DE1566148B2 - Elektromagnetische Hochfrequenzspule für Diagnostikeinrichtungen - Google Patents

Description

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entspricht.

(/ = zu übertragende Frequenz,
ο = Leitfähigkeit und
μ = Permeabilität).

4. Spule nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Schicht auf einer HF-verlustarmen Platte angeordnet ist.

5. Spule nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Schicht (29, 36, 37) aus Gold besteht.

6. Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (40) rechteckig gewickelt ist und die Form der Mittelöffnung (39) der elektrisch leitfähigen Schicht (36, 37) der Form der rechteckigen Öffnung der Wicklung angepaßt ist und daß jeweils in der Mitte der kurzen Rechteckseite die Belegung parallel zu ihren langen Seiten elektrisch unterbrochen ist.

Die Erfindung betrifft elektromagnetische Hochfrequenzspulen für Diagnostikeinrichtungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Einrichtungen zur Bestimmung der magnetischen Resonanz von Stoffen geht man davon aus, daß die Stoffe im elektromagnetischen Wechselfeld anregbar sind. Werden dabei durch das Feld Resonanzbedingungen erreicht, so ist eine Änderung der Energieübertragung aus dem Feld feststellbar. Dieser Wert stellt eine charakteristische Größe für den jeweiligen Stoff dar und ist bestimmbar aus dem bei der Anregung auftretenden Energiefluß bzw. aus der vom angeregten Stoff wieder abgegebenen Schwingungsenergie (vergleiche z. B. »Physical Review« Vol. 70 [Oktober 1946], Nr. 7 und 8, S. 474 bis 484).

Die Energieabgabe kann gleichzeitig oder zeitlich bzw. örtlich versetzt gegenüber der Anregung erfolgen (vergleiche z. B. »IRE Transactions on Medical Electronics« [Dezember 1959], S. 267 bis 269). Während zur Bestimmung der abgegebenen Schwingungsenergie und zur zeitlich versetzten Messung man mit der Spule auskommt, die das anregende Feld erzeugt, müssen bei den anderen Methoden gesonderte Spulen vorgesehen werden.

Im Grundaufbau umfaßt eine Resonanz-Meßanordnung einen Magneten zur Erzeugung des die : im Stoff vorhandenen Schwingungen polarisierenden magnetischen Feldes. Zur Herstellung dieses Feldes kann ein beliebiger Magnet verwendet werden. Auch das erdmagnetische Feld ist dafür anwendbar (vergleiche z. B. »Journal of Applied Physics«, Vol. 31 [Januar 1960], Nr. 1, S. 125 bis 127). Außerdem ist eine Halterung für die zu untersuchende Probe vorgesehen. Die Probe sitzt dabei in einer Spule, die zur Übertragung des anregenden schwingenden Magnet-

ao feldes dient. Bei der Verfolgung des Energieflusses zur Feststellung der Resonanzen wird der Verbrauch der Anregungsenergie bestimmt. Zeitlich versetzt kann die vom Stoff wieder abgegebene Energie mit der Übertragungsspule aufgenommen werden. Dazu

as wird diese als Aufnahmespule geschaltet, d. h., sie wird an ein Meßgerät angeschlossen. Durch alternierendes Umschalten kann abwechselnd Anregung und dann Messung usw. erfolgen. Bei gleichzeitiger Übertragung und Messung wird zusätzlich quer zur Anregungsspule eine Meßspule an die Probe angelegt. Mit einer Meßeinrichtung wird dann die von der Probe abgegebene Energie bestimmt. Analog wird bei örtlich getrennter Messung eine entfernt von der Anregungsspule gelagerte Meßspule benutzt. Der Stoff wird dann von der Anregespule zur Meßspule transportiert (vergleiche z. B. »IRE Transactions on Medical Electronics« [Januar 1960], S. 23 bis 28).

