NL8403470A - Nmr-afbeeldstelsel. - Google Patents

Description

» · · N.0. 32820 * /?.

NMR-afbeeldstelsel.

De uitvinding heeft betrekking op een NMR-afbeeldstelsel en in het bijzonder op een stelsel en werkwijze voor het opwekken van gradiënt-velden voor een NMR-afbeeld stelsel.

In ongeveer 1973 werden lineaire veldgradiënten voor het eerst 5 toegepast bij de NMR-inrichting voor het "lokaliseren" van de resonan-tiefrequentie-responsie. Door dit hulpmiddel is het mogelijk om beelden te reconstrueren uit FID-responsies (vrije inductie-afname) die optreden door het tijdelijk onderwerpen van voorwerpen die zich in sterke statische magnetische velden bevinden, aan roterende radiofrequente 10 velden· Sindsdien hebben wetenschappers pogingen ondernomen om spoel-inrichtingen te vinden, die de meest stabiele homogene orthogonale en lineaire gradiëntvelden voortbrengen.

Onder andere moeten de gradiëntvelden binnen korte tijdsperioden worden aan- en uitgeschakeld, zodat het gewenst is dat de spoelen een 15 betrekkelijk lage zelfinductie hebben.

De bekende spoelen die gradiënten opwekken, omvatten onder andere vier theoretisch oneindige geleiders die op gelijke onderlinge afstand in elk van de vier kwadranten van het .vlak liggen, dat wordt bepaald door de richting van het statische veld en de richting van de gradiënt.

20 De geleiders verlopen loodrecht op dat vlak. Een gradiënt VX wordt dus opgewekt door geleiders die loodrecht staan op het XZ-vlak. In de praktijk hebben de gradiëntspoelgeleiders uiteraard een eindige afmeting en de spoelen zijn op toepasselijke wijze door middel van hun eindige vormen beschreven als "trapeziumvormige", "rechthoekvormige", "zadelvormi-25 ge" spoelen en dergelijke.

Teneinde de zelfinductie klein te houden hebben de bekende gra-diëntspoelen een betrekkelijk klein aantal wikkelingen. Het kleine aantal wikkelingen heeft uiteraard het gevolg, dat de magnetische gra-diëntveldsterkte gering is. Het gebruik van de spoelen heeft helaas een 30 nadelig effect op de afname, hetgeen de gedetecteerde FID-signalen nadelig beïnvloedt. De spoelen hebben onvermijdelijk ook een weerstand en wekken daarom warmte op, hetgeen verspilde energie betekent. Behalve de door de weerstand opgewekte warmte treden er nog wervelstroomverliezen in de spoelen op, die het energieverbruik doen toenemen. De bekende 35 gradiëntopwekkingsspoelen beïnvloeden dus de FID-signalen nadelig bij het lokaliseren daarvan. De gradiëntspoelen gaan ook gepaard met energieverliezen.

Zowel de lineariteit als de orthogonaliteit van het door een spoel 8403470 2 1 t i' -¾ opgewekte veld zijn een functie van de geometrie van het stelsel en zijn afhankelijk van details zoals onder andere de geometrische plaats van elk van de wikkelingen ten opzichte van de andere. Het is moeilijk om een geometrische relatie te vinden bij de bekende gradiëntspoelen, 5 die de lineariteit en orthogonaliteit verzekert. Daarom bestaat er een werkelijke behoefte aan verbeterde inrichtingen voor het opwekken van gradiëntvelden.

De uitvinding voorziet in een inrichting voor het opwekken van een gradiëntveld dat bruikbaar is voor het opwekken van gradiëntvelden in 10 een NMR-afbeeldstelsel, welke inrichting voor het opwekken van een gradiëntveld omvat: - een paar tegenover elkaar opgestelde elektrisch geleidende segmenten van een holle cilinder, welke segmenten op in hoofdzaak gelijke onderlinge afstand van een gemeenschappelijke lengtehartlijn liggen, 15 - middelen voor het in dezelfde richting opwekken van een stroom in elk paar segmenten, waarbij de stromen magnetische velden evenwijdig aan de lengtehartlijn opwekken, waarbij het gecombineerde veld uit het paar segmenten nul is in alle punten van een eerste vlak dat een spie-gelsymmetrievlak is van de segmenten, waarbij het gecombineerde veld 20 dat in hoofdzaak lineair in een tweede vlak varieert, dat de lengtehartlijn bevat, loodrecht staat op het eerste vlak en in lengterichting het paar segmenten halveert en waarbij het gecombineerde veld positief maximaal is waar het tweede vlak het eerste segment van het paar halveert en negatief maximaal is waar het tweede vlak het tweede segment 25 van het paar halveert.

