DE102004038237B4

DE102004038237B4 - Einrichtung zur aktiven Kühlung eines MRI-Patiententunnels bei zylindrischen MRI-Systemen

Info

Publication number: DE102004038237B4
Application number: DE102004038237A
Authority: DE
Inventors: Neil Clarke; Michael B. Sellers; Michael L. Allford; Anthony Mantone
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: JP4719438B2; DE102004038237A1; CN100398060C; GB0417095D0; CN1623504A; US20050030028A1; GB2405480B; US7015692B2; JP2005052658A; GB2405480A

Abstract

Patiententunnelkühleinrichtung für eine in einem zylindrischen MR-Bildgebungssystem (100) verwendete HF-Spule, die aufweist:
– eine Gradientenspulenwicklung (114) hohler, zylindrischer Konfiguration,
– eine hohle zylindrische HF-Spule (130), die konzentrisch zu und geringfügig kleiner ist als die Gradientenspulenwicklung (114)
– einen äußeren Zylinder (132), der an der inneren Oberfläche der HF-Spule (130) angebracht ist,
– einen inneren Zylinder (131), der konzentrisch zu dem äußeren Zylinder (132) ist und
– eine Anzahl Abstandselemente (133), die sich von dem inneren Zylinder (131) radial nach außen erstrecken und an dem äußeren Zylinder (132) unter Ausbildung von Kühlmittelkanälen (134) zwischen dem inneren und dem dazu konzentrischen äußeren Zylinder (131, 132) befestigt sind.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Magnetresonanzbildgebungs(MRI-)Systeme und mehr im Einzelnen auf eine Einrichtung, die dazu eingerichtet ist, die von den beim MRI verwendeten Gradientenspulen und HF-Spulen erzeugte Wärme abzuführen.
Wenn eine Substanz, wie menschliches Gewebe, einem gleichmäßigen Magnetfeld (dem polarisierenden Feld B₀) ausgesetzt wird, versuchen sich die einzelnen magnetischen Momente der Spins in dem Gewebe auf das polarisierende Feld auszurichten, wobei sie aber in zufälliger Ordnung um die Feldachse eine Präzessionsbewegung mit ihrer charakteristischen Larmorfrequenz ausführen. Wird die Substanz oder das Gewebe einem Magnetfeld (Anregungsfeld B₁) ausgesetzt, das in der x-y-Ebene sich erstreckt und nahe der Larmorfrequenz liegt, kann das resultierende ausgerichtete Moment oder die „Längsmagnetisierung” M_Z in die x-y-Ebene gedreht oder „gekippt” werden, wodurch ein resultierendes magnetisches Quermoment M_t erzeugt wird. Nach der Beendigung des Anregungssignals B₁ wird von den angeregten Spins ein Signal ausgesandt und dieses Signal kann empfangen und zur Herstellung eines Bilds weiter verarbeitet werden.
