DE10109489A1 - Spinresonanzgerät mit einem statischen Magnetfeld - Google Patents

Abstract

Spinresonanzmeßgerät zur Erzeugung eines zu einem statischen Magnetfeld senkrechten magnetischen Wechselfeldes mit zwei elektromagnetischen Eigenfrequenzen, wobei in Längsrichtung des statischen Magnetfeldes auf zwei einander umschließenden Zylindermänteln, die auch identisch sein können, axial verlaufende Leitungen (3) flächige Wechselströme der Eigenfrequenzen als stehende Wellen der Periode 2pi über den Azimut approximieren, wobei an den Grundflächen der Zylinder zwischen diesen Axialleitungen Verbindungsleitungen (1, 2) angeordnet sind und/oder die Enden der Axialleitungen durch Verbindungsleitungen (4, 5, 7) mit zusätzlichen Axialleitungen (6, 8) verbunden sind, sowie in einigen oder auch in allen Leitungen Impedanzen eingebaut sind, wobei ein Teil der Impedanzen zusammen mit den Leitungen des ersten Zylinders ein resonantes System für die erste Eigenfrequenz bildet und die Impedanzen dieses resonanten Systems derart verändert sind, daß eine zur Eigenschwingung äquivalente, orthogonale Eigenschwingung unterdrückt wird, und ein Teil der Impedanzen zusammen mit den Leitungen des zweiten Zylinders ein resonantes System für die zweite Eigenfrequenz bildet, wobei die zugehörige Eigenschwingung orthogonal zur Eigenschwingung des ersten Systems ist.

Description

Die Erfindung betrifft Meßgeräte zur ortsaufgelö­ sten magnetischen Kernresonanz (Nuclear Magnetic Resonance = NMR). Mit Hilfe der NMR können unter Nutzung des ¹H-NMR-Signals Bilder und Spektren aus dem Inneren z. B. biologischer Objekte gewonnen werden. Hierzu werden Spinresonanzmeßgeräte mit einem statischen Magnetfeld, Magnetfeldgradienten und Resonatoren, deren Eigenfrequenz der ¹H-NMR- Resonanzfrequenz entspricht, verwendet. Neben dem ¹H-NMR-Signal können auch Signale anderer Atomkerne (z. B. ³¹P, ¹³C, ¹⁹F, ²³Na, etc.) gemessen werden, wenn Resonatoren eingesetzt werden, deren Eigenfre­ quenzen diesen NMR-Resonanzfrequenzen entsprechen. Für simultane NMR-Untersuchungen mehrerer Atomkerne sind deshalb Resonatoren nötig, die mehrere Eigen­ frequenzen besitzen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spinresonanzmeß­ gerät mit einem statischen Magnetfeld und einer Vorrichtung zur Erzeugung dazu senkrechter magneti­ scher Wechselfelder bei zwei Resonanzfrequenzen, wobei in Längsrichtung des statischen Magnetfeldes auf zwei Zylindermänteln axial verlaufende und azi­ mutal in der Regel äquidistant angeordnete Leitun­ gen flächigen Wechselstrom der Resonanzfrequenzen als stehende Wellen mit einer über den Azimut peri­ odischen Amplitudenverteilung der Periode 2π appro­ ximieren, wobei entweder an den Grundflächen der Zylinder zwischen den axialen Leitungen Verbin­ dungsleitungen angeordnet sind und/oder aber die Enden der axialen Leitungen durch Verbindungslei­ tungen mit ebenfalls axial verlaufenden, möglicher­ weise untereinander verbundenen, auf einem weite­ ren, konzentrisch weiter außen gelegenen Zylinder­ mantel liegenden Leitungen, verbunden sind, wobei die axialen Leitungen und/oder Verbindungsleitungen eine Kapazität aufweisen.

