DE10315539A1

DE10315539A1 - Gradientenspule

Info

Publication number: DE10315539A1
Application number: DE2003115539
Authority: DE
Inventors: Thomas Kolbeck; Johann Schuster; Lothar SCHÖN
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-10-28

Abstract

Gradientenspule, insbesondere für einen MRI-Scanner, mit mehreren Spulenleiterlagen und dazwischen angeordneten Isolationslagen und einem die Zwischenräume ausfüllenden Gießharz, wobei wenigstens eine, vorzugsweise mehrere, Isolationslagen Erhebungen aufweisen, zwischen denen Fließwege für das Gießharz gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gradientenspule, insbesondere für einen MRI-Scanner, mit mehreren Spulenleiterlagen und dazwischen angeordneten Isolationslagen und einem die Zwischenräume ausfüllenden Gießharz.
Der MRI-Scanner ist Bestandteil eines Magnetresonanztomographen, der in der Medizintechnik für vielfältige Untersuchungen einsetzbar ist. Die Gradientenspule des MRI-Scanners ist üblicherweise zylinderförmig oder besteht aus zwei scheibenförmigen Spulen. Sie besitzt drei Teilwicklungen, die ein dem jeweils eingeprägten Strom proportionales, räumlich jeweils zueinander senkrechtes Gradientenfeld erzeugen. Die drei getrennten Teilspulen der Gradientenspule werden als G_x, G_y und G_z bezeichnet, die von separaten Stromverstärkern angetrieben werden.

Gradientenspulen für MRI-Scanner sind so aufgebaut, dass die mehreren Spulenleiterlagen, insbesondere Lagen Kupferspulen, die zur Erzeugung der Magnetfelder erforderlich sind, durch dazwischen liegende Isolationslagen elektrisch voneinander isoliert werden. Nach dem Zusammenbau der Spule werden die Zwischenräume im Inneren der Spule mit einem Gießharz unter Vakuum ausgegossen. Für die Funktion der Gradientenspule ist es sehr wichtig, dass alle Zwischenräume fehlerfrei ausgefüllt werden. Verbleibende Lufteinschlüsse können wegen der zwischen den einzelnen Spulenebenen anliegenden elektrischen Spannungen zu Teilentladungen führen. Diese führen bei der Datenauswertung zu Störungen im Bild, im Extremfall können elektrische Durchschläge auftreten, die sogar eine Zerstörung der Spule zur Folge haben. Das Gießharz wird mit einem hohen Anteil Quarzmehl als inerter Füllstoff gemischt, um die mechanischen Eigenschaften des Gießharzes zu verbessern. Allerdings wird das Fließverhalten des Gießharzes durch den Füll stoff im Vergleich zum reinen Harz wesentlich verschlechtert. Dieser Effekt wird auch durch die Tatsache begünstigt, dass die Kupferspulen überwiegend flächig an den Isolationslagen anliegen, was das Fließen des Gießharzes in den Zwischenraum erschwert. Um dieses Problem zu vermeiden, wurden deshalb bisher zwischen die einzelnen Lagen der Kupferspulen und der Isolationslagen geeignete Abstandshalter gelegt, um den Fließweg für die Gießharzmasse in Fließrichtung offen zu halten. Als Abstandshalter werden beispielsweise miteinander verbundene Kunststoffstäbe verwendet. Es ist auch möglich, Kunststoffschnüre in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung um die Spule zu wickeln. Diese Kunststoffschnüre sind in regelmäßigen Abständen gequetscht, um den Fließweg für das aufsteigende Gießharz offen zu halten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, imprägnierte Glasgewebe beizulegen, deren Imprägnierung aus einem ausgehärteten Reaktionsharz oder einem thermoplastischen Kunststoff besteht. Der Fließweg für das Gießharz wird dabei über die Kreuzungspunkte der Faserrovings der Glasgewebe offen gehalten.

Beide Lösungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie lediglich bis zu einer Dicke von minimal 1 bis 2 mm angewendet werden können. Außerdem sind diese bekannten Lösungen mit einem erheblichen Montageaufwand verbunden, zusätzlich zu den nicht unerheblichen Materialkosten.

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Gradientenspule zu schaffen, die einfacher aufgebaut und mit einem geringeren Montageaufwand herstellbar ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Gradientenspule der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Isolationslagen Erhebungen aufweisen, zwischen denen Fließwege für das Gießharz gebildet sind.

