DE19726332A1 - Coil arrangement for generating predetermined target magnetic field in NMR tomography - Google Patents
Coil arrangement for generating predetermined target magnetic field in NMR tomographyInfo
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Abstract
Description
Genau definierte Ziel-Magnetfelder sind z. B. in der Kernspin tomographie erforderlich. Bekanntlich erfolgt eine Ortsauflö sung der Kernresonanzsignale in der Kernspintomographie da durch, daß einem homogenen, statischen Grundfeld in der Grö ßenordnung von 1 Tesla ein Magnetfeld-Gradient überlagert wird. Die Prinzipien der Bildgebung sind beispielsweise in dem Artikel von Bottomley "NMR Imaging Techniques and Appli cations: A Review" in Review of Scientific Instrumentation 53,9, 9/82, Seiten 1319 bis 1337, erläutert. Zur Ortsauflö sung in drei Dimensionen müssen Magnetfeldgradienten in drei vorzugsweise senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen er zeugt werden. In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein Koordi natenkreuz x, y, z eingezeichnet, das die Richtungen der je weiligen Gradienten darstellen soll. Fig. 1 zeigt zur Erläu terung der Problemstellung schematisch eine einfache Anord nung von transversalen Gradientenspulen für die Erzeugung ei nes Magnetfeldgradienten Gy in y-Richtung. Die Gradientenspu len 2 sind als Sattelspulen ausgeführt, die auf einem Trag rohr 1 befestigt sind. Durch die Leiterabschnitte 2a wird in nerhalb eines kugelförmigen Untersuchungsvolumens 11 ein weitgehend konstanter Magnetfeldgradient Gy in y-Richtung er zeugt. Die Rückleiter erzeugen aufgrund ihrer Größe und Ent fernung vom Untersuchungsvolumen 11 dort lediglich geringe Magnetfeldkomponenten, die bei der Auslegung der Gradienten spule vielfach vernachlässigt werden.Precisely defined target magnetic fields are e.g. B. in MRI tomography required. As is known, there is a spatial resolution of the nuclear magnetic resonance signals in magnetic resonance imaging because a magnetic field gradient is superimposed on a homogeneous, static basic field in the order of magnitude of 1 Tesla. The principles of imaging are explained, for example, in Bottomley's article "NMR Imaging Techniques and Applications: A Review" in Review of Scientific Instrumentation 53,9, 9/82, pages 1319 to 1337. For spatial resolution in three dimensions, magnetic field gradients must be generated in three directions that are preferably perpendicular to one another. In Figs. 1 and 2 are each a Koordi natenkreuz x, y, z shown, is supposed to represent the directions of each weiligen gradient. Fig. 1 shows the esterification of the problem Erläu schematically a simple Anord voltage of transverse gradient coils for generating magnetic field gradients G ei nes y in the y direction. The Gradientenspu len 2 are designed as saddle coils, which are attached to a support tube 1 . A largely constant magnetic field gradient G y in the y direction is generated by the conductor sections 2 a within a spherical examination volume 11 . Because of their size and distance from the examination volume 11 , the return conductors produce only small magnetic field components there, which are often neglected in the design of the gradient coil.
Die Gradientenspulen für den x-Magnetfeldgradienten sind identisch zu den Gradientenspulen 2 für den y-Magnetfeldgra dienten aufgebaut und lediglich auf dem Tragrohr 1 um 90° in azimutaler Richtung verdreht. Der Übersichtlichkeit wegen sind sie daher in Fig. 1 nicht dargestellt.The gradient coils for the x magnetic field gradient are constructed identically to the gradient coils 2 for the y magnetic field gradient and are only rotated by 90 ° in the azimuthal direction on the support tube 1 . For the sake of clarity, they are therefore not shown in FIG. 1.
