DE69325255T2

DE69325255T2 - Verbesserungen an Magneten der Bilderzeugung mittels magnetischer Resonanz

Info

Publication number: DE69325255T2
Application number: DE69325255T
Authority: DE
Inventors: Michael Ben Sellers
Original assignee: Oxford Magnet Technology Ltd
Current assignee: Siemens Magnet Technology Ltd
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1993-11-19
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2013-11-20
Also published as: DE69325255D1; US5431165A; JPH07171131A; GB9307380D0; EP0619499A1; GB2276946A; EP0619499B1; GB2276946B

Description

Die Erfindung betrifft Magneten und insbesondere Magneten der Art, die zur Magnetresonanzbilddarstellung (MRI) bei medizinischen Anwendungen verwendet werden.
Die Theorie und Funktionsweise der Magnetresonanzbilddarstellung sind wohlbekannt und werden deshalb hier nicht im einzelnen erläutert. Allerdings sei unterstrichen, daß zur Erzeugung annehmbarer Bilder ein Magnetfeld vorgesehen sein muß, das ein vorbestimmtes Volumen mit einem sehr homogenen Magnetfluß bietet. Dieses Volumen, das gewöhnlich Abbildungsvolumen genannt wird, könnte als kugelförmig gelten und typischerweise einen Durchmesser von etwa 40 cm aufweisen, wobei der Magnetfluß bis auf hundert ppm oder weniger Ungleichmäßigkeit (ΔB/B) im wesentlichen homogen ist.
Die zur Magnetresonanzbilddarstellung verwendeten Magnete können Permanentmagnete oder Elektromagnete sein, die kryogene Techniken verwenden können, um starke Magnetfelder, typischerweise 0,2 T bis 2 T, zu erzeugen. Leider erzeugt unter allen derzeit bekannten Magneten der Magnet alleine, d. h. der bloße Magnet kein Magnetfeld in dem Abbildungsvolumen, das homogen genug ist. Dies liegt an unvermeidbaren Ungleichmäßigkeiten, die der Auslegung eines Magneten, den Materialien und Toleranzen der Bestandteile innewohnen, aus denen er besteht, und äußeren Einflüssen, die das Feld des Magneten während des Betriebs beeinträchtigen. Deshalb müssen diese Ungleichmäßigkeiten des Magnetflusses korrigiert werden, und zwar in einem Verfahren, das als Abstandsverstellung bekannt ist.
Die Abstandsverstellung ist eine dem Fachmann wohlbekannte Technik; mehrere Abstandsverstellungsverfahren können möglicherweise in Kombination verwendet werden. Es kann beispielsweise eine elektrische Abstandsverstellung verwendet werden, wobei speziell ausgelegte Kupferspulen, häufig mit komplizierten Geometrien in dem Magneten positioniert werden und die Spu len mit einem vorbestimmten Strom erregt werden. Das von diesen Spulen dadurch erzeugte Magnetfeld wird dem von dem bloßen Magneten erzeugten Feld überlagert, so daß in dem Abbildungsvolumen ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld erzeugt wird.
Die elektrische Abstandsverstellung ist zwar eine sehr mächtige Technik, sie unterliegt aber starken Kostennachteilen. Die zusätzlichen Kosten für Spulen und die Erfordernis einer sehr stabilen Stromversorgung sprechen häufig gegen die Verwendung der elektrischen Abstandsverstellung.
Ein alternatives Abstandsverstellungsverfahren, die sogenannte passive Abstandsverstellung, beinhaltet, daß diskrete Teile aus Magnetmaterial, die entweder ferromagnetisch oder permanent magnetisiert sein können, nahe an dem Abbildungsvolumen in vorbestimmten Positionen positioniert werden, um das Feld des bloßen Magnetes so einzuschränken, daß es homogener wird. Dieses Verfahren ist aus der WO 84/00611 bekannt. Der Hauptmangel der passiven Abstandsverstellung liegt darin, daß häufig relativ große Volumina an Abstandsstückmaterialien erforderlich sind, und dafür ist nicht immer Raum verfügbar.
