DE3821258A1

DE3821258A1 - Magnetfeld-kompensationsvorrichtung

Info

Publication number: DE3821258A1
Application number: DE3821258A
Authority: DE
Inventors: Shigenori Kuroda; Moriaki Takechi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1989-01-05
Also published as: GB8814879D0; GB2207762B; US4945446A; JPH0453086B2; GB2207762A; JPS64714A

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung, die die in radialer Richtung liegende Komponente eines Fehler- oder Störfeldes kompensiert, das in einem Magnetfeld enthalten ist, das von der Hauptspule einer in einem Magnetresonanzgerät verwendeten Magnetvorrichtung erzeugt wird, und betrifft insbesondere eine kleine, kostengünstige und hochgenaue Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung.

Im allgemeinen ist bei einem supraleitenden Magnetresonanzgerät die Gleichmäßigkeit des Magnetfeldes in einem Gebiet, in dem ein zu untersuchendes Objekt angeordnet wird, eine der wesentlichen Eigenschaften. Dementsprechend sind für eine Hauptspule zum Erzeugen eines Ausgangsmagnetfeldes einer Magnetvorrichtung, die für ein Magnetresonanzgerät verwendet wird, verschiedene Überlegungen bezüglich ihrer Gestalt, ihrer Stromverteilung u. ä. angestellt worden, um das Magnetfeld besonders gleichmäßig zu machen.

Ein sehr gleichmäßiges Magnetfeld wird leicht aufgrund innerer Bedingungen des Magneten wie z. B. der Herstellungsgenauigkeit und der Temperaturverhältnisse oder durch Umweltbedingungen, wie z. B. das Vorhandensein von ferromagnetischen Substanzen in der Nähe des Magnets, verschlechtert. Daher ist bis heute in einem Magnetfeldresonanzgerät eine Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung zum Kompensieren eines Fehler-Magnetfelds eingebaut worden.

Die Komponente B (X, Y, Z) des Fehler-Magnetfeldes kann durch die folgende MacLaurin-Entwicklung des Ausgangsmagnetfeldes beim Zentralpunkt des Magnetfeldes dargestellt werden:

Hierbei bedeutet B₀ eine notwendige Komponente des gleichmäßigen Magnetfeldes, und B₁X, B₂Y und B₃Z stellen Fehlerkomponenten erster Ordnung des Magnetfeldes in der X, der Y bzw. der Z- Richtung dar. Auf B₁X, B₂Y und B₃Z folgen der Reihenfolge nach die Komponenten höherer Ordnung des Fehlermagnetfeldes.

Wenn das durch die Hauptspule erzeugte Hauptmagnetfeld in der Z-Richtung liegt, so werden Fehlermagnetfeld-Komponenten, die X- und/oder Y enthalten (beispielsweise B₁X, B₂Y, B₁X², B₅Y², B₇XY, B₈YZ, B₉ZX, . . .), als Fehlermagnetfeldkomponenten in radialer Richtung (im folgenden auch Radial-Fehlermagnetfeldkomponenten) bezeichnet.

Bis heute ist die Kompensation der Radial-Fehlermagnetfeldkomponenten für jede Komponente durchgeführt worden. Wenn die Kompensation beispielsweise unter Verwendung von Spulen durchgeführt worden ist, so sind dementsprechend eine Reihe von unabhängigen Spulen wie eine X-Kompensationsspule (X-sim-Spule), eine Y-Kompensationsspule (Y-sim-Spule), eine XY-Kompensationsspule (XY-sim-Spule), die den einzelnen Komponenten entsprechen, angeordnet worden.

