DE102020208180A1

DE102020208180A1 - Quantensensor-basierte Empfangseinheit ausgebildet zum Erfassen von MR-Signalen

Info

Publication number: DE102020208180A1
Application number: DE102020208180.8A
Authority: DE
Inventors: Silvia Bettina Arroyo Camejo; Stefan Popescu; Markus Vester
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-30
Also published as: US11519983B2; US20210405136A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Empfangseinheit ausgebildet zu einem Erfassen von MR-Signalen von einem Untersuchungsobjekt in einem Magnetresonanzgerät, aufweisend- eine Detektoreinheit umfassend eine Lichtquelle und einen ersten optischen Detektor,- eine Sensoreinheit umfassend ein erstes optisches Magnetometer,- einen ersten Lichtwellenleiter verbindend die Sensoreinheit mit der Lichtquelle und- einen zweiten Lichtwellenleiter verbindend die Sensoreinheit mit dem ersten optischen Detektor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Empfangseinheit ausgebildet zum Erfassen von MR-Signalen und ein Magnetresonanzsystem.
In einem Magnetresonanzgerät wird üblicherweise der zu untersuchende Körper eines Untersuchungsobjektes, insbesondere eines Patienten, mit Hilfe eines Hauptmagneten einem relativ hohen Hauptmagnetfeld, beispielsweise von 1,5 oder 3 Tesla, ausgesetzt. Zusätzlich werden mit Hilfe einer Gradientenspuleneinheit Gradientenpulse ausgespielt. Über eine Hochfrequenzantenneneinheit werden dann mittels geeigneter Antenneneinrichtungen hochfrequente Hochfrequenz-Pulse, beispielsweise Anregungspulse, ausgesendet, was dazu führt, dass die Kernspins bestimmter, durch diese Hochfrequenz-Pulse resonant angeregter Atome um einen definierten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Hauptmagnetfelds verkippt werden. Bei der Relaxation der Kernspins werden Hochfrequenz-Signale, so genannte Magnetresonanz-Signale (MR-Signale), abgestrahlt, die mittels geeigneter Empfangseinheiten empfangen und dann weiterverarbeitet werden. Herkömmliche Empfangseinheiten sind als Hochfrequenzantennen ausgebildet und umfassen typischerweise Kupferspulen. Kupferspulen, beispielsweise mit einem Durchmesser von 10 cm weisen typischerweise eine Sensitivität von 0,01 fT/sqrt(Hz) für elektromagnetische Signale mit einer Frequenz von 64 MHz, was der Larmor-Frequenz von Wasserstoffprotonen bei 1,5 T entspricht, auf. Derartige Kupferspulen weisen typischerweise eine Sensitivität von 24 fT/sqrt(Hz) für elektromagnetische Signale mit einer Frequenz von 2 kHz, was der Larmor-Frequenz von Wasserstoffprotonen bei 47 µT entspricht, auf.
Die Frequenz der MR-Signale hängt von der Stärke des Hauptmagnetfeldes und von den die MR-Signale erzeugenden Spins ab. Die Frequenz der MR-Signale entspricht im Wesentlichen der Larmorfrequenz der Spins bei der entsprechenden Stärke des Hauptmagnetfeldes. Typischerweise werden MR-Signale von Spins der Wasserstoffprotonen (¹H) erfasst. Das Signal-zu-Rauschen Verhältnis des MR-Signale ist näherungsweise linear von der Stärke des Hauptmagnetfeldes abhängig. Mit der Stärke des Hauptmagnetfeldes steigen jedoch auch Artefakte in den MR-Signalen, wie beispielsweise B1-Inhomogenitäten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Empfangseinheit zur Erhöhung des Signal-zu-Rauschen Verhältnisses von MR-Signalen, insbesondere auch bei niedrigerer Stärke des Hauptmagnetfeldes, anzugeben. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße Empfangseinheit ausgebildet zu einem Erfassen von MR-Signalen von einem Untersuchungsobjekt in einem Magnetresonanzgerät umfasst

- eine Detektoreinheit umfassend eine Lichtquelle und einen ersten optischen Detektor,
- eine Sensoreinheit umfassend ein erstes optisches Magnetometer,
- einen ersten Lichtwellenleiter verbindend die Sensoreinheit mit der Lichtquelle und
- einen zweiten Lichtwellenleiter verbindend die Sensoreinheit mit dem ersten optischen Detektor,

Das Untersuchungsobjekt ist vorzugsweise eine Person, insbesondere ein Mensch. Die Lichtquelle kann beispielsweise als Laserdiode ausgebildet sein. Die Lichtquelle ist mit dem optischen Magnetometer über den ersten Lichtwellenleiter vorzugsweise derart verbunden, dass die in der Lichtquelle erzeugbaren Photonen das erste optische Magnetometer in der Form des initialen Lichtes erreichen. Der erste Lichtwellenleiter koppelt vorzugsweise mit der Sensoreinheit, insbesondere mit dem ersten optischen Magnetometer. Das erste Magnetometer umfasst vorzugsweise zumindest eine optisch aktive Substanz umfassend Spins, welche Spins dazu ausgebildet sind, in Abhängigkeit des initialen Lichtes und eines magnetischen Feldes, insbesondere eines elektromagnetischen Feldes, das initiale Licht zu modifizieren, also das erste modifizierte Licht zu erzeugen. Das MR-Signal ist ein vom Untersuchungsobjekt, insbesondere vom Untersuchungsbereich, mit räumlicher Auflösung ausgesendetes elektromagnetisches Feld und abhängig vom Untersuchungsobjekt, insbesondere vom Untersuchungsbereich, und von einer verwendeten MR-Steuerungssequenz. MR-Signale sind vorzugsweise zu räumlich aufgelösten Bilddaten rekonstruierbar. Durch die räumliche Auflösung des MR-Signals ist das erste modifizierte Licht insbesondere abhängig von der ersten Position des ersten optischen Magnetometers. Das erste modifizierte Licht umfasst eine Signatur des MR-Signals. Das erste optische Magnetometer ist typischerweise dazu ausgebildet, MR-Signale innerhalb des Sensitivitätsbereiches des ersten optischen Magnetometers zu erfassen. Der Sensitivitätsbereich kann durch einen maximalen Abstand zum ersten optischen Magnetometer, also durch einen maximalen Abstand zur ersten Position definiert sein. Der maximale Abstand beträgt typischerweise weniger als 25 cm, vorzugsweise weniger als 15 cm, besonders bevorzugt weniger als 12 cm. Der maximale Abstand kann insbesondere weniger als 9 cm betragen. Der Sensitivitätsbereich und der Untersuchungsbereich überlappen vorzugsweise zumindest teilweise. Die erste Position weist typischerweise einen Abstand zur Oberfläche des Untersuchungsobjektes von zumindest 1 cm, vorzugsweise von zumindest 3 cm, besonders bevorzugt von zumindest 5 cm auf. Die erste Position weist typischerweise einen Abstand zur Oberfläche des Untersuchungsobjektes von höchstens 8 cm, vorzugsweise von höchstens 7 cm, besonders bevorzugt von höchstens 6 cm auf.
Der zweite Lichtwellenleiter verbindet typischerweise die Sensoreinheit, insbesondere das erste optische Magnetometer, mit der Detektoreinheit, insbesondere mit dem ersten optischen Detektor. Der zweite Lichtwellenleiter ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das erste modifizierte Licht an den ersten optischen Detektor zu übertragen. Die Detektoreinheit ist vorzugsweise dazu ausgebildet, Rohdaten aus dem ersten modifizierten Licht zu extrahieren.
