DE60320376T2

DE60320376T2 - Spulensystem für eine mr-vorrichtung und mit einem solchen spulensystem ausgestattete mr-vorrichtung

Info

Publication number: DE60320376T2
Application number: DE60320376T
Authority: DE
Inventors: V. Schulz; B. Gleich; J. Weizenecker
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-01-26
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2023-01-16
Also published as: EP1472554A2; US20050083057A1; DE10202986A1; US6933723B2; WO2003062846A2; EP1472554B1; DE60320376D1; CN100437139C; WO2003062846A3; JP2005515051A; ATE392627T1; CN1623102A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Kerspinresonanz-Tomographie. Insbesondere betrifft sie ein Spulensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft auch eine MR-Vorrichtung mit einem solchen Spulensystem.
Ein solches Spulensystem ist z. B. aus der EP-A1-0 304 126 bekannt.
Bildgebende Magnetresonanz(MR)-Verfahren (Magnetic Resonance Imaging MRI), welche die Wechselwirkung von Magnetfeldern mit Kernspins zur Erstellung von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bildern ausnutzen, haben insbesondere in der medizinischen Diagnostik eine verbreitete Anwendung gefunden, weil sie bei der Darstellung von Weichteilstrukturen anderen bildgebenden Verfahren in vielen Bereichen überlegen sind, ohne ionisierende Strahlung auskommen und in der Regel nicht invasiv sind.
Bei dem MR-Verfahren wird der zu untersuchende Körper in ein starkes homogenes Magnetfeld gebracht, dessen Richtung zugleich eine Achse (üblicherweise die z-Achse) des der Messung zugrundeliegenden Koordinatensystems definiert. Durch das Magnetfeld werden für die einzelnen Kernspins in Abhängigkeit von der Magnetfeldstärke unterschiedliche energetische Niveaus erzeugt, die durch Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes definierter Frequenz (Larmor-Frequenz) angeregt werden können (Kernspinresonanz). Makroskopisch gesehen ergibt die Verteilung der einzelnen Kernspins eine Gesamtmagnetisierung, die durch einen eingestrahlten elektromagnetischen Puls entsprechender Frequenz (HF-Puls), bei dem das Magnetfeld senkrecht zur z-Achse steht, auf einer spiralförmigen Bahn aus der Gleichgewichtslage ausgelenkt werden kann und dann eine Präzessionsbewegung um die z-Achse ausführt. Die Präzessionsbewegung beschreibt einen Kegelmantel, dessen Öffnungswinkel als Flipwinkel bezeichnet wird. Die Größe des Flipwinkels hängt von der Stärke und Dauer des eingestrahlten elektromagnetischen Pulses ab. Bei einem sogenannten 90°-Puls werden die Spins aus der z-Achse in die Transversalebene geklappt (Flipwinkel 90°).
Nach dem Ende des HF-Pulses relaxiert die Magnetisierung wieder in die ursprüngliche Gleichgewichtslage zurück, wobei sich mit einer ersten Zeitkonstanten T₁ (Spin-Gitter-Relaxationszeit) die Magnetisierung in z-Richtung wieder auftaut, und mit einer zweiten Zeitkonstanten T₂ (Spin-Spin-Relaxationszeit) die Magnetisierung senkrecht zur z-Richtung abbaut. Die Änderung in der Magnetisierung kann mit einer Spule detektiert werden, die üblicherweise so orientiert ist, dass die Änderung der Magnetisierung senkrecht zur z-Achse (Transversalmagnetisierung, Zeitkonstante T₂) gemessen wird. Mit dem Abbau der Transversalmagnetisierung verbunden ist nach Anlegung eines 90°-Pulses ein durch lokale Magnetfeldinhomogenitäten bewirkter Übergang der Kernspins von einem geordneten Zustand gleicher Phase in einen Gleichgewichtszustand, bei dem alle Phasenwinkel gleich verteilt sind (Dephasierung). Die Dephasierung kann durch einen Refokussierungspuls (180°-Puls) kompensiert werden. Hierdurch ergibt sich in der Detektionsspule ein Echosignal (Spinecho).