Fig. 1 zeigt in einem Blockdiagramm eine X-Kompensationsspule in einer herkömmlichen Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung. In dem Diagramm bezeichnen die Bezugszeichen 11 bis 14 vier sattelförmig ausgestaltete Spulen, die zylinderförmig installiert und entlang der Z-Richtung angeordnet sind. Diese Spulen 11 bis 14 bilden eine Familie von Spulen einer Einheit, und sie sind miteinander in Reihe geschaltet, um durch eine (nicht dargestellte) Spannungsversorgung gespeist zu werden. Ein Pfeil i zeigt den in den Spulen 11 bis 14 fließenden Strom an, das Zeichen a den Radius der Bogensegmente der Spulen 11 bis 14, und das Zeichen R die Winkelapertur der Bogensegmente.

Die eigentliche Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung besitzt einen mehrlagigen Aufbau, bei dem andere (nicht dargestellte) zylindrische Kompensationsspulen auf der in Fig. 1 dargestellten Familie von Spulen aufgestapelt und der Reihe nach konzentrisch angeordnet sind, um Fehlermagnetfeldkomponenten in den obenerwähnten anderen radialen Richtungen (beispielsweise Z²X- Komponente, eine X³-Komponente usw.) zu kompensieren. Da eine Spulenfamilie zum Kompensieren der Komponenten höherer Ordnung des Fehlermagnetfeldes, wie z. B. der Z²X-Komponente, der X₃- Komponente usw. mit 6 bis 8 sattelförmigen Spulen ausgestattet ist, werden 18 oder mehr sattelförmig gestaltete Spulen benötigt, um für drei die X-Komponente enthaltende Komponenten die Magnetfeldkompensation durchzuführen.

Fig. 2 zeigt in einem Seitenschnitt ein Beispiel eines supraleitenden Magneten, um den die in Fig. 1 dargestellte X-Kompensationsspule zusammen mit anderen Kompensationsspulen (Y, Z, ZX, XY---) angeordnet ist. Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2.

In den Diagrammen bezeichnet das Bezugszeichen 30 eine Öffnung des supraleitenden Magneten, 31 einen supraleitenden Hauptmagneten und 32 eine Kompensationsspule, die als supraleitende Spule ausgestaltet und konzentrisch zur supraleitenden Hauptspule 31 angeordnet ist. Das Bezugszeichen 33 bezeichnet einen Flüssighelium-Tank, der die supraleitende Hauptspule 31 und die Kompensationsspule 32 enthält und der einen Wärmeschild bildet, 34 einen Flüssighelium-Tank und 35 einen Vakuumbehälter, der den Flüssighelium-Tank 34 einschließt. Mit 36 ist eine Kompensationsspule bezeichnet, die als gewöhnliche leitende Spule ausgeführt und in der Öffnung 30 angeordnet ist. Manchmal sind beide Kompensationsspulen 32 und 36 installiert, manchmal nur eine von ihnen.

Es wird nur der Kompensationsvorgang für ein Fehlermagnetfeld in Z-Richtung unter Verwendung der X-Kompensationsspule nach Fig. 1 beschrieben. Eine Magnetfeld-Komponente, die das Fehlermagnetfeld in der Z-Richtung kompensiert, wird nur durch den Bogenabschnitt der sattelförmig gestalteten Spulen 11 bis 14 erzeugt, die jeweils den bogenförmigen Abschnitt und einen linearen Abschnitt aufweisen. Der Ausdruck, der das Ausgangsmagnetfeld B _z (x, y, z) zu dieser Zeit darstellt, ist der folgende:

B _z (x, y, z)
= x∂B _z/∂x + (x³/6) ∂³B _z/∂x³ + (xy²/2) ∂³B _z/∂x∂y²
+ (xz²/2) ∂³B _z/∂x∂z² + (x⁵/120) ∂⁵B _z/∂x⁵
+ (x³y²/12) ∂⁵B _z/∂x³∂y² + (xy⁴/24) ∂⁵B _z/∂x∂y⁴
+ (x³z²/12) ∂⁵B _z/∂x³∂z²
+ (xy²z²/4) ∂⁵B _z/∂x∂y²∂z²
+ (xz⁴/24) ∂⁵B _z/∂x∂z⁴ + . . . (2)

Der Ausdruck (2) stellt die Ausgangsgrößen erster Ordnung, dritter Ordnung und bis fünfter Ordnung dar und vernachlässigt die Ausgangsgrößen von viel höheren Ordnungen.

