DE102013021870A1

DE102013021870A1 - Resonator für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment

Info

Publication number: DE102013021870A1
Application number: DE102013021870.5A
Authority: DE
Inventors: Dr. Riemer Thomas
Original assignee: Universitaet Leipzig
Current assignee: Riemer Thomas Dr Rer Nat De
Priority date: 2013-12-21
Filing date: 2013-12-21
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Resonator, der für alle Messverfahren, denen das physikalische Prinzip der magnetischen Resonanz zugrunde liegt, geeignet ist und auf dem Prinzip des Balun-Resonators aufbaut. Insbesondere betrifft das Messverfahren der Kern-Magnetischen-Resonanz-Spektroskopie, der Magnetischen-Resonanz-Bildgebung, der Magnetischen-Resonanz-Diffusometrie und verwandte Verfahren, wie die Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie. Der Resonator soll eine hohe symmetrische Potentialverteilung und Homogenität des Magnetfeldes über die Spule aufweisen. Das Wesen der Erfindung besteht in einem Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator.

Description

Die Erfindung betrifft einen Resonator, der für alle Messverfahren, denen das physikalische Prinzip der magnetischen Resonanz zugrunde liegt, geeignet ist und auf dem Prinzip des Balun-Resonators aufbaut. Insbesondere betrifft das Messverfahren der Kern-Magnetischen-Resonanz-Spektroskopie, der Magnetischen-Resonanz-Bildgebung, der Magnetischen-Resonanz-Diffusometrie und verwandte Verfahren, wie die Elektronen-Spin-Resonanz-Spektroskopie. Der Resonator ist besonders geeignet für die Untersuchung masselimitierter Proben in der Kern-Magnet-Resonanz-Spektroskopie, als Detektor für die räumliche und zeitliche Vermessung von Magnetfeldern im Magnetischen-Resonanz-Experiment und als externe Sonde für die zeitliche und räumliche Regelung von gepulsten Magnet-Feldern in Magnet-Resonanz-Experimenten.
Beim Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiment wird makroskopische Kernmagnetisierung M₀, die sich in einem statischen Magnetfeld der Flussdichte B₀ einstellt, durch Anlegen eines senkrecht zum statischen Magnetfeld orientierten magnetischen Wechselfeldes
aus der Gleichgewichtslage ausgelenkt, und die Antwort des Kernspinsystems beobachtet. Das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment findet vielfältige Anwendung in der Analytik und in der medizinisch diagnostischen Bildgebung.
Die zu verwendende Frequenz für das magnetische Wechselfeld B₁(t), welches für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment senkrecht zum statischen Magnetfeld angelegt werde muss, ist durch die Larmor-Bedingung ω₀ = 2πν₀ = –γB₀ gegeben (mit: ν₀: Larmor-Frequenz in [Hz]; γ: gyromagnetischem Verhältnis, der kernartspezifischen Proportionalitätskonstante, für 1H beträgt diese γ(1H)/2π = 42.576[MHz/T]; B₀: Flussdichte des statischen Magnetfelds, in dem sich die Probe und der Detektor befinden in [T]). Die Antwort des Kernspinsystems beim Relaxieren zurück in den Gleichgewichtszustand weißt die gleiche Larmor-Frequenz ν₀ auf. Sowohl für das Auslenken aus dem Gleichgewicht als auch für die Detektion der Antwort des Kernspinsystems wird im Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiment ein geeigneter Schwingkreis, oder synonym Resonator verwendet, wobei sich die zu untersuchende Probe im Magnetfeld der Spule des Resonanzschwingkreises befindet. Technisch wird das magnetische Radiofrequenzfeld B₁ durch eine Induktivität, d. h. eine Spule, realisiert, deren Zeit-veränderliches Magnetfeld eine senkrechte Komponente zum statischen Magnetfeld aufweist. Es ist üblich, die Ausrichtung des statischen Magnetfelds B₀ als z-Achse des kartesischen Laborkoordinatensystems zu definieren. Das magnetische Radiofrequenzfeld wird dann in der sogenannten transversalen Ebene, der xy-Ebene des Laborkoordinatensystems angeordnet. Die Spulen zur Erzeugung des B₁-Feldes lassen sich in sogenannte Oberflächenspulen und Volumenspulen klassifizieren. Bei den Oberflächenspulen befindet sich die Spule neben dem Objekt und weist in der Regel dadurch ein inhomogenes B₁-Feld über die Probe auf, während bei den Volumenspulen das zu untersuchende Objekt von der Spule umschlossen wird. Letztere weisen in der Regel ein homogenes B₁-Feld über die zu untersuchende Probe auf. Die Spule mit der Induktivität L bildet in der Regel zusammen mit einem Kondensator mit der Kapazität C einen Resonanzschwingkreis, der auf die Larmor-Frequenz der zu untersuchenden Kernspinart abgestimmt ist: 2πν₀ = γB₀ = 1/√ (CL) .