Um im Körper eine Ortsauflösung zu erhalten, werden dem homogenen Magnetfeld mittels einer drei Gradientenspulensysteme umfassenden Gradientenspulenanordnung lineare Gradientenfelder in den drei Hauptachsen überlagert, die zu einer linearen Ortsabhängigkeit der Kerspinresonanzfrequenz führen. Das in der Detektionsspule detektierte Signal enthält dann Anteile verschiedener Frequenzen, die nach einer Fourier-Transformation von der Zeit- auf die Frequenzachse verschiedenen Orten im Körper zugeordnet werden können.
Das Spulensystem einer MR-Vorrichtung umfasst nicht nur eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines homogenen Gleichfeldes, sondern auch Spulenanordnungen zur Erzeugung der Gradientenfelder sowie eine Spulenanordnung zur Erzeugung eines (gepulsten) HF-Feldes. Ein beispielhaftes Spulensystem ist in 9 und 10 der US-A-6.154.110 dargestellt. Innerhalb einer supraleitenden Hauptspule ist koaxial eine Gradientenspulenanordnung zur Erzeugung der Gradientenfelder untergebracht, welche Gradientenspulenanordnung aus einer (äußeren) Abschirmspule und einer (inneren) Teilspule besteht. Auf einem vergleichbaren bekannten Spulensystem beruht auch die vorliegende Erfindung, wie dies aus 2 zu erkennen ist: Das bekannte Spulensystem 210 ist entlang einer Achse 218 orientiert und umgibt einen Untersuchungsraum 217, in den ein zu untersuchender Patient 215 mittels eines in Achsenrichtung verfahrbaren, an der Unterseite des Untersuchungsraumes 217 platzierten Patiententisches 216 eingeschoben werden kann. Das den Untersuchungsraum 217 umschließende Spulensystem 210 umfasst (von innen nach außen gesehen) eine HF-Spule 219, eine aktiv geschirmte Gradientenspulenanordnung, bestehend aus einer inneren Teilspule (213, in 2 im Unterschied zu der erfindungsgemäßen inneren Teilspule 213' punktiert gezeichnet) und einer aktiv schirmenden Spule oder Abschirmung (212), und einen Kryostaten 211, in welchem die Spule zur Erzeugung des homogenen statischen Magnetfeldes untergebracht ist. Die Gradientenspulenanordnung 213, 212 wird von einem Gradientenverstärker 220 angesteuert.
Um die gewünschten transversalen Magnetgradientenfelder zu erzeugen, wobei gleichzeitig die parasitäre magnetische Flussdichte minimiert wird, beschreibt US-5 512 828 A ein Spulensystem, bei dem an den axialen Enden dieses Spulensystems das Volumen zwischen der inneren Spule und der aktiven Abschirmspule verringert wird, indem man einen Radius der inneren Spule hin zum Radius der aktiven Abschirmspule zunehmen lässt. In US-5 512 828 A wird der Energieverbrauch des Spulensystems nicht in Betracht gezogen.
Derartige Gradientenverstärker sind heutzutage eine der teuersten Komponenten einer MR-Vorrichtung. Es ist deshalb wünschenswert, in der MR-Vorrichtung Gradientenspulen einzusetzen, die einen möglichst geringen Energiebedarf aufweisen. In der eingangs genannten EP-A1-0 304 126 ist zur Verringerung der für die Gradientenspulen benötigten Energie vorgeschlagen worden, spezielle Kompensationsspulen einzusetzen, welche die unerwünschten Streufelder und Wirbelströme der Gradientenspulen schwachen oder unterdrücken.
Weiterhin wird in der EP-A1-0 307 981 vorgeschlagen, zur Verringerung der für die Gradientenspulen und die HF-Spule benötigten Energie ein kombiniertes HF- und Gradientenspulensystem einzusetzen, welches es ermöglicht, den freien inneren Durchmesser des Spulensystems zu verkleinern.