Die (axialen) Gradientenspulen 3 für den Magnetfeldgradienten in z-Richtung sind in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die Spulen sind ringförmig ausgeführt und symmetrisch zum Mittel punkt des Untersuchungsvolumens 11 angeordnet. Da die beiden Einzelspulen 3a und 3b in der in Fig. 2 dargestellten Weise in entgegengesetzter Richtung stromdurchflossen sind, verur sachen sie einen Magnetfeldgradienten in z-Richtung.The (axial) gradient coils 3 for the magnetic field gradient in the z direction are shown schematically in FIG. 2. The coils are ring-shaped and arranged symmetrically to the center of the examination volume 11 . Since the two individual coils 3 a and 3 b in the current flowing through it in Fig. 2 the manner illustrated in the opposite direction, they Doomed things a magnetic field gradient in the z-direction.
An die Linearität der Gradientenfelder werden zur Vermeidung von Bildverzerrungen hohe Anforderungen gestellt, die mit den schematisch dargestellten einfachen Leiterstrukturen nach den Fig. 1 und 2 nicht zu erreichen sind. Dabei sind insbeson dere die transversalen Gradientenspulen (Gx, Gy) aufwendig in der Auslegung.In order to avoid image distortions, high demands are placed on the linearity of the gradient fields, which cannot be achieved with the schematically illustrated simple conductor structures according to FIGS. 1 and 2. In particular, the transverse gradient coils (G x , G y ) are complex to design.
Zur Auslegung von Gradientenspulen gibt es prinzipiell zwei
Vorgehensweisen:
There are basically two approaches to the design of gradient coils:
- - den analytischen Ansatz und- the analytical approach and
- - den numerischen Ansatz.- the numerical approach.
Der analytische Ansatz birgt dabei das Problem, daß der ge wünschte lineare Feldverlauf in seiner streng mathematischen Form zu technisch nicht realisierbaren Lösungen führt, die die Einführung relaxierender Randbedingungen notwendig macht. Dem Algorithmus werden bezüglich Grad, Ordnung und Amplitude willkürliche Fehlerterme beigefügt, die im allgemeinen bezüg lich des physikalisch-technisch-Machbaren kein Optimum dar stellen.The analytical approach has the problem that the ge wanted linear field course in its strictly mathematical Form leads to technically not feasible solutions that the introduction of relaxing boundary conditions is necessary. The algorithm is in terms of degree, order and amplitude arbitrary error terms attached, which generally refer to is not the optimum in terms of what is physically and technically feasible put.
Hier ist der numerische Ansatz von Vorteil: Durch geeignete mathematische Optimierungsverfahren (im einfachsten Fall z. B. least-mean-square fit) ergeben sich neben dem erwünschten Feldverlauf Abweichungen, die nur in ihrer Amplitude, nicht aber bezüglich ihres Grades und Ordnung der Störung minimiert sind.The numerical approach is an advantage here: With suitable ones mathematical optimization process (in the simplest case e.g. least-mean-square fit) result in addition to the desired Field course deviations that are only in their amplitude, not but minimized in terms of their degree and order of disturbance are.
Da der Ansatz bereits die physikalische Natur der Anordnung berücksichtigt, wird sich ein "natürliches Fehlerspektrum" ergeben.Because the approach already has the physical nature of the arrangement is taken into account, a "natural range of errors" surrender.
Aufgrund des großen Parameterraumes sind numerische Verfahren jedoch im allgemeinen auf einfache Spulengeometrien be schränkt (z. B. Sattelspulen).Due to the large parameter space are numerical methods however, generally on simple coil geometries limits (e.g. saddle coils).
