das zweite Problem betrifft die Wechselwirkung zwischen der Stromdichte für eine transversale x- oder y-Gradientenspule und sowohl die B_ρ0- als auch B_z0-Komponente des Hauptmagnetfelds. Das Ergebnis einer solchen Wechselwirkung wird erneut durch die Lorentz-Kraft-Gleichung bestimmt, ist jedoch eine radial gerichtete Nettokraft. Aufgrund der azimutalen Abhängigkeit der Stromdichte des transversalen Gradienten verläuft die radial gerichtete Kraft für eine x- oder y-Gradientenspule entsprechend in x- oder y-Richtung. Die Größe dieser Kraft ist wiederum von dem Wert der B_ρ0- und B_z0-Komponenten des statischen Magnetfelds an den Stromleitungen für die x- und y-Gradientenspulen abhängig. Da der Radius der x- und y-Gradientenspulen unterschiedlich ist, wird auch der Wert der entsprechenden Kraft unterschiedlich sein. Der Wert der Komponenten von B₀ ändert sich mit der radialen Position.
Zunächst die analytische Ausweitung des z-gerichteten Schubkraft betrachtend, die das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen der z-Gradientenspule und der B_p0-Komponente ist, wird ein Minimierungsverfahren für die Konstruktion von z-Gradientenspulen mit einer Nettoschubkraft von Null vorgestellt. Bei einer herkömmlichen z-Gradientenspule ist der Strom punktsymmetrisch um das geometrische Zentrum der Spule herum verteilt und auch das Magnetfeld B_ρ0 ist punktsymmetrisch um das geometrische Zentrum des Magneten herum verteilt. Da diese beiden Zentren normalerweise zusammenfallen, ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Strom und der B_p0-Feldkomponente eine z-gerichtete Schubkraft an der Gradientenspule.
Bezug nehmend auf die 2A und 2B ist die z-Gradientenspule selbstabschirmend, mit einer inneren oder primären Wicklung 60 des Radius a und einer äußeren oder sekundären Abschirmwicklung 62 des Radius b. Zur Vereinfachung der Konstruktion ist die primäre z-Gradientenspule in ringförmigen Schleifen um den dielektrischen Spulenkörper 34 gewickelt und mit Epoxidharz oder einem anderen Harz vergossen. Die abschirmende z-Gradientenspule ist vorzugsweise ringförmig um den dielektrischen Spulenkörper 34 gewickelt, der in das Vakuum-Dewar-Gefäß integriert ist. Selbstverständlich sind auch alternative Ausführungsformen möglich, bei denen er kein integraler Bestandteil des Vakuum-Dewar-Gefäßes ist. Die Stromdichte für die innere Gradientenspule J_φ ^a (z) ist azimutal gerichtet und verändert sich nur entlang der axialen Richtung der Spule. Ähnlich ist auch die Stromdichte für die äußere Gradientenspule J_φ ^b (z) azimutal gerichtet und verändert sich entlang der axialen Richtung der Spule. Die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Stromdichten mit der radialen Komponente des Hauptmagnetfelds an den radialen Stellen der Spule, d.h. B_ρ0 ^a bzw. B_ρ0 ^b, erzeugt eine Lorentz-Kraft, die entlang der z-Richtung gerichtet ist.