In beiden Fällen ist die Anpassung des Spulensystems an einen verringerten Energieverbrauch für die Gradientenspulen vergleichsweise aufwendig und kompliziert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Spulensystem sowie eine MR-Vorrichtung mit einem solchen Spulensystem zu schaffen, welche sich durch eine hinsichtlich des Energieverbrauchs auf einfache Weise optimierte Geometrie auszeichnen.
Die Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 6 gelöst.
Die Erfindung geht davon aus, dass es für die im Gradientenfeld vorhandene Feldenergie günstig ist, so viel Volumen wie möglich zwischen der inneren Teilspule und ihrer aktiven Abschirmung zu haben, ohne gleichzeitig das Volumen für die HF-Spule zu verkleinern und den Untersuchungsraum für den zu untersuchenden Patienten zu verrin gern. Der Kern der Erfindung besteht nun darin, für die innere Teilspule den ungenutzten Raum außerhalb der innenliegenden HF-Spule und innerhalb der Abdeckung zu nutzen.
Hierzu wird ein Spulensystem der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß so ausgestaltet ist, dass zur Verringerung der für das Gradientenspulensystem benötigten Energie das von der inneren Teilspule eingenommene Volumen in den in axialer Richtung über die HF-Spule hinausgehenden Bereichen zur Achse hin erweitert wird.
Diese Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 hat den Vorteil, dass der unterhalb der Tischplatte des Patiententisches zur Verfügung stehende Raum für die Teilspule optimal genutzt wird.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 zeichnet sich dadurch aus, dass für die Teilspule mehr Volumen zur Verfügung gestellt wird, ohne dass die Offenheit des Untersuchungsraumes zu beiden Seiten beeinträchtigt wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß wird das erfindungsgemäße Spulensystems in einer bildgebenden MR-Vorrichtung angewendet.
Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Eine MR-Vorrichtung mit einem Spulensystem zur Erzeugung eines homogenen stationären Magnetfeldes, dessen Stärke die Lamorfrequenz definiert, und zur Erzeugung von HF-Pulsen und zum Empfangen von in einem Untersuchungsobjekt erzeugten MR-Signalen ist erfindungsgemäß so ausgebildet, dass ein Spulensystem für eine nach dem Kernspinresonanz- bzw. Magnetresonanz-Verfahren arbeitende Vorrichtung, welches Spulensystem einen sich entlang einer Achse erstreckenden, für das Aufnehmen eines Patienten vorgesehenen Untersuchungsraum umgibt und eine innere HF-Spule, eine die HF-Spule außen umgebende und die HF-Spule in axialer Richtung an beiden Seiten überragende, innere Teilspule und eine die innere Teilspule außen umgebende aktive Abschirmung umfasst, so vorgesehen ist, dass zur Verringerung der für das Gradientenspulensystem benötigten Energie das von der inneren Teilspule eingenommene Volumen in den in axialer Richtung über die HF-Spule hinausgehenden Bereichen zur Achse hin erweitert ist.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer MR-Vorrichtung, in welcher das erfindungsgemäße Spulensystem Anwendung finden kann; und
2 in einer einzigen schematisierten Längsschnittdarstellung ein Spulensystem nach dem heutigen Stand der Technik (punktiert gezeichnete innere Teilspule) sowie ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spulensystems (durchgezogen gezeichnete innere Teilspule).
In 1 ist das Schaltbild einer für den Einsatz des erfindungsgemäßen Spulensystems geeigneten MR-Vorrichtung dargestellt. Sie umfasst eine Steuereinheit 17, die einen Gradienten-Wellenform-Generator 20 ansteuert, an dessen Ausgängen jeweils ein erster, ein zweiter und ein dritter Gradientenverstärker 21, 22, 23 angeschlossen ist. Diese Verstärker erzeugen jeweils einen Strom für eine erste, zweite bzw. dritte Gradientenspule 3, 5, 7. Die Verstärkungsfaktoren dieser Verstärker sind durch die Steuereinheit 17 über Leitungen 32 unabhängig voneinander einstellbar, so dass die Gradientenspulen 3, 5, 7 die Gradientenfelder in der x-, y- und z-Richtung erzeugen und in den entsprechenden drei Raumrichtungen in dem untersuchten Bereich eine Schichtselektion vorgenommen werden kann.
