DE10101071C2

DE10101071C2 - Magnetresonanzgerät mit einem Gradientenspulensystem mit Versteifungselementen

Info

Publication number: DE10101071C2
Application number: DE10101071A
Authority: DE
Inventors: Rainer Kuth
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2021-01-12
Also published as: US20020121956A1; US6853282B2; DE10101071A1

Abstract

Das Gradientenspulensystem (20) für ein Magnetresonanzgerät umfasst länglich ausgebildete Versteifungselemente (31 bis 34), die im Gradientenspulensystem (20) derart ungleichmäßig angeordnet sind, dass wenigstens eine bei Betrieb des Magnetresonanzgeräts anregbare Schwingungsform des Gradientenspulensystems (20) reduziert ist.

Description

Die Magnetresonanztechnik ist eine bekannte Technik zum Ge winnen von Bildern eines Körperinneren eines Untersuchungsob jekts. Dazu werden in einem Magnetresonanzgerät einem stati schen Grundmagnetfeld, das von einem Grundfeldmagnetsystem erzeugt wird, schnell geschaltete Gradientenfelder überla gert, die von einem Gradientenspulensystem erzeugt werden. Ferner umfasst das Magnetresonanzgerät ein Hochfrequenzsys tem, das zum Auslösen von Magnetresonanzsignalen Hochfre quenzsignale in das Untersuchungsobjekt einstrahlt und die erzeugten Magnetresonanzsignale aufnimmt, auf deren Basis Magnetresonanzbilder erstellt werden.

Zum Erzeugen von Gradientenfeldern sind in Gradientenspulen des Gradientenspulensystems entsprechende Ströme einzustel len. Dabei betragen die Amplituden der erforderlichen Ströme bis zu mehreren 50 A. Die Stromanstiegs- und -abfallraten betragen bis zu mehreren 50 kA/s. Auf diese sich zeitlich verändernden Ströme in den Gradientenspulen wirken bei vor handenem Grundmagnetfeld in der Größenordnung von 1 T Lo rentzkräfte, die zu Schwingungen des Gradientenspulensystems führen. Bei einem in etwa hohlzylinderförmig ausgebildeten Gradientenspulensystem ist dabei in der Regel eine Biege schwingung des Gradientenspulensystems dominant. Die Schwin gungen werden über verschiedene Ausbreitungswege an die Ober fläche des Geräts weitergegeben. Dort werden diese Mechanik schwingungen in Schallschwingungen umgesetzt, die schließlich zu an sich unerwünschtem Lärm führen.

Eine Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Magnetresonanztech nik, unter anderem zum Verkürzen von Messzeiten, ist mit schnellen Pulssequenzen verbunden. Diese bedingen hohe Strom amplituden sowie große Stromanstiegs- und -abfallraten in den Gradientenspulen. Diese großen Gradientenspulenströme führen über starke Lorentzkräfte ohne gegensteuernde Maßnahmen zu einem sehr großen Lärm. Die schnellen Pulssequenzen steuern rasche und häufige Wechsel der Stromrichtung in den Gradien tenspulen. Dadurch verlagern sich die dominanten spektralen Anteile der Gradientenspulenströme zu höheren Frequenzen. Hat dabei einer dieser Anteile die gleiche Frequenz wie eine Ei genfrequenz des Gradientenspulensystems, so ist die Schwin gungsanregung des Gradientenspulensystems maximal und der verursachte Lärm sehr groß. Dabei ist eine derartige Anregung bei den schnellen Pulssequenzen wahrscheinlicher als bei langsameren.

Beispielsweise mit einer Erhöhung der Steifigkeit des Gra dientenspulensystems kann man auf die hohen Gradientenspulen ströme bei den schnellen Pulssequenzen reagieren. In der DE 198 56 802 A1 ist eine Versteifung des gesamten Gradienten spulensystems beschrieben. Dazu ist zwischen den Gradienten spulen auf der einen Seite und den Abschirmspulen auf der anderen Seite ein Segmentkäfig angeordnet, der in eine Ver gussmasse des Gradientenspulensystems eingebettet ist und aus vorzugsweise axial durchgehenden Kunststoffprofilen ausgebil det ist, die zweckmäßigerweise aus faser- oder gewebever stärktem Kunststoff bestehen können. Dabei können die Kunst stoffprofile gegebenenfalls punktuell durch integrierte Fa serbündel oder Matten verstärkt sein, wobei als Fasern Kohle fasern, Glasfasern oder Kevlar eingesetzt werden können, wäh rend die Matrix der Kunststoffprofile aus Epoxyharz, Polyes ter, Vinylester oder anderen thermoplastischen Werkstoffen bestehen kann.