Während Scans von Patienten geben Gradientenspulen, die das vorerwähnte Magnetfeld erzeugen, große Wärmemengen ab, typischerweise in der Größenordnung von mehreren 10 kW. Der überwiegende Teil dieser Wärme wird durch die Widerstandserwärmung der die x-, y-, z-Achse-Gradientenspulen bildenden elektrischen Kupferleiter bei der Erregung diese Spulen erzeugt. Die Menge der erzeugten Wärme steht in direkter Abhängigkeit von der den Gradientenspulen zugeführten elektrischen Energie. Die große Energieableitung führt nicht nur zu einer Zunahme der Temperatur der jeweiligen Gradientenspule, sondern die erzeugte Wärme wird auch in der Gradientenspulenanordnung oder in Resonanzmodulen abgeleitet und beeinflusst die Temperatur in zwei anderen kritischen Bereichen. Diese beiden Bereiche liegen an den Begrenzungen der Gradientenspulenanordnung und beinhalten die Oberfläche des Patiententunnels und erwärmen die Tunneloberfläche neben dem Kryostaten, der die Magnete aufnimmt. Jeder dieser drei Bereiche hat eine spezielle maximale Temperaturgrenze. In dem Resonanzmodul gibt es Materialtemperaturbeschränkungen wie etwa die Glasumwandlungstemperatur. Das heißt, dass obwohl das Kupfer und die faserverstärkte Abstützung der Spulen Temperaturen oberhalb von 120°C ertragen können, das Epoxidharz, das zur gegenseitigen Verbindung der Schichten miteinander verwendet ist, typischerweise eine wesentlich niedrigere maximale Arbeitstemperatur von etwa zwischen 70 bis 100°C aufweist. Beschränkungen in Sicherheitsvorschriften schreiben eine Spitzentemperatur am Patienten oder auf der Oberfläche von 41°C vor. Die warme Tunneloberfläche hat ebenfalls eine Maximaltemperatur, die auf etwa 40°C beschränkt ist, um eine übermäßige Wärmeübertragung durch die warme Tunneloberfläche in den Kryostaten zu verhüten. Außerdem können Temperaturschwankungen von mehr als 20°C Feldhomogenitätsschwankungen hervorrufen, die von einer Temperaturabhängigkeit des Feldabschirmmaterials herrühren, das eine Veränderung seiner magnetischen Eigenschaften mit der Temperatur zeigt.
Hohe Stromwerte, die bei gebräuchlichen Gradientenspulen verwendet werden, erzeugen eine beträchtliche Wärme in der Nähe der Spule. Diese Wärme muss von der Spule und dem Magnettunnelbereich abgeführt werden, um eine Beschädigung der Spule und der zugeordneten Einrichtungen zu vermeiden, von einer Erwärmung von Magnetkomponenten herrührende unerwünschte Veränderungen des Magnetfelds zu verhüten und eine unzulässige Erwärmung eines Patienten oder eines anderen in dem Tunnel angeordneten Subjekts auszuschließen.
Kühlsysteme für Gradientenspulen beruhen in der Regel auf der Ableitung der in den aktiven Schaltkreisen der Spule erzeugten Wärme in Wasser führende Rohre, die in einigem Abstand von der Gradientenspule, möglicherweise in einer Entfernung bis zu 10 mm, verlaufen. Der Raum zwischen den aktiven Schaltungsteilen und den Wasserrohren ist üblicherweise von Material mit guten Isolationseigenschaften, wie Glasfasermaterial ausgefüllt, das die Wärmeleitung unzulänglich werden lässt. Außerdem liegen die Wasser führenden Rohre außerhalb der Erwärmungsbereiche in der Spule, mit der Folge, dass die heißesten Bereiche dem zu scannenden Patienten zunächst liegen, wobei zwischen den heißen Bereichen und dem Patienten keine unmittelbare Kühlung vorhanden ist. Die sich einstellende Wärmeerzeugung ergibt thermische Beschränkungen für den Betrieb der Spule. Im Allgemeinen führen erhöhte Spitzenfeldstärken und ein hoher Patientendurchsatz zu hohen Betriebsströmen und -spannungen. Erhöhungen der Betriebsströme erzeugen aber zusätzliche Wärmebelastungen, die die Fähigkeiten der vorhandenen thermischen Systeme übersteigen.
Bekannte Vorrichtungen haben in der Regel irgendeine Art Kühlmittel, üblicherweise Wasser oder Äthylengylcol, verwendet und eine thermische Isolation vorgesehen. Neuere Bildgebungsprotokolle arbeiten aber auf höheren Energieniveaus und es sind deshalb zusätzliche Anstrengungen erforderlich, um diese neueren Entwicklungen zu ermöglichen, ohne Temperaturgrenzen zu überschreiten. Andere Vorrichtungen verwendeten Luftkühlverfahren, wobei Luft unmittelbar in den Patiententunnel eingeblasen wird. Die hauptsächliche Beschränkung dieses Verfahrens liegt darin, dass sich Patienten häufig darüber beschweren, dass es ihnen zu kalt wird. Ein anderer Nachteil besteht aber darin, dass die Strömungsmenge der Luft abhängig von der Größe des Patienten sich wesentlich ändern kann, so dass in gewissen Fällen eine unzureichende oder ungleichmäßige Strömung überhaupt keine Kühlung des Patienten bewirkt.
