CH676507A5

CH676507A5 -

Info

Publication number: CH676507A5
Application number: CH1104/87A
Authority: CH
Inventors: Howard J Halpern
Original assignee: Harvard College
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1986-07-14
Publication date: 1991-01-31
Also published as: GB2191586B; SE8701054L; WO1987000637A1; DK129887A; SE8701054D0; FI871111A0; GB2191586A; DK129887D0; CH677284A5; US4714886A; FI871111A; JPS63500542A; NL8620300A; GB8705487D0; DE3690363T1

Description

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CH676 507 A5

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetisches Resonanzverfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Elektronenspin-Resonanz wurde zur spektroskopischen Bestimmung der Präsenz und der Konzentration bestimmter Stoffe in der zu analysierenden Probe eingesetzt. Typischerweise wird eine sehr kleine Probe einem festen Hochfrequenzfeld im sog. X-Band (z.B. 9.5 Gigahertz) und einem zeitlich variierenden homogenen Magnetfeld ausgesetzt. Das sich ergebende Absorptionsspektrum wird delektiert als Indikator für die Präsenz und Konzentration von Stoffen in der Probe, deren Elektronenspin-Resonanzen den magnetischen Feldintensitäten entsprechen, die für die verwendete bestimmte, feste Hochfrequenz ins detektierte Spektrum fallen.

Typischerweise ist das Magnetfeld in der Grös-senordnung von mehreren Tausend 10-4 Tesla und wird erzeugt, indem die Probe zwischen den Polen eines Elektromagneten angeordnet wird. Die zeitliche Variation im Magnetfeld wird durch die Änderung des Stroms in einem Sweep-Spulenpaar erzielt, das je zwischen jedem Pol des Eiektromagnets und der Probe angeordnet ist.

Ein allgemeines Merkmal der Erfindung besteht in der Ableitung von Daten, die ein Bild der Stoffverteilung in der Probe darstellen, und zwar mittels Erzeugung eines magnetischen Felds in der Probe unter Verwendung von Spulen, die je auf entgegengesetzten Seiten der Probe und in Schrägstellung zueinander angeordnet sind, um einen magnetischen Feldgradienten längs der'Probenachse zu erzeugen, mittels Anregung magnetischer Resonanz in der Probe zur Erzeugung eines magnetischen Resonanzsignals, das die Verteilung des bestimmten Stoffes in der Probe anzeigt und mittels Detektion des Resonanzsignals und Ableitung der für das Bild repräsentativen Daten aus dem Resonanzsignal.

Bevorzugte Ausführungen umfassen die folgenden Merkmale. Die Spulen sind in Helmholtz-Konfi-guration angeordnet und ihre Zentren liegen auf einer gemeinsamen Achse, die zwischen ihnen verläuft, und die Probe durchdringt. Die Spulen sind bei Schrägstellung bezüglich dieser Achse in Winkeln ausgerichtet, welche die gleiche Grösse, jedoch entgegengesetzte Orientierung haben. Beide Spulenzentren liegen auf einem Kreis, der in einer Ebene liegt, welche senkrecht zu den Spulenebenen verläuft und jede Spulenebene bildet eine Tangente an den Kreis an demjenigen Punkt der Spulenebene, wo das Spulenzentrum liegt. Der Radius des Schrägstellungskreises ist die Hälfte des Spulenradius. Ein zusätzlicher Gradient wird dem magentischen Feld durch die Speisung der entsprechenden Spulen mit unterschiedlichen Strompegeln erteilt, wobei der zusätzliche Gradient längs einer Achse verläuft, die in einem Winkel (z.B. normal) zur Achse des magnetischen Feldgradienten steht, der durch die Schrägstellung der Spulen erzeugt wird. Der Schrägstellungswinkel wird in einer Folge von Schritten von einem minimalen zu einem maximalen Winkel nachgeführt, welcher einer maximalen Höhe des magnetischen Feldgradienten entspricht; die unterschiedlichen Strompegel erhalten entsprechend den Schrägstellungswinkeln zunehmend grössere Differenzen und die Grösse der Strompegel wird für jede Kombination von Schrägstellungswinkel und Strompegeldifferenz variiert.

Es sind Mittel vorhanden, um die Probe nur in einer einzigen, gewählten Querschnitts-Scheibe auf die Resonanz ansprechbar zu machen, z.B. in Form von zwei Leiterschleifen, welche die Spulen umgeben und mit Strömen gespeist werden, die jeweils entgegengesetzt gerichtet sind und verschiedene Pegel aufweisen.