Da wenigstens eine, vorzugsweise jedoch alle Isolationslagen Erhebungen aufweisen, entfällt der Arbeitsschritt des Montierens der Abstandshalter, so dass die erfindungsgemäße Gradientenspule mit einem verringerten Montageaufwand und damit kostengünstiger herstellbar ist. Zudem ergibt sich der Vorteil, dass die Erhebungen der Isolationslage besonders niedrig ausgeführt werden können, so dass ein besonders kompakter Aufbau der Gradientenspule möglich ist. Durch die Erhebungen wird ein gleichmäßiger Abstand zwischen den Isolationslagen und den Spulenleiterlagen eingestellt, so dass das Gießharz in alle Zwischenräume gelangen kann, die ohne Lufteinschlüsse ausgefüllt werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die Erhebungen der Isolationslagen in Längsrichtung der Spule angeordnet sind. Die Gradientenspule kann dann zum Vergießen senkrecht gestellt werden, so dass die Erhebungen parallel zur Fließrichtung des Harzes angeordnet sind.

Zweckmäßig weist die erfindungsgemäße Gradientenspule mehrere voneinander beabstandete Erhebungen auf, die in Umfangsrichtung der Spule angeordnet sind. Dadurch wird ein besonders gleichmäßiger Abstand zwischen den Isolationslagen und den Spulenleiterlagen erzielt, was sich sowohl auf die gewünschte gleichmäßige Verteilung des Gießharzes als auch auf die elektromagnetischen Eigenschaften vorteilhaft auswirkt.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass in Längsrichtung der Spule mehrere voneinander beabstandete Erhebungen auf den Isolationslagen angeordnet sind. Auf diese Weise kann das Gießharz durch die Lücken zwischen zwei längs auf der Spule angeordneten Erhebungen fließen, wodurch eine noch bessere Ausfüllung der Zwischenräume erreicht wird.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Erhebungen in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung der Spule zueinander versetzt angeordnet sind. Bei dieser Ausgestaltung der Erfin dung können die Erhebungen vergleichsweise klein ausgebildet sein. Da die Erhebungen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung der Spule versetzt angeordnet sind, kann die Gießharzmasse besonders leicht sämtliche Freiräume erreichen, auch wenn das Gießharz mit einem Quarzmehl eingedickt ist. Durch die besondere Anordnung der Erhebungen auf den Isolationslagen wird eine große Anzahl von Fließwegen für das Harz erzeugt. Die einzelnen Fließwege sind miteinander verbunden, so dass vorhandene Hohlräume in den meisten Fällen über mehrere Fließwege gefüllt werden können.

Es hat sich in der Praxis als besonders günstig herausgestellt, die Erhebungen auf den Isolationslagen der erfindungsgemäßen Gradientenspule raupenförmig auszubilden. Die raupenförmigen bzw. halbzylindrischen Erhebungen werden bevorzugt parallel zur Fließrichtung des Gießharzes, das heißt in Spulenlängsrichtung angeordnet. Auf diese Weise setzen sie dem flüssigen Harz nur einen minimalen Strömungswiderstand entgegen, was das Vergießen der Gradientenspule erleichtert.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen in den Isolationslagen kreisförmig oder viereckig ausgebildet sind. Mit dieser Variante lassen sich ähnlich gute Ergebnisse wie mit den halbzylinderförmigen Erhebungen erzielen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die vorgefertigten Isolationslagen gleichermaßen in Längs- oder Querrichtung verwendet werden können. Es kann auch vorgesehen sein, die Erhebungen kreuzförmig auszubilden. Derartige kreuzförmige Erhebungen ergeben einen besonders stabilen Aufbau.

Bei der erfindungsgemäßen Gradientenspule können die Erhebungen der Isolationslagen besonders einfach durch Aufbringen eines Reaktionsharzes hergestellt werden. Dabei kann es sich um dasselbe Harz handeln, aus dem auch die Isolationslagen hergestellt sind, alternativ kann jedoch auch jedes andere Reaktionsharz verwendet werden, das auf der Oberfläche der Isolationslage haftet. Es ist auch denkbar, die Erhebungen aus einem Schmelzkleber herzustellen.

