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Gerät zur Ausmessung der Kernspinresonanz von Proben Die Erfindung
betrifft ein Gerät zur Ausmessung der bildgebenden Kernspinresonanz nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. Geräte dieser Art sind z.B. beschrieben in Nature Vol. 242,
March 16, 1973, Seiten 190/191.
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Bei den bekannten Geräten zur Ausmessunge der bildgebenden Kernspinresonanz
von Proben wird immer ein Gleichfeldmagnet zur Erstellung des Grundfeldes verwendet.
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Dies beruht offensichtlich darauf, daß an die zeitliche Konstanz des
Feldes hohe Ansprüche gestellt werden müssen, wenn nicht eine Synchronisierung der
Arbeitsfrequenz an das Magnetfeld erfolgt.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, bei einem Gerät nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 bei gleichbleibenden Verlusten in der Spule eine Erhöhung
des Feldes zum Zeitpunkt der Messung und zugleich eine Reduzierung der Verluste
im Stromversorgungsgerät zu erzielen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Durch die Verwendung eines Wechselfeldmagneten zur Erzeugung des Grundmagnetfeldes
und Signalerfassung wenigstens in der Nähe eines Extrempunktfeldes wird bei gleichbleibenden
Verlusten in der zur Erzeugung des Feldes verwendeten Spule die Feldamplitude um
den
Faktor 2 größer als in einem entsprechenden Gleichfeld. Außerdem
werden die Verluste im Stromversorgungsgerät wegen der Resonanzüberhöhung reduziert.
Dies ist so erklärbar, daß entsprechend der Güte des zur Erzeugung des Wechselfeldes
erforderlichen Schwingkreises Energie nur zwischen Kondensator und Spule pendelt.
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Die Verluste in der zur Felderzeugung verwendeten Spule müssen allerdings
gedeckt werden. Sie stimmen mit denjenigen überein, die auch beim Gleichfeldmagneten
hinzunehmen sind.
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Durch Überlagerung von Gleich- und Wechselfeldanteilen können auf
einfache Art unmittelbar nacheinander, d.h.
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im Abstand aufeinanderfolgender einzelner bzw. mehrerer halber Perioden,
Messungen der Kernspinresonanz erfolgen. Zur Erzeugung derartig überlagerter Felder
ist es lediglich notwendig, der Felderzeugungsspule zusätzlich zum Wechselstrom
auch einen Gleichstromanteil zuzuführen. Durch-die Messung bei periodisch veränderten
Feldstärken unterschiedlicher Höhe können zwei Feldstärken-NNR-Bilder analog zur
Zwei-Energie-Methode der Röntgentechnik bei quasi simultanen Signalmessungen bei
beiden Feldstärken erhalten werden. Ohne die Überlagerung von Gleich- und Wechselfeld
geht das nicht, weil dann beide Feldextremalwerte gleich sind bei nur umgekehrten
Vorzeichen des Feldes.
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Bei der Signalerfassung bei verschiedenen Feldstärken wird davon ausgegangen,
daß aus dem Unterschied zwischen den für beide Feldstärken anfallenden Relaxationszeiten
T1 ein weiteres Maß für die Biochemie des untersuchten Materials erhalten werden
kann. Dies ist aufgrund von in vitro Messungen an Gewebsproben zu erwarten (s. z.B.
Phys. Med. Biol. 25, 748 (1980)).
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Die Frequenz des benutzten Wechselfeldes ist so anzusetzen, daß die
Gleichgewichtsmagnetisierung der zu untersuchenden Probe wenigstens im wesentlichen
folgen kann, d.h. es ist von einer Frequenz auszugehen, die kleiner als ca. 1/T1,
also z.B. bei Protonen im biologischen Gewebe in der Regel kleiner als 1 Hz, ist.
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Als Amplitude ist eine Schwingung von 0,3 T (Tesla) anzusetzen, weil
entsprechende Verlustleistungen nach dem Stand der Technik gut zu verkraften sind.
