DE2806445A1

DE2806445A1 - Spektrometer fuer die magnetische kernresonanz

Info

Publication number: DE2806445A1
Application number: DE19782806445
Authority: DE
Inventors: Howard David Wilson Hill
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1978-02-15
Publication date: 1978-08-24
Also published as: CA1067577A; GB1588832A; US4093911A; NL7801880A; JPS53103794A

Description

PATENTANWÄLTE 2 8 O 6 A 4

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 · D-8000 München 60 · Telefon 832024/5

Telex 5212744 · Telegramme Interpatent

• 3-

Vl P4-70 D

Varian Associates, Inc. Palo Alto, CaI., USA

Spektrometer für die magnetische Kernresonanz

Priorität: 22. Februar 1977 - USA - Ser. No. 770

Zusammenfassung

In einem Spektrometer für die magnetische Kernresonanz wird ein Gatter dazu verwendet, Resonanz- und Sender-Signale zeitzumultxplexen. Eine verbesserte Gatterschaltung ist in Reihe zwischen den Empfänger und die Eesonanzdetektorschaltung geschaltet, die dazu verwendet wird, die Resonanz der Probe aufzufangen. Die verbesserte Gatterschaltung weist zwei parallel

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geschaltete Zweige von PIN-Dioden auf, die zwischen die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Gatters geschaltet sind. Die Dioden sind in jedem der parallelen Zweige zu einem zwischenliegenden Steuerknoten gepolt, in der Weise, daß ein positives Kontrollpotential, das an die Kontrolle eines Zweigknotens angelegt wird, diesen Zweig einschaltet und umgekehrt, ein negatives Steuerpotential, das an den anderen Kontrollknoten geschaltet wird, den anderen Zweig einschaltet. Kontrollimpulse gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens werden an die Kontrollknoten gelegt, so daß vorübergehende Schaltsignale, die dazu neigen, durch das Gatter zu lecken, sich in der Ausgangsleitung zum HF-Empfänger auslöschen.

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein Spektrometer für die magnetische Kernresonanz und insbesondere solche Spektrometer, bei denen ein zeitmultiplexter Resonanz-Anregungs- und Fühlkreis verwendet wird.

Es ist bereits bekannt, in Spektrometern für die magnetische Kernresonanz eine zeitmultiplexte Auffangspule zum Anregen und Fühlen der Resonanz der zu untersuchenden Probe zu verwenden. In einem solchen System wird eine einzige HF-Spule, die in Magnetfeld-Austauschbeziehung mit der zu untersuchenden Probe gekoppelt ist, zunächst zeitlich an den Ausgang eines Iiochfrequenzsenders angeschaltet, um einen Senderimpuls an die zu untersuchende Probe anzulegen, um die Resonanz anzuregen. Während der Zeit, in der der Sender EIN ist, ist eine Gatterschaltung, die zwischen die IIF-Spule und den HF-Empfänger geschaltet ist,'AUS gegattert, so daß die Senderimpulse nicht in den Empfänger eingespeist werden.

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Bei der bekannten Gatterschaltung war ein erstes Gatter zwischen den HF-Sender und den Anschluß an die HF-Anregungsspule geschaltet, und ein zweites Gatter zwischen den Anschluß an die HF-Fühlspule und den HF-Empfänger. Die Gatter bestanden jedes aus einer Parallelschaltung von entgegengesetzt gepolten Dioden, so daß in Gegenwart des kräftigen Sendersignals die Dioden EIN geschaltet waren. Der Abstand zwischen dem HF-Empfänger und dem Anschluß zur Sonde war so dimensioniert, daß er etwa 1/4 Wellenlänge betrug, so daß bei Vorhandensein des Senderimpulses ein Kurzschluß zur Erde über das Gatter durch das HF-Schalter-EIN-Empfängergatter geschaffen wurde. Diese reflektierte eine hohe Impedanz an den Sondenanschluß, so daß während der Dauer des kräftigen Senderimpulses der Empfänger automatisch gegen die Sonde isoliert war.

