DE4422782C2

DE4422782C2 - Aktiv geschirmte transversale Gradientenspule für Kernspintomographiegeräte

Info

Publication number: DE4422782C2
Application number: DE4422782A
Authority: DE
Inventors: Guenther Pausch; Heinz Hentzelt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1994-06-29
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2014-06-30
Also published as: DE4422782A1; JPH0838457A; US5512828A; JP3499973B2

Description

Die Erfindung betrifft eine aktiv geschirmte transversale Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte wobei für jede Gradientenspulenanordnung eine Primär- und eine Sekundärspule vorgesehen sind, die einen radialen Ab stand zueinander aufweisen, wobei die Sekundärspule auf einem größeren Radius liegt als die Primärspule und wobei Primär- und Sekundärspule so ausgestaltet sind, daß sie im Zentrum eines Untersuchungsvolumens einen linearen Magnetfeldgradien ten erzeugen.

Eine derartige aktiv geschirmte Gradientenspulenanordnung ist beispielsweise aus der EP-A1 0 216 590 bekannt.

Bekanntlich erfolgt eine Ortsauflösung der Kernresonanzsigna le in der Kernspintomographie dadurch, daß einem homogenen, statischen Grundfeld in der Größenordnung von 1 T Magnetfeld gradienten überlagert werden. Die Prinzipien der Bildgebung sind beispielsweise in dem Artikel von P.A. Bottomley: "NMR Imaging Techniques and Applications: A Review" in: Review of Scientific Instrumentation 53, 9, 1982, Seiten 1319-1337, erläutert. Zur Ortsauflösung in drei Dimensionen müssen Mag netfeldgradienten in drei vorzugsweise senkrecht auf einander stehenden Richtungen erzeugt werden. Der herkömmliche Aufbau von (in diesem Fall nicht aktiv geschirmten) wird im folgen den anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. In diesen Figuren ist jeweils ein Untersuchungsvolumen 4 mit einem Koordinaten kreuz x, y, z eingezeichnet, das die Richtungen der jeweili gen Gradienten darstellen soll.

Fig. 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Anordnung von transversalen Gradientenspulen für die Erzeugung eines Ma gnetfeldgradienten G_y in y-Richtung. Die Gradientenspulen 2 sind als Sattelspulen ausgeführt, die auf einem Tragrohr 1 befestigt sind. Durch die Leiterabschnitte 2a wird innerhalb des kugelförmigen Untersuchungsvolumens 4 ein weitgehend kon stanter Magnetfeldgradient G_y in y-Richtung erzeugt. Die Rückleiter erzeugen aufgrund ihrer Größe und Entfernung vom Untersuchungsvolumen 4 dort lediglich geringe Magnetfeldkom ponenten, die bei der Auslegung der Gradientenspule vielfach vernachlässigt werden.

Die Gradientenspulen für den x-Magnetfeldgradienten sind identisch zu den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgra dienten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in azimutaler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen sind sie daher in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die herkömmlichen (axialen) Gradientenspulen 5 für den Ma gnetfeldgradienten in z-Richtung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Spulen sind ringförmig ausgeführt und symme trisch zum Mittelpunkt 3 des Untersuchungsvolumens 4 angeord net. Da die beiden Einzelspulen 3a und 3b in der in Fig. 2 dargestellten Weise in entgegengesetzter Richtung stromdurch flossen sind, verursachen sie einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung.

Bei aktiv geschirmten Gradientenspulen, wie sie z. B. in der bereits obengenannten EP-A1 0 216 590 dargestellt sind, werden beispielsweise die Gradientenspulen 2 nach Fig. 1, die man dann als Primärspulen bezeichnet, von weiteren gleichartigen Spulen umgeben, die ebenfalls auf einer Zylin derfläche angeordnet sind, die jedoch einen größeren Durch messer aufweist als der Spulenträger 1. Diese weiteren Spulen werden als Sekundärspulen bezeichnet und sind im Vergleich zur Gradientenspulenanordnung 2 entgegengesetzt stromdurch flossen. Damit wird erreicht, daß das Gradientenfeld nach außen hin zumindest erheblich geschwächt wird und somit die Induktion von Wirbelströmen in umgebenden metallischen Teilen weitgehend unterbunden wird. Eine unvermeidliche Schwächung des Gradientenfeldes im Untersuchungsvolumen 4 muß dabei durch erhöhte Windungszahlen und/oder Ströme kompensiert wer den.