Dabei finden sowohl Serienschwingkreise Verwendung, die niedrige Impedanz Z << 50 Ω, als auch parallele Schwingkreise, die hohe Impedanz Z >> 50 Ω aufweisen. Die Übertragung der Radiofrequenzsignale zum (Sendefall) und vom (Empfangsfall) Resonator des Kern-Magnetische-Resonanz-Experiments wird in der Regel durch Z = 50 Ω-Koaxialleitungen erreicht, die in der Regel eine unsymmetrische Potentialverteilung aufweisen.
Aus Mispelter J., Lupu M. und Briguet A.: „Probeheads for Biophysical and Biomedical Experiments. Theoretical Principles and Practical Guidelines", Imperial college press (2006), ISBN 978-1-86094-637-0, und hier insbesondere aus dem Kapitel 4 „Balancing the probe head" sind verschiedene Anordnungen für Resonatoren bekannt.
Wichtige Aspekte bei der Entwicklung von Resonanzschwingkreisen für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment sind vor allem die Sensitivität und Symmetrisierung des Resonators und die Homogenität des Magnetfeldes.
Die in dargestellte symmetrische Potentialverteilung über die Spule wird im englischen auch als Balancieren des Schwingkreises bezeichnet. Dadurch lassen sich Verlusteffekte, wie der Fernfeld-Antenneneffekt, und die elektrische Kopplung zur Probe aufgrund von dielektrischer Wechselwirkung minimieren. Grund ist, dass im Fall der unsymmetrischen Potentialverteilung eine Signalspannung von 0- bis U-Volt über der Spule anliegt, während im Fall der symmetrischen Ansteuerung –1/2 U bis +1/2 U über der Spule anliegt. Dabei steht C_T für den Tune-Kondensator, der den Schwingkreis auf die gewünschte Larmor-Frequenz abstimmen lässt (engl. tune), und C_M für den Match-Kondensator, der die Impedanzanpassung des Schwingkreises auf die Leitungsimpedanz von Z = 50 Ω anpasst (engl. match).
Im Fall der in dargestellten unsymmetrischen Potential-Verteilung im Resonator-Design, wird ein Match Kondensator C_M verwendet, der die Impedanzanpassung realisiert. In diesem Fall liegt ein Potential von U über der Detektorspule an. Bei der symmetrischen Ansteuerung des Parallelschwingkreises wird die Match-Anpassung durch einen Kondensator vor und einen Kondensator nach dem Parallelschwingkreis mit jeweils dem doppelten Kapazitätswert 2C_M im Vergleich zur unsymmetrischen Ansteuerung des Resonanzschwingkreises realisiert. Dadurch wird eine Halbierung des Potentials bei gleichzeitiger Symmetrierung desselben bezüglich einer virtuellen Masse in der Mitte der Detektor-Spule erreicht.