Ein statisches Magnetfeld bewirkt eine Aufspaltung der Energieniveaus von Atomkernen oder Hüllenelek­ tronen in Abhängigkeit von ihrer Spinorientierung relativ zum Magnetfeld. Zur Anregung der Kerne oder Elektronen wird senkrecht dazu ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Bei einem statischen Magnet­ feld einer bestimmten Stärke ist die Anregungsener­ gie, und damit auch die erforderliche Frequenz des magnetischen Wechselfeldes, von der Atomkernsorte und dem Aufbau der zu messenden Moleküle abhängig, so daß häufig Geräte gefordert sind, die die Erzeu­ gung magnetischer Wechselfelder unterschiedlicher Frequenzen erlauben. Zur Erzeugung sowohl stati­ scher Magnetfelder als auch magnetischer Wechsel­ felder sind Spulen aus elektrisch leitenden oder supraleitenden Materialien geeignet, die sich bei entsprechender Auslegung sowohl durch eine hohe Magnetfeldstärke als auch gegebenenfalls durch eine hohe Homogenität des Magnetfeldes auszeichnen. Die­ se Eigenschaften werden insbesondere beim stati­ schen Magnetfeld angestrebt. Prinzipiell ist es möglich, beide Magnetfelder mit einer Spule zu er­ zeugen, was jedoch, bedingt durch die erforderliche Ausrichtung senkrecht zueinander, konstruktive Pro­ bleme mit sich bringt. Die Tatsache, daß ein kreis­ förmiger Zylindermantel mit einem axialen Flächen­ strom, dessen Stromdichteverteilung über den Azimut einer Sinusfunktion mit Periode 2π entspricht, ein homogenes Magnetfeld hervorruft, das senkrecht zur Längsrichtung verläuft, eröffnet eine Möglichkeit zur Lösung dieser Problematik. Prinzipiell ist es auch bei Zylinderformen mit anderen Grundflächen möglich, zur Zylinderachse orthogonale, homogene Magnetfelder zu erzeugen, indem der axiale Flächen­ strom eine von der Sinusfunktion abweichende Strom­ dichteverteilung erhält. Die zueinander senkrechten Magnetfelder sind daher durch eine Spule und einen koaxial dazu angeordneten Zylindermantel realisier­ bar. Zur Approximation der beschriebenen Stromdich­ teverteilung auf dem Zylindermantel ist beispiels­ weise die Birdcage-Resonatorgeometrie und auch die TEM-Resonatorgeometrie bekannt, in der mehrere axial verlaufende Leitungen in azimutaler Richtung äquidistant auf einem Kreiszylindermantel angeord­ net sind. Für eine möglichst exakte Approximation, und damit eine hohe Homogenität des magnetischen Wechselfeldes, ist eine möglichst hohe Anzahl von axial verlaufenden Leitungen angestrebt. Zur Erzeu­ gung dieser Stromverteilung sind die axial verlau­ fenden Leitungen an ihren Enden entweder entlang eines Kreisbogens verbunden, oder aber die axialen Leitungen sind über weitere zylindrisch angeordnete axiale Leitungen miteinander verbunden und die axialen Leitungen und/oder die zwischen ihren Enden angeordneten Verbindungsleitungen sind mit Konden­ satoren bestückt. Zusammen mit den Induktivitäten der Leitungen in den axial verlaufenden Leitungen wird ein Stromstärkeverlauf über den Azimut hervor­ gerufen, der einer Sinusfunktion nahe kommt. Im zeitlichen Verlauf beschreiben die Stromstärken in den axialen Leitungen stehende Wellen mit einer azimutalen Periodenlänge von 2π, deren Amplituden relativ zueinander in etwa dem beschriebenen Sinus­ verlauf entspricht. Durch die Symmetrie des Spinre­ sonanzmeßgerätes bezüglich einer azimutalen Drehung um 90° existiert weiterhin die Möglichkeit, daß die Stromstärken in den axialen Leitungen eine zweite stehende Welle beschreiben, deren Amplitude einer im Vergleich zur ersten stehenden Welle azimutal um 90° verdrehten Sinusverteilung nahe kommt, wobei die beiden stehenden Wellen unabhängig voneinander erzeugt werden können. In solchen Spinresonanzmeß­ geräten ist der sogenannte Quadraturbetrieb mög­ lich, für den die Leitungen mit zwei sowohl azi­ mutal als auch in der zeitlichen Phase um 90° ver­ schobenen Wechselspannungen gleicher Frequenz be­ aufschlagt werden. In den axial verlaufenden Drähten entstehen Stromverteilungen relativ zuein­ ander, die im zeitlichen Verlauf eine in azimutaler Richtung umlaufende Welle wiedergeben. Das dadurch erzeugte Magnetfeld ist zirkular polarisiert, und seine Richtung dreht sich im zeitlichen Verlauf um die Zylinderachse. Durch den Quadraturbetrieb eines Spinresonanzmeßgerätes steigt die effektiv genutzte Leistung des magnetischen Wechselfeldes.

In IEEE Transactions on medical Imaging, Volume 8, No. 3, S. 286-294 (1989) wird eine Vorrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes in der Birdcage-Resonatorgeometrie mit axial verlaufenden Leitungen vorgeschlagen, die mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden kann. Nachteilig ist jedoch, daß die beiden Eigenfrequenzen nahe beiein­ ander liegen müssen, da sonst die sinusförmige Stromstärkeverteilung verzerrt wird. Außerdem ist eine Analyse der Magnetfeldcharakteristik derarti­ ger Vorrichtungen nur schwer möglich, was Modifika­ tionen beispielsweise durch gezielte Veränderung der Kapazitäten erheblich erschwert.

In Concepts in Magnetic Resonance, Volume 12, No. 6, (2000) wird auf Seite 379 ebenfalls eine Vorrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechsel­ feldes in einer von der Birdcage-Resonatorgeometrie abgeleiteten Resonatoranordnung vorgeschlagen, die mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden kann. Nachteilig ist hier jedoch, daß das Volumen, das zur Untersuchung der einen Atomkernsorte ver­ wendet werden kann, nicht deckungsgleich mit dem Volumen ist, das zur Untersuchung der anderen Atom­ kernsorte zur Verfügung steht. Weiterhin ist die Homogenität des magnetischen Wechselfeldes bei zu­ mindest einer der beiden Meßfrequenzen gegenüber vergleichbaren, konventionellen Birdcage- Resonatoren, die nur zur Untersuchung einer Atom­ kernsorte geeignet sind, stark vermindert.

In der Deutschen Patentanmeldung 198 44 259.9 wird ebenfalls eine Vorrichtung zur Erzeugung des magne­ tischen Wechselfeldes in der Birdcage- Resonatorgeometrie vorgeschlagen, die mit unter­ schiedlichen Frequenzen betrieben werden kann. Nachteilig ist hier jedoch, daß durch die kleine Anzahl von nur vier axial verlaufenden Leitungen die Homogenität des magnetischen Wechselfeldes ein­ geschränkt ist.