Weiterhin wird durch die Steuereinheit 17 ein HF-Generator 18 angesteuert, um zur MR-Bildgebung die Frequenz der HF-Impulse auf die von den Gradientenfeldern abhängigen Larmor-Frequenzen einzustellen. Die HF-Impulse werden einem Verstärker 19 zugeführt, dessen Verstärkung durch die Steuereinheit 17 gesteuert wird, und gelangen anschließend zu einer HF-Sendespule 11.
Die in einer Hochfrequenz-Empfangsspule 12 durch die Relaxation der angeregten Magnetisierungszustände induzierten MR-Signale werden in einem Quadratur-Demodulator 13 durch Mischung mit zwei um 90° gegeneinander versetzten Trägerschwingungen (mit einer durch die lokale Stärke der stationären Magnetfelder bestimmten Larmor- bzw. MR-Frequenz) eines Oszillators 130 demoduliert, so dass zwei Signale entstehen, die als Realteil und als Imaginärteil eines komplexen Signals aufgefasst werden können. Diese Signale werden einem Analog-Digitalwandler 14 zugeführt. Mit einer Bildverarbeitungseinheit 16 werden schließlich die MR-Bilder in bekannter Weise rekonstruiert und auf einem Monitor 15 wiedergegeben.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines in der MR-Vorrichtung nach 1 einsetzbaren Spulensystems wird die punktiert gezeichnete innere Teilspule 213 des aus innerer Teilspule 213 und aktiver Abschirmung 212 bestehenden Gradientenspulensystems nach dem heutigen Stand der Technik durch die durchgezogen gezeichnete innere Teilspule 213' ersetzt. Die neuartige innere Teilspule 213' nutzt dabei bisher ungenutzte Volumina. Derartige ungenutzte Volumina befinden sich unterhalb der Patiententisches 216 und oberhalb einer das Spulensystem 210 vom Untersuchungsraum 217 trennenden Abdeckung 214 in den in axialer Richtung außerhalb der HF-Spule 219 liegenden Bereichen. In diesen Bereichen wird die innere Begrenzung der inneren Teilspule 213' zur Achse 218 hin verschoben, so dass sie auf der Unterseite parallel zur Achse 218 und auf der Oberseite parallel zur Abdeckung 214 verläuft. Das Spulensystem 210 und insbesondere die innere Teilspule 213' liegen dabei symmetrisch zu einer Mittelebene 221, wodurch sich die Feldverhältnisse vereinfachen. Dabei entspricht die Wirkungsweise und Konfiguration der HF-Spule 219 in 2 der HF-Spule 11 in 1 und die Komponenten 213' in Verbindung mit der Abschirmung 212 in 2 den Gradientenspulen 3, 5 oder 7 in 1.
Der Abstand der inneren Teilspule 213' zur Achse 218 ist in den in axialer Richtung über die HF-Spule 219 hinausgehenden Bereichen größer oder gleich dem Abstand der HF-Spule 219 zur Achse 218, so dass der für den Patienten 215 zur Verfügung stehende Untersuchungsraum 217 ausschließlich durch die HF-Spule bestimmt wird und sich durch die neuartige innere Teilspule 213' nicht verkleinert.
Die Windungsverteilung des Gradientenspulensystems bzw. der Gradientenspulenanordnung kann nach einem numerischen Verfahren (S. Pissanetzky Meas. Sci. Technol. 3 (1992) S. 667ff) berechnet werden. Gegenüber einem herkömmlichen Standardsystem ergibt sich damit eine Reduktion der Spulenenergie um etwa 35%.