Als Spanne, in welcher sich die Amplitude befinden kann, ist 0,1 bis 0,5 T anzusehen,
je nach dem vertretbaren technischen Aufwand in bezug auf Kühlung, Stromversorgung
und Stabilität gegen magnetische Kräfte.
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Im Hinblick auf die Meßdauer der Relaxationszeit braucht keine Rücksicht
auf die Magnetfeldfrequenz genommen zu werden. Sie braucht also nicht unbedingt
so niedrig gewählt zu werden, daß bei Erreichung der Spitzenwerte das Magnetfeld
über einen der Relaxationszeit entsprechenden Zeitraum als konstant angesehen werden
kann.
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Die Anregungs-Hochfrequenz sowohl als auch die zur Signalerfassung
dienende Referenz-Frequenz können an den Verlauf des Magnetfeldes angebunden werden.
Sie können sozusagen von dem Magnetfeld mitgezogen werden. Die Basis für eine derartige
Steuerung kann eine zusätzliche Kernspin-Resonanz-Sonde sein, die sich ebenfalls
im Feld befindet.
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Die Signalerfassung bei nicht konstantem Gleichfeld führt zu einer
Misch-Relaxationszeit, die für die Biochemie eines vorgegebenen Materials ebenfalls
im Sinne einer Differenzierung verschiedener Gewebe charakteristischer sein kann
als eine einzelne Relaxationszeit.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
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In der Figur 1 ist in einem Übersichtsschaltbild schematisch die
Funktion der Erfindung dargestellt, in der Figur 2 anhand eines Daigramms die Lage
von Meßpunkten und in der Figur 3 die Anordnung der Meßpunkte sowie die Überlagerung
von Gleich- und Wechselfeldern bei der Erzeugung des Grundfeldes.
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In der Figur 1 ist mit 1 ein Netzgerät bezeichnet, von welchem aus
die Spulen 2 bis 5 zur Erzeugung des Grundmagnetfeldes betrieben werden. Gradientenspulen
sind mit 6 und 7 bezeichnet, während mit 8 eine Hochfrequenzspule symbolisch dargestellt
ist. Aus einem Versorgungsgerät 9 werden die Gradientenspulen 6 und 7 versorgt,
während die Versorgung der HF-Spule 8 von einem Oszillator 10 aus erfolgt, der über
einen Modulator 11 an einen Sendeverstärker 12 zur Erzeugung von HF-Impulsen anschließbar
ist. Die Signalabnahme erfolgt ebenfalls von der HF-Spule 8 über einen Signalverstärker
13 und einen phasenempfindlichen Gleichrichter 14, der als Referenz über eine Leitung
15 auch Signale vom HF-Oszillator 10 erhält. Vom Gleichrichter gelangt das Signal
auS einen Prozeßrechner 16, von dem aus Signale an ein Bildschirmgerät 17 abgegeben
werden können, so daß es zu einem sichtbaren Bild kommt. Der Prozeßrechner ist aber
außerdem zur Steuerung der Gradientenstromversorgung 9 und zur Steuerung des Modulators
11 ausgelegt, wie durch Leitungen 18 zur Stromversorgung 9 und 19 zum Modula-
tor
11 angedeutet ist. Den Magnetspulen 2 bis 5 ist eine Meßsonde 20 zugeordnet, von
der aus über eine Leitung 21 eine Ansteuerung des HF-Oszillators im Sinne einer
Synchronisation der Signalerzeugung erfolgen kann.
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Der Betrieb der Spulen 2 bis 5 zur Erzeugung des Grundfeldes kann
über einen der beiden Teile 22 oder 23 des Stromversorgungsgerätes 1 erfolgen, indem
entsprechende Schalter 24 bzw. 25 geschlossen werden, die zu einer Leitung 26 zu
den Spulen 2 bis 5 führen. Zur Bildung eines Resonanzkreises ist die Leitung 26
über einen Kondensator 27 geerdet, ebenso wie das Ende der Spule 5.