In Magnetic Resonance in Medicine, Volume 30, S. 107-114 (1993) werden zwei der oben beschriebe­ nen Spinresonanzmeßgeräte in der Birdcage- Resonatorgeometrie mit unterschiedlichen Eigenfre­ quenzen konzentrisch angeordnet, so daß das magne­ tische Wechselfeld bei beiden Eigenfrequenzen in Quadraturbetrieb erzeugt werden kann. Nachteilig ist jedoch, daß bei der höheren der beiden Eigen­ frequenzen die Stärke des magnetischen Wechselfel­ des im Inneren der beiden Spinresonanzmeßgeräte stark reduziert ist, weil diese gegenphasige magne­ tische Wechselfelder erzeugen.

Die Erfindung hat sich demgegenüber zur Aufgabe gestellt, ein Spinresonanzmeßgerät der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, in dem eine Vorrich­ tung magnetische Wechselfelder mit zwei Frequenzen erzeugt, die weit auseinanderliegen können und die in einer Meßreihe gleichzeitig eingesetzt werden können, bei dem eine Analyse der Eigenschwingungen und Eigenfrequenzen für eventuelle Modifikationen einfach möglich ist, bei dem außerdem die Homogeni­ tät des magnetischen Wechselfeldes nicht durch eine geringe Anzahl axial verlaufender Leitungen limi­ tiert ist und bei dem zudem die magnetischen Wech­ selfelder bei beiden Frequenzen im Vergleich zu vergleichbaren Spinresonanzmeßgeräten mit nur einer Frequenz nicht abgeschwächt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Spinresonanzmeßgeräte ineinander einge­ führt werden, wobei das erste Spinresonanzgerät zwei zueinander orthogonale elektromagnetische Ei­ genschwingungen besitzt, die bei Anregung mit der entsprechenden Resonanzfrequenz die Approximation der in der jeweiligen Zylindergeometrie notwendigen Flächenstromdichte besitzen, dagegen bei dem zwei­ ten Spinresonanzmeßgerät, das prinzipiell auch zwei entsprechende elektromagnetische Eigenschwingungen mit resultierendem magnetischen Wechselfeld hätte, tatsächlich aber Impedanzen in der Art verändert werden, daß eine der beiden zueinander um 90° ver­ drehten Eigenschwingungen dieses zweiten Spinreso­ nanzmeßgerätes unterbunden wird, so daß das magne­ tische Wechselfeld des ersten Spinresonanzmeßgerä­ tes in Richtung der unterbundenen Eigenschwingung des zweiten Spinresonanzmeßgerätes keine Abschwä­ chung durch dessen gegenphasiges Mitschwingen er­ leidet, gleichzeitig aber das zweite Spinresonanz­ meßgerät in Richtung seiner einzig verbleibenden Eigenschwingung keine Abschwächung des magnetischen Wechselfeldes erfährt, da das erste Spinresonanz­ meßgerät gleichphasig mitschwingt. Dieses Gerät wird im folgenden "Crosscage-Resonator" genannt.

Ausgehend von der zutreffenden Vorstellung, daß zur Erreichung eines möglichst effizienten magnetischen Wechselfeldes der Quadraturbetrieb eines Spinreso­ nanzmeßgerätes angestrebt wird, erweist sich der Gedanke, die Möglichkeit des Quadraturbetriebes aufzugeben, als konträr. Der Erfindung liegt die entscheidende Erkenntnis zugrunde, daß nur mit die­ ser Bauweise die Abschwächung des magnetischen Wechselfeldes durch gegenphasige Schwingungszustän­ de und damit gegenphasige Stromverteilungen der beiden Spinresonanzmeßgeräte vollständig vermieden werden kann und somit der Verlust an magnetischer Wechselfeldstärke verhindert werden kann. Diese Bauart ist notwendig, da aufgrund induktiver und kapazitiver Kopplung zwei unmodifizierte Spinreso­ nanzmeßgeräte mit jeweils zwei Eigenschwingungen mit azimutal sinusförmiger Stromverteilung nicht so kombiniert werden können, daß sie unabhängig von­ einander betrieben werden könnten. Bei der Reso­ nanzfrequenz eines der beiden Spinresonanzmeßgeräte schwängen die beiden Spinresonanzmeßgeräte gleich­ phasig, wodurch die Stärke des magnetischen Wech­ selfeldes nicht beeinträchtigt würde. Bei der Reso­ nanzfrequenz des anderen Spinresonanzmeßgerätes hingegen schwängen die beiden Spinresonanzmeßgeräte gegenphasig und das resultierende magnetische Wech­ selfeld wäre entsprechend abgeschwächt, solange das gegenphasige Schwingen nicht durch bauliche Verän­ derung unterbunden wird. Entscheidend ist also, daß bei zumindest einem der beiden Spinresonanzmeßgerä­ te eine der beiden stehenden Wellen mit resultie­ rendem homogenem magnetischen Wechselfeld unterbun­ den wird. Erst dadurch kann das zweite Spinreso­ nanzmeßgerät in Richtung dieser unterbundenen ste­ henden Welle ein homogenes magnetisches Wechselfeld erzeugen, das durch die Präsenz des ersten Spinre­ sonanzmeßgerätes nicht abgeschwächt wird. Vorteil­ haft ist, daß die Anzahl der axialen Leitungen bei dieser Bauart nicht begrenzt ist und damit die Ho­ mogenität des magnetischen Wechselfeldes prinzipi­ ell nicht eingeschränkt ist, weil eine über den Azimut flächige Stromverteilung der Periode 2π durch eine hohe Anzahl axialer Leitungen theore­ tisch beliebig genau approximiert werden kann. Wichtig ist, daß die Erfindung keiner Begrenzung bezüglich des Verhältnisses der beiden Frequenzen unterliegt, bei denen das Spinresonanzmeßgerät be­ trieben werden soll. Eine aufwendige numerische Simulation der Kapazitätswerte für die Einstellung der beiden Resonanzfrequenzen ist nicht nötig. Bei­ de Frequenzen können aufgrund der Orthogonalität der beiden genutzten Eigenschwingungen unabhängig voneinander eingestellt und betrieben werden.