An die Linearität von Gradientenfeldern werden zur Vermeidung von Bildverzerrungen hohe Anforderungen gestellt, die mit den schematisch dargestellten einfachen Leiterstrukturen nach den Fig. 1 und 2 nicht zu erreichen sind. Dabei sind insbeson dere die transversalen Gradientenspulen aufwendig in der Aus legung. In der DE-A1 42 03 582 wird ein numerischer Ansatz zur Berechnung komplexerer Spulengeometrien beschrieben, bei denen durch Formulierung von Randbedingungen die Gradienten spulen in vielfältiger Hinsicht optimiert werden können.

Bei bestimmten Pulssequenzen, z. B. Echo Planar Imaging (EPI) sind schnell oszillierende Gradientenfelder hoher Feldstärke erforderlich. Dabei kann es durch Wechselwirkungen mit Nerven und Muskeln lokal zu unkontrollierbaren physiologischen Re flexen mit mehr oder weniger schmerzhaften Begleiterschei nungen kommen. Obgleich die biophysikalischen Mechanismen dieser sogenannten Stimulation sehr komplex sind, ist der auslösende Faktor hierfür immer die zeitliche Änderung des magnetischen Flusses Φ, dem der zu Untersuchende ausgesetzt ist. Da es beispielsweise für die EPI-Bildgebung vorteilhaft ist, hohe Gradientenfelder bei Frequenzen um ca. 1 KHz zu verwenden, muß im allgemeinen mit hohen Werten für die dΦ/dt gerechnet werden.

Bei transversalen Gradientenspulen ist das Verhältnis zwi schen Nutzgradienten und Flußdichte im Spulenvolumen ver gleichsweise ungünstig. Fig. 3 zeigt die Feldlinien einer Spulenanordnung zur Erzeugung eines y-Gradienten in der Ebene x=0. Deutlich ist die Konzentration der Feldlinien, die einer hohen magnetischen Flußdichte entspricht, außerhalb des Ab bildungsvolumens zu erkennen. Während der überwiegende Teil des von der Spule erzeugten Feldes um das Untersuchungsvo lumen herumgeführt wird, erscheint das Nutzfeld selbst in der Relation sehr klein. Dieser Sachverhalt ist zwar aus physika lischen Gründen nicht ganz zu vermeiden, es kann jedoch ver sucht werden, das Verhältnis von Nutzfeld zu den Gradienten feldern außerhalb des Untersuchungsvolumens zu optimieren. Wenn dies gelingt, werden auch die Probleme der Stimulation physiologischer Reize bei schnell geschalteten Gradienten hoher Amplitude entschärft.

Grundsätzlich kann man eine solche Optimierung mit dem Ver fahren aus der oben bereits genannten DE-A1 42 03 582 in Angriff nehmen. Dabei wird z. B. bezüglich der Optimierungs aufgabe das Ziel so formuliert, daß die maximalen Abweichun gen des Sollfeldes innerhalb des Untersuchungsvolumens vorge geben werden und gleichzeitig der radiale Feldverlauf im Außenraum minimiert wird. Mit diesem Verfahren ist zwar grundsätzlich eine Verbesserung des Verhältnisses Nutz feld/sonstiges Spulenfeld erreichbar, jedoch nur in relativ engen Grenzen. Dies rührt daher, daß man durch den getrennten Aufbau von Primär- und Sekundärspule auf zwei Zylinderflächen nicht genügend Freiheitsgrade für eine Optimierung hat.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine aktiv geschirmte Gradientenspulenanordnung derart auszugestalten, daß unter weitgehender Beibehaltung des Feldverlaufes im Untersuchungs volumen der Flußdichteverlauf außerhalb des Untersuchungsvo lumens minimiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kenn zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Damit wird die in der MR typische Zylinderstruktur von Gradientenspulen durch eine flexible Geometrie ersetzt, die erheblich verbesserte Mög lichkeiten zur Optimierung im obengenannten Sinne bietet. Ein nicht unwesentlicher Teil der störenden Flußdichte außerhalb des Untersuchungsvolumens resultiert aus Leiterrückführungen in vom Untersuchungsvolumen entfernten Bereichen. Zum Nutz feld tragen diese Leiterrückführungen kaum in konstruktiver Weise bei. Durch den verringerten Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule im Bereich der Leiterrückführungen und der entgegengesetzten Stromrichtung in Primär- und Sekundärspule wird das störende Gradientenfeld in diesen Bereichen wesent lich schwächer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 4 bis 27 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 4 schematisch die zweischalige Anordnung nach dem Stand der Technik,