Im Fall der X-Kompensationsspule ist der erste Term der ersten Ordnung in dem Ausdruck (2) ein effektiver Term, und der Term der dritten Ordnung und der Term von Ordnungen, die nicht kleiner sind als die fünfte Ordnung, werden zu Fehlern der Kompensation. Wenn die partiellen Ableitungen in dem Ausdruck (2) konkret dargestellt werden, können sie durch den Radius a, die Winkelapertur R des bogenförmigen Abschnitts und die Position in Z-Richtung dargestellt werden, an der der Bogenabschnitt angeordnet ist. Bei der X-Kompensationsspule werden daher geeignete Werte für die Position in Z-Richtung und für die Winkelapertur R des bogenförmigen Abschnitts (Bogensegments) gewählt, und der Term der dritten Ordnung (oder Terme von Ordnungen, die nicht kleiner sind als fünfter Ordnung) im Ausdruck (2) wird (oder werden) als Gesamtsumme der acht bogenförmigen Abschnitte der jeweiligen sattelförmig gestalteten Spulen 11 bis 14 eliminiert.

Um die anderen Komponenten klein zu machen, wird dementsprechend die Position in Z-Richtung begrenzt, und gleichzeitig wird die Winkelapertur R begrenzt und kann nicht groß gemacht werden. Im Ergebnis werden die Kompensations-Magnetfeldwicklungen je Ampre-Windung kleingehalten.

Entsprechend der obigen Beschreibung hat eine konventionelle Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung die folgenden Nachteile:

Da die Magnetfeld-Kompensation in radialer Richtung nur für eine Komponente ausgeführt wird (beispielsweise für die X-Komponente), werden die Positionen in Z-Richtung des bogenförmigen Abschnitts der Kompensationsspule, deren Winkelapertur R u. ä. begrenzt, um die anderen Komponenten auf Null zu bringen oder ausreichend klein zu machen. Dementsprechend werden die Kompensations- Magnetfeldkomponenten je Ampre-Windung klein, so daß der Genauigkeitsgrad der Vorrichtung abnimmt. Weiterhin werden bei der Kompensationsspule für die Fehlerkomponenten höherer Ordnung der Hauptspule die Anzahl der sattelförmigen Spulen und die Anzahl von deren Lagen erhöht, wodurch die Vorrichtung größer oder gleichzeitig teurer wird.

Aufgabe der Erfindung ist dementsprechend, eine hochgenaue Magnetfeld- Kompensationsvorrichtung anzugeben, die klein und billig ist, indem die Anzahl der sattelförmig gestalteten Spulen und die Anzahl von deren Lagen herabgesetzt wird, und die gleichzeitig in der Lage ist, die Kompensations-Magnetfeldkomponente mit weniger Ampre-Windungen zu erzeugen.

Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Magnetresonanzgerät mit einer Anzahl von Kompensationseinheiten ausgestattet, die aus einer Anzahl von in Reihe geschalteten Spulen bestehen, von denen jede konzentrisch zum Hauptmagnetfeld und symmetrisch bezüglich einer zum Hauptmagnetfeld senkrechten Ebene angeordnet ist, und die eine Anzahl von Spannungsversorgungsquellen aufweist, um diesen Kompensationseinheiten getrennt Versorgungsströme zuzuführen.