Für den Aufbau der Vorrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes bestehen verschiedene Möglichkeiten, die sich in der Wahl eines bestimm­ ten Resonatortyps für jedes einzelne der beiden resonanten Systeme unterscheiden. Prinzipiell ist für die Ausführung der Erfindung jeder Resonator mit Zylindergeometrie denkbar, der zwei elektroma­ gnetische Eigenschwingungen aufweist, die unterein­ ander und zur Zylinderachse orthogonale magnetische Wechselfelder sind. In einem Crosscage-Resonator werden nun zwei beliebige Resonatoren ineinander eingeführt. Einer der beiden Resonatoren wird dabei baulich so verändert, daß er nur noch eine einzige Eigenschwingung besitzt, die einen für die benutzte Resonatorgeometrie jeweils notwendigen flächigen Wechselstrom der Periode 2π approximiert. Das so entstandene Resonatorsystem kann bei zwei voneinan­ der unabhängigen Resonanzfrequenzen betrieben wer­ den. In Richtung der im ersten Resonator unter­ drückten Eigenschwingung schwingt der andere Reso­ nator unbeeinflußt von der Eigenschwingung des er­ sten Resonators. Bei der anderen für die NMR- Messung nutzbaren Eigenschwingung, die zur ersten um 90° azimutal verdreht ist, koppeln die beiden einander umschließenden Resonatoren induktiv über ihre magnetischen und kapazitiv über ihre elektri­ schen Wechselfelder. Bei der entstehenden kombi­ nierten Eigenschwingung der beiden Resonatoren schwingen sie in Phase, das heißt, ihre magneti­ schen Wechselfelder im gemeinsamen Innenvolumen verstärken sich.

Beispiele für solche monoresonanten Resonatoren mit zwei orthogonalen Eigenschwingungen sind Birdcage- Resonatoren und TEM-Resonatoren.

Konventionelle Birdcage-Resonatoren bestehen aus mindestens zwei axialen, gleich langen Leitungen, die auch Birdcage-Beine genannt werden und die azi­ mutal äquidistant auf einem Kreiszylindermantel angeordnet sind, und zwei kreisförmigen Verbin­ dungsleitungen, die auch Birdcage-Endringe genannt werden und die die Enden der axialen Leitungen je­ weils untereinander verbinden. Die Eigenschwingun­ gen dieser konventionellen Birdcage-Resonatoren approximieren eine über den Azimut sinusförmige Stromamplitudenverteilung der Periode 2π. Die kon­ ventionellen Birdcage-Resonatoren untergliedern sich wiederum in drei prinzipiell verschiedene Bau­ arten: den Hochpaß-Birdcage-Resonator, den Tiefpaß- Birdcage-Resonator und den Bandpaß-Birdcage- Resonator.

Der Hochpaß-Birdcage-Resonator zeichnet sich da­ durch aus, daß in den Birdcage-Endringen in jedem zwischen zwei Birdcage-Beinen liegenden Endringseg­ ment Kapazitäten eingebaut sind. Die Birdcage-Beine dagegen enthalten keine Kapazitäten. Infolge dieser Bauweise sind die Impedanzen der Endringsegmente kapazitiv dominiert, während die Birdcage-Beine eine hauptsächlich induktive Impedanz besitzen.

Der Tiefpaß-Birdcage-Resonator zeichnet sich da­ durch aus, daß alle Birdcage-Beine Kapazitäten ent­ halten. Die Birdcage-Endringsegmente dagegen ent­ halten keine Kapazitäten. Infolge dieser Bauweise sind die Impedanzen der Birdcage-Beine kapazitiv dominiert, während die Birdcage-Endringsegmente eine hauptsächlich induktive Impedanz besitzen.

Der Bandpaß-Birdcage-Resonator zeichnet sich da­ durch aus, daß alle Birdcage-Beine und alle Birdca­ ge-Endringsegmente Kapazitäten enthalten.

TEM-Resonatoren, wie sie in der NMR eingesetzt wer­ den, besitzen N, meistens mehr als vier, mindestens jedoch zwei axiale Leitungen, die azimutal äquidi­ stant auf einem Kreiszylindermantel angeordnet sind. Auf einem weiteren, dazu konzentrischen Kreiszylindermantel größeren Durchmessers sind wei­ tere N axiale Leitungen angeordnet. Hierdurch ent­ stehen N Paare von axialen Leitungen, wobei die Enden eines jedes Paares von axialen Leitungen durch radiale Leitungen verbunden sind. In jedem dieser so entstandenen Leiterschleifen ist minde­ stens eine Kapazität eingebaut, so daß sich N elek­ trische Schwingkreise ergeben. Diese N Schwingkrei­ se sind untereinander induktiv über ihre magneti­ schen und kapazitiv über ihre elektrischen Wechsel­ felder gekoppelt. Eine zusätzliche Kopplung kann über zusätzliche Impedanzen erfolgen, die zwischen die einzelnen Schwingkreise eingebaut werden. Eine spezielle Bauweise des TEM-Resonators beispiels­ weise koppelt die Schwingkreise über die gesamte Länge der äußeren axialen Leitungen und der radia­ len Leitungen mittels einer flächigen elektrischen Leitung. Bei dieser Bauweise sind die Kapazitäten der Schwingkreise in den inneren axialen Leitungen angebracht, in den sogenannten Resonator-Beinen. Die Eigenschwingungen dieser konventionellen TEM- Resonatoren approximieren ebenfalls eine über den Azimut sinusförmige Stromamplitudenverteilung der Periode 2π.

