DE19927494C2

DE19927494C2 - Magnetresonanztomographiegerät

Info

Publication number: DE19927494C2
Application number: DE19927494A
Authority: DE
Inventors: Oliver Heid; Peter Dietz; Ralph Kimmlingen
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 1999-03-08
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2019-06-17
Also published as: DE19927494A1

Abstract

Magnetresonanztomographiegerät mit einem Gradientenspulensystem, das so geschaltet ist, daß die Eigenschwingungsformen des Gradientenspulensystems und die Lorentzkräfte möglichst orthogonal zueinander ausgerichtet sind, und daß je Eigenschwingungsform eine Skalarproduktbildung von Eigenschwingungsform mit der Lorentzkraft für jeden Punkt des Gradientenspulensystems mit anschließender Aufsummierung einen möglichst nullnahen Wert ergibt, wobei dies durch Festlegung der Eigenschwingungsformen durch eine Gewichts- und/oder Federsteifigkeitsverteilung der Trägerstruktur, durch in die Trägerstruktur eingebrachte Gewichte und/oder die Federsteifigkeit verändernde Bauteile, bei rohrförmigen Gradientenspulensystemen durch schwere Endringe und/oder durch Festlegung der Lorentzkräfte durch Gestaltung der Leiteranordnung von Primär- und/oder gegebenenfalls Sekundärspule und/oder zusätzlichen Leiterabschnitten ausgeführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetresonanztomographiegerät, das einen Grundfeldmagneten und ein Gradientenspulensystem, das Gradientenspulen und eine Trägerstruktur umfaßt, beinhal tet.

Die Magnetresonanztomographie ist eine bekannte Technik zur Gewinnung von Bildern des Körperinneren des lebenden Patien ten. Dazu werden in Magnetresonanztomographiegeräten dem sta tischen Grundmagnetfeld dynamische Magnetfelder mit linearem Gradienten in allen drei Raumrichtungen überlagert. Dabei fließen in den Gradientenspulen Ströme, deren Amplituden meh rere 100 A erreichen und die häufigen und raschen Wechseln der Stromrichtung mit Anstiegs- und Abfallraten von mehreren 100 kA/s unterliegen. Diese Ströme werden aufgrund von Puls sequenzen, die ein Steuersystem bereitstellt, gesteuert und verursachen bei vorhandenem Grundmagnetfeld von größenord nungsmäßig 1 Tesla aufgrund von Lorentzkräften Schwingungen, die zu den bekannten Lärmerscheinungen führen.

Es wurde eine Reihe von Maßnahmen vorgeschlagen, die Lärment wicklung des Gradientenspulensystems zu vermindern. Bei spielsweise wurde die Steifigkeit des Gradientenspulensystems erhöht und/oder die Gradientenspulen wurden akustisch gedämmt bzw. isoliert und/oder die Befestigung des Gradientenspulen systems wurde verändert. Zur Lärmminderung wurde beispiels weise in der US 5,698,980 A vorgeschlagen, ein rohrförmiges Gradientenspulensystem an seinen dominanten Ei genschwingungsknoten am Innenrohr des Behälters des Grund feldmagneten zu befestigen. Da aber das Gradientenspulensys tem das steifste Element des gesamten Geräts ist, führt die veränderte Befestigung kaum zu einer deutlichen Lärmminde rung.

In der US 5,345,177 A ist ein Gradientenspulensystem eines Mag netresonanztomographiegeräts beschrieben, das innerhalb des Geräts über Dämpfer befestigt ist. Dabei sind bei einem rohr förmigen Gradientenspulensystem die Dämpfer an den Enden des Gradientenspulensystems angeordnet. Die Dämpfer umfassen ei nen Behälter, der mit einem Granulat gefüllt ist, das vom Gradientenspulensystem ausgehende Schwingungen absorbiert. Dabei ist ein möglichst hohes Gewicht des Granulats vorteil haft.

Die Weiterentwicklung auf dem Gebiet der Magnetresonanztomo graphie zur Verkürzung von Meßzeiten und Verbesserung von Bildgebungseigenschaften ist mit immer schnelleren Pulsse quenzen verbunden. Diese bedingen eine Erhöhung der Stromam plituden sowie der Stromanstiegs- und -abfallraten in den Gradientenspulen. Immer größere Gradientenspulenströme führen über immer größere Lorentzkräfte ohne gegensteuernde Maßnah men zu immer größeren Lärm. Immer schnellere Pulssequenzen steuern immer raschere und häufigere Wechsel der Stromrich tung in den Gradientenspulen. Dadurch verlagern sich die do minanten spektralen Anteile der Gradientenspulenströme zu hö heren Frequenzen. Hat dabei einer dieser Anteile die gleiche Frequenz wie eine Eigenfrequenz des Gradientenspulensystems, so ist die Schwingungsanregung des Gradientenspulensystems maximal und der verursachte Lärm sehr groß. Dabei wird eine derartige Anregung mit immer schnelleren Pulssequenzen immer wahrscheinlicher.