Generell beschreibt die Lorentz-Gleichung die elementare Kraft, die ein Stromelement J_φ ^a,b (z) dz (a,b)
in Anwesenheit eines Magnetfelds B_ρ0 ^a,b erfährt, als:
Die Nettokraft, die von diesen zwei Spulen erzeugt wird, ist entlang der z-Richtung gerichtet und hat die Form:
mit
wobei B_ρ0 ^a,b (z) bekannte reelle Funktionen von (z) sind. Die Fourier-Transformationspaare für J_φ ^a,b und B_ρ0 ^a,b sind:
Diese Gleichungen können benutzt werden, um die Fourier- oder k-Raum-Darstellung der Nettoschubkraft zu erhalten als:
Da B_ρ0 ^a,b (z) eine reine reelle, unsymmetrische Funktion von z ist, gilt:
Für einen Satz von z-Gradientenspulen mit dem Radius a bzw. b lässt sich der Ausdruck der axialen z-Komponente des Magnetfelds infolge der Gradientenspule B_z in den drei Bereichen, die die beiden Spulen definieren, aufgrund des Verhaltens der Stromdichte vereinfachen. Genauer gesagt wird für einen im Umkreis einer zylindrischen Gradientenspule homogenen Strom keine Winkelabhängigkeit berücksichtigt. Der Strom in der z-Gradientenspule ist auf Veränderungen entlang der z-Richtung beschränkt. Mit diesen Einschränkungen lautet der Ausdruck für B_z in den drei Bereichen:

wobei j_φ ^a (k) und j_φ ^b (k) jeweils Fourier-Transformationen der Stromdichten der inneren Spule mit dem Radius a bzw. der äußeren Spule mit dem Radius b sind. Idealerweise ist das von der z-Gradientenspule erzeugte Magnetfeld B_z im Innenbereich beider Spulen linear und außerhalb der beiden Spulen gleich Null. Um die Einschränkung zu erfüllen, dass das Feld außerhalb der beiden Spulen Null ist, wird B_z im Bereich b < ρ gleich Null gesetzt, d.h. die Gleichung (6c) wird mit Null gleichgesetzt. Eine Möglichkeit, die Gleichung (6c) gleich Null zu setzen, besteht darin, die Stromdichten der inneren und äußeren Spulen so in Beziehung zu setzen, so dass die Summe ihrer Fourier-Komponenten Null ergibt, d.h.:
oder:
Indem man Gleichung (8) in Gleichung (6a) einsetzt, wird der Ausdruck für das Magnetfeld für den Innenbereich der beiden Spulen ρ < a zu:
Ausgehend von Gleichung (8) kann der Ausdruck für die Nettokraft ebenfalls vereinfacht werden:
Die in der Spule W gespeicherte Energie im Sinne von Gleichung (8) ist:
Bei einer Gradientenspule der Länge L ist die Fourier-Erweiterung um das geometrische Zentrum herum für den Strom der inneren Spule in einer selbstabschirmenden Konstruktion:
wobei j_n ^a die Fourier-Koeffizienten der Erweiterung und sin k_nz die antisymmetrische Bedingung für den Strom um die Ursprung herum ist. Bei einer Spule der Länge L ist der Strom vorzugsweise so beschränkt, dass er an den Spulenenden zu Null wird, wodurch auch die Werte beschränkt werden, die k_n annehmen kann. Die zulässigen Werte für k_n sind daher:
Die Fourier-Transformation von für j_φ ^a (z) ist:
mit
Aufgrund der Symmetrieanforderungen ist die Abhängigkeit von ψ_n(k) in der Variablen k:
Anhand des Ausdrucks der Fourier-Komponente des Stroms sind die Ausdrücke für das Gradientenmagnetfeld B_z, die gespeicherte magnetische Energie W in der Gradientenspule und die z-gerichtete Schubkraft F_z:
Da B_ρ0 ^a,b (z) eine unsymmetrische Funktionen in Bezug auf z ist, wird die zugehörige Fourier-Transformation definiert als:
mit:
Die Gleichung (20) hat dann die Form:
Anhand der Ausdrücke für das Magnetfeld, die gespeicherte Energie und die z-gerichtete Schubkraft kann die Funktion E definiert werden als:
wobei B_zSC und F_zSC ^net die vorgegebenen Beschränkungswerte des Magnetfelds an den Beschränkungspunkten bzw. die z-gerichtete Schubkraft sind.
Indem man E in Bezug auf j_n ^a minimiert, erhält man folgende Matrixgleichung für j_n' ^a:
oder
Je nach dem Wert von j kann die D_jn-Matrix entweder dem Ausdruck für das Magnetfeld oder dem Ausdruck für die z-gerichtete Schubkraft entsprechen.