Bei der Probe handelt es sich um lebendes Gewebe und beim bestimmten Stoff um Sauerstoff.

Durch die Schrägstellung der Spulen kann auf einfache Weise ein linearer Feldgradient längs einer Achse erzeugt werden, die aus der Achse zwischen den Spulen versetzt ist. Als Ergebnis können mit einem einzigen Spulenpaar zweidimensionale Bilder erzielt werden. Die Verwendung eines Radiofrequenzsignals tiefer Frequenz zur Stimulierung der Resonanz erlaubt es dem Signal, in lebendes Gewebe einzudringen, ungeachtet seines wesentlichen Wassergehalts, und gestattet die Verwendung von magentischen Strukturen kleiner Tesla-Werte, womit sich die Vorrichtung vereinfacht.

Weitere Vorteile und Eigenschaften ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Perspektivdarstellung, mit weggebrochenen Partien, eines Hohlraumresonators, der dazugehörenden Spulen und der Vorrichtung.

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung mit weggebrochenen Partien, entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Schaltung zur Vorrichtung von Fig. 1

Fig. 4 ist eine Perspektivdarstellung, mit weggebrochenen Partien eines Gehäuses für die grossen Helmholtz-Spulen der Fig. 1.

Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf den Antriebsmechanismus für die Schrägstellung der grossen Helmholtz-Spulen.

Fig. 6 zeigt eine repräsentative Probenscheibe.

Fig. 7 ist ein Blockschema einer Steuerschaltung.

Fig. 8 stellt ein Flussdiagramm des Ablaufs der Probenbilderzeugung dar.

Der Schenkel einer lebenden Maus (nicht gezeigt) mit Tumorgewebe (das zu analysieren ist, um Bilder der Sauerstoffkonzentration in einem Feld kleiner Volumeneinheiten - von z.B. je 1/2 cc — des Tumorgewebes zu erzeugen) wird gemäss den Fig. 1 und 2 in einem Hohlraumresonator 8 mit Streifenlei« teraufbau angeordnet, ähnlich demjenigen der von De Corps u. Fric in «Un spectromètre basse fréquence à haute sensibilité pour l'étude de la résonance des spin éléctroniques, Journal de Physique E 5:337, 1972» beschrieben wurde.. Der Hohlraumresonator 8 weist einen einzigen, hohlen, am Ende offenen Zylinder 10 auf, der aus einem Block hochreinen Kupfers herausgearbeitet wurde. Der Zylin5

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der 10 ist 2.86 cm lang, 1.29 cm im Radius bei 0.158 cm Wandstärke und hat einen Schlitz 12, der an einer Seite über die Länge des Zylinders verläuft. Zwei Platten eines einzigen, engen (o.025) Spaltkondensators 14 sind je mit den zwei Kanten des Zylinders 10 verbunden, die den Schlitz 12 bilden. Der Zylinder 10 und der Kondensator 14 bilden so einen parallelen L-C-Schwingkreis. Dies ergibt ein homogenes, magnetisches Feld im Zylinder 10 und entfernt aus dem Zylinder die Hauptmenge des elektrischen Felds im L-C-System, wodurch die Herabsetzung des Qualitätsfaktors (Q) des Resonators durch die Wirkung des dielektrischen, wäss-rigen Gewebes des Maustumors minimal gemacht wird. Der Hohlraumresonator (umfassend Zylinder 10, Platten 24, 25 und Blech 27) ist fest in einem 0.158 cm, D-förmigen Abstandshalter 16 aus klarem Acryl angeordnet, der seinerseits im Passsitz in einem Radiofrequenz-Abschirmzylinder 18 von 4.57 cm Durchmesser gehalten ist. Ein Ende des Zylinders 18 besitzt eine Kappe 20 (Fig. 1) mit einer Zugangsöffnung 22 von 1.9 cm Radius, um das Einführen der Maus in den Zylinder 10 zu erlauben. Das andere Zylinderende 18 (in Rg. 1 nicht ersichtlich) ist ganz geschlossen.