Man kann beispielsweise mit einer Erhöhung der Steifigkeit auf größere Gradientenspulenströme und schnellere Pulssequen zen reagieren. Dabei bringt eine Verdoppelung der Steifigkeit lediglich eine Erhöhung der Eigenfrequenzen um den Faktor ca. 1,4. Da bereits heute das Gradientenspulensystem ein sehr steifes Element ist, sind der Vergrößerung der Steifigkeit technische und wirtschaftliche Grenzen gesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Gradien tenspulensystem zu schaffen, das den Prozeß der Lärmentste hung hemmt und damit den auftretenden Lärm verringert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gra dientenspulensystem so gestaltet ist, daß die Eigenschwin gungsformen des Gradientenspulensystems und die schwingungs erregenden Lorentzkräfte, die aus den Gradientenspulenströmen und dem statischen Grundmagnetfeld resultieren, möglichst or thogonal zueinander ausgerichtet sind bzw. daß je Eigen schwingungsform des Gradientenspulensystems eine Skalarpro duktbildung einer Eigenschwingungsform mit der Lorentzkraft für jeden Punkt des Gradientenspulensystems mit anschließen der Aufsummierung über alle Punkte des Gradientenspulensy stems einen möglichst nullnahen Wert ergibt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden nur die lärmrele vanten Eigenschwingungsformen betrachtet. Dies hat den Vor teil, daß die erfindungsgemäße Gestaltung des Gradientenspu lensystems aufgrund weniger freier Parameter bei verbleiben der hoher Wirksamkeit einfacher ist. Dabei sind die lärmrele vanten Eigenschwingungsformen insbesondere die, welche eine hohe örtliche Übereinstimmung mit der Lorentzkraftverteilung aufweisen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Eigenschwin gungsformen durch Gewichtsverteilung und/oder Steifigkeits verteilung der Trägerstruktur festgelegt. Der Begriff der Trägerstruktur umfaßt ausgenommen die Gradientenspulen alle übrigen Elemente des Gradientenspulensystems, die zusammen mit den Gradientenspulen die Eigenschwingungsformen des Gra dientenspulensystems bestimmen. Zur Trägerstruktur zählen da mit in der Regel zentrale Trägerelemente, Vergußmaterial, Kühlvorrichtungen, Shimvorrichtungen und evtl. Hochfrequenz sende- und -empfangsvorrichtungen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beinhaltet das Gradientenspulensystem in die Trägerstruktur eingebrachte Ge wichte und/oder in die Trägerstruktur eingebrachte, die Fe dersteifigkeit verändernde Bauteile. Ein besonderer Vorteil liegt darin, daß die Auslegung des Gradientenspulensystems, die vorrangig auf die Erzeugung eines Magnetfelds mit linea rem Gradienten gerichtet ist, nur geringfügig verändert wird. Bei vergossenen Gradientenspulensystemen werden Gewichte bei spielsweise an den Stellen eingebracht, an denen sich sonst Vergußmaterial befindet. Anders als beispielsweise beim Ein bringen von akustischem Dämm- bzw. Isoliermaterial ist die erfindungsgemäße Gestaltung des Gradientenspulensystems nicht zwangsläufig mit einer Volumenszunahme des Gradientenspulen systems verbunden. Dies ist insbesondere bei Magnetresonanz tomographiegeräten mit einem supraleitenden Grundfeldmagneten und einer zylinderförmigen Patientenöffnung vorteilhaft.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind bei einem rohrför migen Gradientenspulensystem an mindestens einem der Enden dem Rohrquerschnitt ähnliche Ringe fest mit dem Gradienten spulensystem verbunden. Dadurch erreicht man auf sehr einfa che Art die erfindungsgemäße Gestaltung. Die Grundkonzeption eines vorhandenen rohrförmigen Gradientenspulensystems wird kaum verändert. Selbst vergleichsweise große Gewichte werden hierüber ohne Platzprobleme in das Gradientenspulensystem eingebracht.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind bei einem rohrför migen Gradientenspulensystem an mindestens einem der Enden dem Rohrquerschnitt ähnliche Ringe über eine Zwischenschicht aus elastischem Material mit dem Gradientenspulensystem ver bunden. Dies hat den besonderen Vorteil, daß neben der erfin dungsgemäßen Gestaltung des Gradientenspulensystems dem schwingenden System Schwingungsenergie entzogen und in Wär meenergie umgesetzt wird. Dadurch wird die Dämpfung erhöht und die Schwingungsamplitude gesenkt, was eine weitere Lärm reduzierung bewirkt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung bestehen die Ringe aus Materialien großer Dichte. Dadurch werden bei kleinen Abmes sungen der Ringe große Gewichte realisiert. Dies bedeutet bei kleinem Zusatzvolumen eine hohe lärmreduzierende Wirkung.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung besitzt das elastische Material im Kraft-Verformungs-Diagramm eine Hystereseschlei fe, deren umschlossene Fläche so groß ist, daß das elastische Material viel Schwingungsenergie des Gradientenspulensystems absorbiert. Die von der Hystereseschleife umschlossene Fläche ist ein direktes Maß für die während eines Umlaufs aufzuwen dende Arbeit. Deswegen wird dem schwingenden Gradientenspu lensystem durch eine große Fläche der Hystereseschleife viel Schwingungsenergie entzogen und in Wärme umgesetzt. Damit ist die lärmreduzierende Wirkung groß.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Lorentzkräfte durch die Leiteranordnung der Gradientenspulen festgelegt. Dabei wird eine lärmoptimierte Leiteranordnung über drei prinzipielle Verfahren erreicht. Bei einem ersten Verfahren werden bei einer Gradientenspule die Leiterabschnitte ver schoben und durch Kontrollrechnungen das Ergebnis überprüft, solange bis die gewünschte Optimierung erreicht ist. Bei ei nem zweiten Verfahren werden einer Gradientenspule zusätzli che Leiterabschnitte hinzugefügt. Schließlich fließt bei ei nem dritten Verfahren der zusätzliche Parameter der lärmopti mierten Leiteranordnung von Anfang an in das Gradientenspu lendesign ein.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden bei einer Gra dientenspule, beinhaltend eine Primär- und eine Sekundärspu le, die Lorentzkräfte durch die Leiteranordnung der Sekundär spule gestaltet. Dadurch bleiben Auswirkungen auf das Gra dientenfeld, insbesondere im Bereich des Abbildungsvolumens des Geräts kalkulierbar.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Lorentzkräfte durch die Anordnung wenigstens eines Leiterabschnittes, der in einem Bereich außerhalb der Wicklungsschichten der Primär- und gegebenenfalls der Sekundärspulen innerhalb des Gradien tenspulensystems angeordnet ist und der in wenigstens einen Gradientenspulenstromkreis eingebunden ist, gestaltet. Da durch wird eine Gestaltung für Gradientenspulensysteme ermög licht, ohne deren Primär- und gegebenenfalls Sekundärspulen design zu verändern.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leiteranordnung wenigstens in einem Bereich des Gradientenspulensystems, der dem Abbildungsvolumen möglichst weit entfernt ist, gestaltet. Dies hat nur geringe Auswirkungen auf die Qualität des Gra dientenfeldes im Abbildungsvolumen, was für eine hohe Magnet resonanzbildqualität wichtig ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Leiteranordnung in wenigstens einem Bereich des Gradientenspulensystems, der wenigstens einen Schwingungsknoten wenigstens einer, vorzugs weise einer lärmrelevanten Eigenschwingungsform beinhaltet, gestaltet. Dadurch werden Freiheitsgrade in der Leiteranord nung bei gleichzeitiger optimierender Betrachtung mindestens zweier lärmrelevanter Eigenschwingungsformen gewonnen. Hin sichtlich einer ersten lärmrelevanten Eigenschwingungsform werden zur Lärmoptimierung beispielsweise im abbildungsvolu menfernen Bereich zusätzliche, vom Gradientenspulenstrom gleichsinnig durchflossene Leiterabschnitte ergänzt. Zur Bil dung eines geschlossenen Stromkreises werden die zusätzlichen Leiterabschnitte mit Leiterabschnitten im Bereich eines Schwingungsknotens der ersten Eigenschwingungsform verbunden. Das Lärmverhalten der ersten Eigenschwingungsform wird durch letztgenannte Leiterabschnitte im Bereich des Schwingungskno tens nur unwesentlich beeinflußt. Beispielsweise durch mehr zusätzliche Leiterabschnitte im abbildungsvolumenfernen Be reich als zur Lärmoptimierung der ersten Eigenschwingungsform notwendig sind, sowie durch eine entsprechende Anordnung der Leiterabschnitte im Bereich des Schwingungsknotens, wird eine Lärmoptimierung einer zweiten Eigenschwingungsform durchge führt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 17 bis 24 beschrieben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbei spielen anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer rohrförmigen Gradientenspu lenanordnung,