Zur Bestimmung der Geschwindigkeit fließender Medien kann die Bestimmung der magnetischen Resonanz zuerst bei stillstehender und dann bei bewegter Flüssigkeit erfolgen. Durch den Fluß wird immer neu anzuregender Stoff in die Übertragungsspule gebracht, so daß in Abhängigkeit von der Flußgeschwindigkeit sich die Menge der übertragenen Energie und damit die Meßgröße gegenüber der stillstehenden Flüssigkeit ändert. Bei Verwendung an verschiedenen Stellen des Flusses angebrachter Spulen wird davon Gebrauch gemacht, daß die durch Resonanz angeregten Schwingungen abklingen und an Hand dieser Erscheinung die Zeit bestimmbar ist, die der Stoff braucht, um von der Anregungsstelle zur Meßstelle zu kommen (vergleiche z.B. »Science«, Vol. 130 [Dezember 1959], S. 1652 und 1653).

. Mit den genannten Geräten ist es möglich, etwa die im Blut enthaltenen Protonen oder auch andere Kerne anzuzeigen, ohne daß es notwendig ist, den Körper eines Patienten zur Messung zu verletzen und auch ohne daß man in den Körper radioaktive Substanzen als Anzeigeelemente einzubringen braucht.

Zur Messung muß aber bei den bekannten Geräten der zu untersuchende Körper in die Hochfrequenzspule bzw. gegebenenfalls in eine zusätzliche Meßspule ebenso wie in das magnetische Feld eingeführt werden, das zur Ausführung der Resonanzmethode notwendig ist (vgl. insbesondere US-PS 3 191119). Dies würde insbesondere in der medizinischen Diagnostik bei der Anwendung auf den menschlichen Körper zu sehr großen Dimensionen für den Ma-

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gneten und die Spulen führen, um ausreichende Feld- angeordnet sein. Mit dieser kann die öffnung des

homogenität über den" betreffenden Körperteil zu er- aus den Abschirmungen gebildeten Gehäuses der

zielen. Andererseits müssen für Körperteile unter- Spule verschlossen sein. Die an der Außenseite mit

schiedlicher Ausdehnung Spulen verschiedener Di- der leitfähigen Abdeckung versehene Platte kann an

mensionierung vorhanden sein und zur Anwendung 5 der Innenseite gleichzeitig als Halterung für die Spule

gelangen. Nur dann können jeweils optimale Bedin- dienen. Als verlustarmes Material, das auch elek-

gungen erhalten werden. Überdies ist mit den be- trisch isolierend ist, sind insbesondere Kunststoffe,

kannten Anordnungen die Untersuchung kleiner wie Teflon, Polyamid, Styrolpolymerisat usw., ver-

Teilgebiete innerhalb des Körpers kaum durchführ- wendbar. Die leitfähige Schicht sollte selbst bei Be-

bar, weil beim Einführen in die Spulen immer nur io running ein definiertes Potential beibehalten, damit

ein. größerer Körperbereich als Ganzes erfaßbar ist. Störungen des Hochfrequenzkreises vermieden sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei Diagno- Dies ist z. B. durch Erdung dieser Schicht erreichbar,

stikeinrichtungen nach dem Oberbegriff des An- Die leitfähige Schicht kann z. B. eine 0,2 mm

spruchs 1 die Einbringung von Körperteilen in eine starke Metallfolie sein, die insbesondere aus Gold,

Hochfrequenz- oder Meßspule bei der Bestimmung 15 Silber oder Kupfer besteht. Die optimale Stärke der

der magnetischen Resonanz zu vermeiden und außer- leitfähigen Schicht ist gegeben durch die sogenannte

dem eine gezielte Übertragung der Hochfrequenz äquivalente Leitschichtdecke s des »Skin-Effektes«

und des Meßsignals zu erhalten. Diese Aufgabe wird für das jeweilige Leitermaterial und für den verwen-

erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil deten Frequenzbereich
des Anspruchs 1 angegebene konstruktive Maß- ao
nähme gelöst.

Mit einer an ihrer Mantelfläche und an einer ihrer
beiden Deckflächen hochfrequenz-magnetisch abgeschirmten Spule nach der Erfindung ist ein hochfrequentes Magnetfeld erzielbar, das nur nach einer, 45 wobei / die Frequenz, σ die Leitfähigkeit und μ die d.h. der offenen, nicht abgeschirmten Seite in den Permeabilität ist.

