DE3222901A1 - Kernmagnetisches resonanz-spektroskopieverfahren - Google Patents

Kernmagnetisches resonanz-spektroskopieverfahren

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Description

  • Kernmagnetisches Resonanz-SpektroskopieveL-ahren
  • Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur heteronuklearen Entkopplung bei der mit hoher Auflösung arbeitenden gepulsten kernmagnetischen Resonanz-Spektroskopie.
  • Ein kernmagnetisches Resonanzspektrum unterliegt einer Aufspaltung der gewünschten nuklearen Signale in Multipletts als Folge einer Kopplung zwischen den Spins der zu beobachtenden Arten von Kernen und denjenigen anderer Kerne, die in der zu untersuchenden Probe vorhanden sind.
  • Diese heteronukleare Kopplung ist charakteristisch für die Gruppierung der Kerne in einem Molekül, und sie ist von statischen äußeren Bedingungen unabhängig. Genauer gesagt, ist die Kopplung unabhängig von der Stärke des statischen Magnetfeldes, von dem bei dem kernmagnetischen Resonanzverfahren Gebrauch gemacht wird, und die bei einem bestimmten Paar von Kernarten hervorgerufene Wirkung läßt sich durch eine Konstante J darstellen. In einfachen Fällen definiert die Konstante J den Abstand zwischen zwei beliebigen einander benachbarten Linien des resultierenden Multipletts und wird daher in Frequenzeinheiten gemessen.
  • Insbesondere bei Kernarten von geringer natürlicher Häufig-13 keit, z.B. C, ist es wichtig, für eine maximale Empfindlichkeit und Auflösung jeder chemisch verschobenen Linie zu sorgen, und es liegt auf der Hand, daß die Erzeugung breiter Multipletts als Folge der Kopplung zu einer Verringerung des Liniensignals führt und die Lage der Linie ungewiß macht. Zu der Verhinderung oder Verringerung dieser Wechselwirkung, die als Entkopplung bezeichnet wird, gehört es, daß während der Gewinnung einer Probe von Signalen, die von der Resonanz der zu beobachtenden Kernart herrühren, ein Störfeld zur Wirkung gebracht wird, das eine Frequenz hat, die im Resonanzbereich der interferierenden Kerne liegt. Gewöhnlich handelt es sich bei diesen Kernen um Protonen. Um den Bereich der Protonenresonanzfrequenzen zu erfassen, die bei einem bestimmten chemischen System vorhanden sind, ist es üblich, eine geeignete Modulation herbeizuführen; hierzu sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden. Die Wirkung des Störfeldes kann darin gesehen werden, daß schnelle Übergänge zwischen den Spinpegeln des Protons herbeigeführt werden. Dann ist die Lebensdauer jedes Spinzustandes im Vergleich zu der Zeit 1/J kurz, und im Idealfall wird keine resultierende Kopplungswirkung beobachtet. Es sei bemerkt, daß diese Bedingung erheblich strenger ist als die zur Sättigung des Spinsystems erforderliche, bei der Übergänge nur mit einer Geschwindigkeit hervorgerufen zu werden brauchen, die im Vergleich zum Kehrwert der Relaxationszeiten hoch ist.
  • In der Praxis steht bis jetzt keine allgemeine und gültige Theorie der Breitbandentkopplung zur Verfügung, und die idealisierten Bedingungen werden bis jetzt nur teilweise erfüllt. Beispielsweise wird angenommen, daß bei einem Impulsmodulationsverfahren zum Erfassen des Targetprotonen-Frequenzbereichs eine implizite Abhängigkeit von der Proportionalität zwischen dem Grad der Entkopplung bei einer bestimmten Frequenz und dem Wert der Fourier-Komponente bei dieser Frequenz nicht gerechtfertigt werden kann. Daher ist es bei bekannten Verfahren, die zu einer erheblichen Entkopplunq filhren, möglich, daß nicht kompensierte restliche Wechselwirkungen verbleiben, die ausreichen, um die 3G-Linien in einem erheblichen Ausmaß zu verbreitern und so zu einer Verringerung der Auflösung und der Empfindlichkeit zu führen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, bei dem es möglich ist, eine erhebliche Verminderung solcher restlicher Wechselwirkungen zu erzielen.
  • Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines Verfahrens zur heteronuklearen Entkopplung bei der eine hohe Auflösung liefernden gepulsten kernmagnetischen Resonanzspektroskopie gelöst, bei dem während der Gewinnung von Signalen einer Probe, die auf die Resonanz einer zu beobachtenden Kernart zurückzuführen sind, die Probe einer hochfrequenten Energiestrahlung ausgesetzt wird, und zwar im wesentlichen bei der Resonanzfrequenz einer interferierenden Kernart, wobei die Bestrahlung durch eine Reihe von zusammengesetzten Impulsen bewirkt wird, von denen jeder mindestens eine annähernde Umkehrung der Längsmagnetisierung bezüglich der interferierenden Kernart bewirkt, wobei zwei Arten von zusammengesetzten Impulsen verwendet werden, die sich nur dadurch unterscheiden, daß die Hochfrequenzphase bei der einen Art derjenigen der anderen Art entgegengesetzt ist und daß die Impulsreihe die Form einer sich wiederholenden Folge hat, welche aus 2N Impulsen jeder der beiden Arten besteht, wobei N eine positive ganze Zahl bezeichnet, wobei die genannte Folge aus einer Grundfolge ableitbar ist, welche aus zwei der genannten zusammengesetzten Impulse besteht, und zwar durch einen logischen Erweiterungsprozeß, zu dem mindestens ein Schritt gehört, der dazu dient, eine Folge einer höheren Ordnung aus einer Folge einer niedrigeren Ordnung abzuleiten, so daß die Folge der höheren Ordnung eine zyklische Permutation einer zusammengesetzten Folge bildet, welche aus M verschiedenen Teilfolgen besteht, wobei M eine gerade Zahl bezeichnet, die höchstens 4 beträgt, wobei jede der Teilfolgen zu der Folge der niedrigeren Ordnung in einer bestimmten Beziehung steht, welche aus einer von vier Beziehungen ausgewäh7t ist, bei denen es sich um die folgenden handelt: (a) die zyklische Permutation einer geradzahligen Anzahl von Impulsen, (b) die zyklische Permutation einer ungeradzahligen Anzahl von Impulsen, (c) die zyklische Permutation einer geradzahligen Zahl von Impulsen in Kombination mit einem Wechsel zwischen den beiden Arten von Impulsen sowie (d) die zyklische Permutation einer ungeraden Anzahl von Impulsen in Kombination mit einem Wechsel zwischen den beiden Arten von Impulsen, wobei die Auswahl der Bedingung unterliegt, daß (A) wenn M gleich 4 ist, die vier Beziehungsarten (a), (b), (c) und (d) für die vier Teilfolgen gelten, welche die zusammengesetzte Folge bilden, und (B) wenn M gleich 2 ist, die vier Beziehungsarten (-a), (b), (c) und (d) für die vier Teilfolgen gelten, welche eine gedachte Folge bilden, die aus der zusammengesetzten Folge und einer zusammengesetzten Folge einer ähnlichen Art besteht, welche durch die zyklische Permutation einer geraden Anzahl von Impulsen in Beziehung zu der zusammengesetzten Folge steht.
