DE102005060447B4

DE102005060447B4 - NMR-Probenkopf mit beheiztem Gehäuse

Info

Publication number: DE102005060447B4
Application number: DE102005060447A
Authority: DE
Inventors: Dr. Haueisen Ralf; Dr. sc. nat. Marek Daniel; Marco Sacher
Original assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Current assignee: Bruker Biospin MRI GmbH
Priority date: 2005-12-17
Filing date: 2005-12-17
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2025-12-18
Also published as: DE102005060447A1; US7358735B2; GB0625074D0; GB2434452B; GB2434452A; US20070139046A1

Abstract

NMR-Probenkopf (1) zur Untersuchung eines temperaturempfindlichen Messobjekts in einem Untersuchungsvolumen (9) mit mindestens einer im Betrieb auf kryogene Temperatur von weniger als 100 K gekühlten HF-Empfangsspule (2), die von einem Gehäuse (4) umgeben ist, wobei mindestens eine beheizbare Trennwand (5) zwischen der HF-Empfangsspule (2) und dem Messobjekt vorgesehen ist, wobei die Trennwand (5) einen als HF-Fenster bezeichneten, der HF-Empfangsspule (2) benachbarten Bereich aufweist, der für HF-Strahlung durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (5) aus einem hochwärmeleitfähigen Material gefertigt ist, wobei die Trennwand (5) in einem Abstand vom Untersuchungsvolumen (9) über mindestens eine Kontaktstelle wärmeleitend an mindestens ein Heizelement (7) angekoppelt ist, wobei das Heizelement (7) außerhalb des HF-Fensters so angeordnet ist, dass durch das Heizelement (7) verursachte Störungen des NMR-Experiments vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen NMR-Probenkopf zur Untersuchung eines temperaturempfindlichen Messobjekts in einem Untersuchungsvolumen mit mindestens einer im Betrieb auf kryogene Temperatur von weniger als 100 K gekühlten HF-Empfangsspule, die von einem Gehäuse umgeben ist, wobei mindestens eine beheizbare Trennwand zwischen der HF-Empfangsspule und dem Messobjekt vorgesehen ist, wobei die Trennwand einen als HF-Fenster bezeichneten, der HF-Empfangsspule benachbarten Bereich aufweist, der für HF-Strahlung durchlässig ist.
Ein derartiger NMR-Probenkopf ist aus DE 100 06 323 C1 bekannt.
In der Magnetresonanz-Bildgebung werden HF-Empfangsspulen zur Anregung und zum Empfang der Hochfrequenzsignale der Spins eines zu untersuchenden Messobjekts benutzt. Bei kleinen HF-Empfangsspulen spielen die Eigenverluste der HF-Empfangsspule eine große Rolle, während die Verluste im Messobjekt, bspw. eines Patienten bzw. Tiers, sekundär sind. Um die Eigenverluste der HF-Empfangsspulen zu reduzieren, werden diese auf kryogene Temperaturen herabgekühlt.
Aus US 5 913 888 A ist ein NMR-Probenkopf bekannt, dessen HF-Empfangsspule mittels eines Pulsrohr-Kühlers und eines nicht metallischen Wärmekontaktkörpers zur Übertragung der Kälteleistung des Pulsrohr-Kühlers auf die HF-Empfangsspule gekühlt wird.
Aus dem Manual ”Animal Bed for BioSpec Systems-Operation Instructions and Specifications” der Firma Bruker BioSpin MRI GmbH ist eine Tierliege 10 zur Verwendung für NMR-Messungen an Nagetieren bekannt. Die bekannte Tierliege weist einen schalenförmigen Aufbau mit einem Kammersystem auf, durch das erwärmtes Wasser zur Temperierung des Tiers geleitet werden kann. Darüber hinaus umfasst die Tierliege eine Vorrichtung zur Narkoseversorgung bzw. zur künstlichen Beatmung des Tieres. Eine Temperierung des Tieres über die Tierliege kann jedoch nur von unterhalb und seitlich des Tieres erfolgen, da die Tierliege oben geöffnet ist.
