DE3140496A1 - Verfahren zur bestimmung der lokalen temperatur eines objektes - Google Patents

Description

• "Verfahren zur Bestimmung der lokalen Temperatur
• eines Objektes" Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung lokaler Temperaturen eines Objektes.
• Derartige Verfahren werden insbesondere dann benötigt, wenn das Objekt nicht oder nur schwer zugänglich ist 2 z.B. in aggressiver Umgebung oder in Räumen mit gif tiger Atmosphäre Auch chemische Prozesse kommen dafür in Frage, wie Z. B. das Vulkanisieren, Polymerisieren oder Schäumen.
• Ein besonders interessantes Anwendungsgebiet sind jedoch organische Gewebe. So muß z.B. bei der Krebstherapie durch Hyperthermi der Tumor auf 42 bis 450C aufgeheizt werden. Dabei sind eine genaue Messung und Kontrolle im Tumor nötig. Dazu ist es üblich, dies Aufgabe durch Sonden, die in den Tumor eingeführt werden, oder durch Mikrowellen-Thermographie zu lösen. Der Nachteil der ersten Methode besteht darin9 daß der Tumor für jede Messung wieder neu geöffnet werden muß. Mit der zweiten Methode ist dagegen eine lokale Temperaturmessung nicht möglich.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Bestimmung lokaler Temperaturen eines Objektes zu schaffen, das sich insbesondere zur Messung unter ungünstigen Bedingungen eignet.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wurde zunächst versucht, die Temperaturabhängigkeit der ferromagnetischen E diganschaften magnetischer Materialien dadurch auszunutzen, daß geeignete Körper aus derartigen Materialien in solche Räume eingebracht und Änderungen einer Materialeigenschaft in Abhängigkeit von der den magnetischen Körper umgebenden Temperatur gemessen werden. Es zeigte sich dabei aber, daß derartige Änderungen in einem verhältnismäßig großen Temperaturbereich erfolgen (Curiepunkt), wodurch eine genaue Temperaturmessung unmöglich ist. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten, diesen Curiepunkt in den oben genannten interessierenden Temperaturbereich zu legen.
• Die Erfindung schlägt daher einen anderen Weg ein, nämlich die Temperaturabhängigkeit der ferromagnetischen Resonanzfrequenz eines geeigneten Materials auszunutzen.
• Die erfindungsgemäße Lösung besteht demzufolge darin, daß in den zu untersuchenden Raum ein Ferritkörper eingebracht wird und dessen temperaturabhängige ferromagnetische Resonanzfrequenz in einem äußeren Magnetfeld gemessen wird.
• Als besonders geeignet haben sich hierfür Kugeln aus geeignet substituiertem einkristallinem Yttrium-Eisen-Granat (YIG) erwiesen. Jedoch kann auch geeignet substituiertes polykristallines YIG verwendet werden.
• Zweckmäßigerweise wird der Ferritkörper so eingebracht und gelagert, daß er sich im angelegten Magnetfeld frei drehen kann, z.B. durch Kapselung.
• Durch geeignete und bekannte Mittel wird zum Vergleich das äußere Magnetfeld gemessen. Besonders vorteilhaft ist es, für diese Messung einen zweiten Ferritkörper aus geeignet substituiertem polykristallinen YIG zu benutzen, dessen ferromagnetische Resonanzfrequenz jedoch temperaturunabhängig ist Dieser kann sogar gemeinsam mit dem ersten Ferritkörper in den Raum eingebracht werden Der vorgeschlagene eiristalline YIG ist durch besonde niedrige magnetische Verluste ausgezeichnet und besitzt damit eine kleine Linienbreite der ferromagnetischen Resonanz. Solche Ferritkörper werden als frequenzbestimmende Elemente bereits in vielen Mikrowellenschaltungen verwendet. Die Resonanzfrequenz f einer Kugel ist gegeben durch: f = #(H0 + HA) wobei # = 2,8 MHz/Oe eine Konstante, H0 das außen angelegte Magnetfeld und HA das interne, temperaturabhängige Anisotropiefeld sind.
• Bei medizinischen Anwndungen sollte die Meßfrequanz nicht über 2 CHz liegen, da sonst die Verluste im Gewebe zu groß werden. Damit sind an H0, Ha und an die Sättigungsmagnetisierung 4# M folgende Forderungen zu stellen. H0 muß größer als 4# M/3 sein, damit die Kugel magnetisch gesättigt ist. 4# M sollte also klein sein, damit bei niedrlige Frequenz gemessen werden kann. Dadurch wird gleicht zeitig die Forderung an H, einen großen Temperaturkoeffizienten zu besitzen, erfüllt (siehe P. Hansen : Anisotropy and Megnetostrietion of Gallium-Substituted Yttrium Iron Garnet. J. Appl. Phys. 45, 3638 (1974)). Andererseits sollte 4# M groß gewählt werden, um eine starke Kopplung an die Mikrowellen zu erreichen. Ein grter Kompromis ist zu erzielen, wenn men durch Ga-Substitution die Sättigungsmagnetisierung auf etwa 500 bis 1000 G einstellt.