  • Gegebenenfalls kann man die Reihe zusammengesetzter Impulse auch während der Zeitspanne zur Wirkung bringen, die der Erregung von Resonanz bei der zu beobachtenden Kernart vorausgeht, damit eine Breitband-Overhauser-Verstärkung herbeigeführt wird.
  • Der Ausdruck "zusammengesetzter Impuls" wird im folgenden in dem gleichen Sinne verwendet wie in der Arbeit, die von Freeman u.a. in J. Magn. Reson., Bd. 38, S. 453 (1980) veröffentlicht wurde, und er bezeichnet eine Impulsfolge (die mindestens eine Periode freier Präzession zwischen einzelnen Impulsen umfassen kann), deren Impulse einander so zugeordnet sind, daß der Zustand der relevanten Kernspins nur dann von Interesse ist, wenn die Folge abgeschlossen worden ist. Es sei bemerkt7 daß die Erwähnung einer Reihe solcher Impulse nicht bedeuten soll, daß notwendigerweise ein Intervall zwischen aufeinanderfolgenden zusammengesetzten Impulsen vorhanden ist; vielmehr ist es im Hinblick auf die Zwecke der Verfahren nach der Erfindung normal er weise erwünscht, daß zwischen aufeinanderfolgenden zusammengesetzten Impulsen der Reihe keine bemerkbare Verzögerung auftritt. Der Ausdruck "Längsrichtung" bezeichnet die Richtung des bei dem kernmagnetischen Resonanzverfahren verwendeten statischen Magnetfeldes, um welches die ungestörten Spins der interferierenden Kernart präzedieren.
  • Eine Form eines zusammengesetzten Impulses, der zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist, besteht aus drei Einzelimpulsen, die durch vernachlässigbar kurze Intervalle getrennt sind; hierbei haben der erste und der dritte Impuls die gleiche Hochfrequenzphase und weisen jeweils die Nenndauer vl/2 gB2 auf; der zweite Impuls hat eine Hochfrequenzphase, die sich um 900 von derjenigen des ersten und des dritten Impulses unterscheidet, und er weist eine Nenndauer zwischen Qr/ tB2 und 3 T/2 yB2 auf, wobei B2 die der Hochfrequenzbestrahlung zugeordnete Magnetflußdichte und y das gyromagnetische Verhältnis der interferierenden Kernarten bezeichnet. Bei der gebräuchlichen Schreibweise kann man diese Form eines zusammenge setzten Impulses mit 90°(X) α(Y)90°(X) bezeichnen, wobei X zwischen 1800 und 2700 liegt, während X und Y zueinander rechtwinklige Richtungen im rechten Winkel zur Richtung des statischen Magnetfeldes (in einem um die zuletzt genannte Richtung rotierenden Bezugsrahmen) bezeichnen. Diese Form eines zusammengesetzten Impulses bewirkt eine Populationsinversion der interferierenden Kernspins in einer Weise, die im Vergleich zur Verwendung eines einfachen 18O0-Impulses relativ unempfindlich für Resonanzfrequenzversetzungen ist. Die durch den Winkel gegebene Länge des zweiten Impulses kann entsprechend der gewünschten Bandbreite der Inversion gegenüber der BestrahlungsEeldstärke gewählt werden, die zweckmäßig in Frequenzeinheiten gemäß der Größe γB2/2# ausgedrückt wird. Wenn ¾ gleich 1800 ist, beträgt die relative wirksame Bandbreite etwa 2( 9 B2/2 T) während sich nur etwa die Hälfte dieses Betrags ergibt, wenn aw gleich 2400 ist; innerhalb dieses engeren Versetzungsbereichs ist jedoch die Inversion genauer als bei einem niedrigeren Wert von s .
  • Eine ebenfalls verwendbare alternative Form zusammengesetzter Impulse besteht aus zwei Einzelimpulsen, welche die gleiche Hochfrequenzphase und jeweils die Nenndauer 3T /2 B2 aufweisen und durch eine Interimsperiode mit einer Dauer von etwa 2/ gB2 getrennt sind, während welcher eine freie Präzession auftreten kann.
  • Wie erwähnt, wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren von zwei Arten zusammengesetzter Impulse Gebrauch gemacht, die sich nur dadurch unterscheiden, daß die Hochfrequenzphase bei der einen Art derjenigen der anderen Art entgegengesetzt ist. Die beiden Arten von zusammengesetzten Impulsen können zweckmäßig mit R und R bezeichnet werden. Hat z.B.
  • R die Form 90° (X)α(Y)90°X), hat R die Form 900(-X)8X(-Y)90°(-X). Damit die gewünschte Entkopplungswirkung erzielt wird, werden die zusammengesetzten Impulse so angeordnet, daß sie eine sich wiederholende Folge bilden, bei der die Impulse der beiden Arten in gleicher Anzahl auftreten und deren Form unter Beachtung bestimmter Regeln gewählt ist. Auf diese Regeln wird weiter unten näher eingegangen, doch sei schon hier bemerkt, daß es nicht möglich sein würde, eine befriedigende Entkopplung bei einer sich wiederholenden Folge der einfachsten möglichen Formen zu erreichen, die Impulse beider Arten enthält, welche sich mit RR bzw. RR bezeichnen lassen. Um eine solche Wirkung zu erzielen, muß die sich wiederholende Folge mindestens zwei Impulse jeder Art enthalten, so daß sich als die einfachste Form einer Folge, die zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren geeignet ist, die Anordnung RRRR, RRRR, RRRR und RRRR ergibt; diese vier Folgen sind bezüglich ihrer Wirkung gleichwertig, wie man leicht erkennt, wenn man feststellt, daß sich die vier Arten von Reihen, die durch ihre Wiederholung entstehen, nur am Anfang und am Ende der Reihe unterscheiden. Mit anderen Worten, die vier Folgen stehen miteinander durch die zyklische Permutation in Beziehung, die man im vorliegenden Fall definieren kann als die Überführung mindestens eines Impulses vom Ende zum Anfang einer Folge, wobei die Reihenfolge der überführten Impulse in Fällen erhalten bleibt, in denen die Überführung mehr als einen Impuls betrifft; es sei bemerkt, daß im allgemeinsten Fall die zyklische Permutation auch den Fall einschließt, bei dem die Anzahl der überführten Impulse gleich der Anzahl der in der Folge enthaltenen Impulse ist; in diesem Fall ist die permutierte Folge die gleiche wie die nicht permutierte Folge. Ferner ist zu bemerken, daß die Folgen RRRR und RRRR dadurch in Beziehung zueinander stehen, daß die beiden Impulsarten R und R miteinander vertauscht werden (was der Umkehrung der Hochfrequenzphase für die ganze Folge gleichwertig ist), was auch für die Folgen R§§R und RRRR gilt; es ist ersichtlich, daß die beiden in dieser Beziehung zueinander stehenden Folgen bezüglich ihrer