Bei einer Versteifung des kompletten Gradientenspulensystems bringt eine Verdoppelung der Steifigkeit lediglich eine Erhö hung der Eigenfrequenzen um den Faktor ca. 1,4. Da bereits heute das Gradientenspulensystem ein sehr steifes Element ist, sind der Vergrößerung der Steifigkeit des Gradientenspulensystems als Ganzes technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt.

Des weiteren sind aus der DE 44 32 747 A1 und der DE 198 29 296 A1 dem Gradientenspulensystem zugeordnete Aktoren, insbe sondere beinhaltend elektrostriktive Elemente, bekannt, deren Verformung derart steuerbar ist, dass bei Betrieb des Magnet resonanzgeräts auftretenden Verformungen des Gradientenspu lensystems aktiv gegengesteuert werden kann. Dabei werden die elektrostriktiven Elemente durch eine an sie angelegte elekt rische Spannung entsprechend gesteuert.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein in seinem Lärmverhal ten verbessertes Gradientenspulensystem zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen be schrieben.

Ein Gradientenspulensystem für ein Magnetresonanzgerät gemäß Anspruch 1 umfasst länglich ausgebildete Versteifungselemen te, die im Gradientenspulensystem derart ungleichmäßig ange ordnet sind, dass wenigstens eine bei Betrieb des Magnetreso nanzgeräts anregbare Schwingungsform des Gradientenspulensys tems reduziert ist.

Dadurch ist zur Lärmreduzierung eine volumen- und kostenauf wändige Versteifung des gesamten Gradientenspulensystems ver zichtbar. Durch die ungleichmäßige Anordnung von Verstei fungselementen im Gradientenspulensystem wird durch die le diglich partielle Versteifung des Gradientenspulensystems, die auf bei Betrieb des Magnetresonanzgeräts anregbare Schwingungen des Gradientenspulensystems abgestimmt ist, bei geringem Materialeinsatz eine hohe lärmreduzierende Wirkung erreicht. Dabei sind bei einem vergossenen Gradientenspulen system die Versteifungselemente derart gewählt, dass sie eine deutlich höhere Zugfestigkeit als eine Vergussmatrix aufwei sen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist wenigstens eines der Versteifungselemente eine mechanische Vorspannung auf, die beispielsweise durch einen entsprechenden Einbau des vor gespannten Versteifungselements erzielbar ist und/oder we nigstens einem der Versteifungselemente ist eine Vorrichtung zum steuerbaren Einstellen einer mechanischen Spannung des Versteifungselements zugeordnet. Dadurch sind die Schwingun gen des Gradientenspulensystems hinsichtlich Schwingungsfor men und Schwingungsfrequenzen derart gestaltbar, dass die Schwingungen in hohem Maße vom Gradientenspulensystem, insbe sondere der Vergussmatrix, absorbiert werden, beispielsweise indem sich asymmetrische Restschwingungen ergeben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist bei einem im We sentlichen rotationssymmetrischen Gradientenspulensystem we nigstens eines der Versteifungselemente einen Längsverlauf auf, der wenigstens eine zur Rotationsachse parallele Gerade schneidet. Dadurch sind ähnliche Effekte wie bei vorgenannter vorteilhafter Ausgestaltung erzielbar bzw. verstärkbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Verstei fungselemente Fasern und/oder Faserbündel, insbesondere aus Glas-, Kohle- und/oder Aramidfasern. Insbesondere bei einer starken Dehnung der Fasern verhalten sich die Fasern nicht entsprechend dem Hookeschen Gesetz, womit beispielsweise durch eine mechanische Spannung der Fasern Betriebspunkte im Kraft-Weg-Diagramm der Fasern einstellbar sind, die vorge nannte Effekte begünstigen. Bei einer Verwendung von Kohlefa sern ist aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit auf eine elektromagnetische Verträglichkeit mit der Magnetresonanzbil derzeugung zu achten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungs beispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Magnetresonanzgerät,

Fig. 2 eine Schicht eines hohlzylinderförmigen Gradienten spulensystems des Magnetresonanzgeräts und

Fig. 3 eine Anordnung von Versteifungselementen innerhalb des hohlzylinderförmigen Gradientenspulensystems.

Die Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein Mag netresonanzgerät. Dabei umfasst das Magnetresonanzgerät zum Erzeugen eines wenigstens innerhalb eines Abbildungsvolumens 19 möglichst homogenen statischen Grundmagnetfeldes B₀ ein Grundfeldmagnetsystem 11. Des weiteren umfasst das Magnetre sonanzgerät zum Erzeugen von Gradientenfeldern ein Gradien tenspulensystem 20. Eine verfahrbare Lagerungsvorrichtung 13 des Geräts dient unter anderem dazu, einen abzubildenden Be reich eines auf der Lagerungsvorrichtung 13 gelagerten Unter suchungsobjekts im Abbildungsvolumen 19 zu positionieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind weitere Komponenten des Geräts, beispielsweise ein Hochfrequenzsystem, nicht darge stellt.

