DE19920085C2 - Elektrische Anordnung zum Betrieb einer Gradientenspule mit mehreren Netzgeräten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung mit einer Gradientenspule zum Erzeugen zeitlich schnell veränderlicher magnetischer Gradientenfelder im Arbeitsvolumen einer Magnetresonanzapparatur mit einem in Windungen auf der Oberfläche eines geometrischen Körpers geführten Strompfad, dessen geometrischer Verlauf den gewünschten räumlichen Verlauf des Magnetfelds dieser Gradientenspule im Arbeitsvolumen zur Folge hat, sowie mit N Stromversorgungs-Netzgeräten, die mit einem analogen oder digitalen Ansteuerungssignal ansteuerbar sind und jeweils einen zum Ansteuerungssignal proportionalen, zeitlich veränderlichen, geregelten elektrischen Strom erzeugen können, wobei der Strompfad in mehrere parallel zueinander geführte, voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen unterteilt ist, die einen bifilar oder multifilar gewickelten Transformator bilden, wobei die Induktivitäten der verschiedenen Leiterbahnen untereinander sowie die Gegeninduktivitäten untereinander näherungsweise denselben Wert L besitzen (L = Mittelwert der Induktivitäten), wobei die Enden der Leiterbahnen in der Weise an je ein Stromversorgungs-Netzgerät angeschlossen sind und die Stromversorgungs-Netzgeräte in der Weise mit Ansteuerungssignalen angesteuert werden können, daß sie in die Leiterbahnen zu jedem Zeitpunkt näherungsweise denselben Strom einspeisen.

Eine elektrische Anordnung mit diesen Merkmalen ist beispielsweise aus der DE 39 07 141 C2 bekannt.

Ein wesentlicher Bestandteil von Magnetresonanz(= NMR)-Apparaturen, die in der Regel für die Tomographie, teilweise aber auch zur Spektroskopie eingesetzt werden, ist ein System von üblicherweise drei aus mehreren Teilspulen bestehenden Gradientenspulen, die unabhängig voneinander mit Strömen unterschiedlicher Stärke gespeist werden. Diese Gradientenspulen haben die Aufgabe, dem in Richtung einer z-Achse gerichteten homogenen Magnetfeld B0z des Hauptfeldmagneten der NMR-Apparatur räumlich konstante Magnetfeldgradienten mit einstellbarer Stärke zu überlagern, wobei die Richtung eines dieser Gradienten (dBz/dz) in der Regel parallel zur Richtung des homogenen Grundfeldes B0z (z-Gradient = Axial-Gradient), und die Richtungen der beiden anderen Gradienten (dBz/dx, dBz/dy) dazu und zueinander orthogonal transversal zur Richtung des Grundfeldes verlaufen (x- und y-Gradienten = Transversal-Gradienten). Die Stärke des Gradientenfeldes wird mit g (g = dBz/dr, r = x oder y oder z) bezeichnet. Der räumliche Bereich, in dem das Magnetfeld dieser Gradientenspulen näherungsweise linear verläuft, kann für ortsauflösende NMR-Verfahren (Bildgebung, ortsselektive Spektroskopie) genutzt werden, sofern dieser Bereich nicht durch Inhomogenitäten des Grundfeldes weiter eingeschränkt wird.

Ein weiterer wesentlicher Bestandteil einer Magnetresonanzapparatur ist das Stromversorgungs-Netzgerät für die Gradientenspulen. Dieses hat die Aufgabe, in eine Gradientenspule einen in weiten Grenzen beliebig vorgebbaren elektrischen Strom I als Funktion der Zeit t präzise einzuspeisen. Der Verlauf des elektrischen Stroms als Funktion der Zeit wird in der Regel durch ein analoges oder digitales Ansteuerungssignal vorgegeben, das als Führungsgröße für einen Regelkreis dient, bei dem der elektrische Strom entsprechend dem zeitlichen Verlauf dieser Führungsgröße geregelt wird. Besonders vorteilhafte Stromversorgungs-Netzgeräte für diese Anwendungen mit besonders kleinen elektrischen Verlustleistungen sind als getaktete Schaltnetzgeräte aufgebaut und beispielsweise in der Druckschrift DE 40 07 566 A1 beschrieben. Dabei wird die Gradientenspule als weitgehend induktive Last mit einem als Schalter S wirkenden Transistor an eine elektrische Spannungsquelle mit konstanter Spannung U angeschlossen und wird so schnell geladen. Bei geöffnetem Schalter S entlädt sich die Spule langsam über eine zur Spule parallelgeschaltete Freilaufdiode D, d. h. der Strom in der Spule bleibt bei kurzen Öffnungszeiten des Schalters weitgehend konstant. Die Stromregelung erfolgt hauptsächlich über die Einstellung der Taktzeiten, mit denen der Schalter geschlossen bzw. geöffnet ist.