Wirkung gleichwertig sind, da die Zuteilung der Symbole R und R zu den beiden Arten von Impulsen willkürlich ist. Wie weiter unten erläutert, läßt sich zwar eine befriedigende Entkopplung bei der Verwendung einer der soeben erwähnten Folgen mit vier Impulsen erzielen, doch erhält man bessere Ergebnisse, wenn man stattdessen eine kompliziertere Folge benutzt, die in einer geeigneten Beziehung zu einer der genannten Folgen steht9 Die theoretische Basis der Wahl geeigneter Folgen ist sehr kompliziert, und daher wird hier nur kurz darauf eingegangen. Der zugrundeliegende Gedanke besagt, daß sich die relevanten Wirkungen der Folgen von zusammengesetzten Impulsen in Gliedern einer mittleren Hamiltonschen Theorie ausdrücken lassen (siehe die Arbeit von Haeberlen und Waugh in Phys. Rev., Bd. 175, S. 453 (1968). Es dürfte genügen, festzustellen, daß bei der Betrachtung der Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Spins der zu beobachtenden Kernarten und der interferierenden Kern arten in Gegenwart einer periodischen Störung der letzteren Spins mit einer hinreichend hohen Wiederholungsgeschwindigkeit der Hamilton-Wert für die wahre Wechselwirkung durch einen mittleren Hamilton-Wert mit der Bezeichnung H ersetzt werden kann, der sich aus einer unendlichen Reihe von Gliedern zusammensetzt, welche in ihrer Bedeutung fortschreitend abnehmen, wenn die Wiederholungsgeschwindigkeit hinreichend hoch ist. Wenn die periodische Störung einer Folge von zusammengesetzten Impulsen entspricht, zeigt es sich, daß diese Glieder nur dann leicht zu berechnen sind, wenn man annimmt, daß die zusammengesetzten Impulse eine genaue Inversion der interferierenden Spins herbeiführen. In der Praxis ist dies nicht der Fall, denn keiner der zusammengesetzten Impulse arbeitet fehlerfrei über einen großen Bereich von Resonanzfrequenzversetzungen. Dieser Gesichtspunkt gewinnt insbesondere dann an Bedeutung, wenn der zusammengesetzte Impuls R die Nennform 900CX)1800CY)9o0Cx) hat; wie erwähnt, ergibt sich zwar bei einem Impuls dieses Typs eine große wirksame Bandbreite, doch ist die Inversion über den ganzen Bereich keineswegs genau.
  • Daher ist es zweckmäßig, die Möglichkeit zu betrachten, die sich bezüglich einer Verbesserung der Entkopplung ergibt, wenn man Folgen benutzt, bei denen eine Kompensation der Unvollkommenheiten bezüglich der Wirkungen der einzelnen zusammengesetzten Impulse erreicht wird. Hierzu ist es zweckmäßig, anzunehmen, daß die Unvollkommenheit bezüglich der Inversion durch einen kleinen Parameter S quantifiziert wird, und jedes der Glieder des mittleren Hamilton-Wertes als Potenzreihe mit S zu erweitern; auch diese Reihe konvergiert schnell, wenn S klein ist. Auf diese Weise kann man den mittleren Hamilton-Wert H als eine Art Matrix in der nachstehenden Weise ausdrücken: H = H0(#0) + H0(# 1) + H0(# 2) + ..........
  • + H1( #0) + H1(#1) + H1( #2) + ..........
  • + H2(# 0) + H2( 6 ) + H2( s 2) + + + + Unter geeigneten Bedingungen ergibt sich hierbei eine Konvergenz nach rechts und nach unten. Um die Entkopplungswirkung zu verbessern, muß man bestrebt sein, dafür zu sorgen, daß möglichst viele Glieder dieser Matrix verschwinden.
  • Die Verwendung von jeweils zwei Impulse enthaltenden Folgen, z.B. RR oder RR, führt im allgemeinen nicht zu einem Verschwinden irgendwelcher Glieder bei dieser Matrix, so daß es mit Hilfe solcher Folgen nicht möglich ist, eine ausreichende Entkopplungswirkung zu erzielen. Das Hauptmerkmal der theoretischen Erwägungen besteht somit in der Entwicklung eines Satzes von Regeln, die es ermöglichen, Folgen zu konstruieren, bei denen zu erwarten ist, daß sie bezüglich der Entkopplungswirkung wirksamer sind als Folgen mit je zwei Impulsen. Will man diese Regeln in einer allgemeinen Form darstellen, ist es zweckmäßig, zunächst einige Definitionen festzulegen. Wir bezeichnen mit C jede Folge, die aus einer ungeraden Zahl (2K) zusammengesetzter Impulse besteht, wobei jeder Impuls entweder den Typ R oder den Typ R repräsentiert. Hierbei bezeichnet P den Satz von K Folgen, die durch die zyklische Permutation einer ungeraden Anzahl von Impulsen in Beziehung zu C stehen, während Q den Satz von K Folgen bezeichnet, die durch die zyklische Permutation einer geraden Anzahl von Impulsen (einschließlich des Falles, bei dem diese gerade Zahl gleich 2K ist) in Beziehung zu C stehen. P bezeichnet den Satz von K Folgen, der aus P durch den Austausch der beiden Impulstypen abgeleitet wird, und Q bezeichnet den Satz von K Folgen, die in der gleichen Weise aus Q abgeleitet werden. Es sei bemerkt, daß alle Glieder dieser vier Sätze Folgen sind, die jeweils aus 2K zusammengesetzten Impulsen bestehen. Ist z.B. C gleich RRRR, besteht P aus RRRR und RRRR, Q besteht aus RRRR und RRRR, P besteht aus RRRR oder RRRR (und ist daher mit P identisch), und Q besteht aus RRRR und RRRR (und ist daher mit Q identisch).
  • Es läßt sich zeigen, daß bei jeder gegebenen Form von C alle Glieder der Sätze P, Q, P und Q von gleichwertiger Wirkung auf C sind, wenn man sie wiederholt, um Impulsreihen zu bilden. Es ist jedoch möglich, Glieder von verschiedenen dieser Sätze so zu kombinieren, daß man eine erweiterte Folge E erhält, die sich anstelle von C verwenden läßt, um die Entkopplungswirkung zu verbessern. Um diese Verbesserung zu erzielen, ist es im allgemeinen Fall erforderlich (in einer beliebigen Reihenfolge), vier Folgen zu kombinieren, die jeweils aus den Sätzen P, Q, r und 5 ausgewäb-ltwerden. Man kann zeigen, daß die resultierende zusammengesetzte Folge E die nachstehenden Eingenschaften hat, wenn man sie in Beziehung zu der weiter oben dargestellten Matrixerweiterung von H setzt: (a) Ohne Rücksicht auf die jeweilige Form von C wird E derart sein, daß mindestens das Glied HotS °) den Wert Null annimmt.
  • (b) Ist C derart, daß in einer bestimmten Reihe der Matrix die Glieder bis zum m-ten Glied.sämtlich gleich Null sind, ist E von solcher Art, daß es wahr ist, und mindestens das (m+1)-te Glied in dieser Reihe wird ebenfalls gleich Null sein.