Die Umwandlung speziell für die D_jn-Matrix lautet:
Die Daten für den Ausdruck B_ρ0 ^a,b (z) erhält man vom eigentlichen Hauptmagneten 10. Aufgrund der Antisymmetrie von B_ρ0 ^a,b (z) werden nur positive z-Werte erzeugt. Um die erzeugten Daten für die Radialkomponente des Magnetfelds in die Gleichung (24a) einzubeziehen, wird Folgendes angenommen:
wobei Ω der Gesamtanzahl von Punkten entlang z entspricht, und B_γ ^a,b der entsprechende Wert von B_ρ0 ^a,b (z) an der Stelle z_γ ist. Die Fourier-Transformation B_ρ0 ^a,b (k) lautet:
Darüber hinaus stehen die erzeugten Werte für B_ρ0 ^a,b (z) für die axialen Abstände, die größer sind als die halbe Länge der Gradientenspule und bis zu dem Punkt, an dem es keine signifikante Aktion zwischen der Stromdichte der Gradientenspulen und den Radialkomponenten des Hauptmagneten gibt. Indem man die infiniten Summierungen bei M Termen abschneidet, wird die Matrixdarstellung für die Gleichung (24b) zu Folgendem:
wobei
eine 1xm-Matrix ist, C eine MxM-Matrix ist, λ eine 1xN₁+1-Matrix ist, und D eine N₁+1xM-Matrix ist.
Indem man die Beschränkungsgleichung für das Gradientenfeld B_z und die z-gerichtete Schubkraft verwendet, werden die Lagrange-Multiplikatoren bestimmt. Die Fourier-Komponenten der Stromdichte für die primäre oder innere Gradientenspule lauten in Matrixform:
Die kontinuierliche Verteilung der Stromdichte der inneren Spule erhält man, indem man den Ausdruck für die Fourier-Komponenten des Stroms in der inneren Spule findet und die Gleichung (14) zu Hilfe nimmt. Um den Strom für die äußere Spule zu bestimmen, verwendet man das Abschirmverhältnis zwischen der Fourier-Transformation für beide Stromdichten der Gleichung (8). Um die kontinuierliche Stromverteilung der äußeren Spule zu erhalten, verwendet man eine inverse Fourier-Transformation.
Der nächste Schritt ist der Vorgang der Diskretisierung der kontinuierlichen Stromverteilung für beide Spulen. Die kontinuierliche Stromverteilung wird in positive und negative Stromregionen unterteilt. Indem man die Fläche unterhalb jeder Region integriert, erhält man den Gesamtstrom in jeder Region. Wenn der Strom für alle Regionen des Zylinders berechnet wurde, werden diskrete Stromschleifen auf einem dielektrischen Spulenkörper positioniert, um das Verhalten des kontinuierlichen Strommusters nachzuahmen. Jede Region wird mit diskreten Leitern gefüllt, die die vorgeschriebene Strommenge führen. Die Strommenge ist bei der bevorzugten Ausführungsform für jede Leiterschleife die gleiche. In jeder Region wird die kontinuierliche Stromdichte in kleinere Segmente unterteilt, die der gewählten gleichen Strommenge entsprechen. Die gewählte Strommenge kann iterativ angepasst werden, um den kontinuierlichen Stromdichten in den gewählten Stromregionen besser zu entsprechen. Jeder Leiter ist am Mittelpunkt des zugehörigen Segments angeordnet, um von beiden Seiten des Segments eine gleichmäßige Verteilung zu erzielen. Diese Stromverteilung wird anschließend zur Berechnung des erzeugten Magnetfelds analysiert, um sicherzustellen, dass das gewünschte Magnetfeld auch tatsächlich erreicht wurde. Alternativ kann man das Zentrum eines Massenschemas aus der US-amerikanischen Patentschrift Nr. 5.296.810 verwenden, auf die bereits zuvor verwiesen wurde.