Um eine optimale Signalqualität zu erreichen werden die HF-Empfangsspulen so nah wie möglich an das Messobjekt angeordnet. Ohne Ergreifung von besonderen Maßnahmen wird jedoch bei kleinen Abständen der HF-Empfangsspule zu der Trennwand, aufgrund der Schwarzkörperstrahlung, Wärmeenergie von der Trennwand zur kalten HF-Empfangsspule hin transportiert. Da sich die Temperatur der HF-Empfangsspule in der Größenordnung von 30 K befindet, die Temperatur der Trennwand jedoch auf Zimmertemperatur oder etwas darüber, sind diese Wärmeströme im Allgemeinen sehr hoch und führen zu einer unerwünschten Abkühlung der Trennwand. Dies führt insbesondere bei lebenden Messobjekten im Allgemeinen zu unerwünschten Effekten (Tod des Tieres, Langzeitschädigungen durch Unterkühlung, Veränderung der molekularen Struktur des Messobjekts). Für eine optimale Performance des NMR-Probenkopfs muss die Trennwand daher einerseits eine hervorragende Wärmeisolation gegenüber der kalten HF-Empfangsspule aufweisen, andererseits muss die Trennwand die HF-Signale ungedämpft durchlassen (HF-Fenster).
Dieses Problem wird im Stand der Technik dadurch gelöst, dass entlang der Oberfläche der Trennwand gleichmäßig Wärme zugeführt wird. US 5 694 775 A schlägt dazu vor, einen Spalt zwischen gekühlter HF-Empfangsspule und Gehäuse mit einer geeignet temperierten Flüssigkeit zu durchströmen, um die Oberfläche der Trennwand auf der gewünschten Temperatur zu halten.
Darüber hinaus ist es bekannt, eine Abkühlung des Messobjekts mittels vorbeiströmender warmer Luft zu vermeiden. Dies kann jedoch insbesondere bei der Untersuchung von lebenden Messobjekten zum Austrocknen der Augen führen.
Aus DE 101 60 608 A1 ist bekannt, zwischen einer Trennwand des Gehäuses und dem Messobjekt ein Gaskissen anzuordnen, welches mit einem geeignet temperierten Gas durchströmt wird. Zwischen Trennwand und Gehäuse muss daher ein genügend großer Spalt zum Durchführen des wärmenden Gases vorgesehen sein. Dies ist jedoch schwer zu kontrollieren und kann zu unerwünschten Fehlfunktionen führen, die unter Umständen unbemerkt bleiben und zum lokalen Tiefkühlen des Messobjekts führen können. Es ist dergleichen auch sehr schwer, bei kompliziert gekrümmten Flächen ein Temperiergas kontrolliert und gleichmäßig durchzuführen.
Bei den bekannten Vorrichtungen ergibt sich einerseits das Problem, dass der gesamte Aufbau der Isolation nicht zu dünn gewählt werden darf, um das Messobjekt nicht übermäßig abzukühlen. Auf der anderen Seite darf die Dicke der Trennwand inklusive Isolation nicht zu groß sein, da sich dann die HF-Empfangsspule zu weit von der Signalquelle im Messobjekt entfernt befindet und dadurch das Signal/Rausch-Verhältnis unnötigerweise abfällt. Wegen der Mehrschichtigkeit des Aufbaus der bekannten NMR-Probenköpfe und den erforderlichen, recht großen Dicken sowohl der Isolationsschicht als auch der gas- bzw. flüssigkeitsführenden Schicht, ergeben sich große Abstände (mindestens 2 mm) zwischen HF-Empfangsspule und Messobjekt. Diese Abstände sind für die hier betrachteten Anwendungen an relativ kleinen Messobjekten (Maushirn) im relativen Größenverhältnis zu groß und beschränken das erreichbare Signal/Rausch-Verhältnis in erheblichem Maß.
Darüber hinaus können sich die im Stand der Technik zum Beheizen des Zwischenraums zwischen HF-Empfangsspule und Messobjekt verwendeten Fluide störend auf die Qualität der NMR-Messung auswirken, da sie sich nahe des Untersuchungsvolumens befinden und daher auch Spins des jeweiligen Fluids angeregt werden können.