Aufgrund der azimutalen Symmetrie aller Bauweisen des konventionellen Birdcage-Resonators und des konventionellen TEM-Resonators besitzt jede dieser Bauarten jeweils zwei elektromagnetische Eigen­ schwingungen, die eine über den Azimut sinusförmige Amplitudenverteilung der Ströme und elektrischen Potentiale mit der Periode 2π approximieren. Diese Eigenschwingungen erzeugen beide im Zentrum des jeweiligen Resonators homogene, transversale magne­ tische Wechselfelder, die allerdings zueinander orthogonal sind. Diese Orthogonalität der beiden Wechselfelder kann dazu genutzt werden, die zur Anregung der Atomkerne nötige Leistung mittels des Quadraturbetriebes des Resonators zu vermindern, wenn die beiden Eigenschwingungen die gleiche Ei­ genfrequenz besitzen. Desgleichen kann die Existenz einer orthogonalen Eigenschwingung der gleichen Eigenfrequenz genutzt werden, um einen zweiten, vom ersten unabhängigen Empfangskanal an den Resonator anzuschließen, wodurch die Meßempfindlichkeit er­ höht werden kann.

Eine mögliche Ausführung des Crosscage-Resonators ist nun eine Kombination eines Birdcage-Resonators mit einem Birdcage-Resonator. Hierbei ergeben sich wiederum die verschiedensten Ausführungsmöglichkei­ ten durch Kombination eines Tiefpaß-Birdcage- Resonators mit einem Tiefpaß-Birdcage-Resonator, oder eines Hochpaß-Birdcage-Resonators mit einem Tiefpaß-Birdcage-Resonator, oder eines Bandpaß- Birdcage-Resonators mit einem Tiefpaß-Birdcage- Resonator, oder eines Hochpaß-Birdcage-Resonators mit einem Hochpaß-Birdcage-Resonator, oder eines Hochpaß-Birdcage-Resonators mit einem Bandpaß- Birdcage-Resonator, oder eines Bandpaß-Birdcage- Resonators mit einem Bandpaß-Birdcage-Resonator. Andere Ausführungsmöglichkeiten des Crosscage- Resonators sind beispielsweise jegliche Kombinatio­ nen eines beliebigen Birdcage-Resonators mit einem TEM-Resonator oder eines TEM-Resonators mit einem TEM-Resonator verwenden. Hierbei spielt es keine Rolle, welcher der beiden Resonatoren baulich so verändert wird, daß er nur noch eine Eigenschwin­ gung mit einer sinusförmigen Stromamplitudenvertei­ lung der Periode 2π besitzt.

Für manche Bauweisen kann es vorteilhaft sein, bei der gleichphasig schwingenden Eigenschwingung eben­ falls einen der beiden Resonatoren baulich so zu verändern, daß seine Eigenschwingung mit einer si­ nusförmigen Stromamplitudenverteilung der Periode 2π in dieser Richtung unterdrückt wird. Daraus re­ sultiert, daß jeder der beiden Resonatoren jeweils nur noch eine Eigenschwingung mit einer sinusförmi­ gen Stromamplitudenverteilung der Periode 2π be­ sitzt, und die Resonatoren sind so angeordnet, daß diese Eigenschwingungen azimutal um 90° verdreht sind.

Bei manchen Bauweisen ist es erstrebenswert, den Aufwand für die Unterdrückung einer Eigenschwingung möglichst gering zu halten. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, daß in einem oder beiden Resonatoren Endringsegmente verändert werden. Dies kann sowohl durch elektrische als auch durch mecha­ nische Modifikation geschehen. Mit einer oder meh­ reren elektrisch angesteuerten Dioden läßt sich beispielsweise eine Resonatoreigenschwingung unter­ drücken. Beispiele für eine mechanische Veränderung sind das Auftrennen von Endringsegmenten oder das weglassen eines oder mehrerer Kondensatoren.

In manchen NMR-Experimenten wird angestrebt, die Eigenfrequenz des Resonatorsystems innerhalb eines bestimmten Einstellbereichs während einer Meßreihe zu verändern und anzupassen. In der Vorrichtung zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes sind dafür Bauteile eine mögliche Lösung, deren Impedanz ein­ stellbar ist. Insbesondere eignen sich hierfür Kon­ densatoren mit mechanisch einstellbarer Kapazität oder auch Dioden mit elektrisch einstellbarer Impe­ danz. Verschiedene Mechanismen können auch kombi­ niert werden. Eine weitere Möglichkeit zur Verände­ rung der Eigenfrequenzen des Systems ist auch, daß einzelne Impedanzen lösbar mit dem System verbunden sind.

