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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Gehalts eines
ersten, ein erstes NMR-Signal liefernden Bestandteils einer Probe
mit einem ersten Selbstdiffusionskoeffizienten D1,
wobei die Probe noch mindestens einen weiteren, ein weiteres NMR-Signal
liefernden Bestandteil mit einem größeren, insbesondere wesentlich
größeren Selbstdiffusionskoeffizienten
D2 enthält,
insbesondere zum Bestimmen des Fettgehalts einer wasserhaltigen Probe,
mit Hilfe eines niedrigauflösenden NMR-Puls-Spektrometers, wobei
die Probe im Homogenitätsbereich
des Magneten des NMR-Puls-Spektrometers
durch einen HF-Anregungspuls angeregt, einem dem im Homogenitätsbereich
des Magneten wirksamen homogenen Magnetfeld zusätzlich überlagerten magnetischen Gradientenfeld
sowie einer Folge von weiteren Refokussier-HF-Pulsen zur Erzeugung von Spin-Echo-Signalen
ausgesetzt wird, wobei die Spin-Echo-Signale detektiert und ihre Amplitudenwerte
bestimmt werden, aus denen ein Wert für den Gehalt des ersten Bestandteils
der Probe bestimmt wird.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein niedrigauflösendes NMR-Puls-Spektrometer, das
insbesondere zur Durchführung
dieses Verfahrens eingerichtet ist, mit einem Magneten zum Erzeugen
eines homogenen Magnetfeldes in einem Homogenitätsbereich, einer Einrichtung
zum Erzeugen von HF-Sendepulsen, einer Einrichtung zum Empfangen
von NMR-Signalen, einer Einrichtung zum Erzeugen eines zusätzlich überlagerten
magnetischen Gradientenfeldes sowie einem Rechner zum Ansteuern
dieser Einrichtungen.
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Ein
solches Verfahren und ein solches Spektrometer sind beispielsweise
aus der
WO 01/92 908 A1 bekannt.
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Die
Bestimmung des Fettgehalts mit einem niedrigauflösenden NMR-Puls-Spektrometer
mit einer magnetischen Feldstärke
von maximal etwa 1 Tesla und mittlerer Homogenität von etwa 10–5 über das
Probenvolumen und damit einer Protonenresonanzfrequenz unter etwa
50 MHz, z. B. dem MINISPEC der Firma BRUKER, ist in Produkten mit
hohem Wassergehalt wegen der Überlagerung
von Wasser- und Fettsignal erschwert, da bei höherem Wassergehalt der Beitrag
des Wassers den des Fetts überlagert.
Die Bestimmung ist einfach nur in hochauflösenden NMR-Geräten möglich, die
für diese
Anwendung, z. B. in der Lebensmittelchemie, in der Regel viel zu
teuer sind.
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Eine
Möglichkeit,
auch bei niedriger Auflösung
zu akzeptablen Ergebnissen zu kommen, besteht darin, die Proben
vor der NMR-Messung
vorzutrocknen, sei es in einem Trockenofen oder chemisch, wie bspw.
in der
DE 41 33 643
C1 beschrieben. Auf den gesamten Inhalt dieser Schrift
wird explizit Bezug genommen.
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In
der
WO 00/54 751 A1 sowie
in der eingangs genannten
WO
01/92 908 A1 werden NMR-Pulsverfahren beschrieben, bei
denen neben den unterschiedlichen Relaxationszeiten T
2 von
Wasser und Fett auch der unterschiedliche Selbstdiffusionskoeffizient
ausgenutzt wird, um zu einer Aussage über den reinen Fettgehalt zu
kommen. Beide Druckschriften werden vollinhaltlich in den Offenbarungsgehalt
der vorliegenden Anmeldung aufgenommen.
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Basis
dieser beiden Schriften ist die so genannte PFGSE-Methode (pulsed
field gradient spin echo; oder auch kurz: PGSE), die an sich aus
Lehrbüchern
bekannt ist (z. B. P. T. Callaghan: Principles of Nuclear Magnetic
Resonance Microscopy, Oxford Science Publications, Clarendon Press,
Oxford 1991, dort insbesondere die Seiten 162–169, 330–367, 371–417 und 478–482).
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Das
Kernstück
des PGSE-Verfahrens ist in der
2 der
WO 00/54 751 A1 dargestellt.
Nach einem 90°-Anregungspuls
wird ein relativ starker Magnetfeldgradient ein- und wieder abgeschaltet.