Das Problem bei dieser Anordnung liegt darin, daß sie von einem präzisen Viertelwellenlängen-Abstand zwischen dem Empfängergatter und dem Sondenauschluß abhängt, was nur erreichbar ist, wenn das Spektrometer so ausgelegt ist, daß es bei einer festen Frequenz arbeitet. Im Falle eines über einen breiten Bereich abstiinmbaren Spektrometers für die magnetische Resonanz gilt der Viertelwellenlängen-Abstand nicht für alle Frequenzen und deshalb ist die bekannte Schaltanordnung impraktisch.

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Es besteht also eine Forderung für eine verbesserte Gatterschaltung zur Verwendung in einem Spektrometer für die magnetische Kernresonanz, das über ein relativ breites Band abstimmbar ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Spektrometer für die magnetische Kernresonanz verfügbar zu machen, bei dem ein Gattern des Eesonanzsignals zur Empfängerschaltung verwendet wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung weist eine Gatterschaltung zwischen der Resonanz-Auffangschaltung und dem Empfänger eine Parallelschaltung von zwei Zweigen auf, wobei jeder Zweig eine Reihenschaltung aus zwei Dioden aufweist mit einem Kontrollknoten in jedem Zweig, der jeweils zwischen den Dioden angeordnet ist. Die Polarität der Dioden relativ zum Kontrollknoten in jedem Zweig ist entgegengesetzt, so daß ein positives Kontrollpotential, das an einen Kontrollknoten angelegt wird, diesen Zweig leitend macht, während ein negativer Impuls, der an den anderen Zweig angelegt wird, diesen Zweig leitend macht. Auf diese Weise kontrollieren gleiche und entgegengesetzt gerichtete Kontrollimpulse, die an die Kontrollknoten angelegt werden, den Betrieb der Gatterschaltung, so daß vorübergehende Schaltsignale, die durch den Betrieb des Gatters gelegentlich auftreten, sich am Ausgang zum Empfänger auslöschen.

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 teilweise als Blockschaltbild ein Schalt bild eines Spektrometers für die magnetische Kernresonanz mit Merkmalen der Erfindung; und

Fig. 2 im Detail den in Fig. 1 mit der Linie 2-2 umschlossenen Teil mit der Gatterschaltung nach der Erfindung.

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In Fig. 1 ist ein Spektrometer 11 für die magnetische Kernresonanz mit weitem Abstimmbereich mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Das Spektrometer 11 weist einen Analysekanalteil 12 auf, mit dem die magnetische Kernresonanz einer zu untersuchenden Probe angeregt und detektiert wird, die in einer rohrförmigen Probenregion 13 angeordnet ist, und einen Feld-Frequenz-Kontroll-Kanal IA-, mit dem die Resonanz einer Kontrollgruppe von Kernresonanzkörpern angeregt und detektiert wird, um die Resonanzbedingung der zu untersuchenden Probe zu kontrollieren.

Die zu untersuchende Probe in der Probenregion 13 ist hinsichtlich hochfrequenter Magnetfelder in einer Austauschbeziehung mit einer Auffangspule 15 angeordnet, die beispielsweise 1,6 ^H Induktivität hat und aus vierzehn Windungen von etwa 10 mm Durchmesser besteht, wobei die Spule etwa 9 rom lang ist. Die Spule 15 ist in Reihenresonanz mit einem variablen Kondensator 16, dessen Kapazität zwischen einem Wert von etwa 10 pF bis zu einem Wert von etwa 400 pF variabel ist, um die Reihenresonanz der HF-Auffangspule 15 über einen relativ breiten Abstimmbereich durchzustimmen, beispielsweise von 6 MHz bis 32 MHz. Die Reihenresonanz-Auffangspule 15 weist einen gewissen Widerstand auf, der als Reihenwiderstand R_ erscheint. In einem typischen Ausführungsbeispiel beträgt die Reihenresonanz R etwa 3 0hm. Der Gütefaktor Q des abgestimmten Reihenresonanzkreises hat einen Wert von etwa 50.