DE 100 06 323 offenbart einen gekühlten NMR Probenkopf mit einer Temperiereinrichtung. Die Temperiereinrichtung umfasst eine beheizbare Trennwand, die zwischen der HF-Spule und dem Untersuchungsobjekt angeordnet ist. Hiermit können Temperaturgradienten ausgeglichen werden. Das Heizelement, mit dem die Trennwand beheizt wird, ist bei der bekannten Anordnung innerhalb des HF-Fensters angeordnet, so dass sich auch hier große Abstände zwischen der HF-Empfangsspule und dem Messobjekt ergeben.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen NMR-Probenkopf vorzuschlagen, bei dem die HF-Empfangsspule möglichst nahe an das zu vermessende Messobjekt angeordnet werden kann, ohne dieses ungewollt abzukühlen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Trennwand aus einem hochwärmeleitfähigen Material gefertigt ist, wobei die Trennwand in einem Abstand vom Untersuchungsvolumen über mindestens eine Kontaktstelle wärmeleitend an mindestens ein Heizelement angekoppelt ist, wobei das Heizelement außerhalb des HF-Fensters so angeordnet ist, dass durch das Heizelement verursachte Störungen des NMR-Experiments vermieden werden.
Durch diese Materialwahl wird aufgrund der geringen elektrischen Leitfähigkeit des Materials der Trennwand einerseits die notwendige Durchlässigkeit für HF-Strahlung gewährleistet (HF-Fenster), andererseits kann aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit gezielt Wärme von außerhalb des Messbereiches, dem Bereich der Trennwand, der am Messobjekt anliegt, zugeführt werden.
Da sich das Heizelement außerhalb des HF-Fensters befindet, treten keine Dämpfungen der HF-Felder durch die Anwesenheit der Leiter des Heizelements im Untersuchungsvolumen auf. Daher können bei dem erfindungsgemäßen NMR-Probenkopf jegliche durch das Heizelement verursachte Störungen des NMR-Experiments, sei es durch unerwünschte Magnetfelder (B₀ Felder) oder HF-Störungen, vermieden werden. Auch bei Verwendung eines Heizmediums (z. B. Gas, Flüssigkeit) zum Ankoppeln des Heizelements an die Kontaktstelle der Trennwand treten bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine durch dieses Heizmedium verursachten Störungen auf, da sich das Heizmedium in diesem Fall ebenfalls außerhalb des Untersuchungsvolumens befindet. Darüber hinaus kann durch die externe Anordnung der Abstand der HF-Empfangsspule zum Messobjekt sehr klein gehalten werden. So kann, im Gegensatz zu bekannten NMR-Probenköpfen, bei denen z. B. ein Gas entlang der Oberfläche der Trennwand geführt wird ( DE 101 60 608 A1 ), der Abstand zwischen Messobjekt und HF-Empfangsspule derart verringert werden, dass das Messobjekt die Trennwand kontaktiert. Dies ist möglich, da bei dem erfindungsgemäßen NMR-Probenkopf kein Spalt für an der Oberfläche der Trennwand entlang fließendes warmes Gas benötigt wird.
Vorzugsweise ist das Gehäuse evakuierbar. Die kalte HF-Empfangsspule ist mittels eines Isoliervakuums besonders gut thermisch gegenüber der Trennwand isoliert.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs sieht vor, dass die Trennwand Teil des Gehäuses ist. Alternativ dazu ist es jedoch auch denkbar, dass die Trennwand beispielsweise in Form einer Schale vorliegt, die auf dem Gehäuse aufgeklebt ist.
Es ist vorteilhaft wenn die Dicke der Trennwand weniger als 1 mm, vorzugsweise ungefähr ½ mm beträgt, da mit kleiner werdenden Abstand eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses erreicht werden kann.