Fig. 5 bis 13 verschiedene Ausführungsformen der erfin dungsgemäßen Gradientenspulenanordnung,

Fig. 14 eine Gradientenspulenanordnung nach dem Stand der Technik, die bezüglich des Zen trums des Untersuchungsraums asymmetrisch aufgebaut ist,

Fig. 15 bis 18 Ausführungsformen von unsymmetrischen Gradientenspulenanordnungen entsprechend der Erfindung,

Fig. 19 ein Maschennetz zur Berechnung des Leiter verlaufs einer Gradientenspule,

Fig. 20 ein entsprechendes Maschennetz für ein einzelnes Spulensegment,

Fig. 21 eine Stromverteilung in den Maschen,

Fig. 22 und 23 einen Vergleich der Feldlinienverläufe bei herkömmlich aufgebauten Gradientenspulen und bei einer erfindungsgemäßen Gradien tenspule mit einer Vergleichsfläche,

Fig. 24 und 25 einen Vergleich der Isokonturlinienplots des |B|-Feldes in der y-z-Ebene bei einer konventionellen und einer erfindungsgemä ßen Gradientenspule,

Fig. 26 und 27 einen Vergleich der Isokonturlinienplots der B_z-Komponenten in der y-z-Ebene bei einer konventionellen und bei einer erfin dungsgemäßen Gradientenspule.

In Fig. 4 ist zur Verdeutlichung der Erfindung nochmals eine aktiv geschirmte transversale Gradientenspulenanordnung stark schematisiert in Längsrichtung und in Querrichtung darge stellt. Dabei ist, wie auch in allen folgenden Figuren, auf die Darstellung der jeweils vier Spulenteile für jede trans versale Gradientenspulenanordnung verzichtet, gezeigt sind vielmehr nur die jeweiligen Zylinderflächen. Bei herkömmli chen Anordnungen liegen Primärspule 2a und Sekundärspule 2b jeweils auf zueinander konzentrischen Zylinderflächen und haben somit einen konstanten Abstand zueinander.

Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, daß man weiter gehende Möglichkeiten zur Optimierung im obengenannten Sinne (insbesondere minimierte Flußdichte) erhält, wenn man die übliche Struktur des Doppelzylinders zugunsten einer flexi bleren Geometrie aufgibt und damit parasitäre Fluß-Anteile minimiert.

Bei aktiv geschirmten Gradientenspulen bestimmt der Abstand δr von Primär- und Sekundärspule maßgeblich die Feldwirkung der Gesamtanordnung. Im folgenden wird mit g die Sensitivität der Primärspule alleine bezeichnet. Unter Sensitivität ver steht man den pro Stromeinheit durch die Gradientenspulen anordnung erzielten Magnetfeldgradienten. Mit G=G(δr) wird die Sensitivität der Kombination aus Primär- und Sekundär spule bezeichnet. Wenn man mit R den Durchmesser der Primär spule bezeichnet, so erhält man:

G(δr) = g(1-[R/(R+δr)]⁴)

Wenn δr wesentlich kleiner als R ist, gilt näherungsweise:

G(δr) ∼ g · 4δr/R

Man kann dieser Relation entnehmen, daß mit kleiner werdendem Abstand zwischen einer felderzeugenden Wicklung und ihrer Schirmung die Feldwirksamkeit stark reduziert wird. Bei der zeitig gängigen aktiv geschirmten Gradientenspulen in Ganz körper-Tomographen gelten etwa folgende Größen: R ∼ 350 mm, δr ∼ 70 mm, G ∼ 0,5 g.

Würde man den Abstand δr zum Beispiel auf 10 mm reduzieren, wäre G ∼ 0,1 g.