Allerdings muß man bei der Betrachtung von Abstandsstückmaterialien die Wirkung von Temperaturänderungen berücksichtigen, da verfügbare Materialien eine deutliche Temperaturempfindlichkeit besitzen, was bedeutet, daß die Homogenität des Magnetfeldes in dem Abbildungsvolumen in gewissem Maße temperaturempfindlich ist. Der Fachmann weiß wohl, das die Magnetresonanzbilddarstellung die Verwendung von Gradientenspulen beinhaltet, die derart erregt werden, daß ein Magnetfeldgradient über das Abbildungsvolumen erzeugt wird, wobei die Spulen während der Abbildung elektrisch an- und ausgepulst werden. In den Gradientenspulen wird also unvermeidbar Wärme erzeugt, die wiederum die Homogenität des Magnetfeldes in dem Abbildungsvolumen beeinträchtigen kann, wenn temperaturempfindliche Materialien in irgendeiner Menge verwendet werden.
Die Erfindung betrifft Magnete, bei denen das Abbildungsvolumen in einem Bereich zwischen zwei Polstücken gebildet ist, die von einem Rahmen oder 'Joch' auseinandergehalten werden. Bei einem solchen Magneten kann die Polformung als weitere Technik verwendet werden, um ein im wesentlichen homogenes Magnetfeld in dem Abbildungsvolumen zu erzeugen. Dabei kann eine spezielle, getrennte, flexible Polplatte beteiligt sein, die durch einen Luftspalt von dem Hauptpol des Magneten beabstandet ist, wie dies in der EP-A-0 488 015 beschrieben ist. Durch lokales Biegen der Polplatte und demnach durch Veränderung des Luftspalts kann der durch die Polplatte verlaufende Magnetfluß verändert werden. Da der senkrechte Fluß durch die Platte die Magnetfeldverteilung in dem Abbildungsvolumen beeinträchtigt, kann die Homogenität des Magnetfeldes durch eine vorbestimmte Polplatteneinstellung verbessert werden. Allerdings ist die Verwendung von flexiblen Polplatten zur Abstandsverstellung nicht völlig zufriedenstellend. Dies liegt daran, daß der Abstandsverstellvorgang kompliziert und zeitraubend ist und die erforderliche Auflösung für ein homogenes Magnetfeld in dem Abbildungsvolumen sehr schwer zu erreichen ist. Außerdem ist die mechanische Festigkeit flexibler Polplatten nicht gut.
Allerdings besitzt eine getrennte Polplatte einen speziellen, deutlichen Vorteil darin, daß der nachteilige Hystereseeffekt weitgehend beseitigt werden kann. Magnete aus billigem Weichstahl leiden besonders an diesem Phänomen, das sich in einer Verschlechterung der Homogenität des Magnetfeldes in dem Abbildungsvolumen zeigt, wenn die Gradientenspulen gepulst werden. Allerdings wirkt eine getrennte Polplatte als Abschirmung, die dazu dient, den gesamten Rückfluß der Gradientenspule zu führen, und verhindert, daß davon etwas bis zu dem Hauptpol dringt. Durch sorgfältige Auswahl des Materials und des Herstellungsverfahrens für die Polplatte können demnach Hystereseeffekte im wesentlichen verhindert werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt deshalb darin, ein verbessertes Abstandsverstellungsverfahren vorzusehen, bei dem einige der obengenannten Nachteile wenigstens teilweise vermieden sind.
Nach der vorliegenden Erfindung weist ein Magnet zur Magnetresonanzbilddarstellung zwei Pole auf, die an einem Joch gehalten werden und nebeneinander angeordnet sind, um dazwischen ein Abbildungsvolumen zu bilden, wobei die Pole gegenüberliegende Endflächen haben, die jeweils darin eingesetzte Abstandsstücke enthalten, die dazu geeignet und so angeordnet sind, daß sie positionsmäßig in zu der Längsachse der Pole parallelen Richtungen verstellbar sind, um das Magnetfeld in dem Abbildungsvolumen zu homogenisieren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol eine im wesentlichen starre Polplatte hat, die an seiner Endfläche vorgesehen und im wesentlichen rechtwinklig zu der Achse angeordnet ist, wobei die Polplatte sandwichartig zwischen einer Gradientenspule und der Endfläche des Pols angeordnet und von der Endfläche des Pols im Abstand angeordnet ist, dem sie zugeordnet ist, und im Betrieb zum Führen des Rückflusses der Gradientenspule und damit zur Reduzierung der nachteiligen Hysteresewirkung dient.