Insgesamt verschafft die Erfindung ein Spulensystem, das durch die folgenden Merkmale und Vorteile gekennzeichnet ist:

– Geringerer Energieverbrauch, der die Kosten für die Gradientenverstärker reduziert.
– Mit einem unveränderten Gradientenverstärker kann ein höherer Gradient erzeugt werden.

Darüber hinaus wird der für den Patienten zur Verfügung stehende Untersuchungsraum nicht verkleinert.

3, 5, 7: Gradientenspulen
11: Hochfrequenz-Sendespule
12: Hochfrequenz-Empfangsspule
13: Quadratur-Demodulator
14: Analog-Digitalwandler
15: Monitor
16: Bildverarbeitungseinheit
17: Steuereinheit
18: HF-Generator
19: Verstärker
20: Gradienten-Wellenform-Generator
21, 22, 23: Gradientenverstärker
210: Spulensystem
211: Kryostat
212: aktive Abschirmung
213, 213': innere Teilspule
214: Abdeckung
215: Patient
216: Patiententisch
217: Untersuchungsraum
218: z-Achse (Richtung des statischen Magnetfeldes)
219: HF-Spule
220: Gradientenverstärker
221: Symmetrieebene

Claims

Spulensystem (210) für eine nach dem Kernspinresonanz- bzw. Magnetresonanz(MR)-Verfahren arbeitende Vorrichtung, welches Spulensystem (210) einen sich entlang einer Achse (218) erstreckenden, für das Aufnehmen eines Patienten (215) vorgesehenen Untersuchungsraum (217) umgibt und eine innere HF-Spule (219), eine die HF-Spule (219) außen umgebende und die HF-Spule (219) in axialer Richtung an beiden Seiten überragende, innere Teilspule (213') und eine die innere Teilspule (213') außen umgebende und zusammen mit der inneren Teilspule (213') eine Gradientenspulenanordnung bildende aktive Abschirmung (212) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verringerung der für das Gradientenspulensystem (213', 212) benötigten Energie das zwischen der inneren Teilspule (213') und der aktiven Abschirmung (212) befindliche Volumen dadurch vergrößert ist, dass der zur Achse (218) senkrechte Querschnitt der inneren Teilspule (213') in Bereichen zu beiden axialen Seiten der HF-Spule (219) kleiner ist als in dem die HF-Spule umgebenden Bereich.
Spulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen eines Patienten (215) in den Untersuchungsraum (217) an der Unterseite des Untersuchungsraumes (217) ein entlang der Achse (218) verschiebbarer Patiententisch (216) vorgesehen ist und dass die innere Begrenzung der inneren Teilspule (213') in den in axialer Richtung über die HF-Spule (219) hinausgehenden Bereichen vorzugsweise parallel zur Achse (218) verläuft.
Spulensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulensystem an der Oberseite des Untersuchungsraumes (217) durch eine Abdeckung (214), die sich in den in axialer Richtung über die HF-Spule (219) hinausgehenden Bereichen nach außen hin öffnet, vom Untersuchungsraum (217) getrennt ist und dass die innere Begrenzung der inneren Teilspule (213') in den in axialer Richtung über die HF-Spule (219) hinausgehenden Bereichen parallel zur Abdeckung verläuft.
Spulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der inneren Teilspule (213') zur Achse (218) in den in axialer Richtung über die HF-Spule (219) hinausgehenden Bereichen größer oder gleich dem Abstand der HF-Spule (219) zur Achse (218) ist.
Spulensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Teilspule (213') symmetrisch zu einer senkrecht zur Achse (218) stehenden Mittelebene (221) ist.
MR-Vorrichtung mit einem Spulensystem (210) zur Erzeugung eines homogenen stationären Magnetfeldes, dessen Stärke die Lamorfrequenz definiert, und zur Erzeugung von HF-Pulsen und zum Empfangen von in einem Untersuchungsobjekt (215) erzeugten MR-Signalen, dadurch gekennzeichnet, dass das Spulensystem (210) gemäß Anspruch 1 ausgebildet ist.