专利名称：用于降低磁共振成像系统内的机械振动的方法
技术领域：
本发明涉及用于降低磁共振成像系统内的机械振动的方法，且此外涉及根据用于降低机械振动的方法构造的梯度系统，以及涉及带有此类梯度系统的磁共振成像系统。
背景技术：
成像系统(所述成像系统基于磁共振测量、特别是核自旋的方法)，即所谓的磁共振断层成像成功地具有多种应用且被证明是合适的。在此，通常为获取数据，将用于初始定向且均匀化待检查的磁偶极子的静止的基本磁场与快速切换的磁�。此降奶荻瘸〉冢杂糜诔上裥藕诺奈恢梅直媛�。根据成像系统的运行类型，在此使用不同的切换频率和磁场强度。用于产生梯度场的梯度线圈系统典型地是带有一个或多个梯度线圈的快速切换的电驱动的磁系统，所述梯度线圈通常产生在相互正交的空间方向X、y和z上的磁场。梯度线圈浇注到梯度体。以下将梯度线圈系统也简称为“梯度系统”。由于梯度系统与典型地具有数个特斯拉的高磁场强度的基本磁场的相互作用，梯度系统受到强的载荷力。梯度系统在此取决于成像系统的各运行状态激励了很强的机械振动，所述机械振动取决于梯度场的切换频率、梯度系统的支承导致的阻尼等。支承和阻尼的系统边界条件以及梯度系统的机械特征导致了在磁共振成像系统内形成了梯度系统的固有振动。为改进图像质量(改进信噪比)，大多数借助于超导磁体线圈所产生的基本磁场的强度达到了 3特斯拉或更高。在超导磁体线圈的运行中，超导体破碎的风险随着超导线圈的运行电流的升闻而升闻。梯度系统的散射场导致基本磁体系统的强的载荷且特别地导致了在典型的包括导电材料的超导的基本磁体系统的冷屏障内的涡流，这导致在基本磁体的冷却系统内的强的发热。这可能在磁共振成像系统的正常运行期间直至导致超导件的破碎。磁共振成像系统可能因此而被永久地破坏。此外，作用在梯度系统上的洛伦兹力随着基本磁场的强度的升高而增强，使得梯度系统在所述强度的基本磁场内的振动激励导致过强的噪声载荷，且也可能影响图像记录。因此，必须抑制梯度系统的散射场的相互作用，特别是相对于产生例如3T或更高的基本磁场的基本磁体的相互作用，且此外也降低机械振动或衰减其激励。
发明内容
本发明的任务因此是屏蔽梯度系统的散射场同时优化且降低磁共振成像系统内的机械振动。根据本发明建议了用于降低带有梯度系统的磁共振成像系统内的机械振动的方法，所述梯度系统包括具有多个梯度线圈的梯度线圈体和完全地或部分地包围了梯度线圈体的导电外壳或屏蔽件。屏蔽件特别地用于屏蔽梯度系统的散射场。方法包括如下步骤:
一方面，确定磁共振成像系统内的梯度线圈体的机械振动固有模式以及对此固有振动模式的激励力分量。另一方面，确定梯度系统的导电区域，所述导电区域在磁共振成像系统运行中产生洛伦兹力分量，该洛伦兹力分量对激励力分量提供份额。导电区域在此根据本发明包括梯度系统的梯度线圈以及导电外壳。此外，修改确定的导电区域，使得尽可能低的洛伦兹力分量与激励力分量一致或使固有振动的激励力最小化。根据本发明的梯度系统因此包括带有多个梯度线圈的梯度线圈体和完全地或部分地包围了梯度线圈体的导电外壳，其中为构造或制造此梯度系统，使用根据本发明的方法。根据本发明的磁共振成像系统因此包括如此构建的梯度系统。此外,磁共振成像系统包含多个另外的通常的部件，例如所提及的基本磁体，高频发射系统，高频接收系统，可控制的患者台，控制装置等，在此仅列举这几个部件。基本上，专业人员已知磁共振成像系统的结构和运行方式以及所需的部件，因此可省去对其的详细解释。借助于本发明，一方面可通过导电外壳有效地实现至少部分地屏蔽梯度系统的散射场。此外，本发明基于如下构思，即将通过导电外壳内的磁体系统感应的涡流的路径选择为使得由该涡流导致尽可能不对磁体系统的固有振动的激励提供份额的洛伦兹力分量。磁共振成像系统的机械振动因此得以降低且最小化了固有振动的激励力。在此，本发明基于如下认识，即所需的通过导电外壳或屏蔽件的防散射场的屏蔽效果在修改外壳内或上的涡流路径时仅轻微地变化，且可实现梯度线圈体的稳定性或重量分布的不明显的改变。本发明的另外的特别有利的构造和扩展在从属权利要求以及如下的描述中给出，其中权利要求组的独立权利要求也可类似于另外的权利要求组的从属权利要求而扩展。特别优选地，梯度线圈体是纵向管状的梯度线圈体，其纵向轴线或纵向长度定向在开头描述的主磁场的方向上。纵向长度的方向因此在下文中同义地称为基本磁场的定向方向。