Unter Balun (engl. balanced – unbalanced) ist eine Schwingkreisanordnung bekannt, die eine symmetrische Potentialverteilung einer Eingangs-Leiteranordnung in eine unsymmetrische Potentialverteilung in einer Ausgangsleiter-Anordnung umwandeln kann, und umgekehrt. Der Einbau eines Baluns in den Detektor für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment verhindert das Auftreten von sogenannten Mantelwelle auf den koaxialen HF-Zuleitungen zum Detektor des Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiments, welche zu unerwünschten Kopplungseffekten und HF-Verlusten führen können. Die Mantelwellen entstehen, wenn Resonanzschwingkreise mit symmetrischer Potentialverteilung mit Koaxialkabeln, die eine unsymmetrische Potentialverteilung aufweisen, direkt verknüpft werden. Eine typische Balun-Schaltung, die zwischen symmetrisch und unsymmetrischer Potentialverteilung vermitteln kann, ist die Brückenschaltung aus Spule und Kondensator.
Eine weitere bekannte Balun-Ausführung ist der sog. Bazooka-Balun, der aus einem λ/4-Resonator oder Topfschwingkreis über dem Ende einer Koaxialleitung besteht. Dieser am Ende des Koaxialkabels angebrachte und zum Ende des Kabels hin offene λ/4-Resonator oder Topfschwingkreis transformiert das unsymmetrische Potential des Koaxialkabels in ein symmetrisches Potential am Ende des Bazooka-Baluns. Durch Einführen eines Kondensators am Ende des Bazooka-Baluns lässt sich die elektrische Länge anpassen und damit der Bazooka-Balun kürzer als λ/4 ausführen.
Im Sendefall wird (i) das HF-Signal eines Koaxialleiters mit Z = 50 Ω-Impedanz und unsymmetrischer Potentialverteilung vorteilhaft über einen (ii) Balun in eine symmetrische Potentialverteilung mit Z = 50 Ω-Impedanz transformiert. Durch ein symmetrisches Match-Netzwerk wird die Leitungsimpedanz von Z = 50 Ω auf die Impedanz des Resonanzschwingkreises angepasst. Im Empfangsfall wird das im Resonator induzierte Signal des Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiments durch das symmetrische Match-Netzwerk auf die Z = 50 Ω-Leitungsimpedanz transformiert, durch den Balun auf eine unsymmetrische Potentialverteilung transformiert und über den Koaxialleiter möglichst verlustfrei zur Weiterverarbeitung weitergeleitet.
Die zweite besondere Herausforderung für den Aufbau eines Resonators für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment stellt die für die Messungen erforderliche Homogenität des Magnetfeldes über die zu untersuchende Probe dar. Die für die Detektion des Magnet-Resonanz-Signals verwendeten Materialien dürfen das statische Magnetfeld am Ort der zu untersuchenden Probe nicht verzerren bzw. modifizieren. Gleichzeitig muss der Leiter, aus dem die Detektorspule gefertigt ist, die Probe möglichst eng umschlingen, um ein möglichst großes Signal detektieren zu können, denn die in einem Leiter induzierte Spannung U_ind ist indirekt proportional zu Abstand r zwischen Leiter und Ort der elektromotorischen Kraft U_ind ∝ 1/r, hervorgerufen durch die Kern-Magnete, die zur makroskopischen Magnetisierung beitragen.
Keine Verzerrungen des statischen Magnetfelds treten auf, wenn Materialien verwendet werden, die die gleiche Suszeptibilität χ aufweisen. D. h., es werden suszeptibilitätsangepasste Materialien verwendet. Dabei beschreibt die Suszeptibilität χ die Änderung der Magnetisierung ∂M des verwendeten Materials mit der Änderung der Magnetfeldstärke ∂H : χ = ∂M/∂H. Beträgt die Suszeptibilität der verbauten Materialien χ = 0, lassen sich Verzerrungen des statischen Magnetfelds durch den Resonator ebenfalls verhindern. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die verwendeten Materialien im Magnetfeld so anzuordnen, dass aufgrund geometrischer Effekte keine Feldverzerrungen am Ort der Probe auftreten. Ein Beispiel für einen suszeptibilitätsgematchten Resonator für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment findet sich in: A Transmit/Receive System for Magnetic Field Monitoring of In Vivo MRI, Christoph Barmet, Nicola De Zanche, Bertram J. Wilm, and Klaas P. Pruessmann, Magnetic Resonance in Medicine 62:269–276 (2009). Ein Beispiel für die vorteilhafte geometrische Anordnung findet sich in der Dissertation von: Philip P. Unger, NMR-BASED MICROPROBES FOR MAGNETIC FIELD MEASUREMENTS, Department of Physics, University of Manitoba Winnipeg, Manitoba, Canada, 2001. Hier wird ausgenutzt, dass lange ausgedehnte Zylinder, die entlang des statischen Magnetfelds ausgerichtet sind, dieses nicht verzerren. Deshalb müssen keine speziell suszeptibilitätsgematchten Leiterdrähte verwendet werden.
