DE19922652A1

DE19922652A1 - Einrichtung zum Homogenisieren eines Magnetfeldes

Info

Publication number: DE19922652A1
Application number: DE19922652A
Authority: DE
Inventors: Arne Kasten; Michael Westphal
Original assignee: Bruker Analytik GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2001-01-11
Anticipated expiration: 2019-05-19
Also published as: US6529005B1; GB0012078D0; DE19922652C2; GB2354328B; GB2354328A

Abstract

Das Magnetfeld im Arbeitsvolumen einer Apparatur zum Messen der magnetischen Resonanz, insbesondere der kernmagnetischen Resonanz, wird dadurch homogenisiert, daß Shimplättchen in vorberechneten Positionen um das Arbeitsvolumen angebracht werden und in ihrer Gesamtheit im Zentrum des Arbeitsvolumens kein Feld erzeugen. Vorzugsweise ist die Gesamtheit der Shims induktiv von einer das Magnetfeld erzeugenden Spule entkoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Homogenisierung des durch einen Hauptmagneten mit einer supraleitend kurzgeschlossenen Hauptspule er zeugten Magnetfeldes im Arbeitsvolumen einer Magnetresonanz-Einrichtung wobei das Arbeitsvolumen von einer Vielzahl ferromagnetischer oder perma nentmagnetischer Elemente umgeben ist, deren Anzahl, Stärken und Posi tionen so gewählt sind, daß sie in ihrer Gesamtheit Feldinhomogenitäten des Hauptmagneten im Arbeitsvolumen weitgehend ausgleichen.

Eine solche Einrichtung ist beispielsweise bekannt aus der EP 0 272 411 B1.

Im Gegensatz zur Magnetfeldhomogenisierung mittels sogenannter Shim spulen, durch die Korrekturströme geschickt werden, hat sich in letzter Zeit insbesondere in Magneten der bildgebenden Kernresonanz (MRI) das soge nannte "passive Shimmen" immer mehr durchgesetzt, bei dem die aktiv an steuerbaren Shimspulen durch passive ferromagnetische bzw. auch perma nentmagnetische, kleine Plättchen ersetzt werden, die an vorausberechneten Stellen um das Arbeitsvolumen herum plaziert werden. Bei den üblichen su praleitenden Tomographiemagneten mit einer Raumtemperaturbohrung wer den in axialen Führungen an der Wand der Raumtemperaturbohrung stab förmige Halterungen eingeschoben, in denen an vorgegebenen axialen Posi tionen jeweils eine vorausberechnete Anzahl von ferromagnetischen "Shim plättchen" gestapelt und fixiert ist.

Während beispielsweise in den supraleitenden Magneten der hochauflösen den NMR derzeit nach wie vor Shimspulensätze verwendet werden, um das Feld am Probenort zu homogenisieren, wird im Bereich der Kernspintomo graphie (MRI) bereits die rechnerisch zwar aufwendigere aber preiswertere und letztlich bequemere eingangs genannte Methode des passiven Shim mens zu verwenden, die nur einmal angewendet werden muß und dann kei ne Stromversorgung oder Netzgeräte mehr erfordert.

Eine supraleitend kurzgeschlossene Magnetspule hält den magnetischen Fluß durch ihre Bohrung konstant, d. h. der supraleitende Strom ändert sich spontan, wenn z. B. ein externes Störfeld einwirkt, in der Art, daß sich der Gesamtfluß durch die Spule nicht ändert. Dies bedeutet in der Regel nicht, daß das Feld im Arbeitsvolumen absolut homogen und konstant bleibt, da die räumliche Feldverteilung einer Störung, und der Hauptmagnetspule nicht übereinstimmen. Es gibt im Stand der Technik Vorschläge, diese Abwei chungen durch Auslegung der Hauptspulengeometrie, durch supraleitende Zusatzspulen oder durch aktive Regelmaßnahmen zu kompensieren (US-Patente US-A 4,974,113, US-A 4,788,502, US-A 5,278,503).

Das Einbringen eines passiven Shimsystems der eingangs genannten Art schafft ein weiteres Problem. Es hat sich gezeigt, daß dabei das Magnetfeld im Arbeitsvolumen mit der Zeit driftet, d. h. daß der Term nullter Ordnung ei ner Entwicklung des Magnetfelds um das Zentrum des Arbeitsvolumens nicht konstant bleibt. Dieser Effekt wird in der Regel mit Temperaturschwankungen in der Raumtemperaturbohrung des supraleitenden Magnetsystems und dar aus resultierenden Magnetisierungsänderungen der Shimplättchen erklärt. Die Magnetisierung ferromagnetischer Eisenplättchen ist zwar durch das Hauptmagnetfeld entlang seiner Achse ausgerichtet und gesättigt. Die Sätti gungsmagnetisierung ist jedoch leicht temperaturabhängig. In noch größe rem Maß trifft dies für permanentmagnetische Shims, z. B. aus NdFeB, zu.

Bei der konventionellen Bildgebung können solche Driften oft toleriert wer den, nicht jedoch bei Messungen, bei denen es auf die absolute Frequenz ankommt. In der hochauflösenden Spektroskopie wird zwar oft ein sog. Lock- System in Verbindung mit einer Kompensationsspule eingesetzt, das Driften ausgleicht, es gibt jedoch immer öfter Anwendungen, insbesondere in Ver bindung mit geschalteten Gradienten, wo in der Spektroskopie das Locksy stem nicht eingeschaltet werden kann.

Es besteht daher der Bedarf nach einer Einrichtung der eingangs genannten Art, die unempfindlich gegen Temperaturschwankungen der Shimelemente ist.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Anzahl, Stärken und Positionen der Shims weiterhin so berechnet sind, daß sie in ihrer Gesamtheit im Zen trum des Arbeitsvolumens in guter Näherung kein Magnetfeld erzeugen.

Diese Randbedingung kann bei der Auslegung und Optimierung des Shim systems fest vorgegeben werden, d. h. es werden bei der Optimierungspro zedur nur Lösungen akzeptiert, die diese Bedingung (ggf. innerhalb enger Toleranzen) einhalten. Dadurch wird erreicht, daß sich bei einer Temperatur drift der Shims das sog. B₀-Feld nicht ändert und die Resonanzfrequenz im Zentrum des Arbeitsvolumens konstant (auf dem Wert ohne Shimsystem) bleibt und nicht driftet. Selbstverständlich erzeugen die Shims entsprechend ihrer Aufgabe im Arbeitsvolumen inhomogene Gradientenfelder. Die Überla gerung aller dieser Gradientenfeldbeiträge muß nun erfindungsgemäß im Zentrum in guter Näherung Null ergeben.

Im Rahmen der Erfindung kann das Hauptmagnetfeld zunächst auf beliebige Art erzeugt werden, d. h. durch Permanentmagnete, resistive oder supralei tende Magnetspulen mit Eisenpolschuhen oder resistive oder supraleitende "Luftspulen" bzw. Kombinationen davon.

Besonders bevorzugt ist jedoch, wenn der Hauptmagnet eine supraleitend kurzgeschlossene Hauptspule umfaßt. Solche Magnete sind inzwischen bei Tomographiesystemen weitgehend Standard und werden bei analytischen NMR-Systemen praktisch ausschließlich verwendet. Sie garantieren an sich eine gute Homogenität und vor allem zeitliche Stabilität und sind unabhängig von der Qualität eines Netzgeräts.

In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn die Anzahl, Stärken und Positionen der Shims weiterhin so berechnet sind, daß sie in ihrer Gesamt heit mit der Hauptspule in guter Näherung nicht koppeln. Wie eingangs er wähnt, "wehrt" sich eine supraleitend kurzgeschlossene Spule gegen jede Flußänderung. Leider stellt nun im Stand der Technik auch ein durch Tempe raturschwankungen driftendes Shimsystem eine Ursache für eine Flußände rung durch die Hauptspule dar. D. h. der supraleitende Strom wird sich in aller Regel ändern, was wiederum eine Feldänderung im Zentrum des Arbeits volumens bewirkt. Dies kann vermieden werden, wenn der durch das Shim system erzeugte Gesamtfluß durch die Hauptspule Null ist. Auch diese Be dingung kann bei der Optimierung der Shimanordnung als Randbedingung (ggf. mit engen Toleranzen) eingegeben und eingehalten werden, insbeson dere wenn die Shimelemente teilweise oder alle permanentmagnetische sind, also auch so angeordnet werden können, daß ihre Magnetisierung dem Feld an ihrem Ort entgegen gerichtet ist.

Für supraleitend kurzgeschlossene Hauptspulen kann die Aufgabe auch da durch gelöst werden, daß die Anzahl, Stärken und Positionen der Shims so berechnet sind, daß bei einer Änderung ihres gesamten magnetischen Mo ments die daraus resultierende Änderung des durch sie in ihrer Gesamtheit im Zentrum des Arbeitsvolumens erzeugten Magnetfelds in guter Näherung durch eine durch die induktive Kopplung an die Hauptspule bewirkte, entge gengesetzte Änderung des durch die Hauptspule erzeugten Magnetfelds kompensiert wird.

Es reicht nämlich aus, die störenden Effekte nicht einzeln zu eliminieren son dern nur ihren störenden Gesamteinfluß zu kompensieren.

Durch den zusätzlichen Freiheitsgrad eröffnet der Einsatz von permanent magnetischen Shims ganz allgemein bessere Optimierungsmöglichkeiten im Vergleich zu Eisen. Im Zusammenhang mit der Forderung des verschwin denden Gesamtflusses durch die Hauptspule ist diese Option jedoch ganz besonders vorteilhaft und rechtfertigt den höheren Preis, die kompliziertere Handhabung und die etwas größeren Temperaturdriften.

Selbstverständlich muß das Permanentmaterial für die Stärke des Hauptfel des geeignet sein, d. h. eine ausreichende Koerzitivfeldstärke aufweisen. Für die meisten Tomographiesysteme (bis etwa 2 Tesla) wird NdFeB ausrei chend sein. Bei den hohen Feldstärken der Analytikmagnete (derzeit bis et wa 20 Tesla) ist SmCo empfehlenswert. Man kann auch beide Werkstoff klassen gemeinsam verwenden, z. B. NdFeB für "positive" Beiträge und SmCo für "negative". Auch die Kombination von Eisen (positiv) und einem Permanentmagneten (negativ) kann sich anbieten.

Bei konventionellen Tomographiesystemen oder supraleitenden Magneten der analytischen NMR mit zylinderförmiger Raumtemperaturbohrung bietet es sich an, daß die Shims im wesentlichen auf einer Zylinderoberfläche an geordnet sind um einen freien Zugang zum Arbeitsvolumen zu gewährlei sten.

Bei Polschuhmagneten oder vollkommen einseitigen Strukturen ist es vorteil haft, daß die Shims im wesentlichen in einer oder zwei Ebenen angeordnet sind.

Die Kompensation bzw. Elimination der Felddrift gelingt am besten, wenn alle einzelnen Shims auf einer möglichst einheitlichen Temperatur sind. Dies kann dadurch verbessert werden, daß die Shims wärmeleitend verbunden sind.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweiligen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Die erfindungsgemäßen Anordnungen können mit an sich bekannten Shim anordnungen kombiniert bzw. in diese integriert werden. Insbesondere kön nen zusätzlich konventionelle Shimspulen vorhanden sein.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 äußerst schematisch den Hauptmagneten einer Kernspinresonanzap paratur mit einer Homogenisierungseinrichtung;

Fig. 2 die z-Abhängigkeit der z-Komponente des Magnetfelds eines im Ab stand von der z-Achse angeordneten, parallel zu z-Richtung ausge richteten Dipols;

Fig. 3 schematisch der Verlauf der von am Rand der Innenbohrung einer Magnetspule angeordneten Shims erzeugten Magnetfelder.

Fig. 1 zeigt äußerst schematisch einen konventionellen supraleitenden Hauptmagneten 1 eines Kernspintomographen mit einer axialen 11 Raum temperaturbohrung 2. Das Arbeitsvolumen 8 befindet sich im zentralen Be reich der Raumtemperaturbohrung 2 und ist daher in Fig. 1 nur durch den Aufbruch sichtbar. An der Innenwand der Raumtemperaturbohrung 2 befin den sich axiale Führungen 7, in die Halterungen 5 eingeschoben werden können mit möglichen Positionen 9, an denen Shimplättchen 6 gestapelt werden können. Die Halterungen 5 werden in die Führungen 7 eingeschoben und arretiert. Es kann auch eine gemeinsame zylindersymmetrische Halte rung vorgesehen sein. Die Trägerplatte kann Teil eines Trägerrohrs (siehe Fig. 1) sein aber auch eine von zwei im wesentlichen ebenen Shimträger platten eines Polschuhmagneten. Bei einseitigen Hauptmagneten, die einen weitgehenden freien Zugang in einem Halbraum um das Arbeitsvolumen ge statten, kann auch nur eine Shimträgerplatte vorgesehen sein. Je nach Auf bau des Hauptmagneten wird man ganz allgemein die Shimelemente an Po sitionen um das Arbeitsvolumen plazieren, die einen gewünschten freien Zu gang nicht oder nur wenig behindern. Daher sind auch Konfigurationen denkbar, in denen die Shims nicht in Ebenen bzw. auf Zylindern angeordnet sind, sondern insbesondere bei kompliziert aufgebauten Hauptmagneten in Positionen, in denen sie wenig stören.

Fig. 2 zeigt die z-Abhängigkeit der z-Komponente des Magnetfelds eines im Abstand von der z-Achse angeordneten, parallel zu z-Richtung ausgerichte ten Dipols (Abstand von der Achse auf x = 1 normiert). Dies spiegelt die Än derung des relevanten Feldbeitrags im Zentrum des Arbeitsvolumens einer NMR-Apparatur mit axialer Raumtemperaturbohrung wieder, wenn ein (als Dipol angenäherter) Shim am Rand dieser Bohrung axial verschoben wird. Man sieht, daß bei z = 0 (auf Höhe des Zentrums) der Beitrag betragsmäßig maximal und negativ ist, für positive und negative z-Werte symmetrisch zu nächst betragsmäßig abfällt und bei einer axialen Verschiebung (z), die dem sog. "magischen Winkel" (arctan(x/z) = 54°) entspricht, Null erreicht, d. h. hier verlaufen die Feldlinien senkrecht zu z. Für noch größere z-Werte wird der Beitrag positiv, geht über ein Maximum und fällt schließlich asymptotisch gegen Null ab. Es ist also grundsätzlich möglich, mit weichmagnetischen Shims (Eisen) im Zentrum sowohl negative als auch positive Beiträge zum Gesamtfeld (B_z) zu erzeugen. Man sieht aber auch, daß die negativen Bei träge bei gleichem Dipolmoment größer sein können und die positiven Bei träge nur durch Shims erzeugt werden können, die axial weit entfernt sind.

Für optimale Shimergebnisse ist es daher wünschenswert, die Dipolmomente umdrehen zu können, d. h. man will permanentmagnetische Shims einsetzen.