Raum austritt. Alle übrigen Seiten der Spule sind Die Wirkung des Flußkonzentrators, d. h. des leitabgeschirmt. So kann die Übertragung der Hoch- fähigen Belages, kann dadurch erklärt werden, daß frequenz und damit die Resonanz-Messung auf den im Belag sich Wirbelströme ausbilden, die den ma-Raum vor der Spule beschränkt werden. Die Aus- 30 gnetischen Wechselfluß der Hochfrequenzspule je richtung der Spule kann also etwa so erfolgen, daß nach der elektrischen Leitfähigkeit mehr oder weniger die nicht abgeschirmte freie Fläche an die zu unter- kompensieren. Ohne die eine bzw. die mehreren, den suchende Stelle des Körpers gebracht wird. Dann Belag vom zentralen Loch zum Rand elektrisch unwird in die Untersuchung nur der Raum vor der terbrechenden isolierenden Auftrennung(en) würde Spule einbezogen. Störungen, die aus der Umgebung 35 der leitfähige Belag als Abschirmung wirken," ebenso kommen, sind durch die Abschirmung ausgeschlos- wie die übrigen abschirmenden Teile. Durch die eleksen. Dies ist insbesondere bei den Resonanz-Mes- trische Unterbrechung bzw. die Unterbrechung könsungen von großer Bedeutung, weil es sich hierbei nen sich jedoch keine kompensierenden Ringströme um die Bestimmung von Signalen niedriger Energie . ausbilden, welche die Austrittsöffnung vollkommen handelt, die ansonsten leicht im Rauschen unter- 40 umschließen. Die Wirbelströme in der leitfähigen gehen können. Da die vorliegend benutzten elektro- Oberfläche summieren sich zu einem resultierenden magnetischen Wirkungen umkehrbar sind, ist mit Randstrom, der besonders den magnetischen Wecheiner entsprechend der Erfindung abgeschirmt auf- selfluß in der Mittelöffnung verstärkt, wenn sie kleiner gebauten Hochfrequenzspule auch der gezielte Nach- als die öffnung der Spule ist. Es findet also eine weis von elektromagnetischen Ereignissen unter Aus- 45 Wechselflußkonzentration in der mittleren öffnung Schluß der Umgebung an bestimmten Stellen des des Belages statt.
Körpers möglich. In bevorzugter Ausführung erhalt die Spule flaches,

Die Richtwirkung der Spule kann auch noch ver- scheibenförmiges Format. Dadurch kann bereits eine

bessert werden, wenn ihrer von Abschirmteilen freien ausreichende Windungszahl erhalten werden, die ent-

Deckfläche ein sogenannter Fluß-Konzentrator zu- 50 sprechend der benutzten Hochfrequenz gewählt wird,

geordnet wird (vergleiche z. B. S. 142, 143 aus dem Im vorliegenden Fall kommen z. B. für die Verwen-

Buch von Parkinson und MuI hall »The gene- dung von etwa I bis 100 MHz bei der Bestimmung der

ration of high magnetic fields«, Heywood Books Kernresonanz oder Elektronenspinresonanz etwa 1 bis

London, 1967). Ein bei der Erfindung anwendbar 1000 Windungen in Betracht bei einem Durchmesser

abgewandelter Konzentrator besteht aus einer leit- 55 von etwa 1 bis 5 cm. Diese Größen sind allerdings an

fähigen Schicht, die an der von der freien Fläche das jeweils zu bewältigende Problem anpaßbar und

der Hochfrequenz-Abschirmung freien Fläche der daher unkritisch.

Spulenwicklung liegt. Dabei ergibt die gegebenen- Bei einer Anordnung nach der »Zwei-Spulenmefalls aus Teilen bestehende Schicht ein flächenhaftes thode«, nämlich der Verwendung einer Spule zur Gebilde, welches zwischen seinen Rändern und den 60 Übertragung entweder eines kontinuierlichen Hoch-Rändern der Abschirmung der Mantelfläche der frequenzfeldes oder von Hochfrequenzimpulsen und Spule einen Spalt frei läßt. Außerdem haben sie kon- einer gesonderten Spule als Detektor zum Nachweis zentrisch zur Spule eine öffnung und sind wenigstens der magnetischen Resonanz, etwa zur Blutflußmesan einer Stelle von der öffnung bis zu ihrem Rand sung, wird in vorteilhafter Weise sowohl zur Übertraelektrisch unterbrochen. Solche leitfähigen Schichten 65 gung des hochfrequenten Feldes als auch zur Erzeukonneri an der freien Fläche der Spule als Blech gung der Meßsignale je eine Spule verwandt, die entangebracht sein. Sie können aber auch als Schicht sprechend den obigen Ausführungen abgeschirmt ist. auf einer verlustarmen elektrisch isolierenden Platte Dadurch wird es möglich, ebenso wie bei der »Ein-