Durch die Verwendung getrennter, starrer Polplatten ist die nachteilige Wirkung der Hysterese im wesentlichen aufgehoben, ohne daß der mit flexiblen Polplatten verbundene Nachteil vorliegt, und die Homogenität des Magnetfeldes in dem Abbildungsvolumen kann einfach optimiert werden, indem axial verstellbare, in die Pole eingesetzte Abstandsstücke verwendet werden.
Die Abstandsstücke können aus ferromagnetischem Material hergestellt sein.
Die Abstandsstücke können alternativ aus Permanentmagnetmaterial hergestellt sein, das zusätzlich ferromagnetisches Material enthalten kann.
Die Abstandsstücke können wenigstens einen kreisförmigen Ring aufweisen, dessen Position axial von den Polen verstellbar ist.
Mehrere konzentrische Ringe können vorgesehen sein, wobei jeder Ring einzeln verstellbar ist.
Wenigstens ein Ring kann segmentiert sein, wobei jedes Segment des Rings zur individuellen Verstellung geeignet und angeordnet ist.
Die Abstandsstücke können zur Schraubgewindeverstellung geeignet und angeordnet sind.
Jedes Segment kann Mittel zur individuellen Schraubgewindeverstellung aufweisen.
Die Abstandsstücke können so angeordnet sein, daß sie gegen die Vorspannkraft einer Feder verstellbar sind.
Bei einer betrachteten Ausführungsform der Erfindung kann die starre Polplatte für jeden Pol an einer Seite zwischen der Endfläche des Pols, dem sie zugeordnet ist und in die die Abstandsstücke verstellbar eingelassen sind, und an der anderen Seite Gradientenspulen sandwichartig angeordnet sein, wobei ein zylindrischer Raum an jedem Pol, in dem die Polplatte und die Gradientenspulen aufgenommen sind, von zwei kreisförmigen "Rosen"-Ringen, jeweils einem für jeden Pol, umschlossen sind, die an der Endfläche der entsprechenden Pole angeordnet sind. (NB: Der "Rosen"-Ring ist nach seinem Erfinder Rose benannt. Er dient zur Verbesserung der Grundhomogenität des Feldes. Er ist aus dem Stand der Technik wohlbekannt, wenn er auch gewöhnlich über seine Form und Funktion beschrieben wird und nicht "Rosen"-Ring genannt wird.)
Die jedem Pol zugeordnete Polplatte kann so angeordnet sein, daß sie als Substrat dient, auf dem zur Feinabstandsverstellung vorgesehene Permanentmagnete angebracht sind.
Nun wird eine Ausführungsform der Erfindung nur beispielhaft unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
Fig. 1 eine eher schematische Seitenansicht der Pole eines bekannten MRI-Magneten;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Pols eines MRI-Magneten nach einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine eher schematische seitliche Schnittansicht eines Teils des in Fig. 2 gezeigten Pols; und
Fig. 4 eine allgemein schematische Ansicht eines MRI- Magneten, bei der den vorher angegebenen Fig. 2 und Fig. 3 entsprechende Teile die gleichen Bezugsziffern tragen.
Unter Bezug auf Fig. 1 weist ein bekannter Magnet zur Magnetresonanzabbildung zwei Pole 1 und 2 auf. Die Pole 1 und 2 haben Endflächen 1a bzw. 2a, in die ringförmige Gradientenspulen 3 und 4 eingelassen sind. Zur Erzeugung zufriedenstellender Bilder muß der Magnetfluß in einem kugelförmigen Abbildungsvolumen 5 mit einem Durchmesser von etwa 40 cm im wesentlichen bis auf einhundert ppm oder weniger Ungleichmäßigkeit (ΔB/B) homogen sein. Das Abbildungsvolumen 5 ist im Zentrum eines Spalts 6 zwischen den Polen 1 und 2 vorgesehen, in dem ein abzutastender Patient positioniert wird, so daß ein abzutastender Körperbereich innerhalb des Abbildungsvolumens 5 liegt.
Wie oben erläutert, sind MRI-Magnetsysteme wohlbekannt, und die eben beschriebene Anordnung und ihre Betriebsweise ist vom Fachmann leicht zu verstehen.