Dementsprechend weist jede Kompensationseinheit in radialer Richtung eine Anzahl von Komponenten unter den Fehlermagnetfeldern auf. Diese Komponenten werden simultan durch die Zusammenfassung der Anzahl von Kompensationseinheiten kompensiert, und jeder Strom in jeder Kompensationseinheit wird entsprechend deren Beschaffenheit eingestellt, wodurch die Stromeinstellung in jeder Kompensationseinheit durchgeführt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer konventionellen Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung

Fig. 2 einen Seitenschnitt durch den Aufbau eines allgemeinen supraleitenden Magneten

Fig. 3 einen Schnitt durch die Fig. 2 entlang der Linie 3-3

Fig. 4 zeigt in einem Diagramm schematisch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und

Fig. 5 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau einer Spannungsversorgung für die Familie der in Fig. 4 dargestellten Spulen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm für ein Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung. Fig. 5 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau der Spannungsversorgungen für die Familie der Spulen der Fig. 4. In den Fig. 2 und 3 ist die Beschaffenheit eines supraleitenden Magneten dargestellt, um den die Familie von Spulen angeordnet ist. Dargestellt ist der Fall, bei dem unter den Fehlermagnetfeld-Komponenten der Hauptspule die X-, Z²X- und X³-Komponenten kompensiert werden.

In den Zeichnungen bezeichnen die Bezugszeichen 101 bis 112 zwölf sattelförmig gestaltete Spulen, die entlang der Z-Richtung angeordnet sind. Die Spulen 101 bis 104 bilden eine erste Kompensationseinheit U 1, die Spulen 105 bis 108 eine zweite Kompensationseinheit U 2, die Spulen 109 bis 112 eine dritte Kompensationseinheit U 3, und die jeweiligen Kompensationseinheiten sind in Reihe geschaltet, um drei in Reihe geschaltete Spulen zu bilden. Die sattelförmig gestalteten Spulen 105 bis 108 der zweiten Kompensationseinheit U 2 sind paarweise zu beiden Seiten der sattelförmigen Spulen 101 bis 104 der ersten Kompensationseinheit U 1 angeordnet. Die entsprechenden sattelförmig gestalteten Spulen 109 bis 112 der dritten Kompensationseinheit U 3, die der Einfachheit halber in der unteren Stufe dargestellt ist, sind konzentrisch aufgestapelt und in Praxis so angeordnet, daß ihre X-, Y- und Z-Richtungen mit jenen der entsprechenden sattelförmig gestalteten Spulen 101 bis 104 der ersten Kompensationseinheit U 1 zusammenfallen. Dementsprechend sind die sattelförmig gestalteten Spulen 101 bis 112 so angeordnet, daß sie bezüglich einer zur Z- (Hauptmagnetfeld-)Richtung senkrechten XY-Ebene symmetrisch sind für jede der Kompensationseinheiten U 1 bis U 3. Pfeile i 1 bis i 3 zeigen Ströme, die in den sattelförmig gestalteten Spulen 101 bis 112 der jeweiligen Kompensationseinheiten U 1 bis U 3 fließen, und Bezugszeichen 21 bis 23 zeigen drei Spannungsversorgungen, um getrennt Ströme der jeweiligen Kompensationseinheiten U 1 bis U 3 zuzuführen. Im folgenden wird die Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels beschrieben. Wenn die sattelförmig gestalteten Spulen 101 bis 112 durch die Spannungsversorgungen 21 bis 23 erregt werden, werden Ausgangsmagnetfelder von den jeweiligen Kompensationseinheiten U 1 bis U 3 erzeugt. In axialer Richtung erzeugte Ausgansmagnetfelder, die aus der Summe dieser drei Ausgangsmagnetfelder zusammengesetzt sind, werden in drei Kompensations-Magnetfeldkomponenten aufgeteilt, nämlich B _z (X-Komponente), B _z (Z²X-Komponente) und die B _z (X³-Komponente), die sich nach dem Ausdruck (2) wie folgt darstellen lassen:

B _z (X-Komponente)
= x(∂B _z/∂x)₁ (AT1) + x(∂B _z/∂x)₂ (AT2)
+ x(∂B _z/∂x)₃ (AT3)

B _z (Z²X-Komponente)
= (z²x/2) (∂³B _z/∂x∂z²)₁ (AT1)
+ (z²x/2) (∂³B _z/∂x∂z²)₂ (AT2)
+ (z²x/2) (∂³B _z/∂x∂z²)₃ (AT3)