Spulenmethode« außer der Aufnahme der Meßsignale auch die Hochfrequenz ausgerichtet zu übertragen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten beispielsweisen Ausführungsformen erläutert. In der

F i g. 1 ist teilweise schematisch eine erfindungsgemäß geschaltete, nach der »Ein-Spulenmethode« arbeitende Diagnostikeinrichtung dargestellt, in der

Fig. 2 die dabei benutzte abgeschirmte Spule in perspektivischer, teilweise aufgebrochener Ansicht und in der

Fig. 3 eine viereckig ausgebildete Spule, deren Abschinngehäuse und verlustarme Abdeckung ebenfalls teilweise aufgebrochen sind.

In der Fig. 1 enthält ein mit 1 bezeichneter Schrank einen Schwingungsgenerator 2, der zugleich Elemente zur Anzeige übertragener Energie enthält, einen Verstärker 3 sowie ein Anzeige und Registriergerät 4. An der Vorderseite des Schrankes 1 befindet sich ein Haltearm 5, der eine Schwenkachse 6 trägt, um welche ein erstes Glied 7 einer noch ein weiteres Glied 8 umfassenden Halterung schwenkbar ist. Die Glieder 7 und 8 sind dabei ebenfalls schwenkbar miteinander verbunden. Die Schwenkungen um Achsen 6 und 9 sind arretierbar, ebenso wie die mit einer Schraube 10 einstellbare Höhenlage einer Stange 11, an welcher zwei Helmholtzspulen 12 und 13 längsverschiebbar und mittels Schrauben 14,15 einstellbar sind. Der Schrank 1 enthält auch noch ein Stromversorgungsgerät 16, welches über eine Leitung 17 und einen Stecker 18 mit dem Stromnetz verbunden werden kann. In der Anordnung werden die Helmholtzspulen 12, 13 mit einem Strom gespeist, der von 10 bis 100 A veränderbar ist, und haben bei einem liehten Durchmesser von 100 cm je 1000 Windungen. Ein Detektor 24 ist über eine Halterung 22 an dem an einer Achse 19 an der Gehäuseoberseite gelagerten, aus einem aus zwei Teilen 20 und 21 bestehenden Schwenkarm mittels einer Schraube 23 höhenverstellbar gehaltert. Im Detektor 24 befindet sich eine Spule 26. Sie besitzt bei einem Durchmesser von 2 cm 500 Windungen und ist an den Generator 2 angeschlossen, mit welchem Hochfrequenzschwingungen von 1 bis 100 MHz herstellbar und in dem gegebenen Rahmen beliebig einstellbar bzw. veränderbar sind.

In der F i g. 2 ist mit 25 ein Abschirmgehäuse bezeichnet, in welchem die Spule 26 untergebracht ist, die im Detektor 24 sowohl als Übertragungsmittel für die hochfrequenten Schwingungen als auch zur Aufnähme der Meßwerte benutzt ist. Das Gehäuse 25 besteht aus einem gut leitenden Material, nämlich Kupfer, welches das Magnet-Gleichfeld nicht beeinflußt, jedoch elektromagnetische Wechselfelder abschirmt, und besitzt die Form eines Topfes, dessen offene Seite durch eine Platte 27 verschlossen ist. Diese Platte 27 aus Teflon ist in die öffnung der Abschirmung 25 eingesetzt und trägt an ihrer dem Inneren des Topfes zugewandten Fläche die flache Spule 26, deren Windungen von einem Spulenkörper 28 aus einem elektromagnetisch verlustarmen Material zusammengehalten werden. An der Außenseite der Platte 27 befindet sich eine Ausnehmung, in weiche eine ringscheibenförmige, elektrisch leitfähige Schicht 29 aus Gold eingesetzt ist. Die leitfähige Schicht ist 0,2 mm stark und hat einen äußeren Durchmesser, der kleiner ist als der innere Durchmesser der Abschirmung 25, so daß der Wechselfluß von einem Loch 30 ungehindert zur Spule 26 zurückfließen kann.. Das im Zentrum der Schicht 29 liegende Loch 30 ist mit dem Loch der Spule 26 konzentrisch. In der Draufsicht stellt sich die Form der Schicht 29 als eine ringförmige Platte dar, die eine radiale Unterbrechung 31 aufweist, die mit dem verlustarmen, elektrisch isolierenden Material der Platte 27 gefüllt ist. Die Spule 26 ist über eine Koaxialleitung 32 mit dem Schwingungsgenerator 2 verbunden. Mechanisch wird sie durch die Halterung 22 getragen. . . -