Daneben ist aus der EP 1 219 971 A2 eine Patiententunnelkühleinrichtung für eine in einem zylindrischen MR-Bildgebungssystem verwendete HF-Spule bekannt, die mit einer Gradientenspule hohler zylindrischer Konfiguration und einer hohlen zylindrischen HF-Spule arbeitet, welche konzentrisch zu und geringfügig kleiner ist als die Gradientenspule. Die HF-Spule umgibt einen inneren Zylinder, der den Patientenaufnahmeraum begrenzt und zusammen mit einem im radialen Abstand davon angeordneten, zur Entkopplung der HF- und der Gradientenspulen dienenden Abschirmzylinder einen HF-Raum begrenzt, in dem die HF-Spule und die den Patientenraum begrenzende Zylinderwand liegen. Sowohl die HF-Spule als auch die Gradientenspule, wie gegebenenfalls auch die den Patientenaufnahmeraum umgebende Zylinderwand sind mit eingebetteten Röhren versehen, durch die ein flüssiges Kühlmittel zirkuliert, das zumindest im Wesentlichen frei von Wasserstoffatomen ist. Von einem Kühlmittel durchflossene schlangenförmig gebogene Kühlröhren verwendet auch eine aus der US 6,011,394 A bekannte Kühleinrichtung für Gradientenspulen eines zylindrischen MR-Bildgebungssystems, bei dem ein zylindrischer Spulenkörper mit in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, radial sich erstreckenden Stegen vorgesehen ist, auf denen die Gradientenspule abgestützt und zwischen denen die Kühlröhren angeordnet sind. Die HF-Spule ist auf der den Patientenaufnahmeraum umschließenden zylindrischen Innenfläche des Formkörpers angeordnet.
Schließlich ist aus der DE 102 15 994 A1 noch ein zylindrisches MR-Bildgebungssystem bekannt, bei dem die Gradientenspulen und die HF-Spulen in einer zylindrischen Vakuumkammer untergebracht sind, in der zusätzlich eine Anzahl Kühlröhren eingekapselt sind, die so aufgebaut sind, dass sie ein flüssiges Kühlmittel, wie zum Beispiel Wasser, Ethylen oder ein Propylenglukolgemisch zirkulieren lassen können, um so die durch die Erregung der Gradientenspulen erzeugte Wärme zu reduzieren. Diese bekannten Kühleinrichtungen sind aufwendig und teilweise in ihrer Wirkung nicht voll befriedigend.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
HF-Spulen erzeugen das B₁-Feld, das die resultierende Magnetisierung in einer Pulssequenz dreht. Sie detektieren außerdem die Quermagnetisierung bei der Präzession in der x-y-Ebene. Um das B₁-Feld herzustellen, wird Strom durch die HF-Spule geleitet, um ein Magnetfeld zu erzeugen. Die von dem großen Stromdurchsatz herrührende Widerstandserwärmung ist für den Patienten unbehaglich und kann in Extremfällen zu Verbrennungen führen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Einrichtung zu schaffen, die zusätzlich zur Bewahrung der elektrischen und magnetischen Eigenschaften der HF-Spule den Patientenkomfort dadurch erhöht, dass sie die Wärmebelastung in dem Patiententunnel herabsetzt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Die Erfindung schafft eine Patiententunneleinrichtung für eine in einem zylindrischen MR-Bildgebungssystem verwendete HF-Spule, die einen inneren Zylinder, einen äußeren Zylinder und eine Anzahl längsgerichteter Abstandselemente aufweist, die zwischen den Zylindern so angeordnet sind, dass eine Anzahl Kühlkanäle erzeugt werden. Eine ähnliche Ausführungsform der Erfindung lehrt ein durchgehendes Abstandselement zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder, das in Gestalt einer Schraube gewendelt ist, so dass ein kontinuierlicher Durchgang für einen Kühlmittelstrom geschaffen wird.