Eine komplexere Spulengeometrie wurde im Patent US 4,456,881 (Technicare) beschrieben. Dabei wird die Spulenfläche in eine Vielzahl von Flächenelementen unterteilt. In jedem dieser Elemente wird ein Stromdichte-Vektor so bestimmt, daß die daraus resultierende Stromdichte-Verteilung das gewünschte Zielfeld mit einer maximal zulässigen Fehleramplitude er zeugt. Da dieses Verfahren die Kontinuitätsbedingung nicht berücksichtigt, fehlen den so berechneten Spulen die jeweili gen Leiterrückführungen. Diese werden deshalb ohne Berück sichtigung ihrer Auswirkung auf das Gradientenfeld am äußer sten Ende der Spule angefügt. Daraus resultiert jedoch ein Feldfehler, der einen Nachteil dieses Verfahrens darstellt.A more complex coil geometry was described in US Pat. No. 4,456,881 (Technicare). The coil surface is in one Large number of surface elements divided. In each of these A current density vector is determined such that the resulting current density distribution the desired Target field with a maximum permissible error amplitude testifies. Because this procedure does not meet the continuity condition taken into account, the coils calculated in this way lack the respective against conductor returns. These are therefore without consideration considering their impact on the gradient field on the outside most end of the coil attached. However, this results in a Field error, which is a disadvantage of this method.
Die obengenannten Nachteile werden weitgehend durch Verfahren vermieden, wie sie in den US-Patentschriften 5,309,107 und 5,581,187 beschrieben sind. Dabei wird die gewünschte Spulen oberfläche gedanklich mit einem Gittermaschennetz überdeckt, wobei jede Gittermasche mit einer Elementarspule in Form ei ner geschlossenen Windung belegt wird. Mittels eines Fit- Algorithmus wird aufgrund einer vorgegebenen Ziel-Feldvertei lung für jede Elementarspule eine Ampere-Windungszahl ermit telt. Anschließend werden Stützpunkte für Leiterbahnen be stimmt. The disadvantages mentioned above are largely due to processes avoided as described in U.S. Patents 5,309,107 and 5,581,187. The desired coils mentally covered surface with a grid mesh, each grid mesh with an elementary coil in the form of egg a closed turn is occupied. By means of a fit Algorithm is based on a given target field distribution an ampere number of turns for each elementary coil telt. Subsequently, bases for conductor tracks will be Right.
Bei diesem Verfahren kann nicht nur eine herkömmliche Opti mierung auf ein Zielfeld hin durchgeführt werden, sondern durch Einführung geeigneter Randbedingungen können auch ande re Eigenschaften der Gradientenspule optimiert werden. Hierzu gehört z. B. die Minimierung der Spulenenergie, die Minimie rung von Wirbel strömen und die Minimierung von globalen Bie gekräften.With this method, not only a conventional opti be carried out towards a target field, but by introducing suitable boundary conditions, other re properties of the gradient coil can be optimized. For this belongs to B. the minimization of the coil energy, the minimie eddy currents and minimizing global bending forces.
Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren allerdings, daß keine echten Grenzwerte für bestimmte physikalische Parameter eingeführt werden. So kann die Optimierung beispielsweise in einer Stromdichte resultieren, die zu einer schwer zu reali sierenden Leiterdichte führt. Dies gilt insbesondere, wenn die Leiter als Drahtwickel ausgeführt sind. Eine hohe Leiter dichte kann außerdem zu schwer zu beherrschenden lokalen Kühlproblemen führen. Ferner ist die Feldverteilung in Hin blick auf das Ziel-Magnetfeld nur global optimiert. Für maxi male lokale Feldabweichungen ist kein Limit vorgesehen.A disadvantage of this known method, however, is that no real limits for certain physical parameters be introduced. For example, the optimization in result in a current density that leads to a difficult to achieve leading conductor density. This is especially true if the conductors are designed as wire coils. A high ladder density can also be too difficult to control local Lead to cooling problems. Furthermore, the field distribution in Hin view of the target magnetic field only globally optimized. For maxi There are no limits provided for local field deviations.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Spulenanordnung so auszu gestalten, daß die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden.The object of the invention is to design a coil arrangement in this way shape that the disadvantages mentioned above avoided will.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Durch die beanspruchte Art der Minimierung können über Randbedingungen feste Grenzwerte für physikali sche Parameter eingeführt werden.This object is achieved by the features of the An spell 1 solved. Due to the claimed type of minimization can set fixed limit values for physi cal parameters are introduced.
