DE69603114T2 - Verbesserungen an Magneten für die bildgebende magnetische Resonanz - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft ringförmige, supraleitende Elektromagneten zur Verwendung bei einer Vorrichtung zur Kernspinresonanz-Tomographie (MRI).
• Solche Elektromagneten weisen ringförmige Wicklungen auf, die in flüssiges Helium getaucht sind, damit die niedrigen Temperaturen entstehen, die zur Supraleitung erforderlich sind. Solche ringförmigen Elektromagneten bieten einen zylindrischen Raum, in dem ein Patient positioniert wird und der ein vorbestimmtes, im wesentlichen kugelförmiges Volumen umfaßt, das im folgenden als Abbildungsvolumen bezeichnet wird und ein sehr homogenes Magnetfeld aufweist, das von dem Strom in den ringförmigen Wicklungen erzeugt wird.
• Die US-A-4 758 812 offenbart eine Rahmenstruktur zum Halten von einzelnen Magnetspulen in einem Magnetsystem für die Kernspintomographie. Der Rahmen weist mehrere Teile aus ferromagnetischem Material auf, damit für eine relativ einfache magnetische Abschirmung gesorgt ist. Einzelne Magnetspulen sind längs einer gemeinsamen Achse konzentrisch ausgerichet, um das Magnetsystem zu bilden. Mehrere längliche balken-, stab- oder plattenförmige magnetische Abschirmelemente erstrecken sich parallel zu der gemeinsamen Achse und sind in Umfangsrichtung gleichmäßig um das Magnetsystem verteilt. Die einzelnen Magnetspulen sind innerhalb der Rahmenstruktur unbeweglich angebracht.
• Die EP-A-0 413 571 offenbart eine Magnetpatrone für einen Magnetresonanzmagneten, bei der drei Spulenpaare von zylindrischen Abstandsstücken konzentrisch gehalten werden. Jedes Abstandsstück ist an seinen Enden zur Bildung von Nuten bearbeitet, in denen die Spulen angeordnet sind. Die äußerste Spule wird von den Enden der äußeren Abstandsstücke freitragend gehalten.
• Bei bekannten Elektromagnetanordnungen liegt ein Problem darin, daß ringförmige Elektromagneten mit vergleichsweise hoher axialer Länge erforderlich sind, um den erwünschten Grad der Magnetfeldhomogenität und der Magnetfeldstärke in dem Abbildungsvolumen vorzusehen. In der Konsequenz leiden darin liegende Patienten tendenziell an Klaustrophobie.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen Elektromagneten vorzusehen, bei dem die axiale Länge reduziert ist und demnach leichter eine Kernspinresonanz-Tomographievorrichtung vorgesehen werden kann, bei der es zu entsprechend weniger klaustrophischen Anfällen kommt.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine bessere Befestigung für ringförmige Wicklungen in supraleitenden Elektromagneten vorzusehen, die zur Verwendung bei einer Kernspinresonanz-Tomographievorrichtung geeignet sind.
• Nach der vorliegenden Erfindung ist ein supraleitender, ringförmiger Elektromagnet für die Kernspinresonanz-Tomographie nach der Definition von Anspruch 1 vorgesehen.
• Nach einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird jede ringförmige Endspule als spulenkörperfreie Einheit hergestellt, indem ihre Windungen mit einem geeigneten Imprägnierstoff imprägniert werden.
• Nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird jede Endspule auf einen Dorn gewickelt und in einer Form eingeschlossen, in der die Stufe gebildet wird, und mit einem Imprägnierstoff imprägniert, der ausgehärtet wird, ehe die Spule aus der Form und von dem Dorn genommen wird. Der Dorn, auf den jede Endspule gewickelt wird, ist derart geformt, daß die Spule mit einer Abschrägung versehen wird, um an jedem Ende des Raums eine Aufweitung vorzusehen.