Gemäß einer weiteren Alternative kann vorgesehen sein, dass die Erhebungen durch ein Siebdruck- oder Schablonendruckverfahren und anschließendes Aushärten herstellbar sind. Das Verfahren zur Herstellung dieser Isolationslagen mit den Erhebungen ist besonders gut automatisierbar.

Bei der erfindungsgemäßen Gradientenspule kann es auch vorgesehen sein, dass die Erhebungen durch ein Prägeverfahren herstellbar sind. Besonders geeignet ist für diesen Zweck ein Heißprägeverfahren. Vorzugsweise werden die Isolationslagen dabei aus einem unter Temperaturzufuhr verformbaren Kunststoffmaterial hergestellt. Die Erhebungen können dabei auch so in die Isolationslage eingeprägt werden, dass auf einer Seite die Erhebung und auf der anderen Seite eine Vertiefung entsteht. Die Erhebung dient wie zuvor beschrieben dazu, einen bestimmten Abstand zwischen der Isolationslage und den Spulenleiterlagen herzustellen, die Vertiefung auf der gegenüberliegenden Seite ist kein Nachteil, da diese von dem Gießharz ausgefüllt wird.

Mit besonderem Vorteil eignen sich duroplastische Materialien zur Herstellung der Isolationslagen für die erfindungsgemäße Gradientenspule, insbesondere Epoxydharze. Der Begriff „Duroplaste" ist dabei weit zu verstehen und umfasst auch glasfaserverstärkte Duroplaste, und sogenannte Prepregs, bei denen es sich um vorimprägnierte Fasergewebe oder -gelege handelt. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch ihre Temperaturfestigkeit und die guten mechanischen Eigenschaften aus. Gleichzeitig erfüllen sie die Anforderung hinsichtlich der elektrischen Isolationsfähigkeit.