In vielen Anwendungen weicht die Geometrie, die durch das Meßobjekt vorgegeben wird, von der eines Kreiszylinders ab. Hier ist es vorteilhaft, die Grundfläche des Zylinders, auf dem die axialen Lei­ tungen verlaufen, der Geometrie des Meßobjektes anzupassen, um eine möglichst effektive Umschlie­ ßung des Meßobjektes zu erreichen und den Füllfak­ tor zu erhöhen. Die Grundfläche kann deswegen auch durch eine Ellipse, durch ein Rechteck oder auch jede andere ebene geschlossene Leitkurve gebildet werden. Infolge dieser Abweichung von der Geometrie des Kreiszylinders muß die azimutale Flächenstrom­ dichte auf dem Zylindermantel dann nicht mehr eine sinusförmige Stromamplitudenverteilung der Periode 2π approximieren, sondern vielmehr eine entspre­ chende, geeignete andere Stromamplitudenverteilung der Periode 2π.

Aufgrund der geometrischen Gegebenheiten der Meß­ anordnung kann es mitunter auch vorteilhaft sein, daß die Grundflächen der jeweiligen Zylinder der beiden Resonatoren verschieden sind. Ein weiterer erwünschter Effekt einer solchen Anordnung kann auch die dadurch modifizierbare kapazitive und ma­ gnetische Kopplung zwischen den Eigenschwingungen der beiden Resonatoren sein. Diese Änderung in der Kopplung beeinflußt zum Beispiel die Amplitude, mit der ein Resonator bei der Resonanzfrequenz des an­ deren Resonators mitschwingt.

Um die Kopplung zwischen den Resonatoren weiter beeinflussen zu können, ist es auch denkbar, die Grundflächen der beiden Zylinder verschieden groß zu machen. Hierdurch können mitunter auch Probleme bezüglich der Unterbringung von weiteren Meß- und Versorgungseinrichtungen wie EKG-Triggerung oder Atemluft gelöst werden.

Die Untersuchung von größeren Meßobjekten bringt es häufig mit sich, daß nur ein Teil des Objektes un­ tersucht werden soll. Es ist dann von Vorteil für die Meßempfindlichkeit, wenn die Resonatoren mög­ lichst dicht am Meßobjekt angebracht sind. Hier kann es mitunter vorteilhaft sein, wenn eine oder beide Grundflächen eines oder beider Zylinder schräg abgeschnitten sind und die Resonatoren so dichter am Meßobjekt angebracht werden können.

Manchmal möchte man bei der Untersuchung von ver­ schiedenen Atomkernen auch verschiedene Volumina untersuchen. Hierzu kann ein Resonator länger ge­ baut werden als der andere. Ein weiterer Effekt dieser Anordnung ist es, daß die kapazitive und die induktive Kopplung zwischen den einzelnen Resonato­ ren verändert werden kann. Hierdurch ist wiederum eine Beeinflussung der Stromamplitude der Eigen­ schwingung des einen Resonators möglich, mit der dieser bei der Eigenschwingung des anderen Resona­ tors mitschwingt.

Mitunter ist für die verschiedenen zu messenden Atomkernsorten eine unterschiedliche minimale Homo­ genität des magnetischen Wechselfeldes von Nöten. Es ist daher auch möglich, eine verschiedene Anzahl an axialen Leitungen für die beiden Resonatoren zu verwenden.

Es kann konstruktionstechnisch notwendig sein, ein­ zelne oder mehrere axiale Leitungen zu versetzen, so daß ihre Anordnung auf dem Zylindermantel azi­ mutal nicht mehr äquidistant ist.

Die Beschreibung soll anhand von Zeichnungen, die ein spezielles Ausführungsbeispiel des Crosscage- Resonators enthalten, verdeutlicht werden. Es zei­ gen

Fig. 1 das elektrische Schaltbild eines konventio­ nellen Birdcage-Resonators, dessen zwei En­ dringe durch (hier beispielhaft acht) Beine verbunden sind, wobei jedem Endringsegment und jedem Bein jeweils eine Impedanz Z_ij zugeordnet ist,

Fig. 2 einen konventionellen Hochpaß-Birdcage- Resonator, bei dem nur die Impedanzen in den Endringsegmenten Kapazitäten enthalten,

Fig. 3 einen konventionellen Tiefpaß-Birdcage- Resonator, bei dem nur die Impedanzen in den Beinen Kapazitäten enthalten,

Fig. 4 einen konventionellen Bandpaß-Birdcage- Resonator, bei dem sowohl die Impedanzen in den Endringsegmenten als auch die Impedan­ zen in den Beinen Kapazitäten enthalten,

Fig. 5 zwei Ausführungsbeispiele für einen TEM- Resonator mit acht Beinen, wobei die Kapa­ zitäten jeweils in den Beinen enthalten sind und die Induktivitäten der Beine als gestreckte Leiter dargestellt sind,

Fig. 6 das Ersatzschaltbild eines Crosscage- Resonators, bestehend aus einem Hochpaß- Birdcage-Resonator und einem Tiefpaß- Birdcage-Resonator mit je acht Beinen, wo­ bei die Endringe des Hochpaß-Birdcage- Resonators unterbrochen sind, um dessen ei­ ne Eigenschwingung zu unterbrechen und

Fig. 7 den Crosscage-Resonator der Fig. 6, wobei sowohl der Tiefpaß-Birdcage-Resonator als auch der Hochpaß-Birdcage-Resonator paral­ lele Grundflächen haben, die Kreisflächen sind.