Qualitativ gelten diese Abschätzungen auch für Einzelleiter und ihre zugehörigen Abschirmleiter. Aus dieser Gesetzmäßig keit wird eine Regel abgeleitet, wie man erfindungsgemäß zu günstigeren Spulengeometrien gelangt. Die Grundidee hierbei ist, den Abstand der Rückleiter und ihrer benachbarten Schirmwicklungen im vom Untersuchungsvolumen 4 abgewandten Spulenteil so weit zu verringern, daß deren parasitäre Wir kung hinreichend minimiert werden kann. Unter "Rückleitern" versteht man die im vom Untersuchungsraum 4 abgewandten Teil liegenden Windungen.

Durch die Verringerung des Abstands in einem Spulenteil er hält man neben einer geringeren Spuleninduktivität vor allem eine deutliche Reduktion der parasitären Flußdichte. Läßt man den Abstand δr gegen Null gehen, so fallen die Rückleiter von Primär- und Sekundärspulen geometrisch zusammen, da sie ge gensinnig vom gleichen Strom durchflossen werden. Ihr Beitrag zum Spulenfeld wird ebenfalls Null. Bei solchen Spulenanord nungen entfällt dann sogar ein Teil der primären und sekundä ren Rückleiter gänzlich, so daß die Spulen kürzer werden und darüberhinaus noch geringere dissipative Verluste aufweisen.

Abhängig von Optimierungs-Prioritäten und eventuell gegebenen Magnettypen können unterschiedliche Ausführungsformen vor teilhaft sein. Beispiele für solche Ausführungsformen sind in den Fig. 5 bis 13 angegeben. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 liegt die Sekundärspule 2a auf einer Zylinderfläche, der Mittelteil B der Primärspule 1a liegt auf einer Zylinder fläche mit kleinerem Durchmesser, die Randbereiche A und C sind konisch geformt und laufen an den Enden mit der Sekun därspule 2b zusammen. Diese Form eignet sich besonders für klassische Magneten mit zylindrischer Öffnung und einer trichterförmigen Patientenöffnung.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 liegt die Primärspule 2a auf einer Zylinderoberfläche, während die Sekundärspule 2b einen zylinderförmigen Mittelteil und konische Außenteile aufweist. Diese Ausführung ist insbesondere für Magneten ge eignet, die größere passive Korrekturelemente 4 an den Rand bereichen im Innenraum aufweisen.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 7 und 8 liegt je weils eine Spule (Primärspule 2a bzw. Sekundärspule 2b) auf einer Zylinderoberfläche, während die jeweils andere Spule auf einer Oberfläche liegt, die aus einem zylinderförmigen Mittelteil, zwei daran anschließenden konischen Teilen und wiederum zylinderförmigen Außenteilen liegt. Derartige Anord nungen könnten fertigungstechnische Vorteile haben.

Fig. 9 zeigt eine komplexere Struktur, bei der die Primär spule 2a auf einem bogenförmigen Rotationskörper liegt.

In den Fig. 10 bis 13 sind einige Grenzfälle der erfin dungsgemäßen Gradientenspulenanordnung dargestellt. Bei der Variante nach Fig. 10 ist die Primärspule 2a in Form eines Doppel-Konus symmetrisch zur Mittelebene ausgebildet. Bei der Variante nach Fig. 11 weist die Primärspule 2a einen relativ langen zylindrischen Mittelteil und kurze konische Außenteile auf. In dieser schematischen Darstellung ähnelt die Gradien tenspulenanordnung einer herkömmlichen aktiv geschirmten Gradientenspulenanordnung. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß im Unterschied zum klassischen Aufbau die Leiter von einer Zylinderfläche zur anderen wechseln. Während im Fall der klassischen Anordnung ein Leiter stets auf einer Zylin dermantelfläche bleibt, wechseln bei den erfindungsgemäßen Gradientenspulenanordnungen viele Leiter in einem komplexen Muster von der einen zur anderen Ebene. Der Wechsel von einer Ebene zur anderen erfolgt über die umlaufenden Ringsegmente des konischen Teils der Primär- bzw. Sekundärspule.

Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 12 und 13 entspre chen im wesentlichen denen der Fig. 10 bzw. 11, wobei jedoch die Sekundärspule 2b jeweils länger als die Primär spule 2a ist. Dies hat sich für einen guten Schirmeffekt als nützlich erwiesen.