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Beim Schließen des Schalters 25 erfolgt die Anregung der Spulen 2
bis 5 in bekannter Weise aus dem einen Gleichspannungsgenerator darstellenden Teil
22 des Stromversorgungsgerätes. Wird andererseits der Schalter 24 geschlossen, erfolgt
die Versorgung aus dem einen Wechselstromgenerator darstellenden Teil 23. Bei Schließung
beider Schalter kann außerdem eine überlagerte Anregung der Spulen 2 bis 5 im Sinne
obiger Beschreibung erfolgen. Die beiden als Gleichstrom- bzw. Wechselstromgenerator
wirkenden Teile 22 und 23 der Stromversorgung 1 sind einstellbar, so daß verschieden
starke Felder in den Spulen 2 bis 5 zur Anpassung an einen gewünschten Meßvorgang
wählbar sind.
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Kernspin-Untersuchungen können z.B., wie in der eingangs genannten
Literaturstelle von Lauterbur dargestellt, zur Erstellung von kernspintomographischen
Bildern benutzt werden. Dazu wird ein zu untersuchender Patient 28 in die HF-Spule
8 eingebracht, über die Spulen 2 bis 5 unter Benutzung einer aus den Teilen 22 oder
23 entsprechend über 24 oder 25 eingeschalteten Spannung ein Magnetfeld angelegt
und eine bekannte Schaltsequenz der Feldgradienten und HF-Impulse zur Bilderzeugung
angewendet.
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Schließlich wird aus dem Rechner 16 eine entsprechende Signalfolge
auf das Bildschirmgerät 17 abgegeben, so daß dort das gewünschte tomographische
Bild aus dem Körper des Patienten 28 sichtbar wird.
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In der Figur 2 ist in der Ordinate 30 die Feldstärke und in der Abszisse
31 die Zeit aufgetragen. Das in den Spulen 2 bis 5 erzeugte Magnetfeld erhält dann
einen Verlauf entsprechend der Kurve 33, d.h. bei Anwendung eines sinusförmigen
Stromes aus dem Teil 23 des Versorgungsgerätes 1 wird eine sinusförmige Schwingung
erreicht, die im vorliegenden Beispiel bei 1 Hz liegt.
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Die Höhe der Maxima und Minima beträgt gegenüber der im Nulldurchgang
gezeichneten Abszisse 31 +0,3 T bzw.
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-0,3 T. Damit ist an den Extrema 34, 35 und 36 eine Messung bei hohem
Magnetfeld möglich.
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In der Figur 3 ist in einem der Figur 2 entsprechenden Diagramm die
Durchführung einer Messung bei Gleich- und Wechselfeldüberlagerung aus 22 und 23
dargestellt. Durch eine gestrichelte Linie ist dabei die Anhebung des Grundmagnetfeldes
mittels der Gleichspannung aus 22 dargestellt. Sie beträgt z.B. 0,35 T. Die eigentliche
Schwingung entsprechend der Linie 33' liegt entsprechend der Anhebung des Untergrundes,
wie durch die gestrichelte Linie 37 angedeutet, oberhalb der Abszisse 31, die durch
den Nullpunkt der Feldstärke führt. Die Schwingungen der Feldstärke stimmen mit
derjenigen nach Figur 2 überein.
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Es ergibt sich lediglich eine Verschiebung der Kurve nach 31' und
der Extrema nach 34', 35' und 36' um die Anhebung von 31 auf 37. Dadurch ermöglichen
sich auch Messungen bei zwei unterschiedlichen Feldstärken, da jetzt die Extremwerte
der Kurve bei verschiedenen Absolutbeträgen der Feldstärke liegen.
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3 Figuren 3 Patentansprüche
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