Bij een uitvoeringsvorm van de uitvinding zijn middelen aanwezig voor het wijzigen van de uniformiteit van het gradiëntveld door het veranderen van de lengten van de segmenten ten opzichte van de afstand van de segmenten tot de hartlijn en/of de hoekafmetingen van de segmen-30 ten.

Bij een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding zijn middelen aanwezig voorrhet regelen van de vergroting van de stroomdichtheid aan de uiteinden van de segmenten.

Bij nog een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding zijn middelen 35 aangebracht voor het regelen van de gradiënten langs de as loodrecht op de lengtehartlijn om bij te dragen aan het regelen van de gradiëntuni-formiteit.

De uitvinding zal hierna nader worden toegelicht aan de hand van de tekeningen. In de tekeningen tonen: 40 Fig. 1 en 2 uitvoeringsvormen van bekende inrichtingen voor het 8403470 §. ... i I i 3 opwekken van gradiëntvelden,

Fig. 3 schematisch een uitvoeringsvorm van de uitvinding,

Fig. 4 een werkwijze voor het mathematisch analyseren van de inrichting volgens de uitvinding, 5 Fig. 5 en 6 andere uitvoeringsvormen van de uitvinding, en

Fig. 7 de verbindingen van delen van de inrichting volgens fig.

6.

In het verleden werden gradiëntvelden opgewekt door middel van inrichtingen, waaronder de inrichtingen die schematisch in de fig. 1 en 2 10 zijn getoond. In beide figuren zijn de stroom voerende draden die de magnetische velden opwekken, ten opzichte van de orthogonale assen X, Y en Z getoond· De assen worden gebruikt voor de volgende toelichting van de uitvinding en voor het verband van de inrichtingen voor het opwekken van een gradiëntveld met NMR-afbeeldstelsels. Het spiegelsymmetrievlak 15 is het YZ-vlak. In dergelijke stelsels is het statische magnetische veld in het algemeen evenwijdig aan de Z-as en in feite coaxiaal daarmee. De hierin te beschrijven inrichting volgens de uitvinding levert gradiënten in de X-richting en in de Y-richting. De figuren en de daarbij behorende beschrijvingsdelen zijn in werkelijkheid gericht op gra-20 diënten in de X-richting, maar kunnen evengoed gelden voor gradiënten in de Y-richting. De inrichtingen behoeven daarvoor slechts over 90° te worden verdraaid.

Bij de in fig. 1 getoonde bekende inrichting 11 voor het opwekken van een gradiëntveld wordt gebruik gemaakt van vier theoretisch onein-25 dige draden 12, 13, 14 en 16 die in de vier hoekpunten van een denkbeeldige rechthoek zijn aangebracht, waarbij het 0-punt van het orthogonale coördinatenstelsel in het midden van de rechthoek ligt.

De stroom vloeit in dezelfde richting door elke draad, zoals door de pijlen is aangegeven. Daarom zijn de opgewekte magnetische velden 30 gelijk aan nul in de XY- en YZ-vlakken. Het veld heeft een gradiënt langs de X-as in het XZ-vlak (en vlakken evenwijdig daaraan).

Kort samengevat geldt voor de gradiënt: t) Bz 35 Vx - -- D.x

De draden zijn in werkelijkheid niet oneindig lang. In plaats daarvan worden in fig. 2 getoonde inrichtingen in bekende stelsels toe-40 gepast. De inrichting 17 van fig. 2 wordt dikwijls een "zadel" genoemd.