Dadurch wird das zunächst über die
Probe konstante Magnetfeld ortsabhängig, was abhängig vom
Ort zu unterschiedlichen Präzessionsfrequenzen
der Protonen in Wasser-(und auch den Fett-)Molekülen und zu einer entsprechenden
Dephasierung führt.
Im Gegensatz zu den Fettmolekülen
bewegen sich nun die freien Wassermoleküle durch Diffusion recht schnell und
verändern
ihren Ort.
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Ein
folgender 180°-Puls
invertiert die präzedierenden
Kernmagnetisierungen. Das abermalige Einschalten des von Intensität und Zeitdauer
identischen Gradientenpulses ist damit an sich geeignet, die Dephasierung
wieder vollständig
zu rephasieren, d. h. die Wirkung der beiden Gradientenpulse hebt sich
auf. Dies gilt auch in guter Näherung
für immobile
Moleküle
bzw. deren Protonenmagnetisierung. Die beweglichen Wassermoleküle haben
jedoch zwischen Dephasierungs- und Rephasierungsgradientenpuls ihren
Ort durch Diffusion merklich verändert, so
dass das folgende Spin-Echo geschwächt ist und bei hinreichend
starken Gradienten gar kein Wassersignal mehr enthält. Durch
den unterschiedlichen Diffusionskoeffizienten von Fettmolekülen und
Wasser ergibt sich eine Unterscheidungsmöglichkeit und damit eine Möglichkeit,
den Fettgehalt einer Probe zu bestimmen, auch im inhomogenen Magnetfeld.
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Diese
Abhängigkeit
kann, wie an sich bekannt, als Funktion der Gradientenstärke und/oder der
Echozeiten verfolgt und die eingehenden Parameter wie Selbstdiffusionskoeffizient
und T2 bestimmt werden. Insbesondere kann
man den Wasseranteil im Messsignal vollkommen unterdrücken und
damit zu einer reinen Fettmessung kommen. Gerade zur Wasserunterdrückung wird
PGSE seit langer Zeit in der NMR verwendet.
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Die
WO 00/54 751 A1 schlägt zusätzlich vor, an
den PGSE-Schritt weitere 180°-Pulse
anzuschließen
und ohne Gradienten weitere Spin-Echos zur T
2-Bestimmung
und einer entsprechenden Korrektur zu messen (dortige
4).
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In
der
WO 01/92 908 A1 wird
dies dahingehend modifiziert, dass zwischen allen 180°-Pulsen eines
Spin-Echo-Zuges jeweils vor und nach dem Spin-Echo identische Gradientenpulse
geschaltet werden (siehe dortige
2). Dies
entspricht einem PGSE-CPMG-Spin-Echo-Zug
(siehe Seite 166 des Buchs von Callaghan). Die Amplituden der Spin-Echos
zerfallen dann sowohl durch T
2 als auch durch
die Selbstdiffusion. Bei hinreichend starken Gra dienten enthält bereits
das erste Spin-Echo kein Wassersignal mehr, und eine Rückextrapolation
des Amplitudenzerfalls sollte das reine Fettsignal liefern.
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Das
aus der
WO 01/92 908
A1 bekannt gewordene Verfahren gestattet es, den Fettgehalt
in einer Messung nach einer einzigen Anregung aus einem Spin-Echo-Zug
zu bestimmen. Sie kann daher schneller sein als vorherige Pulsverfahren
zur Bestimmung des Fettgehalts in Lebensmitteln.
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Allerdings
enthält
die Methode noch Schwachpunkte.
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Sie
erfordert ein präzises
Gradienten-Netzgerät
zum Erzeugen der entsprechenden Gradientenpulse, die zudem ihrerseits
in der Apparatur Wirbelströme
anwerfen, die die Messung beeinträchtigen können.
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Sie
erfordert weiterhin das Auswiegen der Proben, da die extrapolierte
Amplitude von der Probenmenge abhängig ist.
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In
dem Artikel von A. Guthausen, G. Zimmer, R. Eymael, U. Schmitz,
P. Blümler
und B. Blümich, ”Soft-Matter
Relaxation by the NMR-MOUSE”,
in ”Spatially
Resolved Magnetic Resonance: Methods, Materials, Medicine, Biology,
Rheology, Geology, Ecology, Hardware”, herausgegeben von P. Blümler, B.