Durch Wahl einer Matrix kann vorteilhafterweise die maxima le Abweichung vom Ziel-Magnetfeld begrenzt werden. Damit wer den im Gegensatz zur ausschließlich globalen Betrachtung von Feldabweichungen nach dem Stand der Technik lokale Feldabwei chungen in die Betrachtung mit einbezogen. By choosing a matrix, the maxima le deviation from the target magnetic field can be limited. So who in contrast to the exclusively global view of Field deviations according to the state of the art local field deviation considerations included.
Vorteilhafterweise können durch Wahl der Matrix Stromände rungen zwischen benachbarten Elementarspulen begrenzt werden. Damit wird die zur Realisierung des gewünschten Feldverlaufs erforderliche Leiterdichte begrenzt.By selecting the matrix, it is advantageously possible to change the current Courses between adjacent elementary coils are limited. This will be used to implement the desired field course required conductor density is limited.
Nachfolgend wird beispielhaft anhand der Fig. 3 und 4 die Auslegung einer Gradientenspule gemäß der Erfindung erläu tert. Dabei zeigtIn the following, the design of a gradient coil according to the invention is explained by way of example with reference to FIGS. 3 and 4. It shows
Fig. 3 ein Gittermaschennetz. Fig. 3 is a grid mesh.
Fig. 4 ein Beispiel für die Matrix . Fig. 4 shows an example of the matrix.
Die Auslegung erfolgt in mehreren Schritten, die für sich be
trachtet zum Teil schon bekannt sind:
The design is carried out in several steps, some of which are already known per se:
-
1. Schritt (bekannt):
Zur Auslegung der Spule wird die geplante Spulenoberfläche zunächst in eine Vielzahl von aneinander anschließenden Ele mentarflächen zerlegt, so daß ein Gittermaschennetz entsteht. Dies ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, wobei die ein zelnen Elementarflächen oder Maschen mit 1 bis N durchnume riert sind. Jede dieser Flächen denkt man sich von einem Lei ter umschlossen, so daß gedanklich eine Vielzahl von "Elemen tarspulen" entsteht, die jeweils aus einer Windung bestehen. Im dargestellten Beispiel sind die einzelnen Maschen recht winklig im allgemeinen Fall (beispielsweise bei gekrümmten Spulenoberflächen) sind aber auch andere Maschenformen mög lich. Die Stromverteilung auf der gesamten Leiterstruktur wird bei der Optimierung als die Überlagerung von geschlosse nen elementaren Kreisströmen in den Elementarspulen aufge faßt, diese werden in der Folge als Maschenströme bezeichnet.1st step (known):
To design the coil, the planned coil surface is first broken down into a plurality of adjoining elementary surfaces, so that a grid mesh is formed. This is shown schematically in Fig. 3, wherein the individual elementary areas or meshes are numbered 1 to N. Each of these surfaces is thought to be surrounded by a conductor, so that a large number of "elemen tar coils" arise, each consisting of one turn. In the example shown, the individual stitches are quite angular in the general case (for example with curved coil surfaces) but other stitch shapes are also possible. The current distribution on the entire conductor structure is taken up in the optimization as the superposition of closed elementary circulating currents in the elementary coils, these are referred to below as mesh currents. -
2. Schritt (bekannt):
Weiter ist ein Zielfeld zi (Gradientenfeld oder Shimcharakte ristik) in einer Anzahl von Aufpunkten Pi vorgegeben, wobei gilt (i=1,. . .,M), M<N. Das Zielfeld zi = (zt,. . ., zM) umfaßt normalerweise Aufpunkte auf der Oberfläche der Homogenitäts kugel und Aufpunkte auf Wirbelstromflächen, auf denen das Zielfeld Null sein soll.Step 2 (known):
Furthermore, a target field z i (gradient field or shim characteristic) is predetermined in a number of points P i , where (i = 1,..., M), M <N. The target field z i = (z t ,..., Z M ) normally includes points on the surface of the homogeneity sphere and points on eddy current surfaces on which the target field should be zero. -
3. Schritt (bekannt):
In jeder der N Maschen denkt man sich einen Einheitsstrom fließen. Damit man für jede Masche des von diesem Einheits strom erzeugte Feld fij in jedem der M Aufpunkte.