Fig. 2 eine prinzipielle Verteilung der Lorentzkräfte und ei ne lärmrelevante Eigenschwingungsform eines Gradientenspulen systems ohne und mit erfindungsgemäßer Gestaltung der Träger struktur,

Fig. 3 eine Prinzipskizze eines rohrförmigen Gradientenspu lensystems mit in die Trägerstruktur eingebrachten Gewichten,

Fig. 4 eine Prinzipskizze eines rohrförmigen Gradientenspu lensystems mit Endringen,

Fig. 5 einen Längsschnitt eines rohrförmigen Gradientenspu lensystems mit Endring und Zwischenschicht aus elastischem Material

Fig. 6 in einer Prinzipskizze eine von vier Spulen als Aus schnitt eines Gradientenspulensystems ohne aktive Schirmung und ohne erfindungsgemäße Gestaltung der Leiteranordnung,

Fig. 7 die Lorentzkraftverteilung und die lärmrelevante Ei genschwingungsform des Gradientenspulensystems für Fig. 6,

Fig. 8 die Multiplikationsergebniskurve aus der Lorentzkraft verteilung und der Eigenschwingungsform aus Fig. 7,

Fig. 9 in einer Prinzipskizze eine von vier Spulen als Aus schnitt eines Gradientenspulensystems ohne aktive Schirmung mit erfindungsgemäßer Gestaltung der Leiteranordnung,

Fig. 10 die Lorentzkraftverteilung und die Eigenschwingungs form des Gradientenspulensystems für Fig. 9,

Fig. 11 die Multiplikationsergebniskurve aus der Lorentz kraftverteilung und der Eigenschwingungsform aus Fig. 10,

Fig. 12 in einer Prinzipskizze eine von vier Sekundärspulen als Ausschnitt eines Gradientenspulensystems mit Primär- und Sekundärspule ohne erfindungsgemäße Gestaltung der Lei teranordnung,

Fig. 13 die Lorentzkraftverteilungen für die Primär- sowie für die Sekundärspule und die lärmrelevante Eigenschwingungs form des Gradientenspulensystems für Fig. 12,

Fig. 14 die Lorentzkraftverteilung des Gradientenspulensy stems, beinhaltend Primär- und Sekundärspule, sowie die Ei genschwingungsform für Fig. 12,

Fig. 15 in einer Prinzipskizze eine von vier Sekundärspulen als Ausschnitt eines Gradientenspulensystems mit Primär- und Sekundärspule mit erfindungsgemäßer Gestaltung der Lei teranordnung,

Fig. 16 die Lorentzkraftverteilungen für die Primär- sowie für die Sekundärspule und die Eigenschwingungsform des Gra dientenspulensystems für Fig. 15,