Unter Bezug auf Fig. 2 ist nun ein Pol eines Magneten nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, aber es versteht sich, daß der Magnet wie in Fig. 4 gezeigt zwei Pole aufweist, die jeweils dem in Fig. 2 gezeigten Pol ähnlich, aber in nebeneinanderliegender Positionsbeziehung angeordnet sind. In Fig. 2 ist ein Pol 7 gezeigt, an dem ein kreisförmiger "Rosen"-Ring 8 angebracht ist, so daß innerhalb des Rings ein zylindrischer Raum gebildet ist, der von Gradientenspulen 9 und einer festgelegten und starren Polplatte 10 eingenommen ist. Die Polplatte 10 ist sandwichartig zwischen der Gradientenspule 9 und einer Endfläche 11 des Pols 7 angeordnet, in die verstellbare Abstandsstüc ke 12 und 13 eingelassen sind. Die Abstandsstücke 12 und 13 sind individuell verstellbar und weisen Segmente eines kreisförmigen Rings auf, der in die Polfläche 11 des Pols 7 eingelassen ist. Die Abstandsstücke 12 und 13 sind derart angeordnet, daß sie in den von den Pfeilen 14 angedeuteten Richtungen 14 parallel zu der Längsachse des Pols 7 verstellbar sind. Zur Minimierung der Reluktanz in den dem Pol 7 und den Abstandsstücken 12 und 13 zugeordneten Magnetpfaden sind die Abstandsstücke 12 und 13 in den Öffnungen 15 bzw. 16 in der Polfläche 11 feinpassend angeordnet, in die sie gleitend eingepaßt sind.
Zur Verstellung der Abstandsstücke 12 und 13 kann zwar jedes geeignete Verfahren verwendet werden, eine Verstellanordnung wird aber nun unter Bezug auf Fig. 3 beschrieben.
Wenden wir uns Fig. 3 zu, wo die Fig. 2 entsprechenden Teile die gleichen Bezugsziffern tragen, dann ist das Abstandsstück 12 an Paßstiften 17 und 18 angebracht, wobei die Verstellung mittels einer Schraube 19 mit einem Feingewinde durchgeführt wird. Die Schraube 19 ist mittels einer Verankerungseinrichtung 20 axial festgelegt und derart angeordnet, daß sie mit komplementären Schraubgewinden 21 zusammenwirkt, die in dem Abstandsstück 12 ausgebildet sind, so daß nach dem Drehen der Schraube 19 die axiale Position des Abstandsstücks 12 gegen die Vorspannkraft von Schraubenfedern 18a verstellt wird, die die Paßstifte 18 umschließen. Die Verstellung kann mittels eines (nicht gezeigten) Keils durchgeführt werden, der so angeordnet ist, daß er in eine komplementäre Öffnung 19a in einem Ende der Schraube 19 paßt, wobei für den Keil ein Zugangsloch 22 in der Polplatte 10 vorgesehen ist, die an nichtmagnetischen Ringen 23 angebracht ist und als Plattform für (nicht gezeigte) diskrete Magnete dient, die für eine passive Feinabstandsverstellung erforderlich sein kann.
Die Platte 10 könnte normalerweise durch (nicht gezeigte) Schrauben an der Platte 7 befestigt sein, die sich durch die Ringe 23 erstrecken.
Man wird verstehen, daß die Abstandsstücke wie das Abstandsstück 12 jede beliebige Kombination und Anzahl von segmentierten Ringen aufweisen können, die in den Polen mit einem beliebigen Radius eingepaßt werden können. Diese Abstandsstücke können so angeordnet sein, daß sie dicht in komplementäre Nuten mit beliebiger Breite oder Tiefe in dem Pol passen, dem sie zugeordnet sind. Die Segmente können nämlich so klein sein, daß sie einzelne Schrauben aufweisen.
Inkrementale Bewegungen der Abstandsstücke oder Segmente können einfach mit einem Feinzeiger gemessen werden, der über Meßlöcher in der Polplatte verwendet werden kann, die zweckdienlich vorgesehen sind.
In Fig. 4 ist gezeigt, daß durch die Verwendung eines Magneten nach der vorliegenden Erfindung die Herstellung einer MRI- Vorrichtung vereinfacht wird, bei der das Abbildungsvolumen und demnach der Patient während der Abbildung für das medizinische Personal zugänglich sind, so daß zur Diagnose und/oder für andere Zwecke dynamische Techniken möglich werden. Der gezeigte Magnet besitzt ein C-förmiges Joch 24. Der Fachmann wird verstehen, daß auch andere Geometrien verwendet werden können, ohne die vorliegende Erfindung in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen.