Blümich,
R. Botto, E. Fukushima, 1998, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, S. 195–209 wird
die so genannte NMR-MOUSE (”Mobile
Universal Surface Explorer”)
beschrieben, die für
Relaxations- und Diffusionsmessungen in oberflächennahen Volumenelementen
von beliebig geformten Proben geschaffen wurde. Bei dieser NMR-MOUSE
sind sowohl das statische Magnetfeld als auch das Hochfrequenzfeld inhomogen.
Der statische Magnetfeldgradient ist in etwa eine lineare Funktion
des Ortes mit einer Größe von etwa
10 T/m nahe der Oberfläche.
In diesem Artikel werden Untersuchungen mittels verschiedener Pulssequenzen
aus der herkömmlichen
NMR beschrieben. Das statische Magnetfeld dieses NMR-Spektrometers
ist stets inhomogen, so dass es kein Messvolumen gibt, in dem das
Magnetfeld hinreichend homogen ist.
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Es
besteht nach wie vor der Bedarf nach einem einfacheren Verfahren
und einer entsprechenden Apparatur. Der Erfindung liegt daher die
Aufgabe zugrunde, ein einfacheres Verfahren der eingangs genannten
Art und eine entsprechende Apparatur bereitzustellen.
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Bezüglich des
eingangs genannten Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
das magnetische Gradientenfeld während
der Folge weiterer Refokussier-HF-Pulse nicht abgeschaltet wird.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass man sich von den in der Hochauflösung und dem bildgebenden Bereich sinnvollen
Schemata löst
und zwar einen Gradienten verwendet aber kein PFGSE-Verfahren, und dass der
Magnetfeldgradient während
des Spin-Echo-Zugs
nicht gepulst wird sondern statisch ansteht.
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Zur
Vermeidung der Auswiegens wird vorzugsweise mindestens ein Punkt
zu einem frühen Zeitpunkt
des freien Induktionszerfalls gemessen.
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Bezüglich des
eingangs genannten niedrigauflösenden
NMR-Puls-Spektrometers
wird die Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Rechner zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
programmiert ist und die Einrichtungen entsprechend konfiguriert
sind.
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Dadurch
werden die Anforderungen an das Netzgerät reduziert und Wirbelströme fallen
nicht an.
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Es
hat sich experimentell gezeigt, dass die erforderliche Gradientenamplitude über den Echo-Zug – die natürlich geringer
sein kann als die des Pulses – gehalten
werden kann, ohne dass es zu einer übermäßigen elektrischen oder thermischen Belastung
des Gradientensystems kommt. Die Amplitude eines konstanten Gradienten
ist aber wesentlich einfacher zu halten und zu reproduzieren als
die eines gepulsten. Die Aufnahme der Spin-Echos in Anwesenheit des Gradienten
stellt im Gegensatz zur hochauflösenden
Spektroskopie keine Einschränkung
dar, da jeweils nur die Amplitude interessiert. Ebenso können die
1800-Pulse und ggf.
der Anregungspuls problemlos hinreichend breitbandig sein, so dass
sie alle Protonenfrequenzen der durch den Gradienten und den Probenbereich
vorgegebenen Bandbreite erfassen.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung wird der Gradient bereits vor dem Anregungspuls der
Sequenz, i. a. einem 90°-Puls,
angelegt. Dies bedeutet, dass es sich für die Pulssequenz um einen
statischen Gradienten handelt.
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Da
es bei dem Verfahren nicht darum geht, quantitativ eine Diffusionskonstante
zu bestimmen, sondern nur darum, eine Folge von abfallenden Echoamplituden
zuverlässig
gegen t = 0 rückzuextrapolieren
bzw. ein Maß für den Fettgehalt
aus den Echoamplituden zu gewinnen, kommt es letztlich nur auf eine
hinreichende Magnetfeldinhomogenität über das Messvolumen an, nicht
auf einen räumlich
exakt linearen Verlauf des Magnetfeldes. Da der Gradient, wie ausgeführt, statisch
sein darf, muss nicht unbedingt ein Gradient über netzbetriebene Gradientenspulen
angelegt werden, sondern es kann auch auf anderem Weg eine statische
Feldinhomogenität
erzeugt werden, z. B. durch zusätzliche
ferro- oder permanentmagnetische Shimelemente, die am Magneten oder
an einem Probenhalter angebracht sein können, oder auch durch Verschieben
der Probe aus dem magnetischen Feldzentrum des Magneten heraus.