Die Eigenschaften einer Magnetresonanzapparatur werden umso besser, je größer die mit den drei Gradientenspulen erreichbaren maximalen Gradientenstärken gmax sind und je größer außerdem die erreichbare maximale Änderung der Gradientenstärke dg pro Zeiteinheit dt, (dg/dt)max, ist. Beide Eigenschaften werden zweckmäßigerweise als Produkt in der dynamischen Kennzahl kdyn = gmax . (dg/dt)max zusammengefasst.

Die Gradientenspulen können beispielsweise als x-, y- und z-Spulen auf Zylinderoberflächen für konventionelle Tomographiemagnete oder als Gradientenspulen für die gradientenverstärkte (gradient accelerated) NMR-Spektroskopie ausgeführt sein. Daneben sind aber auch ebene Gradientenplatten für Polschuhmagnete in der NMR-Tomographie bekannt. Hinsichtlich weiterer Möglichkeiten der geometrischen Ausgestaltung von Gradientenspulen wird hiermit vollinhaltlich auf die DE 195 45 222 A1 und DE 44 21 335 A1, wo der räumliche Aufbau von Gradientenspulen ausführlich beschrieben ist, bezug genommen.

Ein besonders vorteilhaftes Gradientenspulensystem, bei dem einerseits die Induktivität L unter vorgebbaren Randbedingungen und daneben auch zusätzlich technisch relevante Parameter der Magnetspulenanordnung, wie beispielsweise Stromdichteverteilungen, Abschirmeffekt etc. unabhängig voneinander optimiert werden können, ist in der DE 42 10 217 A1 beschrieben. Der Abschirmeffekt beschreibt die Eigenschaft hochwertiger Gradientenspulen, im Bereich des Hauptfeldmagneten minimale oder theoretisch verschwindende magnetische Streufelder zu erzeugen. Dies bietet den Vorteil, daß bei der Erzeugung zeitlich schnell veränderlicher Gradientenfelder mit diesen Gradientenspulen in der metallischen Struktur des Hauptfeldmagneten keine Wirbelströme induziert werden, deren zusätzliches Magnetfeld sich dem Magnetfeld der Gradientenspule überlagert und damit in störender Weise verzerrt.

Ein gemeinsames Merkmal aller hier genannten Gradientenspulen besteht darin, daß sie, um den in der Regel gewünschten räumlich symmetrischen Magnetfeldstärkeverlauf zu erzeugen, aus einer geraden Anzahl von mindestens zwei symmetrisch zueinander angeordneten Teilspulen aufgebaut sind. Diese Teilspulen lassen sich grundsätzlich durch zwei Symmetrieoperationen, nämlich die Spiegelung an einer Ebene oder durch Drehung um eine Achse um 180 Grad aufeinander abbilden. Die beispielsweise aus der DE 42 10 217 A1 bekannten Transversalgradientenspulen bestehen aus vier derartigen auf der Oberfläche eines Kreiszylinders angeordneten Teilspulen, die aus der DE 41 42 263 A1 bekannten Transversalgradientenspulen bestehen aus zwei auf der Oberfläche eines Kreiszylinders angeordneten Teilspulen. Axialgradientenspulen sowie Spulen zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds bestehen in der Regel aus zwei auf der Oberfläche eines Kreiszylinders angeordneten Teilspulen. Die aus der DE 196 20 926 A1 bekannten Transversalgradientenspulen bestehen aus zwei in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Teilspulen.

In vielen Fällen ist eine Gradientenspule aus einer einzigen Leiterbahn entlang dem in Windungen auf der Oberfläche eines geometrischen Körpers geführten Strompfad aufgebaut, an die ein einziges Stromversorgungs-Netzgerät angeschlossen ist. Für die dynamischen Leistungsdaten einer solchen Anordnung gilt dann:

gmax = g0 . Imax

(dg/dt)max = (g0/L) . Umax

kdyn = (g0 . g0/L) . Imax . Umax

g0: Gradientenstärke pro Stromstärkeeinheit (normierte Gradientenstärke)
L: Induktivität der Spule
Imax: Maximale Stromstärke des Stromversorgungs-Netzgeräts
Umax: Maximale elektrische Spannung des Stromversorgungs-Netzgeräts

Bei vorgegebenen Leistungsdaten des Stromversorgungs-Netzgeräts, Imax und Umax, kann nun beispielsweise die maximale Gradientenstärke gmax in weiten Grenzen durch einen Aufbau der Gradientenspule mit mehr oder weniger Windungen eingestellt werden, weil die normierte Gradientenstärke proportional zur Windungszahl W des Strompfades ist. Da die Induktivität L jedoch umgekehrt proportional zum Quadrat der Windungszahl W ist, ist jedoch eine Erhöhung der maximalen Gradientenstärke gmax mit einer entsprechenden Reduzierung der maximalen zeitlichen Änderung der Gradientenstärke (dg/dt)max verbunden.