Als alternatives Material zur Herstellung der Isolationslagen eignen sich auch Thermoplaste.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines besonders geeigneten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1a ein erstes Ausführungsbeispiel einer Isolationslage für eine erfindungsgemäße Gradientenspule mit zylinderförmigen Erhebungen in der Draufsicht;
1b eine Vorderansicht der in 1a gezeigten Isolationslage;
2a ein zweites Ausführungsbeispiel einer Isolationslage für eine erfindungsgemäße Gradientenspule mit kreisförmigen und viereckigen Erhebungen in einer Draufsicht;
2b eine Vorderansicht der in 2a gezeigten Isolationslage;
3 eine geschnittene Ansicht einer Isolationslage, die mit einer Kupferspule verpresst ist; und
4 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Gradientenspule in einer geschnittenen Ansicht, in der zwei mit Isolationslagen verpresste Kupferspulen dargestellt sind.
1a zeigt in einer Draufsicht eine Isolationslage 1, die aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. Dazu werden Glasfasergewebe mit einem Duroplast, nämlich einem Epoxydharz, getränkt und ausgehärtet. Die Isolationslage 1 besteht aus mehreren Einzelschichten, die in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sein können. Die Isolationslage 1 ist auf einer Seite mit raupenförmigen oder halbzylinderförmigen Erhebungen 2 versehen. Die Länge der Erhebungen 2 beträgt typischerweise mehrere Zentimeter, ihre Höhe kann 0,2–5 mm, bevorzugt 0,5–2 mm betragen. Diese Werte können in Abhängigkeit vom beabsichtigten Einsatzzweck auch abgewandelt werden. Die Herstellung der Erhebungen 2 kann mit allen gängigen Formgebungsverfahren für Kunststoffe erfolgen. Es ist möglich, zunächst die ebenen Isolationslagen 1 zu fertigen und anschließend ein Reaktionsharz raupenförmig auf die Isolationslage 1 aufzutragen, das vorzugsweise bei erhöhter Temperatur in kurzer Zeit ausgehärtet wird, so dass sich die Erhebungen 2 ergeben. Es ist jedoch auch möglich, die Erhebungen 2 integral mit der Isolationslage 1 herzustellen, beispielsweise, indem eine passende Negativform mit entsprechenden Vertiefungen für die Einbuchtungen verwendet wird. Alternativ können die Erhebungen 2 auch separat gefertigt und auf die Isolationslage 1 aufgeklebt werden.
Die einzelnen Erhebungen 2 sind sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung der Isolationslage 1 versetzt angeordnet. Auf diese Weise werden im eingebauten Zustand zwischen den Erhebungen sehr viele Fließwege für das Harz geschaffen, da das flüssige Harz nach dem Passieren einer Erhebung 2 praktisch in alle Richtungen fließen kann, so dass eventuell noch vorhandene Hohlräume zuverlässig aufgefüllt werden.
Am rechten Rand der Isolationslage 1 sind kreuzförmige Erhebungen 3 zu erkennen, die ebenfalls dazu dienen, einen bestimmten Abstand zwischen der Isolationslage 1 und einem anderen Bauteil, insbesondere einer Kupferspule zu erzeugen. Darüber hinaus erzeugen die kreuzförmigen Erhebungen 3 einen besonders stabilen Aufbau.
In 1b ist die Isolationslage 1 in einer Vorderansicht dargestellt. In dieser Ansicht ist besonders gut zu erkennen, dass bereits durch wenige Erhebungen 2 und 3 ein ausreichender Abstand zwischen der Isolationslage 1 und einem anderen Bauteil über die gesamte Breite der Isolationslage 1 erzeugt wird. Im Unterschied zu bekannten Gradientenspulen kann auf zusätzliche Abstandshalter oder Kunststoffschnüre verzichtet werden, die bisher verwendet wurden, um Fließwege für das Gießharz zu schaffen. Dadurch ergibt sich eine beträchtliche Arbeitsersparnis bei der Montage, da weniger Teile befestigt werden müssen, gleichzeitig erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass die Gradientenspule keine Fehlstellen, insbesondere keine Lufteinschlüsse aufweist.
2a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Isolationslage für eine Gradientenspule mit kreisförmigen und viereckigen Erhebungen.
Die Isolationslage 4 ist mit kreisförmigen Erhebungen 5 und viereckigen Erhebungen 6 versehen. Mit diesen Erhebungen 5, 6 kann der gleiche Effekt wie mit den zylinderförmigen Erhebungen erzielt werden, das heißt es wird ein definierter Abstand zwischen der Isolationslage 4 und einem anderen Bauteil, nämlich einer Kupferspule erzeugt. Die kreisförmigen Erhebungen 5 können auch aus einem Schmelzkleber hergestellt sein. Wie in der Ansicht von 2b zu erkennen ist, besitzen die Erhebungen 5, 6 etwa die gleiche Höhe wie die Erhebungen 2, 3 des ersten Ausführungsbeispiels.
3 ist eine geschnittene Ansicht und zeigt eine Isolationslage, die mit einer Kupferspule verpresst ist.
Die in 3 schematisch dargestellte Kupferspule 7 wird hergestellt, indem ein oder mehrere parallel geführte Kupferleiter mittels einer Vorrichtung gewickelt werden, wobei die Vorrichtung Vertiefungen oder Absteckbolzen entsprechend der gewünschten Wicklungsgeometrie aufweist. Anschließend werden die Erhebungen 9 auf der Isolationslage 8 erzeugt. Dabei kommen entweder die bereits beschriebenen Verfahren des Aufbringens von Harzraupen auf der Oberfläche der Isolierplatten oder das Umformen von Platten zur Anwendung. Alternativ ist es möglich, Platten mit entsprechenden Ausfräsungen zu verwenden, die beim Verpressen von Prepregs zu Laminaten verwendet werden. Das überschüssige Harz fließt aus den Prepregs in die Aussparungen und härtet dort fest verbunden mit dem Basismaterial aus. Ebenso wird ein Teil des Gewebematerials in die Aussparungen gepresst. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Erhebungen auf der Oberfläche mittels Siebdruck aufzubringen und anschließend auszuhärten.
Als Werkstoffe für die Isolationslagen kommen insbesondere Hartpapier- oder Hartgewebematerialien in Frage, es ist auch möglich, Thermoplastfolien oder -tafeln zu verwenden.
Nach dem Herstellen der Isolationslage 8 mit den Erhebungen 9 wird die Rückseite der Isolierplatte, das heißt diejenige Seite, die keine Erhebungen 9 aufweist, mit Klebstoff beschichtet. Diese mit Klebstoff versehene Isolationslage 8 wird mit der Klebstoffseite auf die Kupferspule 7 aufgelegt, so dass der Klebstoff die Kupferspule 7 mit der Isolationslage 8 verbindet. Anschließend werden die Kupferspule 7 und die Isolierlage 8 bei erhöhter Temperatur verpresst, die Presszeit wird dabei von der Reaktionszeit des verwendeten Klebstoffs bestimmt. Anschließend erhält man die in 3 gezeigte ebene Lage. Nach dem Entnehmen aus der Wickelplatte kann diese Lage bei ebenen Gradientenspulen unmittelbar verwendet werden.
Für zylindrische Gradientenspulen wird der aus der Isolationslage 8 und der Kupferspule 7 bestehende Verbund zu einem Halbzylinder gerollt. Eine derartige zylindrische Gradientenspule ist in 4 gezeigt.
4 zeigt in einer geschnittenen Ansicht einen Teil einer zu einem Halbzylinder gerollten zylindrischen Gradientenspule mit zwei Schichten, die jeweils aus einer Isolationslage und einer damit verpressten Kupferspule bestehen. Zwei derartige Spulen ergeben nach der Verschaltung eine Spulenlage in der Gradientenspule. Der Halbzylinder 10 besteht aus einer inneren Lage 11, die aus einer Kupferspule 7 und einer Isolationslage 8 besteht, sowie aus einer äußeren Lage 12, die ana log aufgebaut ist und aus einer Kupferspule 13 und einer Isolationslage 14 besteht. Dieser Aufbau ist schematisch zu verstehen, es handelt sich dabei um einen Grundaufbau, der um weitere Schichten oder elektrische Bauteile oder Verbindungen ergänzt sein kann. An die äußere Isolationslage 14 schließt sich eine Außenschicht 15 an, die aus einem Glasfasermaterial besteht.
Zum Vergießen wird der Halbzylinder 10 mit einem zweiten, nicht dargestellten baugleichen Halbzylinder zu einer zylindrischen Spule verbunden. Der Spulenkörper wird senkrecht gestellt und unter Vakuum mit einem Gießharz vergossen. Dabei wird das Gießharz von unten in den Spulenaufbau gepumpt und steigt dann allmählich im Inneren des Spulenkörpers hoch. Dabei gelangt das Harz durch die Zwischenräume 16, 17, die durch die Erhebungen 9 zwischen den Isolationslagen und den jeweils gegenüberliegenden Kupferspulen gebildet sind, in sämtliche Zwischenräume des Spulenkörpers, der vollständig mit Harz ausgefüllt wird.
Die auf diese Weise hergestellte Gradientenspule besitzt einen kompakteren Aufbau und benötigt weniger Fertigungsschritte in der Herstellung.