Es wurden kürzlich optische Magnetometer entwickelt, welche bei Raumtemperatur betrieben werden können, z.B. D. Budker et al.: Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms. Rev. Mod. Phys. 74, 1153-1201 (2002) oder J. M. Taylor et al., High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution, Nature Physics 4 (2008).
Optische Magnetometer zeichnen sich durch eine hohe Sensitivität für bestimmte Signalfrequenzen aus. Die Sensitivität ist im Vergleich zu Kupferspulen, wie sie bei herkömmlichen Empfangseinheiten verwendet werden, signifikant erhöht. Dies erhöht das Signal-zu-Rauschen Verhältnis in den erfassten MR-Signalen, und damit in daraus zu rekonstruierenden Bilddaten. Bislang wurde das Signal-zu-Rauschen Verhältnis in der MR-Bildgebung primär durch eine höhere Stärke des Hauptmagnetfeldes realisiert, was besonders aufwändig und kostenintensiv ist. Die erfindungsgemäße Empfangseinheit ermöglicht eine kostengünstigere und besonders effiziente Möglichkeit, das Signal-zu-Rauschen Verhältnis und damit die Qualität in der MR-Bildgebung zu erhöhen. Es ist auch denkbar, explizit Magnetresonanzgeräte mit geringerer Stärke des Hauptmagnetfeldes bei durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Empfangseinheit gleichbleibendem Signal-zu-Rauschen Verhältnis zu verwenden. Dies ist einerseits ein Kostenersparnis, da insbesondere die Kosten des Hauptmagneten mit der Stärke des Hauptmagnetfeldes steigen. Andererseits können durch eine niedrigere Stärke des Hauptmagnetfeldes Artefakte, wie beispielsweise B1-Inhomogenitäten, reduziert werden.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass die Detektoreinheit einen Abstand von zumindest 0,3 Meter zur Sensoreinheit aufweist.
Der Abstand zwischen der Detektoreinheit und der Sensoreinheit beträgt typischerweise zumindest 0,3 Meter, vorzugsweise zumindest 1,0 Meter, besonders bevorzugt zumindest 2,0 Meter. Die Länge des ersten Lichtwellenleiters und/oder des zweiten Lichtwellenleiters beträgt typischerweise zumindest 0,3 Meter, vorzugsweise zumindest 1,0 Meter, besonders bevorzugt zumindest 2,0 Meter.
Die Sensoreinheit und/oder der erste Lichtwellenleiter und/oder der zweite Lichtwellenleiter ist vorzugsweise eine rein optische Komponente. Die Detektoreinheit ist typischerweise mit einer Stromquelle verbunden und/oder umfasst elektronische Bauteile. Die Sensoreinheit ist typischerweise im Rahmen einer MR-Untersuchung in unmittelbarer Nähe zum Untersuchungsobjekt, insbesondere innerhalb des Aufnahmebereiches des Magnetresonanzgerätes, positioniert und somit dem Hauptmagnetfeld ausgesetzt. Diese Ausführungsform ermöglicht, dass die Detektoreinheit, insbesondere alle von der Empfangseinheit umfassten elektronischen Bauteile, außerhalb des Magnetresonanzgerätes positioniert werden können. Insbesondere kann
die Detektoreinheit und/oder alle von der Empfangseinheit umfassten elektronischen Bauteile außerhalb eines Bereiches um das Magnetresonanzgerät angeordnet werden, innerhalb welchen Bereiches ein statisches Magnetfeld von zumindest 0,5 mT, vorzugsweise von zumindest 0,001 mT vorliegt. Eine optische Sensoreinheit, vorzugsweise frei von elektronischen Bauteilen, hat typischerweise keinen Einfluss auf MR-Signale und/oder weitere im Rahmen der MR-Bildgebung verwendete elektromagnetische Felder und/oder magnetische Felder. Analoges gilt für die Lichtwellenleiter. Hierdurch sind die MR-Signale frei von Modulation aufgrund externer Bauteile. Dies erhöht die Qualität der MR-Signale und damit die Qualität der zu rekonstruierenden Bilddaten. Insbesondere können Artefakte reduziert werden. Ebenso können elektromagnetische Signale, beispielsweise in Form von MR-Signalen und/oder Hochfrequenz-Pulsen und/oder Gradientenpulsen, mangels Wechselwirkung mit der Sensoreinheit die Funktionsweise der Sensoreinheit nicht beeinflussen. Hierdurch ist die Sensoreinheit besonders robust.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass die Sensoreinheit und/oder das optische Magnetometer frei von einer makroskopischen Menge Metall und/oder frei von Kupfer ist. Eine makroskopische Menge Metall ist typischerweise dadurch gekennzeichnet, dass sie visuell erfassbar ist. Eine makroskopische Menge Metall zeichnet sich insbesondere durch eine elektrische Leitfähigkeit aus, die bei einem Erzeugen von Magnetfeldgradienten durch eine Schaltung von Gradientenpulsen Wirbelströme induzieren kann. Ist die Sensoreinheit und/oder das optische Magnetometer frei von einer makroskopischen Menge Metall, so hat die Sensoreinheit typischerweise keinen Einfluss auf MR-Signale und/oder weitere im Rahmen der MR-Bildgebung verwendete elektromagnetische Felder und/oder magnetische Felder. Eine Sensoreinheit frei von Kupfer ist besonders vorteilhaft, da Kupfer eine besonders hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist, und somit eine besonders hohe Wechselwirkung zwischen der Empfangseinheit und den MR-Signalen vermieden werden kann.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass die Sensoreinheit zumindest drei weitere optische Magnetometer umfasst, die drei weiteren optischen Magnetometer und das erste optische Magnetometer an vier voneinander verschiedenen Positionen angeordnet sind, jedes der drei weiteren optischen Magnetometer Spins umfasst, welche Spins dazu ausgebildet sind, aus dem von der Lichtquelle erzeugten initialen Licht jeweils ein weiteres modifiziertes Licht zu erzeugen, welches weitere modifizierte Licht ein Maß für ein in einem Sensitivitätsbereich des jeweils weiteren optischen Magnetometers um die jeweilige Position auftretenden MR-Signals ist.
Die Empfangseinheit umfasst vorzugsweise eine Vielzahl, typischerweise zumindest vier, vorzugsweise 16 oder 32 optische Magnetometer ausgebildet zum Erfassen von MR-Signalen. Die zumindest vier optischen Magnetometer, also das erste optische Magnetometer und die zumindest drei weiteren optischen Magnetometer, sind typischerweise an vier voneinander verschiedenen Positionen angeordnet, wobei jedes der zumindest vier optischen Magnetometer dazu ausgebildet ist, MR-Signale im Sensitivitätsbereich um die jeweilige Position in jeweils modifiziertes Licht zu übertragen.
Die zumindest vier optischen Magnetometer sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die jeweiligen Sensitivitätsbereiche zumindest teilweise überlappen. Der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Positionen der vier voneinander verschiedenen Positionen beträgt vorzugsweise weniger als zwei Mal den maximalen Abstand definierend den Sensitivitätsbereich der jeweiligen optischen Magnetometer. Der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Positionen der vier voneinander verschiedenen Positionen beträgt typischerweise zwischen 3 cm und 30 cm, vorzugsweise zwischen 5 cm und 25 cm, besonders bevorzugt zwischen 10 cm und 20 cm.