Weiterhin Bezug nehmend auf 2 hat in der bevorzugten Ausführungsform die innere oder primäre Spule einen Radius von ca. 340 mm und eine Länge von ca. 700 bis 900 mm. Die äußere oder Abschirmungsspule hat einen Radius von ca. 385 mm. Für die Fourier-Reihenentwicklung bieten zehn Punkte eine annehmbare Definition der Stromdichte, obwohl auch größere oder kleinere Zahlen gewählt werden können. Um die Eigenschaften des Feldes und der Schubkraft zu definieren, werden vorzugsweise fünf Beschränkungspunkte gewählt. Das Feld muss innerhalb eines im Wesentlichen ellipsenförmigen Bildgebungsvolumens von 40 cm bis 50 cm begrenzt sein. Der erste Beschränkungspunkt begründet eine Gradientenfeldstärke, zum Beispiel ca. 13,5 mT/m. Der zweite Beschränkungspunkt definiert die Linearität des Feldes entlang der Gradientenachse. Vorzugsweise ist das Magnetfeld an den Kanten der 25-cm-Abmessung des Volumens so begrenzt, dass es sich um nicht mehr als 5 % verändern kann. Die verbleibenden beiden Beschränkungen definieren die Homogenität des Feldes über eine Ebene senkrecht zur Gradientenachse. Vorzugsweise ist das Magnetfeld so beschränkt, dass es bei einem radialen Abstand von ca. 22 cm vom Zentrum der Spulen innerhalb von 7 % seines tatsächlichen Werts bleibt.
Der letzte Beschränkungspunkt definiert den Wert der z-gerichteten Schubkraft, der vorzugsweise weniger als –1,0 e^–08 Newton beträgt. Eine geeignete primäre Gradientenspule, die diese Beschränkungen erfüllt, ist in 2A dargestellt, und eine geeignete äußere oder Abschirmungsspule, die diese Beschränkungen erfüllt, ist in 2B dargestellt. Es ist zu beachten, dass die primäre Gradientenspule verschiedene Kraftkorrekturwicklungen 64 hat, die an ihren Enden oder Extremen eine umgekehrte Polarität haben. Wenn man diese Wicklungen umgekehrter Polarität entfernte, würde die Gradientenspule eine Netto-Längskraftkomponente ertragen, die über die oben diskutierten Beschränkungen hinausginge.
Obwohl das oben beschriebene Verfahren eine ideale Stromverteilung berechnet, kann der kraftkorrigierende Strom zur Aushebung der Axialkraft iterativ bestimmt werden. Genauer gesagt sind an den Enden einer der Primär- und Sekundärspulen, vorzugsweise der Primärspulen, verschiedene Spulenwicklungen angeordnet. Die Nettokraft an der Gradientenspulenanordnung während eines Gradientenstromimpulses wird gemessen. Der durch die Kraftkorrekturwicklungen (oder die Anzahl kraftkorrigierender Schleifen) fließende Strom wird iterativ angepasst, bis die Axialkraft im Wesentlichen Null ist.
Bezug nehmend auf die 3A und 3B umfasst die Gradientenspulenanordnung weiterhin eine x-Gradientenspule und eine y-Gradientenspule. Die x- und y-Gradientenspulen haben im Wesentlichen dieselbe Konstruktion, jedoch um 90° gedreht. Da eine über die andere geschichtet ist, haben sie natürlich einen etwas unterschiedlichen Radius. Die x- und y-Gradientenspulen haben jeweils vier im Wesentlichen identische Wicklungen, die symmetrisch auf beiden Seiten des Isozentrums angeordnet sind. Jeder der Quadranten der primären x- oder y-Gradientenspule enthält eine Wicklung, wie sie im Wesentlichen in 3A dargestellt ist. Jeder der Quadranten der abschirmenden x- oder y-Gradientenspule enthält eine Wicklung, wie sie im Wesentlichen in 3B dargestellt ist. Erneut wird eine Stromverteilung berechnet, um die gewählte Gradientenstärke zu erzeugen, die gespeicherte Energie zu minimieren und die Lorentz-Nettolateralkräfte auf Null zu bringen.