  • (c) Ist C von solcher Art, daß in jeder Spalte der Matrix nach oben bis zum m-ten Glied die Glieder bis zum n-ten Glied alle gleich Null sind, ist E von solcher Art, daß es wahr ist, und mindestens das (n+1)-te Glied in jeder der relevanten Spalten wird ebenfalls gleich Null sein.
  • Die vorstehend genannte allgemeine Bedingung macht es zur Erzielung einer Verbesserung der Leistung im Vergleich zu der beschriebenen Verwendung einer gegebenen Folge C erforderlich, daß die erweiterte Folge E aus insgesamt 8K zusammengesetzten Impulsen besteht. In vielen Fällen läßt sich jedoch eine gewisse Verbesserung mit Hilfe einer erweiterten Folge E erzielen, die sich nur aus 4K zusammengesetzten Impulsen zusammensetzt. Diese Möglichkeit ergibt sich, da in solchen Fällen zwei Teile der allgemeinen vierfachen Erweiterung redundant sind. Nachstehend sind zwei einfache Fälle genannt, in denen dies zutrifft: (a) Sind die Glieder von Q die gleichen wie die Glieder von Q oder P, genügt die Erweiterung der Form QP oder PQ, um eine Stufe einer Verbesserung gegenüber C zu erreichen.
  • (b) Wenn die Glieder von Q die gleichen sind wie die Glieder von P oder P, genügt eine Erweiterung der Form QQ oder QQ, um eine Stufe der Verbesserung gegenüber C zu erreichen.
  • Allgemeinere Bedingungen für eine Redundanz lassen sich wie folgt aufstellen: tl) Gibt es eine Darstellung von QP oder PQ, die in einer Beziehung zu einer Darstellung von QP oder PQ steht, und zwar durch die zyklische Permutation einer geraden Anzahl von Impulsen, genügt eine Erweiterung der Form QP oder PQ.
  • (2) Gibt es eine Darstellung von QP oder PQ, die durch die zyklische Permutation einer geraden Anzahl von Impulsen in Beziehung zu einer Darstellung von QP oder PQ steht, genügt eine Erweiterung der Form QP oder PQ.
  • (3) Gibt es eine Darstellung von QQ oder QQ, die durch die zyklische Permutation einer geraden Zahl von Impulsen in Beziehung zu einer Darstellung von PP oder PP steht, ist eine Erweiterung in der Form QQ oder QQ hinreichend.
  • Es ist ersichtlich, daß in allen diesen Fällen eine geeignete erweiterte Folge E aus zwei Teilfolgen besteht, die jeweils aus zwei der vier Sätze P, Q, P und Q auszuwählen sind.und die durch die zyklische Permutation einer geraden Zahl von Impulsen in einer Beziehung zu einer Folge einer ähnlichen Art stehen, für welche die beiden Teilfolgen jeweils aus den beiden anderen der vier Sätze ausgewählt werden.
  • Es sei bemerkt, daß jede bestimmte erweiterte Folge E, die auf den vorstehenden Regeln beruht, unter Erzielung einer gleichwertigen Wirkung durch eine Folge ersetzt werden kann, die durch eine zyklische Permutation bzw. einen Austausch der beiden Arten von zusammengesetzten Impulsen in einer Beziehung zu E steht. Ferner ist zu bemerken, daß jede bestimmte erweiterte Folge E ihrerseits als Ausgangsfolge C für einen weiteren Erweiterungsschritt nach den vorstehenden Regeln behandelt werden kann; theoretisch kann der Erweiterungsprozeß unendlich fqrtgesetzt werden, wobei schrittweise Verbesserungen bei den betreffenden Stufen der Erweiterung erreichbar sind.
  • Die vorstehend behandelten Regeln sind von allgemeiner Art, so daß man theoretisch als Ausgangspunkt für einen solchen Erweiterungsprozeß jede Folge wählen kann, die aus einer geraden Zahl von zusammengesetzten Impulsen besteht. In der Praxis ist es jedoch erwünscht, Folgen zu benutzen, die möglichst kurz sind, wobei jeweils ein bestimmter Grad der Verbesserung bezüglich der Entkopplung erzielt wird.
  • Daher ist es zweckmäßig, die weitere Aufmerksamkeit lediglich auf Fälle zu richten, bei denen der Ausgangspunkt für den Erweiterungsprozeß eine Grundfolge ist, die aus nur zwei zusammengesetzten Impulsen besteht. Es sei angenommen, daß von C in der Form RR ausgegangen wird. In jedem Fall haben P und Q beide die Form RR, während P und Q beide die Form RR haben; somit genügt eine Erweiterung der Form Qg (d.h. RRRR), um sicherzustellen, daß das Glied H (s ) verschwindet. Die Folgen RRRR, RKRR und R§§R haben natürlich die gleiche Wirkung, wenn man die Gesichtspunkte beachtet, die sich auf die zyklische Permutation bzw. den Austausch der beiden Arten von Impulsen beziehen. Genau die gleichen Schlüsse ergeben sich bezüglich der vier brauchbaren, jeweils vier Impulse umfassenden Folgen, wenn man von C in einer der Formen R§, RR und §§ ausgeht; im ersten dieser Fälle haben z.B. P und Q beide die Form RR, während Q und P beide die Form RR haben, so daß eine Erweiterung der Form QP (d,h, RRRR) offensichtlich ausreicht, usw.
  • Um zu zeigen, auf welche Weise sich der Expansionsprozeß fortsetzen läßt, sei der Fall betrachtet, in dem C gleich RRRR ist. In diesem Fall gilt Q = Q, so daß eine Erweiterung der Form QP ausreicht, um bezüglich der Entkopplungswirkung eine Verbesserung gegenüber C zu erreichen. Die erweiterte Folge E kann dann die Form RRRR RRRR annehmen; bei dieser Form haben die Glieder Ho (d 1) und H1( °) zusätzlich zu dem Glied H0 °) den Wert Null. (Bei der Darstellung der Form der Folge E im vorstehenden Satz wurde ein Spalt zwischen aufeinanderfolgenden, jeweils aus vier Impulsen bestehenden Teilfolgen freigelassen; es sei betont, daß diese Übereinkunft bezüglich der Schreibweise in der vorliegenden Beschreibung lediglich zur Erleuchterung des Verständnisses angewendet wird, daß dies jedoch nicht bedeuten soll, daß in der Praxis irgendwelche größeren Intervalle zwischen den Teilfolgen vorhanden sind.) Wenn man bei dem nächsten Schritt des Erweiterungsprozesses für C die Form RRRR RRRR wählt, wird keine der einfachen Redundanzbedingungen (a) und (b) befriedigt, und man muß die allgemeineren Bedingungen Cl) bis (3) berücksichtigen.
