DE1566148C3 - Elektromagnetische Hochfrequenzspule für Diagnostikeinrichtungen - Google Patents

Description

S =

entspricht.

(/ = zu übertragende Frequenz,
σ = 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 Energiefiuß 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. »ERE 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-

gneten und die Spulen führen, um ausreichende Feldhomogenität über den" betreffenden Körperteil·zu erzielen. Andererseits müssen für Körperteile unterschiedlicher Ausdehnung Spulen verschiedener Dimensionierung vorhanden sein und zur Anwendung gelangen. Nur dann können jeweils optimale Bedingungen erhalten werden. Überdies ist mit den bekannten Anordnungen die Untersuchung kleiner Teilgebiete innerhalb des Körpers kaum durchführbar, weil beim Einführen in die Spulen immer nur ein. größerer Körperbereich als Ganzes erfaßbar ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei Diagnostikeinrichtungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Einbringung von Körperteilen in eine Hochfrequenz- oder Meßspule bei der Bestimmung der magnetischen Resonanz zu vermeiden und außerdem eine gezielte Übertragung der Hochfrequenz und des Meßsignals zu erhalten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene konstruktive Maßnahme 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, d. h. der offenen, nicht abgeschirmten Seite in den Raum austritt. Alle übrigen Seiten der Spule sind abgeschirmt. So kann die Übertragung der Hochfrequenz und damit die Resonanz-Messung auf den Raum vor der Spule beschränkt werden. Die Ausrichtung der Spule kann also etwa so erfolgen, daß die nicht abgeschirmte freie Fläche an die zu untersuchende Stelle des Körpers gebracht wird. Dann wird in die Untersuchung nur der Raum vor der Spule einbezogen. Störungen, die aus der Umgebung kommen, sind durch die Abschirmung ausgeschlossen. Dies ist insbesondere bei den Resonanz-Messungen von großer Bedeutung, weil es sich hierbei um die Bestimmung von Signalen niedriger Energie handelt, die ansonsten leicht im Rauschen untergehen können. Da die vorliegend benutzten elektromagnetischen Wirkungen umkehrbar sind, ist mit einer entsprechend der Erfindung abgeschirmt aufgebauten Hochfrequenzspule auch der gezielte Nachweis von elektromagnetischen Ereignissen unter Ausschluß der Umgebung an bestimmten Stellen des Körpers möglich.

Die Richtwirkung der Spule kann auch noch verbessert werden, wenn ihrer von Abschirmteilen freien Deckfläche ein sogenannter Fluß-Konzentrator zugeordnet wird (vergleiche z. B. S. 142, 143 aus dem Buch von Parkinson und Mulhall »The generation of high magnetic fields«, Heywood Books London, 1967). Ein bei der Erfindung anwendbar abgewandelter Konzentrator besteht aus einer leitfähigeri Schicht, die an der von der freien Fläche der Hochfrequenz-Abschirmung freien Fläche der Spulenwicklung liegt. Dabei ergibt die gegebenenfalls aus Teilen bestehende Schicht ein flächenhaftes Gebilde, welches zwischen seinen Rändern und den Rändern der Abschirmung der Mantelfläche der Spule einen Spalt frei läßt. Außerdem haben sie konzentrisch zur Spule eine öffnung und sind wenigstens an einer Stelle von der öffnung bis zu ihrem Rand elektrisch unterbrochen. Solche leitfähigen Schichten können an der freien Fläche der Spule als Blech angebracht sein. Sie können aber auch als Schicht auf einer verlustarmen elektrisch isolierenden Platte angeordnet sein. Mit dieser kann die öffnung des aus den Abschirmungen gebildeten Gehäuses der Spule verschlossen sein. Die an der Außenseite mit der leitfähigen Abdeckung versehene Platte kann an der Innenseite gleichzeitig als Halterung für die Spule dienen. Als verlustarmes Material, das auch elektrisch isolierend ist, sind insbesondere Kunststoffe, wie Teflon, Polyamid, Styrolpolymerisat usw., verwendbar. Die leitfähige Schicht sollte selbst bei Berührung ein definiertes Potential beibehalten, damit Störungen des Hochfrequenzkreises vermieden sind.

Dies ist z. B. durch Erdung dieser Schicht erreichbar.

Die leitfähige Schicht kann z. B. eine 0,2 mm

starke Metallfolie sein, die insbesondere aus Gold, Silber oder Kupfer besteht. Die optimale Stärke der leitfähigen Schicht ist gegeben durch die sogenannte äquivalente Leitschichtdecke s des »Skin-Effektes« für das jeweilige Leitermaterial und für den verwendeten Frequenzbereich

s =

nfa/i

wobei / die Frequenz, σ die Leitfähigkeit pnd μ die Permeabilität ist.

Die Wirkung des Flußkonzentrators, d. h. des leitfähigen Belages, kann dadurch erklärt werden, daß im Belag sich Wirbelströme ausbilden, die den magnetischen Wechselfluß der Hochfrequenzspule je nach der elektrischen Leitfähigkeit mehr oder weniger kompensieren. Ohne die eine bzw. die mehreren, den Belag vom zentralen Loch zum Rand elektrisch unterbrechenden isolierenden Auftrennung(en) würde der leitfähige Belag als Abschirmung wirken,- ebenso wie die übrigen abschirmenden Teile. Durch die elektrische Unterbrechung bzw. die Unterbrechung können sich jedoch keine kompensierenden Ringströme ausbilden, welche die Austrittsöffnung vollkommen umschließen. Die Wirbelströme in der leitfähigen Oberfläche summieren sich zu einem resultierenden Randstrom, der besonders den magnetischen Wechselfluß in der Mittelöffnung verstärkt, wenn sie kleiner als die Öffnung der Spule ist. Es findet also eine Wechselflußkonzentration in der mittleren öffnung des Belages statt.

In bevorzugter Ausführung erhält die Spule flaches, scheibenförmiges Format. Dadurch kann bereits eine ausreichende Windungszahl erhalten werden, die entsprechend der benutzten Hochfrequenz gewählt wird. Im vorliegenden Fall kommen z. B. für die Verwendung von etwa 1 bis 100 MHz bei der Bestimmung der Kernresonanz oder Elektronenspinresonanz etwa 1 bis 1000 Windungen in Betracht bei einem Durchmesser von etwa 1 bis 5 cm. Diese Größen sind allerdings an das jeweils zu bewältigende Problem anpaßbar und daher unkritisch.

Bei einer Anordnung nach der »Zwei-Spulenmethode«, nämlich der Verwendung einer Spule zur Übertragung entweder eines kontinuierlichen Hochfrequenzfeldes oder von Hochfrequenzimpulsen und einer gesonderten Spule als Detektor zum Nachweis der magnetischen Resonanz, etwa zur Blutflußmessung, wird in vorteilhafter Weise sowohl zur Übertragung des hochfrequenten Feldes als auch zur Erzeugung der Meßsignale je eine Spule verwandt, die entsprechend den obigen Ausführungen abgeschirmt ist. 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 öi der

F i g. 3 eine viereckig ausgebildete Spule, deren Abschirmgehäuse und verlustarme Abdeckung ebenfalls teilweise aufgebrochen sind. *5

In der F i g. 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 as 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 Räche 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 welche 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