在此应强调的是本发明不限制于管状梯度线圈体，梯度线圈体例如也可以具有与其纵向长度正交的基本上“C”形的或“U”形的截面。如已所述，屏蔽效果可通过导电外壳确定。在此，优选地外壳应可传导涡流而不产生大的热损失。特别地，为此有利地也考虑到确定了涡流到外壳内的侵入深度的趋肤效应。这例如可在匹配外壳的厚度时进行，以便实现将涡流引起的发热保持在合理的限度内，且相对于待屏蔽的散射场来优化厚度。在此，导电外壳可具有与梯度线圈体的纵向长度横切的厚度，所述厚度至少等于趋肤侵入深度，即由于趋肤效应而确定的、所感应的涡流在外壳内的侵入深度。优选地，导电外壳的厚度是决定了至少与梯度线圈体的纵向长度横切、在很大程度上完全地屏蔽梯度系统的磁场的厚度。优选地，外壳的厚度(横向于，优选地垂直于梯度线圈体的纵向轴线)为此至少为0.5mm和/或最大为5mm。此外，外壳在所提及的层厚度的情况下优选地具有至少为1.6*107S/m的电导率。优选地，导电外壳也在周长方向上完全地包围了梯度线圈体，以例如尽可能完全地屏蔽径向散射场。在周长方向上完全的外壳在此特别地理解为外壳或屏蔽件具有在周长方向上全部地包围梯度线圈体的多个区域。优选地，梯度线圈体的周面的至少70%，特别优选地其周面的100%在周长方向上被外壳包围，使得由此导致了最优的屏蔽效果。缺失的面在此应优选地不中断涡流的基本路径，即优选地不应是将导电的面切分为部分面的连续的缝隙。因此，可使得屏蔽效果总是被很小地影响。在本发明的特别优选的扩展中，导电外壳具有一个或多个修改元件，例如与梯度线圈体的纵向长度相比短的缝隙，或另外的形成为用于空间上界定电流或引导电流的元件，形成为用于改变所感应的电流的洛伦兹力的元件，或形成为用于改变所感应的电流的电流路径的元件。例如，可借助于修改元件实现将导电外壳的所确定的区域包括在感应的涡流的电流路径内或从所述电流路径排除，使得借助于电流路径的移动或涡流分配的改变而实现洛伦兹力分量的移动。优选地,修改元件包括导电外壳内的一个或多个空隙,所述空隙例如可包括前述缝隙。此外，空隙例如也可选择为使得外壳在空隙处的厚度相对于外壳的平均厚度降低。导电外壳的屏蔽效果因此不改变或几乎不改变，同时实现了涡流路径的移动。此外，也可构思使得导电外壳也包括多个层，所述层导电地相互连接，或特别优选地也通过绝缘体相互连接。修改元件在此情况中可通过多个外壳层的组合形成,其中导电层例如可在表面形状上不同。在根据本发明的方法的扩展中，通过修改导电外壳内的涡流路径将作用在导电外壳上的一个或多个确定的洛伦兹力分量移动到固有振动模式的节面内。作为固有振动模式的节面，可理解为如下的平面，该平面具有梯度线圈体内或上的一个或特别优选地多个点或特别地具有由梯度线圈体包围的体积的点，所述点在固有振动模式被激励时保持静止，即在磁共振成像系统的运行中位置固定地布置。为此，可将包围的体积的点理解为与梯度线圈体连接。在此，优选地，所考虑的节面的法向量平行于梯度线圈体的纵向长度定向。通过移动到节面内，可以降低导致磁体系统的固有振动模式被激励的洛伦兹力分量的数量或向量和，使得以此导致了固有振动模式的降低的激励。根据本发明的方法在此可用于多个相互不同的固有振动模式，优选地同时用于多个固有振动模式。方法的开始步骤包括确定在磁共振成像系统内的梯度线圈体的仅一个机械的固有振动模式，然后确定梯度线圈体的多个固有机械振动模式。在此情况中，在方法的另外的步骤中建议确定对于此固有振动模式的激励力分量。此外，在另外的步骤中确定磁体系统的导电区域，该导电区域在磁共振成像系统的运行中产生导致激励力的洛伦兹力分量，其中该导电区域包括梯度线圈以及导电外壳。类似于前述方式，在随后的步骤中修改确定的导电区域，使得尽可能少的洛伦兹力分量与确定的激励力分量一致或使得固有振动的激励力被最小化。特别地，可确定此固有振动的共同的节面，使得感应的涡流的电流路径特别优选地实现将涡流路径的部分移动到此共同的节面内，且因此可实现同时降低多个相互不同的固有振动模式的激励。
优选地，通过根据本发明的方法因此也确定了带有梯度系统的磁共振成像系统，该梯度系统具有带有多个梯度线圈的梯度线圈体和完全地或部分地包围了梯度线圈体的导电外壳。在此，导电外壳具有布置在固有振动模式的节面内的区域，其中所述区域在磁共振成像系统运行中传导在导电外壳内或上感应的涡流的最高电流密度。