• Die Temperaturabhängigkeit liegt dann bei einigen MHz/Grad, so daß eine Auflösung von 0,1 Grad erreicht werden kann. Da der Ferritkörper einen Durchmesser von höchstens 1 mm haben muß, kann er während der gesamten Untersuchungsdauer im Objekt verbleiben.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der Ferritkörper so gelagert werden, z.B. durch geeignete Kapselung, daß er sich im außen angelegten Magnetfeld frei drehen kann. Dadurch wird erreicht, daß das von der relativen Orientierung zwischen dem Ma-Magnetfeld Ho und der Kristallrichtung abhängige -Anisotropiefeld HA immer den gleichen Wert hat (bei konstanter Temperatur).
• Ferner kann das außen angelegte Magnetfeld Ho mit Hilfe eines ReferensFerritkörpers ermittelt werden.
• Die Genauigkeit, mit der Ho bekannt ist, bestimmt nämlich die Genauigkeit der Temperaturmessung. Diese Methode hat den Vorteil, daß nicht zusätzlich eine genaue Sonde zur Messung des Magnetfeldes benötigt wird. Dabei kann als Referenz-Ferritkörper eine Kugel aus geeignet substituiertem polykristallinem YIG dienen, deren ferromagnetische Resonanzfrequenz temperaturunabhängig ist. Damit ist zur Temperaturmessung nur noch die Differenzfrequenz der beiden Kugeln zu ermitteln.
• Die Referenz-Kugel kann sogar mit in das Objekt eingebaut werden. Weiterhin kann die Wechselwirkung zweier magnetostatischer Moden des Ferritkörpers zur Temperaturmessung herangezogen werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß man nur die Frequenz der stärksten Wechselwirkung bestimmen muß, während die Kenntnis des genauen Wertes von Ho nicht mehr nötig ist.
• Außerdem kann das außen angelegte Magnetfeld moduliert werden. Dadurch ist es möglich, eine LOCK-IN-Technik zur Messung der Resonanzfrequenz heranzuziehen, so daß eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit erzielt wird.
• Ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigen Fig.1 eine prizipielle Anordnung zur Temperaturmessung, Fig.2 die Abbängigkeit der Resonanzfrequenz einer Ga-YIG-Wugel von der Temperatur.
• Ein Ferritkörper (Kugel) 1 ist in einem zu untersuchenden Gewebe 2 eingebettet. Spulen 3 erzeugen ein äußeres Magnetfeld H0. Eine an einen nicht dargestellten Mikrowellensender variabler Frequenz angeschlossene Sendeantenne 4 durchstrahlt das Gewebe 2 mit der erritkugel 1. Das Mikrowellensignal wird von einer Empfangsantenne 5 aufgenommen und dann einem ebenfalls nicht dargestellten Empfänger zugeführt.
• Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, eine genaue Messung und Überwachung der Temperatur am oder in Objekten, z.B. von Tumoren während und nach der Hyperthermie-Behandlung, durchzuführen, ohne daß der Tumor mehrfach geöffnet werden muß.
• Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ergibt sich z.B.
• auch für ein Kennungssystem, indem man den einzelnen Einheiten durch Wahl des permanenten Magnetfeldes eine individuelle ferromagnetische Resonanzfrequenz zuordnet, die dann durch die Mikrowellenstrahlung detektiert wird, zOBO bei Eisenbahnwagen, Containern oder Lastwagen.

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Bestimmung lokaler Temperaturen dadurch gekennzeichnet, daß in das zu untersuchende Objekt ein Ferritkörper implantiert wird und dessen temperaturabhängige ferromagnetische Resonanzfrequenz in einem äußeren Magnetfeld gemessen wird 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ferritkörper ein einkritalliner Yttrium-Eisen-Granat verwendet wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Ferritkörper ein geeignet substituierter polykristalliner Yttrium-Eisen-Granat verwendet wird 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ferritkörper so eingebracht und gelagert wird (z.B. durch Kapselung), daß er sich im angelen Ma gnetfeld frei drehen kann.

   5.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Magnetfeld mit Hilfe der ferromagnetischen Resonanz eines zweiten Ferritkörpers bestimmt wird.

   6.Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ferritkörper aus geeignet substituiertem polykristallinem Yttrium-Eisen-Granet besteht, dessen ferromagnetische Resonanzfrequenz temperaturunabhängig ist.

   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ferritkörper ebenfalls mit in das Objekt eingebracht wird.

   8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperaturbestimmung die Frequenz des Maximums der Wechselwirkung zweier magnetostatischer Moden gemessen wird.

   9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch zekennzeichnet, daß das äußere Magnetfeld moduliert wird.