B _z (X³-Komponente)
= (x³/6) (∂³B _z/∂x³)₁ (AT1)
+ (x³/6) (∂³B _z/∂x³)₂ (AT2)
+ (x³/6) (∂³B _z/∂x³)₃ (AT3)

Hierbei bedeuten die Indices 1 bis 3 eine Komponente einer jeden Kompensationseinheit U 1 bis U 3, und die Abkürzungen AT1 bis AT3 bedeuten die Ampre-Windungen in den sattelförmig gestalteten Spulen der Kompensationseinheiten U 1 bis U 3. Durch Umformen dieser Ausdrücke ergibt sich das erforderliche Magnetfeld durch den folgenden Ausdruck (3): Mit anderen Worten, wird es durch das Produkt der Matrix, die sich aus der Konstruktion der Familie der Spulen bestimmt, mit der durch die Ampre-Windungen bestimmten Matrix dargestellt. Indem man aus dem ersten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (3) eine inverse Matrix macht, können die Stromwerte der jeweiligen Kompensations-Versorgungsquellen 21-24, die den drei Komponenten der von den Hauptspulen erzeugten Fehlermagnetfelder entsprechen, eingestellt werden. Wenn man ein System einführt, das Magnetfeld-Fehlerkomponenten einer Anzahl von Hauptspulen unter Verwendung einer Kompensationseinheit kompensiert, wird auf diese Weise die feste Kompensation für Magnetfeld-Fehlerkomponenten der Hauptspule mit anderen Kompensationseinheiten ausgeführt, Stromwerte werden für die Gesamtheit der Kompensationseinheiten eingestellt, und die Stellung des bogenförmigen Abschnitts in der Z-Richtung und die Winkelapertur davon können besonders genau eingestellt werden. Im Ergebnis können die Begrenzungen der Konstruktion erleichtert werden.

Dementsprechend hat eine Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung nach dem Aufbau der vorliegenden Erfindung die in den nachfolgenden Punkten (i) bis (iii) dargestellten Vorteile:

(i) Die vorerwähnten drei Magnetfeld-Komponenten können durch nur 12 sattelförmig gestaltete Spulen 101 bis 112 kompensiert werden, wodurch die Anzahl der sattelförmig gestalteten Spulen und die Anzahl von Lagen der Spulen reduziert werden.
(ii) Da die Bedingungen für die Position in Z-Richtung und für die Winkelapertur R erleichtert sind, kann man eine sattelförmig gestaltete Spule mit hoher Genauigkeit für das Ausgangsmagnetfeld herstellen, wodurch ein geringes Gewicht des Geräts und eine Reduzierung dieser Spannungen und Ströme der Spannungsversorgungsquelle erreicht werden.
(iii) Da die Magnetfeldkompensation durch die Gesamtheit der Anzahl von Kompensationseinheiten U 1 bis U 3 durchgeführt wird, werden die Magnetfeldeigenschaften verbessert, und man erhält durch Kombination der Kompensationseinheiten U 1 bis U 3 eine höhere Ausgangs-Genauigkeit.

Obgleich in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Familie von Spulen, die die X-Komponente, die Z²X-Komponente und die X³-Komponente erzeugen, beispielhaft dargestellt ist, kann vorliegende Erfindung selbstverständlich mit dem gleichen Aufbau unter Verwendung einer Familie von Spulen, die die Y-Komponente, die Z²Y-Komponente und die Y³-Komponente erzeugen, ausgeführt werden. Diese Komponenten können mit anderen Magnetfeldkomponenten unter Verwendung einer Kombination eines Spulensystems und von Kompensationseinheiten kombiniert werden.

