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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Verteilung strömender
Medien Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bestimmtng der Verteilung bzw. der
Verteilungsgeschwindigkeit flüssiger Medien, insbesondere der Strömung des Blutes
im Körper, unter Verwendung eines Gerätes zur Messung der in einem Magnetfeld unter
Einwirkung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes, wenigstens in Anteilen
des strömenden Mediums auftretenden Resonanzen und Vorrichtungen zu seiner Durchführung
wobei eine Resonanzmessung am unbeeinflussten Medium erfolgt und eine, nachdem dieses
Medium einem zusätzlichen Magnetfeld ausgesetzt war, und dass der Unterschied der
Messwerte als Grundlage benutzt wird für die Anwendung der bei Durchführung von
Verteilungs-bzw. Strömungsbestimmungen üblichen Rechenregeln. i. diesem Verfahren
ist das zu messende zweite Signal in Abhängigkeit vun der Vorrnagnetisierung und
von der Fliesszeit, die seit der Vormagnetisierung vergangen ist, grösser als das
ers te Signal, das ohne Vormagnetisierung bestimmt wurde. Dabei wird im Gegensatz
zu bekannten Verfanrenj bei denen eine bestehende Vormagnetisierung durch elektromagnetische
Sättigung zerstört wird, neben dem an sich schon kleinen ersten Signal ein zweites
grösseres Signal bestimmt, so dass die Messung nicht dadurch erschwert ist, dass
ein noch kleineres zweites Signal gemessen werden muss. Ausserdem braucht der Magnet
der eigenlichen Messeinrichtung nur kleine Ausdehnung zu haben, weil er nur sum
Resonanznachweis ausgestattet zu sein braucht. Uberdies ist an die Qualität des
Vormagnetisierungsmagenten bezüglich der Gleiohmässigkeit seines Feldes keine besondere
Anforderung zu stellen. Im Gegensatz dazu sollte allerdings das Nachweisfeld hotnogen
genug seins un ein gut nachweisbares Resonanzsignal zu erzielem.
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Die zusätzlich benutzte Magnetisierungsquelle sollte eine Feldstärke
aufweisen, die grösser ist als diejenige des Magneten der desseinrichtung,
uin
ein möglichst starkes Magnetfeld zu erhalten. Es sollte wenigstens einige 100 Gauss
betragen, damit der erzielte Effekt gut messbar wird. Es sind aber auch schwächere
Felder anwendbar, wenn ausreichend empfindliche Messeinrichtungen angewandt werden
und der Abstand zwischen Magnetisierungsquelle und Messstelle genügend klein ist.
Bei vielen Problemen wie z. B. bei der Untersuchung der Blutflussverteilung, werden
grössere räumliche AbstAnde von Interesse sein, so dass ein stärkeres Vormagnetisierungsfeld
mit Vorteil benutzt wird, etwa ein solches von 1000 Gauss und mehr.
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Das magnetische Feld kann mittels Permanentmagneten und mittels Elektromagneten
erzeugt werden.
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Uni Streuungen und evtl. direlvte Störungen der Messeinrichtung zu
vermeiden, ist es vorteilhaft, das Feld örtlich zu begrenzen, vorzugsweise in der
bei Topfmagneten bekannten Weise. Der Magnet ist auch aus einer Mehrzahl einzelner
Magneten zusamrnensetzbar, etwa so, dass sie mit ihren benachbarten, einander entgegengesetzten
polen, vorzugsweise angenähert parallel zueinander liegen. Un1 beliebigen Oberflächenformen
anpassbare Magneten zu erhalten, können die einzelnen Teile einer zusammengesetzten
Magnetisierungsquelle flexibel miteinander verbunden werden. Dies ist in belie-Liger
Weise möglich, z. B. durch bewegliche Verbindungsglieder oder durch Anbringen auf
ei ner flexiblen Unterlage, etwa einer Gummi-oder Textildecke.
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Das Streufeld des s'carken Vormagnetisierungsmagneten kann am Ort
des schwächeren Detektorfeldes durch seinen inhomogenen Feldanteil störend wirlten,
z. B. die nachzuweisende Resonanzlinie bis zur Unkenntlichkeit verbreitern. In einem
solchen Fall sollte der inhomogene Anteil des Streufeldes am Ort des Detektors durch
ein Kompensationsfeld mit gleichem und entgegengesetztem Feldgradienten aufgehoben
werden. Man realisiert ein derartiges Kompensationsfeld im räumlichen Bereich, in
dem der Resonanznachweis geschehen soll, z. B. durch ein Paar von Luft-Spulen, deren
Achsrichtung mit der Richtung des Feldgradienten zusammenfällt. Dazu muss jedoch-'der
räumliche Bereich, in dem die Resonanz nachgewiesen werden soll,
in
der geometrischen Mitte des erwähnten Spulenpaares liegen. Da letzteres nicht immer
möglich ist, z. B. beim Resonanznachweis auf ; der menschlichen Haut, kann man eine
sehr gute Kompensation des Feldgradienten erreichen durch einen weiteren Magneten
von derselben Bauart und Feldstärke wie der Vormagnetisierungsmagnet, der spiegelbildlich
zum Nachweismagneten mit umgekehrter Feldrichtung angebracht wird.'Eine annähernde
Kompensation ist auch durch das'bekannte Verfahren des "Strom-Shimming" möglich,
nämlich mit beliebig geformten und angeordneten, zusätzlichen elektromagnetischen
Feldern durch Benutzung entsprechend ausgebildeter Leitergruppierungen, durch welche
geeignete Ströme geschickt-werden.
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Es kann vorteilhaft sein, das Feld der Quelle ausser geometrisch
auch in seiner Stärke verändern-zu können, etwa-um Vergleichsmessungen auszuführen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Magnetfeld abstellbar ist, ohne dass die
mechanische Anordnung verändert werden muss. Diese Wünsche lcönnen bei Elektromagneten
einfach durch Abschalten oder Verändern des Stromes erftillt werden. Bei Permanentmagneten
sind ebenfalls bekannte Mittel zur Xnderung des Feldes anwendbar. Solche sind z.
B. ferromagnetische Elemente, die zwischen Magneten und Körper gebracht werden,
etwa eine Eisenplatte, welche die Pole des Magneten ganz oder teilweise abdeckt.
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Die Grundlage für das erfindungsgemässe Verfahren beruht darauf,
dass mittels eines äusseren Magnetfeldes der magnetische Zustand von Stoffen verändert
werden kann und dass diese Anderung am Resonanz verhalten des Stoffes bestimmbar
ist. PUr die Bestimmung von Verteilungs-und Strömungsgeschwindigkeiten ist es dabei
wesentlich, dass mit dem Aufhören der Einwirkung des äusseren Feldes eine RUckbildung-der
durch das Feld verursachten zusätzlichen Magnetisierung eintritt. Ein an einer Magnetisierungsquelle
vorbeifliessender Stoff zeigt dann mit zunehmendem Abstand von der Quelle eine abnehmende
Veränderung seines Resonanzverhaltens. Durch die Bestimmung dieses Verhaltens in
Abstand von der. Magnetisierungsquelle kann daher die
| Strömungsgeschwindigkeit |
| Ts |
gemessen werden entsprechend der Beziehung : Hierbei ist M die Magnetisierung, die
fUr die Grosse des Ilesonanzsignals velantwortlich
ist. Mo ist
die Gleichgewichtsmagnetisierung im Vormagnetisierungsfeld. # ist die Laufzeit zwischen
Vormagnetisierung und Nachweis. Ti ist die sog. Spin-Gitter-Relaxationszeit. Wenn
man unter S die Entfernung zwischen Vormagnetisierungsfeld und dem Detektorfeld
versteht, lautet der Ansatz für die Strömungsgeschwindigkeit # dann
Bei der Bestimmung der Blutflussgeschwindigkeit handelt es sich hauptsächlich um
die Bestimmung der Abnahme der Kernmagnetisierung, die durch das magnetische Ausrichten
der im Wasser des Blutes vorhandenen Protonen erhalten wird. Andererseits ist durch
Aufsuchen der Stellen, an denen Veränderungen des Resonanzverhaltens feststellbar
sind, der Verlauf von Blutgefässen etc. von aussen auffindbar. Mittels der Resonanzmessung
nach einer Vormagnetisierung sind an den auftretenden Intensitäten auch die fliessenden
Mengen und bei abwandernden Stoffen die Verweilzeiten bzw. änhliche Grössen messbar.
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Flussgeschwindigkeiten sind-auch bestimmbar, indem das fliessende
Medium, etwa das Blut, an einer Stelle durch einen magnetischen Gleichfeldihipuls
magnetisch markiert wird, so dass die Laufzeit des Mediums dann an anderer Stelle
aus der gemessenen Laufzeit des Magnetisierungsimpulses ermittelt werden kann.
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Nachfolgend werden weitere Vorteile und Einzelheiten der Lrfindung
zusammen mit ihrer Wirkungsweise anhand der in der Zeiclmung dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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In der Fig. 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher der Resonanz-Messeinrichtung
ein Permanentmagnet vorgelagert ist, in der Fig. 2 ein als Topfmagnet @ ausgebildeter
Elektromagnet und in der Fig. 3 eine aus einer Vielzahl von Permanentmagneten zusamnengesetzte
Magnetfeldquelle.
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In dem Geräteschrank l sind untergebracht ein elektromagnetischer
Schwingungsgenerator und Detektor 2, daran angeschlossen ein Verstärker 3 und daran
ein Anzeige-und Registriergerät 4. Der Schrank 1 trägt weiterhin den Haltearm 5,
der beweglich ist und an welchem sich die beiden zur Erzeugung des homogenen Magnetfeldes
dienenden Helmholtz-Spulen 6 und 7 befinden. ¢ber den in seiner Länge ebenfalls
veränderbaren Haltearm 8 ist der Magnet 9, der die zusätzliche Magne£eld-Quelle
darstellt, mittels der Schraube 8t an der Stange 9' höhenverstellbar mit dem Schrank
1 verbunden. Die Helmholtz-Spulen 6 und 7 ebenso wie der Magnat 9 können unter Benutzung
der Beweglichkeit der Arme 5 und 8 auf beliebige Stellen des Korpers des Patiente
10, der auf dem Lagerungstisch 11 ruht, eingestellt werden. Die sowohl als Übertragungselement
für das Hochfrequenzfeld als auch als Messonde ausgebildete Spule 12 ist dem Bein
des Patienten 10 zwischen den beiden Helmholtz-Spulen 6 und 7 mittels des am Haltearm
5 angebrachten Haltearmansatzes 5 zugeordne-t und elektrisch mit dem Schwingungsgenerator
und Detektor 2 im Schrank l über die Leitung 13 verbunden. Die Helmholtz-Spulen
6, 7 werden über ein mittels des Steckers 15 an das Lichtnetz angeschlossenes stabil-isiertes
Netzgerät 14 mit Strom versorgt. Die aufeinander und auf die Untersuchung des menschlichen
Körpers abgestimmten Grosse zeigen beim Schwingungsgenerator und Detektor 2 eine
Auslegung für die Erzeugung einer Hochfrequenz von 0, 5 bis 4 MHz, bei den Helmholtz-Spulen
einen Gleichstrom,, etwa 10 bis 100 Amp., eine Windungszahl von je 300 und einen
inneren Durchmesser von 100 cm, beim Magneten 9, der ein permanenter Ferritmagnet
ist, eine Feldstärke von 1000 Gauss und bei der Spule 12 die Auslegung als Flachspule
mit etwa 100 Windungen und 3 em Durchmesser sowie einer seitlich und an der Stirnseite
angebrachten Abschirmung. Dabei ist die abschirmungsfreie Stirnfläche der Spule
12 mit einer verlustarmen Platte belegt, die an der Aussenseite eine ringsoheibenförmige.
Schicht aus elektrisch leitfähigem Material, nämlich eine 0,3 mm starke Silberschicht
trägt, die an einer Stelle von ihrer zentralen Öffnung bis zum radialen Aussenrand
durch einen isolierenden Spalt unterbrochen ist.
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Beim Betrieb der Messanordnung wird mit der Spule 12 die im Blut durch
den Magneten 9 am Herzen erzeugte Magnetisierung bestimmt.
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Anhand der noch an der Messtelle ankommenden Magnetisierung ist
so
die Laufzeit und Verteilung des Blutflusses feststellbar. Es kann so z. B. untersucht
werden, welche Abweichungen vom normalen Flussverlauf vorliegen. Andererseits ist
unter Verschiebung des @ Magneten 9 bzw. der Spule 12 feststellbar, in welcher Weise
das Blut zur Messtelle an der-Spule 12 kommt. Da die Messtelle und der Magnet beliebig
gegeneinander verschiebbar sind, können alle Stellen des Körpers untersucht werden.
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Abweichend von dem dargestellten Beispiel können sowohl die Spule
1 als auch-der Magnet 9 ohne Halterung 5, 5' direkt auf. den Körper aufgesetzt werden.
Sie können dann@gegebenenfalls mittels um eines Bandes oder Pflasters etc. fixiert
werden,/z. B. bei möglichst geringer Beeinträchtigung der Bewegungsfreiheit des
Untersuchungsobjektes auch über längere Zeiträume hinweg messen zu können.
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Statt des-Permanentmagneten 9 kann auch ein als Topfmagnet ausgelegter
Elektromagnetsl6 (Fig. 2) mit seiner offenen Seite auf den Körper aufgesetzt werden
; Die Feldstärke dieses Magneten 16 ist user das auf seinen Betriebsstrom einwirkende
Steuergerät 17 veränderbar. An der verschlossenen Deckfläche ist ein Ansatz 18 angebracht,
der in eine der Stange 92äquivalente Halterung übergeht.
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Andererseits sind aber auch Magnetanordnungen 19 anwendbare die entsprechend
Fig. 3 aus einer Mehrzahl beweglich miteinander verbundener einzelner Magneten 20
zusammengesetzt sind. Der bewegliche Zusannenhalt wird im dargestellten Beispiel
durch die Weichgummibänder 21 erhalten. Diese AusfUhrung der Magnetfeldquelle bei
der die Magneten 20 parallel zueinander so ausgerichtet sind, dass immer ungleiche
Pole nebeneinander liegen, kann jeder Oberflächenform etwa in der durch die gestrichelt
angedeutete kugelkalottenförmige Durchbiegung 22 angedeuteten Weise angepasst werden.
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Die Resonanzmessung in der Spule 12 des Detektor-Applikators beruht
darauf, dass die Kerne in dem Magnetfeld der Helmholtz-Spulen 6 und 7 bei einer
bestinmten durch die Spule 12 übertragenen und im Generator 2 erzeugten Resonanzfrequenz
ein Resonanzsignal zeigen. Die Amplitude des Resonanzsignales ist eineFunktion der
magnetischen
Vorgeschichte der untersuchten Kernart. Die Bestimmung
selbst erfolgt in der Weise, dass mit der Spule 12 ein Hochfrequenzfeld erzeugt
wird und dass die RUckwirkung auf die Spule 12 im Gerät 2 festgestellt wird. Die
Verstaxlkung im Gerät 3 und Anzeige bzw. Registrierung im Gerät 4 geschieht nach
den in der Elektronik üblichen Methoden, so dass sich hier eine nähere Beschreibung
die-' ser Geräte erübrigt.
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Zur Bestimmung der BlutflussgeschwindigkeitzwischendemHerzen an welchem
der Diagnet 9 angeordnet ist, und dem Bein, an welchem sich die Spule 12 befindet,
wird eine Messung vor und eine nach der Anbringung des Magneten 9 durchgeführt.
Aus den Ergebnissen bei sonst unveränderten Bedingungen und unter Berücksichtigung
des bekannten Abstandes der beiden Punkte, dem mit dem Magneten 9 erzielbaren maximalen
Vormagnetisierungswert und aus dem Abfall dieses Wertes pro Zeiteinheit ist dann
die Flussgesehwindigkeit errechenbar.