8403470 * · / 4

Opgemerkt wordt dat in vele opzichten deze inrichting overeenkomt met de inrichting van fig. 1. Er zijn vier draden 18, 19, 21 en 22 die in resp. evenwijdig aan het XZ-vlak liggen en elk stroom in dezelfde richting voeren, zoals door middel van de pijlen is aangegeven. De draden 5 18 en 22 zijn door draden 23 en 24 verbonden, terwijl de draden 19 en 21 door de draden 26 en 27 zijn verbonden. De lussen die uit de draden 18, 23, 22 en 24 respectievelijk 19, 26, 21 en 27 zijn gevormd, worden parallel gevoed vanuit een constante stroombron Ic via de geleiders 28 en 29. Hier wordt weer de gradiënt opgewekt: 10 0 Bz

Vx--

0X

15 Deze bekende inrichtingen bestaan uit spoelen die gepaard gaan met de hierboven genoemde problemen.

Discussies over gradiëntspoelen waarin deze en andere spoelinrich-tingen worden besproken, zijn te vinden in een artikel "Magnetic Field Gradient Coils for NMR Imaging" van V. Bangert en F. Mansfield versche-20 nen op biz. 235 e.v. van Journal of Physics E, (Scientific Instruments) volume 15, 1982 en op biz. 263 e.v. van het boek "NMR Imaging in Biomedicine" van P. Mansfield en P.G. Morris, gepubliceerd in 1982 door Academic Press.

In het stelsel 31 van fig. 3 wordt gebruik gemaakt van gebogen 25 platen 32 en 33 in plaats van de bekende draden of spoelen voor het geleiden van de stroom I die het veld opwekt. De platen 32 en 33 zijn bij voorkeur segmenten van een holle cilinder. De stroom vloeit vanaf de bovenzijde naar de benedenzijde daarvan om tegengesteld gerichte velden op te wekken. De stroomverdeling en dus de velduniformiteit wordt niet 30 beïnvloed door de geometrie van de veldopwekkingsinrichtingen, omdat er geen spoelen zijn. In plaats daarvan wordt de stroombron Ic via geleiders 34 en 36 volgens een parallelschakeling aangesloten op de bovenzijden van de platen 32 respectievelijk 33.

De benedenzijden van de platen zijn via de geleiders 37 en 38 pa-35 rallel geschakeld. De parallel geschakelde geleiders zijn via de geleiders 39 en 41 met de stroombron verbonden. De stroom in de plaat is extreem uniform vergeleken met de stroom in spoelen.

De fysische kenmerken die variabel zijn, namelijk de lengte ZL en de hoekafmeting 2 Θ van de platen worden gebruikt om de symmetrie, 40 lineariteit en uniformiteit van het gradiëntveld te optimaliseren. De 8403470 I * 5 <r * mathematische beschrijving van de platen kan worden geanalyseerd door beschouwing van een strook van een plaat met een hoogte dl en een lengte 2L, die in het orthogonale stelsel X, Y en Z is geplaatst. Het veld in een punt P (Χ,Υ,Ζ) kan worden berekend door toepassing van de wet 5 van Biot en Savart en de integratieregel van Simpson. Voor het veld geldt in het bijzonder: μο I dl cos Θ L - z L + z dBz * ' .....— + . ......—- 10 4 Tfr V (L-z)2+r2 '/(L-z)2-^2 waarbij: μο de permeabiliteit van lucht is, I de stroomdichtheid in de strook is, 15 z de lineaire lokatie van het veld Bz is, L de halve lengte van de strook is, r de radiale afstand van P tot de strook is, en Θ de hoekafstand van Z tot de X-as is.

Opgemerkt wordt dat slechts het magnetische veld Bz relevant is, 20 aangeziên de velden By en Bx loodrecht staan op het veld Bz, zodat deze velden slechts effecten van de tweede orde hebben.

Het totale veld Bz wordt verkregen door het integreren van dBz over het gehele segment, zodra de waarden van Θ en r in de vergelijking zijn gesubstitueerd. Opgemerkt wordt, dat de uitvinding geenszins 25 is beperkt tot de voorgestelde integratiemethode. Gevonden is dat de maximale gradiëntuniformiteit wordt verkregen, wanneer de hoek Θ ongeveer TC/3 is. Voorts is gevonden, dat wanneer L * 2R, het segment een voldoende lengte heeft om de uniformiteit te verzekeren, waarbij R de straal van de cilinder is.

