DE3020385A1

DE3020385A1 - Nmr-diagnose-geraet

Info

Publication number: DE3020385A1
Application number: DE19803020385
Authority: DE
Inventors: Raimo Erik Dipl Ing Sepponen
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Instrumentarium Oyj
Priority date: 1979-06-01
Filing date: 1980-05-29
Publication date: 1980-12-11
Also published as: JPS561342A; FI58868C; GB2052069B; FI58868B; SE8004075L; FI791770A; GB2052069A

Description

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NMR-Di agnose-Gerät

Die Erfindung betrifft ein NMR-Diagnose-Gerat gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

NMR bedeutet dabei kernmagnetische Resonanz. Schon vor Jahrzehnten ist das NMR-Prinzip für chemische Analysemethoden angewendet worden. Der Vorgang basiert dabei auf der Verhaltensweise bestimmter Atome und zwar im Sinne kleinster Magnete. Diese "Magnete" können wie allgemeine Magnete mit Hilfe eines äußeren Magnetfeldes gesteuert bzw. beeinflußt werden. Wenn ein zu untersuchender Gegenstand , der solche Atome (Protonen) enthält, in ein starkes Magnetfeld gebracht wird, richten sich die Mehrzahl dieser von Protonen gebildeten "Magnete" parallel zum Felde aus. Die Protonen befinden sich dann auf ihrer niedrigsten Energiestufe und demgemäß befindet sich die innere Energie des Untersuchungsobjektes auf einem Minimum. Es ist jedoch möglich, mit elektromagnetischer Strahlung das Objekt zu bestrahlen und damit die Energiestufe anzuheben. Protonen sind jedoch nicht in der Lage, Energie anders als in Quanten einer gegebenen Größe aufzunehmen. Die Quaitengröße hängt dabei vom äußeren Magnetfeld ab.

E = V χ Bo worin
V = Konstante

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- 5 Bo = äußeres Magnetfeld.

Mit diesem Quant korrespondiert eine elektromagnetische Strahlung, die die Frequenz

f = B/h hat, wobei h = Konstante
£ = Frequenz
E = Quantenenergie

Mit anderen Worten, die Erregungsfrequenz ist direkt proportional der Stärke des Magnetfeldes

f = k χ Bo k = v/h = konstant

In gleicher Weise senden Protonen, wenn sie auf eine niedrigere Energiestufe zurückgehen, eine elektromagnetische Strahlung aus, mit einer Frequenz, die direkt proportional dem äußeren Magnetfeld ist. Wenn demgemäß ein Untersuchungsobjekt in ein Magnetfeld mit variierender Stärke an bestimmter Stelle plaziert wird, ist man in der Lage, bestimmte Protonen zu erregen oder ein von den Protonen an bestimmter Stelle ausgest-rahltes Signal zu empfangen. Hierauf beruhen ' verschiedene Bildausbildungsverfahren, mit deren Hilfe die Protonendichte in verschiedenen Teilen des untersuchten Körpers darstellbar ist.

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Das vom Untersuchungsobjekt erhaltene Signal enthält auch Informationen über das Gewebe, von dem es erzeugt wird. Bin NMR-Signal S, das von einem biologischen Gewebe ausgeht, ist wie folgt definiert:

S = 1"T₂Zt₁ wobei

"t" = Protonendichte

T₂ = Spin-Spin-Relaxationszeit

T^ = Spin-Ambienz - Relaxationszeit

T₁ enthält die Information der Umgebung, in die die Protonen das innewohnende Signal emittieren. Die Frequenz des NMR-Signals hängt auch ab von der Art der Bindung der Protonen zu den Umgebungsatomen (sogenannte Chemical Shift), mit der es möglich ist, bspw. zwischen ungebundenen anorganischem Phosphor und bspw. an ATP gebundenen Phosphor zu unterscheiden, (ATP ist dabei Adenosin Triphosphat, der Energiespeicher biologischer Zellen. Wenn die Zelle Energie verbraucht, teilt sich das ATP in ATP und freien Phosphor).