  • Betrachtet man insbesondere die Bedingung (3), ist ersichtlich, daß eine Darstellung von QQ die Form RRRR RRRR RRRR RRRR und eine Darstellung von PP die Form RRRR RRRR RRRR RRRR hat. Diese beiden Darstellungen stehen durch die zyklische Permutation der vier Impulse in Beziehung zueinander, so daß eine Erweiterung der Form QQ ausreicht. Somit haben bei der 16 Impulse umfassenden Folge RRRR RRRR RRRR RRRR die Glieder H0(#2), H1(#1) und H2(#0)zusätzlich den Wert Null. Das gleiche gilt natürlich auch für die zyklischen Permutationen dieser Folge, z.B. RRRR RRRR RRRR RRRR. Es sei jedoch bemerkt, daß man die zuletzt genannte Folge im Gegensatz zu der 16 Impulse umfassenden Folge, aus der sie abgeleitet wurde, nicht so betrachten kann, als ob sie einfach aus den vier brauchbaren Folgen zu je vier Impulsen aufgebaut wäre. Der Erweiterungsprozeß kann natürlich von dem Stadium mit 16 Impulsen ausgehend fortgesetzt werden, so daß man z.B. jeweils 64 Impulse umfassende Folgen erhält, z.B. die Folge RRRR RRR R§§R RRRR §§RR RRRR RHR RRRR RRRR RRRR. RRRR RRRR RRRR RRRR RRRR RRRR Hierbei hat Hj(#k ) für alle Werte von (j+k), die nicht höher sind als 4, den Wert Null.
  • Bei der erläuternden Darstellung im vorstehenden Absatz bedingt jeder Schritt des Erweiterungsverfahrens, das zu einer Folge mit 64 Impulsen führt, eine Verdopplung der Länge der relevanten Folge, denn in jedem Fall wird eine der Redundanzbedingungen berücksichtigt. Es sei jedoch bemerkt, daß man die Folge RRRR RRRR RRRR RRRR mit 16 Impulsen als vierfache Erweiterung Cin der Form QPQP) der Folge RRRR betrachten kann, was auch für die genannten 64 Impulse in Beziehung zu der Folge mit 16 Impulsen gilt.
  • Zwar könnte man den Erweiterungsprozeß theoretisch unbegrenzt auf Folgen von noch höheren Ordnungen erweitern, doch ist zu erwarten, daß andere Faktoren (die vorstehend nicht berücksichtigt werden, jedoch weiter unten erfaßt werden) die praktische Brauchbarkeit sehr langer Folgen einschränken, und es wird angenommen, daß sich in der Praxis nur wenige Fälle ergeben, in denen es vorteilhaft sein würde, Folgen mit mehr als 64 Impulsen zu verwenden.
  • Vorstehend wird die Wiederholungsgeschwindigkeit der eriodischen Störung der interferierenden Spins behandelt.
  • Bezüglich der Folgen mit vier Impulsen, z.B. RRRR, beruht die Theorie auf der Annahme, daß 2'lJT 2JT<1, wobei T die Gesamtdauer der Folge und J die in Frequenzeinheiten ausgedrückte Spinkopplungskonstante bezeichnet. Eine ähnliche Betrachtung gilt bezüglich erweiterter Folgen, die aus einer solchen Folge mit vier Impulsen abgeleitet sind, wobei T die Dauer der vier Impulse umfassenden Folge bezeichnet, aus der die erweiterte Folge abgeleitet ist, d.h.
  • nicht die Gesamtdauer der erweiterten Folge selbst.
  • Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert; es zeigt: Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Spektrometers; Fig. 2 eine Entkopplungs- und Gewinnungs-Irnpulsfolge für das Spektrometer nach Fig. 1; Fig. 3 den zusammengesetzten Aufbau der Entkopplungsimpulse nach Fig. 2; Fig. 4 in einer graphischen Darstellung die Abhängigkeit des effektiven Entkopplungsfeldes von der Resonanzversetzung; Fig. 5 in einem rotierenden Rahmen eine durch einen einzigen 1800-Impuls erzeugte Längsinversionsbahn; Fig. 6 und 7 jeweils in einem rotierenden Rahmen die durch alternative Formen zusammengesetzter Impulse erzeugten Längsinversionsbahnen; Fig. 8 und 9 Darstellungen zum Vergleichen der Ergebnisse, die sich mit Hilfe erfindungsgemäßer Verfahren bzw.
  • bekannter Verfahren zur heteronuklearen Entkopplung erzielen lassen; Fig. 10 Ergebnisse, die mit Hilfe eines Verfahrens nach der Erfindung erzielbar sind; und Fig. 11 die Ergebnisse eines vergleichbaren Versuchs, bei dem ein bekanntes Verfahren zur heteronuklearen Entkopplung angewendet wird.
  • In der folgenden Beschreibung ist der Deutlichkeit halber angenommen, daß es sich bei der zu beobachtenden Kernart um Kohlenstoff-13 handelt, wobei die interferierende Kernart durch Protonen gebildet wird.
  • Gemäß Fig. 1 wird eine nicht dargestellte Probe, die diese Kernart enthält, in einem Bereich angeordnet, in dem ein im wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld Bo herrscht, das zwischen zwei Polstücken 10 erzeugt wird. Zwei Spulen 12, die auf einer zur Richtung des Magnetfeldes Bo rechtwinkligen Achse angeordnet sind, werden mit Hilfe eines Senders 14 hochfrequente Impulse zugeführt, um das erforderliche 13 Feld B1 zur Anregung der C-Resonanz zu erzeugen. Der Sender 14 enthält Steuer- und Verzögerungselemente zur Regelung der Dauer und der relativen Phase der hochfrequenten Impulse. Die Spulen 12 dienen außerdem dazu, die freien Induktionsabklingsignale der Probe aufzunehmen, die einem Empfänger 16 zugeführt werden, wo sie auf kohärente Weise erfaßt werden; die erfaßten Signale werden abgefragt, so 13 daß man Daten erhält, aus denen sich das Spektrum mit Hilfe der üblichen Fourier-Transformation ableiten läßt.
  • Eine weitere Spule 18, deren Achse der Einfachheit halber als rechtwinklig zu der Achse der Magnetfelder Bo und B1 verlaufend dargestellt ist, dient zur Erzeugung eines Protonenentkopplungsfeldes B2. Die Spule 18 wird durch einen einen Sender 20 gespeist, bei dem ähnliche Steuermöglichkeiten bestehen wie bei dem Sender 14. Bei einem Feld B o von etwa 2,1 Tesla nimmt die Protonenentkopplungs-Sender frequenz ein Band in der Nähe von 90 14Hz ein, während die 13C-Erregerfrequenz des Senders 14 in der Nähe von 23 14Hz liegt; bei einem Feld Bo von etwa 4,7 Tesla ergeben sich entsprechend 200 bzw. 50 MHz. Die erforderliche Entkopplungsbandbreite richtet sich nach den chemischen Verschiebungen, die im Probenmaterial vorhanden sind, sowie nach der Stärke des Feldes Bo, doch erweist sich gewöhnlich eine Bandbreite von einigen kHz als zweckmäßig, wenn B 0 einen der vorstehend genannten Werte hat.