30 Middelen zijn aangebracht om de cilindrische segmenten te kunnen verkorten en/of voor het verbeteren van de uniformiteit van het veld.

Meer in het bijzonder zijn middelen aangebracht voor het vergroten van de stroomdichtheid in de richting van de uiteinden van de segmenten.

Bij de bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm 43 van fig. 5 zijn de 35 segmenten 32 en 33 elk verdeeld in vier secties. Het segment 32 is dus verdeeld in de secties 44, 46, 47 en 48. Elke sectie is van zijn aangrenzende sectie geïsoleerd. De buitenste secties 48 en 44 zijn korter dan de binnenste secties, zodat Ll = L4 <L2 = L3, waarbij door elke sectie dezelfde stroom (in serie geschakeld) vloeit, maar elke sectie 40 een afwijkende stroomdichtheid heeft. Bij een bij voorkeur toe te pas- 8403470 Λ I» 4· 6 sen uitvoeringsvorm geldt L1/L3 * 7/9, waarbij L - 1,6R.

Gevonden is dat de uniformiteit van de gradiënten in de X- en Y-richtingen worden beïnvloed door veranderingen van de waarde van 0. Waarden van 0 tot 1,08 radialen geven een goede uniformiteit in de 5 X-richting, terwijl waarden van 0 tot ongeveer 1,21 radialen een goede uniformiteit in de Y-richting opleveren.

Middelen zijn aangebracht voor het zo laag mogelijk houden van de gevoeligheid van de uniformiteit van de velden die door de in secties verdeelde segmenten van fig. 5 worden opgewekt, op variaties van de 10 waarde van 0. Meer in het bijzonder wordt door toepassing van de inrichting 51 van fig. 6 een goede uniformiteit in zowel de X- als Y-richting bereikt zelfs bij een variatie van de waarde van 0. Daarbij worden stroom voerende langssegmenten 53 en 54 aan de inrichting 43 van fig. 5 toegevoegd. De segmenten 53 en 54 strekken zich evenwijdig aan 15 de Z-as in het XZ-vlak uit* Dit beïnvloedt in omgekeerde zin de gra-diënten in de X- en Y-richtingen waardoor effecten van variaties van 0 op de uniformiteit van de veldgradiënten in de X- en Y-richtingen worden gecompenseerd.

De secties 53 en 54 zijn van de andere secties van de segmenten 20 geïsoleerd en zijn daarmee in serie geschakeld. De verbindingen tussen de segmenten zijn in fig. 7 getoond. Opgemerkt wordt dat de drie secties in elk kwadrant, zoals in fig. 6 is getoond, op doelmatige wijze spoelen met drie wikkelingen vormen. De stroom die via de geleider 55 wordt toegevoerd, vloeit door het segment 47 naar de geleider 56. De 25 geleider 56 voert de stroom naar het segment 48. De stroom vloeit door het segment 48 naar de geleider 57 die naar het segment 54 verloopt en daarvan af naar de geleider 58.

Bij een bij voorkeur toe te passen uitvoeringsvorm zijn de segmenten 53 en 54 het meest doelmatig wanneer 0 gelijk was aan 0,2 radialen 30 en 0 gelijk was aan 1,21 radialen.

Door toepassing van de geleidende gebogen platen in inrichtingen voor het opwekken van gradiëntvelden werden een uitstekende veldunifor-miteit, lineariteit en orthogonaliteit bereikt vergeleken met draad-gewikkelde spoelen. Het is voordelig om geleiders met een hoge stroomca-35 paciteit toe te passen voor het koppelen van de platen aan de stroombron.

Hoewel de uitvinding aan de hand van een aantal uitvoeringsvormen is beschreven, is het duidelijk dat deze beschrijving bij wijze van voorbeeld is gegeven en niet enige beperking van het kader van de uit-40 vinding met zich meebrengt.