Bei der Ausrüstung des Oszillators 2 mit einer transistorisierten Schaltung in Miniaturbauweise kann dieser in der Halterung 22 des Detektors 24 untergebracht werden. Dadurch ist es möglich, lange Hochfrequenzleitungen und die in diesen Leitungen auftretenden Instabilitäten der Frequenz zu vermeiden. Die Zuleitung und Ableitung braucht nur niederfrequente Ströme zu übertragen, nämlich den Betriebsstrom für den Oszillator 2 und die Anzeigesignale.

In der F i g. 3 ist ein Element 33 dargestellt, welches als Detektorsonde (24, F i g. 1) benutzbar ist. Dieses Element 33 besitzt in der Draufsicht rechteckige Form. Seine Ausführung stimmt im wesentlichen mit dem Element 24 überein. Es besitzt also ein Abschirmgehäuse 34, welches an seiner offenen Seite mit einer verlustarmen Platte 35 abgedeckt ist. Diese Platte trägt an ihrer Außenseite einen leitfähigen Belag, der aus den zwei Teilen 36 und 37 besteht. Die beiden Teile sind parallel zur Längsachse des Rechtecks durch einen isolierenden Spalt 38 getrennt. Im Zentrum der verlustarmen Platte ist der Spalt 38 vergrößert und stellt einen länglichen Ausschnitt 39 dar, dessen Längsachse mit dem isolierenden Spalt zusammenfällt. An der Innenseite der Platte 35 befindet sich eine rechteckig gewickelte Spule 40, deren Anschluß in einer Koaxialleitung 41 geführt ist. Die mechanische Halterung wird an einem Ansatz 42 angebracht.

Die beiden elektrisch leitfähigen Belegungen 36 und 37 bilden eine Abdeckung der Windungen der Spule 40 und reichen seitlich fast bis an die Abschirmung 34 heran. An den Schmalseiten des Rechtecks ist hingegen ein etwa drei- bis viermal so großer Abstand eingehalten. Dadurch werden die elektromagnetischen Feldlinien hauptsächlich an den schmalen Endflächen des Rechtecks zur Spule 40 zurückkehren, die mit der Ausnehmung 39 koaxial liegt. So ergibt sich ein flaches elektromagnetisches Feld, welches insbesondere brauchbar ist zur Messung an langgestreckten Objekten, etwa an Blutgefäßen. Bei der Blutflußmessung ist es nämlich wünschenswert, daß der Blutstrom von den Kraftlinien des magnetischen Hochfrequenzfeldes in Flußrichtung nur in sehr kleiner Ausdehnung geschnitten wird. Man kann diese Bedingung gut erreichen, wenn man den Spalt 38 des Elements 33 quer zu dem Blutgefäß ausrichtet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektromagnetische Hochfrequenzspule für Diagnostikeinrichtungen zur Bestimmung der Verteilung von in einem Körper enthaltenen Stoffen mittels einer Meßeinrichtung zur Feststellung der magnetischen Resonanz der Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (26, 40) an ihrer Mantelfläche und an einer ihrer beiden Deckflächen Hochfrequenz-Abschirmung (25, 34) aufweist.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich an der freien Fläche (26, 40) eine elektrisch leitfähige Schicht (29, 36, 37) angebracht ist, zwischen deren Rändern und den Rändern der Abschirmteile (25, 34) ein Spalt frei bleibt, die konzentrisch mit der Spule eine öffnung (30, 39) hat und die wenigstens an einer Stelle von der Öffnung bis zu ihrem Rand elektrisch eine Unterbrechung (31, 38) aufweist.

3. Spule nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindeststärke s der elektrisch leitfähigen Schicht (29, 36, 37) der Gleichung