Die Erfindung schafft ein Kühlsystem, das zur Kühlung des Patiententunnels ein Kühlmittel zirkulieren lässt. Der Patiententunnel besteht aus zwei konzentrischen Zylindern, die durch Abstandselemente voneinander getrennt sind, welche entweder in Längsrichtung oder schraubenförmig verlaufen. Die zwischen den Abstandselementen ausgebildeten Spalte werden dazu verwendet, ein Kühlfluid, wie Luft durchströmen zu lassen. Wenn ein von Luft verschiedenes Kühlfluid verwendet wird, wird es üblicherweise durch eine Verteilereinrichtung in die Spalte eingeleitet und dann von einer zweiten Verteilereinrichtung am anderen Ende wieder aufgefangen, so dass es recycelt werden kann. Anstelle von Luft können auch Materialien wie etwa Perfluorkohlenwasserstoff, die kein MR-Signal erzeugen, verwendet werden.
Bei einer Ausführungsform kann die HF-Spule einen Teil des Patiententunnels bilden, wobei die schraubenförmigen Fluidkanäle den Patiententunnel umschließen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine Querschnittsdarstellung in einer durch die Längsmittelachse verlaufenden Ebene einer MR-Gradientenspulenanordnung nach dem Stand der Technik,
2 ist eine perspektivische Ansicht von rechts und von oben, im Ausschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, unter Veranschaulichung von längsgerichteten Kühlzwischenräumen und
3 ist eine Seitenansicht der Ausführungsform nach 2 der vorliegenden Erfindung.
Im Einzelnen nun bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen überall gleich bezeichnete Elemente ähnlichen Elementen entsprechen, zeigt 1 den Teil eines MRI-Bildgebungssystems 100, der eine HF-Spule 130, eine Gradientenspulenwicklung 114, einen Magneten 116 und eine Patiententunneloberfläche gemäß dem Stand der Technik beinhaltet. Wie ebenfalls in 1 veranschaulicht, ist eine Doppelschicht eines Epoxidharz ähnlichen Materials 123, 125 dazu verwendet, die leitenden Schichten voneinander zu trennen. Die Schichten der Doppelschicht sind in einer radial voneinander beabstandeten koaxialen Zuordnung zueinander und zu dem Magneten 116 sowie zu der HF-Spule gehalten, wobei das Epoxidharz Aluminiumpartikelmaterial enthält um die thermische Leitfähigkeit zu erhöhen.
Wie auch in 1 dargestellt, liegen die Patiententunneloberfläche 140 und die HF-Spule 130 radial innerhalb der Gradientenspulenwicklung 114 und konzentrisch zu dieser. Die HF-Spule 130 erzeugt das B₁-Feld, das die resultierende Magnetisierung in einer Pulssequenz dreht. Sie detektiert auch die Quermagnetisierung bei der Präzessionsbewegung in der x-y-Ebene. Die Magnetisierung der HF-Spule 130 wird dadurch zuwege gebracht, dass, ebenso wie durch die Gradientenspulenwicklungen 114, ein elektrischer Strom durchgeleitet wird. Dadurch kommt offensichtlich auch eine Widerstandserwärmung der Spulen zustande. Die Nähe der HF-Spule 130 zu dem Patienten erzeugt, insbesondere bei großen Patienten, die Gefahr einer Befindlichkeitsstörung des Patienten.