Jeder der zumindest vier optischen Magnetometer ist typischerweise durch den ersten Lichtwellenleiter mit der Lichtquelle verbunden. Hierfür kann der erste Lichtwellenleiter zumindest vier erste Einzel-Lichtwellenleiter umfassen, wobei jeweils einer der zumindest vier erste Einzel-Lichtwellenleiter eine optische Verbindung zwischen einem optischen Magnetometer und der Lichtquelle zumindest teilweise herstellt.
Die Funktionsweise der zumindest drei weiteren optischen Magnetometer entspricht dabei der Funktionsweise des ersten optischen Magnetometers. Die zumindest vier optischen Magnetometer können jedoch unterschiedlicher Bauart sein, beispielsweise kann das erste optische Magnetometer als Atomdampfzellen Magnetometer und zumindest eines der drei weiteren optischen Magnetometer als Diamant aufweisend ein Stickstoff-Defekt-Zentrum ausgebildet sein.
Die Verwendung mehrerer optischer Magnetometer vergrößert den Sensitivitätsbereich der gesamten Empfangseinheit. Insbesondere ermöglicht dies eine größere räumliche Abdeckung des Untersuchungsbereiches und eine höhere räumliche Auslösung der so akquirierten MR-Signale. Die Verwendung mehrerer optischer Magnetometer ermöglicht eine Beschleunigung der MR-Bildgebung, beispielsweise durch die Verwendung paralleler Bildgebung, welche auf der Akquisition von MR-Signal durch verschieden positionierte Sensoren basiert. Hierdurch kann die Empfangseinheit insbesondere in der klinischen Routine gut eingesetzt werden. Zusätzlich wird das Rauschen reduziert und das Signal-zu-Rauschen Verhältnis verbessert.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass der zweite Lichtwellenleiter zumindest vier zweite Einzel-Lichtwellenleiter umfasst und jedes der zumindest vier optischen Magnetometer separat mittels jeweils einem zweiten Einzel-Lichtwellenleiter mit der Detektoreinheit verbunden ist. Die Detektoreinheit ist gemäß dieser Ausführungsform mit jedem der zumindest vier optischen Magnetometer über einen separaten Lichtwellenleiter verbunden. Die zumindest vier modifizierten Lichter können demnach separat an die Detektoreinheit übertragen werden. Hierdurch können die zumindest vier modifizierten Lichter besonders gut den einzelnen optischen Magnetometern und/oder deren jeweiligen Positionen zugeordnet werden. Insbesondere kann eine Wechselwirkung der zumindest vier modifizierten Lichter besonders gut vermieden werden.
Die zumindest vier zweiten Einzel-Lichtwellenleiter können mit dem ersten optischen Detektor verbunden sein, welcher dazu ausgebildet ist, die zumindest vier modifizierten Lichter zu verarbeiten. Die Detektoreinheit kann auch zumindest drei weitere optische Detektoren umfassen, wodurch die Detektoreinheit insgesamt zumindest vier optische Detektoren umfasst. Jeder der zumindest vier optischen Detektoren kann über jeweils einen zweiten Einzel-Lichtwellenleiter mit jeweils einem der zumindest vier optischen Magnetometer verbunden sein. Dadurch können die zumindest vier modifizierten Lichter besonders effizient und präzise verarbeitet werden.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass der erste Lichtwellenleiter zumindest eine optische Splitteinrichtung umfasst. Die optische Splitteinrichtung umfasst typischerweise zumindest einen Strahlteiler. Die optische Splitteinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den ersten Lichtwellenleiter in zumindest vier erste Einzel-Lichtwellenleiter zu unterteilen. Hierzu kann die optische Splitteinrichtung mehrere einzelne Strahlteiler umfassen, welche jeweils einen Lichtwellenleiter in zwei Lichtwellenleiter unterteilen. Die optische Splitteinrichtung ist vorzugsweise passiv ausgebildet und/oder kann auch im invertierten Modus als Kombiniereinrichtung funktionieren. Eine derartige Splitteinrichtung ermöglicht die Verwendung mehrerer optischer Magnetometer mit nur einer Lichtquelle.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass die zumindest vier optischen Magnetometer flexibel miteinander verbunden sind. Die zumindest vier optischen Magnetometer sind typischerweise zumindest paarweise durch jeweils zumindest einen ersten Lichtwellenleiter und/oder zweiten Lichtwellenleiter miteinander verbunden. Jedes der zumindest vier optischen Magnetometer ist vorzugsweise mit zumindest zwei der zumindest vier optischen Magnetometer verbunden. Die zumindest vier optischen Magnetometer können durch eine flexible Hülle umgeben sein. Die flexible Verbindung der zumindest vier optischen Magnetometer ermöglicht eine individuelle Anpassung der Sensoreinheit an eine Oberfläche des Untersuchungsobjektes. Insbesondere kann dadurch ein geringer Abstand zwischen den zumindest vier optischen Magnetometern und der Oberfläche des Untersuchungsobjektes, beispielsweise von weniger als 5 cm, vorzugsweise von weniger als 3 cm, sichergestellt werden. Hierdurch können die jeweiligen Sensitivitätsbereiche der zumindest vier optischen Magnetometer besonders effizient ausgenutzt werden, insbesondere durch besonders große Überlappung der Sensitivitätsbereiche mit dem Untersuchungsbereich. Dies erhöht das Signal-zu-Rauschen Verhältnis zusätzlich.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass das erste optische Magnetometer als Atomdampfzellen Magnetometer ausgebildet ist. Umfasst die Empfangseinheit mehrere optische Magnetometer, so sind vorzugsweise ein Teil und/oder alle der mehreren optischen Magnetometer als Atomdampfzellen Magnetometer ausgebildet.
Atomdampfzellen Magnetometer, auch als „atomic vapor cells“ bekannt, können rein optisch betrieben werden. Insbesondere ermöglichen Atomdampfzellen Magnetometer eine Detektion des MR-Signals basierend auf magneto-optischer Rotation des initialen Lichtes. Der erste Detektor ist vorzugsweise dazu ausgebildet, das erste modifizierte Licht polarimetrisch zu erfassen. Der zweite Lichtwellenleiter umfasst vorzugsweise einen Polarisationsfilter, welcher zwischen dem ersten optischen Magnetometer und dem ersten optischen Detektor angeordnet ist.
Das Atomdampfzellen Magnetometer umfasst vorzugsweise zumindest ein Alkali-Metall, wie beispielsweise Rubidium und/oder Caesium. Das Alkali-Metall liegt vorzugsweise atomar vor und umfasst die Spins, welche durch das initiale Licht ausgerichtet werden und ein erstes modifiziertes Licht repräsentativ für ein MR-Signal erzeugen. Das Atomdampfzellen Magnetometer umfasst vorzugsweise einen Glaskörper umgebend das zumindest eine Alkali-Metall.
Die Funktionsweise eines Atomdampfzellen-Magnetometer ist beispielsweise in D. Budker et al.: Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms. Rev. Mod. Phys. 74, 1153-1201 (2002) und/oder in I. M. Savukov, S. J. Seltzer, M. V. Romalis, and K. L. Sauer, Tunable atomic magnetometer for detection of radio-frequency magnetic fields, Phys Rev Lett. 95, 6:063004 (2005) und/oder in D. Budker, M. Romalis, Optical magnetometry, Nature Physics 3 (2007) beschrieben. Ein derartiges Atomdampfzellen-Magnetometer kann insbesondere bei Raumtemperatur und/oder frei von Kühlmittel betrieben werden.
Atomdampfzellen Magnetometer sind kommerziell verfügbar und/oder weisen eine besonders hohe Sensitivität, insbesondere auch für MR-Signale mit einer Frequenz im Bereich von 0,4 MHz - 0,5 MHz (S.-K. Lee, K. L. Sauer, S. J. Seltzer, 0. Alem, M. V. Romalis, Subfemtotesla radio-frequency atomic magnetometer for detection of nuclear quadrupole resonance, Appl. Phys. Lett. 89, 214106 (2006)) auf. Dies reduziert das Rauschen besonders gut und ermöglicht eine hohe Qualität der zu rekonstruierenden Bilddaten.
Das Atomdampfzellen Magnetometer kann als Spin-exchange relaxation-free- (SERF-) Magnetometer ausgebildet sein. Ein SERF-Magnetometer kann eine Sensitivität von weniger als 1 fT/sqrt(Hz) für elektromagnetische Signale aufweisend Frequenzen im Bereich von 10 Hz bis 5 MHz (1. K. Kominis, T. W. Kornack, J. C. Allred, M. V. Romalis, A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer, Nature. 422, 6932, 596-599 (2003)). Folglich können SERF-Magnetometer MR-Signal ausgehend von Wasserstoffprotonen (¹H) selbst bei Magnetresonanzgerätes mit einer Stärke des Hauptmagnetfeldes von weniger als 0,025 T detektieren.
Folglich ermöglichen Atomdampfzellen Magnetometer ein besonders hohes Signal-zu-Rauschen Verhältnis, welches eine klinische Verwendung von Magnetresonanzgeräten mit einer Stärke des Hauptmagnetfeldes von weniger als 0,5 T ermöglicht.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass der erste Lichtwellenleiter zumindest zwei Teilleiter umfasst, wobei ein erster der zumindest zwei Teilleiter dazu ausgebildet ist, Licht zum optischen Pumpen an das Atomdampfzellen Magnetometer zu übertragen, und ein zweiter der zumindest zwei Teilleiter dazu ausgebildet ist, polarisiertes Licht an das Atomdampfzellen Magnetometer zu übertragen.
Für die Funktionsweise eines Atomdampfzellen Magnetometers ist eine Besetzungsinversion der Spins, insbesondere der Alkali-Atome, erforderlich. Diese Besetzungsinversion kann durch optisches Pumpen erzeugt werden. Zusätzlich ist für die Funktionsweise eines Atomdampfzellen Magnetometers eine Einstrahlung polarisierten Lichtes erforderlich, welches durch die Spins in Abhängigkeit der MR-Signals modifiziert wird. Folglich umfasst das initiale Licht gemäß dieser Ausführungsform Licht zum optischen Pumpen und polarisiertes Licht. Vorzugsweise das Licht zum optischen Pumpen und das polarisierte Licht als initiales Licht von der Lichtquelle erzeugt. Vorzugsweise umfasst der erste Lichtwellenleiter einen Strahlteiler, der einen das initiale Licht leitenden ersten Lichtwellenleiter in die zumindest zwei Teilleiter gliedert. Die zumindest zwei Teilleiter sind vorzugsweise zumindest teilweise parallel angeordnet. Diese Ausführungsform umfassend zwei Teilleiter ist besonders einfach und kostengünstig implementierbar, da nur eine Lichtquelle erforderlich ist.
Umfasst die Sensoreinheit mehrere optische Magnetometer, insbesondere N optische Magnetometer, so umfasst die Empfangseinheit typischerweise eine Splitteinrichtung und unterteilt den ersten Lichtwellenleiter zwei Mal N Teilleiter, wobei jeweils zwei der Teilleiter mit einem optischen Magnetometer verbunden sind.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass das erste optische Magnetometer einen Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum umfasst. Umfasst die Empfangseinheit mehrere optische Magnetometer, so sind vorzugsweise ein Teil und/oder alle der mehreren optischen Magnetometer als Kristalle aufweisend ein Defekt-Zentrum ausgebildet.
Kristalle aufweisend ein Defekt-Zentrum können als optische Magnetometer verwendet werden. Dies wurde bereits beispielsweise in J.M. Taylor et al., High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution, Nature Physics 4 (2008), und/oder S. Steinert et al., High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond, Rev. Sei. lnstrum. 81 (2010) und/oder in S. Arroyo, Quantum information, quantum sensing, and super-resolution microscopy with nitrogenvacancy centers in diamond, Dissertation, Heidelberg (2015) beschrieben und/oder in L. Rondin et al., Nanoscale magnetic field mapping with a single spin scanning probe magnetometer, Appl. Phys. Lett., 100, 153118 (2012)
Kristalle aufweisend ein Defekt-Zentrum können mit DC und/oder AC Magnetfeldern zum Erfassen von elektromagnetischen Feldern ausgebildet sein. DC Magnetometrie kann durch das Verfolgen von optisch detektierbaren MR Linienpositionen und/oder durch die Applikation einer Ramsey Sequenz realisiert werden. AC Magnetometrie kann durch eine Wahl verschiedener Pulssequenzen, wie beispielsweise CPMG realisiert werden, um elektromagetische Felder, also MR-Signale, mit einer Sensitivität von weniger als pT/sqrt(Hz) zu erfassen (T. Wolf et al., Subpicotesla Diamond Magnetometry, Phys. Rev. X 5, 041001 (2015); G. de Lange, D. Riste, V. V. Dobrovitski, and R. Hanson, Single-Spin Magnetometry with Multipulse Sensing Sequences, Phys. Rev. Lett. 106, 080802 (2011)).
Kristalle aufweisend ein Defekt-Zentrum sind dazu ausgebildet, MR-Signale rein optisch zu erfassen. Insbesondere verwenden sie den Effekt der Fluoreszenz, welcher charakteristisch für das Defekt-Zentrum ist. Der Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum verändert insbesondere die Farbe des initialen Lichtes, wobei die Intensität der Fluoreszenz abhängig vom MR-Signal an der Position des optischen Magnetometers ist. Das erste modifizierte Licht umfasst typischerweise Fluoreszenz.
Insbesondere Kristalle in Form eines Diamanten aufweisend Stickstoff-Defekt-Zentrum (NV-Zentrum) als Defekt-Zentrum sind besonders gut geeignet. Die Lichtquelle ist vorzugsweise dazu ausgebildet, kohärentes Licht zu erzeugen. Die Lichtquelle ist vorzugsweise als Laserdiode ausgebildet. Die Lichtquelle ist vorzugsweise dazu ausgebildet, ein initiales Licht mit einer Wellenlänge zwischen 450 nm und 650 nm, bevorzugt zwischen 520 nm und 540 nm, besonders bevorzugt zwischen 525 und 535 nm, also grünes Licht zu erzeugen. Das initiale Licht ist vorzugweise grünes Licht. Das erste modifizierte Licht ist vorzugsweise rotes Licht. Derartige Diamanten aufweisend NV-Zentrum sind dazu ausgebildet, elektromagetische Felder mit einer Frequenz von 20 kHz, also MR-Signale mit 20 kHz, mit einer Sensitivität von weniger als pT/sqrt(Hz) zu erfassen.
Kristalle aufweisend ein Defekt-Zentrum weisen eine besonders hohe Sensitivität zur Detektion elektromagnetischer Felder auf und ermöglichen demnach eine Detektion von MR-Signalen mit besonders geringem Rauschen. Sie sind herkömmlichen Empfangseinheiten umfassen Kupferspulen hinsichtlich der Sensitivität stark überlegen.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit umfasst zusätzlich einen Frequenzfilter, welcher zwischen dem ersten optischen Magnetometer und dem ersten optischen Detektor angeordnet ist. Der Frequenzfilter ist typischerweise als Interferenzfilter und/oder als dichroitischer Spiegel ausgebildet. Dies ermöglicht eine Separation des ersten modifizierten Lichtes vom initialen Licht. Dies entspricht einer Filterung des das MR-Signal charakterisierenden Anteils des ersten modifizierten Lichtes, welches vom ersten Detektor typischerweise ausgewertet wird. Dies reduziert das Rauschen und verbessert demnach die Qualität der Rohdaten, welche aus dem ersten modifizierten Licht, insbesondere aus dem gefilterten ersten modifizierten Licht, extrahiert werden können.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit umfasst zusätzlich eine Antenneneinheit zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle, insbesondere einer Mikrowelle, und einen Wellenleiter verbunden mit der Antenneneinheit und zumindest teilweise umgebend das erste optische Magnetometer. Für die Manipulation der Spins der Vakanz-Zentren zum Zweck der Magnetometrie ist eine Anregung mittels einer elektromagnetischen Welle erforderlich. Der Wellenleiter ist dazu ausgebildet, eine in der Antenneneinheit erzeugte elektromagnetische Welle zum ersten optischen Magnetometer weiterzuleiten. Die Antenneneinheit kann zum ersten optischen Magnetometer beabstandet sein. Insbesondere kann die Antenneneinheit einen Abstand von zumindest 0,3 m, vorzugsweise zumindest 1,0 Meter, besonders bevorzugt zumindest 2,0 Meter zum ersten optischen Magnetometer aufweisen, welcher Abstand durch den Wellenleiter verbunden sein kann. Der Wellenleiter verbindet typischerweise das erste optische Magnetometer mit der Antenneneinheit.
Diese Ausführungsform ermöglicht demnach eine Erzeugung einer für den Betrieb des ersten optischen Magnetometers erforderlichen elektromagnetischen Welle im Abstand zum ersten optischen Magnetometer. Da die Antenneneinheit typischerweise elektronische Bauteile und/oder makroskopisches Metall umfasst, ist dies besonders vorteilhaft, da eine Beeinflussung der MR-Bildgebung durch die Antenneneinheit vermieden werden kann.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass die Antenneneinheit als Teil der Detektoreinheit ausgebildet ist. Die Detektoreinheit ist vorzugsweise mit räumlicher Distanz zur Sensoreinheit angeordnet. Insbesondere kann die Detektoreinheit außerhalb eines die Sensoreinheit umgebenden HF-abgeschirmten Raumes angeordnet sein. Eine derartige Empfangseinheit ist besonders kompakt gebaut und leicht handhabbar. Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Antenneneinheit, typischerweise umfassend elektronische Bauteile, mit räumlicher Distanz zur Sensoreinheit angeordnet ist.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass der Wellenleiter einen dielektrischen Wellenleiter und einen dielektrischen Resonator umfasst.
Der dielektrische Resonator umgibt das optische Magnetometer, insbesondere den Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum vorzugsweise zumindest teilweise. Der dielektrische Resonator umfasst vorzugsweise zumindest teilweise Keramik. Der dielektrische Wellenleiter kann als Koaxialkabel ausgebildet sein. Diese Ausführungsform ermöglicht eine Empfangseinheit, welche außerhalb der Detektoreinheit frei von makroskopischem Metall ist.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass der zweite Lichtwellenleiter und der Wellenleiter als ein gemeinsamer Wellenleiter ausgebildet sind. Der gemeinsame Wellenleiter ist vorzugsweise dazu ausgebildet, eine in der Antenneneinheit erzeugte elektromagnetische Welle zum ersten optischen Magnetometer weiterzuleiten und das erste modifizierte Licht an die Detektoreinheit zu übertragen. Das erste modifizierte Licht kann indirekt über einen Qualitätsfaktor gemessen werden. Die Grundzüge des Verfahrens werden beispielsweise in US20200064419A1 beschrieben. Diese Ausführungsform ermöglicht einen Verzicht auf einen separaten Wellenleiter ausgebildet zum Weiterleiten einer in der Antenneneinheit erzeugten elektromagnetischen Welle zum ersten optischen Magnetometer oder zum Übertragen des ersten modifizierten Lichtes an die Detektoreinheit. Insbesondere kann durch den gemeinsamen Wellenleiter auf den zweiten Lichtwellenleiter oder auf den Wellenleiter verzichtet werden.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass der dielektrische Wellenleiter und der dielektrische Resonator über einen Spalt gekoppelt sind. Diese Ausführungsform ermöglicht eine besonders gute und gleichmäßige Übertragung der elektromagnetischen Welle zu dem Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass der Wellenleiter zumindest teilweise parallel zum ersten Lichtwellenleiter angeordnet ist. Insbesondere, wenn die Sensoreinheit eine Vielzahl von optischen Magnetometern mit Kristallen aufweisend ein Defekt-Zentrum umfasst, ist eine zumindest teilweise parallele Führung der Wellenleiter und der ersten Einzel-Lichtwellenleiter vorteilhaft, um die Wellenleiter zu sortieren.
Eine Ausführungsform der Empfangseinheit sieht vor, dass die Empfangseinheit zum Erfassen von durch Magnetresonanzgeräte aufweisend eine Hauptmagnetfeldstärke von maximal 0,5 Tesla, bevorzugt maximal 0,1 Tesla, besonders bevorzugt maximal 0,025 Tesla, erzeugten MR-Signalen ausgebildet ist. Die Empfangseinheit kann auch zum Erfassen von durch Magnetresonanzgeräte aufweisend eine Hauptmagnetfeldstärke von maximal 0,01 Tesla, bevorzugt maximal 0,005 Tesla, erzeugten MR-Signalen ausgebildet. Insbesondere bei der Ausführungsform, gemäß welcher das erste optische Magnetometer als Atomdampfzellen Magnetometer ausgebildet ist, ist die Empfangseinheit zum Erfassen von durch Magnetresonanzgeräte aufweisend eine Hauptmagnetfeldstärke von maximal 0,05 Tesla, bevorzugt maximal 0,01 Tesla, besonders bevorzugt maximal 0,025 Tesla, erzeugten MR-Signalen ausgebildet. Insbesondere bei der Ausführungsform, gemäß welcher das erste optische Magnetometer als Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum ausgebildet ist, ist die Empfangseinheit zum Erfassen von durch Magnetresonanzgeräte aufweisend eine Hauptmagnetfeldstärke von maximal 1,5 Tesla, bevorzugt maximal 1,0 Tesla, besonders bevorzugt maximal 0,5 Tesla erzeugten MR-Signalen ausgebildet. Ist das erste optische Magnetometer als Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum ausgebildet, so kann die Empfangseinheit zum Erfassen von durch Magnetresonanzgeräte aufweisend eine Hauptmagnetfeldstärke von maximal 0,1 Tesla, bevorzugt maximal 0,01 Tesla, besonders bevorzugt maximal 0,002 Tesla erzeugten MR-Signalen ausgebildet sein.
Ist das erste optische Magnetometer als Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum ausgebildet, so kann die Empfangseinheit zum Erfassen von durch Magnetresonanzgeräte aufweisend eine Hauptmagnetfeldstärke von zwischen 0,001 Tesla und 0,5 Tesla, bevorzugt zwischen 0,005 und 0,1 Tesla, besonders bevorzugt zwischen 0,01 und 0,05 Tesla, erzeugten MR-Signalen ausgebildet sein.
Optische Magnetometer weisen eine besonders hohe Sensitivität zum Erfassen elektromagnetischer Felder mit Frequenzen unter 1 MHz auf. Dies erhöht das Signal-zu-Rauschen Verhältnis in den erfassten MR-Signalen, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Empfangseinheiten umfassend Kupferspulen, und damit in daraus zu rekonstruierenden Bilddaten. Insbesondere können MR-Signale bei einer derart niedrigen Hauptmagnetfeldstärke ohne Wiederholungen der MR-Steuerungssequenz, also besonders schnell, aufgenommen werden. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Empfangseinheit in Kombination mit Magnetresonanzgeräte aufweisend eine Hauptmagnetfeldstärke von maximal 0,05 Tesla, bevorzugt maximal 0,025 Tesla, besonders bevorzugt maximal 0,01 Tesla ist insbesondere für interventionelle Eingriffe vorteilhaft. Derart niedrigere Hauptmagnetfeldstärken ermöglichen einen einfacheren Umgang, insbesondere mit für interventionelle Eingriffe erforderlichen, überwiegend metallischen, Geräten.
Des Weiteren geht die Erfindung aus von einem Magnetresonanzsystem umfassend ein in einem HF-abgeschirmten Raum angeordnetes Magnetresonanzgerät, eine außerhalb des HF-abgeschirmten Raumes angeordnete Steuerungseinheit, und eine erfindungsgemäße Empfangseinheit, wobei die Sensoreinheit innerhalb des HF-abgeschirmten Raumes angeordnet ist und die Detektoreinheit außerhalb des HF-abgeschirmten Raumes angeordnet ist. Eine Ausführungsform des Magnetresonanzsystems sieht vor, dass das Magnetresonanzgerät einen Hauptmagneten zur Erzeugung eines statischen Hauptmagnetfeldes mit einer Stärke von maximal 0,05 Tesla umfasst. Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems sind analog zu den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Empfangseinheit ausgebildet.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems entsprechen im Wesentlichen den Vorteilen der erfindungsgemäßen Empfangseinheit, welche vorab im Detail ausgeführt sind. Hierbei erwähnte Merkmale, Vorteile oder alternative Ausführungsformen können ebenso auch auf die anderen beanspruchten Gegenstände übertragen werden und umgekehrt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit in einer schematischen Darstellung,
2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend mehrere optische Magnetometer in einer schematischen Darstellung,
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend mehrere optische Magnetometer in einer schematischen Darstellung,
4 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend ein Atomdampfzellen Magnetometer in einer schematischen Darstellung,
5 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend mehrere Atomdampfzellen Magnetometer in einer schematischen Darstellung,
6 eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend einen Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum in einer schematischen Darstellung,
7 eine Ausführungsform einer Verbindung des Wellenleiters mit dem Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum in einer schematischen Darstellung, und
8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetresonanzsystems in einer schematischen Darstellung.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit in einer schematischen Darstellung. Die Empfangseinheit umfasst eine Detektoreinheit 20 umfassend eine Lichtquelle 21 und einen ersten optischen Detektor 25. Die Empfangseinheit umfasst eine Sensoreinheit 30 umfassend ein erstes optisches Magnetometer 31. Zusätzlich umfasst die Empfangseinheit einen ersten Lichtwellenleiter 41 verbindend die Sensoreinheit 30 mit der Lichtquelle 21 und einen zweiten Lichtwellenleiter 42 verbindend die Sensoreinheit 30 mit dem ersten optischen Detektor 25. Das erste optische Magnetometer 31 umfasst Spins 310, welche Spins dazu ausgebildet sind, bei von der Lichtquelle erzeugtem initialen Licht 22 ausgerichtet zu werden und ein erstes modifiziertes Licht 23 zu erzeugen, welches erste modifizierte Licht 23 ein Maß für ein im Sensitivitätsbereich 61 um die erste Position 51 des ersten optischen Magnetometers auftretenden MR-Signals 70 ist. Der erste optische Detektor 25 ist dazu ausgebildet, das erste modifizierte Licht 23 zu erfassen. Das auftretende MR-Signal 70 wird vorzugsweise von einem Magnetresonanzgerät mit einer Hauptmagnetfeldstärke von maximal 0,05 Tesla erzeugt. Der Abstand der Detektoreinheit 20 zur Sensoreinheit 30 beträgt vorzugsweise zumindest 0,3 Meter.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend mehrere optische Magnetometer in einer schematischen Darstellung. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst die Sensoreinheit 30 drei weitere optische Magnetometer 32, 33, 34. Die drei weiteren optischen Magnetometer und das erste optische Magnetometer sind an vier voneinander verschiedenen Positionen angeordnet und jedes der drei weiteren optischen Magnetometer umfasst Spins 320, 330, 340, welche Spins 320, 330, 340 dazu ausgebildet sind, bei von der Lichtquelle 21 erzeugtem initialen Licht 22 ausgerichtet zu werden und jeweils ein weiteres modifiziertes Licht zu erzeugen, welches weitere modifizierte Licht ein Maß für in einem Sensitivitätsbereich der Position des jeweils optischen Magnetometers 32, 33, 34 auftretenden MR-Signals ist.
Der zweite Lichtwellenleiter 42 umfasst dabei vier zweite Einzel-Lichtwellenleiter 421, 422, 423, 424 und jedes der vier optischen Magnetometer 31, 32, 33, 34 ist separat mittels jeweils einem zweiten Einzel-Lichtwellenleiter 421, 422, 423, 424 mit dem der Detektoreinheit 20 und/oder dem ersten Detektor 25 verbunden. Die Versorgung der vier optischen Magnetometer 31, 32, 33, 34 durch die eine Lichtquelle 20 anhand des ersten Lichtwellenleiters 41 wird dadurch sichergestellt, dass der erste Lichtwellenleiters 41 drei optische Splitteinrichtungen 410 umfasst.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend mehrere optische Magnetometer in einer schematischen Darstellung. Die Sensoreinheit 30 umfasst mehrere optische Magnetometer 31, welche an voneinander verschiedenen Positionen 51 angeordnet sind. Die optischen Magnetometer 31 sind also räumlich verteilt. Gemäß dieser Ausführungsform sind die optischen Magnetometer 31 näherungsweise matrixförmig angeordnet. Die optischen Magnetometer 31 sind vorzugsweise flexibel miteinander verbunden, beispielsweise durch den ersten Lichtwellenleiter 41 und/oder den zweiten Lichtwellenleiter 42. Die Sensoreinheit 30 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, auf einer Oberfläche eines Untersuchungsobjektes angeordnet und/oder positioniert zu werden. Das erste optische Magnetometer 31 ist dazu ausgebildet, ein in dem Sensitivitätsbereich 61 um die erste Position 51 auftretendes MR-Signal 70 zu erfassen. Die räumliche Verteilung der mehreren optischen Magnetometer 31 entsprechend ihren Positionen ermöglicht ein räumlich aufgelöstes Erfassen des MR-Signals 70. Die Splitteinrichtung 410 ist derart ausgestaltet, dass der erste Lichtwellenleiter 41 in zumindest N erste Einzel-Lichtwellenleiter unterteilt wird, wobei N die Anzahl der optischen Magnetometer 31 der Sensoreinheit 30 ist. Jeder der N ersten Einzel-Lichtwellenleiter ist dann mit einem optischen Magnetometer 31 der Sensoreinheit 30 verbunden.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend ein Atomdampfzellen Magnetometer in einer schematischen Darstellung, wobei das erste optische Magnetometer 31 als Atomdampfzellen Magnetometer 91 ausgebildet ist. Die von dem ersten optischen Magnetometer 31, also von dem Atomdampfzellen Magnetometer 91 umfassten Spins 910 sind typischerweise Bestandteil vereinzelter Alkali-Atome. Das Atomdampfzellen Magnetometer 91, insbesondere die Sensoreinheit 30 sind frei von einer makroskopischen Menge Metall und frei von Kupfer. Der erste Lichtwellenleiter 41 umfasst gemäß dieser Ausführungsform zwei Teilleiter 411, 412. Der erste Teilleiter 412 der zumindest zwei Teilleiter 411, 412 ist dazu ausgebildet, Licht zum optischen Pumpen an das Atomdampfzellen Magnetometer 91 zu übertragen, und der zweite Teilleiter 411 der zumindest zwei Teilleiter 411, 412 ist dazu ausgebildet, polarisiertes Licht 221 an das Atomdampfzellen Magnetometer 91 zu übertragen. Das polarisierte Licht kann dem initialen Licht 22 entsprechen. Die Empfangseinheit umfasst typischerweise einen Polarisationsfilter 81, wodurch das erste modifizierte Licht 23, 231 zu polarisiertem ersten modifizierten Licht 232 polarisiert wird. Die Verbindung zwischen dem ersten Teilleiter 412 mit dem Atomdampfzellen Magnetometer 91 erfolgt vorzugsweise mittels Glasfaserkopplung. Die Verbindung zwischen dem zweiten Teilleiter 411 mit dem Atomdampfzellen Magnetometer 91 erfolgt vorzugsweise mittels Glasfaserkopplung.
5 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit umfassend mehrere Atomdampfzellen Magnetometer in einer schematischen Darstellung, wobei die Sensoreinheit 30 N Atomdampfzellen Magnetometer 91 umfasst. Die Splitteinrichtung 410 ist derart ausgestaltet, dass der erste Lichtwellenleiter 41 in zumindest N erste Einzel-Lichtwellenleiter unterteilt wird und jeder der zumindest N ersten Einzel-Lichtwellenleiter in zwei Teilleiter 411, 412 unterteilt wird. Die 2 N Teilleiter 411, 412 sind paarweise je mit einem Atomdampfzellen Magnetometer 91 verbunden.
6 zeigt eine sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit in einer schematischen Darstellung, wobei das erste optische Magnetometer 31 als Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum 92 ausgebildet ist. Der Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum 92 umfasst Spins 920. Die Empfangseinheit, insbesondere die Sensoreinheit 30, umfasst einen Frequenzfilter 82, ausgebildet als dichroitischer Spiegel, welcher zwischen dem Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum 92 und dem ersten optischen Detektor 25 angeordnet ist. Die Empfangseinheit, insbesondere die Detektoreinheit 20, umfasst gemäß dieser Ausführungsform zusätzlich eine Antenneneinheit 93, welche zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle, insbesondere einer Mikrowelle ausgebildet ist. Die Empfangseinheit weist zusätzlich einen Wellenleiter 94 auf, welcher mit der Antenneneinheit 93 und dem Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum 92 verbunden ist und/oder den Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum 92 zumindest teilweise umgibt. Der Wellenleiter 94 kann dabei parallel zum ersten Lichtwellenleiter 41 angeordnet sein. Das initiale Licht 22 umfasst typischerweise kohärentes Licht 222. Das erste modifizierte Licht 23 umfasst typischerweise Fluoreszenzlicht 232.
7 zeigt eine Ausführungsform einer Verbindung des Wellenleiters 94 mit dem Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum 92 in einer schematischen Darstellung. Der Wellenleiter 94 umfasst gemäß dieser Ausführungsform einen dielektrischen Wellenleiter 96 und einen dielektrischen Resonator 95, wobei der dielektrische Wellenleiter 96 und der dielektrische Resonator 95 über einen Spalt gekoppelt sind.
8 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetresonanzsystem umfassend ein in einem HF-abgeschirmten Raum 4 angeordnetes Magnetresonanzgerät 11, eine außerhalb des HF-abgeschirmten Raumes 4 angeordnete Steuerungseinheit 3, und eine erfindungsgemäße Empfangseinheit.
Das Magnetresonanzgerät 11 umfasst eine von einer Magneteinheit 13 gebildeten Detektoreinheit mit einem Hauptmagneten 17 zu einem Erzeugen eines starken und insbesondere konstanten Hauptmagnetfelds 18. Zudem weist das Magnetresonanzgerät 11 einen zylinderförmigen Patientenaufnahmebereich 14 zu einer Aufnahme eines Patienten 15 auf, wobei der Patientenaufnahmebereich 14 in einer Umfangsrichtung von der Magneteinheit 13 zylinderförmig umschlossen ist. Der Patient 15 kann mittels einer Patientenlagerungsvorrichtung 16 des Magnetresonanzgeräts 11 in den Patientenaufnahmebereich 14 geschoben werden. Die Patientenlagerungsvorrichtung 16 weist hierzu einen Patiententisch auf, der bewegbar innerhalb des Magnetresonanzgeräts 11 angeordnet ist.
Die Magneteinheit 13 weist weiterhin eine Gradientenspuleneinheit 19 auf, die für eine Ortskodierung während einer Bildgebung verwendet werden. Des Weiteren weist die Magneteinheit 13 eine Hochfrequenzantenneneinheit 2, welche im gezeigten Fall als fest in das Magnetresonanzgerät 11 integrierte Körperspule ausgebildet ist. Die Hochfrequenzantenneneinheit 2 strahlt bei Ansteuerung hochfrequente Hochfrequenz-Pulse in einen Untersuchungsraum, der im Wesentlichen von dem Patientenaufnahmebereich 14 gebildet ist, ein. Zu einer Steuerung des Hauptmagneten 17, der Gradientenspuleneinheit 19 und der Hochfrequenzantenneneinheit 2 weist das Magnetresonanzsystem eine separat vom Magnetresonanzgerät 11 ausgebildete Steuerungseinheit 3 auf. Die Steuerungseinheit 3 steuert zentral das Magnetresonanzgerät 11, wie beispielsweise das Durchführen von MR-Steuerungssequenzen und kann eine nicht näher dargestellte Anzeigeeinheit und/oder Eingabeeinheit aufweisen. Das Magnetresonanzgerät 11 ist in einem HF-abgeschirmten Raum 4 angeordnet, wobei die Steuerungseinheit 3 außerhalb angeordnet ist. Das dargestellte Magnetresonanzgerät 11 kann selbstverständlich weitere Komponenten umfassen, die Magnetresonanzgeräte 11 gewöhnlich aufweisen. Eine allgemeine Funktionsweise eines Magnetresonanzgeräts 11 ist zudem dem Fachmann bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung der weiteren Komponenten verzichtet wird.
Das Magnetresonanzsystem umfasst die erfindungsgemäße Empfangseinheit, wobei die Sensoreinheit 30 innerhalb des HF-abgeschirmten Raumes 4 angeordnet ist und die Detektoreinheit 20 außerhalb des HF-abgeschirmten Raumes 4 angeordnet ist. Die Detektoreinheit 20 kann in die Steuerungseinheit 3 integriert sein. Die Detektoreinheit 20 kann mit der Steuerungseinheit 3 verbunden sein. Die Detektoreinheit 20 kann separat von der Steuerungseinheit 3 ausgebildet sein. Das vom Hauptmagneten 17 des Magnetresonanzgerätes 11 erzeugte statische Hauptmagnetfeldes 18 weist vorzugsweise eine Stärke von maximal 0,05 Tesla auf.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20200064419 A1 [0046]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Budker et al.: Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms. Rev. Mod. Phys. 74, 1153-1201 (2002) [0008]
J. M. Taylor et al., High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution, Nature Physics 4 (2008) [0008]
D. Budker et al.: Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms. Rev. Mod. Phys. 74, 1153-1201 (2002) [0027]
I. M. Savukov, S. J. Seltzer, M. V. Romalis, and K. L. Sauer, Tunable atomic magnetometer for detection of radio-frequency magnetic fields, Phys Rev Lett. 95, 6:063004 (2005) [0027]
D. Budker, M. Romalis, Optical magnetometry, Nature Physics 3 (2007) [0027]
S.-K. Lee, K. L. Sauer, S. J. Seltzer, 0. Alem, M. V. Romalis, Subfemtotesla radio-frequency atomic magnetometer for detection of nuclear quadrupole resonance, Appl. Phys. Lett. 89, 214106 (2006) [0028]
1. K. Kominis, T. W. Kornack, J. C. Allred, M. V. Romalis, A subfemtotesla multichannel atomic magnetometer, Nature. 422, 6932, 596-599 (2003) [0029]
S. Steinert et al., High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond, Rev. Sei. lnstrum. 81 (2010) [0035]
L. Rondin et al., Nanoscale magnetic field mapping with a single spin scanning probe magnetometer, Appl. Phys. Lett., 100, 153118 (2012) [0035]
T. Wolf et al., Subpicotesla Diamond Magnetometry, Phys. Rev. X 5, 041001 (2015) [0036]
G. de Lange, D. Riste, V. V. Dobrovitski, and R. Hanson, Single-Spin Magnetometry with Multipulse Sensing Sequences, Phys. Rev. Lett. 106, 080802 (2011)) [0036]

Claims

Empfangseinheit ausgebildet zu einem Erfassen von MR-Signalen von einem Untersuchungsobjekt in einem Magnetresonanzgerät, aufweisend - eine Detektoreinheit umfassend eine Lichtquelle und einen ersten optischen Detektor, - eine Sensoreinheit umfassend ein erstes optisches Magnetometer, - einen ersten Lichtwellenleiter verbindend die Sensoreinheit mit der Lichtquelle und - einen zweiten Lichtwellenleiter verbindend die Sensoreinheit mit dem ersten optischen Detektor, wobei vom ersten optischen Magnetometer umfasste Spins dazu ausgebildet sind, bei von der Lichtquelle erzeugtem initialen Licht ausgerichtet zu werden und ein erstes modifiziertes Licht zu erzeugen, welches erste modifizierte Licht ein Maß für ein in einem Sensitivitätsbereich des ersten optischen Magnetometers um die erste Position auftretenden MR-Signals ist, und der erste optische Detektor dazu ausgebildet ist, das erste modifizierte Licht zu erfassen.
Empfangseinheit nach Anspruch 1, wobei die Detektoreinheit einen Abstand von zumindest 0,3 Meter zur Sensoreinheit aufweist.
Empfangseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit und/oder das optische Magnetometer frei von einer makroskopischen Menge Metall und/oder frei von Kupfer ist.
Empfangseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit zumindest drei weitere optische Magnetometer umfasst, die drei weiteren optischen Magnetometer und das erste optische Magnetometer an vier voneinander verschiedenen Positionen angeordnet sind, jedes der drei weiteren optischen Magnetometer Spins umfasst, welche Spins dazu ausgebildet sind, bei von der Lichtquelle erzeugtem initialen Licht ausgerichtet zu werden und jeweils ein weiteres modifiziertes Licht zu erzeugen, welches weitere modifizierte Licht ein Maß für ein in einem Sensitivitätsbereich des jeweils weiteren optischen Magnetometers um die jeweilige Position auftretenden MR-Signals ist.
Empfangseinheit nach Anspruch 4, wobei der zweite Lichtwellenleiter zumindest vier zweite Einzel-Lichtwellenleiter umfasst und jedes der zumindest vier optischen Magnetometer separat mittels jeweils einem zweiten Einzel-Lichtwellenleiter mit der Detektoreinheit verbunden ist.
Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 5, wobei der erste Lichtwellenleiter zumindest eine optische Splitteinrichtung umfasst.
Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die zumindest vier optischen Magnetometer flexibel miteinander verbunden sind.
Empfangseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste optische Magnetometer als Atomdampfzellen Magnetometer ausgebildet ist.
Empfangseinheit nach Anspruch 8, wobei der erste Lichtwellenleiter zumindest zwei Teilleiter umfasst, wobei ein erster der zumindest zwei Teilleiter dazu ausgebildet ist, Licht zum optischen Pumpen an das Atomdampfzellen Magnetometer zu übertragen, und ein zweiter der zumindest zwei Teilleiter dazu ausgebildet ist, polarisiertes Licht an das Atomdampfzellen Magnetometer zu übertragen.
Empfangseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste optische Magnetometer einen Kristall aufweisend ein Defekt-Zentrum umfasst.
Empfangseinheit nach Anspruch 10, zusätzlich umfassend einen Frequenzfilter, insbesondere einen Interferenzfilter und/oder einen dichroitischen Spiegel, welcher zwischen dem ersten optischen Magnetometer und dem ersten optischen Detektor angeordnet ist.
Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 11, zusätzlich umfassend eine Antenneneinheit zur Erzeugung einer elektromagnetischen Welle, insbesondere einer Mikrowelle, und einen Wellenleiter verbunden mit der Antenneneinheit und zumindest teilweise umgebend das erste optische Magnetometer.
Empfangseinheit nach Anspruch 12, wobei die Antenneneinheit als Teil der Detektoreinheit ausgebildet ist.
Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 13, wobei der Wellenleiter einen dielektrischen Wellenleiter und einen dielektrischen Resonator umfasst.
Empfangseinheit nach Anspruch 14, wobei der dielektrische Wellenleiter und der dielektrische Resonator über einen Spalt gekoppelt sind.
Empfangseinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei der Wellenleiter zumindest teilweise parallel zum ersten Lichtwellenleiter angeordnet ist.
Empfangseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Empfangseinheit zum Erfassen von durch Magnetresonanzgeräte aufweisend eine Hauptmagnetfeldstärke von maximal 0,05 Tesla erzeugten MR-Signalen ausgebildet ist.
Magnetresonanzsystem umfassend ein in einem HF-abgeschirmten Raum angeordnetes Magnetresonanzgerät, eine außerhalb des HF-abgeschirmten Raumes angeordnete Steuerungseinheit, und eine Empfangseinheit nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit innerhalb des HF-abgeschirmten Raumes angeordnet ist und die Detektoreinheit außerhalb des HF-abgeschirmten Raumes angeordnet ist.
Magnetresonanzsystem nach Anspruch 18, wobei das Magnetresonanzgerät einen Hauptmagneten zur Erzeugung eines statischen Hauptmagnetfeldes mit einer Stärke von maximal 0,05 Tesla umfasst.