Die untere Platte 24 des Kondensators 14 ist im rechten Winkel auf die ebene Fläche des Abstandshalters 16 umgebogen, um eine Fläche 26 (1.27 cm x 3.2 cm) zu bilden, die einer einzelnen Kupferplatte 28 der Dicke 0.158 cm und gleicher Grösse gegenüberliegt. Ein Blech 27 ist so gebogen, dass es einen Streifen 29 bildet, der die Platte 26 deckt und schützt. Der Streifen 29 ist in den Abstandshalter 16 geschraubt. Die Verbindung zum Abschirmzylinder 18 wird durch die steife, äussere, metallische Schutzhülle 30 eines abgeschirmten Kabels 32 hergestellt. Ein zentraler Leiter 34 des Kabels 32 verläuft durch ein Abstandsloch 35 im Zylinder 18 und sein Ende ist angeschlossen an und trägt die Platte 28. Der L-C-Kreis des Zylinders 10 und des Kondensators 14 ist demgemäss über den Kondensator, gebildet durch die Platten 26, 28, kapazitiv an ein Radiofrequenz-Leistungssignal gekoppelt, das via den Leiter 34 geliefert wird.

Die Platte 25 des Kondensators 14 ist mittels einem Kupferband 31 (Fig. 2) mit dem Zylinder 18 verbunden, der geerdet ist. Das Band 31 ist zwischen die obere Fläche der Platte 25 und den Abstandshalter 16 geklemmt und erstreckt sich entlang der ebenen Fläche des Abstandshalters 16 zum Zylinder 18, wo sein anderes Ende zwischen dem Abstandshalter 16 und dem Zylinder 18 gehalten ist. Der Kondensator, welcher durch die Platte 28 und den Abschirmzylinder 18 gebildet wird, und der Kondensator, der durch die Platten 26, 28 gebildet wird, sind in Serie geschaltet und bilden einen Kapazitätsteiler, um die Impedanz abzugleichen und eine Spannungsaufstufung vom Leiter 34 zur Platte 26 zu bewirken, welche durch das Verhältnis der zwei Kapazitäten gegeben ist. Die Feinabstimmung des Kapazitätsverhältnisses (und damit die Abgleichung der Impedanz) erfolgt durch eine elektronisch gesteuerte Varaktordiode (Fig. 3), die zwischen dem Leiter 34 und der Abschirmung 18 angeschlossen ist. Der Impedanzabgleich ist unabhängig von

Phasenverschiebungseffekten, da er rein kapazitiv ist.

Ein Magnetfeld von etwa 93 10-4 Tesla wird mittels einem Paar ringförmiger Helmholtzspulen 40, 42 an die Probe angelegt, von denen jede einen Durchmesser von 0.3 m besitzt und von einem geeigneten Netzgerät 220 (Kepco ATE 75-15) mit 6 Ampères bei 35 Volt versorgt wird. Die Spulen 40,42 besitzen jede eine Wicklung mit 400 Windungen aus #10 Kupferdraht. Das von den Spulen erzeugte Magnetfeld ist über den Raum im Zylinder 10 zu 1 Teil in 104 homogen. Das Magnetfeld der Spulen 40, 42 wird mittels einem Paar paralleler Helmholtzspulen 44, 46 kleineren Durchmessers, von denen jede einen Durchmesser von 0.14 m hat, mit Audiofrequenz moduliert. Jede dieser Spulen besitzt eine Wicklung mit 184 Windungen aus #10 Kupferdraht. Die Spulen 44, 46 sind in Serie geschaltet und werden in noch zu beschreibender Art betrieben.

Die zwei Spulen 40, 42 sind von einem Paar rechteckiger Leiterschleifen 48, 50 je oberhalb und unterhalb der Abschirmung umgeben. Die zwei Schleifen 48, 50 führen zwei verschiedene, entgegensetzt gerichtete oszillierende Ströme mit einer von der Frequenz in den Spulen 44, 46 unterschiedlichen Frequenz, um das Magnetfeld zu modulieren. Der Effekt davon besteht darin, das System nur auf Resonanzen innerhalb einer gewählten Horizontalebene der Probe im Zylinder 10 ansprechbar zu machen, was die Analyse von aufeinanderfolgenden horizontalen Scheiben in der Probe erlaubt, wie bei Henshaw, Moore et. al, I. Appi. Phys. 47:3709 (1976) diskutiert wird.