Ein Nachteil der von Unger verwendeten längeren Zwei-Draht-Leitungen, die aufgrund ihres Aussehens als Haar-Nadel-(hair-pin-)-Resonatoren bezeichnet sind, sind Probleme mit der Impedanzanpassung an die Z = 50 Ω-Leitungsimpedanz. Ungers Ansteuerung besteht wie in dargestellt aus einem festen Tune und Match Kondensator am Eingang des Hair-Pin-Resonators und einem π-Glied bestehend aus einer Impedanz und zwei Trim-Kondensatoren, die mittels einer Koaxialleitung Nλ/2 vom Hair-Pin-Resonator entfernt angebracht sind.
Ziel der Erfindung ist es, einen Resonator für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment anzugeben, der durch seine geometrische Formgebung eine vereinfachte Ansteuerung des Hair-Pin-Resonators gegenüber der von Unger bekannten Anordnung ermöglicht, die den Anforderungen von Detektor-Schaltungen für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment bezüglich Impedanzanpassung, Balun-Integration und symmetrischer Resonatoransteuerung genügt und hierbei die Vorteile des Hair-Pin-Resonator-Aufbaus in Bezug auf die vernachlässigbare Verzerrung des statischen Magnetfelds gewährleistet.
Erfindungsgemäß wird die nachfolgend beschriebene Anordnung für den Aufbau eines Resonanzschwingkreises inklusive Ansteuerung (Balun, Impedanzanpassung und Frequenzabstimmung) für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment vorgeschlagen. Die Anordnung basiert auf dem Prinzip des Balun-Resonators und entwickelt dieses weiter zu einem Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator.
Der erfindungsgemäße Planare-Drei-Leiter-Balun-Resonator besteht aus drei geraden Leitungen, beispielsweise Drähten mit kreisförmigem Querschnitt, die an der gleichen z-Achs-Position beginnend parallel in einer Ebene liegend angeordnet sind. Die Ebene kann beispielsweise die xz-Ebene des Laborkoordinatensystems sein, wobei die Längsausdehnung der Drähte beispielsweise in z-Achs-Richtung erfolgt, und die Parallelverschiebung entlang der x-Achs-Richtung. Die drei geraden Leiter besitzen den gleichen Durchmesser d, wobei bei nicht kreisförmigem Querschnitt der drei Leiter der Durchmesser d des Umkreises zu Grunde gelegt wird. Sie besitzen die gleiche Länge b und weisen einen lichten Abstand a und a' zwischen den Leitern auf, der bei dem ein- bis dreifachen des Leiterdurchmessers d liegt. Die elektrische Verbindung der drei Leiter zum Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator erfolgt, indem beispielsweise das obere Ende des linken Leiters L₁ über einen Kondensator mit dem oberen Ende des mittleren Leiters L₂ und das obere Ende des mittleren Leiters L₂ über eine kurze Leitung, die den Abstand a überbrückt, mit dem oberen Ende des rechten Leiters L₃ verbunden ist. Das untere Ende des linken Leiters L₁ ist dann über ein kurze Leitung, die den Abstand a' überbrückt, mit dem unteren Ende des mittleren Leiters L₂ und das untere Ende des mittleren Leiters L₂ über einen Kondensator mit dem unteren Ende des rechten Leiters L₃ verbunden. Alternativ kann auch die Verknüpfung von L₁ oben mit L₂ oben mit einem kurzen elektrischen Leiter erfolgen. In diesem Falle erfolgt die Verknüpfung von L₂ oben mit L₃ oben mit einem Kondensator. Die Beschaltung unten ist dann Kondensator zwischen L₁ und L₂ und kurzer elektrischer Leiter zwischen L₂ und L₃.