Die dynamische Kennzahl kdyn bleibt auf diese Weise unverändert. Die dynamische Kennzahl kdyn läßt sich durch die Maximierung der Kenngröße der Gradientenspule (g0 . g0 /L) durch die Details des geometrischen Verlaufs des Strompfades ebenfalls maximieren. Methoden dafür sind beispielsweise in der bereits genannten DE 42 10 217 A1 beschrieben. Eine weitere Vergrößerung der dynamischen Kennzahl kdyn ist nur durch eine Vergrößerung der Leistungszahlen Imax und Umax des Stromversorgungs-Netzgeräts möglich. Diese Leistungszahlen unterliegen jedoch ebenfalls technischen Grenzen. Typische Leistungszahlen moderner getakteter Schaltnetzgeräte liegen bei Imax = 600 A und Umax = 400 V.

Um die dynamischen Kennzahlen kdyn weiter zu verbessern, könnte man prinzipiell mehrere Stromversorgungs-Netzgeräte verwenden und elektrisch in Reihe oder parallel schalten. Jedoch dürfen die Ausgänge getakteter Schaltnetzgeräte aufgrund ihrer Arbeitsweise prinzipiell nicht galvanisch miteinander verbunden sein. Eine Lösungsmöglichkeit ist prinzipiell durch die in der US-4,928,063 beschriebenen elektrischen Anordnung gegeben. Bei dieser bekannten Anordnung ist die Gradientenspule in mehrere sich aus der üblicherweise hohen Symmetrie ergebende räumlich voneinander beabstandete Teilspulen mit jeweils einer Leiterbahn unterteilt, wobei die Leiterbahnen der verschiedenen Teilspulen voneinander galvanisch getrennt sind und jeweils an ein Stromversorgungs-Netzgerät angeschlossen sind, wobei die Stromversorgungs-Netzgeräte in die jeweils angeschlossenen Teilspulen Ströme mit identischem Strom-Zeit-Verlauf einspeisen sollen.

Probleme ergeben sich dabei jedoch, wenn die zeitlichen Verläufe der elektrischen Ströme der Stromversorgungs-Netzgeräte beispielsweise aus Gründen der nicht perfekten Stromregelung nicht völlig identisch sind, weil die einzelnen Teilspulen im Arbeitsvolumen jeweils Magnetfelder erzeugen, deren Geometrie sich völlig von der angestrebten, durch einen räumlich konstanten Gradienten gekennzeichneten Geometrie unterscheidet und nur die Überlagerung der einzelnen Magnetfelder im Falle gleicher Stärke, d. h. gleicher Stromstärke, die angestrebte Geometrie des Magnetfelds mit konstantem Gradienten ergibt. Im Falle nicht exakt gleicher Ströme in den Teilspulen entstehen also magnetische Störfelder mit Geometrien, die von der angestrebten Geometrie abweichen und die Funktion der Magnetresonanzapparatur beeinträchtigen oder sogar verhindern.

Aus der eingangs zitierten DE 39 07 141 C2 ist eine Kernresonanz-Abbildungsvorrichtung bekannt, welche es ermöglichen soll, die Feldgradienten-Erzeugungsspulen in x- und y- Richtung derart anzuordnen und zu betreiben, dass in einfacher Weise auch ein Ausfall von Einheitsspulen kompensiert werden kann. Dabei sollen die stromtragenden Leiterbahnen stark miteinander verkoppelt sein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demgegenüber, eine elektrische Anordnung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen dahingehend weiter zu entwickeln, dass mit möglichst einfachen Mitteln und in betriebssicherer Weise eine Entkopplung der parallel geführten Leiterbahnen der Gradientenspule bewirkt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Anzahl von N - 1 Transformatoren mit je zwei gleichartigen, vorzugsweise bifilaren Wicklungen mit jeweils näherungsweise gleichen Induktivitäten und Gegeninduktivitäten innerhalb eines Transformators vorgesehen ist und jede Leiterbahn der Gradientenspule mit einer Wicklung mindestens eines Transformators elektrisch in Reihe geschaltet ist und die beiden Wicklungen jedes Transformators bei gleichsinnigen Strömen in den jeweils mit den Wicklungen in Reihe geschalteten Leiterbahnen von gegenläufigen Strömen durchflossen werden.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erzeugt jede der parallel geführten Leiterbahnen für sich allein im Arbeitsvolumen ein Magnetfeld mit dem gewünschten räumlichen Verlauf. Geringfügig unterschiedliche Ströme in verschiedenen Leiterbahnen haben also kein magnetisches Störfeld mit einem räumlichen Verlauf zur Folge, der von dem bei der Gradientenspule angestrebten Verlauf abweicht.

Die parallel zueinander verlaufenden Leiterbahnen können auf der Oberfläche des geometrischen Körpers nebeneinander oder auch dicht übereinander liegen.