Wie aus Rg. 3 ersichtlich, ist der Leiter 34 via den A-Eingang eines 180° Hybridteilers 100 (Olektron 0-H-30V-1) und dann via den Summenausgang des Teilers 100 mit einem Ausgang eines fre-quenzmodulierbaren Signalgenerators 102 (Hewlett-Packard HP-8654 A) verbunden. Eine fein abgestimmte 50ß-Vergleichsimpedanz 101 ist an den B-Eingang des Hybrids 100 angeschlossen. Das Radiofrequenzsignal bei 260 Megahertz wird via den Leiter 34 an den Hohlraum 8 und auch zur Ver-gleichsimpendanz 101 geführt und jedes reflektierte Signal vom Hohlraum 8 wird via den Leiter 34 zurückgeführt.

Die vom Hohlraum 8 und von der Vergleichsimpedanz 101 rerlektierten Signale löschen sich aus, falls nicht ein Ungleichgewicht, hervorgerufen durch die ESR-Absorption oder Dispersion, die Impedanz des Hohlraums ändert. Der Differenzausgang der Hybridschaltung 100 liefert ein Signal, das der Differenz zwischen dem Wert der Vergleichsimpedanz (50.0Q) und derjenigen des Hohlraums 18 (transformiert durch den Kapazitätsteiler) entspricht Dieses Differenzsignal gelangt via ein variables Dämpfungsglied 104 zu einem 60 dB-Ver-stärker 106 (Trontech Modell # W500ef) mit einer Rauschzahl von 1.5 dB. Das Differenzsignal wird in drei Stufen demoduliert, woraus sich ein Signal ergibt, welches das ESR-Spektrum der Probe darstellt.

Die erste Demodulationsstufe entfernt den 260-Megahertz-Träger und transferiert die ESR-Spek-tralinformation im Differenzsignal zu einem 10-Me-

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gahertz-Trägersignal. Dies geschieht mittels einem Vierphasen-Modulator 108 (Olektron 0-JPM-240), der als Signal-Seitenbandmodulator geschaltet ist. Ein Phasenschleber-Teiler 110 liefert die Quadratur-Komponenten eines 10-Megahertz-Speisesignals (das von einem Signalgenerator 111 kommt - Hewlett Packard HP 606 A) an den Modulator 108, um das Differenzsignal von 260 auf 270 Megahertz hoch-zutransformieren. Der Ausgang des Modulators 108 wird in einem doppelt abgestimmten Mischer 112 (Olektron 3002/A) gemischt, welches in der gleichen Art frequenzmoduliert ist, wie das ursprüngliche Speisesignal (d.h. eine Abzweigung von derselben Frequenzquelle ist). Das Ergebnis wird dann in einem Tiefpass-Tschebischeff-Filter 114 gefiltert, um den 1O-Megaherfz-Träger mit superponierter ESR-Spektralinformation zu erzeugen.

In der zweiten Demodulationsstufe wird das 10-Megahertz-Signal in einem Teller 116 aufgeteilt. Es wird dann in zwei identischen, doppelt abgestimmten Mischern 118,120 (Minicircuits ZAD-1) je mit verzögerten, phasentreuen und 90°-phasenverschobe-nen Versionen desselben 10-Megahertz-Signals kombiniert, welches vom Generator 111 an den Teiler 110 geliefert wird. Die beiden 10-Megahertz-Signale werden über einen Teiler 124 geliefert. Die 90°-pha-senverschobenen Versionen werden in einem Phasenschieber-Teiler 122 auf der Grundlage eines der 10-Megahertz-Signale erzeugt, welches in einem Verzögerungselement 126 verzögert wurde. Der Mischer 118 liefert dann ein Signal, das proportional zum Imaginärteil (Phase) des vom Hohlraum reflektierten Signals ist und der Mischer 120 liefert ein zweites Signal, das proportional zum Realteil (Amplitude) des vom Hohlraum reflektierten Signals ist. Das Phasensignal gelangt dann durch einen Tiefpassfilter 130 und einen 741 -Operationsverstärker 132 zur Rückkopplung an den Frequenzmo-duiations (FM)-Eingang des Generators 102, zu dessen Frequenzverriegelung auf die Frequenz des Hohlraumsignals.

Das Hohiraum-Amplltudensignal wird in einem Teller 134 geteilt. Ein Ast des Teilsignals wird verwendet» um die Impedanz des Hohlraumresonatorsy-stems auf die Impedanz der RF-Speiseschaltung abzugleichen.