Die Trennwand ist vorzugsweise aus einem elektrisch nur schlecht leitenden oder isolierenden Material gefertigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die elektrische Leitfähigkeit des Materials der Trennwand bei ihrer Betriebstemperatur weniger als 10^–3 S/m, vorzugsweise weniger als 10^–5 S/m, insbesondere weniger als 10^–8 S/m. Somit ist eine gute Durchlässigkeit der Trennwand für HF-Strahlung gewährleistet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs beträgt die thermische Leitfähigkeit des Materials der Trennwand bei ihrer Betriebstemperatur mehr als 15 WK^–1m^–1, vorzugsweise mehr als 80 WK^–1m^–1.
Das Material der Trennwand umfasst vorzugsweise Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Bornitrid (BN) oder Magnesiumoxid (MgO). Diese Materialien weisen insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und sind gleichzeitig gut bearbeitbar.
Der Abstand zwischen der HF-Empfangsspule und dem Untersuchungsvolumen ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform des NMR-Probenkopfs < 2 mm, vorzugsweise ≤ 1 mm. Die Qualität der Aufnahmen kann somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten NMR-Probenköpfen verbessert werden.
Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einer aluminiumnitridhaltigen Keramik gefertigt, insbesondere aus einer spanbearbeitbaren Keramik aus AlN mit BN. Aus diesen Materialien kann praktisch jede beliebige Form, auch innen hohl und konkav, hergestellt werden. Trotz der guten Bearbeitbarkeit weisen die oben genanten Materialen eine hohe Wärmeleitfähigkeit (90–100 W/mK bei 300 K) auf.
Aufgrund der guten Bearbeitbarkeit ermöglicht ein Gehäuse aus den oben genannten Materialien eine Weiterbildung der oben genannten Ausführungsform, bei der das Gehäuse einstückig hergestellt ist. Das Gehäuse weist dann keine Verbindungs- bzw. Klebestellen auf, was insbesondere hinsichtlich der Vakuumdichtheit des Gehäuses vorteilhaft ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs sieht vor, dass die mindestens eine Kontaktstelle der Trennwand mit dem mindestens einen Heizelement elektrisch oder mit warmen Fluiden beheizt ist. Insbesondere die elektrische Ausführung ist sehr vorteilhaft, da keinerlei Medien zu transportieren sind.
Um die Eigenverluste der HF-Empfangsspulen möglichst effektiv zu reduzieren, beträgt die kryogene Temperatur der HF-Empfangsspule weniger als 100 K, vorzugsweise weniger als 40 K.
Die HF-Empfangsspule ist dazu vorteilhafterweise refrigeratorgekühlt, wobei die Kühlung vorzugsweise mittels eines wärmeübertragenden Kühlmediums stattfindet. Die Temperatur kann somit durch die Leistung des Refrigerators geregelt werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs kommen besonders gut zur Geltung, wenn es sich um einen MRI-Probenkopf für Bildgebung handelt. Es ist auch denkbar den erfindungsgemäßen en NMR-Probenkopf für Spektroskopiezwecke zu verwenden, insbesondere für eine kombinierte Anwendung von Bildgebung mit Spektroskopie.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs umfassen die untersuchten Kerne Protonen. Diese Ausführungsform eignet sich besonders zur Untersuchung lebender Messobjekte.
Vorzugsweise ist die Betriebsfrequenz der mindestens einen HF-Empfangsspule auf die Resonanzfrequenz der untersuchten Kerne bei einer Betriebs-Magnetfeldstärke von mindestens 4.6 T abgestimmt.
Für spezielle Anwendungen kann es auch vorteilhaft sein, wenn die untersuchten Kerne ²H, ³He, ¹³C, ¹⁷O, ¹⁹F, ²³Na, ³¹P oder ¹²⁹Xe, -Kerne umfassen.
Zur Kontrolle der Temperatur der Trennwand kann die Trennwand mit einem Thermometer zur Messung ihrer Temperatur versehen sein. Die Anbringung eines Thermometers ist dank der sehr gut gestaltbaren Form und der hohen Wärmeleitfähigkeit des Materials der Trennwand ohne weiteres möglich.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines NMR-Probenkopfs, bei dem die Temperatur des Gehäuses gemessen und vorzugsweise geregelt wird. Somit kann die Temperatur des Gehäuses mit hoher Präzision auf jeden beliebigen gewünschten Wert eingestellt werden, wobei sicher gestellt ist, dass der gewünschte Wert eingehalten wird.