Es werden je zwei mit demselben Transformator verbundene Leiterbahnen als "gleichwertig" bezeichnet werden und sämtliche Leiterbahnen der Gradientenspule durch diese Verbindungen mit einem oder mehreren Transformatoren untereinander "gleichwertig".

In den Transformatoren wird nur bei (unerwünschten) gegenläufigen Strömen in den Leiterbahnen der Gradientenspule ein Magnetfeld und damit gespeicherte Energie aufgebaut, nicht jedoch bei (erwünschten) gleichsinnigen Strömen.

Bei den Leiterbahnen der Gradientenspule, die ebenfalls miteinander einen Transformator bilden, sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Da die Ströme in den verschiedenen Leiterbahnen durch die mit ihnen verbundenen Stromversorgungs-Netzgeräte individuell geregelt werden, sind prinzipiell kurzzeitig gegenläufige Ströme in den Leiterbahnen möglich. Solchen gegenläufigen Strömen setzt die Gradientenspule allein aus dem genannten Grund keinen induktiven Widerstand entgegen, sie wirkt dafür vielmehr als Kurzschluß. Damit würde ohne die Transformatoren die Ausbildung gegenläufiger Ströme in den Leiterbahnen, d. h. ein unstabiler Betrieb der Stromregelungen der mit der Gradientenspule verbundenen Stromversorgungs-Netzgeräte unterstützt. Die zusätzlichen Transformatoren dagegen setzen gegenläufigen Strömen einen induktiven Widerstand entgegen und stabilisieren den Betrieb der Stromversorgungs-Netzgeräte. Bei einem (erwünschten) Betrieb der parallelen Leiterbahnen mit gleichen Strömen und entsprechend gleichen Änderungen der Ströme pro Zeiteinheit während Lade- oder Entladevorgängen wird in den Transformatoren wegen der gegenläufigen Wicklung kein Magnetfeld auf bzw. abgebaut. Deshalb bilden die Transformatoren für diese Art des Betriebs keinen zusätzlichen induktiven Widerstand. Sie vergrößern also nicht die Induktivität der Gradientenspule bzw. der Leiterbahnen der Gradientenspule und beeinträchtigen infolgedessen nicht die dynamische Kennzahl kdyn des Systems.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Leiterbahnen weiter in Teilleiterbahnen unterteilt sind und neue Leiterbahnen durch die elektrische Parallelschaltung von Teilleiterbahnen gebildet werden. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, einen Strompfad für den Betrieb mit zwei Stromversorgungs-Netzgeräten in vier Teilleiterbahnen zu unterteilen, bei denen die beiden inneren Teilleiterbahnen an den Enden parallelgeschaltet sind und eine erste neue Leiterbahn bilden, und bei denen die beiden äußeren Teilleiterbahnen ebenfalls an den Enden parallelgeschaltet sind und eine zweite neue Leiterbahn bilden. Die Teilleiterbahnen der zweiten neuen Leiterbahn umschließen die erste neue Leiterbahn auf ihrer gesamten Länge. Auf diese Weise werden die grundsätzlich kleinen räumlichen Unterschiede in den von beiden neuen Leiterbahnen bei gleicher Stromstärke im Arbeitsvolumen erzeugten Magnetfelder besonders gering.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die parallel geführten Leiterbahnen näherungsweise denselben elektrischen Widerstand besitzen. Auf diese Weise sind die zur Erwärmung der Leiterbahnen führenden elektrischen Verlustleistungen in den verschiedenen Leiterbahnen gleich groß, und es gibt keine Überhitzung einer einzelnen Leiterbahn.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anzahl N der simultan verwendeten Stromversorgungs-Netzgeräte und folglich die Anzahl der parallel geführten Leiterbahnen gleich 2 und folglich die Anzahl der Transformatoren gleich 1 ist. Auf diese Weise wird die elektrische Anordnung besonders einfach im praktischen Aufbau.

Darüberhinaus bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Induktivitäten der Wicklungen der Transformatoren größer als das 0,45-fache der Induktivität L einer Leiterbahn der Gradientenspule sind. Auf diese Weise wird eine gute Stabilität der Stromregelungen der verschiedenen Stromversorgungs-Netzgeräte erreicht.

Vorteilhaft ist eine Weiterbildung, bei der die Induktivitäten der Wicklungen der Transformatoren größer als das 0,49-fache der Induktivität L einer Leiterbahn der Gradientenspule sind. Es hat sich gezeigt, daß auf diese Weise eine noch bessere Stabilität der Stromregelungen der verschiedenen Stromversorgungs-Netzgeräte erreicht wird.

Darüberhinaus bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Induktivitäten der Wicklungen der Transformatoren kleiner als das 2-fache der Induktivität L einer Leiterbahn der Gradientenspule sind. Auf diese Weise wird einerseits die Stabilität der Stromregelungen der verschiedenen Stromversorgungs-Netzgeräte erreicht, und bleiben andererseits die Induktivitäten der Wicklungen des Transformators und folglich auch prinzipell nachteilige Unterschiede in den Induktivitäten beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen relativ klein. Im Falle solcher Unterschiede in den Induktivitäten würde der Transformator einen induktiven Widerstand darstellen, der die dynamische Kennzahl kdyn reduziert.