fij ist also der Feldbeitrag eines Einheitsstromes in der j-ten Masche im i-ten Aufpunkt. Man erhält für den Stromvektor Ii = (I1,. . ., IN) folgenden Feldvektor bi = (b1,. . ., bM)
Für die Magnetfeldberechnung gibt es eine Vielzahl bekannter Verfahren, wobei am gebräuchlichsten die Berechnung aufgrund von Kugelfunktionen ist, wie es beispielsweise in dem Artikel Magnet Field Profiling: Analysis and Correction Coil Design, Magnetic Resonance in Medicine 1, 44-65 (1984) von Romeo und Hoult dargestellt ist. In Kugelfunktionsdarstellung sei beispielsweise A11(i), A31(i), A51(i), A33(i), A53(i) . . . das Feldspektrum der i-ten Elementar-Sattelspule. Für Gradienten strebt man im allgemeinen einen linearen Verlauf an, so daß das gewünschte Zielfeld folgendes Spektrum aufweist:
A11 = 1, A31 = A51 = A33 = 0.3rd step (known):
In each of the N meshes one thinks of a unit current flowing. So that for each mesh of the field f ij generated by this unit in each of the M points.
f ij is the field contribution of a unit current in the jth mesh at the i-th point. The following field vector b i = (b 1 ,..., B M ) is obtained for the current vector I i = (I 1 ,..., I N ).
There are a number of known methods for magnetic field calculation, the most common being the calculation based on spherical functions, as described, for example, in the article Magnet Field Profiling: Analysis and Correction Coil Design, Magnetic Resonance in Medicine 1, 44-65 (1984) by Romeo and Hoult is shown. A11 (i), A31 (i), A51 (i), A33 (i), A53 (i) are, for example, in the spherical function representation. . . the field spectrum of the i-th elementary saddle coil. For gradients one generally strives for a linear course so that the desired target field has the following spectrum:
A11 = 1, A31 = A51 = A33 = 0. -
4. Schritt (bekannt):
Für die Summe der quadratischen Abweichungen vom Zielfeld er hält man somit:
4th step (known):
For the sum of the quadratic deviations from the target field, you get:
-
5. Schritt (bekannt):
Die in der Spule enthaltene Feldenergie läßt sich wie folgt darstellen, wobei die Ljk die Koppel- bzw. Eigeninduktivitä ten des Maschennetzes sind:
Geht man davon aus, daß die Feldenergie mit einem bestimmten Wichtungsfaktor in die zu optimierende Funktion eingeht, so erhält man die zu minimierende Funktion F:
wobei we der Wichtungsfaktor ist, mit dem die Minimierung der Feldenergie in die Gesamtfunktion eingeht.Step 5 (known):
The field energy contained in the coil can be represented as follows, the L jk being the coupling or self-inductances of the mesh network:
If one assumes that the field energy is included in the function to be optimized with a certain weighting factor, then the function F to be minimized is obtained:
where w e is the weighting factor with which the minimization of field energy is included in the overall function. -
5. Schritt (neu):
Zur Lösung der vorliegenden Optimierungsaufgabe wurde bisher ein erweitertes Least-Mean-Square-Fit Verfahren verwendet. Bei diesem können jedoch keine Grenzwerte vorgegeben werden. Daraus resultieren die bereits in der Beschreibungseinleitung genannten Nachteile.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird daher die zu optimie rende (d. h. im konkreten Fall zu minimierende) Funktion wie folgt definiert:
Dabei stellt der erste Summand den linearen Anteil, der zwei te Summand den quadratischen Anteil der Funktion dar. T steht jeweils für einen transponierten Vektor. Auf diese Funktion werden folgende linearen Randbedingungen angewandt:
1 ist also eine untere, u eine obere Grenze.5th step (new):
An expanded least mean square fit method has so far been used to solve the optimization task at hand. However, no limit values can be specified for this. This results in the disadvantages already mentioned in the introduction to the description.