3403470

Claims (14)

1. Stelsel voor het opwekken van een gradiëntveld, gekenmerkt door een paar tegenover elkaar geplaatste, elektrisch geleidende segmenten van een holle cilinder, welke segmenten op een in hoofdzaak gelijke af- 5 stand van een gemeenschappelijke lengtehartlijn liggen, middelen voor het in dezelfde richting opwekken van een stroom in elk van de segmenten, waarbij de stroom een magnetisch veld rondom elk segment opwekt, dat evenwijdig is aan de lengtehartlijn, waarbij het gecombineerde veld rondom elk paar segmenten nul is in alle punten In een eerste vlak dat 10 het spiegelsymmetriev lak is van het genoemde paar segmenten, welk gecombineerde veld voorts in hoofdzaak lineair verandert in een tweede vlak dat de lengtehartlijn bevat, loodrecht staat op het eerste vlak en in lengterichting het paar segmenten halveert en waarbij het magnetische veld positief maximaal is waar het tweede vlak het eerste segment 15 van het paar halveert en negatief maximaal is waar het tweede vlak het andere segment van het paar halveert·

2. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat middelen aanwezig zijn voor het veranderen van de gradiëntvelduniformiteit.

3. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat middelen zijn 20 aangebracht voor het veranderen van de lengten van de geleidende segmenten ten opzichte van de afstand van de segmenten tot' de gemeenschappelijke lengtehartlijn·

4. Stelsel volgens conclusie 1, gekenmerkt door middelen voor het veranderen van de hoekafmeting van het paar geleidende segmenten·

5. Stelsel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat middelen aan wezig zijn voor het veranderen van de lengten van de segmenten ten opzichte van de afstand van de segmenten tot de gemeenschappelijke lengtehartlijn.

6. Stelsel volgens een van de conclusies 1 t/m 5, gekenmerkt door 30 middelen voor het regelen van de stroomdichtheid aan de uiteinden van de segmenten.

7· Stelsel volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat middelen aanwezig zijn voor het verdelen van de segmenten in buitenste secties aan de uiteinden van de segmenten en binnenste secties, welke buitenste 35 secties kleiner zijn dan de binnenste secties, dat middelen zijn aangebracht voor het van elkaar isoleren van de secties en dat middelen aanwezig zijn voor het in serie schakelen van de secties.

8. Stelsel volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat elk segment is verdeeld in vier secties, waarbij de twee buitenste secties kleiner 40 zijn dan de twee binnenste secties. 8403470

9. Stelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de verhouding van de lengte van de buitenste secties en de lengte van de binnenste secties gelijk is aan 7/9 en dat de totale lengte van elk segment gelijk is aan 1,6 maal de afstand tussen de segmenten en de lengtehart- 5 lijn.

10. Stelsel volgens een van de conclusies 1 t/m 9, gekenmerkt door middelen voor het zo laag mogelijk houden van de gevoeligheid van de inrichtingen voor het opwekken van een veld voor variaties in de hoek-afmeting van de segmenten.

11. Stelsel volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat een verder segment is geïsoleerd van elk van de genoemde segmenten en in lengterichting bevestigd is bij de middenpunten van de segmenten en zich in hoofdzaak over de gehele lengte van elk van de segmenten uitstrekt.

12. Stelsel volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de hoekaf- 15 meting van het verdere segment gelijk is aan 0,2 radialen wanneer de hoekafmeting van elk van het paar segmenten 1,21 radialen is.

13. Stelsel volgens conclusie 11 of 12, met het kenmerk, dat middelen zijn aangebracht voor het in serie schakelen van de verdere segmenten met de genoemde secties van het segment, waaraan het verdere 20 segment is bevestigd.

14. Stelsel volgens een van de conclusies 1 t/m 13, met het kenmerk, dat dit zich bevindt in een orthogonaal stelsel, waarbij het spiegelsymmetrievlak het YZ-vlak en het tweede vlak het XZ-vlak zijn, waarbij de gradiënt een magnetisch veld Bz beïnvloedt en wordt voorge- 25 steld door Vx * c)bz/c)x. H-l I I H- « 8403470