Darüberhinaus bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Transformatoren einen Eisenkern besitzen. Auf diese Weise können die bevorzugten Werte für die Induktivitäten der Wicklungen der Transformatoren mit sehr kleinen Baugrößen für die Transformatoren und mit sehr geringen Windungszahlen für die Wicklungen der Transformatoren realisiert werden. Besonders bevorzugt sind ringförmige Eisenkerne mit Luftspalt mit einstellbarer Breite des Luftspalts.

Darüberhinaus bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Wicklungen der Transformatoren erheblich, d. h. mindestens um den Faktor 5 weniger Windungen besitzen als eine Leiterbahn der Gradientenspule. Auf diese Weise ist die Realisierung von Wicklungen mit sehr geringen ohmschen Widerständen möglich.

Darüberhinaus bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die verwendeten Stromversorgungs-Netzgeräte getaktete Schaltnetzgeräte sind. Die Stromregelungen getakteter Schaltnetzgeräte sind häufig besonders empfindlich im Hinblick auf das Entstehen von Schwingungen. Mit Hilfe der Transformatoren lassen sich die Regelkreise der verschiedenen prinzipiell durch die Gradientenspule induktiv miteinander gekoppelten Regelungen wieder entkoppeln.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Gradientenspule aus einer Feldspule und einer Abschirmspule besteht und aktiv abgeschirmt ist und die Leiterbahnen sowohl innerhalb der Gradientenspule als auch in der Abschirmspule verlaufen. Auf diese Weise werden Störungen des durch die Gradientenspule erzeugten Magnetfelds durch Zusatzfelder infolge von Wirbelströme in den Metallstrukturen des Hauptfeldmagneten vermieden.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Leiterbahnen der Gradientenspule stromlinienförmig (= streamline) ausgebildet sind, d. h. bei der die Leiterbahnen, nur durch eine Nut voneinander getrennt aus einer Platte aus Kupfer oder Aluminium herausgeschnitten sind. Derartige streamline-förmige Magnetspulen weisen besonders große Leiterquerschnitte und deshalb besonders geringe Ohmsche Verluste auf.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die Leiterbahnen der Gradientenspule aus Draht gewickelt. Auf diese Weise ist eine besonders kostengünstige Herstellung der Gradientenspule möglich.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Zeichnungen und der Beschreibung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß einzeln für sich und zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Abwicklung einer erfindungsgemäßen Transversalgradientenspule mit zwei parallel geführten aus Drähten bestehenden Leiterbahnen und zwei Stromversorgungs- Netzgeräten;

Fig. 2 eine Abwicklung einer Transversalgradientenspule nach dem Stand der Technik mit zwei aus Drähten bestehenden Leiterbahnen und zwei Stromversorgungs-Netzgeräten;

Fig. 3 eine Abwicklung einer Transversalgradientenspule nach dem Stand der Technik mit einer als Draht ausgeführten Leiterbahn mit einem Stromversorgungs-Netzgerät;

Fig. 4 eine Abwicklung einer Transversalgradientenspule nach dem Stand der Technik mit einer als Draht ausgeführten Leiterbahn mit einem Stromversorgungs-Netzgerät, wobei die Zahl der Windungen halb so groß ist, wie bei der Gradientenspule aus Fig. 3 und identisch mit der Zahl der Windungen der Leiterbahnen der Gradientenspule in Fig. 1;

Fig. 5 eine Abwicklung einer erfindungsgemäßen Transversalgradientenspule mit zwei parallel geführten Leiterbahnen und zwei Stromversorgungs-Netzgeräten wie in Fig. 1, jedoch mit stromlinienförmigen (streamline) Leiterbahnen;

Fig. 6 eine Abwicklung einer erfindungsgemäßen Transversalgradientenspule mit vier parallel geführten aus Drähten bestehenden Teilleiterbahnen und zwei Stromversorgungs-Netzgeräten, wobei je zwei Teilleiterbahnen parallelgeschaltet sind und so zwei neue Leiterbahnen bilden; und

Fig. 7 eine erfindungsgemäße elektrische Anordnung mit zwei Stromversorgungs- Netzgeräten, einer Gradientenspule mit zwei Leiterbahnen und einem Transformator.