Fig. 17 die Lorentzkraftverteilung des Gradientenspulensy stems, beinhaltend Primär- und Sekundärspule, sowie die Ei genschwingungsform für Fig. 15,

Fig. 18 in einer Prinzipskizze zusätzliche Leiterabschnitte in einer Wicklungsschicht oberhalb der Primär- und Sekundär spule als Ausschnitt eines Gradientenspulensystems,

Fig. 19 die Lorentzkraftverteilung für das System aus Primär- und Sekundärspule sowie die Lorentzkraftverteilung der zu sätzlichen Leiterabschnitte und die Eigenschwingungsform des Gradientenspulensystems für Fig. 18,

Fig. 20 die Lorentzkraftverteilung des Gradientenspulensy stems, beinhaltend Primär-, Sekundärspule und zusätzliche Leiterabschnitte, sowie die Eigenschwingungsform für Fig. 18.

Fig. 1 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein Ausführungsbei spiel einer Gradientenspule. Die dargestellte rohrförmige Gradientenspule zur Erzeugung eines Gradientenfelds für eine Raumrichtung ist typisch für Magnetresonanztomographiegeräte mit zylinderförmiger Patientenöffnung. Aus Gründen der Über sichtlichkeit sind nur exemplarisch wenige Leiterabschnitte 1 der Gradientenspule dargestellt. Die Gradientenspule wird vom Strom I durchflossen. Der Stromfluß führt im statischen Grundmagnetfeld Bz zu Lorentzkräften F. Aufgrund der Lei teranordnung und der Richtung des Grundmagnetfelds sind die entstehenden Lorentzkräfte radial gerichtet. Die örtliche Verteilung der Lorentzkräfte ist in Längsrichtung achsensym metrisch zur Mitte der Länge der Gradientenspule. Die zeit lich veränderlichen Ströme in der Gradientenspule erzeugen entsprechende Lorentzkräfte, die auf die Leiterabschnitte der Gradientenspule wirken und das Gradientenspulensystem in Schwingungen versetzen, woraus schließlich der Lärm resul tiert.

Fig. 2 zeigt drei Kurven entlang der Schnittlinie S aus Fig. 1 und in Richtung der Koordinatenachse x aus Fig. 1. Dabei zeigt Kurve 2 die prinzipielle Lorentzkraftverteilung, Kurve 3 eine lärmrelevante Eigenschwingungsform des Gradientenspu lensystems ohne erfindungsgemäße Gestaltung der Trägerstruk tur und Kurve 4 eine Eigenschwingungsform mit erfindungsgemä ßer Gestaltung der Trägerstruktur.

Das Eigenschwingungsverhalten eines Gradientenspulensystems ist durch die Eigenfrequenzen und die Eigenschwingungsformen bestimmt. Die Wirkung der Lorentzkräfte auf die Eigenschwin gungsformen wird in Form der Partizipationsfaktoren beschrie ben. Diese geben an, wie stark die Lorentzkräfte eine be stimmte Eigenschwingungsform anregen. Mathematisch wird dazu das Skalarprodukt zwischen der Lorentzkraft an einem Punkt und dem Vektor, der die Eigenschwingungsbewegung an diesem Ort beschreibt, gebildet. Diese Skalarprodukte werden für je den Punkt des Gradientenspulensystems ermittelt und aufsum miert. Daraus resultiert ein Partizipationsfaktor einer Ei genschwingungsform. Die Eigenfrequenzen sind durch die Mate rialparameter des Gradientenspulensystems bestimmt. Mit Kenntnis der Partizipationsfaktoren und der Eigenfrequenzen ist die Schwingung des Gradientenspulensystems für jeden Ort und für jede Frequenz durch Überlagerung der Schwingungen der einzelnen Eigenschwingungsformen bestimmbar. Die Schwingungen werden über verschiedene Ausbreitungswege an die Oberflächen des Magnetresonanztomographiegeräts weitergegeben. Die Ober flächenschnelle bestimmt die Übertragung der Mechanikschwin gung in die Schallschwingung und setzt sich aus der Überlage rung der Schwingungen der einzelnen Übertragungswege zusam men. In Verbindung mit der Geometrie der Oberfläche bestimmt diese Oberflächenschnelle den Lärm des Geräts.

Sind die Lorentzkräfte und die Eigenschwingungsformen an al len Punkten des Gradientenspulensystems und für alle Eigen schwingungsformen orthogonal zueinander, so ergeben die Ska larprodukte immer Null. Ein solches Gradientenspulensystem erzeugt keinen Lärm. Die Verteilung der Lorentzkräfte ist aufgrund der Leiteranordnung zur Erzeugung eines wunschgemä ßen Gradientenfelds vorgegeben. Aufgrund von geometrischen Vorgaben und Materialeigenschaften ist es nicht möglich, ein Gradientenspulensystem so zu gestalten, daß die Orthogonali tät zu den Lorentzkräften für alle Eigenschwingungsformen und für alle Punkte des Gradientenspulensystems erfüllt ist.

Eine Eigenschwingungsform liefert keinen Beitrag zum Lärm, wenn ihr Partizipationsfaktor Null ist. Ist dies aus vorge nannten Gründen nicht dadurch möglich, daß alle Skalarproduk te eines Partizipationsfaktors gleich Null sind, so besteht die Möglichkeit, die Verteilung von positiven und negativen Skalarprodukten so zu steuern, daß sich nach der Aufsummie rung über alle Punkte des Gradientenspulensystems ein mög lichst nullnaher Partizipationsfaktor für die betrachtete Ei genschwingungsform ergibt.