Duch Bestimmung des durchschnittlichen Verhältnisses von gebundenem und freiem Phosphor in einem Gewebe ist es möglich, auf die Ernährungszufuhrsituation der Zellen zu schließen. Es ist demgemäß möglich, bspw. zwischen Infarkt- und gesundem Gewebe im Herzmuskel zu unterscheiden oder die Reaktion eines

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Organismus auf ein Nierentransplantat darzustellen.

Die bekannten NMR-Darstellungsgeräte, von denen welche in GB und in USA entwickelt worden sind, sind jedoch sehr teuer und verlangen lange Bild- bzw. Darstellungsausbildungszeiten von mehrfachen lo-Minuten-Dauer. Es ist möglich, mit solchen Verfahrensweisen wie bei der comupterisierten Röntgenstrahlen-Tomographie Querschnittsbilder vom menschlichen Körper herzustellen. Klinisch gesehen ist jedoch eine solche Bildausformung nicht unerläßlich: Es würde vollkommen ausreichen, wenn man einen bestimmten Teil des Körpers, bspw, die Leber oder die Nieren zu untersuchen in der Lage wäre.

Ein Gerät der eingangs genannten Art ist bspw. durch die US-PS 3 789 832 bekannt. Mit einem solchen Gerät versucht man, durch Elemente zur NMR-BiIdausbildung eine Darstellung des ganzen Körpers zu erreichen, um eine bösartige Geschwulst auf Basis der Unterschiede zwischen bösartigen Krebsgeschwulst- und Normalgewebe festzustellen, was durch die Veränderungen der Relaxationszeiten im NMR-Signal deutlich wird und gesehen werden kann. Bei bösartigen Geweben ist die oben erwähnte Relaxationszeit wesentlich kurzer als bei gesundem Gewebe.

Die teuerste Komponente in einem NMR-Gerät bekannter Art sind die Blöcke zur Erzeugung des Magnetfeldes. Die erforderliche

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Feldstärke liegt zwischen o,l und o,2 T, die einer Protonenfrequenz von 4-8 MHz äquivalent ist. Es ist deshalb möglich, den Preis derartiger Geräte durch Vereinfachung der Elemente zur Erzeugung des Magnetfeldes wesentlich zu reduzieren.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein NMR-Diagnose-Gerät zu schaffen, das an Stelle einer Bild-Ausbildung nach dem "Muster-Prinzip" arbeitet, um wesentlich einfachere und preiswertere Elemente als zuvor für die Erzeugung des Magnetfeldes vorsehen zu können, und der Kliniker in die Lage versetzt wird, jeden gewünschten Gewebebereich zu untersuchen und die Veränderungen darzustellen, die in solchen Geweben stattfinden.

Diese Aufgabe ist mit einem Gerät der eingangs genannten Art nach der Erfindung durchdas im Kennzeichen des Anspruches 1 Erfaßte gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich nach den Unteransprüchen.

Ein erfindungsgemäß derart ausgebildetes Gerät erfordert einen Preis, der nur einen Bruchteil dessen von Geräten ausmacht, die nach der Bild-Ausbildungsmethode für eine Totaldarstellung des Körpers ausgehen, weil bspw. ein extensives, homogenes Magnetfeld, das bei dieser Methode erforderlich ist, nicht benötigt wird. Ebenfalls sind die Anordnungen für komplexe Magnetfeldgradienten nicht erforderlich. Des weiteren ist die

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Signalverarbeitung wesentlich einfacher und ferner ist u.a. die erforderliche Computerspeicherkapazität beträchtlich reduziert.

In der Praxis ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Gerät im Sinne des Anspruches 2 auszubilden.

Auf diese Weise wird durch eine einfache Geräteeinstellung sichergestellt, daß eine magnetische Feldstärke vorbestimmter Gräße nur an einem Punkt herrscht, der lokal begrenzt ist und dessen Lage exakt genau bekannt ist. Dieser Punkt bzw. diese Stelle befindet sich mit einer . gegebenen Distanz zum Zentralpunkt der Spule auf der Spulenmittelachse, mit der die Drehachse des Permamentmagneten zusammenfällt.

Das erfindungsgemäße Gerät und seine vorteilhaften Weiterbildungen werde nachfolgend an Hand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen stark schematisiert

Pig. 1 die Felddarstellung eines einfachen Solenoidmagneten mit einem Supraleiter;

Fig. 2 die Zuordnung der Gerätemagneten zur Erzeugung des zu benutzenden Magnetfeldes und

Fig. 3 das erfindungsgemäße Diagnosegerät in Seitenansicht.

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Wie aus Fig. 1 erkennbar, wird die erforderliche Feldstärke mit bspw. o,l T in einer Diatanz von ca. 35 cm vom Zentralpunkt des Solenoiden 1 auf dessen zentraler Achse erhalten. Ein Magnet dieser Art ist außerordentlich einfach herzustellen, wobei dessen Feldverlaufsmuster derart beschaffen ist, daß sich die Feldstärke von o,l T über einen breiten Bereich erstreckt. Ein solches Feld ist allein für eine NMR-Analyse nicht brauchbar, weil nicht bekannt ist, von welchem Punkt des Feldes das NMR-Signal erhalten wird. Aus diesem Grunde wird das Feld im Gerät derart modifiziert, daß nur ein gegebener Punkt die Forderungen erfüllt, die für die Erzeugung des NMR-Signals erforderlich sind. Die einfache und kostengünstige Lösung dieses Problems besteht in der Benutzung einer Art "Feldmühle", wobei durch mechanische Bewegung Störungen hervorgerufen werden, die das Feld außerhalb des gewünschten Bereiches zerwürfein bzw. stören. In Fig. 2 ist die praktische Verwirklichung einer solchen "Feldmühle" verdeutlicht. Unter dem Solenoidmagneten 1 ist eine ferromagnetische Stange 2 angeordnet, die von einem Motor 3 gedreht wird und die, wenn sie sich dreht, das Feldmuster lokal und zyklisch verändert, und zwar überall außer auf der Linie 4, die zwischen dem Zentralpunkt des Solenoiden 1 und der Stange 2 verläuft. Demgemäß ist das Feld nur in dieser Linie stabil, und nur diese Linie genügt den Bedingungen für die Erzeugung des NMR-Signals. Längs der Linie 4 ist ein stabiler Feldgradient wirksam, wobei

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die Untersuchungsstelle bzw. der Untersuchungspunkt auf der Linie 4 mit Hilfe der Frequenz des erregten Signals ausgewählt werden kann. Das Ganze ist demgemäß so zu verstehen, daß mit Hilfe der Magnetanordnung eine "Muster"- bzw. Untersuchungslinie 4 gebildet werden kann, auf der jeder Punkt untersuchbar ist.

Ein darauf basierendes Gerät ist stark schematisiert in Fig. verdeutlicht. In diesem Gerät ist der Magnet 1, der das Feld erzeugt, am Rahmen 7 befestigt, in dessen unteren Teil der Rotor 2 angeordnet ist, der die "Feldmühle" bildet und vom Motor 3 angetrieben wird. Der zu untersuchende Patient 5 ruht auf der verstellbaren Auflagefläche 6, die vom Lager 8 getragen wird. Ferner sind am Rahmen 7 die Sender- und Empfängerspulen 9 angeordnet. Am Magneten 1 befindet sich eine LichtquelleIo, die einen Lichtstrahl erzeugt, und zwar längs einer Verbindungslinie zwischen dem Magnet Io und der Stange 2. Dieser Lichtstrahl ermöglicht die Lokalisation der Untersuchungsstelle am Patienten.

Diese Geräteausbildung und Anordnung ist mit folgenden Vorteilen verbunden:

a) einfache Form und Ausbildung des Magneten zur Bildung des Magnetfeldes;

b) die Selektivität des Feldes wird durch ein einfaches und

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billiges Teil des Gerätes erreicht, nämlich eine Stange aus ferromagnetischem Mterial, und zwar im Gegensatz zu früher erforderlichen teueren und komplexen Gradientenspulen;

c) es muß kein Versuch gemacht werden, ein Bild des Untersuchungsgegenstandes zu bilden, sondern es wird eine NME-Analyse der gewünschten Körperpartie durchgeführt.