Diese Maßnahme
kann einmal vor einer Messreihe zur Fettbestimmung getroffen werden
und anschließend
kann das Gerät
wieder für
die üblichen Messungen
im homogenen Feld eingerichtet werden. Außerdem liegt die Richtung des
Gradientenfeldes nicht fest, sondern kann frei gewählt werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
befindet sich die Probe im üblichen
homogenen Feld und der Gradient wird erst nach dem Anregungspuls
eingeschaltet. Dies hat den Vorteil, dass zwischen dem Anregungspuls
und dem Einschalten des Gradienten noch einige Messpunkte eines
FIDs (free induction decay) gemessen werden können, deren Rückextrapolation
zu t = 0 einen Wert für
das Gesamtsignal, d. h. Wasser plus Fett (plus ggf. weitere Protonensignalanteile
mit kurzen Relaxationszeiten) liefert. Damit ist nicht nur die Fettbestimmung
in einer Sequenz möglich
sondern entweder die Fett- und Wasserbestimmung insgesamt oder je
nach Probenart zumindest der Anteil des Fettsignals am Gesamtsignal.
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Die
Auswertung der Messung wird in der Regel anhand von abgespeicherten
Werten von Kalibrierproben der gleichen Art wie die Messprobe erfolgen,
wie an sich bekannt.
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Typische
Werte für
die Messungen sind Magnetfeldstärken
zwischen 0,176 T und 1,409 T entsprechend Larmor-Frequenzen der
Protonen von 7,5 MHz bis 60 MHz. Die verwendete Gradientenstärke liegt üblicherweise
zwischen 0,1 und 0,2 T/m, die Wiederholzeit bis zum nächsten 90°-HF-Anregungspuls
bei etwa 2 s, die Echozeit bei 8 ms und die Probenmengen bei ca.
3 cm3 bzw. 0,5 g. Die Anzahl der akkumulierten
Scans liegt meist zwischen 8 und 16. Typische Proben sind im Lebensmittelbereich
Saucen, Dressings, Fett-Wasser-Emulsionen wie Mayonnaisen, Margarinen
etc., denkbar sind auch Fleisch- und Milchprodukte. In der Ölindustrie
sind Gesteinsproben mit Öl-
und Wasseranteilen (neuerdings auch bei Straßenbelägen, Stichwort Auffrieren)
von Interesse.
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Die
Erfindung betrifft auch ein niedrigauflösendes NMR-Puls-Spektrometer, das
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Ver fahrens
eingerichtet ist. Insbesondere betrifft dies die Programmierung einer
der erfindungsgemäßen Varianten
der Spin-Echo-Sequenz
inklusive der erforderlichen Bandbreite der Pulse, die Bereitstellung
der Gradienten bzw. eine Einrichtung zum Verschieben bzw. zum Positionieren
der Messprobe außerhalb
des Feldzentrums und ggf. die Messung und Rückextrapolation des FIDs sowie
die entsprechende Auswertungssoftware im Rechner des Spektrometers.
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Die
Einrichtungen des Spektrometers, insbesondere die Einrichtung zum
Erzeugen des Gradientenfeldes können
die weiter oben beschriebenen Varianten umfassen. Bevorzugt ist
die Verwendung aktiv abgeschirmter Gradientenspulen. Damit wird
eine Wechselwirkung zwischen dem Gradientenfeld und dem Spektrometermagneten,
insbesondere mit Polschuhen, im wesentlichen eliminiert. Es kommt
daher nicht mehr in dem Maße
zu Erwärmung,
Ummagnetisierungsvorgängen
und Wirbelströmen
in den Magnetstrukturen (Polschuhen), die in der Regel unkontrolliert
und multiexponentiell mit recht langen Zeitkonstanten abfallen und
die Messung verfälschen können. Insbesondere,
wenn das Gradientenfeld erst nach dem Anregungspuls eingeschaltet
wird, ist damit auch der noch verbleibende Störeinfluss dieses Schaltvorgangs
weitgehend eliminiert.
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Es
versteht sich, daß die
vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweiligen Kombination sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
erfindungsgemäßen Anordnungen
können
mit an sich bekannten Shimanordnungen kombiniert bzw. in diese integriert
werden.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Pulssequenz zur Messung des Fettgehalts über Nutzung der Diffusionsvorgänge. Der
Gradient wird nach der Messung eines Teils des freien Induktionszerfalls
und vor dem ersten Refokussier-Puls geschaltet.
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2 eine
Pulssequenz zur Messung des Fettgehalts, wobei anders als in 1 der
Gradient schon vor den Anregungspuls geschaltet wird.
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3 NMR-Signale
entsprechend der Pulssequenz aus 2.
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4 eine
Korrelation des NMR-Amplitudenverhältnisses verschiedenartiger
Wasser-Fett-Gemische mit einem Referenzfettwert.
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Wesentliche
Elemente des Spektrometers sind der Magnet, der mit der Möglichkeit
zur Erzeugung von Gradientenfeldern ausgestattete Probenkopf, die
Elektronikeinheiten zur Generierung der Hochfrequenz und der Gradienten.
Die Steuerung des Experiments erfolgt über einen Rechner.
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In 1 sind
die Abfolge der Hochfrequenzimpulse und der Zeitverlauf des Gradienten
schematisch gezeigt. Der Anregungsimpuls mit Drehwinkel a und die
Refokussier-Pulse mit Drehwin kel b generieren die zu messenden Echos
bzw. deren Amplituden. Bei einem konventionellen Hahn-Echoverfahren
werden a = π/2
bzw. b = π Pulse
verwendet. Die Methode arbeitet aber auch als allgemeine Multiecho-Pulsfolge,
bei der die Phasen der Pulse und die Pulslängen den jeweiligen Erfordernissen
angepasst werden.
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In 2 ist
eine Variante des Prinzips dargestellt: Zur Vermeidung der Einschalteffekte
der Gradientenpulse wird vor dem hinreichend breitbandigen Anregungspuls
der Gradient eingeschaltet, so dass die Magnetisierungsevolution
in einem zeitlich sich kaum ändernden
Magnetfeld stattfindet und alle Echos unter gleichbleibenden Refokussierungsbedingungen
gemessen werden können.
Der Gradient kann auch als echt statischer Gradient dauernd anstehen.
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In 3 sind
Signale von Wasser und zwei Ölarten
logarithmisch als Funktion der Messzeit t dargestellt, um das Prinzip
der Messung zu demonstrieren. Das Wassersignal zerfällt im statischen
Gradienten schnell aufgrund der größeren Diffusionskonstanten,
die Ölsignale
sind dagegen länger
zu detektieren. Es ist auch zu sehen, dass die beiden Öle sich
in Relaxation und Diffusion leicht unterscheiden. Eine Anpassung
einer exponentiellen Zerfallsfunktion erlaubt die Bestimmung der Ölfraktion
durch Extrapolation zu t = 0. Der erste Messpunkt entspricht dem
Gesamtsignal.
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In 4 ist
ein exemplarisches Korrelationsdiagram an verschiedenen Fett-Wassergemischen gezeigt,
wie es aus Messungen analog zu den in 3 dargestellten
gewonnen werden kann. Verwendet wurden für diese Messungen kommerziell
erhältliche Saucen,
die in ihrer Struktur durch Zusätze sehr
inhomogen sind. Aufgetragen ist das NMR-Amplitudenverhältnis gegen
die Fett-Referenz. Diese Referenzwerte wurden durch nasschemische
Verfahren ermittelt. Durch die Bildung des Verhältnisses der zu t = 0 extrapolierten
Echoamplitude zur Amplitude des FID ergibt sich die Möglichkeit
einer Fettbestimmung ohne Kenntnis des Probengewichts. Typische Probenmengen
liegen im Bereich von 0,5 bis 0,6 g, sind jedoch abhängig von
der Messanordnung, speziell dem verwendeten Probenkopf, und können daher
variiert werden. Größere Probenmengen
erlauben vor allem bei strukturell inhomogenen Proben eine repräsentative
Probennahme und damit eine verlässlichere
Messung. Die Messparameter betragen in diesem Fall der Saucen: Gradientenstärke G = 0,1
T/m, Wiederholzeit 8 s, Echozeit 8 ms, Pulslänge des 90°-HF-Anregungspulses 2,5 μs, Totzeit
vor Beginn der Datenerfassung 7 μs.
Die Anzahl der gemessenen Echos war 24. Es zeigt sich eine Korrelation
mit der Fett-Referenz. Der Korrelationskoeffizient beträgt bei dieser
Messung 0,985. Er wird bestimmt durch die Güte der Rückextrapolation sowie der Fettzusammensetzung,
die die Zuverlässigkeit
der Modellierung der Zerfallskurve bestimmt. Bei komplizierten Fett-Kompositionen
kann daher die Auswertung dahingehend verändert werden, dass ein direktes Amplitudenverhältnis herangezogen
und auf die Extrapolation verzichtet wird.