Für die in Fig. 2 dargestellte zweidimensionale Betrachtung bedeutet dies, daß man eine dem im Dreidimensionalen ermit telten Partizipationsfaktor vergleichbare Kennzahl dadurch erhält, indem die Lorentzkraftverteilung mit einer Eigen schwingungsform multipliziert und anschließend längs der Schnittlinie S integriert wird. Die lärmrelevante Eigen schwingungsform 3 ohne erfindungsgemäße Gestaltung der Trä gerstruktur zeigt eine nahezu perfekte örtliche Übereinstim mung mit der Lorentzkraftverteilung. Entsprechend groß fällt die durch Multiplikation und anschließende Integration ermit telte Kennzahl aus. Dies ist gleichbedeutend mit einem hohen Lärm. Eine Multiplikation der Eigenschwingungsform 4 mit er findungsgemäßer Gestaltung der Trägerstruktur mit der Lorentzkraftverteilung ergibt eine Kurve, die sowohl oberhalb als auch unterhalb der Schnittlinie S verläuft. Deswegen er gibt eine Integration dieser Kurve längs der Schnittlinie S im Vergleich zum Gradientenspulensystem ohne erfindungsgemäße Gestaltung eine deutlich kleinere Kennzahl. Dies bedeutet we niger Lärm. Die Eigenschwingungsform 4 geht beispielsweise aus der Eigenschwingungsform 3 dadurch hervor, daß an den En den des rohrartigen Gradientenspulensystems schwere Ringe be festigt sind.

Fig. 3 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein Ausführungsbei spiel für eine erfindungsgemäße Gestaltung der Trägerstruk tur, indem bei einem rohrartigen Gradientenspulensystem 5 in den Endbereichen in die Trägerstruktur Gewichte 6 integriert sind.

Fig. 4 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein Ausführungsbei spiel für eine erfindungsgemäße Gestaltung der Trägerstruk tur, indem bei einem rohrartigen Gradientenspulensystem 5 an beiden Enden Ringe 7 fest mit dem Gradientenspulensystem ver bunden sind.

Fig. 5 zeigt den Längsschnitt eines rohrförmigen Gradienten spulensystems 5 mit einem Endring 7, der über eine Zwischen schicht 8 aus elastischem Material am Gradientenspulensystem befestigt ist.

Für die Gewichte und Endringe sind zur Realisierung großer Gewichte bei kleinem Volumen Materialien großer Dichte vor teilhaft. Preiswerte Materialien sind dabei Metalle wie Blei sowie andere feste Stoffe wie Glas. Bei Verwendung von elek trisch leitfähigen Stoffen ist deren Wirbelstromverhalten bei der Auslegung des Gradientenspulensystems zu berücksichtigen.

Fig. 6 zeigt in Form einer Prinzipskizze einen vereinfachten Ausschnitt der in Fig. 1 dargestellten Gradientenspule für eine physikalische Raumachse. Es ist der linke obere Teil der Gradientenspule, d. h. nur eine der vier Sattelspulen mit nur einer exemplarischen Windung dargestellt. Dabei ist die dar gestellte Spule Bestandteil eines Gradientenspulensystems oh ne aktive Schirmung. Zusätzlich sind in Fig. 6 die physikali schen Grenzen des rohrförmigen Gradientenspulensystems 5 ein gezeichnet. Ferner ist eine kreisförmige Umfangslinie V des als kugelförmig angenommenen Abbildungsvolumens im Bereich des Punktes s_1/2 der Schnittlinie S gestrichelt dargestellt.

Fig. 7 zeigt zwei Kurven entlang der Schnittlinie S und in Richtung der Koordinatenachse x aus Fig. 6. Dabei zeigt Kurve 9 die prinzipielle Lorentzkraftverteilung für die Gradienten spule ohne aktive Schirmung aus Fig. 6 und Kurve 3 die be trachtete Eigenschwingungsform des Gradientenspulensystems, die für das Gradientenspulensystem gemäß Fig. 6 die lärmrele vante ist.

Fig. 8 zeigt eine Kurve 10, die aus den Kurven 3 und 9 aus Fig. 7 durch Multiplikation hervorgeht. Wie vorausgehend be schrieben, führt eine Integration der Kurve 10 längs der Schnittlinie S zu einer Kennzahl, die eine Meßzahl für den bei der Ausführung einer Meßsequenz auftretenden Lärm ist. Ein möglichst nullnaher Wert der Kennzahl bedeutet keinen oder einen sehr kleinen Lärmbeitrag der betrachteten Eigen schwingungsform, ein betragsmäßig hoher Wert ist gleichbedeu tend mit einem hohen Lärm. Da die Kurve 10 ausschließlich oberhalb der Schnittlinie S verläuft, führt eine Integration längs der Schnittlinie S zu einer betragsmäßig großen Kenn zahl. Dies bedeutet einen großen Lärm. Dies muß auch so sein, weil ansonsten die betrachtete Eigenschwingungsform per Defi nition keine lärmrelevante Eigenschwingungsform wäre.