Vorzugsweise wird die Temperatur des Gehäuses auf die Wohlfühltemperatur des temperaturempfindlichen Messobjekts geregelt.
Dies ist besonders relevant, wenn das temperaturempfindliche Messobjekt ein Kleintier, insbesondere eine Maus oder Ratte, ist. Die Temperatur des Gehäuses beziehungsweise der Trennwand wird dann im Allgemeinen auf die Körpertemperatur des zu untersuchenden Tieres geregelt.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Messung der Temperatur des Gehäuses mittels mindestens eines elektrischen Temperatursensors erfolgt. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Thermometer des Typs Pt100 oder Pt1000 handeln.
Der erfindungsgemäße NMR-Probenkopf weist ein optimiertes HF-Fenster für MRI Messungen auf, das allen Anforderungen in idealer Weise gerecht wird. Somit wird es ermöglicht, praktische, langlebige und mit maximaler Performance arbeitende Kryo-MRI Systeme zu bauen. Die Vorteile des erfindungsgemäßen NMR-
Probenkopfs kommen insbesondere bei kleinen Messobjekten, wie z. B. Mäusegehirnen, besonders zur Geltung.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs; und
2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs mit Messobjekt.
1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung des relevanten Teils eines erfindungsgemäßen NMR-Probenkopfs 1. Zum Empfangen der vom Messobjekt ausgehenden HF-Signale dient eine HF-Empfangsspule 2. Diese kann auch als Sende-Empfangsspule ausgeführt sein und somit gleichzeitig auch zum Senden von Anregungssignalen dienen. Die HF-Empfangsspule 2 ist mit einem Kühlfinger 3 kontaktiert, der beispielsweise durch einen Refrigerator (nicht gezeigt) gekühlt wird, um die HF-Empfangsspule 2 auf einer kryogenen Temperatur zu halten. Das Kühlen der HF-Empfangsspule 2 erfolgt hier also mittels Wärmeleitung vom Refrigerator über den Kühlfinger 3 zur HF-Empfangsspule 2. Das Material des Kühlfingers sollte dazu insbesondere bei niedrigen Temperaturen eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dazu eigenen sich besonders Einkristalle, wie zum Beispiel Saphir. Prinzipiell ist es aber auch denkbar, dass die HF-Empfangsspule 2 direkt ohne Wärmetauscher durch ein wärmeübertragendes Kühlmediums (Fluid), z. B. Stickstoff oder Helium, in der flüssigen oder gasförmigen Phase, gekühlt wird.
Ein Gehäuse 4, welches eine beheizbare Trennwand 5 umfasst, umgibt die HF-Empfangsspule 2. Die Trennwand 5 erstreckt sich zwischen der HF-Empfangsspule 2 und einem Messobjekt (Maus 6 in 2) und bildet ein HF-Fenster. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Trennwand 5 Teil des Gehäuses 4. Mittels eines Heizelements 7, welches außerhalb des Untersuchungsvolumens 9 angeordnet ist, kann eine für die jeweilige Anwendung geeignete Temperierung der Trennwand 5 erfolgen. Das Heizelement 7 ist ausreichend weit (d. h. außerhalb des eigentlichen HF Fensters) von der HF-Empfangsspule 2 entfernt, so dass keine störenden Einflüsse auf die zu erstellenden NMR-Daten vom Heizelement 7 ausgehen. Diese externe Anordnung des Heizelements 7 wird durch eine geeignete Wahl des Materials (gute Wärmeleitfähigkeit, schlechte elektrische Leitfähigkeit) der Trennwand 5 ermöglicht, so dass ein Wärmeübertrag von einem Kontaktpunkt des externen Heizelements 7 durch Wärmeleitung über das Material der Trennwand 