• Da an jedem Ende des Raums, in dem der Patient liegt, eine Aufweitung vorgesehen ist, wird diesem der Eindruck einer redu zierten axialen Länge des Raums und folglich das Gefühl vermittelt, daß er nicht so stark eingeschlossen ist, wodurch Klaustrophobie wirksam reduziert wird.
• Ein äußerer ringförmiger Raum zwischen der Endspule und der Form kann vor der Imprägnierung mit einem geeigneten Füllstoff wie Glaskugeln oder Glasfasern gefüllt werden, so daß die Stufe in dem imprägnierten Füllstoff gebildet wird.
• Jede Endspule kann mittels mehrerer Klemmen an das Trägermittel geklemmt sein, die an der Stufe eingreifen.
• Jede Klemme kann allgemein L-förmig sein, an einem Ende mit dem Trägermittel verschraubt und an dem anderen, von dem Trägermittel entfernten Ende derart angeordnet sein, daß sie an der Stufe angreift.
• Es können mehrere Klemmen vorgesehen sein, die gleichwinklig im Abstand um die äußere Zylinderfläche der Endspulen angeordnet sind.
• Die ringförmige Wicklung des Elektromagneten kann mehrere ringförmige Spulen aufweisen, die symmetrisch längs einer gemeinsamen Längsachse angeordnet sind, wobei die zwei Endspulen ähnlich und jeweils an einem Ende des zylindrischen Raums positioniert sind und die Abschrägung jeder Endspule die Aufweitung an jedem Ende des zylindrischen Raums ermöglicht.
• Die Wicklung ist in einem mit flüssigem Helium gefüllten Gefäß enthalten, wobei wenigstens ein Wärmeschild in der Kammer zwischen dem Gefäß und einer Außenwand der Kammer positioniert ist.
• Der Magnet kann Teil einer Vorrichtung zur Kernspinresonanz- Tomographie sein, die Gradientenspulen und HF-Spulen umfaßt, wie sie zur Abbildung erforderlich sind.
• Nun wird eine Ausführungsform der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
• Fig. 1 eine allgemein schematische Seitenschnittansicht einer Kernspin-Tomographievorrichtung mit einem ringförmigen, supraleitenden Elektromagneten, und
• Fig. 2 eine eher schematische Seitenschnittansicht, die einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung im einzelnen zeigt.
• Unter Bezug auf Fig. 1 weist die Vorrichtung nun eine durch Spulen 1 bis 6 gebildete Elektromagnetenwicklung auf, die in Reihe geschaltet sind, um den Magnetisierungsstrom zu führen. Die Spulen 1 bis 6 sind symmetrisch um eine zentrale vertikale Achse 7 und eine Längsachse 8 angeordnet, die den Spulen 1 bis 6 gemeinsam ist. Zur Bereitstellung einer Abschirmung von dem Magnetfeld, das bei Erregung der Spulen 1 bis 6 erzeugt wird, sind die Abschirmspulen 9 und 10 vorgesehen, die mit den Spulen 1 bis 6 in Reihe geschaltet und derart angeordnet sind, daß ein Feld erzeugt wird, das das von den Spulen 1 bis 6 erzeugte Magnetfeld außerhalb der Anordnung im wesentlichen aufhebt. Die elektrische Verbindung mit den eben beschriebenen Spulen wird auf bekannte Weise über einen Versorgungsturm 11 hergestellt, der so angeordnet ist, daß er mit dem Inneren eines Heliumgefäßes 12 mit einer Außenwand 13 in Verbindung steht. Das Heliumgefäß wird über den Versorgungsturm 11 mit flüssigem Helium gefüllt, wodurch die darin enthaltenen Spulen 1 bis 6 und 9, 10 auf einer Temperatur von etwa 4K gehalten werden, die zur Erzeugung der Supraleitung erforderlich ist. Um die Wärmeverstärkung durch das flüssige Helium zu reduzieren, ist das Gefäß 12 in einer Vakuumkammer 14 mit einer Außenwand 15 enthalten. Zwischen der Außenwand 15 der Vakuumkammer und der Wand 13 das Heliumgefäßes sind zwei Wärmeschilde 16 und 17 vorgesehen, die aus Aluminium hergestellt sein können und zur Reduzierung der Wärmeverstärkung durch Strahlung dienen.