Fig. 9 zeigt, ausgehend von der in Fig. 6 dargestellten Spu le, eine Gradientenspule, die in einem ersten Bereich 11 im Endbereich des Gradientenspulensystems um vom Gradientenspu lenstrom I durchflossene Leiterabschnitte erweitert ist. Da bei wird die entsprechende Verbindung der Leiterabschnitte zur Bildung eines geschlossenen Stromkreises beispielhaft au ßerhalb des Gradientenspulensystems realisiert. Dazu sind au ßerhalb des Gradientenspulensystems in einem zweiten Bereich 12 Leiterabschnitte entsprechend der Anzahl vorgenannter zu sätzlicher Leiterabschnitte angeordnet, wobei die Leiterab schnitte beider vorgenannter Bereiche durch entsprechende Verbindungsleiter 13 miteinander verbunden sind. Ferner exi stiert eine Schaltvorrichtung 14, mit der die zusätzlichen Windungen kurzgeschlossen werden können, so daß der Gradien tenspulenstrom I lediglich eine Spule gemäß Fig. 6 durch fließt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Gra dientenspule auch mit Meßsequenzen betrieben wird, welche die betrachtete Eigenschwingungsform nicht oder kaum zum Schwin gen anregen. In einer anderen Ausführung ist die Schaltvor richtung eine einfache lösbare Verbindungslasche. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der zweite Bereich 12 in nerhalb des Gradientenspulensystems angeordnet ist und bei spielsweise im Zuge der Fertigung entschieden wird, ob die zusätzlichen Leiterabschnitte dauerhaft zugeschaltet werden oder nicht.

Fig. 10 zeigt wiederum zwei Kurven entlang der Schnittlinie S und in Richtung der Koordinatenachse x aus Fig. 9. Kurve 3 zeigt wiederum die betrachtete Eigenschwingungsform, wobei davon ausgegangen wird, daß die zusätzlichen Leiterabschnitte die Eigenschwingungsform nur unmerklich verändern. Kurve 15 zeigt die prinzipielle Lorentzkraftverteilung bei geöffnetem Schalter. Gegenüber der Lorentzkraftverteilung 9 aus Fig. 7 hat die Lorentzkraftverteilung in den abbildungsvolumenfernen Bereichen zwischen s₀ und s_1/4 bezüglich der Schnittlinie S das Vorzeichen gewechselt.

Fig. 11 zeigt eine Kurve 16, die aus den Kurven 3 und 15 aus Fig. 10 durch Multiplikation hervorgeht. Wie vorausgehend be schrieben, führt eine Integration der Kurve 16 längs der Schnittlinie S zu einer Kennzahl, die eine Meßzahl für den bei der Ausführung einer Meßsequenz auftretenden Lärm ist. Da die Kurve 16 mit der Schnittlinie S etwa gleich große Flächen A₊ und A_- ober- und unterhalb der Schnittlinie S bildet, führt eine Integration längs der Schnittlinie S zu einem nullnahen Wert. Dies bedeutet, daß die betrachtete Eigen schwingungsform bei einem Spulendesign gemäß Fig. 9 bei der Ausführung von Meßsequenzen so gut wie keinen Lärm verur sacht. Im strengen Sinne des Wortes ist damit die betrachtete Eigenschwingungsform nicht mehr als lärmrelevant zu bezeich nen.

Fig. 12 zeigt in Form einer Prinzipskizze einen Ausschnitt einer Sekundärspule. Bei Gradientenspulen, die von elektrisch leitfähigen Strukturen umgeben sind, verursachen die von den Gradientenspulen ausgestrahlten elektromagnetischen Wechsel felder Wirbelströme in den, die Spulen umgebenden, leitfähi gen Strukturen. Ein typisches Beispiel ist das innere Kälte schild bei einem Magnetresonanztomographiegerät mit supralei tendem Grundfeldmagneten. Diese Wirbelströme sind uner wünscht, weil sie beispielsweise das Gradientenfeld schwächen und verzerren. Diese Effekte können durch eine aktive Schir mung kompensiert werden. Bei der sogenannten Sekundärspule handelt es um eine Spule, die zum Zwecke der aktiven Schir mung konzentrisch und mit größerem Radius über der in Fig. 6 dargestellten, das eigentliche Gradientenfeld erzeugenden Spule, der sogenannten Primärspule, innerhalb des Gradienten spulensystems angeordneten ist. Die Sekundärspule ist zu ih rer zugehörigen Primärspule elektrisch gegensinnig in Serie geschaltet und so dimensioniert, daß das elektromagnetische Wechselfeld an den leitfähigen Strukturen minimiert ist. Das nutzbare Gradientenfeld im Abbildungsvolumen wird dadurch et was reduziert. Auch in Fig. 12 ist nur eine Windung der Se kundärspule exemplarisch dargestellt.

Fig. 13 zeigt drei Kurven entlang der Schnittlinie S und der Koordinatenachse x aus Fig. 12. Dabei zeigt Kurve 9 die be kannte prinzipielle Lorentzkraftverteilung der Primärspule, die Kurve 17 die Lorentzkraftverteilung der Sekundärspule und die Kurve 3 die betrachtete Eigenschwingungsform des Gradien tenspulensystems, wobei davon ausgegangen wird, daß sich die Eigenschwingungsform durch die Leiterabschnitte der Sekundär spule nicht prinzipiell ändert.

Fig. 14 zeigt wiederum die betrachtete Eigenschwingungsform 3 sowie eine Kurve 18, welche die Lorentzkraftverteilung für das Gradientenspulensystem aus Fig. 12, beinhaltend die Pri mär- und die Sekundärspule, zeigt und aus den beiden Lorentz kraftverteilungen 9 und 17 aus Fig. 13 durch Addition hervor geht. Eine Multiplikation beider in Fig. 14 dargestellter Kurven führt zu einer ähnlichen Kurve wie in Fig. 8 darge stellt, so daß eine Integration der Multiplikationsergebnis kurve zu einer betragsmäßig großen Kennzahl für den Lärm führt.