Die in Fig. 3 dargestellte Transversalgradientenspule mit einem Stromversorgungs-Netzgerät NG1 nach dem Stand der Technik dient für die weiteren Ausführungen als Vergleichssystem. Die Spule besitzt eine Leiterbahn. In diese wird der von dem Stromversorgungs-Netzgerät NG1 geregelte zeitlich veränderliche Strom i1 eingespeist. Die Leistungsdaten dieses Vergleichssystems werden mit dem Index "rev" versehen und folgendermaßen bezeichnet:
g0 = g0rev
L = Lrev
Imax = Imaxrev
Umax = Umaxrev
gmax = gmaxrev = g0rev . Imaxrev
(dg/dt)max = (dg/dt)maxrev = g0rev . Umaxrev/Lrev
kdyn = kdynrev = (g0rev . g0rev)/Lrev . Imaxrev . Umaxrev

Die Leistungsdaten für die verwendeten Stromversorgungs-Netzgeräte Imax2 und Umax2 seien für alle Geräte in den Abbildungen gleich.

Der geometrische Verlauf der Verbindungsleiter V, die die vier Teilspulen der Gradientenspule miteinander verbinden, ist zum Zweck einer besseren Übersicht in allen Abbildungen vereinfacht dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine elektrische Anordnung mit einer ebenfalls vier Teilspulen umfassenden Gradientenspule und zwei Stromversorgungs-Netzgeräten NG1 und NG2 entsprechend der US-4,928,063. Die Gradientenspule besitzt zwei getrennte nicht zueinander parallel verlaufende Leiterbahnen. In diese werden die bis auf Regelabweichungen gleichen von den Stromversorgungs-Netzgeräten geregelten zeitlich veränderlichen Ströme i1 und i2 eingespeist. Die dynamischen Leistungsdaten dieser Anordnung betragen:
gmax = gmaxrev
(dg/dt)max = 2 . (dg/dt)maxrev
kdyn = 2 . kdynrev

Die dynamische Kennzahl kdyn ist also doppelt so groß wie bei der Anordnung in Fig. 3 mit nur einem Stromversorgungs-Netzgerät. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß bei nicht völlig identischen Strömen i1 und i2 beispielsweise infolge von Regelabweichungen magnetische Störfelder mit einem geometrischen Verlauf entstehen, der völlig von der mit der Gradientenspule angestrebten Geometrie abweicht.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Anordnung besitzt dieselben dynamischen Leistungsdaten wie die Anordnung in Fig. 2. Da die beiden zueinander parallel geführten Leiterbahnen einzeln im wesentlichen Magnetfelder mit demselben geometrischen Verlauf erzeugen, entstehen bei nicht völlig identischen Strömen i1 und i2 folglich keine Störfelder mit abweichender Geometrie. Die dynamischen Leistungsdaten dieser Anordnung betragen:
gmax = gmaxrev
(dg/dt)max = 2 . (dg/dt)maxrev
kdyn = 2 . kdynrev.

Die beiden Leiterbahnen der wiederum vier Teilspulen umfassenden Gradientenspule in Fig. 1 besitzen jeweils nur halb so viele Windungen wie die eine Leiterbahn des Referenzsystems in Fig. 3. Folglich beträgt die zum Quadrat der Windungszahl proportionale Induktivität L jeder Leiterbahn näherungsweise Lrev/4. Da beide Leiterbahnen auf ihrem gesamten Verlauf eng benachbart sind, beträgt die Gegeninduktivität zwischen beiden Leiterbahnen ebenfalls näherungsweise Lrev/4. Für den Ladevorgang beispielsweise für die Leiterbahn, in die der Strom i1 eingespeist wird, gilt das Induktionsgesetz:

U = L . (di1/dt) + M . (di2/dt).

U: induktiver Anteil der von einem Stromversorgungs-Netzgerät gelieferten elektrischen Spannung an jeder der beiden Leiterbahnen.

Mit L = M = Lrev/4 und (di1/dt) = (di2/dt) = (di/dt) gilt:

U = (Lrev/2) . (di/dt).

Dies zeigt, daß bei simultan betriebenen Leiterbahnen jedes der beiden Stromversorgungs- Netzgeräte scheinbar nur mit der halben Induktivität Lrev der Referenzspule aus Fig. 3 belastet ist.

Ebenfalls halb so viele Windungen wie das Referenzsystem in Fig. 3 besitzt die in Fig. 4 gezeigte Gradientenspule nach dem Stand der Technik. Die dynamischen Leistungsdaten betragen hier:
g0 = g0rev/2
L = Lrev/4
gmax = gmaxrev/2
(dg/dt)max = (dg/dt)maxrev/2
kdyn = kdynrev.

Die dynamisch Kennzahl kdyn ist also identisch mit der des Referenzsystems in Fig. 3, obwohl g0 und L andere Werte besitzen.

Bei der in Fig. 5 gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung mit bandförmigen streamline- Leiterbahnen stellen die im Bereich der Gradientenspule gezeichneten Linien nicht Drähte sondern Trennlinien zwischen Leiterbahnen dar. Die dynamischen Leistungsdaten sind identisch mit denen des Systems in Fig. 1.

Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung besitzt ebenfalls dieselben dynamischen Leistungsdaten wie die Anordnung in Fig. 1. Hier besteht jede der zwei Leiterbahnen aus einer Parallelschaltung von zwei Teilleiterbahnen. Sofern beide Teilleiterbahnen dieselbe Induktivität und denselben elektrischen Widerstand besitzen, ist gewährleistet, daß in beiden Teilleiterbahnen einer Parallelschaltung zu jedem Zeitpunkt derselbe elektrische Strom fließt. Da die beiden Teilleiterbahnen, in die der Strom i1 eingespeist wird, die beiden Teilleiterbahnen, in die der Strom i2 eingespeist wird, auf ihrer gesamten Länge "umschließen", ist hier in ausgezeichneter Weise gewährleistet, daß beide Leiterbahnen Magnetfelder mit gleichem geometrischen Verlauf erzeugen. Im Falle von stromlinienförmigen (streamline) Leiterbahnen bzw. Teilleiterbahnen, die nur durch Nuten voneinander getrennt sind, besteht ein Vorteil dieser Ausführung der Gradientenspule im Vergleich mit der Ausführung nach Fig. 1 darin, daß die Breite der Leiterbahnen bzw. Teilleiterbahnen halbiert ist und sich deshalb bei schnellen Änderungen der Stromstärke nur in geringerem Maße Wirbelströme in den Teilleiterbahnen ausbilden können, die zu zeitlich veränderlichen Störungen des von der Gradientenspule erzeugten Magnetfelds sowie zu Erwärmung der Leiterbahnen führen können.

Anhand von Fig. 7 läßt sich die Wirkungsweise einer Anordnung mit zwei Stromversorgungs- Netzgeräten (NG1 und NG2), einer Gradientenspule (GRAD) mit zwei Leiterbahnen sowie einem Transformator (TRAF) erläutern. Die Stromversorgungs-Netzgeräte sind in stark vereinfachter Form als Schaltnetzgeräte für einen speziellen Betriebszustand mit positiven Strömen i1 und i2 sowie positiven zeitlichen Stromänderungen (di1/dt) und (di2/dt) dargestellt. Beide liefern eine konstante Versorgungsspannung U0 von der Größenordnung einiger 100 V. Bei geschlossenem Schalter S1 liegt diese Versorgungsspannung als Ladespannung an der Leiterbahn, in die der Strom i1 eingespeist wird, sowie der damit in Serie geschalteten Wicklung des Transformators an. Dies führt nach dem Induktionsgesetz im allgemeinen zu einer Veränderung des Stroms i1. Die Freilaufdiode D1 sperrt in diesem Zustand und ist stromlos. Bei geöffnetem Schalter S1 fließt der Strom i1 über die Freilaufdiode D1, die dann näherungsweise einen Kurzschluß darstellt. Durch Wahl der Zeitintervalle, in denen der Schalter S1 geöffnet bzw. geschlossen ist, läßt sich der zeitliche Anstieg des Stroms i1 regeln. Die Verhältnisse in dem von dem zweiten Stromversorgungs- Netzgerät NG2 mit dem Strom i2 gespeisten Stromkreis sind analog. Wegen der induktiven Kopplung der beiden Leiterbahnen der Gradientenspule sowie der beiden Wicklungen des Transformators sind die Stromregelungen beider Netzgeräte NG1 und NG2 prinzipiell miteinander gekoppelt und können sich stören. Die an das Netzgerät NG1 angeschlossene elektrische Last ist prinzipiell vom Zustand des Schalters S2 abhängig, der den zeitlichen Verlauf des Stroms i2 regeln soll.

Für den vom Strom i1 durchflossenen Stromkreis gilt:

U1 = Lg . (di1/dt + di2/dt) + Lt . (di1/dt - di2/dt).

Lg: Induktivität (identisch mit Gegeninduktivität) der Leiterbahnen der Gradientenspule.
Lt: Induktivität (identisch mit Gegeninduktivität) der Wicklungen des Transformators.
U1: Vom Netzgerät NG1 erzeugte elektrische Spannung, U1 = U0 bei geschlossenem Schalter S1 bzw. U1 = 0 bei göffnetem Schalter S1.

Analog gilt für den vom Strom i2 durchflossenen Stromkreis:

U2 = Lg . (di1/dt + di2/dt) - Lt . (di1/dt - di2/dt).

U2: Vom Netzgerät NG2 erzeugte elektrische Spannung, U2 = U0 bei geschlossenem Schalter S2 bzw. U2 = 0 bei göffnetem Schalter S2.

Wenn Lt so eingestellt ist, daß gilt: Lt = Lg = L, ergibt sich:

U1 = 2 . L . (di1/dt)

U2 = 2 . L . (di2/dt)

Folglich hängt die zeitliche Änderungsrate (di1/dt) nur von U1, d. h. vom Zustand des Schalters S1 ab und nicht von (di2/dt) oder U2, also nicht vom Zustand des Schalters S2. Entsprechendes gilt für die zeitliche Änderungsrate (di2/dt). Wenn man also die Induktivität der Wicklungen des Transformators gleich der Induktivität der Leiterbahnen der Gradientenspule einstellt, sind die von den beiden Netzgeräten versorgten Stromkreise voneinander entkoppelt, und die Regelungen der Netzgeräte beeinflussen sich nicht. Bei der Verwendung von sogenannten Schnittbandkernen für den Eisenkern des Transformators kann die Induktivität der Wicklungen des Transformators durch die Wahl der Breite des Luftspalts eingestellt werden.