• In der Vorrichtung ist ein zylindrischer Raum 18 vorgesehen, in dem ein Patient 19 derart positioniert ist, daß ein zu untersuchender Teil des Patienten innerhalb eines kugelförmigen Abbildungsvolumens 20 liegt, wo das Magnetfeld sehr homogen ist. Gradientenspulen 21 und HF-Spulen 22 sind vorgesehen, um für die Kerspinresonanz-Tomographie zu sorgen. Der Fachmann versteht den Betrieb der Gradientenspulen und der HF-Spulen; deshalb werden Einzelheiten des Abbildungsvorgangs hier nicht beschrieben, da er für die vorliegende Erfindung nicht von zentraler Bedeutung ist.
• Wie oben erläutert, liegt eines der Probleme bei einer Vorrichtung zur Kernspinresonanz-Tomographie darin, daß zur Erzeugung eines gewünschten Grades einer Magnetfeldlinearität innerhalb des Abbildungsvolumens 20 Magnete mit einer relativ hohen axialen Länge in Längsrichtung erforderlich sind, die bei Patienten wegen des Grades des Eingeschlossenseins tendenziell Klaustrophobie auslösen. Bei der vorliegenden Anordnung sind die Spulen 3 und 6, die Endspulen bilden, zur Reduzierung möglicher Klaustrophobie mit Abschrägungen 23 geformt, und die an die Abschrägung 23 angrenzenden Abschnitte 24, 25, 26 und 27 des Gefäßes 13 bzw. der Schilde 16 und 17 und der Außenwand 15 der Vakuumkammer sind entsprechend abgeschrägt, um an jedem Ende des Raums 18 eine Aufweitung vorzusehen. Da diese Aufweitung vorgesehen ist, fühlt sich der Patient 19 nicht mehr so eingeschlossen, und dementsprechend ist die Neigung zur Klaustrophie reduziert. An der gezeigten Anordnung können verschiedene Modifizierungen vorgenommen werden, und bei alternativen Anordnungen können beispielsweise unterschiedliche Abschrägungswinkel und Formen vorgesehen sein.
• Zur Herstellung der Spulen 3 und 6 können diese auf einen geeignet geformten Dorn gewickelt werden, um die Abschrägungen 23 zu bilden, und sie können dann mit einem Epoxidharz-Imprägnierstoff imprägniert werden, der zur Verfestigung ausgehärtet wird, ehe die Spule von dem Dorn genommen wird.
• Fig. 2, bei der die Fig. 1 entsprechenden Teile die gleichen Bezugsziffern tragen, zeigt, daß die Spule 3 mit einer äußeren Schicht 28 aus imprägnierten Glaskugeln oder Glasfasern versehen sein kann, in der eine Stufe 29 gebildet ist, die zur leichteren Befestigung mittels "L-förmiger" Klemmen 30 (von denen nur eine gezeigt ist) dient, die mittels Gewindebolzen 31 am Platz gehalten werden. Zum sicheren Einklemmen der Spulen können eine einzige Klemme oder wie bei dieser Ausführungsform mehrere Klemmen verwendet werden, die gleichwinklig im Abstand um die äußere Zylinderfläche der Spule angeordnet sind und an der Stufe angreifen. Die Bolzen 31 sind derart angeordnet, daß sie durch eine Aluminiumträgerstruktur 32 laufen, an der die Spulen 1 bis 6 und 9, 10 angebracht sind. Da diese Art der Befestigung vorgesehen ist, wird keine Klemme benötigt, die einen Endabschnitt 33 der Spule 3 derart umschließt, daß ihre axiale Länge verlängert wird. Dies ist besonders vorteilhaft, weil damit eine Reduzierung der axialen Gesamtlänge des Magneten erleichtert und wiederum leichter eine Vorrichtung vorgesehen werden kann, bei der Patienten tendenziell weniger an Klaustrophie leiden.