Beispielsweise aus der Literaturstelle "Myers CC, Römer PB" Highly linear asymmetric transverse gradient coil design for head imaging", Abstract 10th Annual Meeting SMRM 1991, page 711 ist es bekannt, Gradientenspulen asymmetrisch auszufüh ren. Solche asymetrischen Gradientenspulen bieten sich für besondere Aufnahmeverfahren, z. B. am Kopf, an. Vorteile einer derartigen Spule sind u. a. die kurze Baulänge und die gegen über symmetrisch aufgebauten Spulen geringere Induktivität. Eine herkömmliche aktiv geschirmte asymmetrische Gradienten spule ist in Fig. 14 dargestellt.

Die obengenannten Vorteile einer asymmetrischen Gradienten spule lassen sich weiter verbessern, wenn man den Gedanken der hier vorliegenden Erfindung aufgreift und einen nicht konstanten Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule wählt. Entsprechende Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 15 bis 18 dargestellt. Dabei entspricht das Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 im wesentlichen demjenigen nach Fig. 5. Das Ausfüh rungsbeispiel nach Fig. 16 entspricht dem nach Fig. 6 und ist damit ebenfalls für Magneten mit größeren Einbauten besonders geeignet. Die Ausführungsformen nach den Fig. 17 und 18 entsprechen denjenigen nach den Fig. 7 und 8.

Zur Auslegung des Wickeldesigns kann man von einem Verfahren ausgehen, wie es in der obengenannten DE-A1-42 03 582 be schrieben ist. Da hier von der Zylinderoberfläche abgewichen wird, ist allerdings eine Verallgemeinerung des dort be schriebenen Verfahrens notwendig. Die Berechnung des Wickel designs erfolgt beispielsweise in folgenden Schritten:

1. Schritt: Nachdem man sich auf die grundsätzliche Anord nung, beispielsweise nach einem der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, festgelegt hat, wird die entsprechende Mantelfläche der Gradientenspulenanordnung gedanklich mit einem Maschennetz belegt. Dies ist für eine Anordnung nach Fig. 5 in Fig. 19 dargestellt. Das so definierte Maschen netz besteht nun nicht mehr nur aus rechtwinkligen, gleich förmigen Maschen. So ergeben sich im konischen Teil der Gradientenspulenanordnung zum Beispiel näherungsweise trapez förmige Maschen. Andere Maschen können die Form von Ringseg menten annehmen usw. Aus Symmetriegründen besteht eine trans versale Gradientenspule bei symmetrisch aufgebauten Gradien tenspulen aus jeweils 2×4, bei unsymmetrisch aufgebauten Gra dientenspulen aus 2×2 identisch gewickelten Teilspulen. Vor teilhaft ist es daher, wenn man die Spulen quadrantenweise berechnet und dabei als zusätzlichen Freiheitsgrad die Mög lichkeit hinzufügt, daß die Wickelkurve über den azimutalen Rand zwischen Primärspule und Sekundärspule wechseln kann. Bei einer quadrantenweisen Berechnung erhält man ein Maschen netz, wie es in Fig. 20 dargestellt ist.

Die n Maschen des Maschennetzes werden im Sinne einer mathe matischen Wohlordnung durchnummeriert (1,2, . . ., n).

2. Schritt: In dem interessierenden Volumen wählt man eine Anzahl von n Aufpunkten P_i, wobei gilt (i=1, . . .n), n<m. In diesen Aufpunkten P_i sei das gewünschte Zielfeld Z_i defi niert.

3. Schritt: In jeder der m Maschen denkt man sich nacheinan der einen Einheitsstrom fließen. Damit berechnet man für jede Masche das von diesem Einheitsstrom erzeugte Feld b_ÿ in je dem der n Aufpunkte. b_ÿ ist also der Feldbeitrag eines Ein heitsstromes in der j-ten Masche am Ort des i-ten Aufpunktes. Es werden folgende Definitionen zugrundegelegt: =(b_ÿ) ist die Wirkmatrix aller Maschenelemente. I ^t=(I₁,I₂, . . . I_m) ist ein Vektor mit Maschenströmen, d. h. I_k ist der Strom, der in der k-ten Masche fließt. Ferner ist B ^t=(B₁,B₂, . . ., B_n) mit B_k= Σb_kj·I_j der Vektor aller Feldbeiträge in den n Aufpunkten. Dann gilt:

4. Schritt: Durch einen geeigneten FIT-Algorithmus (z. B. "least mean square"-FIT) wird ein Lösungsvektor I so be stimmt, daß die Summe der quadratischen Abweichungen vom Zielfeld minimal wird. Dies geschieht z. B. durch Links-Multi plikation der obigen Relation mit dem Term (^t · )^-1 · ^t. Man erhält damit:

5. Schritt: Da jeder Maschenzweig bis auf Randmaschen zu je weils zwei benachbarten Maschen gehört, muß für jeden solchen Zweig der resultierende Strom durch Überlagerung der beiden Maschenströme bestimmt werden, wie dies in Fig. 21 darge stellt ist. Damit ergibt sich z. B. für den zwischen den Ma schen k und k+m liegenden Maschenzweig ein Strom von I_k-I_k+m. Für den zwischen den Maschen k und k+1 liegenden Maschenzweig ergibt sich ein Maschenstrom von I_k-I_k+1.

Man erhält damit eine globale Stromverteilung auf der Mantel fläche, die einerseits das gewünschte Zielfeld erzeugt, ande rerseits der Kontinuitätsgleichung genügt. Letzteres gilt, da jede Masche in sich geschlossen ist. Die Einhaltung dieser Bedingung ist wichtig, da nur so eine Nachbildung der räumli chen Stromverteilung durch einen geschlossenen Stromkreis möglich ist.

6. Schritt: Die gegebene Stromverteilung wird mittels diskre ter Leiter, die von einem konstanten Sollstrom durchflossen werden, nachgebildet. Hierfür sind verschiedene Lösungsansät ze bekannt. Zum Beispiel kann zunächst jedem Maschenzweig eine definierte Fläche zugewiesen werden (Maschenbreite Maschenlänge), in der errechnete Strom fließen soll. Aus der globalen Stromverteilung in der Mantelfläche wird danach eine Flächenstromdichte-Verteilung und nach einer weiteren Divi sion durch den Sollstrom eine Windungs-Dichteverteilung in der gegebenen Mantelfläche. Die Raumkurve der jeweiligen Lei ter kann daraus durch Integration längs geeigneter Integra tionswege (z. B. Projektion eines Geradenbüschels durch den Stagnationspunkt der Windungs-Dichteverteilung auf die Man telfläche) bestimmt werden. Hierzu integriert man die Win dungs-Dichtefunktion längs des Weges auf, bis der Integral wert ganzzahlig wird. Innerhalb der so bestimmten Integral grenzen wird die Position des Leiters so festgelegt, daß zu beiden Seiten gleich große Windungsanteile zu liegen kommen.

Bezüglich weiterer Einzelheiten zu dem Verfahren, ein Wickel design aufgrund eines Maschennetzes zu bestimmen, wird noch mals auf die DE-A1-42 03 582 verwiesen.

Bei der hier vorgestellten Erfindung liegt der Schwerpunkt der gestellten Optimierungsaufgabe in der Minimierung des maximal auftretenden B-Feldes außerhalb des Abbildungsvolu mens. Diese Zusatzforderung steht in einem gewissen Wider spruch zu dem geforderten Feldverlauf im Nutzvolumen. Würde man einfach die Minimierung des B-Feldes als Optimierungsauf gabe sehen, so wäre diese Forderung im Extremfall ganz ein fach dadurch zu erfüllen, daß gar kein Strom fließt, womit natürlich auch kein Nutzfeld vorhanden wäre. Derart konkur rierende Zielvorgaben werden in der hier vorliegenden Opti mierungsaufgabe mit Hilfe von Wichtungsfaktoren zueinander in Relation gesetzt.

Die zu minimierende Funktion könnte dann z. B. wie folgt fest gelegt werden:

Ausgehend von der Überlegung, daß die störenden B-Felder am Rand des dem Patienten zugänglichen Innenraums maximal wer den, wählt man, unter Berücksichtigung der bestehenden Symme trien, z. B. eine Menge von Aufpunkten P_i(i=v.1, . . ., n) auf der gedachten Mantelfläche der Innenverkleidung. Ferner seien wie oben P_i(i=1, . . ., v) die Aufpunkte im Nutzvolumen. Mit Z_i(i=1, n) wird das angestrebte Zielfeld im Aufpunkt P_i bezeichnet. Für i<v gilt dann allgemein: Z_i=0. Mit w wird der oben beschriebene Wichtungsfaktor bezeichnet. Die Optimie rungsaufgabe lautet dann:

Die Randbedingung möglichst kleiner Flußdichte außerhalb des Nutzvolumens kann darüber hinaus noch mit anderen physikali schen Anforderungen, wie z. B. minimale Spulenenergie, kombi niert werden. Hierzu berechnet man alle Eigen- und Koppelin duktivitäten des Maschennetzes: Mit L_k1 sei die Koppelinduk tivität der k-ten Masche mit der 1-ten bezeichnet. Entspre chend sei L_kk die Eigeninduktivität der k-ten Masche. Die Spulenenergie berechnet sich dann zu:

Schließlich erweitert man die zu minimierende Funktion Q_w entsprechend:

Q_w = Q + ω · W

ω ist dabei ein weiterer Wichtungsfaktor, der die Minimie rung der Spulenenergie zu den obengenannten Forderungen in Relation setzt.

Fig. 22 zeigt exemplarisch den Feldlinienverlauf einer kon ventionellen aktiv geschirmten Gradientenspule nach Fig. 4, während in Fig. 23 der Feldlinienverlauf einer gemäß dem beschriebenen Verfahren optimierten Gradientenspule nach Fig. 5 dargestellt ist. Exakter gesagt sind jeweils die Iso konturlinien des Vektorpotentials dargestellt. Ferner ist jeweils eine Vergleichsfläche F definiert. Die Spulensensiti vität beträgt bei beiden Spulen 0,1[(mT/m)/A]. Ebenso sind die maximalen Nichtlinearitäten auf einem kugelförmigen Volu men von z. B. 45 cm Durchmesser mit ca. 5% für beide Varianten etwa gleich groß.

Man erkennt deutlich, daß der Gesamtfluß (erkennbar durch die Anzahl der Feldlinien durch die identisch definierten Ver gleichsflächen F) bei der herkömmlichen Anordnung nach Fig. 22 deutlich größer ist als bei der nach dem hier beschriebe nen Verfahren optimierten Anordnung nach Fig. 23. Bei glei chem Nutzfeld wird somit die hier optimierte Gradientenspule eine deutlich geringere Stimulation verursachen als herkömm liche Gradientenspulen oder, anders ausgedrückt, erst bei deutlich größeren Anstiegssteilheiten des Feldes zu Stimula tionen führen. Die Abb. 24 und 25 zeigen eine verglei chende Gegenüberstellung des B-Feldes zur Quantifizierung der qualitativen Aussage nach den Fig. 22, 23. Für die Dar stellung wurde wieder ein Isokonturplot gewählt (in Fig. 24 für konventionelle Gradientenspulen, in Fig. 25 für eine erfindungsgemäß optimierte), wenn man beispielsweise die besonders hervorgehobene 10 mT-Linie betrachtet, erkennt man:

- daß diese Linie bei der herkömmlichen Anordnung nach Fig. 24 deutlich tiefer in das Patientenvolumen reicht als bei der Anordnung nach Fig. 25 und
- daß das Teilvolumen mit B<10 mT im Falle der Fig. 24 in z-Richtung mehr als doppelt so lang ist wie bei der Gra dientenspule nach Fig. 25.

Die Fig. 26 (konventionelle Anordnung) und 27 (optimierte Anordnung) zeigen schließlich einen Vergleich, der für die Magnetresonanzuntersuchung relevanten Nutzfelder, d. h. die B_z-Komponente des jeweiligen Gradientenfeldes. Die Linearität des Gradientenfeldes zeigt sich an den z-parallelen, äquidi stanten Konturlinien im eingezeichneten Abbildungsvolumen. Man erkennt deutlich, daß die Linearitätsvolumina in radialer Richtung vergleichbar sind, in z-Richtung dagegen erstreckt sich das Linearitätsvolumen in z-Richtung sogar noch länger als bei der konventionellen Anordnung nach Fig. 26, d. h., das tatsächlich nutzbare Volumen ist größer geworden und hat hier eine in z-Richtung langgestreckte Elipsoidform.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die hier beschriebene Gradientenspule gegenüber einer herkömmlichen Bauart bei gleicher Sensitivität folgende Vorteile aufweist:

- Das Verhältnis von Nutzfeld zum Gesamtspulenfeld ist deut lich günstiger und erlaubt wesentlich höhere Frequenzen, bevor eine physiologische Stimulation auftritt. Dies ist insbesondere bei den sogenannten EPI-Sequenzen wichtig.
- Die Induktivität der Gradientenspule wird kleiner
- Das Linearitätsvolumen ist in z-Richtung länger ausge dehnt.
- Die Baulänge der Gradientenspule ist kürzer und kann z. B. auf die Hälfte der ursprünglichen Länge reduziert werden.
- Die dissipativen Verluste sind geringer, bezüglich des Gleichstromwiderstands ergibt sich z. B. eine Verringerung um 35%.