Die Anbindung des in dargestellten Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators an die Z = 50 Ω-Koaxialleitung des Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiments erfolgt kapazitiv über einen der zwei Kondensatoren des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators. Dieser Kondensator C_M realisiert die Impedanzanpassung an die Z = 50 Ω-Koaxialleitung, die den Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiment-Resonator mit dem Rest der Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiment-Anordnung (NMR-Spektrometer, MR-Tomographen) verbindet. Der zweite Kondensator C_T, der sich am anderen Ende der geraden Leiter befindet, dient als Tune-Kondensator zur Frequenzabstimmung des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators.
Ohne Kondensatoren verhält sich der in dargestellte Planare-Drei-Leiter-Balun-Resonator wie zwei verschaltete λ/4-Leiter-Resonatoren. Entsprechend besitzt die Anordnung einen Spannungsbauch an den offenen Enden der λ/4-Leiter-Resonator-Anordnung und einen Strombauch am Kurzschluss der λ/4-Leiter-Resonator-Anordnung. Dementsprechend ist die B1-Feldverteilung inhomogen über die Leiterlänge verteilt. Ein Maximum tritt an den zwei Kurzschlüssen der zwei verschalteten λ/4-Leiter-Resonatoren auf.
Durch Einführen der Kondensatoren für Tune und Match in den Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator wird die elektrische Länge für den λ/4-Leiter-Resonator verkürzt (d. h., die Resonanzfrequenz des Schwingkreises wird entsprechend ν₀ = 1/(2π√ CL ) zu kleineren Frequenzen bzw. größeren Wellenlängen verschoben). Die verkürzte Leiterlänge zusammen mit der symmetrischen Potentialverteilung über den verkürzten λ/4-Leiter-Resonator hat zur Folge, dass sich eine sehr homogene B1-Feldverteilung über die gesamte Länge des λ/4-Leiter-Resonators zwischen den Leitern L₂ und L₃ (λ/4-Topfkreis Komponente im Bazooka-Balun-Bild) ergibt. Wird die Verkürzung sehrviel kleiner als λ/4, sodass die Leiter-Resonator-Länge z. B. kleiner λ/16 beträgt, dann treten zusätzliche Schwingungsmoden im Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator auf, die auch zu signifikanten B1-Felder zwischen den Leitern L₁ und L₂ führen, was zu einer verringerten Sensitivität des Resonators führt, da sich das erzeugte B1-Feld, bzw. im reziproken Fall das detektierte B1-Feld, über ein größeres Volumen erstreckt.
Zwischen den Leitern L₂ und L₃ stellt sich in der axialen Ebene, xy-Ebene des Laborkoordinatensystems, ein homogenes Magnetfeld zwischen den Leitern ein.
Der Planare-Drei-Leiter-Balun-Resonator stellt eine Volumenspule dar. Das für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment verfügbare Volumen homogenen B1-Feldes befindet sich zwischen den Leitern L₂ und L₃ und hat die maximale Ausdehnung von Leiterabstand a, Leiterlänge b und Leiterdurchmesser d.
Das im Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiment zu untersuchende Objekt, die Probe, kann z. B. senkrecht zum Leiter, vorteilhaft in Form eines Zylinders in den Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator eingebracht werden. Dies ist die Konfiguration, die z. B. Unger verwendet hat, um eine Überwachung des statischen Magnetfelds mit seinem Hair-Pin-Resonator durchzuführen.
Alternativ kann das zu untersuchende Objekt auch zwischen den Leitern L₂ und L₃ vorzugsweise als Zylinder entlang der Leiter in der Ebene des planaren Resonators eingebracht werden. Diese Anordnung weist eine bis zu b/a-erhöhte Sensitivität aufgrund des besseren Füllfaktors im Vergleich zum senkrecht eingebrachten Objekt auf.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Durch den Aufbau des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators ist der Übergang von symmetrisch angesteuerter Detektorspule, die das zu untersuchende Objekt als Volumenspule umschließt, zu unsymmetrischer Potentialverteilung im Koaxialleiter, der die Z = 50 Ω-HF-Verbindung zu den weiteren Baugruppen des Kern-Magnetische-Resonanz-Experiments herstellt, integraler Bestandteil des Resonators. Durch diese Anordnung wird die Homogenität des statischen Magnetfeldes nicht beeinträchtigt. Dies erspart weitere Bauteile und verringert den Platzbedarf für die Magnet-Resonanz-Detektor-Anordung im räumlich häufig sehr beschränkten statischen Magnetfeld. Zugleich werden damit potentielle Quellen für Signalverluste durch weitere elektronische Bauteile, die bei Verwendung von separaten Balun-Schaltungen verwendet werden müssten, vermieden.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators reicht für die Impedanzanpassung des symmetrisch angesteuerten λ/4-Leiter-Resonators bestehend aus L2 und L₃ ein einzelner Match-Kondensator. Dies spart einen Kondensator. Bei der sonst üblichen symmetrischen Ansteuerung des Detektor-Schwingkreises sind zwei Kondensatoren nötig, die im Prinzip auch beide angepasst werden müssen, um eine optimale Impedanzanpassung und Symmetrierung des Detektorschwingkreises zu erreichen. Das im verkürzten λ/4-Leiter-Resonator zwischen den Leitern L₂ und L₃ des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators erzeugte magnetische Wechselfeld B1 istaufgrundd der symmetrischen Ansteuerung sehr homogen über die gesamte Länge des λ/4-Leiter-Resonators. Das ermöglicht es dünne, in einer Dimension aber lange Proben zu untersuchen. Damit erhält man bei der Wahl kleiner Leiterdurchmesser d und damit einhergehend kleinem Leiterabstand a einen Sensitivitätsgewinn für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment, der mit 1/Δa skaliert. Der Planare-Drei-Leiter-Balun-Resonator stellt damit einen Volumenresonator dar, bei dem zwei Dimensionen als Mikroresonator ausgebildet werden können (axiale xy-Ebene), während die verbliebene dritte Dimension (z-Achse) makroskopisch über die gesamte Länge des homogenen Bereichs des statischen Magnetfelds ausgeführt werden kann. Damit gewinnt man Signalintensität durch Miniaturisierung des Abstands zwischen den Leitern bei gleichzeitiger voller Ausnutzung des zur Verfügung stehenden homogenen statischen Magnetfeld-Bereichs. Dies stellt einen signifikanten Vorteil gegenüber anderen Mikroresonator-Anordnungen für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment dar.
Der Resonator ist besonders geeignet:

(i) für die Untersuchung masselimitierter Proben in der Kern-Magnet-Resonanz-Spektroskopie, wie z. B. in geringer Menge vorhandener biologischer Stammzellproben, da der Resonator in zwei der drei Raumdimensionen durch Verwenden dünner Drähte mikroskopisch klein aufgebaut werden kann und damit vom molaren Sensitivitätsgewinn, den man bei Mikroresonatoren beobachtet, profitiert, in der verbleibenden dritten Dimension aber makroskopische Länge von einigen Zentimetern aufweisen kann und damit mehr Material in den zweidimensional mikroskopischen Resonator einbringen kann, als bei einem in alle drei Raumrichtungen mikroskopisch aufgebauten Resonator;
(ii) als Detektor für die räumliche und zeitliche Vermessung von Magnetfeldern im Magnetischen-Resonanz-Experiment, weil der Resonator aufgrund seiner Formgebung das zu vermessende meist als statisch bezeichnete Magnetfeld nicht modifiziert und;
(iii) als externe Sonde für die zeitliche und räumliche Regelung von gepulsten Magnet-Feldern in Magnet-Resonanz-Experimenten, in denen das statische Magnetfeld zeitlich gezielt verändert wird, weil der Resonator aufgrund seiner mikroskopischen zweidimensionalen Ausdehnung ausreichend Platz für die im Magnet-Resonanz-Experiment zu untersuchende Probe lässt.

Die nachfolgenden Abbildungen ergänzen die vorstehende Darstellung und zeigen in
eine symmetrische Potentialverteilung,
eine unsymmetrische Potentialverteilung,
die Hairpin-Ansteuerung nach Unger,
den Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator ohne Ansteuerung,
den Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator mit 50 Ω-Zuleitung und für das Ausführungsbeispiel in
den Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator mit dem Tune-Kondensator C_T und dem Match-Kondensator C_M und der 50 Ω-koaxialer Zuleitung, wobei im oberen Bereich der Abbildung der PTFE-Deckel mit den drei Bohrungen zur Aufnahme jeweils eines Leiters dargestellt sind.
Im folgenden wird der erfindungsgemäße Resonator in einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Ausführungsbeispiel
Bei dem in dargestellten Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator beträgt die statische Magnetfeldstärke bzw. ihre Flussdichte B₀ = 7.049 T. Die Larmor-Frequenz für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment für 1H-Kerne beträgt ν₀ = 300.13 MHz. Der Planare-Drei-Leiter-Balun-Resonator besteht aus einem versilberten Kupferdraht mit 0,4 mm Durchmesser und einer Leiterlänge von 77,0 mm. Als Halterung für den Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator dient ein zylindrisches Rohr aus Teflon mit einer Länge von 75,0 mm, einem Außendurchmesser von 8,5 mm und einer Wandstärke von 0,5 mm. In das Teflonrohr sind zentral zwei gegenüberliegende Langlöcher mit etwa 45 mm Länge und etwa 4 mm Breite gefräst. Diese dienen dazu, Kapillaren zwischen den Leitern längs der Leiter in den Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator einzubringen. Die so eingebrachten Kapillaren werden zwischen den Leitern fixiert. Für die Aufnahme von Kapillaren, die senkrecht zu den Leitern zwischen denselben durch die Ebene des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators eingebracht werden, sind zehn 0,5 mm Bohrungen in 5 mm Abständen beginnend 15 mm vom unteren Ende des Teflonzylinders 90 Grad verdreht zu den Langlöchern angebracht. Der Teflonzylinder ist an beiden Enden mit jeweils einem 2 mm starken runden Deckel verschlossen. Die Deckel weisen zentral jeweils drei Bohrungen von 0,4 mm Durchmesser im Abstand von 0,8 mm (lichter Abstand 0,4 mm) in einer Ebene angebracht auf. Die drei Kupferleiter des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators sind durch die Teflondeckel gefädelt. Die Deckel mit den eingeführten Leitern auf dem Teflonzylinder sind so orientiert, dass die durch die Bohrungen eingeführten Proben-Kapillaren durch zwei benachbarte Leiter des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators so für Messzwecke eingeführt werden können. Als Tune- und Match-Kondensatoren sind zwei kleine Trimmer mit der Breite 3,2 mm, Höhe 1,8 mm, Länge 4,5 mm und Kapazitätswert 5 bis 30 pF verwendet. Die Trimmer sind für diesen Resonator ohne weitere mechanische Befestigung direkt über den Teflondeckeln an die Leiter des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators angelötet. Die Z = 50 Ω-Koaxialleitung ist über dem Kondensator angelötet, der die Leiter verknüpft, die nicht die Bohrungen zur Aufnahme der senkrecht zum Resonator einzubringenden Probenkapillaren aufweist. Die Resonatoranordnung ist in einem massiven Teflonzylinder fixiert, der die Aufnahme des Resonators in einem vorhandenen NMR-Probenkopfgestell für Kern-Magnetische-Resonanz-Experimente ermöglicht.
Diese Anordnung für einen Resonator zeigt folgende Eigenschaften:

(i) Das B1-Feld ist homogen entlang des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators.
(ii) Das B1-Feld zwischen den Leitern L₂ und L₃ ist mehr als einen Faktor 2 größer als das zwischen den Leitern L₁ und L₂.