Das Gradientenspulensystem 20 ist im Wesentlichen hohlzylin derförmig ausgebildet und beinhaltet unter anderem eine lon gitudinale Gradientenspule zum Erzeugen eines magnetischen Gradientenfeldes mit einem Gradienten in Richtung des Grund magnetfeldes B₀, zwei transversale Gradientenspulen zum Er zeugen von magnetischen Gradientenfeldern mit Gradienten senkrecht zum Grundmagnetfeld B₀, Kühleinrichtungen, Shim- Einrichtungen und den jeweiligen Gradientenspulen zugehörige Abschirmspulen.

Die Fig. 2 zeigt eine hohlzylinderförmige Schicht 21 des Gradientenspulensystems 20, innerhalb derer eine der trans versalen Gradientenspulen angeordnet ist. Die transversale Gradientenspule umfasst dabei vier sattelförmig ausgebildete Teilspulen 22 bis 25, beispielsweise in einer Ausführungsform als sogenannte Fingerprint-Spulen. Ein Verlauf eines Leiters der Teilspulen 22 bis 25 ist lediglich skizzenhaft umrissen und mit exemplarisch wenigen Windungen dargestellt. Bei Be trieb der transversalen Gradientenspule werden die Teilspulen 22 bis 25 von einem gleichen Strom I durchflossen, dessen Zählrichtung durch entsprechende Pfeile je Windung der Teilspulen 22 bis 25 angegeben ist. Für die sattelförmigen Teilspulen 22 bis 25 sind zwei Sattelrückenlinien 26 und 27 eingezeichnet. Bei vorhandenem Grundmagnetfeld B₀ und strom durchflossener Gradientenspule wirken auf Abschnitte des Lei ters der Teilspulen 22 bis 25 Lorentzkräfte F, die in Leiter abschnitten, die senkrecht zum Grundmagnetfeld B₀ verlaufen, maximal sind. Auf Leiterabschnitte, die im wesentlichen pa rallel zum Grundmagnetfeld B₀ verlaufen, wirken keine Lo rentzkräfte F. Dies heißt, dass die maximalen Lorentzkräfte F in etwa entlang der Sattelrückenlinien 26 und 27 wirken. Die se sind in Fig. 2 durch entsprechende Pfeile gekennzeichnet. Aufgrund des sich zeitlich verändernden Stromes I bewirken vorgenannte Lorentzkräfte F unter anderem eine Biegeschwin gung des Gradientenspulensystems 20 längs einer Hohlzylinder hauptachse 17.

Vorausgehend Beschriebenes gilt in entsprechender Weise auch für die weitere transversale Gradientenspule, die bezüglich vorausgehend beschriebener transversaler Gradientenspule identisch aufgebaut ist und in einer über oder unter der Schicht 21 angeordneten hohlzylinderförmigen Schicht in Umfangsrichtung des Gradientenspulensystems 20 lediglich um 90° verdreht angeordnet ist.

Die Fig. 3 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht das Gradientenspulensystem 20 des Magnetresonanzgeräts mit länglich ausgebildeten Ver steifungselementen 31 bis 34. Die Versteifungselemente 31 bis 34 sind dabei in Umfangsrichtung des Gradientenspulensystems 20 derart heterogen verteilt angeordnet sind, dass wenigstens die Biegeschwingung des Gradientenspulensystems 20 reduziert ist. Neben den Sattelrückenlinien 26 und 27 der in der Fig. 2 dargestellten transversalen Gradientenspule sind auch die Sattelrückenlinien 28 und 29 der weiteren transversalen Gra dientenspule eingezeichnet. Im Wesentlichen in den Bereichen um die Sattelrückenlinien 26 bis 29 herum sind Versteifungs elemente in der Ausbildung als Fasern oder Faserbündel aus Kohle-, Glas- und/oder Aramidfasern in das vergossene Gra dientenspulensystem 20 mit eingegossen.