Der einzige Nachteil der erfindungsgemäßen Gradientenspulen anordnung besteht im höheren Fertigungs- und Montageaufwand zur maßgenauen Positionierung der dreidimensionalen Leiteran ordnung.

Claims

1. Aktiv geschirmte transversale Gradientenspulenanordnung für Kernspintomographiegeräte, wobei für jede Gradientenspu lenanordnung eine Primär- und eine Sekundärspule (2a, 2b) vor gesehen sind, die einen radialen Abstand (δr) zueinander auf weisen, wobei die Sekundärspule (2b) auf einem größeren Radius (R+δr) liegt als die Primärspule und wobei Primärspule und Sekundärspule (2a, 2b) so ausgestaltet sind, daß sie im Zentrum (3) eines Untersuchungsvolumens (4) einen linearen Magnetfeldgradienten erzeugen, dadurch ge kennzeichnet, daß in axialer Richtung der Gradientenspulenanordnung weiter vom Zentrum (3) entfernte Windungen der Primär- und Sekundärspule (2a, 2b) einen kleineren radialen Abstand zueinander aufweisen als nahe am Zentrum (3) liegende Windungen.

2. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der Spulen träger der Primärspule (2a) in einem zum Zentrum (3) hin weisenden Teil (B) zylindrisch und im übrigen Teil (A, C) konisch mit einem sich nach außen vergrößernden Durchmesser ist.

3. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenträger der Sekundärspule (2b) in einem zum Zentrum (3) hin weisenden Teil (B) zylindrisch und in den äußeren Teilen (A, C) konisch mit einem sich nach außen verkleinernden Durchmesser ist.

4. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Teil (B) des Spulenträgers in axialer Richtung kürzer ist als die konischen Teile.

5. Gradientenspulenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konischen Teile (A, C) des Spulenträgers in axialer Richtung kürzer sind als der zylindrische Teil (B).

6. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der radiale Abstand zwischen Primär- und Sekundär spule (2a, 2b) in den am weitesten vom Zentrum (3) entfernten Bereichen Null ist und daß zumindest ein Teil der Windungen in diesem Bereich entfällt.

7. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärspule (2a) länger als die Primärspule (2b) ist.

8. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelkurven von Primär- und Sekundärspulen (2a, 2b) über einen azimutalen Rand der Gradientenspulenanordnung zwischen den Wickelflächen von Primär- und Sekundärspulen (2a, 2b) wechselt.

9. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie bezüglich des Zentrums (3) asymmetrisch aufgebaut ist und daß das Untersuchungsvolumen (4) an ein Ende der Gradienten spulenanordnung verschoben ist.

10. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen auf Bahnen verlaufen, die nach folgendem Verfahren bestimmt sind:

a) über die Träger von Primär- und Sekundärspule wird ein Gittermaschennetz gelegt
b) jede Gittermasche wird mit einer Elementsattelspule in Form einer geschlossenen Windung belegt;
c) das aus jeder Elementarsattelspule resultierende Magnet feld wird berechnet;
d) mittels eines Fit-Algorithmus wird aufgrund einer vorge gebenen Ziel-Feldverteilung für jede Elementarsattelspule eine Ampere-Windungszahl festgelegt;
e) für jeden Maschenzweig wird durch Addition benachbarter Maschenzweige eine Ampere-Windungszahl ermittelt;
f) längs eines geeigneten Weges wird bei vorgegebenem Strom bis zu jeweils ganzen Windungszahlen integriert und damit diskrete Leiterpositionen ermittelt, die als Stützpunkte für die Bahn des Leiters dienen.

11. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie so ausgelegt wird, daß die im Patientenraum auftretende maximale Flußdichte minimiert wird.

12. Gradientenspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Energie der Gradientenspulenanordnung minimiert wird.