5 zu dem Bereich des HF-Fensters, d. h. zu dem Bereich, in dem die HF-Empfangsspule 2 und die Trennwand 5 eng benachbart sind, geleitet werden kann. Der Wärmeübertrag vom Kontaktpunkt des Heizelements 7 mit der Trennwand 5 zum HF-Fenster erfolgt also durch Wärmeleitung über das Material der Trennwand 5 und nicht wie im Stand der Technik mittels Konvektion. Die Kontrolle der Temperatur der Trennwand 5 erfolgt durch ein Thermometer 8, das mit der Trennwand 5 oder dem Gehäuse 4 kontaktiert ist. Ebenso ist es denkbar, die Heizleistung des Heizelements 7 über eine Messung der Körpertemperatur der Maus 6 zu regeln oder diese in die Regelung einzubeziehen.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen NMR-Probenkopf 1 mit einer Maus 6 als Messobjekt, die auf einer Tierliege 10 fixiert ist. Die Maus 6 ist hier für eine Untersuchung des Gehirns auf der Tierliege 10 fixiert. Das zu untersuchende Maushirn befindet sich im Untersuchungsvolumen 9 direkt unterhalb der HF-Empfangsspule 2. Die Trennwand 5, welche die HF-Empfangsspule 2 von der Maus trennt, ist hier direkt in Kontakt mit der Maus 6, so dass der Abstand der HF-Empfangsspule 2 und der Maus 6 minimiert ist. Auf diese Weise kann das Signal/Rausch-Verhältnis der NMR-Messungen gegenüber Messungen mit einem NMR-Probenkopf aus dem Stand der Technik erheblich verbessert werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Trennwand 5 über das externe Heizelement 7 beheizt und die Temperatur der Trennwand 5 mit Hilfe des Thermometers 8 geregelt wird, um eine Abkühlung der Maus 6 durch die kryogen gekühlte HF-Empfangsspule 2 zu vermeiden.
Das Gehäuse 4 inklusive Trennwand 5 besteht vorzugsweise aus einer aluminiumnitridhaltigen Keramik, die neben einer geringen elektrischen Leitfähigkeit und einer hohen Wärmeleitfähigkeit darüber hinaus gut bearbeitbar ist. Somit können auch komplex geformte Gehäuse mit den gewünschten Merkmalen, nämlich HF-Durchlässigkeit und guter Wärmeleitung, gefertigt werden. Diese große Freiheit in der Formgebung des Gehäuses 4 ermöglicht es unter anderem, Anschlüsse an beispielsweise eine Vakuumpumpe mittels eines flexiblen O-Rings 12 außerhalb des Untersuchungsvolumens 9 zu gestalten. Die Trennwand 5 selbst kann somit auch hohe Temperaturschwankungen, die z. B. bei Fehlfunktionen, Vakuumbruch oder auch beim Transport auftreten können, aushalten, ohne dass an Verbindungsstellen zwischen Teilen aus dem gleichen Material oder zu anderen Materialien Risse oder ähnliches auftreten.
Um einen Wärmeübergang von der Maus 6 über das Gehäuse 4 bzw. dessen Trennwand 5 zu der HF-Empfangsspule 2 weiter zu reduzieren und somit eine Auskühlung der Maus 6 zu vermeiden, ist das Gehäuse 4 vorzugsweise evakuiert. Es ist jedoch auch denkbar, den Zwischenraum 11 zwischen Trennwand 5 und HF-Empfangsspule 2 wie auch den übrigen Raum 13 im Gehäuse mit einem wärmemeisolierenden Material (z. B. geschäumtes Polystyrol) zu füllen.
Der erfindungsgemäße NMR-Probenkopf 1 ermöglicht eine Minimierung des Abstandes der HF-Empfangsspule 2 zum Messobjekt ohne dieses unzulässig abzukühlen. Darüber hinaus werden störende Einflüsse durch ein Heizmedium im Untersuchungsvolumen vermieden. Auf diese Weise kann die Empfangsqualität der NMR-Signale und somit die Qualität der NMR-Aufnahmen verbessert werden.