Fig. 15 zeigt die in Fig. 12 dargestellte Sekundärspule, die im Endbereich des Gradientenspulensystems sowie im Bereich eines Schwingungsknoten der Eigenschwingungsform 3, also im Bereich von s_1/4, an dem die Eigenschwingungsform 3 die Schnittlinie S schneidet, zusätzliche Leiterabschnitte auf weist. Dazu ist in einem ersten abbildungsvolumenfernen Be reich 11 eine Anzahl von Leiterabschnitten angeordnet, die der Gradientenspulenstrom in einer ersten Richtung durch fließt. In einem zweiten Bereich 19, in dessen räumlichem Be reich auch der Schwingungsknoten der betrachteten Eigen schwingungsform fällt, ist die gleiche Anzahl von Leiterab schnitten angeordnet, die der Gradientenspulenstrom entgegen gesetzt zu erster Richtung durchfließt. Die Leiterabschnitte der beiden Bereiche 11 und 19 sind durch entsprechende Ver bindungsleiter 13 untereinander sowie mit den übrigen Leiter abschnitten der Sekundärspule zu einem geschlossenen Strom kreis verbunden. Es sind wiederum nur exemplarisch wenige Leiterabschnitte gezeichnet.

Fig. 16 zeigt drei Kurven entlang der Schnittlinie S und der Koordinatenachse x aus Fig. 15. Dabei zeigt Kurve 9 die be kannte Lorentzkraftverteilung der Primärspule aus Fig. 6, die Kurve 3 die betrachtete Eigenschwingungsform des Gradienten spulensystems, wobei davon ausgegangen wird, daß die zusätz lichen Leiterabschnitte der Sekundärspule diese nur unmerk lich verändern, sowie die Kurve 20 die Lorentzkraftverteilung der Sekundärspule aus Fig. 15.

Fig. 17 zeigt wiederum die betrachtete Eigenschwingungsform 3 sowie eine Kurve 21, welche die Lorentzkraftverteilung des Gradientenspulensystems, beinhaltend die Primärspule aus Fig. 6 und die darüberliegende Sekundärspule aus Fig. 15, dar stellt. Die Kurve 21 geht aus den beiden Lorentzkraftvertei lungen aus Fig. 16 durch Addition hervorgeht. Eine Multipli kation beider Kurven in Fig. 17 führt zu einer ähnlichen Kur ve wie in Fig. 11 dargestellt, so daß eine Integration der Multiplikationsergebniskurve eine nullnahe Kennzahl ergibt, was für niedrigen Lärm steht. Dabei ist besonders hervorzuhe ben, daß die zur Gestaltung der Lorentzkraftverteilung in Fig. 15 im Endbereich des Gradientenspulensystems eingebrach ten Leiterabschnitte mittels Leiterabschnitten im Bereich ei nes Schwingungsknoten der Eigenschwingungsform zu einem ge schlossenen Stromkreis verbunden werden, ohne daß die Leiter abschnitte im Bereich des Schwingungsknotens die Lärmoptimie rung wesentlich bestimmen. Dies rührt daher, daß bei der Mul tiplikation der Lorentzkraftverteilung im Bereich der Schwin gungskonten die vergleichsweise großen Lorentzkräfte mit nullnahen Werten der Eigenschwingungsform multipliziert wer den und somit nur geringe Beiträge zum Integrationsergebnis liefern.

Fig. 18 zeigt beispielhaft die Anordnung von zusätzlichen Leiterabschnitten, die vom Gradientenspulenstrom I durchflos sen werden, in einer dritten Wicklungsschicht oberhalb der Primär- und Sekundärspule aus Fig. 12.

Fig. 19 zeigt die bekannte Lorentzkraftverteilung 18 von Pri mär- und Sekundärspule, die betrachtete Eigenschwingungsform 3, wobei wiederum davon ausgegangen wird, daß die zusätzli chen Leiterabschnitte in der dritten Schicht die Eigenschwin gungsform nur unmerklich verändern, sowie die prinzipielle Lorentzkraftverteilung 22 der zusätzlichen Leiterabschnitte in der dritten Schicht aus Fig. 18 entlang der Schnittlinie S und der Koordinatenachse x.

Fig. 20 zeigt die betrachtete Eigenschwingungsform 3 sowie die Lorentzkraftverteilung 23 des Gradientenspulensystems in Fig. 18, die aus der Addition der beiden Lorentzkraftvertei lungen aus Fig. 19 hervorgeht. Eine Multiplikation der Kurven 3 und 23 führt zu einer ähnlichen Kurve wie in Fig. 11 darge stellt, so daß eine Integration der Multiplikationsergebnis kurve eine nullnahe Kennzahl ergibt, was für niedrigen Lärm steht.

In anderen Ausführungsformen werden die drei separat darge stellten Möglichkeiten über die Gestaltung der Lorentzkraft verteilung den Lärm zu optimieren - Änderung des Primärspu lendesigns, Änderung des Sekundärspulendesigns und zusätzli che Wicklungsschicht - auch in beliebiger Kombination zur Er zielung eines lärmoptimierten Verhaltens des Gradientenspu lensystems eingesetzt.

Claims

1. Magnetresonanztomographiegerät, das einen Grundfeldmagne ten und ein Gradientenspulensystem, das Gradientenspulen und eine Trägerstruktur umfaßt, beinhaltet, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gradientenspulensystem so ge staltet ist, daß die Eigenschwingungsformen des Gradienten spulensystems und die schwingungserregenden Lorentzkräfte, die aus den Gradientenspulenströmen und dem statischen Grund magnetfeld resultieren, möglichst orthogonal zueinander aus gerichtet sind.