According to the present invention, the function to be optimized (ie minimized in the specific case) is therefore defined as follows:
The first summand represents the linear component, the second summand the quadratic component of the function. T stands for a transposed vector. The following linear boundary conditions are applied to this function:
So 1 is a lower and u an upper limit.
Für die oben dargestellte Optimierungsaufgabe inclusive der
Randbedingungen wurde von Gill et al im Report 50 L 82-7 "The
design and implementation of a quadratic programming algo
rithm" des Department of Operations Research, Stanford Uni
versity, California, 95305, 1982, ein Verfahren beschrieben.
Ferner ist unter der Bezeichnung "EONNAF" von der Firma NAG
als Bestandteil der NAG Fortran Library ein Computer-Programm
zur Lösung dieses Optimierungsproblems erhältlich. Auf das
für die Spulenauslegung vorliegende Problem lassen sich die
obigen Funktionen mit folgenden Definitionen anwenden. Der
Vektor c ist definiert durch:
For the optimization task described above, including the boundary conditions, a method was used by Gill et al in Report 50 L 82-7 "The design and implementation of a quadratic programming algo rithm" by the Department of Operations Research, Stanford University, California, 95305, 1982 described. Furthermore, a computer program for solving this optimization problem is available from NAG as part of the NAG Fortran Library under the name "EONNAF". The above functions with the following definitions can be applied to the problem for the coil design. The vector c is defined by:
Dabei steht
j für den Index der Elementarspule (1 ≦ i ≦ N)
i für den Index des Aufpunkts
fij für den Feldbeitrag eines Einheitsstromes in der j-ten
Elementarspule am i-ten Aufpunkt
zi für das Zielfeld am i-ten Aufpunkt.
It says
j for the index of the elementary coil (1 ≦ i ≦ N)
i for the index of the point
f ij for the field contribution of a standard current in the j-th elementary coil at the i-th point
z i for the target field at the i th point.
Die Matrix ist für alle j (j = 1. . .N) und k (k = 1. . .N) de
finiert durch:
The matrix is defined for all j (j = 1.. .N) and k (k = 1.. .N) by:
Die obengenannten linearen Randbedingungen werden dazu be
nutzt, die tatsächlich fließenden Ströme zu begrenzen. Durch
entsprechende Definition der Matrix kann man ferner ver
schiedene Parameter begrenzen. Durch eine Matrix in der in
Fig. 4 dargestellten Form kann man z. B. die Differenzströme
zwischen jeweils zwei benachbarten Maschen nach Fig. 3 be
grenzen, die dargestellte Matrix liefert nämlich nach Mul
tiplikation mit den Maschenströmen I1 . . . IN die Differenz
ströme
The above-mentioned linear boundary conditions are used to limit the currents that actually flow. By defining the matrix appropriately, you can also limit various parameters. By means of a matrix in the form shown in FIG . B. limit the differential currents between each two adjacent stitches according to FIG. 3 be, the matrix shown namely delivers after multiplication with the mesh flows I 1 . . . I N the difference currents
Diese Möglichkeit der Begrenzung bietet z. B. den Vorteil, daß man beim Spulendesign letztlich die Leiterdichte beschränken kann. Damit kann man zum einen vermeiden, daß das Verfahren ein Spulendesign mit einer Leiterdichte liefert, die beim Wickeln überhaupt nicht mehr zu realisieren ist. Zum anderen können zu hohe Leiterdichten zu Kühlproblemen führen.This possibility of limitation offers z. B. the advantage that you ultimately limit the conductor density in the coil design can. On the one hand, this can prevent the process provides a coil design with a conductor density that the Winding is no longer possible. On the other hand too high conductor densities can lead to cooling problems.