Dieser Ast wird via einen Tiefpassfilter 136 und einen LC-Kerbfilter 138 auf die Modulationsfrequenz (10 Megahertz ) eingestellt, um es auf Änderungen im Hohlraumwiderstand unempfindlich zu machen, die auf ESR-Absorption bei der Frequenz der Magnetfeldmodulation zurückgehen. Der Ausgang des Kerbfilters wird über einen unipolaren Operationsverstärker 140 geführt, dessen Ausgang eine Varaktordiode 142 steuert. Die Varaktordiode gleicht Änderungen in der Hohlraumimpedanz aus, welche durch Mikrophonrauschen, Tierbewegungen und ähnliches erzeugt werden. Sowohl die Amplituden-sensitive Rückkopplung und die Rückkopplung des Phasensignals an Generator 102 stabilisieren das System gegen Tierbewegungen.

In der dritten Demodulationsstufe wird die Audiofrequenz (z.B. 200 Hertz)-Modulation des Magnetfelds (die durch einen Audiofrequenz-Generator 150, Hewlett-Packard HP 205 AG, den Spulen 44,

46 aufgeprägt wird) demoduliert, indem der zweite Ast des Amplitudensignals via einen Tiefpass-R-C-Filter 152 an einen Lock-in-Verstärker 154 (Princeton Applied Research Company PARC 5101) geführt wird. Der andere Eingang des Verstärkers 154 erhält das gleiche Signal vom Generator 150, das verwendet wurde, um das Magnetfeld zu modulieren.

Das Ausgangssignal 156 stellt das Spektrum des ESR-Hohlraumsignals als Funktion sowohl der Magnetfeldintensität im Zentrum der Probe, als auch von Magnetfeldgradienten dar, welche in noch zu beschreibender Art und Weise angelegt werden. Das Ausgangssignal kann dann analysiert werden, um daraus die Konzentration von paramagnetischem Material in der Probe zu bestimmen oder von Stoffen, auf welche die ESR-Spektren empfindlich sind, insbesondere Sauerstoff.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, sind Spulen 40,42 je in zwei rechteckigen, schachteiförmigen Rahmen 302, 304 angeordnet und die Rahmen 302,304 sind beide in einem Gehäuse 306 gehaltert, das aus einem Paar paralleler Aluminiumplatten 308,310 von je 43.2x43.2x1.27 cm besteht, welche durch vier hochkante Pfosten 312 zusammengehalten werden. Die obere Fläche der Platte 310 ist mit einer kreisförmigen Nut 314 versehen, die Im Querschnitt halbkreisförmig ist. Jeder Rahmen 302, 304 besitzt ein Lagerpaar 316, 318 (nur zwei sind gezeigt), das an entgegengesetzten Enden an der Rahmenunterseite montiert ist und in der Nut 314 läuft. Ein Paar halbkreisförmiger Schlitze 320, 322 sind in die Deckplatte 308 geschnitten. Die Rahmen 302, 304 sind mit vertikalen Stäben 324, 325, 326, 329 verbunden, die daraus hervorstehen und längs den Schlitzen 320, 322 geführt sind. Auf jeden Stab 324, 325, 326, 329 ist ein Dreifachkugellager, z.B. 327, angeordnet, das auf der Deckfläche der Platte 308 läuft. Die Schlitze 320, 322 sind auf einen Punkt zentriert, der direkt oberhalb des Zentrums des Kreises liegt, der durch die Nut 314 definiert Ist. Der Kreis 314, die Schlitze 320,322 und die Punkte, an welchen die Lager 316,318 und Stäbe 324,325, 326, 329 auf die Rahmen 302,304 montiert sind, liegen so, dass die Mittelebenen beider Rahmen um ei-1

nen Kreis vom Radius — des Radius jeder Spule gedreht werden können, wobei die Spulenebenen Tangenten an den Kreis bilden.

Gemäss Fig. 5 sind die Oberseiten der Stäbe 324,325,326, 329 in zwei Drehtischen 202,203 gehalten, welche oberhalb der Deckplatte 308 befestigt und so ausgebildet sind, dass sie in entgegen-gesetzen Richtungen um eine zentrale Achse 204 derart rotieren, dass wenn sich die Drehtische 202, 203 um die Achse 204 drehen, auch die Spulen 40, 42 sich um die Achse 204 drehen (wie durch die Pfeile 205 angedeutet). Wenn sich die Drehtische 202, 203 drehen, stellen sich die Spulen 40, 42 schräg zueinander. Die Schrägstellung kann durch Drehen der Drehtische 202, 203 so lange erhöht werden (auf eine Maximalposition, welche mit strich-Herten Linien 206, 207 gezeigt ist), bis Spule 40 an Spule 42 anstösst. Die Drehtische 202, 203 besitzen Radien von (1/2) r, wobei r der Radius der Spu-