  • Der Sender 20 erzeugt ein Signal in Form einer ungedämpften Welle, deren Phase in bestimmten Intervallen (zwischen Pegeln der relativen Phase 00, 900, 1800 und 2700) nach einem sich wiederholenden Muster derart geändert wlrd, daß das Ausgangssignal des Senders 20 eine Reihe von zusammengesetzten Impulsen bildet, zwischen denen vernachlässigbar kleine Intervalle vorhanden sind. Die zusammengesetzten Impulse gehören zu den beiden Typen R und R, welche die Nennformen 9ootx)s (Y)90°(X) bzw. 900C-x)C-Y)900(-x) aufweisen, wobei α gleich 1800 oder 2400 ist und wobei das sich wiederholende Muster der Phasenänderungen so gewählt ist, daß es einer der weiter oben behandelten erweiterten Folgen entspricht, z.B. der vier Impulse enthaltenden Folge RRRR oder der 16 Impulse enthaltenden Folge RRRR RRRR RRRR RRRR. Es sei bemerkt, daß die tatsächliche Dauer jedes zusammengesetzten Impulses (und damit auch die Wiederholungsperiode für eine Folge mit einer gegebenen Anzahl solcher Impulse) entsprechend dem für die Stärke des Entkopplungsfeldes B2 gewählten Wert invers variiert. Wenn dieser Wert z.B. in Frequenzeinheiten ausgedrückt etwa 8 kHz entspricht, beträgt die Dauer eines zusammengesetzten Impulses der Form 90°(X) 180°(Y)90°(X) etwa 0,125 ms, so daß die Wiederholungs- periode bei einer Folge mit 16 Impulsen etwa 2 ms beträgt.
  • In manchen Fällen kann es jedoch erwünscht sein, mit einer geringeren Entkopplungsleistung zu arbeiten, die zB. einem Wert der Feldstärke bis herab zu 1 kHz entspricht. Bei diesem Wert würden die entsprechenden Werte etwa 1 ms für die Dauer des zusammengesetzten Impulses bzw. 16 ms für die Wiederholungsperiode der Folge mit 16 Impulsen betragen.
  • In solchen Fällen dürfte insbesondere der Wunsch bestehen, für den Winkel 4 anstelle des Wertes 240° den Wert von 180° zu verwenden, um den Vorteil einer größeren effektiven Bandbreite für die Entkopplung zu erzielen. Zum Vergleich 13 sei erwähnt, daß es zur Erzielung eines vollständigen c-Spektrums normalerweise erforderlich ist, daß die Intervalle, in denen die freien Induktionsabklingsignale abgefragt werden, nicht länger sind als etwa 0,1 ms, wenn das Feld B den Wert 4,7 Tesla hat.
  • 0 Der Sender 20 bleibt natürlich während der gesamten Zeitspanne in Betrieb, während welcher Daten aus den Signalen 13 gewonnen werden, die aus der C-Resonanz resultieren, welche durch einen Impuls des Senders 14 angeregt wird.
  • Um einen weiteren Beitrag zur Empfindlichkeit zu erhalten, kann der Sender 20 auch während der Periode eingeschaltet sein, die diesem Impuls unmittelbar vorausgeht, damit eine Overhauser-Kernverstärkung erzielt wird.
  • Fig. 2 zeigt die Anordnung für den Fall, daß die Folge RRRR angewendet wird und daß der Sender 14 eingeschaltet wird, um einen 900-13C-Gewinnungsimpuls (wie auf der unteren Achse 24 dargestellt) im gleichen Zeitpunkt zu erzeugen, in dem der Sender 20 in Betrieb gesetzt wird, um die Reihe von zusammengesetzten Impulsen einzuleiten, wie es längs der oberen Achse 22 dargestellt ist. Lediglich für die Zwecke der Illustration sind die beiden Arten von zusammengesetzten Impulsen R und R über bzw. unter der Achse 22 dargestellt, wobei die Impulse laufend numeriert sind; die erste Folge, die aus den Impulsen Rl, R2, R1 und R2 besteht, ist natürlich identisch mit der Folge, die durch die Impulse R3, R4, R3 und R4 usw. gebildet wird. Die freien Induktionsabklingsignale sind durch die Schwingungslinle dargestellt, die auf den 90°-13C-Impuls folgt.
  • Reihe die zusammengesetz-Der Aufbau und die Erzeugung der Reihe von zusammengesetzten Impulsen nach Fig. 2 ist in Fig. 3 für den Fall dargestellt, daß α gleich 240° ist, wobei die Darstellung für das sich wiederholende Muster der Phasenänderungen des Signals in Form einer ungedämpften Welle gilt, die durch den Sender 20 erzeugt wird, wobei die Phasenwinkel von 90° und 2400 natürlich für die Impulse gelten, aus denen die zusammengesetzten Impulse bestehen.
  • Bevor auf die Ergebnisse eingegangen wird, die sich mit Hilfe der soeben beschriebenen Anordnung erzielen lassen, erscheint es als zweckmäßig, zunächst eingehender den Aufbau der zusammengesetzten Impulse in Beziehung zu dem Erfordernis der Inversion der Protonenmagnetisierungsachse zu betrachten, wobei insbesondere die naturgegebenen Nachteile berücksichtigt werden, die auftreten, wenn man bei einem praktisch verwendeten System einen Impuls mit einer Nennlänge von 180° verwendet. Eine genaue Inversion mit Hilfe eines einzigen 180 0-Impulses wird bei einem Proton an einem bestimmten Platz unmöglich, wenn die Entkopplungsfrequenz gegenüber der Resonanz erheblich versetzt ist.
  • Eine solche Resonanzversetzung, die bei der Entkopplung ein sehr wichtiges Problem darstellt, entspricht in ihrer Bedeutung der Einführung einer zusätzlichen Feldkomponente längs der Z-Achse, d.h. parallel zu dem Feld B , Das relevante effektive Feld wird dann bemerkbar stärker als B2, und es verläuft unter einem Winkel zur Querebene (XY).
  • Die Wirkung der Resonanzversetzung ist in Fig. 4 dargestellt, welche die XZ-Ebene eines dreiachsigen Bezugsrahmens darstellt, von dem angenommen ist, daß er um die Z-Achse synchron mit der Frequenz des Entkopplungssenders rotiert. Der B2-Feldvektor ist längs der X-Achse dargestellt, und das Ausmaß der Resonanzversetzung ist durch eine Feldkomponente AB in der +Z-Richtung wiedergegeben.
  • Das wirksame Feld Beff, das dem Ausdruck (#B2 + B2 1/2 entspricht, ist unter dem Winkel @ gegen die X-Achse geneigt, wenn @ O = tang 1( B/B2). Natürlich würde man eine ähnliche Neigung gegen die Y-Achse beobachten, wenn die Phase des Feldes B2 um 90° verlagert würde. Die Folge hiervon ist, daß während eines B2-Impulses der Protonenmagnetisierungsvektor nicht um die Achse X oder Y, sondern um die Achse von Beff rotiert. In Fig. 5 ist das Feld B als eff eff um eine Achse 28 unter dem Winkel @ O gegen gegen die X-Achse geneigt dargestellt. Es ist ersichtlich, daß eine Bahn 30, welche die Bahn eines Vektors darstellt, der um die Achse 28 durch einen einzigen 180°(X)-Impuls gedreht worden ist (der beim Nichtvorhandensein von Fehlern zu einer genauen Inversion führen würde), progressiv weiter von einer anfänglich verfolgten Linie der Länge und dem -Z-Pol abweicht.