Man kann aber z. B. auch die maximale Feldabweichung begren zen, indem man die oben definierte -Matrix in die -Matrix einsetzt. Es gilt: .I = B. But you can z. B. also limit the maximum field deviation by inserting the matrix defined above into the matrix. The following applies:. I = B.
Die untere Grenze l und die obere Grenze u werden dann wie
folgt festgelegt:
l = z - Δa Zielfeld - maximale Abweichung
u = z + Δa Zielfeld + maximale Abweichung.The lower limit l and the upper limit u are then set as follows:
l = z - Δa target field - maximum deviation
u = z + Δa target field + maximum deviation.
Im Gegensatz zum bekannten Verfahren optimiert man damit
nicht nur die globale Feldabweichung, sondern es kann dar
überhinaus auch sichergestellt werden, daß die lokale Feldab
weichung vom Zielfeld einen festgelegten Wert nicht über
schreiten. Als weitere Möglichkeiten der Begrenzung von Spu
leneigenschaften seinen beispielsweise genannt:
In contrast to the known method, this not only optimizes the global field deviation, it can also be used to ensure that the local field deviation from the target field does not exceed a specified value. Examples of other possibilities for limiting coil properties include:
- - Begrenzung der Normalkomponenten der Feldstärke auf benach barte Leiteroberflächen auf einen vorgegebenen Wert,- Limitation of the normal components of the field strength to adj bearded conductor surfaces to a predetermined value,
- - Begrenzung von Feldstörungen, die von Wirbelströmen auf be nachbarten metallischen Teilen verursacht werden, auf einen vorgegebenen Wert,- Limitation of field disturbances caused by eddy currents neighboring metallic parts are caused on a predetermined value,
-
- im Falle von asymmetrischen Gradientenspulen oder einer
Asymmetrie des Grundfeldes ausgesetzten Leiteranordnungen:
Begrenzung des auf die Spule wirksamen Drehmoments auf ei nen vorgegebenen Wert.- in the case of asymmetrical gradient coils or an asymmetry of the basic field exposed conductor arrangements:
Limiting the torque acting on the coil to a predetermined value. -
6. Schritt (bekannt):
Die gegebene Stromverteilung wird mittels diskreter Leiter, die von einem konstanten Sollstrom durchflossen werden, nach gebildet. Hierfür sind verschiedene Lösungsansätze bekannt. Zum Beispiel kann zunächst jedem Maschenzweig eine definierte Fläche zugewiesen werden (Maschenbreite.Maschenlänge), in der der errechnete Strom fließen soll. Aus der globalen Stromverteilung in der Mantelfläche wird danach eine Flächen stromdichte-Verteilung und nach einer weiteren Division durch den Sollstrom eine Windungs-Dichteverteilung in der gegebenen Mantelfläche berechnet. Die Raumkurve der jeweiligen Leiter kann daraus durch Integration längs geeigneter Integrations wege (z. B. Projektion eines Geradenbüschels durch den Stagna tionspunkt der Windungs-Dichteverteilung auf die Mantelflä che) bestimmt werden. Hierzu integriert man die Windungs- Dichtefunktion längs des Weges auf, bis der Integralwert ganzzahlig wird. Innerhalb der so bestimmten Integralgrenzen wird die Position des Leiters so festgelegt, daß zu beiden Seiten gleich große Windungsanteile zu liegen kommen.Step 6 (known):
The given current distribution is formed by means of discrete conductors through which a constant target current flows. Various approaches are known for this. For example, each mesh branch can first be assigned a defined area (mesh width, mesh length) in which the calculated current should flow. A surface current density distribution is then calculated from the global current distribution in the lateral surface and, after a further division by the desired current, a winding density distribution in the given lateral surface. The spatial curve of the respective conductor can be determined from this by integrating along suitable integration paths (e.g. projecting a tuft of straight lines through the stagnation point of the winding density distribution onto the outer surface). To do this, the winding density function is integrated along the path until the integral value becomes an integer. Within the integral limits determined in this way, the position of the conductor is determined in such a way that the turns are equally large on both sides.
Bezüglich weiterer Einzelheiten zu dem Verfahren, ein Wickel design aufgrund eines Maschennetzes zu bestimmen, wird noch mals auf die US-Patentschrift 5,309,107 verwiesen.For more details on the process, a wrap It will still be necessary to determine design based on a mesh network sometimes referred to U.S. Patent 5,309,107.
Das beschriebene Verfahren läßt sich nicht nur auf Gradien tenspulen anwenden, sondern auf jedes Problem, wo mit Leitern auf einer vorgegebenen Fläche ein vorgegebenes Zielfeld er zeugt werden soll. Als weitere Beispiele hierfür seien Shim- Spulen, Abschirmspulen und Grundfeldspulen genannt.The method described cannot only be applied to gradients Apply tensile coils, but to any problem where with ladders a given target field on a given area to be fathered. As further examples of this, shim Coils, shielding coils and basic field coils called.
Claims (6)
- a) über die Spulenoberfläche wird ein Gittermaschennetz ge legt;
- b) jede Gittermasche wird mit einer Elementarspule in Form einer geschlossenen Windung belegt;
- c) das aus jeder Elementarspule resultierende Magnetfeld wird berechnet;
- d) aufgrund des Ziel-Magnetfelds wird durch Minimierung der
Funktion
mit der Randbedingung
für jede Elementarspule eine Ampere-Windungszahl festgelegt, wobei gilt:
I = Stromvektor, der die Ströme in den einzelnen Elementarspulen 1 ≦ j ≦ N angibt
C T = transponierter Vektor C
C = Vektor definiert durch
j = Index für die Elementarspule (1 ≦ i ≦ N)
i = Index für den Aufpunkt (1 ≦ i ≦ M)
fij = Feldbeitrag eines Einheitsstromes in der j-ten Elementarspule am i-ten Aufpunkt
zi = Zielfeld am i-ten Aufpunkt
Ljk = Koppel- bzw. Eigeninduktivität jeder Elementar spule
we = Wichtungsfaktor, mit dem die Minimierung der Feld energie in die Gesamtfunktion eingeht
= Matrix, mit der physikalische Parameter begrenzt werden
l, u = feste untere bzw. obere Grenzwerte für die Ströme in den einzelnen Elementarspulen - e) die aufgrund der Schritte a) bis d) ermittelte Stromver teilung wird mit Hilfe diskreter Leiter realisiert.
- a) a grid mesh is placed over the surface of the coil;
- b) each grid mesh is covered with an elementary coil in the form of a closed turn;
- c) the magnetic field resulting from each elementary coil is calculated;
- d) due to the target magnetic field by minimizing the function
with the boundary condition
an ampere number of turns is defined for each elementary coil, whereby the following applies:
I = current vector, which indicates the currents in the individual elementary coils 1 ≦ j ≦ N
C T = transposed vector C
C = vector defined by
j = index for the elementary coil (1 ≦ i ≦ N)
i = index for the point of impact (1 ≦ i ≦ M)
f ij = field contribution of a standard current in the j-th elementary coil at the i-th point
z i = target field at the i-th point
L jk = coupling or self-inductance of each elementary coil
w e = weighting factor with which the minimization of field energy is included in the overall function
= Matrix with which physical parameters are limited
l , u = fixed lower or upper limit values for the currents in the individual elementary coils - e) the current distribution determined on the basis of steps a) to d) is realized with the aid of discrete conductors.
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ID=7833200
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