Claims

Gradientenspule, insbesondere für einen MRI-Scanner, mit mehreren Spulenleiterlagen und dazwischen angeordneten Isolationslagen und einem die Zwischenräume ausfüllenden Gießharz, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, vorzugsweise mehrere Isolationslagen (1, 4, 8, 10) Erhebungen (2, 3, 5, 6, 9) aufweisen, zwischen denen Fließwege für das Gießharz gebildet sind.
Gradientenspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Isolationslagen (1, 4, 8, 10) in Umfangsrichtung und/oder in Längsrichtung der Spule mehrere voneinander beabstandete Erhebungen (2, 3, 5, 6, 9) angeordnet sind.
Gradientenspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (2, 3, 5, 6, 9) in Längsrichtung und/oder in Umfangsrichtung der Spule zueinander versetzt angeordnet sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (2) der Isolationslagen (1) raupenförmig oder halbzylinderförmig ausgebildet sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (5, 6) der Isolationslagen (4) kreisförmig oder viereckig ausgebildet sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (3) der Isolationslagen (1) kreuzförmig ausgebildet sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (2, 3, 5, 6, 9) der Isolationslagen (1, 4, 8, 10) durch Aufbringen eines Reaktionsharzes oder eines Schmelzklebers hergestellt sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (2, 3, 5, 6, 9) der Isolationslagen (1, 4, 8, 10) durch ein Siebdruck- oder Schablonendruckverfahren und anschließendes Aushärten hergestellt sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (2, 3, 5, 6, 9) der Isolationslagen (1, 4, 8, 10) durch ein Prägeverfahren hergestellt sind.
Gradientenspule nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (2, 3, 5, 6, 9) der Isolationslagen (1, 4, 8, 10) durch ein Heißprägeverfahren hergestellt sind.
Gradientenspule nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationslagen (1, 4, 8, 10) aus einem Thermoplast hergestellt sind.
Gradientenspule nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationslagen (1, 4, 8, 10) aus einem Duroplast hergestellt sind.