Für die transversalen x- oder y-Gradientenspulen kann die Gesamtstromdichte dargestellt werden als:
wobei δ(ρ-ρ₀) die Einschränkung ist, dass der Strom auf eine zylindrische Oberfläche mit dem Radius ρ₀ begrenzt ist. Wiederum sind die x- und y-Gradientenspulen selbstabschirmend. Das bedeutet, sie haben eine innere oder Primärspule mit dem Radius a und eine äußere sekundäre oder Abschirmungsspule mit dem Radius b. Die Stromdichte für die äußere Spule mit dem Radius b ist analog zu Gleichung (30). Die Wechselwirkung zwischen den Komponenten der Stromdichte und den entsprechenden Komponenten des Hauptmagnetfelds ergibt eine x-gerichtete Lorentz-Kraft für die selbstabschirmenden x-Gradientenspulen und eine y-gerichtete Kraft für die selbstabschirmenden y-Gradientenspulen. Die folgende Diskussion konzentriert sich auf die x-Gradientenspulen. Es ist jedoch hervorzuheben, dass dieselbe Diskussion in gleicher Weise auch auf y-Gradientenspulen anwendbar ist, die eine identische Konstruktion haben, jedoch um 90° gedreht und mit einem etwas kleineren Radius.
Die Lorentz-Gleichung beschreibt die Elementarkraft, die ein Stromelement Idl in Anwesenheit des Magnetfelds B₀ erfährt:
oder
wobei B_ρ0 ^a,b (z) und B_z0 ^a,b (z) radiale und axiale Komponenten des Hauptmagnetfelds B₀ an den Radiusstellen (a,b) sind. Indem man die Gleichung (31b) integriert, erhält man eine Nettokraft entlang der x-Achse:
mit:
wobei B_ρ0 ^a,b (z) und B_z0 ^a, ^b (z) bekannte reelle Funktionen von z sind. Die Fourier-Transformationspaare für j_φ ^a,b, j_z ^a,b, B_ρ0 ^a,b und B_z0 ^a,b sind:
Unter Verwendung der Beschränkung
sowie der Abschirmungsbedingungen, werden folgende Beziehungen abgeleitet:
Der Ausdruck für F_x ^net aus der Gleichung (32b) wird umgeschrieben als:
wobei * die komplexe Konjugation der Fourier-Transformationen der beiden Komponenten des Hauptmagnetfelds darstellt.
Bei einer realen Magnetkonstruktion gibt es keinen brauchbaren analytischen Ausdruck für B_z0 ^a,b (z) und B_ρ0 ^a,b (z). Um die numerisch erzeugten Daten für beide Komponenten des Magnetfelds entlang der zentralen z-Achse des Magneten analytisch einzubeziehen, werden folgende Darstellungen angenommen:
wobei B_z0 ^a,b (z) die Symmetrie um z und B_ρ0 ^a,b (z) die Antisymmetrie um z herum ist. Die Beschränkung für die innere Spulenlänge, die Begrenzung der Stromdichte auf eine zylindrische Oberfläche, die azimutalen und axialen Symmetrien für j_φ ^a und j_z ^a und die Forderung, dass die Stromdichte der Kontinuitätsgleichung folgt, schafft eine Fourier-Reihenentwicklung für beide Komponenten um das geometrische Zentrum der Spule herum:
wobei j_φ ^a die Fourier-Koeffizienten sind, L die Gesamtlänge der inneren Spule darstellt, und k_n = 2nπ/L ist, da der Strom nicht aus den Enden des Zylinders fließen kann. Darüber hinaus sind beide Stromkomponenten für |z| > L/2 Null.