2. Magnetresonanztomographiegerät, das einen Grundfeldmagne ten und ein Gradientenspulensystem, das Gradientenspulen und eine Trägerstruktur umfaßt, beinhaltet, dadurch ge kennzeichnet, daß das Gradientenspulensystem so ge staltet ist, daß je Eigenschwingungsform des Gradientenspu lensystems eine Skalarproduktbildung einer Eigenschwingungs form mit der Lorentzkraft für jeden Punkt des Gradientenspu lensystems mit anschließender Aufsummierung über alle Punkte des Gradientenspulensystems einen möglichst nullnahen Wert ergibt.

3. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei nur die lärmrelevanten Eigenschwingungsformen betrachtet werden.

4. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Eigenschwingungsformen durch Gewichtsver teilung der Trägerstruktur festgelegt werden.

5. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gradientenspulensystem in die Träger struktur eingebrachte Gewichte beinhaltet.

6. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Eigenschwingungsformen durch Steifig keitsverteilung der Trägerstruktur festgelegt werden.

7. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gradientenspulensystem in die Träger struktur eingebrachte, die Federsteifigkeit verändernde Bau teile beinhaltet.

8. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei bei einem rohrförmigen Gradientenspulensystem an mindestens einem der Enden dem Rohrquerschnitt ähnliche Ringe fest mit dem Gradientenspulensystem verbunden sind.

9. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei bei einem rohrförmigen Gradientenspulensystem an mindestens einem der Enden dem Rohrquerschnitt ähnliche Ringe über eine Zwischenschicht aus elastischem Material mit dem Gradientenspulensystem verbunden sind.

10. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei die Ringe aus Materialien großer Dichte be stehen.

11. Magnetresonanztomographiegerät nach Anspruch 9, wobei das elastische Material im Kraft-Verformungs-Diagramm eine Hystereseschleife besitzt, deren umschlossene Fläche so groß ist, daß das elastische Material viel Schwingungsenergie des Gradientenspulensystems absorbiert.

12. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Lorentzkräfte durch die Leiteranordnung der Gradientenspulen festgelegt werden.

13. Magnetresonanztomographiegerät nach Anspruch 12, wobei bei einer Gradientenspule, beinhaltend eine Primär- und eine Sekundärspule, die Lorentzkräfte durch die Leiteranordnung der Sekundärspule gestaltet werden.

14. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei die Lorentzkräfte durch die Anordnung we nigstens eines Leiterabschnitts, der in einem Bereich außer halb der Wicklungsschichten der Primär- und gegebenenfalls der Sekundärspulen innerhalb des Gradientenspulensystems an geordnet ist und der in wenigstens einen Gradientenspulen stromkreis eingebunden ist, gestaltet werden.

15. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Leiteranordnung wenigstens in einem Bereich des Gradientenspulensystems, der dem Abbildungsvolu men möglichst weit entfernt ist, gestaltet ist.

16. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Leiteranordnung in wenigstens einem Bereich des Gradientenspulensystems, der wenigstens einen Schwingungsknoten wenigstens einer, vorzugsweise einer lärm relevanten Eigenschwingungsform beinhaltet, gestaltet ist.

17. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die Leiterabschnitte wenigstens in einem ersten, vorzugsweise abbildungsvolumenfernen oder einen Schwingungsknoten beinhaltenden Bereich des Gradientenspulen systems eine stärkere Bündelung aufweisen als in wenigstens einem zweiten, vorzugsweise abbildungsvolumennahen Bereich des Gradientenspulensystems.

18. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 17, beinhaltend folgende Merkmale:

- Zur Gestaltung der Lorentzkräfte mindestens einen ersten, vorzugsweise abbildungsvolumenfernen Bereich des Gradien tenspulensystems mit einer ersten Anzahl von Leiterab schnitten, die ein Gradientenspulenstrom in einer ersten Richtung senkrecht zum Grundmagnetfeld durchfließt,
- mindestens einen zweiten Bereich mit einer zweiten Anzahl von Leiterabschnitten und
- Verbindungsleiter zwischen den Leiterabschnitten der ge nannten Bereiche zur Bildung eines geschlossenen Strom kreises.

19. Magnetresonanztomographiegerät nach Anspruch 18, beinhal tend folgendes Merkmal:

- Die zweite Anzahl von Leiterabschnitten ist gleich der er sten Anzahl von Leiterabschnitten.

20. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 18 bis 19, beinhaltend folgendes Merkmal:

- Der zweite Bereich ist außerhalb des Gradientenspulensy stems angeordnet.

21. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 18 bis 19, beinhaltend folgende Merkmale:

- Der zweite Bereich ist innerhalb des Gradientenspulensy stems angeordnet,
- die Leiterabschnitte des zweiten Bereichs werden vom Gra dientenspulenstrom entgegengesetzt zu erster Richtung durchflossen und
- der zweite Bereich beinhaltet wenigstens einen Schwin gungsknoten wenigstens einer, vorzugsweise einer lärmrele vanten Eigenschwingungsform.

22. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei eine Schaltvorrichtung vorgenannte Berei che oder Leiterabschnitte innerhalb dieser Bereiche zu einem Gradientenspulenstromkreis wahlweise stromflußwirksam zu- oder weggeschaltet.

23. Magnetresonanztomographiegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 22, wobei die Gradientenspulen als Sattelspulen ausgebildet sind.