Aus diesem Grunde sieht die beschriebene Ausführungsform der erfindungsgemäßen HF-Spule, wie sie in den 2, 3 dargestellt ist, einen Kühlkanal zwischen der HF-Spule 130 und der Patiententunneloberfläche 140 vor. Diese Ausführungsform umfasst einen inneren Zylinder 131, einen konzentrischen äußeren Zylinder 132 und eine Anzahl längsgerichteter Abstandselemente 133. Die längsgerichteten Abstandselemente 133 verbinden den inneren Zylinder 131 mit dem äußeren Zylinder 132. Die Öffnungen zwischen den längsgerichteten Abstandselementen und zwischen den beiden konzentrischen Zylindern werden als Kühlmittelkanäle 134 benutzt. Außerdem schafft die vorliegende Erfindung ein (nicht dargestelltes) durchgehendes, schraubenförmiges Abstandselement, das auch den inneren Zylinder 131 mit dem äußeren Zylinder 132 verbindet und einen Kühlmitteldurchlass durch einen (nicht dargestellten) schraubenförmigen Durchlasskanal ergibt. Die Abstandselemente sind, ebenso wie der innere und der äußere Zylinder, typischerweise aus einem Verbundwerkstoff hergestellt. Die oben erwähnte schraubenförmige Ausrichtung der Abstandselemente 133 kann die Festigkeit und Steife des Patiententunnelrohrs mit der Patiententunneloberfläche 140 erhöhen. Die durch diese Anordnung erzeugten Öffnungen in Gestalt von Zwischenräumen oder Spalten werden dazu verwendet, ein Kühlfluid, wie Luft oder ein Fluid, das kein MR-Signal erzeugt durchströmen zu lassen. Das Fluid wird normalerweise durch eine erste Verteilereinrichtung (manifold) an einem Ende in die Kühlkanäle einströmen lassen und am anderen Ende von einer zweiten Verteilereinrichtung (manifold) wieder aufgenommen. Zur Erfüllung dieser Aufgabe kann jede beliebige Art von Verteilereinrichtung verwendet werden, die Fluid in einer im Wesentlichen gleichmäßigen Weise verteilt und das erwärmte Fluid wieder aufnimmt; die Art der verwendeten Verteilereinrichtung bedeutet deshalb keine Beschränkung der Erfindung. Wenn Luft zur Kühlung der HF-Spule 130 verwendet wird, ist naturgemäß keine zweite Verteilereinrichtung erforderlich.
Wenngleich dies nicht im Einzelnen veranschaulicht ist, wird doch das Kühlfluid nach der Zirkulation durch die HF-Spule in einer Verteilereinrichtung aufgenommen. Nach dem Eintritt in die Verteilereinrichtung wird in der Regel eine Pumpe dazu verwendet, das Fluid zunächst durch einen Wärmetauscher zu pumpen, um die von der Widerstandserwärmung herrührende Wärme abzuführen, worauf anschließend das Fluid durch die Kühlkanäle zirkulieren lassen wird.
Die Gradientenspulenwicklungen 114 erzeugt bei der Erzeugung eines Magnetfelds wegen des Widerstandes der Kupferspulen mehrere Kilowatt Wärme. Diese Wärme muss mit Rücksicht auf die ordnungsgemäße Funktion des MRI-Geräts und auf den Patientenkomfort abgeleitet werden. Wie oben erläutert, wird ein Kühlmittel, wie Wasser, Luft, Perfluorkohlenwasserstoff, Äthylenglycol, Propylenglycol oder Mischungen dieser Stoffe, durch die Gradientenspulen zirkulieren lassen. Das Kühlmittel führt die Wärme auch von der HF-Spule ab. Es können bei anderen Ausführungsformen mehrere Einlass- und Auslassanschlüsse vorgesehen sein, entweder weil die Kühlmittelkanäle 134, kreisförmig rings um das bildgebende Volumen verlaufen oder weil eine größere Wärmeabfuhrkapazität erforderlich ist, um die von erweiterten MRI-Untersuchungen herrührende Wärmelast abzuführen.
Es gibt viele Möglichkeiten das Kühlmittel durch die HF-Spule zirkulieren zu lassen, und kein spezielles Verfahren oder Gerät zu diesem Zwecke soll deshalb eine Beschränkung der Erfindung bedeuten. Ein möglicher Weg, ein Kühlmittelzirkulationssystem zu schaffen besteht jedoch darin, eine Kühlmittelpumpe dazu zu verwenden, Kühlmittel mit einer von den jeweiligen Systembedürfnissen abhängigen Temperatur zirkulieren zu lassen.