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len 40, 42 ist. Der Drehtisch 202 trägt an seiner unteren Fläche eine halbzylindrische Zahnstange 208. Der Drehtisch 203 trägt eine ähnliche Zahnstange 209 an seiner oberen Fläche. Die Zahnstangen 208, 209 arbeiten mit einem langen Ritzel 210 zusammen, das durch einen Schrittmotor 212 angetrieben wird, der auf der Platte 308 in fester Lage bezüglich der Drehtische 202, 203 befestigt ist. Der Schrittmotor 212 ist über eine Leitung 214 an eine Steuerschaltung 216 angeschlossen, welche Impulse an den Schrittmotor liefert, um die Drehtische 202, 203 in einer Folge kleiner Schritte um die Achse 204 in alle gewünschten Stellungen zu drehen.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, erteilt die Schrägstellung der Spulen 40,42 dem an die Probe angelegten Magnetfeld einen Gradienten längs einer Achse (der X-Achse in Fig. 6), die horizontal verläuft und normal zur Achse 218 (der Z-Achse in Fig. 6) zwischen den Spulenzentren steht. Dieser Gradient ist linear mit der Verschiebung x aus der Achse 218 in der Ordnung (x/r)*. In Fig. 6 stellt die Y-Achse die vertikale Lage jeder horizontalen Scheibe der Probe (z.B. der Scheibe 213 in Fig. 6) dar.

Die Anordnung des Motors 212 oberhalb der Platte 308 hilft mit bei der Abschirmung der elektrischen Störungen vom Hohlraumresonator, welche durch den Motor erzeugt werden.

Gemäss Fig. 7 ist die Steuerschaltung 216 zusätzlich zu ihrem Anschluss für die Lieferung von Impulsen an den Schrittmotor 212 zur Lieferung von Steuersignalen an eine Wechselstromquelle 218 angeschlossen, welche die Schleifen 48, 50 mit Strom versorgt in einer Frequenz, welche von der Audio-frequenz abweicht, mit welcher das Magnetfeld moduliert ist. Die Ströme an die Schleifen 48, 50 sind entgegengesetzt gerichtet und weisen unterschiedliche Pegel auf. Die Schleifen 48, 50 definieren auf diese Weise eine bestimmte, horizontale Scheibe durch die Probe, indem mit der Betätigung des Rückkopplungssystems der Schaltung gemäss Fig. 3 jeder Teil des Hohlraumsignals, das zu Teilen der Probe ausserhalb der horizontalen Scheibe gehört, eliminiert wird. Durch die Einstellung der relativen Strompegel in den Schleifen 48, 50 kann die Lage der sensitiven Scheibe geändert werden. Durch die Einstellung der absoluten Pegel dieser Ströme kann die Dicke der Scheibe variiert werden. Die Steuersignale, welche von der Steuerschaltung 216 an die Stromquelle 218 geliefert werden, bestimmen die Pegel der zwei Ströme und damit die Lage und Dicke der sensitiven Scheibe.

Die Steuerschaltung 216 ist ferner zur Abgabe von Signalen mit einer Gleichstromquelle 220 verbunden, welche Gleichströme auf zwei unterschiedlichen Pegeln an die Spulen 40, 42 liefert, um dem Magnetfeld einen Gradienten längs der Achse zwischen den Zentren der zwei Spulen aufzuprägen und die Grösse des Gradienten zu steuern.

Die Steuerschaltung 216 weist auch einen Analog-Dlgital-Wandler 224 auf, der das analoge Ausgangssignal 156 empfängt und es für die Speicherung und Verarbeitung digitalisiert.

Schliesslich ist die Steuerschaltung 216 mit einer Bilderzeugungseinrichtung 222, wie z.B. einem Drucker oder einer Kathodenstrahlröhre, verbunden, um ein zweidimensionales Bild der Verteilung der paramagnetischen Materialkonzentration in jeder horizontalen Scheibe der Probe darzustellen, oder insbesondere die Verteilung der Sauerstoffkonzentration, welche aus den Spektren in der Art ableitbar ist, wie sie in Lai et.al.,«ESR-Studies O2 uptake by Chinese hamster ovaiy cells during the cell cycle», Proceedings Nat1 1 Acad.Sci.USA Vol.79:1166-1170,1982, beschrieben ist.