Die "Feldmühle" bzw. die rotierende Stange 2 muß natürlich nicht, wie dargestellt, angeordnet sein. Sie kann symmetrisch zum Magneten Io entweder seitlich oder über ihm angeordnet sein. Das Gerät kann auch bspw. und insbesondere für die Bestimmung und Untersuchung lokaler Blutkoagulationen benutzt werden, weil solche Blutkoagulationen einen Einfluß auf die Veränderung des Verhältnisses ^Ττ/^Τ2 ^^er Relaxationszeiten haben, verglichen mit dem äquivalenten Verhältnis von nicht koaguliertem Blut und Umgebungsgewebe. Da im Gerät bzw. mit dem Gerät eine konstante Magnetfeldintensität vorbestimmter Größe exakt lokalisierbar ist, können selbst kleine koagulierte Bluteinschlüsse sehr schnell lokalisiert und bestimmt werden.

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Claims

Instrmentarium Oy (13 970) Elimäen Katu 22 005I0 Helsinki 51 Patentansprüche:

1.) NMR-Di agnose-Gerät, bestehend aus Elementen zur Erzeugung eines Magnetfeldes am Untersuchungsobjekt, aus einem Sender für die Übertragung hochfrequenter, elektro-magnetischer Strahlung auf das Untersuchungsobjekt, aus einem Empfänger für das vom im Magnetfeld bestrahlte Untersuchungsobjekt ausgehender NMR-Signal und aus Elementen zur Verarbeitung und Analyse des Signals, dadurch gekennzeichnet , daß zur Erzeugung des Magnetfeldes ein erstes Element (l) zur Erzeugung eines inhomogenen magnetischen Feldes und ein zweites Element (2) vorgesehen ist, das mit Hilfe mechanischer Bewegung kontinuierlich die Stärke des inhomogenen Feldes modifiziert, und zwar außer der Untersuchungsobjektlinie (4), die durch die Untersuchungsstelle läuft, in der die konstante Feldstärke vorgegebener, bei NMR-Diagnostik üblicher Intensität innerhalb eines kleinen, lokal umschreibbaren Bereiches vorhanden ist, der genau angezeichnet worden ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (l) als Solenoid-Magnet mit einem Supraleiter ausgebildet ist und seine

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ORIGINAL INSPECTED

Ach.se (ll) rait der Untersuchungsobjektlinie (4) zusammenfällt und daß das zweite Element (2) zur Erzeugung einer sich kontinuierlich verändernden Feldstärke ein drehbares Teil aus ferromagne ti schein Material aufweist, dessen Drehachse mit der Untersuchungsobjektlinie (4) zusammenfällt.

3. Gerät nach Anspruch 2, d a du r c h gekennzeichnet, daß das drehbare Teil des zweiten Elementes (2) in Form einer Stange ausgebildet ist, deren Drehachse senkrecht zur Längsachse der Stange steht.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (1,2) und die Auflagefläche (6) für das Untersuchungsobjekt relativ zueinander verstellbar ausgebildet sind.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche (6) verstellbar im Rahmen (7) des Gerätes angeordnet ist.

6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender- und Empfängerwicklung (9) im Rahmen (7) in Bezug auf das erste und zweite Element (1,2) stationär angeordnet ist.

7. Gerät nach Anspruch 2 und 4 oder 5, dadurch g e -

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kennzeichnet , daß das erste Element (l) bzw. der Solenoid-Magnet und das zweite Element (2) bzw. die drehbare Stange auf entgegengesetzten Seiten der Auflagefläche (6) angeordnet sind.

8. Gerät nach jedem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß stationär in Bezug auf die Elemente zur Erzeugung des Magnetfeldes am Gerat eine Lichtquelle (lo) zur Markierung der Untersuchungsobjektlinie (4) vorgesehen ist.

9. Gerät nach jedem der Ansprüche 1 bis 8 zur Verwendung der Feststellung und Untersuchung von likalen Blutkoagulationen .

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