Wenn der Transformator nicht eingebaut ist (Lt = 0), ergibt sich für die Situation, daß S1 geschlossen ist und S2 geöffnet ist: (di1/dt) = -(di2/dt) = ,unendlich'. Dies kennzeichnet eine instabile Situation.

Claims (13)

1. Elektrische Anordnung mit einer Gradientenspule (GRAD) zum Erzeugen zeitlich schnell veränderlicher magnetischer Gradientenfelder im Arbeitsvolumen einer Magnetresonanzapparatur mit einem in Windungen auf der Oberfläche eines geometrischen Körpers geführten Strompfad, dessen geometrischer Verlauf den gewünschten räumlichen Verlauf des Magnetfelds dieser Gradientenspule (GRAD) im Arbeitsvolumen zur Folge hat, sowie mit N Stromversorgungs-Netzgeräten (NG1, NG2), die mit einem analogen oder digitalen Ansteuerungssignal ansteuerbar sind und jeweils einen zum Ansteuerungssignal proportionalen, zeitlich veränderlichen, geregelten elektrischen Strom (i1, i2) erzeugen können, wobei der Strompfad in mehrere parallel geführte, voneinander elektrisch isolierte Leiterbahnen unterteilt ist, die einen bifilar oder multifilar gewickelten Transformator bilden, wobei die Induktivitäten der verschiedenen Leiterbahnen untereinander sowie die Gegeninduktivitäten untereinander näherungsweise denselben Wert L besitzen, wobei die Enden jeder Leiterbahn in der Weise an je ein Stromversorgungs-Netzgerät (NG1, NG2) angeschlossen sind und die Stromversorgungs-Netzgeräte (NG1, NG2) in der Weise mit Ansteuerungssignalen angesteuert werden können, daß sie in die Leiterbahnen zu jedem Zeitpunkt denselben Strom (i1, i2) einspeisen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von N - 1 Transformatoren (TRAF) mit je zwei gleichartigen, vorzugsweise bifilaren Wicklungen mit jeweils näherungsweise gleichen Induktivitäten und Gegeninduktivitäten innerhalb eines Transformators vorgesehen ist und jede Leiterbahn der Gradientenspule (GRAD) mit einer Wicklung mindestens eines Transformators (TRAF) elektrisch in Reihe geschaltet ist und die beiden Wicklungen jedes Transformators (TRAF) bei gleichsinnigen Strömen (i1, i2) in den jeweils mit den Wicklungen in Reihe geschalteten Leiterbahnen von gegenläufigen Strömen durchflossen werden.

2. Elektrische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen weiter in Teilleiterbahnen unterteilt sind und neue Leiterbahnen durch die elektrische Parallelschaltung von Teilleiterbahnen gebildet werden.

3. Elektrische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Leiterbahnen oder Teilleiterbahnen näherungsweise denselben elektrischen Widerstand besitzen.

4. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl N der simultan verwendeten Stromversorgungs- Netzgeräte (NG1, NG2) und folglich die Anzahl der parallel geführten Leiterbahnen gleich 2 und folglich die Anzahl der Transformatoren (TRAF) gleich 1 ist.

5. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten der Wicklungen der Transformatoren (TRAF) größer als das 0,45-fache der Induktivität L einer Leiterbahn der Gradientenspule (GRAD) sind.

6. Elektrische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten der Wicklungen der Transformatoren (TRAF) größer als das 0,49-fache der Induktivität L einer Leiterbahn der Gradientenspule (GRAD) sind.

7. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivitäten der Wicklungen der Transformatoren (TRAF) kleiner als das 2-fache der Induktivität L einer Leiterbahn der Gradientenspule (GRAD) sind.

8. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoren (TRAF) einen Eisenkern besitzen.

9. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Transformatoren (TRAF) mindestens um den Faktor 5 weniger Windungen besitzen als eine Leiterbahn der Gradientenspule (GRAD).

10. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgungs-Netzgeräte (NG1, NG2) getaktete Schaltnetzgeräte sind.

11. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspule (GRAD) aus einer Feldspule und einer Abschirmspule besteht und aktiv abgeschirmt ist, und daß die Leiterbahnen sowohl innerhalb der Feldspule als auch in der Abschirmspule verlaufen.

12. Elektrische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen der Gradientenspule (GRAD) stromlinienförmig (= streamline) ausgebildet sind.

13. Elektrische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen der Gradientenspule (GRAD) aus Drähten bestehen.