本发明在下文中参考附图根据实施例详细解释。在此，在不同的附图中，相同的部件提供以相同的附图标号。各图为:图1示出了带有可能的涡流分布的磁共振成像系统的粗略的示意性图示，所述涡流分布在磁共振成像系统的运行中出现在梯度系统的导电外壳内或上，图2示出了梯度线圈体的固有振动的三维图示，图3示出了梯度线圈体的固有振动的二维图示，和图4示出了如在图1中的图示，但其中所示的涡流分布借助于修改元件被改变。
具体实施例方式在磁共振成像系统10运行中，如前所述，通常使用超导的梯度线圈，以产生静止的均匀基本磁场BO且进行磁矩平行于基本磁场BO的基本定向，使得待成像的对象存在所限定的磁化。此限定的磁化形成了用于磁共振测量的初始状态。基本磁场BO在现代的磁共振成像系统中达到3特斯拉且更高的强度，使得在超导的梯度线圈内施加了很高的运行电流，且梯度线圈对于系统的干扰很敏感。超导的系统的此电流可导致直至超导线断裂，这可能永久地损坏超导的磁体系统。超导的梯度线圈在运行中通过以液体冷却剂、特别地也以液氦运行的低温系统冷却，以实现超导导电。冷却剂的蒸发率取决于向低温系统内的热输入，且如果例如低温系统的冷屏障因自身成为热源而变得失效则所述蒸发率明显升高。这例如是如下情况，即在典型地也包括薄的蒸镀薄膜的金属冷屏障或辐射屏障内或在低温系统的另外的元件内感应了涡流。因此，特别地在以超过3T的磁场强度的敏感的运行中必须避免到容纳超导的磁体线圈的低温系统内或上的、散射场引起的感应电流。作用在低温系统和超导的线圈或多个线圈上的散射场的重要来源是如所提及的磁共振成像系统10的梯度系统，所述梯度系统典型地在三维空间方向上产生了快速切换的磁场以用于磁共振成像系统10的位置分辨。由前述情况显见，特别希望的是将梯度系统的或作用在低温系统上的另外的磁体系统的散射场最小化。图1示出了磁共振成像系统10，其中磁共振成像系统10除对于本发明特别关键的元件之外仅示意性地图示为方框图。磁共振成像系统10此外包括多个元件，例如发射线圈、接收线圈、放大器以及相关的控制装置，例如也包括其内布置了测量空间的所谓的患者通道，在所述测量空间内存在有在z方向上定向的均匀的基本磁场BO。此外，磁共振成像系统10包括带有梯度线圈体的梯度系统100，所述梯度线圈体的纵向长度在基本磁场BO的方向上定向，其中梯度系统100的图示仅是示意性的，且又仅限制于本发明的关键的元件。
在磁共振成像系统10运行中，洛伦兹力作用在梯度系统100的传导电流的部分上，所述洛伦兹力随基本磁场BO的强度增加且将梯度系统100激励为振动。所述振动是明显的噪声源，使得振动的降低是磁共振成像系统10的设计中的关键的设计目标。特别地，此振动也可能明显影响成像的质量。本发明以协同的方式实现了两个设计希望，且建议了用于降低磁共振成像系统10内的机械振动的方法，所述方法同时抑制了梯度系统100的散射场且降低了由于梯度系统100的振动导致的噪声负担。这些设计目标通常相互相反，因为例如用于散射场的屏蔽装置可能要求预先给定的导体构造。此外，用于梯度系统100的散射场的屏蔽装置典型地包括导电材料，在所述导电材料内由于梯度系统100的散射场感应了涡流，所述涡流又是由于基本磁场所产生的洛伦兹力的施力点。因此，屏蔽装置自身被激振或放大了的梯度系统100在磁共振成像系统10内的振动，使得由此升高了在磁共振成像系统10的运行时的噪声负荷。因此，在屏蔽效果和屏蔽装置引起的噪声负荷之间的折中中存在技术局限。本发明超越此目前的技术局限而建议了用于降低磁共振成像系统10内的机械振动的方法。由前文所提及且从图1中显见，磁共振成像系统10包括梯度系统100，所述梯度系统100在此具有带有一个或多个梯度线圈的长的管状梯度线圈体200。梯度系统100包括在周长方向上完全包围梯度线圈体200的导电外壳150，该导电外壳150在实施例中由2mm厚的铜形成。这大致等于由于趋肤效应导致的涡流的侵入深度的极限，即大致等于所谓的趋肤深度。外壳150在此情况中形成了用于梯度系统100的散射场的屏蔽装置，所述屏蔽装置与梯度线圈体200固定连接。外壳150的尺寸和定向决定了外壳150的屏蔽效果。对于根据本发明的方法，在此关键的是认识，外壳的屏蔽效应基于涡流155，所述涡流155无需屏蔽效应的很大改变而可在其历程上容易地改变。这例如不涉及例如用于屏蔽相反缠绕的线圈的主动屏蔽装置，使得对于主动屏蔽装置，前述折中是技术极限。特别应强调的是涡流分布在一定程度上可被认为是自组织的，使得又形成了最优屏蔽效果。根据本发明的优选实施例，建议了如下步骤以实现磁共振成像系统内的机械振动的降低。在开始的步骤中，确定磁共振成像系统10内的梯度线圈体200的机械的固有振动模式S。固有振动模式s的确定例如可在磁共振成像系统10的设计阶段优选地借助于仿真实现。在此，可例如基于用于描述带有阻尼的机械振动的模型:
权利要求
1.一种用于降低带有梯度系统(100)的磁共振成像系统内的机械振动的方法，所述梯度系统(100)具有包括了多个梯度线圈的梯度线圈体(200)和完全地或部分地包围了梯度线圈体(200)的导电外壳(150)，所述方法包括如下步骤: -确定磁共振成像系统(10)内的梯度线圈体(200)的机械的固有振动模式(s)； -确定对此固有振动模式(s)的激励力分量(f)； -确定梯度系统(100)的在磁共振成像系统运行中产生导致激励力分量(f)的洛伦兹力分量(I)的导电区域，其中导电区域包括梯度线圈以及导电外壳(150)； -修改确定的导电区域，使得尽可能低的洛伦兹力分量(I)与确定的激励力分量(f)一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，导电区域(150)具有在横向于梯度线圈体(200)的轴向长度的径向方向上的厚度，所述厚度等于到外壳(150)内的趋肤深度。
3.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，导电外壳(150)在周长方向上完全地包围了梯度线圈体(200)。
4.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，导电外壳(150)具有一个或多个修改元件(160)以改变所感应的电流的洛伦兹力。
5.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，修改兀件(160)包括导电外壳(150)内的一个或多个空隙。
6.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，修改元件(160)通过修改导电外壳(150)内的涡流路径将作用在导电外壳(150)上的一个或多个所确定的洛伦兹力分量(I)移动到固有振动模式(s)的节面内，其中优选地节面的法向量平行于梯度线圈体(200)的纵向长度定向。
7.根据前述权利要求中一项所述的方法，其特征在于，所述方法用于多个相互不同的固有振动模式(S)。
8.一种梯度系统(100)，带有包括多个梯度线圈的梯度线圈体(200)和完全地或部分地包围梯度线圈体(200)的导电外壳(150)，其特征在于，所述梯度系统(100)根据前述权利要求中一项所述的方法构造。
9.一种带有根据权利要求8所述的梯度系统(100)的磁共振成像系统(10)。
10.一种带有梯度系统(100)的特别是根据权利要求9所述的磁共振成像系统(10)，所述梯度系统(100)具有包括多个梯度线圈的梯度线圈体(200)和完全地或部分地包围梯度线圈体(200)的导电外壳(150)，其特征在于，导电外壳(150)具有布置在固有振动模式(s)的节面内的区域，且所述区域在所述磁共振成像系统(10)运行中传导在所述导电外壳(150)内或上感应的涡流的最高的电流密度。
全文摘要
本发明涉及一种用于降低带有梯度系统(100)的磁共振成像系统内的机械振动的方法，该梯度系统(100)具有梯度线圈体(200)和完全地或部分地包围了梯度线圈体(200)的导电外壳(150)，其中方法包括如下步骤确定磁共振成像系统(10)内的梯度线圈体(200)的机械固有振动模式(s)；确定对此固有振动模式(s)的激励力分量(f)；确定梯度系统(100)的在磁共振成像系统运行中产生导致激励力分量(f)的洛伦兹力分量(l)的导电区域；修改确定的导电区域，使得尽可能低的洛伦兹力分量(l)与确定的激励力分量(f)一致。
文档编号G01R33/385GK103176151SQ20121056250
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月21日 优先权日2011年12月21日
发明者P.迪茨, A.克鲁格 申请人:西门子公司
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