Fig. 1 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild ei­ nes konventionellen Birdcage-Resonators. Der Birdcage-Resonator besteht aus zwei Endringen (1, 2) und acht Beinen (3), wobei die Anzahl der Beine nicht auf acht festgelegt ist. Jedes Endringsegment und jedes Bein eines Birdcage-Resonators besitzt eine für dieses Element spezifische Impedanz Z_ij (i = 1, 2, 3; j = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8), die in der Regel aus Induktivitäten und Kapazitäten, prin­ zipiell aber auch aus anderen Bauteilen gebildet werden können.

Fig. 2 zeigt einen konventionellen Hochpaß- Birdcage-Resonator mit acht Beinen. Die axialen verlaufenden Beine (3) sind auf dem Mantel eines Kreiszylinders äquidistant angeordnet. Die Endringe (1, 2) sind parallel angeordnet und jedes En­ dringsegment enthält eine Kapazität (C₁₁ . . . C₂₈). Die für die elektromagnetische Eigenschwingung nö­ tigen Induktivitäten werden hier durch die ge­ streckten Leitungen in den Beinen und Endringen gebildet.

Fig. 3 zeigt einen konventionellen Tiefpaß- Birdcage-Resonator mit acht Beinen. Die axial ver­ laufenden Beine (3) sind auch hier auf dem Mantel eines Kreiszylinders äquidistant angeordnet und durch parallele Endringe (1, 2) verbunden. Im Gegen­ satz zum Hochpaß-Birdcage-Resonator enthält beim Tiefpaß-Birdcage-Resonator jedes Bein eine Kapazi­ tät (C₃₁ . . . C₃₈). Die für die elektromagnetische Eigenschwingung nötigen Induktivitäten werden hier ebenfalls durch die gestreckten Leitungen in den Beinen und Endringen gebildet.

Fig. 4 zeigt einen konventionellen Bandpaß- Birdcage-Resonator mit acht Beinen. Die axial ver­ laufenden Beine (3) sind auch hier auf dem Mantel eines Kreiszylinders äquidistant angeordnet und durch parallele Endringe (1, 2) verbunden. Beim kon­ ventionellen Bandpaß-Birdcage-Resonator enthält jedes Bein und jedes Endringsegment eine Kapazität. Die für die elektromagnetische Eigenschwingung nö­ tigen Induktivitäten werden hier ebenfalls durch die gestreckten Leitungen in den Beinen und Endrin­ gen gebildet.

Fig. 5 zeigt zwei Beispiele für einen TEM- Resonator mit acht Beinen. Zur Verbesserung der Übersichtlichkeit der Zeichnung wurde der aufge­ schnittene TEM-Resonator dargestellt. Der in Fig. 5a abgebildete TEM-Resonator besteht insgesamt aus einem leitenden Zylindermantel (6) mit paralle­ len, kreisförmigen Grundflächen, zwei damit leitend verbundenen, leitenden Ringen (4, 5) und aus damit verbundenen Beinen (3), die äquidistant auf einem ebenfalls kreisförmigen Zylinder angeordnet sind und die die Kapazitäten (C₃₁ . . . C₃₈) enthalten. Die gestreckten Leitungen in den Beinen bilden Indukti­ vitäten. Die beiden Endringe (4, 5) und der leitende Zylinder (6) haben jeweils eine induktiv dominierte Impedanz. Die Enden jedes Beines werden über die Endringe und den leitenden Zylinder miteinander verbunden. Dadurch stehen die Beine auch unterein­ ander in galvanischem Kontakt. Dieser galvanische Kontakt ist zur Funktion des TEM-Resonators nicht zwingend erforderlich, d. h. die Verbindungen aller Beine brauchen nicht notwendigerweise über einen gemeinsamen leitenden Zylinder und gemeinsame En­ dringe erfolgen, sondern die Enden jedes Beines (3) können auch durch Leitungen (7, 8) verbunden sein, die von den Verbindungsleitungen anderer Beine gal­ vanisch getrennt sind. Dies ist in Fig. 5b darge­ stellt. Zur besseren Übersichtlichkeit der Zeich­ nung ist wiederum nur ein Teil der Leitungen und Kondensatoren abgebildet.

Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit auf, wie ein Cross­ cage-Resonator konstruiert werden kann. Der im elektrischen Ersatzschaltbild abgebildete Crossca­ ge-Resonator besteht aus einem Hochpaß-Birdcage- Resonator und einem Tiefpaß-Birdcage-Resonator. Die beiden Birdcage-Resonatoren besitzen in diesem Bei­ spiel jeweils acht Beine (3). Die Resonanzfrequenz des Hochpaß-Birdcage-Resonators wird im wesentli­ chen durch die Kondensatoren C¹ ₁₁ . . . C¹ ₂₇ in den Rin­ gen eingestellt. Die Resonanzfrequenz des Tiefpaß- Birdcage-Resonators wird im wesentlichen durch die Kondensatoren C² ₃₁ . . . C² ₃₈ in den Beinen eingestellt. Der Hochpaß-Birdcage-Resonator und der Tiefpaß- Birdcage-Resonator sind zwar galvanisch nicht ver­ bunden, dennoch koppeln die beiden Resonatoren über Gegeninduktivitäten und Streukapazitäten. Diese Gegeninduktivitäten und Streukapazitäten sind im Ersatzschaltbild nicht dargestellt. Sie beeinflus­ sen die Eigenschwingung und die Eigenfrequenz des Crosscage-Resonators. In den beiden Endringen des Hochpaß-Birdcage-Resonators wurden die Endringseg­ mente mit den Kapazitäten C¹ ₁₄, C¹ ₂₄, C¹ ₁₈, C¹ ₂₈ ent­ fernt, um eine Eigenschwingung des Hochpaß- Birdcage-Resonators zu unterbinden. In den Fig. 6a und 6b sind der Hochpaß-Birdcage-Resonator und der Tiefpaß-Birdcage-Resonator, die zusammen den Crosscage-Resonator in Fig. 6 bilden, getrennt dargestellt. Die Ströme, die bei der jeweils ge­ nutzten Eigenschwingung in den Beinen fließen, sind durch Pfeile gekennzeichnet. Dabei bedeuten zwei Pfeilspitzen stärkere Ströme, eine Pfeilspitze steht für eine schwächere Stromstärke. Die Orien­ tierung des jeweils erzeugten magnetischen Wechsel­ feldes ist bezüglich der azimutalen Richtung durch einen Pfeil im Zentrum angedeutet.