Der allgemeine Ausdruck für das Magnetfeld einer selbstabschirmenden Gradientenspule in Bezug auf die Fourier-Transformation der Stromdichte lautet:
wobei j_φ ^a (m,k) die doppelte Fourier-Transformation von jφ^a (φ,z) ist. Da die azimutale Abhängigkeit von j_φ ^a proportional zu cos (φ) ist, ist die Fourier-Transformation von j_φ ^a ungleich Null, wenn m = ± 1 ist. In diesem Fall lautet die zweidimensionale Fourier-Transformation der Stromdichte:
mit:
wobei ψ_n (k) eine gerade Funktion von k und j_φ ^a (+1,k) = j_φ ^a (–1,k) ist. Daher hat der Ausdruck des Gradientenfelds folgende Form:
In ähnlicher Form ist die im System gespeicherte Energie:
und der Ausdruck für die x-gerichtete Lorentz-Kraft wird geschrieben als:
Die Funktion E wird gebildet und hat dieselbe Form wie die Gleichung (22). Im vorliegenden Fall jedoch ist E abhängig von j_φ _na und die Kraft ist entlang der x-Achse anstatt der z-Achse gerichtet. Indem man E in Bezug auf j_φn ^a minimiert, erhält man daher eine Matrixgleichung für j_φn,^a wie folgt:
Indem man die infiniten Summierungen bei M Termen abschneidet und die kompakte Schreibweise verwendet, wird die Gleichung (38) vereinfacht zu:
oder:
wobei
eine 1xm-Matrix ist, C eine MxM-Matrix ist, λ eine 1xN₁+1-Matrix ist, und D eine N₁+1xM-Matrix ist, mit:
Da die Gleichung (46) mit der Gleichung (28) identisch ist, findet man die Ausdrücke der kontinuierlichen Stromverteilung für beide Spulen, indem man die oben beschriebenen Schritte ausführt. Um beide Stromdichten zu diskretisieren, betrachtet man zunächst die Kontinuitätsgleichung für die Stromdichte:
Analog zum Magnetfeld, bei dem ein Vektorpotential eingeführt wird, wird die Stromdichte als eine Rotation der Strömungsfunktion
ausgedrückt als:
Da der Strom nur auf der Oberfläche eines Zylinders mit dem Radius a = ρ_a fließen kann und nur eine Winkel- und Axialabhängigkeit hat, ist die Beziehung zwischen der Stromdichte und der Strömungsfunktion in Zylinderkoordinaten:
und S_ρ findet man anhand von:
Die Konturverläufe der Stromdichte werden bestimmt durch:
wobei N die Anzahl der Stromkonturen ist, S_min der Minimalwert der Stromdichte ist, und S_inc die Strommenge zwischen den beiden Konturlinien darstellt. S_inc wird wie folgt bestimmt:
wobei S_max den Maximalwert der Stromdichte darstellt. Die mittels dieses Verfahrens erzeugten Konturen folgen dem Stromfluss, und der Abstand zwischen ihnen entspricht einem Strom gleich einer Menge von S_inc in Ampere. Die diskreten Leitungen sind so positioniert, dass sie mit diesen Konturlinien zusammenfallen.
In der bevorzugten Ausführungsform hat die selbstabschirmende, kraftfreie x-Gradientenspule einen Radius der inneren Spule von ca. 1/3 m und eine Länge von ca. 100 bis 900 mm. Der Radius der äußeren Spule beträgt ca. 0,4 m. Bei der Konstruktion dieser selbstabschirmenden Spule ist die Anzahl der verwendeten Fourier-Koeffizienten gleich Gesamtzahl an Beschränkungspunkten erhöht um 1. Zusätzlich werden vier Beschränkungspunkte gewählt, um die Qualität des Magnetfelds innerhalb eines ellipsenförmigen Volumens von 40–50 cm mal 25 cm zu spezifizieren und die Lorentz-Nettokraft für das gesamte Gradientenspulensystem zu eliminieren. Die erste Beschränkung gibt die Stärke des Gradientenfelds vor, z.B. 13,5 mT/m. Die zweite Beschränkung spezifiziert die Linearität des Gradientenfelds entlang der x-Achse und bis zu einem Abstand von 25 cm vom Isozentrum des Gradientenfelds, z.B. 5%. Die dritte Beschränkung spezifiziert die Homogenität des Gradientenfelds entlang der z-Achse in einem Abstand von bis zu ±6 cm vom Isozentrum des Gradientenfelds, z.B. 12%. Die vierte Beschränkung spezifiziert den Wert der x-gerichteten Nettokraft an der Stelle der Gradientensätze, z.B. 1 × 10^–7 Newton.