Die Steuerschaltung 216 ist ein Mikroprozessor (mit Digitalspeicher), der auf folgende Weise für die Bilderzeugung programmiert ist.

Gemäss Fig. 8 wird der Mausschenkel im Zylinder 10 plaziert (400). Um ein Bild einer einzelnen, horizontalen Scheibe zu erzeugen, werden Signale an die Stromquelle 218 gesandt (402), um den Strom in den Schleifen 48, 50 auf die Werte festzulegen, welche diese horizontale Scheibe als sensitiven Teil der Probe definieren. Als nächstes wird die Schaltung gemäss Fig. 3 in Betrieb gesetzt (406), um das RF-Speisesignal über den Leiter 34 zu liefern, das Magnetfeld zu modulieren und das resultierende Ausgangssignal 156 zu erzeugen. Das RF-Speisesignal wird kontinuierlich und nicht In Pulsen abgegeben. Als nächstes werden die Schrittimpulse dem Motor 212 zugeführt, um die Spulen 40, 42 zu einem neuen Schrägstellungswinkel zu verschieben (408), und die Differenz der Ströme, welche den Spulen 40, 42 zugeführt werden, wird auf einen neuen Wert festgesetzt (410), wodurch zwei Magnetfeldgradienten entstehen, von denen der eine ein steiler Gradient längs der Achse zwischen den Zentren der Spulen 40, 42, der andere ein schwacher Gradient in einem Winkel zu dieser Achse ist. Dann werden die Ströme in den Spulen 40, 42 erhöht, während die Differenz zwischen ihnen beibehalten wird, so dass der Mittelwert des Magnetfelds die Grenzen der durch die Gradienten aufgeprägten Magnetfeldänderung überstreicht. Während die Ströme variiert werden, wird das Ausgangssignal digitalisiert und die resultierenden Ergebnisse werden gespeichert (414). Falls der maximale Schrägstellungswinkel (entsprechend dem maximalen Feldgradienten Gmax) noch nicht erreicht ist (416), wird der Winkel der Spulenschräg-stellung schrittweise erhöht (408) und die Vorgänge 410, 412, 414 werden wiederholt. Der Ablauf wird wiederholt, bis der maximale Feldgradient Gmax erreicht ist.

Die gespeicherten, digitalen Ergebnisse werden danach mathematisch analysiert, um das ESR-Spek-trum abzuleiten, das auf jedes Volumenelement in der Scheibe (z.B. Element 215 in Fig. 6) anwendbar ist. Die ESR-Spektren werden danach auf herkömmliche Art analysiert (z.B. durch Fourieranalyse zur Identifizierung von Spitzen, welche der Anwesenheit von Sauerstoff entsprechen im vorliegenden Beispiel, oder mindestens mittels Quadrat-Vergleich-Technik), um daraus die Konzentration in jedem Volumenelement der Scheibe zu bestimmen. Die sich ergebenden Konzentrationswerte werden dann für die Anzeige in einer Matrix organisiert, z.B. in der Form eines topographischen Bildes der Konzentration in der Scheibe. Der gleiche Vorgang wird für

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jede Scheibe in der Probe wiederholt, welche von Interesse sein kann. Dann kann ein dreidimensionales Bild der Konzentration in der Probe abgeleitet und angezeigt werden.

Es können Proben, welche nicht tierisches Gewebe sind, auf eine Vielzahl bestimmter Stoffe analysiert werden, die nicht Sauerstoff sein müssen.

Die Spulenschrägstellung kann bei negativem Winkel beginnen (statt bei O) und schrittweise zu O oder einem positiven Winket führen. Die RF-Spei-sung kann bei anderen Frequenzen als 260 Megahertz erfolgen, vorzugsweise unterhalb von 1 Gigahertz und in jedem Fall tief genug, um in alle Teile der Probe einzudringen, selbst wenn diese ein Verluste erzeugendes Material enthalten sollte.