Fig. 3 zeigt sehr schematisch eine Hauptmagnetspule 101 mit einer Raum temperaturbohrung 102 entlang der z-Achse 111. Das Zentrum des Arbeits volumens ist durch einen Punkt 108 angedeutet. Am Rand der Raumtempe raturbohrung sind Shims 201, 202, 203, 204 angeordnet, die durch Pfeile symbolisiert sind. Von ihnen gehen magnetische Feldlinien 301, 302, 303, 304 aus. Aus Fig. 3 lassen sich die lokalen Richtungen der entsprechenden Magnetfelder, insbesondere im Zentrum 108, entnehmen. Für die NMR- Spektroskopie bzw. Bildgebung ist in guter Näherung immer nur die z- Komponente dieser Felder von Bedeutung, da sie sich mit dem dominieren den Hauptfeld zum Gesamtfeld überlagern, das im Arbeitsvolumen entlang z gerichtet ist. Man sieht, daß man positive und negative Beiträge erzeugen kann. Shim 202 kann nur permanentmagnetisch realisiert werden, die ande ren (201, 203, 204) können weichmagnetisch oder permanentmagnetisch sein, da sie in Hauptfeldrichtung orientiert sind.

Fig. 3 ist auch zu entnehmen, daß die Feldlinien 301, 302, 303, 304 der Shims 201, 202, 203, 204 die Hauptspule 101 unterschiedlich durchsetzen. Entsprechend variiert der in die Hauptspule durch die betreffenden Shims eingekoppelte magnetische Fluß.

In einem Ausführungsbeispiel wurde für eine supraleitend kurzgeschlosse nen Magnetspule mit einer angenommenen Inhomogenität über das Arbeits volumen zunächst in konventioneller Art ein passives Shimsystem optimiert. Die Daten der Hauptspule finden sich in Tabelle 1.

Tabelle 1

Tabelle 2 listet die Entwicklungskoeffizienten des Magnetfelds um das Zen trum des Arbeitsvolumen nach Kugelflächenfunktionen für eine angenomme ne Inhomogenität auf, die sich an real vorkommenden orientiert.

Tabelle 2

Koeffizienten der Feldstörungen A_nm und B_nm eines Hauptfeld magneten nach Tabelle 1 in ppm bei einer Entwicklung des Magnetfeldes nach Kugelflächenfunktionen

Tabelle 3 gibt die axialen und azimutalen Positionen von Shims auf einem Zylinder mit Radius r = 22,5 cm wieder sowie die durch einen Optimierung salgorithmus ermittelte Belegung und Orientierung dieser Positionen. Für jede Position ist auch angegeben, welches Feld ein Einheitsshim im Zentrum erzeugt und wie groß der Fluß ist, mit dem sein Magnetfeld die Hauptspule durchsetzt und zu welcher Änderung des Feldbeitrags der Hauptspule im Zentrum dieser Fluß führt. Die Gesamtheit der Felder im Zentrum und der Gesamtfluß sind jeweils nicht Null, ebenso wie die Gesamtfeldänderung im Zentrum.

Tabelle 4 zeigt das Ergebnis einer Optimierung mit der Randbedingung, daß die Gesamtfeldänderung im Zentrum Null sein soll, Tabelle 5 eines mit der Randbedingung, daß sowohl das von der Gesamtheit der Shims im Zentrum erzeugte Feld als auch der von dieser Gesamtheit in die Hauptspule indu zierte Fluß Null sind.

Man sieht, daß man diese Bedingungen durchaus einhalten kann ohne den Aufwand übermäßig zu erhöhen.

Bei permanentmagnetischen Shimplättchen ist zu beachten, daß an ihrer jeweiligen Position das Magnetfeld einen Grenzwert nicht überschreiten darf, wenn die Plättchenmagentisierung dem Magnetfeld entgegengerichtet ist. Dieser Grenzwert orientiert sich an der Koerzitivfeldstärke des permanent magnetischen Materials bei der zu erwartenden maximalen Betriebstempe ratur. Die kritischen Parameter müssen deutlich unterschritten werden (je derzeit), um sicher ein irreversibles Ummagnetisieren zu vermeiden. Für gängige Hochfeldpermanentmagnete wie solche aus der NdFeB-Gruppe lie gen die Koerzitivfeldstärken bei bis zu 4 Tesla und die zulässigen negativen Felder bei etwa 3 Tesla.