Claims

1. Magnet zur Magnetresonanz-Bilddarstellung, der zwei Pole (7) aufweist, die an einem Joch (24) gehalten werden und nebeneinander angeordnet sind, um dazwischen ein Abbildungsvolumen zu bilden, wobei die Pole (7) gegenüberliegende Endflächen (11) haben, die jeweils darin eingesetzte Abstandsstücke (12, 13) enthalten, die dazu geeignet und so angeordnet sind, daß sie positionsmäßig in zu der Längsachse der Pole (7) parallelen Richtungen verstellbar sind, um das Magnetfeld in dem Abbildungsvolumen zu homogenisieren, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol (7) eine im wesentlichen starre Polplatte (10) hat, die an seiner Endfläche angeordnet und im wesentlichen rechtwinklig zu der Achse angeordnet ist, wobei die Polplatte (10) sandwichartig zwischen einer Gradientenspule (9) und der Endfläche (11) des Pols (7) angeordnet und von der Endfläche des Pols (7) im Abstand angeordnet ist, dem sie zugeordnet ist, und im Betrieb zum Führen des Rückflusses der Gradientenspule und damit zur Reduzierung der nachteiligen Hysteresewirkungen dient.

2. Magnet nach Anspruch 1, bei welchem die Abstandsstücke (12, 13) aus ferromagnetischem Material hergestellt sind.

3. Magnet nach Anspruch 1, bei welchem die Abstandsstücke (12, 13) aus Permanentmagnetmaterial hergestellt sind, das zusätzlich ferromagnetisches Material enthalten kann.

4. Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Abstandsstücke (12, 13) wenigstens einen kreisförmigen Ring aufweisen, dessen Position axial von den Polen (7) verstellbar ist.

5. Magnet nach Anspruch 4, bei welchem die Abstandsstücke (12, 13) mehrere konzentrische Ringe aufweisen, wobei jeder Ring einzeln verstellbar ist.

6. Magnet nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, bei welchem wenigstens ein Ring segmentiert ist, wobei jedes Segment des Rings zur individuellen Verstellung geeignet und angeordnet ist.

7. Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Abstandsstücke (12, 13) zur Schraubgewindeverstellung (19) geeignet und angeordnet sind.

8. Magnet nach Anspruch 6, bei welchem jedes Segment Mittel zur individuellen Schraubgewindeverstellung aufweist.

9. Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Abstandsstücke (12, 13) so angeordnet sind, daß sie gegen die Vorspannkraft einer Feder (18a) verstellbar sind.

10. Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Feinabstandsverstellung des Magneten mit mehreren diskreten Permanentmagneten durchgeführt wird.

11. Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die starre Polplatte (10) für jeden Pol (7) an einer Seite zwischen der Endfläche (11) des Pols (7), dem sie zugeordnet ist und in die die Abstandsstücke (12, 13) verstellbar eingelassen sind, und an der anderen Seite Gradientenspulen (9) sandwichartig angeordnet ist, wobei ein zylindrischer Raum an jedem Pol (7), in dem die Polplatte (10) und die Gradientenspulen (9) aufgenommen sind, von zwei ringförmigen "Rosen"-Ringen (8), jeweils einem für jeden Pol (7), umschlossen sind, die an der Endfläche der entsprechenden Pole (7) angeordnet sind.

12. Magnet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die jedem Pol (7) zugeordnete Polplatte (10) so angeordnet ist, daß sie als Substrat dient, auf dem zur Feinabstandsverstellung vorgesehene Permanentmagneten angebracht sind.

13. System zur Magnetresonanz-Bilddarstellung, das einen Magneten nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet.