DE1673037B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Verteilung strömender Medien - Google Patents

Description

einer Löschung der ursprünglichen Resonanz sich

wieder aufbauende kleine Sigiial. Das erfindungs-50 gemäße Verfahren ist überdies auch in Fällen einsetzbar, in denen es nicht möglich ist, den Fluß an-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestim- zuhalten und man ko:iimt ohne eine störende Zufühmung der Verteilung bzw. der Verteilungsgeschwin- rung von fremden Stoffen (Tracern) aus.
digkeit flüssiger Medien, insbesondere der Strömung Die Grundlage für das erfindungsgemäße Verfah-

des Blutes im Körper« unter Verwendung der be- 55 ren beruht darauf, daß mittels eines äußeren Magnetkannten kernmagnetischen Resonanzmessung an feldes der kernmagnetische Zustand von Stoffen vereinem strömenden Medium, wobei das Medium durch ändert werfen kann und daß diese Änderung am ein Magnetfeld vonnagnetisiert wird, das wesentlich Resonanzverhalten des Stoffes bestimmbar ist. Für größer ist als das Magnetfeld an der stromabwärts die Bestimmung von Verteilungs- und Strömungsdavon gelegenen Resonanzmeßstelle. 60 geschwindigkeiten ist es dabei wesentlich, daß mit

In einem bekannten Verfahren.wirf zur absoluten ..·-■■ dem Aufhören der Einwirkung des äußeren Feldes Geschwindigkeitsmessung von Blut dieses z. B. an eine Rückbildung der durch das Feld verursachten einer Stelle magnetisch markiert und die Laufzeit der zusätzlichen Magnetisierung eintritt. Ein an einer dabei markierten Kerne an einer anderen Stelle durch Magnetisierungsquelle vorbeifließender Stoff zeigt die Resonanzabsorption gemessen. Zur Markierung 65 dann mit zunehmendem Abstand von der Quelle eine wird dabei die bestehende Vormagnetisierung durch abnehmende Veränderung seines Resonanzverhaltens, elektromagnetische Sättigung zerstört. Die eigentliche Durch die Bestimmung dieses Verhaltens in Abstand Messung erfolgt dann dadurch, daß das sich zwischen von der Magnetisierungsquelle kann daher die Strö-

mungsgeschwindigkeit gemessen werden entsprechend Oberflächenf ormen anpaßbare Magneten zu erhalten,

der Beziehung: können die einzelnen Teile einer zusammengesetzten

_ χ Magnetisierungsquelle flexibel miteinander verbunden

• M = M₀S ^T. werden. Dies ist in beliebiger Weise möglich, z.B.

5 durch bewegliche Verbindungsglieder oder durch

Hierbei,istM die Magnetisierung, die für die Größe Anbringen auf einer flexiblen Unterlage, etwar einer

des Resonanzsignals verantwortlich ist. M₀ ist die Gummi- oder Textildecke.

Gleichgewichtsmagnetisierung im Vonnagnetisie- Das Streufeld des starken Vonnagnetisierungs-

rungsfeld. r ist die Laufzeit zwischen Vormagiietisie- magneten kann am Ort des schwächeren Detektor-

rung EQd Nachweis. T₁ ist die sogenannte Spin-Git- ίο feldes durch seihen inhomogenen Feldanteil störend

ter-Relaxationszeit. Wenn man unter S die Entfer- wirken, z. B. die nachzuweisende Resonanzlinie bis

nung zwischen Vormagnetisierungsfeld und dem zur Unkenntlichkeit verbreitern. In einem solchen

Detektorfeld versteht, lautet der Ansatz für die Strö- Fall sollte der inhomogene Anteil des Streufeldes am

mungsgeschwindigkeit V dann Ort des Detektors durch ein Kompensationsfeld mit

15 gleichem und entgegengesetztem Feldgradienten auf-

y _ j?. _ S gehoben werden. Man realisiert ein derartiges Kom-

τ T₁InM /M pensationsfeld im räumlichen Bereich, in dem der

Resonanznachweis geschehen soll, sehr gut durch

Bei der Bestimmung der Blutflußgeschwindigkeit einen weiteren Magneten von der Stärke und der handelt es sich hauptsächlich um die Bestimmung ao Geometrie des Vormagnetisierungsmagneten, der beder Abnahme der Kernmagnetisierung, die durch das züglich des Resonanznachweismagneten spiegelbildmagnetische Ausrichten der im Wasser des Blutes lieh und umgekehrt polarisiert zum Vormagneiisievorhandenen Protonen erhalten wird. Andererseits ist rungsmagneten angebracht ist. Eine annähernde durch Aufsuchen der Stellen, an denen Veränderun- Kompensation ist auch durch das bekannte Verfangen des Resonanzverhaltens feststellbar sind, der 25 ren des »Strom-Shimming« möglich, nämlich mit beVerlauf von Blutgefäßen usw. von außen auffindbar. liebig geformten und angeordneten, zusätzlichen elek-Mittels der Resonanzmessung nach einer Vormagne- tromagnetischen Feldern durch Benutzung entspretisierung sind an den auftretenden Intensitäten auch chend ausgebildeter Leitergruppierungen, durch die fließenden Mengen und bei abwandernden Stof- welche geeignete Ströme geschickt werden,
fen die Verweilzeiten bzw. ähnliche Größen meßbar. 30 Es kann vorteilhaft sein, wenn das Vormagnetisie-

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das zu rungsfeld veränderbar, etwa gepulst, ist, z. B. um messende zweite Signal in Abhängigkeit von der Vor- Vergleichsmessungen auszuführen. Diese Wünsche magnetisierung und von der Fließzeit, die seit der können bei Elektromagneten einfach durch Abschal-Vormagnetisierung vergangen ist, größer als das erste ten oder Verändern des Stromes erfüllt werden. Bei Signal, das ohne Vormagnetisierung bestimmt wurde. 35 Permanentmagneten sind ebenfalls bekannte Mittel Außerdem braucht der Magnet der eigentlichen Meß- zur Änderung des Feldes anwendbar. Solche sind einrichtung nur kleine Ausdehnung zu haben, weil er z. B. ferromagnetische Elemente, die zwischen Manur zum Resonanznachweis ausgestattet zu sein gneten und Körper gebracht werden, etwa eine Eisenbraucht. Überdies ist an die Qualität des Vormagne- platte, welche die Pole des Magneten ganz oder teiltisierungsmagneten bezüglich der Gleichmäßigkeit 40 weise abdeckt.

seines Feldes keine besondere Anforderung zu stellen. Nachfolgend wird das Verfahren nach der Erfin-

Im Gegensatz dazu sollte allerdings das Nachweis- dung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses

feld homogen genug sein, um ein gut nachweisbares Verfahrens an Hand der in der Zeichnung dargestell-

Resonanzsignal zu erzielen. ten Ausführungsbeispiele erläutert. In der

Die zusätzlich benutzte Magnetisierungsquelle 45 F i g. 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher

sollte vorteilhafterweise eine Feldstärke aufweisen, der Resonanz-Meßemrichtung ein Permanentmagnet

die wenigstens einige hundert Gauß beträgt, damit vorgelagert ist,

der erzielte Effekt gut meßbar wird. Es sind aber F i g. 2 ein als Topfmagnet ausgebildeter Elektro-

auch schwächere Felder anwendbar, wenn ausrei- magnet und

chend empfindliche Meßeinrichtungen angewandt 50 F i g. 3 eine aus einer Vielzahl von Permanentwerden und der Abstand zwischen Magnetisierungs- magneten zusammengesetzte Magnetfeldquelle,
quelle und der Meßstelle genügend klein ist. Bei vie- In dem Geräteschrank 1 sind untergebracht ein len Problemen, wie z. B. bei der Untersuchung der elektromagnetischer Schwingungsgenerator und De-Blutflußverteilung, werden größere räumliche Ab- tektor2, daran angeschlossen ein Verstärker 3 und stände von Interesse sein, so daß ein stärkeres Vor- 55 daran ein Anzeige- und Registriergerät 4. Der magnetisierungsfeld mit Vorteil benutzt wird, etwa Schrank 1 t'Igt weiterhin den Haltearm 5, der beein solches von 1000 Gauß und mehr. weglich ist und an welchem sich die beiden zur Er-

Das magnetische Feld kann mittels Permanent- zeugung des homogenen Magnetfeldes dienenden

magneten und mittels Elektromagneten erzeugt Helmholtz-Spulen 6 und 7 befinden. Über den in

werden. 60 semer Länge ebenfalls veränderbaren Haltearm 8 ist

Um Streuungen und eventuell direkte Störungen der Magnet 9, der die zusätzliche Magnetfeld-Quelle

der Meßeinrichtung zu vermeiden, ist es vorteilhaft, darstellt, mittels der Schraube 8' an der Stange 9'

das Feld örtlich zu begrenzen, vorzugsweise in der höhenverstellbar mit dem Schrank 1 verbunden. Die

bei Topfmagneten bekannten Weise. Der Magnet ist Helmholtz-Spulen 6 und 7 ebenso wie der Magnet 9

auch aus einer Mehrzahl einzelner Magneten zusam- 65 können unter Benutzung der Beweglichkeit der

mensetzbar, etwa so, daß sie mit ihren benachbarten, Arme 5 und 8 auf beliebige Stellen des Körpers des

einander entgegengesetzten Polen, vorzugsweise an- Patienten 10, der auf dem Lagerungstisch 11 ruht,

genähert parallel zueinander liegen. Um beliebigen eingestellt werden. Die sowohl als Übertragungs-

element für das Hochfrequenzfeld als auch als Meß- wegungsfreiheit des Untersuchungsobjektes auch über sonde ausgebildete Spüle 12 ist dem Bein des Patien- längere Zeiträume hinweg messen zu können;
ten 10 ; zwischen den beiden Helmhöltz-Spulen 6 Statt des Permanentmagneten 9 kann auch ein als und 7 mittels des am Haltearm 5 angebrachten Topf magnet ausgelegter Elektromagnet 16 (Fig. 2) Haltearmänsatzes S' zugeordnet und elektrisch mit 5 mit seiner offenen Seite auf den Körper aufgesetzt dein Schwingungsgenerator und Detektor 2 im werden. Die Feldstärke dieses Magneten 16 ist über Schrank 1 über die Leitung 13 verbunden. Die Helm- das auf seinen Betriebsstrom einwirkende Steuergerät holtS-Spulen 6, 7 werden über ein mittels des Stek- 17 veränderbar. An der verschlossenen Deckfläche kersl5 an das Lichtnetz angeschlossenes stabilisiertes ist ein Ansatz 18 angebracht, der in eine der Stange 9' Netzgerät 14 mit Strom versorgt: Die aufeinander io äquivalente Halterung übergeht,
und auf die Untersuchung des menschlichen Körpers Andererseits sind aber auch Magnetanordnungen abgestimmten Größen zeigen beim Schwingungs- 19 anwendbar, die entsprechend F i g. 3 aus einer generator und Detektor 2 eine Auslegung für die Er- Mehrzahl beweglich miteinander verbundener einzelzeugung einer Hochfrequenz von 0,5 bis 4 MHz, bei ner Magneten 20 zusammengesetzt sind. Der bewegden Helmholtz-Spulen einen Gleichstrom, etwa 10 15 liehe Zusammenhalt wird im dargestellten Beispiel bis 100 Amp., eine Windungszahl von je 300 und durch die Weichgummibänder 21 erhalten. Diese einen inneren Durchmesser von 100 cm, beim Ma- Ausführung der Magnetfeldquelle, bei der die Magneten 9, der ein permanenter Ferritmagnet ist, eine gneten 20 parallel zueinander so ausgerichtet sind, Feldstärke von 1000 Gauß und bei der Spule 12 die daß immer ungleiche Pole nebeneinander liegen, Auslegung als Flachspule mit etwa 100 Windungen ao kann jeder Oberflächenfonn etwa in der durch die und 3 cm Durchmesser sowie einer seitlich und an gestrichelt angedeutete kugelkalottenförmige Durchder Stirnseite angebrachten Abschirmung. Dabei ist biegung22 angedeuteten Weise angepaßt werden, die abschirmungsfreie Stirnfläche der Spule 12 mit Die Resonanzmessung in der Spule 12 des Detekeiner verlustarmen Platte belegt, die an der Außen- tor-Applikators beruht darauf, daß die Kerne in dem sehe eine ringscheibenförmige Schicht aus elektrisch as Magnetfeld der Helmholtz-Spulen 6 und 7 bei einer leitfähigem Material, nämlich eine 0,3 mm starke SiI- bestimmten durch die Spule 12 übertragenen und im berschicht trägt, die an einer Stelle von ihrer zen- Generator 2 erzeugten Resonanzfrequenz ein Resotralen öffnung bis zum radialen Außenrand durch nanzsignal zeigen. Die Amplitude des Resonanzeinen isolierenden Spalt unterbrochen ist. signales ist eine Funktion der magnetischen Vorge-

Beim Betrieb der Meßanordnung wird mit der 30 schichte der untersuchten Kernart. Die Bestimmung

Spule 12 die im Blut durch den Magneten 9 am Her- selbst erfolgt in der Weise, daß mit der Spule 12 ein

zen erzeugte Magnetisierung bestimmt An Hand der Hochfrequenzfeld erzeugt wird und daß die Rück-

noch an der Meßstelle ankommenden Magnetisierung wirkung auf die Spule 12 im Gerät 2 festgestellt wird.

ist so die Laufzeit und Verteilung des Blutflusses Die Verstärkung im Gerät 3 und Anzeige bzw. Regi-

feststellbar. Es kann so z.B. untersucht werden, 35 strierung im Gerät 4 geschieht nach den in der Elek-

welche Abweichungen vom normalen Flußverlauf tronik üblichen Methoden, so daß sich hier eine

vorliegen. Andererseits ist unter Verschiebung des nähere Beschreibung dieser Geräte erübrigt.

Magneten 9 bzw. der Spule 12 feststellbar, in welcher Zur Bestimmung der Blutflußgeschwindigkeit zwi-

Weise das Blut zur Meßstelle an der Spule 12 kommt. sehen dem Herzen, an welchem der Magnet 9 ange-

Da die Meßstelle und der Magnet beliebig gegenein- 40 ordnet ist, und dem Bein, an welchem sich die Spule

ander verschiebbar sind, können alle Stellen des Kör- 12 befindet, wird eine Messung vor und eine nach

pers untersucht werden. der Anbringung des Magneten 9 durchgeführt. Aus

Abweichend von dem dargestellten Beispiel kön- den Ergebnissen bei sonst unveränderten Bedingun-

nen sowohl die Spule 12 als auch der Magnet 9 ohne gen und unter Berücksichtigung des bekannten Ab-

Halterung 5, 5' und 8 direkt auf den Körper aufge- 45 Standes der beiden Punkte, dem mit dem Magneten 9

setzt werden. Sie können dann gegebenenfalls mittels erzielbaren maximalen Vormagnetisierungswert und

eines Bandes oder Pflasters usw. fixiert werden, um aus dem Abfall dieses Wertes pro Zeiteinheit ist dann

z. B. bei möglichst geringer Beeinträchtigung der Be- die Flußgeschwindigkeit errechenbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

der Vormagnetisierungsstene und der Meßstelle wie- Patentansprüche: der aufbauende Signal als Meßgröße bestimmt wird. Es ist also erforderlich, neben dem an sich schon

1. Verfahren zur Bestimmung der Verteilung kleinen Signal ein zweites noch kleineres Signal zu bzw. V«rteflungsgeschwindigkeit flüssiger Medien, s bestimmen. Dies bedeutet aber, daß das bekannte insbesondere der Strömung des Blutes im Körper, Verfahren wegen der Messung sehr kleiner Großen unter Verwendung der bekannten kernmagneti- schwierig ist .

sehen Resonanzmessung an einem strömenden In anderen bekannten Verfahren wird die Ampli-

Medium, wobei das Medium durch ein Magnet- tude der normalen Kernresonanz an der Meßstelle feld vonnagnetisiert wird, das wesentlich größer io einmal bei ruhender und einmal bei strömender ist als das Magnetfeld an der stromabwärts davon Flüssigkeit gemessen. Aus der Differenz dieser beiden gelegenen Resonanzmeßstelle, dadurch ge- Meßwerte und der getrennt zu bestimmenden Rekennzeichnet, daß bei strömendem Medium laxationszeit des Blutes wirf dann die Strömungseine Resonanzmessung ohne und eine mit Vor- geschwindigkeit berechnet Bei diesem Verfahren magnetisierung durchgeführt wird. i₅ werfen zwei Messungen durchgeführt. Die eine da-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- von bei ruhender Küssigkeit Eine solche Messung kennzeichnet, daß die Feldstärke dps zur Vor- ist aber nicht te jedem Falle einsetzbar, weil insbemagnetisierung benutzten zusätzlichen Feldes sondere biologische Kreisläufe sehr häufig für die wenigstens einige hundert Gauß beträgt Messung nicht angehalten werfen können. Dies ist

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- ao insbesondere bei den Messungen der Blutgeschwinkennzeichnet, daß das zusätzliche Magnetfeld in digkeit meistens der Fall.

der bei Topfmagneten bekannten Weise abge- Eine andere bekannte Möglichkeit zur Bestimmung

schirmt ist. der Geschwindigkeit strömender Flüssigkeiten besteht

4. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge- darin, daß man einen Stoff als Tracer in den Kreiskennzeichnet, daß die Quelle des zusätzlichen 25 lauf einbringt welcher magnetische Resonanzabsorp-Magnetfeldes ein als Topfmagmet ausgelegter tion zeigt. Aus der Resonanzmessung über die beElektromagnet (16) ist. kannte Konzentration des Stoffes im fließenden Me-

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- dium kann dann die Strömungsgeschwindigkeit bzw. kennzeichnet, daß die Quelle des zusätzlichen die Verteilung der Flüssigkeit, etwa des Blutes, im Magnetfeldes aus einer Mehrzahl flexibel mitein- 30 Kreislauf bestimmt werfen. Dabei ist es aber immer ander verbundenen Magneten (20) besteht. notwendig, zusätzlich zur Durchführung der Messung

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- einen bestimmten Stoff in den Kreislauf einzubringen, kennzeichnet, daß ein am Resonanzdetektor auf- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tretendes von dem Vormagnetisierungsmagneten Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentverursachtes Streufeld kompensiert wirf. 35 anspruchs 1 so zu verbessern, daß gut meßbare Si-

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge- gnale an fließenden Kreisläufen erhalten werfen könkennzeichnet, daß die Kompensation durch einen nen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die weiteren Magneten von der Stärke und der Geo- im kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs angegemetrie des Vormagnetisierungsmagneten bewirkt benen Maßnahmen gelöst.

wird, der bezüglich des Resonanznachweismagne- 40 Gegenüber den bekannten Verfahren ist gemäß

ten spiegelbildlich und umgekehrt polarisiert der Erfindung nach der Messung des ursprünglichen

zum Vormagnetisierungsmagneten, jangebracht ist kernmagnetischen Verhaltens für die Berechnung der

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge- Flußgeschwindigkeit nur noch ein, wie etwa aus kennzeichnet, daß das zusätzliche Vormagnetisie- Comptes Rendus, 1960, Bd. 250, Nr. 15, S. 2708 bis rungsfeld veränderbar, etwa gepulst, ist. 45 2710, bekannt, erhöhtes Meßsignal zu bestimmen.

Dieses ist aber z. B. im Hinblick auf das Signal-Rausch-Verhältnis einfacher meßbar als das nach