  • Die Möglichkeit einer Inversionsfehlerkorrektur mit Hilfe eines zusammengesetzten Impulses der Form 90°(X) α (Y)90°(X) ist aus Fig. 6 zu ersehen, wo eine Bahn 32 dem ersten Teil der aus Fig. 5 reproduzierten Bahn 30 entspricht. Wird ein 900CX)-Impuls durch Berechnung aus B2 zur Wirkung gebracht, muß die Drehung des Vektors in dem Feld Beff größer sein als 900, denn die Rotation variiert invers zum Wert des Feldes. Man kann daher erwarten, daß die Bahn 32 an einem Punkt unter der XY-Ebene endet. Da jedoch die Drehung um die geneigte Achse 28 von Beff erfolgt, wird der Abstand über der oberen Halbkugel vergrößert, und es zeigt sich, daher, daß die Bahn 32 an einem Punkt 34 endet, der der XY-Ebene nahe benachbart ist. Zur Veranschaulichung ist der Punkt 34 in Fig. 6 in einem kleinen Abstand über der XY-Ebene dargestellt. Natürlich kann man einen weiteren Punkt 36 identifizieren, der symmetrisch zu dem Punkt 34 in Beziehung zur Y-Achse angeordnet ist, von dem aus ein zweiter 900CX)-Impuls, der mit dem ersten Impuls identisch ist, fortfahren wird, den Vektor um die Achse 28 zum -Z-Pol zu drehen.
  • Jetzt wird ein weiterer Impuls benötigt, um einen Übergang zwischen den Punkten 34 und 36 durch eine Drehung des Vektors gegenüber der Y-Achse herbeizuführen. Ein solcher Impuls muß daher eine Phasenverschiebung um 90° gegenüber den beiden 90°-Impulsen aufweisen. Beim Vorhandensein einer Versetzung erfolgt die Drehung tatsächlich um eine geneigte Achse 38 in der ZY-Ebene. Wenn die Achse 38 die gedachte Kugelfläche des Systems an einem Punkt 40 schneidet und wenn die zu berücksichtigende Versetzung klein ist, haben beim Einheitsradius die Abstände zwischen der Y-Achse einerseits und den Punkten 34, 36 und 40 andererseits alle den gleichen Wert e. Bei einem im wesentlichen ebenen Element der Kugelfläche beträgt somit der Winkel, der an dem Punkt 40 durch die Punkte 34 und 36 bestimmt ist, 900. Gemäß einer ersten Schätzung benötigt man daher einen Impuls von 27O0CY), um den erwünschten Übergang von dem Punkt 34 zu dem Punkt 36 herbeizuführen, wie es durch einen Kreisbogen 42 angedeutet ist.
  • Die Schätzung ist übermäßig vereinfacht, und zwar teilweise deshalb, weil bei praktischen Werten der Resonanzversetzung eine ebene geometrische Darstellung nicht mehr ausreicht, und teilweise wegen der Vergrößerung des wahren Drehwinkels gegenüber dem Nenndrehungswert des Impulses unter dem Einfluß des verstärkten Feldes Beff. Es wurde eine Simulation mit Hilfe eines Rechners durchgeführt, um eine verfeinerte Abschätzung zu ermöglichen; hierbei hat es sich gezeigt, daß die Verwendung eines Impulses mit einem Nennwinkel von 24O0CY) vorzuziehen ist. Wie erwähnt, liefert die Benutzung dieses Winkels eine gute Inversion über einen brauchbaren Bereich von Werten der Resonanzversetzung, doch kann es aus dem schon genannten Grund in manchen Fällen zweckmäl3ig sein, den Nennwinkel des zentralen Impulses bei dem zusammengesetzten Impuls bis auf 1800cm) zu verkleinern.
  • Bei dem ersten und dem letzten Impuls des zusammengesetzten Impulses wurde nur berücksichtigt, daß sie sich bezüglich ihres Nennwinkels von 90°(X) ähneln; im allgemeinen ist es zweckmäßig, eine Symmetrie aufrechtzuerhalten. Es liegt jedoch auf der Hand, daß kleine Änderungen gegenüber 900cm) durch eine Änderung des Drehwinkels des mittleren Impulses ausgeglichen werden könnten und daß sich wahrscheinlich in einem erheblichen Ausmaß asymmetrische Folgen finden lassen, die sich als brauchbar erweisen.
  • Die für die erfolgreiche Anwendung der Erfindung erforderliche Bedingung besteht somit nur darin, daß die Elemente des zusammengesetzten Impulses insgesamt bewirken, daß die Inversion in einem ausreichenden Ausmaß vollständig ist, um eine Entkopplung zu bewirken.
  • Ferner wurde festgestellt, daß es möglich ist, eine alternative Form eines zusammengesetzten Impulses zu verwenden, bei dem zwei symmetrische Impulse durch eine Periode freier Präzession getrennt sind. Die betreffende Bahn ist in Fig.
  • 7 dargestellt. Geht man wie zuvor vom +Z-Pol aus, bewirkt ein 270°(X)-Impuls eine durch eine Bahn 48 dargestellte Drehung, die anfangs der Bahn 30 nach Fig. 5 folgt und sich über den hinteren Teil der unteren Halbkugel hinweg fortsetzt. Die Bahn 48 endet an einem Punkt 50 nahe der X-Y-Ebene und ist gegenüber der -Y-Achse um e versetzt.
  • Eine zweite Drehung längs einer entsprechenden Bahn 52, die nahe dem -Z-Pol enden soll, muß von einem Bereich eines Punktes 54 ausgehen, der gegenüber der -Y-Achse symmetrisch zu dem Punkt 50 ist. Es ist nicht allgemein bekannt, daß bei einem 270 0Cx)-Impuls in Gegenwart eines geneigten Feldes B eff eine Selbstkorrekturpräzession der Magnetisierung gegenüber dem verlagerten Punkt 50 in Richtung auf die -Y-Achse auftritt. Daher kann man eine zeitliche Verzögerung zwischen den Impulsen ermitteln, die eine Fortsetzung der Präzession ermöglicht, bis der Übergang von dem Punkt 50 zu dem Punkt 54 abgeschlossen ist. Es läßt sich zeigen, daß die Verzögerung so eingestellt werden muß, daß sie gleich 2/ B2 ist, um eine Präzession um einen Winkel von etwa 2@ Radian zu ermöglichen, wobei @ den in Fig. 4 gezeigten Wert hat. Vorausgesetzt daß @ 9 nicht nicht zu groß ist, bleibt die Beziehung 2@ ohne Rücksicht auf den Wert der Versetzung B gültig. Dieser alternative zusammengesetzte Impuls ist im Vergleich zu dem aus drei Impulsen bestehenden Impuls empfindlicher für die richtige Einstellung der Impulsparameter, doch bietet er den Vorteil, daß eine Hochfrequenz-Phasenverschiebung des Impulses B2 um 900 nicht erforderlich ist, so daß das Spektrometer nicht hierfür eingerichtet zu sein braucht; jedoch wird immer noch eine Möglichkeit zur Durchführung einer 180°-Phasenmodulation benötigt, denn die alternative Form des zusammengesetzten Impulses würde natürlich bei Folgen derjenigen Art verwendet, welche in der Beschreibung des Spektrometers nach Fig. 1 genannt wurden. Zwar läßt sich eine Verbesserung gegenüber der bekannten Rauschentkopplung erzielen, doch liefert die Verwendung der relevanten Folgen bei der alternativen Form zusammengesetzter Impulse eine schwächere Entkopplungswirkung, als man sie erhält, wenn der zusammengesetzte Impuls die Form 90°(X)s (Y)90°(X) hat; in der weiteren Beschreibung beschränkt sich daher die Betrachtung auf den letzteren Fall.