Die Auffang-Analysespule 15 ist um die Probenregion 13 herum derart gewickelt, daß eine magnetische Achse parallel zur Y-Achse in einem kartesischen Koordinatensystem liegt, wie dargestellt. Die Probe wird vorzugsweise

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in üblicher Weise um eine zur Y-Achse parallele Achse gesponnen. Ein magnetisches Polarisationsfeld Hq von beispielsweise 18 kG wird parallel zur Z-Achse durch die Probenregion 13 geschickt. Die Reihenresonanz-Analyse-HF-Auffangspule 15 ist an den Eingang eines HF-Vorverstärkers 17 über einen zweistufigen Ubertragungsleitungs-Impedanztransformator 18 angekoppelt, um die relativ niedrige Reihenresonanzimpedanz von etwa 1,5 bis 5 Ohm der Reihenresonanz-Auffangspule an die Eingangsimpedanz des Verstärkers 17 von beispielsweise 50 Ohm anzupassen.

Der Transformator 18 und die Spule 15 sind vorzugsweise innerhalb eines Sondengehäuses 20 angeordnet, das zwischen den Polschuhen eines Magneten angeordnet ist, mit dem das Polarisatior.sfeld Hq erzeugt wird. Der Ausgang des Transformators 18 ist über ein Stück einer Koaxialleitung von 50 Ohm an einen Anschluß zwischen einem HF-Sender und dem HF-Vorverstärker 17 gekoppelt und zwischen entsprechende Gatter 23 und 24. Der HF-Vorverstärker 17 liefert seinen Ausgang an einen HF-Empfänger 22, der das magnetische Kernresonanzsignal empfängt, das von der Auffangspule 15 aufgenommen worden ist, und detektiert das vorverstärkte empfangene Signal, um ein Resonanz-Gleichstrom- Ausgangssignal proportional der Amplitude der detektierten Resonanz der untersuchten Probe zu erzeugen. Das Gleichstrom-Resonanzsignal wird einem Schreiber 25 zugeführt, um in Abhängigkeit von der Frequenz des Senders 21 aufgezeichnet zu werden, die mittels einer Frequenzsteuerung von einer Frequenzsteuerung 26 durchgesteuert wird, so daß der Ausgang des Schreibers ein aufgezeichnetes magnetisches Kernresonanzspektrum der untersuchten Probe ist.

Ein Ausgang der Frequenzsteuerung 26 wird dazu verwendet, die Frequenz des HF-Senders 21 zu kontrollieren, um die

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Frequenz des HF-Senders 21 über einen gewissen engen Frequenzbereich durchzusteuern, beispielsweise einige tausend Hertz, die um die Mittenfrequenz des HF-Senders zentriert sind. Die Mittenfrequenz f des HF-Senders 21 ist auch auf die Frequenzbänder von mehreren unterschiedlichen zu untersuchenden Kernen abgestimmt, die in einen Frequenzbereich von 6 bis 32 MHz fallen. Beispielsweise erlaubt ein Frequenzwähler 27 die Auswahl einer Mittenfrequenz des HF-Senders 21 von etwa 6 MHz

für Kerne von ¹⁴N; 8 MHz für die Kerne ¹⁵N, 12 MHz für

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die Kerne von H, 20 MHz für die Kerne von ^C und 32 MHz für die Kerne von P. Der Frequenzwähler weist auch eine Abstimmsteuerung auf, um den Wert des Kondensators 16 abzustimmen, so daß die Reihenresonanzfrequenz der reihenabgestimmten Aufnahmespule 15 auf die jeweiligen magnetischen Kernresonanzfrequenzen der genannten Kerne abgestimmt wird.

Das Spektrometer 11 für die magnetische Kernresonanz ist ein Einspulen-Spektrometer, d.h., eine gemeinsame HF-Spule dient sowohl dazu, das Anregungsfeld für die magnetische Kernresonanz an die zu untersuchende Probe anzulegen als auch dazu, die resultierende Kernresonanz der Probe aufzunehmen. Bas wird durch einen Zeitmultiplexbetrieb von Sender 21 und Empfänger 22 erreicht, so daß der Sender einen Impuls aussendet, um die Resonanz anzuregen, und dann, während einer Aus-Periode, wird der Empfänger 22 ein-gegattert, um das Resonanzsignal zu empfangen, das von der angeregten zu untersuchenden Probe ausgeht.