In Fig. 7 ist der Crosscage-Resonator aus Fig. 6 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Für eine bessere Übersichtlichkeit besitzen der Hochpaß- Birdcage und der Tiefpaß-Birdcage unterschiedliche Zylinderdurchmesser und unterschiedliche Längen entlang der hier gemeinsamen Zylinderachse.

Insgesamt erhält man ein Spinresonanzmeßgerät, in dem näherungsweise homogene magnetische Wechselfel­ der zweier unterschiedlicher Frequenzen unabhängig voneinander und auch gleichzeitig erzeugt werden können. Die drei erzeugten Magnetfelder, nämlich das statische Magnetfeld und die beiden magneti­ schen Wechselfelder, sind senkrecht zueinander aus­ gerichtet. Hauptanwendungsgebiet ist die Kernspin­ resonanz.

Claims (14)

1. Spinresonanzmeßgerät zur Erzeugung eines zu ei­ nem statischen Magnetfeld senkrechten magnetischen Wechselfeldes mit zwei elektromagnetischen Eigen­ frequenzen, wobei in Längsrichtung des statischen Magnetfeldes auf zwei koaxialen Kreiszylindermän­ teln axial verlaufende, azimutal äquidistante Lei­ tungen (3) flächige Wechselströme der Eigenfrequen­ zen als stehende Wellen mit über den Azimut sinus­ förmigen Amplitudenverteilungen der Periode 2π approximieren, wobei an den Grundflächen der Zylin­ der zwischen den axialen Leitungen Verbindungslei­ tungen (1, 2) angeordnet sind und/oder die Enden der axialen Leitungen durch Verbindungsleitungen (4, 5, 7) mit weiteren, ebenfalls axial verlaufenden Leitungen (6, 8) verbunden sind, sowie in einigen oder auch in allen Leitungen und/oder Verbindungsleitungen Impedanzen eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - mehr als vier axial verlaufene Leitungen vorhan­ den sind, wobei beide resonanten Systeme die glei­ che Anzahl von axialen Leitungen enthalten,
• - ein Teil der Impedanzen zusammen mit den Leitun­ gen und/oder Verbindungsstücken des ersten Zylin­ ders ein resonantes System für die erste Eigenfre­ quenz bildet, wobei die Impedanzen dieses resonan­ ten Systems derart verändert sind, daß eine zur Eigenschwingung äquivalente, orthogonale Eigen­ schwingung unterdrückt wird,
• - ein Teil der Impedanzen zusammen mit den Leitun­ gen und/oder Verbindungsstücken des zweiten Zylin­ ders ein resonantes System für die zweite Eigenfre­ quenz bildet, wobei dieses System zwei äquivalente, orthogonale Eigenschwingungen besitzt.

2. Spinresonanzgerät nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden resonanten Systeme aus beliebigen Kombinationen von TEM-Resonator, Tief­ paß-Birdcage-Resonator, Hochpaß-Birdcage-Resonator und Bandpaß-Birdcage-Resonator bestehen.

3. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedan­ zen in beiden resonanten Systemen derart verändert sind, daß bei beiden Eigenfrequenzen die zu je ei­ ner Eigenschwingung äquivalente, orthogonale Eigen­ schwingung unterdrückt wird, wobei die verbleiben­ den Eigenschwingungen unterschiedliche Eigenfre­ quenzen haben und zueinander orthogonal sind.

4. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unter­ drückung der einen Eigenschwingung durch elektri­ sche und/oder mechanische Veränderung von Verbin­ dungsstücken realisiert wird.

5. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Impedanzen durch Kondensatoren gebil­ det ist.

6. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Impedanzen durch Spulen gebildet ist.

7. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Impedanz veränderbar ist.

8. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grund­ flächen der beiden Zylinder keine Kreisflächen sind.

9. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grund­ flächen der beiden Zylinder in ihrer Form verschie­ den sind.

10. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflächen der beiden Zylinder in ihrer Größe verschieden sind.

11. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflächen eines oder beider Zylinder nicht parallel, das heißt, daß mindestens eine oder auch alle Grundflächen der Zylinder schräg abgeschnitten sind.

12. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Län­ gen der beiden Zylinder verschieden sind.

13. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl der axial verlaufenden Leitungen der beiden reso­ nanten Systeme unterschiedlich ist.

14. Spinresonanzgerät nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axial verlaufenden Leitungen eines oder auch beider resonanten Systeme azimutal nicht äquidistant ange­ ordnet sind.