Wenngleich der Aufbau mit zwei Lagen ausgeführt war, in dem die dritte Kompensationseinheit U 3 als andere Schicht angeordnet wurde, kann die Konstruktion auch aus einer einzelnen Schicht bestehen, indem eine Schicht, die die erste Kompensationseinheit U 1 enthält, in Z-Richtung erstreckt wird, um die gleiche Schicht zu bilden.

Die voran beschriebene Erfindung hat die Wirkung, daß man ein Magnetfeld-Kompensationsgerät erzielt, das in der Lage ist, die Anzahl der Spulen zu reduzieren, mit weniger Ampre-Windungen Kompensationsmagnetfeldkomponenten zu erzeugen, die klein ist, wenig Gewicht hat, geringe Kosten verursacht und in ihren Ausgangsgrößen sehr genau sind, weil die Vorrichtung mit einer Anzahl von Kompensationseinheiten ausgestattet ist, die eine Anzahl von in Reihe geschalteten Spulen aufweist, von denen jede konzentrisch entlang dem Hauptmagnetfeld und symmetrisch zu einer Ebene ist, die senkrecht zum Hauptmagnetfeld liegt und die eine Anzahl von Versorgungsquellen aufweist, die den Kompensationseinheiten separat Versorgungsströme zuführen, und die so gestaltet ist, daß eine Anzahl von Magnetfeldkomponenten durch jeder der Kompensationseinheiten erzeugt wird, ein Kompensationsfeld durch die Gesamtheit der Anzahl von Kompensationseinheiten erzielt wird und bei der gleichzeitig jeder der den Kompensationseinheiten zugeführten Ströme entsprechend dem Zustand von jeder der Kompensationseinheiten bestimmt wird.

Claims

1. Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung zum Kompensieren von Fehlermagnetfeldern in radialer Richtung einer Magnetvorrichtung, die in einer Magnetresonanzvorrichtung verwendet wird, gekennzeichnet durch
eine Anzahl von Kompensationseinheiten (U 1 bis U 3), die eine Anzahl von seriellen Spulen (101 bis 112) umfaßt, von denen jede konzentrisch entlang dem Hauptmagnetfeld und symmetrisch bezüglich einer zum Hauptmagnetfeld senkrechten Ebene angeordnet ist, eine Anzahl von Spannungsversorgungen (21 bis 23), die separat diesen Kompensationseinheiten Ströme zuführen, wobei die Anordnung so ist, daß eine Anzahl von Komponenten unter den Fehlermagnetfeldern in radialer Richtung in jeder der Kompensationseinheiten enthalten ist, eine Anzahl dieser Komponenten durch die Gesamtheit der Anzahl von Kompensationseinheiten kompensiert wird und gleichzeitig jeder der den Kompensationseinheiten zugeführten Ströme entsprechend dem Zustand jeder der Kompensationseinheiten bestimmt wird. 2. Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kompensationseinheiten eine erste Kompensationseinheit (U 1) umfaßt, die aus vier zylindrisch angeordneten, sattelförmig gestalteten Spulen besteht, eine zweite Kompensationseinheit aufweist, die aus vier zylindrisch paarweise zu beiden Seiten der ersten Kompensationseinheit (U 1) angeordneten, sattelförmig gestalteten Spulen besteht, und eine dritte Kompensationseinheit aufweist, die aus vier aufgestapelten sattelförmigen Spulen besteht, die konzentrisch auf jeder sattelförmig gestalteten Spulen der ersten Kompensationseinheit angeordnet sind. 3. Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kompensationseinheiten eine erste Kompensationseinheit umfaßt, die aus vier zylindrisch angeordneten, sattelförmig gestalteten Spulen besteht und zweite und dritte Kompensationseinheiten aufweist, von denen jede vier sattelförmig gestaltete Spulen aufweist, die zylindrisch paarweise zu beiden Seiten der ersten Kompensationseinheit angeordnet sind. 4. Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der Kompensationseinheiten die Spule eine supraleitende Spule ist.5. Magnetfeld-Kompensationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder der Kompensationseinheiten die Spule eine normal-leitende Spule ist.