Claims

Patentansprüche

1. Magnetisches Resonanzverfahren zur Ableitung von Daten, die ein Bild einer Verteilung eines bestimmten Stoffes in einer Probe darstellen, gekennzeichnet durch Erzeugung eines magnetischen Feldes in der Probe unter Verwendung eines Spulenpaares, die auf verschiedenen Seiten der Probe angeordnet und gegeneinander schräggestellt sind, um einen magnetischen Feldgradienten längs einer Achse der Probe zu erzeugen, Anregung magnetischer Resonanz in der Probe, um ein magnetisches Resonanzsignal zu erzeugen, das die Verteilung des Stoffes in der Probe anzeigt, und Detektieren des Resonanzsignals und Ableiten der Daten aus dem Resonanzsignal, welche das Bild darstellen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes in der Probe, Mittel zur Anregung von magnetischer Resonanz in der Probe, um ein magnetisches Resonanzsignal zu erzeugen, das die Verteilung des bestimmten Stoffes angibt, und Mittel zur Detektion dieses Resonanzsignals und zur Ableitung der genannten Daten aus dem Resonanzsignal, welche das Bild darstellen, wobei die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes ein Paar Spulen aufweisen, die je auf verschiedenen Seiten der Probe angeordnet und relativ zueinander schräggestellt sind, um einen magnetischen Feldgradienten längs einer Achse der Probe zu erzeugen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Spulen in einer Helmholtz-Konfiguration angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Spulenzentren auf einer gemeinsamen Achse liegen, die sich zwischen ihnen erstreckt, und die Probe durchdringt, wobei die Spulen bei Schrägstellung in Winkeln bezüglich dieser Achse orientiert sind, welche dieselbe Grösse, jedoch entgegengesetzte Richtungen haben.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Spulenzentren auf einer gemeinsamen Achse liegen, die steh zwischen ihnen erstreckt, und wobei sich die Zentren bei Schrägstellung der Spulen beide auf einem Kreis befinden, der in einer Ebene liegt, die senkrecht zu beiden Ebenen.steht, in welchen die Spulen liegen und jede Spulenebene in dem Punkt eine Tangente an diesen Kreis bildet, in welchem das

Zentrum dieser Spule liegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Radius des Kreises halb so gross ist, wie der Spulenradius.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes ferner Mittel zur Aufprägung eines zusätzlichen Gradienten auf das Magnetfeld besitzen, indem die Spulen mit unterschiedlichen Strompegeln beliefert werden, wober der zusätzliche Gradient längs einer Achse verläuft, die in einem Winkel zur Achse des durch die Schrägstellung der Spulen erzeugten Magnetfeldgradienten steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Achse des zusätzlichen Gradienten normal zur Achse des durch die Schrägstellung der Spulen erzeugten Magnetfeldgradienten steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner enthält eine Steuerung zur Nachführung des Winkels der Schrägstellung durch eine Schrittsequenz von einem minimalen zu einem maximalen Winkel entsprechend einem Maximalwert des magnetischen Feldgradienten, ferner zur Erzeugung unterschiedlicher Strompegel, welche in Entsprechung zu den Schrägstellungswinkeln um zunehmend grössere Werte differieren, sowie zum Variieren der Grösse der Strompegel für jede Kombination von Schrägstellungswinkel und Strompegeldifferenz.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der minimale Winkel null ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner Mittel enthält, um die Probe lediglich in einer einzigen gewählten Querschnitts-Scheibe für die Resonanz sensitiv zu machen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Mittel, um die Probe sensitiv zu machen, zwei Leiterschleifen aufweisen, von denen jede beide Spulen umrundet, sowie eine Stromquelle zur Erzeugung von Strömen in den zwei Schleifen, welche entgegengesetzt gerichtet sind und unterschiedliche Pegel haben.

13. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Anregung einen Radiofrequenzgenerator aufweisen, der ein Radiofrequenzsignal erzeugt mit einer Frequenz, die ausreichend niedrig ist, um alle Stellen der Probe zu erreichen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Anregung der Resonanz einen "Resonator zur Anregung der Probe, einen Radiofrequenz-Schaltkreis, der an den Resonator angeschlossen ist, ein einstellbares Element zur Einstellung des Resonators und einen Schaltkreis zur Steuerung des Elementes enthält, um die Resonatorimpedanz und die Impedanz des Radiofrequenz-Schaltkreises abzustimmen und die Bewegungseffekte der Probe zu verringern.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Radiofrequenz-Schaltkreis kapazitiv an den Resonator gekoppelt ist und dass das Element eine elektrisch verstellbare Kapazität ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Element eine Varaktordiode ist.

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