Die um die Sattellinie 27 herum angeordneten Versteifungsele mente 33 und 34 sind dabei im wesentlichen parallel zur Sat telrückenlinie 27 bzw. zur Hohlzylinderhauptachse 17 angeord net. Die um die Sattellinie 26 herum angeordneten Verstei fungselemente 31 und 32 weisen dagegen einen Längsverlauf auf, der die Sattelrückenlinie 26 bzw. wenigstens eine zur Hohlzylinderhauptachse 17 parallele Gerade schneidet. Das Versteifungselement 32 ist dabei an den Stirnseiten des Gra dientenspulensystems 20 aus einer Vergussmatrix des Gradien tenspulensystems 20 herausgeführt. An einer Stirnseite ist das Versteifungselement 32 dabei durch ein lochscheibenartig ausgebildetes aktives Element 43, beispielsweise ein piezo elektrisches Element, und einen lochscheibenartigen Flansch 53 geführt, wobei das Ende des Versteifungselements 32 derart verdickt ausgebildet ist, dass es auch unter einer entspre chenden Zugbelastung nicht durch die Öffnung des Flansches 53 ziehbar ist. Das aktive Element 43 ist dabei als Sensor und/oder Aktor betreibbar. Beim sensorischen Betrieb ist über eine entsprechende Dehnung bzw. Stauchung des aktiven Ele ments 43 die mechanische Spannung des Versteifungselements 32 erfassbar, womit beispielsweise für einen zeitlich nachfol genden Schwingungszyklus optimale mechanische Spannungen des Versteifungselements 32 und/oder 31 ermittelbar sind. Beim aktorischen Betrieb kann durch ein entsprechendes Steuern der Verformung des aktiven Elements 43 die mechanische Spannung des Versteifungselements 32 geändert werden. Dies kann auch dynamisch während einem Betrieb des Gradientenspulensystems 20 durchgeführt werden. An der anderen Stirnseite ist das Versteifungselement 32 unter Verzicht eines aktiven Elements lediglich durch einen lochscheibenartigen Flansch 54 geführt. Das Versteifungselement 31 weist gegenüber dem Versteifungs element 32 an beiden Stirnseiten aktive Elemente 41 und 42 auf, wobei die aktiven Elemente 41 und 42 wiederum als Sensor und/oder Aktor betreibbar sind.

Entsprechend den um die Sattelrückenlinien 26 und 27 herum angeordneten Versteifungselementen 31 bis 34 sind weitere Versteifungselemente um die Sattelrückenlinien 28 und 29 der weiteren transversalen Gradientenspule herum angeordnet, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in Fig. 3 nicht darge stellt sind. Ferner werden in einer Ausführungsform beim Her stellen des Gradientenspulensystems 20 die Versteifungsele mente 31 bis 34 mit einer festen mechanischen Vorspannung eingegossen.

Claims

1. Gradientenspulensystem (20) für ein Magnetresonanzgerät, wobei das Gradientenspulensystem (20) länglich ausgebilde te Versteifungselemente (31 bis 34) umfasst, die im Gradien tenspulensystem (20) derart ungleichmäßig angeordnet sind, dass wenigstens eine bei Betrieb des Magnetresonanzgeräts anregbare Schwingungsform des Gradientenspulensystems (20) reduziert ist.

2. Gradientenspulensystem (20) nach Anspruch 1, wobei das Gradientenspulensystem (20) vergossen ist und wenigstens ein Abschnitt eines der Versteifungselemente (31 bis 34) mit ver gossen ist.

3. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei wenigstens eines der Versteifungselemente (31 bis 34) eine Faser oder ein Bündel von Fasern umfasst.

4. Gradientenspulensystem (20) nach Anspruch 3, wobei we nigstens eine der Fasern als eine Glas-, Kohle- oder Aramid faser ausgebildet ist.

5. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei wenigstens eines der Versteifungselemente (31 bis 34) eine mechanische Vorspannung aufweist.

6. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei wenigstens einem der Versteifungselemente (31, 32) eine Vorrichtung (41 bis 43) zum steuerbaren Einstellen einer mechanischen Spannung des Versteifungselements (31, 32) zugeordnet ist.

7. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei wenigstens einem der Versteifungselemente (31, 32) eine weitere Vorrichtung (41 bis 43) zum Erfassen einer mechanischen Spannung des Versteifungselements (31, 32) zuge ordnet ist.

8. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei wenigstens eine der Vorrichtungen (41 bis 43) ein piezoelektrisches oder elektrostriktives Element um fasst.

9. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei wenigstens eine der Vorrichtungen (41 bis 43) an wenigstens einem Längsende wenigstens eines der Versteifungs elemente (31, 32) angeordnet ist.

10. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gradientenspulensystem (20) in etwa rota tionssymmetrisch ausgebildet ist.

11. Gradientenspulensystem (20) nach Anspruch 10, wobei die Versteifungselemente (31 bis 34) auf einem geschlossenen Umlauf in Rotationsrichtung ungleichmäßig angeordnet sind.

12. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei wenigstens eines der Versteifungselemente (31 bis 34) einen Längsverlauf aufweist, der das Gradienten spulensystem (20) in Rotationsachsenrichtung durchsetzt.

13. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei wenigstens eines der Versteifungselemente (33, 34) einen Längsverlauf parallel zur Rotationsachse (17) aufweist.

14. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei wenigstens eines der Versteifungselemente (31, 32) einen Längsverlauf aufweist, der wenigstens eine zur Rotationsachse (17) parallele Gerade schneidet.

15. Gradientenspulensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Gradientenspulensystem (20) in etwa hohlzylinderförmig ausgebildet ist.