Das Sender-Gatter 23 kann aus zwei parallel geschalteten, gegeneinander gepolten Dioden bestehen, so daß, wenn die Amplitude des HF-Sender-Impulses einen vorgegebenen

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Schwellwert übersteigt, der Impuls durch das Sender-Gatter 23 hindurchläuft, indem die Dioden eingeschaltet werden, und dann durch das Gatter 23 zur Spule 15 läuft.

Ein Impulsgeber 29, der mit dem HF-Sender 21 synchronisiert ist, wird vorzugsweise dazu verwendet, das Empfänger-Gatter 24 während der Aus-Zeiten des HF-Senders einzuschalten, so daß Resonanzsignale, die von der Auffangspule 15 aufgenommen werden, durch das Empfänger-Gatter zum Vorverstärker 17 und Empfänger 22 laufen, aber kräftige HF-Sender-Impulse vom Vorverstärker 17 und Empfänger 22 blockiert werden.

Der Feldfrequenzkontrollkanal 14· weist eine Einrichtung auf, mit der die Resonanz einer Kontrollgruppe von magnetischen Kernresonanzkörpern angeregt und detektiert wird, die im Probenbereich 13 angeordnet ist, um ein Signal abzuleiten, mit der die Größe des Polarisationsfeldes Hq auf einen vorgegebenen Wert kontrolliert werden kann, der mit der Resonanzfrequenz der bekannten Feldfrequenzkontroll-Probe in Beziehung steht. Genauer gesagt, der Feldfrequenzkontrollkanal 14- weist eine HF-Anregungsund Detektorspule 31 auf, die koaxial zur Analysenproben-Spule 15 angeordnet ist, wobei die Spule 31 axial in zwei gleiche Teile getrennt ist, die an entgegengesetzten Enden der Analysespule 15 angeordnet sind. Die Spulenteile 31 sind gegensinnig relativ zum durch sie fließenden Reihenstrom gewickelt, so daß die HF-Felder, die von den getrennten Teilen erzeugt werden, sich im durch die Analysespule 15 begrenzten Bereich auslöschen. Das wird bei einer Ausführungsform dadurch erreicht, daß dafür gesorgt wird, daß die beiden Hälften der Feld-Frequenz-HF-Spule im Kompensationssinn gewickelt sind, so daß das in jeder Hälfts erzeugte magnetische HF-Feld sich in der Mitte der Analysespule I5 auslöscht. Die FeId-

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Frequenz-KF-Spule 31 ist mittels Kondensatoren 30 und 32 bei der magnetischen Kernresonanzfrequenz der Kontroll-Kerngruppe abgestimmt und an 50 Ohm Impedanz angepaßt.

Die abgestimmte Feld-Frequenz-Kontrollspule 31 ist über eine Koaxialleitung 34- an einen Knoten zwischen einem Kontroll-HF-Sender 35 und einem Kontroll-HF-Vorverstärker 33 und Empfänger 36 und zwischen entsprechenden Gattern 37 und 33 angekoppelt. Die Gatter 37 und 38 arbeiten in der gleichen Weise wie die Gatter 23 und 24, um die Senderpulse mit den empfangenen Impulsen von der Kontrollgruppe der kernmagnetischen Resonatoren zeitzumultiplexen.

Das Gleichstrom-Resonanzsignal, das vom Ausgang des Kontroll-HF-Empfängers 36 abgeleitet wird, wird einer Feld-Frequenz-Kontrolle 38 zugeführt, um einen Ausgang abzuleiten, mit dem ein Satz nicht dargestellte elektromagnetische Spulen getrieben wird, der dazu verwendet wird, die Gesamtgröße des Magnetfeldes Kq zu kontrollieren. Das von der Feld-Frequenz-Kontrolle 38 abgeleitete Feld-Frequenz-Kontrollsignal hat eine solche Größe und ein solches Vorzeichen, das die Resonanz der Feld-Frequenz-Kontroll-Gruppe von kernmagnetischen Resonatoren aufrechterhalten wird, so daß die Stärke des magnetischen Polarisationsfeldes H_Q mit der Resonanz der Kontrollgruppe der kernmagnetischen Resonatoren verrastet ist. Ein Impulsgeber 29 treibt das Empfängergatter 38, so daß der Empfänger während der Aus-Zeit des HF-Senders 35 ein-gegattert wird.