Bezugszeichenliste

1: NMR-Probenkopf
2: HF-Empfangsspule
3: Kühlfinger
4: Gehäuse
5: Trennwand
6: Maus
7: Heizelement
8: Thermometer
9: Untersuchungsvolumen
10: Tierliege
11: Zwischenraum zwischen Trennwand und HF-Empfangsspule
12: O-Ring
13: Raum im Gehäuse

Claims

NMR-Probenkopf (1) zur Untersuchung eines temperaturempfindlichen Messobjekts in einem Untersuchungsvolumen (9) mit mindestens einer im Betrieb auf kryogene Temperatur von weniger als 100 K gekühlten HF-Empfangsspule (2), die von einem Gehäuse (4) umgeben ist, wobei mindestens eine beheizbare Trennwand (5) zwischen der HF-Empfangsspule (2) und dem Messobjekt vorgesehen ist, wobei die Trennwand (5) einen als HF-Fenster bezeichneten, der HF-Empfangsspule (2) benachbarten Bereich aufweist, der für HF-Strahlung durchlässig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (5) aus einem hochwärmeleitfähigen Material gefertigt ist, wobei die Trennwand (5) in einem Abstand vom Untersuchungsvolumen (9) über mindestens eine Kontaktstelle wärmeleitend an mindestens ein Heizelement (7) angekoppelt ist, wobei das Heizelement (7) außerhalb des HF-Fensters so angeordnet ist, dass durch das Heizelement (7) verursachte Störungen des NMR-Experiments vermieden werden.
NMR-Probenkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) evakuierbar ist.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (5) Teil des Gehäuses (4) ist.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Trennwand (5) weniger als 1 mm, vorzugsweise ½ mm beträgt.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit des Materials der Trennwand (5) bei ihrer Betriebstemperatur weniger als 10^–3 S/m, vorzugsweise weniger als 10^–5 S/m, insbesondere weniger als 10^–8 S/m beträgt.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leitfähigkeit des Materials der Trennwand (5) bei ihrer Betriebstemperatur mehr als 15 WK^–1m^–1, vorzugsweise mehr als 80 WK^–1m^–1 beträgt.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Trennwand (5) Aluminiumnitrid (AlN), Berylliumoxid (BeO), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Bomitrid (BN) oder Magnesiumoxid (MgO) umfasst.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der HF-Empfangsspule (2) und dem zugänglichen Untersuchungsvolumen (9) kleiner als 2 mm, vorzugsweise gleich 1 mm ist.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) aus einer aluminiumnitridhaltigen Keramik gefertigt ist, insbesondere aus einer spanbearbeitbaren Keramik aus Aluminiumnitrid (AlN) mit Bomitrid (BN).
NMR-Probenkopf (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) einstückig hergestellt ist.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Kontaktstelle der Trennwand (5) mit dem mindestens einem Heizelement (7) elektrisch oder mit warmen Fluiden beheizt ist.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene Temperatur der HF-Empfangsspule (2) weniger als 40 K beträgt.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die HF-Empfangsspule (2) refrigeratorgekühlt ist, wobei die Kühlung vorzugsweise mittels eines wärmeübertragenden Kühlmediums stattfindet.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untersuchten Kerne des Messobjekts Protonen umfassen.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenz der mindestens einen HF-Empfangsspule (2) auf die Resonanzfrequenz der untersuchten Kerne des Messobjekts bei einer Betriebs-Magnetfeldstärke von mindestens 4.6 T abgestimmt ist.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untersuchten Kerne des Messobjekts ²H, ³He, ¹²⁹Xe, ¹³C, ¹⁷O, ¹⁹F, ²³Na oder ³¹P-Kerne umfassen.
NMR-Probenkopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (5) mit einem Thermometer (8) zur Messung ihrer Temperatur versehen ist.
Verwendung des NMR-Probenkopfs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der MRI-Bildgebung.
Verfahren zum Betrieb eines NMR-Probenkopfs (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gehäuses (4) gemessen und geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das temperaturempfindliche Messobjekt ein Kleintier, insbesondere eine Maus (6) oder Ratte, ist.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Gehäuses (4) ungefähr auf die Wohlfühltemperatur des Messobjekts geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Temperatur des Gehäuses (4) mittels mindestens eines elektrischen Temperatursensors erfolgt.