In die HF-Spule 130 eintretendes Kühlmittel strömt durch Kühlkanäle 134, und absorbiert dabei Wärme von den Spulen. Das die Wärmelast mitführende Kühlmittel wird dann von der HF-Spule abgeleitet und strömt von dort in einen Wärmetauscher. Der Wärmetauscher ist so ausgelegt, dass er die von den Kühlmittel absorbierte Wärme abführt und die Kühlmitteltemperatur auf eine von der (nicht dargestellten) Computersteuereinrichtung vorgegebene, jeweils gewünschte Temperatur absenkt.
Die Computersteuereinrichtung kann Informationen von Temperaturfühlern empfangen, die zur Regulierung der Temperatur des Patiententunnels verwendet werden. Wenn die Temperaturfühler eine Temperatur anzeigen, die oberhalb des jeweils gewünschten Niveaus liegt, sendet der Computer ein Signal an die Pumpe um den Kühlmitteldurchsatz zu erhöhen. Fällt die Temperatur unter einen vorgegebenen Wert ab, kann der Computer den Kühlmitteldruchsatz verringern oder unterbrechen, etwa wenn das MRI nicht in Betrieb ist.
Demgemäß wurde eine verbesserte Einrichtung zur Kühlung der HF-Spule in einem MR-Bildgebungssystem beschrieben. Das Kühlsystem verwendet eine Kühlmittelpumpe, um Kühlmittel rings um die HF-Spule 130 durchströmen zu lassen. Der Kühlmitteldurchsatz ist durch einen Computer gesteuert, der Informationen von einer Anzahl Temperatursensoren erhält, die in dem Patiententunnel 140 angeordnet sind. Wenn der Computer eine Temperatur liest, die zu hoch oder die niedriger als notwendig ist, sendet er ein Signal an die Kühlmittelpumpe um den Kühlmitteldurchsatz zu erhöhen bzw. herabzusetzen.
Zu bemerken ist, dass die im Vorstehenden beschriebene Erfindung zur Kühlung der HF-Spule auch für MRI-Bildgebungssysteme der offenen Bauart eingesetzt werden kann.
Wenngleich bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sehr speziell beschrieben wurden, so versteht sich doch, dass an den erläuterten Verbesserungen Veränderungen vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Der Schutzbereich der Erfindung ist deshalb nicht durch die Beschreibung und die Zeichnung beschränkt, sondern durch die weitmöglichste Auslegung der Patentansprüche bestimmt.
Bezugszeichenliste

100: MRI-Bildgebungssystem
114: Gradientenspule
116: Magnet
123: Epoxidharzschicht
125: Epoxidharzschicht
130: HF-Spule
131: innerer Zylinder
132: äußerer Zylinder
133: längsgerichtete Abstandselemente
134: Kühlkanal
140: Patiententunneloberfläche

Claims

Patiententunnelkühleinrichtung für eine in einem zylindrischen MR-Bildgebungssystem (100) verwendete HF-Spule, die aufweist: – eine Gradientenspulenwicklung (114) hohler, zylindrischer Konfiguration, – eine hohle zylindrische HF-Spule (130), die konzentrisch zu und geringfügig kleiner ist als die Gradientenspulenwicklung (114) – einen äußeren Zylinder (132), der an der inneren Oberfläche der HF-Spule (130) angebracht ist, – einen inneren Zylinder (131), der konzentrisch zu dem äußeren Zylinder (132) ist und – eine Anzahl Abstandselemente (133), die sich von dem inneren Zylinder (131) radial nach außen erstrecken und an dem äußeren Zylinder (132) unter Ausbildung von Kühlmittelkanälen (134) zwischen dem inneren und dem dazu konzentrischen äußeren Zylinder (131, 132) befestigt sind.
Patiententunnelkühleinrichtung nach Anspruch 1, bei der der innere Zylinder (131) eine Achse aufweist, und die Abstandselemente (133) in Längsrichtung längs der Achse des inneren Zylinders (131) angeordnet sind.
Patiententunnelkühleinrichtung nach Anspruch 2, bei der die Abstandselemente (133) schraubenförmig rings um den inneren Zylinder (131) angeordnet sind.