Claims (11)

1. Supraleitender, ringförmiger Elektromagnet für die Kernspinresonanz-Tomographie, der folgendes aufweist:

Trägermittel (32);

eine ringförmige Wicklung, die von mehreren ringförmigen Spulen (1, 2, 3, 4, 5, 6) gebildet ist, die symmetrisch längs einer gemeinsamen Längsachse angeordnet und an den Trägermitteln (32) angebracht sind;

einen innerhalb der Wicklung angeordneten zylindrischen Raum (18);

dadurch gekennzeichnet, daß zwei ähnliche ringförmige Endspulen (3, 6) der Wicklung an jeweils einem Ende des zylindrischen Raums (18) angeordnet und derart geformt sind, daß eine Abschrägung (23) vorgesehen ist, damit an jedem Ende des zylindrischen Raums (18) leicht eine konische Aufweitung vorgesehen werden kann, und daß die Endspulen (3, 6) jeweils eine äußere zylindrische Fläche (28) aufweisen, in der längs der axialen Richtung eine Stufe (29) vorgesehen ist, um die Endspulen (3, 6) an den Trägermitteln (32) zu befestigen.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, bei welchem jede ringförmige Endspule (3, 6) als spulenkörperfreie Einheit hergestellt wird, indem ihre Windungen mit einem geeigneten Imprägnierstoff imprägniert werden.

3. Elektromagnet nach Anspruch 2, bei welchem der Imprägnierstoff ein Epoxidharz ist.

4. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem jede Endspule (3, 6) hergestellt wird, indem sie auf einen Dorn gewickelt und in einer Form eingeschlossen wird, in der die Stufe gebildet wird, und mit einem Imprägnierstoff im prägniert wird, der ausgehärtet wird, ehe die Spule (3, 6) aus der Form und von dem Dorn genommen wird, wobei der Dorn zur Bildung der Abschrägungen (23) geformt ist.

5. Elektromagnet nach Anspruch 4, bei welchem ein ringförmiger Raum zwischen der Endspule (3, 6) und der Form vor der Imprägnierung mit einem geeigneten Füllstoff gefüllt wird, so daß die Stufe (29) in dem imprägnierten Füllstoff gebildet wird.

6. Elektromagnet nach Anspruch 5, bei welchem der Füllstoff Glaskugeln oder Glasfasern umfaßt.

7. Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem jede Endspule (3, 6) mittels wenigstens einer Klemme (30) an das Endmittel (32) geklemmt ist, die an der Stufe (29) eingreift.

8. Elektromagnet nach Anspruch 7, bei welchem jede Klemme (30) allgemein L-förmig ist, an einem Ende mit dem Trägermittel (32) verschraubt und an dem anderen, von dem Trägermittel (32) entfernten Ende derart angeordnet ist, daß sie an der Stufe (29) angreift.

9. Elektromagnet nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, der mehrere Klemmen (30) aufweist, die gleichwinklig im Abstand um die äußere Zylinderfläche (28) der Endspulen (3, 6) angeordnet sind.

10. Elektromagnet nach Anspruch 10, bei welchem die Wicklung in einem mit flüssigem Helium gefüllten Gefäß (12) enthalten ist, wobei das Gefäß in einer Vakuumkammer (14) enthalten ist, wobei wenigstens ein Wärmeschild (16, 17) in der Kammer (14) zwischen dem Gefäß und einer Außenwand (15) der Kammer (14) positioniert ist.

11. Vorrichtung zur Kernspinresonanz-Tomographie, die einen Elektromagnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie Gradientenspulen (21) und HF-Spulen (22) umfaßt, wie sie zur Abbildung erforderlich sind.