Infolge dieses Satzes von Beschränkungen wird eine kontinuierliche Stromverteilung sowohl für die inneren als auch die äußeren Spulen erzeugt, die, wenn sie diskretisiert wird, die in den 3A und 3B veranschaulichte Form annimmt. Genauer gesagt wird bei Anwendung dieser Konstruktionsanforderungen eine kontinuierliche Stromverteilung von j_za und j_zb erzeugt. Zur Erzeugung eines diskreten Strommusters ist nur die z-Komponente der Stromdichte erforderlich. Die Beschränkungen werden auch so gewählt, dass eine ganzzahlige Anzahl von Windungen für die inneren und äußeren Spulen mit einer konstanten Strommenge pro Schleife erzielt werden kann. Mit Hilfe des Strömungsfunktionsverfahrens erhält man die diskrete Stromverteilung der inneren Spule für lateralkraftfreie Konfiguration, wie in 3A dargestellt. Es ist zu beachten, dass die innere oder primäre Spule eine Thumbprint-Wicklung 70 und eine zusätzliche oder kraftausgleichende Wicklung 72 hat. Der Strom in der kraftkorrigierenden Wicklung fließt effektiv in einer entgegengesetzten Spiralrichtung zum primären Spulenteil 70. Die Stromverteilung und die Anzahl der Windungen im kraftaufhebenden Spulenteil 72 ist so gewählt, dass die vom Primärspulenabschnitt 70 aus 3A erzeugte Nettokraft in x- oder y-Richtung zu Null wird. Je nach Beschaffenheit der B₀-Feldkomponenten in einer bestimmten Konstruktion können ähnliche kraftfreie Ergebnisse auch erzielt werden, indem man nahe einer Außenkante der Spule eine Wicklung platziert, deren Wicklungssinn dem der sekundären x- oder y-Gradientenspule entgegengesetzt ist. Die Stromstärke in den kraftaus gleichenden Wicklungen oder die Anzahl der Windungen wird angepasst, bis eine Stromdichte erreicht ist, die eine x- oder y-Kraftkomponente erzeugt, die gleich der von den anderen x- oder y-Gradientenspulen erzeugten Kraftkomponente und dieser entgegengesetzt ist.
Obwohl in der bevorzugten Ausführungsform kraftausgleichende Spulen nur für die primäre Wicklung von abgeschirmten Gradientenspulen verwendet werden, ist hervorzuheben, dass sich bei primären und sekundären Spulen die Kraft jeweils auch individuell ausgleichen lässt.

Claims

Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz, das Folgendes umfasst: einen Hauptmagneten (10) zur Erzeugung eines temporär konstanten Magnetfelds durch eine Patientenaufnahmeöffnung (12); eine Gradientenfeldspulenanordnung (30) mit einer Primärspule (32) und einer Abschirmungsspule (36) zur Erzeugung von Magnetfeldern, die in der genannten Öffnung Magnetfeldgradienten bilden und dazu neigen, außerhalb der Patientenaufnahmeöffnung aufgehoben zu werden; und eine HF-Spule (4) zur Erzeugung von Magnetresonanz in der Öffnung; wobei das genannte temporär konstante Magnetfeld Komponenten an der Gradientenfeldspulenanordnung hat, die sich in Bezug auf die Öffnung in axialer und radialer Richtung erstrecken und die während des Betriebs mit dem Strom, der an die Primär- und Abschirmungsspulen (32, 36) der Gradientenfeldspulenanordnung angelegt wird, auf eine solche Weise in Wechselwirkung treten, dass die Primär- und Abschirmungsspulen (32, 36) eine Lorentz-Nettokraft erfahren, wobei die Primärspule (32) oder die Abschirmungsspule (36) zusätzliche Kraftkorrekturwicklungen (64, 72) haben, die jeweils angrenzend an Kantenbereiche der Primärspule oder der Abschirmungsspule (32, 36), axial vom Isozentrum des Magnetfelds abgesetzt, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass den Kraftkorrekturwicklungen während des Betriebs Strom zugeführt wird, und zwar in einer Richtung, die der Richtung des der betreffenden Primär- oder Abschirmungsspule (32, 36) zugeführten Stroms entgegengesetzt ist, so dass die Kraftkorrekturwicklungen eine Lorentz-Kraft erfahren, wobei der genannte Strom, der den Kraftkorrekturwicklungen zugeführt wird, so beschaffen ist, dass die genannte durch die Kraftkorrekturwicklungen erfahrene Lorentz-Kraft gleich und entgegengesetzt zu der von den Primär- oder Abschirmungsspulen (32, 36) erfahrenen Lorentz-Nettokraft ist.
Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Patientenaufnahmeöffnung (12) eine Länge/Durchmesser-Verhältnis von weniger als 1,5:1 hat.
Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Patientenaufnahmeöffnung (12) eine Länge/Durchmesser-Verhältnis von 1:1 hat.
Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär- und Abschirmungsspulen (32, 36) jeweils vier symmetrisch angeordnete Thumbprint-Spulen (70) haben , um transversal zur Längsachse der Öffnung (12) einen Magnetfeldgradienten zu erzeugen, wobei die durch die Thumbprint-Spulen (70) fließenden Stromimpulse in Wechselwirkung mit den axialen und radialen Magnetfeldkomponenten treten, um eine radiale Lorentz-Kraft zu erzeugen, wobei die Kraftkorrekturwicklungen kraftausgleichende Stromschleifen (72) enthalten, die angrenzend an einen Kantenbereich von mindestens einer der Primär- und Abschirmungsspulen (32, 36) und axial abgesetzt vom Isozentrum angeordnet sind, um Stromflüsse zu führen, die in entgegengesetzter Richtung zu einer am dichtesten angrenzenden Thumbprint-Spule (70) zirkulieren, um die genannte radiale Lorentz-Kraft entlang der radialen Richtung auszugleichen.
Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenfeldspulenanordnung (30) eine primäre z-Gradientenspule (32) mit einer Reihe von Schleifenspulen (60) umfasst, die um einen zylindrischen Spulenkörper (34) herum angeordnet sind, um entlang der Längsachse der Öffnung (12) ein z-Gradientenfeld zu erzeugen, und dass die Kraftkorrekturwicklungen Schleifen (64) haben, die um Enden des zylindrischen Spulenkörpers (34) herum verlaufen und mit den z-Gradienten-Schleifenspulen (60) in Reihe geschaltet sind.
Gerät zur Bilderzeugung mit magnetischer Resonanz nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gradientenfeldspulenanordnung (30) eine primäre z-Gradientenspule hat, um entlang der Längsachse der Öffnung (12) ein z-Gradientenfeld zu erzeugen, weiterhin umfassend: einen zylindrischen Spulenkörper (34); eine erste Vielzahl von Schleifen (60), die auf einer erste Seite des Isozentrums um den Spulenkörper (34) herum verlaufen und Stromimpulse in einer ersten Richtung um den Spulenkörper herum führen; eine zweite Vielzahl von Schleifen (60), die auf einer zweiten zweite Seite des Isozentrums um den Spulenkörper (34) herum verlaufen und um das Isozentrum herum sym metrisch mit der ersten Vielzahl von Schleifen (60) sind, wobei die zweite Vielzahl von Schleifen (60) Stromimpulse in einer zweiten Richtung um den Spulenkörper (34) herum und entgegengesetzt zur ersten Richtung führt, wobei die Stromimpulse durch die erste und die zweite Vielzahl von Schleifen (60) fließen und mit den genannten radialen Magnetfeldkomponenten in Wechselwirkung treten, um eine axiale Lorentz-Kraft zu verursachen; erste kraftausgleichende Spulen (64), die um den Spulenkörper (34) herum auf der ersten Seite des Isozentrums und axial davon abgesetzt verlaufen und Stromimpulse in der genannten zweiten Richtung führen; und zweite kraftausgleichende Spulen (64), die um den Spulenkörper (34) herum auf der zweiten Seite des Isozentrums und axial davon abgesetzt verlaufen und Stromimpulse in der genannten ersten Richtung führen, wobei die Stromimpulse, die durch die ersten und zweiten kraftausgleichenden Spulen (64) fließen, mit den genannten radialen Magnetfeldkomponenten in Wechselwirkung treten, um eine axiale Kraft zu verursachen, die die genannte axiale Lorentz-Kraft ausgleicht.