Im Gegensatz zu weichmagnetischen Shimplättchen, die erst durch den Hauptmagneten aufmagnetisiert werden, sollten permanentmagnetische Plättchen axial in Richtung des Hauptfeldes (und ihrer eigenen Magnetisie rung) gestapelt werden, da sie bereits vorab (stark) magnetisiert sind und der Abstoßungseffekt radial gestapelter Plättchen nur sehr schwer zu beherr schen wäre. Die permanentmagnetischen, dünnen Plättchen werden in der Regel senkrecht zu ihrer Plättchenoberfläche magnetisiert sein und sich beim Stapeln daher anziehen.

Tabelle 4

Tabelle 5

Claims

1. Anordnung zur Homogenisierung des durch einen Hauptmagneten erzeugten Magnetfeldes im Arbeitsvolumen einer Magnetresonanz- Einrichtung wobei das Arbeitsvolumen um ein Zentrum angeordnet und von einer Vielzahl in eine oder mehrere Halterungen eingebauter, ferromagnetischer oder permanentmagnetischer Elemente (Shims) umgeben ist, deren Anzahl, Stärken und Positionen so berechnet sind, daß sie in ihrer Gesamtheit Feldinhomogenitäten des Hauptmagneten im Arbeitsvolumen weitgehend ausgleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl, Stärken und Positionen der Shims weiterhin so berechnet sind, daß sie in ihrer Gesamtheit im Zentrum des Arbeitsvolumens in guter Näherung kein Magnetfeld erzeugen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptmagnet eine Hauptspule umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptspule supraleitend ist und im supraleitenden Kurzschluß betrie ben werden kann.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl, Stärken und Positionen der Shims weiterhin so berechnet sind, daß sie in ihrer Gesamtheit mit der Hauptspule in guter Nähe rung nicht koppeln.

5. Anordnung zur Homogenisierung des durch einen Hauptmagneten erzeugten Magnetfeldes im Arbeitsvolumen einer Magnetresonanz- Einrichtung, wobei der Hauptmagnet eine supraleitende Hauptspule umfaßt, die im supraleitenden Kurzschluß betrieben werden kann und wobei das Arbeitsvolumen um ein Zentrum angeordnet und von einer Vielzahl in eine oder mehrere Halterungen eingebauter, ferromagneti scher oder permanentmagnetischer Elemente (Shims) umgeben ist, deren Anzahl, Stärken und Positionen so berechnet sind, daß sie in ih rer Gesamtheit Feldinhomogenitäten des Hauptmagneten im Arbeits volumen weitgehend ausgleichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl, Stärken und Positionen der Shims weiterhin so berechnet sind, daß bei einer Änderung ihres gesamten magnetischen Moments die daraus resultierende Änderung des durch sie in ihrer Gesamtheit im Zentrum des Arbeitsvolumens erzeugten Magnetfelds in guter Nä herung durch eine durch die induktive Kopplung an die Hauptspule bewirkte, entgegengesetzte Änderung des durch die Hauptspule er zeugten Magnetfelds kompensiert wird.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Shims aus weichmagnetischem Material, vor zugsweise aus Eisen, bestehen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Shims aus permanentmagnetischem Material, vor zugsweise aus NdFeB oder SmCo, bestehen.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Shims teilweise aus permanentmagnetischem Mate rial, vorzugsweise aus NdFeB oder SmCo und teilweise aus weichma gnetischem Material, vorzugsweise aus Eisen, bestehen.

9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Shims im wesentlichen auf einer Zylinderober fläche angeordnet sind.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, daß die Shims im wesentlichen in einer oder zwei Ebenen ange ordnet sind.

11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Shims wärmeleitend verbunden sind.