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In Pig. 2 ist die Gatterschaltung dargestellt, mit der die Signale, die von der Resonanzdetektorschaltung in der Sonde 20 aufgefangen werden, zum Vorverstärker 17 und Empfänger 22 gegattert werden. Die Gatterschaltung/weist zwei parallele Zweige 4-1 und 4-2 auf, wobei jeder Zweig aus einer Reihenschaltung von PIN-Dioden 4-3 besteht und jeweils ein Kontrollknoten 4-4- oder 4-5 zwischen jedes der Diodenpaare und den Impulsgeber 29 über HF-Isolierwiderstände 46 geschaltet ist. Die Dioden 4-3 im ersten Parallelzweig 4-1 sind relativ zum Kontrollknoten 4-4- so gepolt, daß ein positiv gehender Impuls (Spannungsverlauf a) dazu dient, die Dioden in den nicht-leitenden Betrieb (AUS) vorzuspannen, während ein negativ gehender Impuls am Kontrollknoten 4-4 die Dioden im Zweig 4-1 leitend macht. Umgekehrt, die Dioden im zweiten Zweig 4-2 sind relativ zu ihrem Kontrollknoten 4-5 so gepolt, daß ein negativ gehender Impuls (Spannungsverlauf b) die Dioden 4-3 im zweiten Zweig 4-2 nicht leitend macht oder in den AUS-Betrieb vorspannt.

Der Impulsgeber 29 dient dazu, Steuerimpulse gleicher Größe und entgegengesetzten Vorzeichens an die jeweiligen Kontrollknoten 4-4- und 4-5 zu liefern, wie sie als Spannungsverläufe a bzw. b dargestellt sind, um das Gatter 24- EIN bzw. AUS vorzuspannen. Auf diese Weise löschen sich Schaltvorgänge, die dazu neigen, durch das Gatter 24- in den Eingang des Vorverstärkers und den HF-Empfänger 22 zu lecken, wie in Spannungsverläufen c und d dargestellt, sich gegenseitig dadurch aus, daß gleiche und entgegengesetzte vorübergehende Einschwingvorgänge im Eingang zum Vorverstärker und Empfänger 22 erzeugt werden, so daß Schalt-Störimpulse nicht in den Vorverstärker 17 und Empfänger

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gekoppelt werden. Das Sendergatter 23 besteht lediglich aus einer Parallelschaltung von entgegengesetzt gepolten Dioden 48, die EIN geschaltet werden, wenn
die HF-Senderspannung einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.

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Leerse ite

Claims

Vl P470 D Patentansprüche

1.!Spektrometer für die magnetische Kernresonanz mit ■ einer Probenschaltungseinrichtung, die in Austauschbeziehung hinsichtlich hochfrequenter Magnetfelder mit einem Probenbereich angeordnet ist, der eine Gruppe kernmagnetischer Resonatoren enthalten kann, um die Resonanz der Gruppe kernmagnetischer Resonatoren anzuregen und zu detektieren, einer Empfängereinrichtung zur Aufnahme und Verstärkung von Resonanzsignalen, die von der in Resonanz befindlichen Gruppe magnetischer Kernresonatoren in die Sondenschaltung gekoppelt sind, und einer Gatterschaltungseinrichtung, die mit der Sondenschaltungseinrichtung und der Empfängereinrichtung zusammengeschaltet ist, um den Fluß elektrischer Signale zwischen der Sondenschaltungseinrichtung und der Empfängereinrichtung EIN und AUS zu gattern, dadurch gekennzeichnet, daß die Gatterschaltungseinrichtung zwei parallel zueinander geschaltete Gatterschaltungs-Zweigeinrichtungen aufweist, die zwischen die Sondenschaltungseinrichtung und die Empfängereinrichtung geschaltet sind, daß jede der beiden Gatterschaltungs-Zweigeinrichtungen eine Reihenschaltung aus zwei Gatterdiodeneinrichtungen aufweist, eine Kontrollknoteneinrichtung zwischen jedes Paar Gatterdiodeneinrichtungen geschaltet ist, um ein Kontrollpotential

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