(iii) Die Nutationsfrequenz bei 12 dB Sendedämpfung liegt beim Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonator fast dreifach so hoch als beim 5 mm Bruker-Vergleichsprobenkopf. In Abhängigkeit von der Exaktheit der Ausführung der Anordnung kann dieser Faktor aufgrund des Durchmesser-Verhältnisses den zwölffachen Wert erreichen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Mispelter J., Lupu M. und Briguet A.: „Probeheads for Biophysical and Biomedical Experiments. Theoretical Principles and Practical Guidelines”, Imperial college press (2006) [0005]
ISBN 978-1-86094-637-0 [0005]
Kapitel 4 „Balancing the probe head” [0005]
A Transmit/Receive System for Magnetic Field Monitoring of In Vivo MRI, Christoph Barmet, Nicola De Zanche, Bertram J. Wilm, and Klaas P. Pruessmann, Magnetic Resonance in Medicine 62:269–276 (2009) [0013]
Philip P. Unger, NMR-BASED MICROPROBES FOR MAGNETIC FIELD MEASUREMENTS, Department of Physics, University of Manitoba Winnipeg, Manitoba, Canada, 2001 [0013]

Claims

Resonator für das Kern-Magnetische-Resonanz-Experiment, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator als Planarer-Drei-Leiter-Balun-Resonator dergestalt ausgebildet ist, dass – drei gerade Leiter einer Länge b und eines Durchmessers d parallel liegend auf einer Ebene angeordnet sind, welche ein kartesisches Koordinatensystem mit einer z-Achse und einer senkrecht dazu stehenden x-Achse aufspannt, wobei die z-Achse des kartesischen Koordinatensystems parallel zur Längsausdehnung der drei geraden parallel angeordneten Leiter verläuft, – die drei Leiter an der gleichen Position der z-Achse angelegt sind, – ihre Längsausdehnung in die gleiche z-Achse-Richtung erfolgt, – zwischen den parallel angeordneten drei Leitern in Richtung der x-Achse ein lichter Abstand a' zwischen dem linken Leiter, bezeichnet als L1, und dem mittleren Leiter, bezeichnet als L2, und ein lichter Abstand a zwischen dem mittleren Leiter, bezeichnet als L2 und dem rechten Leiter, bezeichnet als L3, existiert, – bei Aufsicht auf die Ebene der linke Leiter, bezeichnet als L1, am oberen Ende mit dem mittleren Leiter, bezeichnet als L2, am oberen Ende über einen Kondensator elektrisch verbunden ist, – bei Aufsicht auf die Ebene der mittlere Leiter, bezeichnet als L2, am oberen Ende mit dem rechten Leiter, bezeichnet als L3, an dessen oberen Ende über eine kurze Leitung elektrisch verbunden ist, die den Abstand a zwischen den beiden Leitern überbrückt, – der Leiter L1 an dessen unteren Ende mit dem Leiter L2 an dessen unteren Ende über eine kurze Leitung, die den Abstand a' überbrückt, elektrisch verbunden ist und – der Leiter L2 an dessen unteren Ende mit dem Leiter L3 an dessen unteren Ende über einen Kondensator elektrisch verbunden ist.
Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung des Planaren-Drei-Leiter-Balun-Resonators zum Kern-Magnetischen-Resonanz-Experiment über eine koaxiale Leitung mit einer definierten Impedanz, vorzugsweise 50 Ω, erfolgt.
Resonator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände a und a' gleich sind.
Resonator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lichten Abstände a und a' das ein- bis dreifache des Durchmessers d der Leiter betragen.
Resonator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchende Probe zwischen die Leiter L2 und L3 in den lichten Abstand a eingebracht sind.
Resonator nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchende Probe als ausgedehnter Zylinder mit einem Durchmesser kleiner dem lichten Abstand a senkrecht zur z-Achse zwischen die Leiter L2 und L3 eingebracht ist.
Resonator nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchende Probe als ausgedehnter Zylinder mit einem Durchmesser kleiner dem lichten Abstand a entlang der z-Achse zwischen die Leiter L2 und L3 eingebracht ist.
Resonator nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dessen z-Achse entlang der Hauptachse des statischen Magnetfelds im Magnet-Resonanz-Experiment angeordnet ist.
Resonator nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge b der Leiter L1, L2 und L3 kleiner ein Viertel und größer als ein Sechzehntel der Wellenlänge der gewünschten Resonanzfrequenz des Resonators beträgt.