  • Es wurden Versuche durchgeführt, um die Entkopplung nach einem erfindungsgemäßen Verfahren und die bekannte Rauschentkopplung zu vergleichen, wobei mit einer Bandbreite von 2 kHz gearbeitet wurde (die optimale Wahl bei den verfügbaren Bandbreiten bei dem benutzten Gerät), um die Emp-13 findlichkeit des 0-Spektrums von Methyljodid bezüglich der Resonanzversetzung zu ermitteln. Fig. 8 zeigt Spektren, die aus einem Versuch stammen, bei dem die Frequenz des B2-Signals über einen Bereich von 8 kHz schrittweise um 0,5 kHz verändert wurde. Der Resonanzzustand liegt bei etwa 5 kHz. Der Kurvensatz 54 wurde mit Hilfe der Rauschentkopplung gewonnen, während der Kurvensatz 56 mit Hilfe eines Verfahrens erhalten wurde, wie es vorstehend anhand von Fig. 1 bis 3 beschrieben ist (d.h. unter Verwendung der Folge RRRR, wobei der Winkel s den Wert 2400 hatte); hierbei hatte das Feld Bo einen Wert von 2,1 Tesla, und die Stärke des Entkopplungsfeldes B2 entsprach 6,3 kHz. Es wurden normalisierte Spitzenhöhen berechnet, die den optischen Eindruck der Kurven 54 bzw. 56 bestätigen, der besagt, daß die Spitzen bei 5 kHz einander ähneln, daß jedoch die Spitzen der Kurven 54 oberhalb und unterhalb von 5 kHz ziemlich schnell abfallen, während die Spitzen der Kurven 56 eine im wesentlichen gleichmäßige Empfindlichkeit über einen erheblich größeren Bereich zeigen.
  • Ein weiterer Vergleich bezüglich der Empfindlichkeit wird durch die in Fig. 9 dargestellten Spektren für Äthylbenzol ermöglicht. Das mit Hilfe der bekannten Rauschentkopplung gewonnene Spektrum 58 zeigt eine erhebliche Einengung der Gruppen breiter Linien, die beim Vorhandensein einer Kopplung erscheinen würden. Das Spektrum 60 zeigt die gleichen Gruppen bei einer Entkopplung unter Anwendung eines Verfahrens ähnlich demjenigen, mittels dessen die Kurven 56 nach Fig. 8 erhalten wurden. In diesem Fäll entsprach jedoch die Stärke des Entkopplungsfeldes B2 ein er Frequenz von 3,1 kHz. Zwar ist eine Verbesserung der Auflösung zu erkennen, die sich jedoch bei dem Maßstab der Zeichnung nicht leicht quantifizieren läßt. Eine annähernde Verdop- pelung der Empfindlichkeit wird jedoch sehr deutlich durch die senkrechten Skalen in willkürlichen Einheiten veranschaulicht, wobei sich gewisse Änderungen der Vercsserunq nach der Struktur der Liniengruppen richten.
  • Fig. 10 veranschaulicht Ergebnisse, die mit Hilfe der Anordnung nach Fig. 1 gewonnen wurden, wobei die Probe aus Dimethylcarbonat bestand, wobei das Feld Bo einen Wert von 4,7 Tesla hatte, wobei die Stärke des Entkopplungsfeldes B2 einer Frequenz von 8,3 kHz entsprach, wobei der Winkel -= für die zusammengesetzten Impulse 2400 betrug und wobei die Impulsfolge die Form RRRR RRRR-RRRR RRRR hatte. Fig. 11 zeigt die Ergebnisse, die unter Benutzung einer ähnlichen Anordnung gewonnen wurden, wobei jedoch das erfindungsgemäße Entkopplungsverfahren durch ein bekanntes Verfahren ersetzt wurde, bei dem mit einer Rechteckwellen-Phasenmodulation gearbeitet wurde, wie es in einer Arbeit von Grutzner und Santini beschrieben ist, die in J. Magn. Reson., Bd. 19, S. 173 (1975) erschienen ist. In beiden Fällen sind die beobachteten Kohlenstoff-13-Signale als Funktion der Protonenresonanzversetzung aufgetragen, wobei die dargestellte Spektralbreite 40 Hz beträgt. Es ist ersichtlich, daß die Breitband-Entkopplungsleistung im Fall von Fig. 10 erheblich besser ist, wo die Spitzenhöhen innerhalb von 5% derjenigen Höhen verbleiben, die bei einer kohärenten Entkopplung bei Resonanz in einem Bereich von mehr als +5 kHz beobachtet werden.
  • Schließlich sollen verschiedene Faktoren betrachtet werden, die sich auf die Wahl der Länge der Impulsfolge in bestimmten Fällen auswirken können (bezogen auf die Anzahl der in der Folge enthaltenen zusammengesetzten Impulse). Wenn es möglich ist, mit einer relativ hohen Entkopplungsleistung zu arbeiten, wird es normalerweise möglich sein, die erforderliche wirksame Bandbreite für die Entkopplung zu erzielen, wenn man zusammengesetzte Impulse verwendet, bei denen r gleich 2400 ist; dieser Wert wird dann gegenüber 1800 normalerweise bevorzugt, da er für jeden zusammengesetzten Impuls innerhalb des relevanten Frequenzbereichs eine vollkommenere Inversion liefert. Zwar bietet in solchen Fällen die Verwendung einer Folge mit 16 Impulsen eine erhebliche Verbesserung der Leistung gegenüber einer Folge mit vier Impulsen, doch ist die theoretische Verbesserung, die sich mit Hilfe sogar noch längerer Folgen erzielen lassen würde, von erheblich geringerer Bedeutung. Das hauptsächliche Verwendungsgebiet für solche Folgen von sehr großer Länge dürfte sich daher in Fällen ergeben, in denen es erwünscht ist, zusammengesetzte Impulse zu verwenden, bei denen gleich 1800 ist, insbesondere im Hinblick auf die Erzielung einer geeigneten wirksamen Bandbreite unter Einsatz einer geringen Entkopplungsleistung.
  • Die theoretischen Vorteile der Verwendung sehr langer Folgen muß jedoch gegenüber bestimmten praktischen Erwägungen abgewogen werden, die vermutlich insbesondere dann Bedeutung gewinnen, wenn mit einer niedrigen Entkopplungsleistung gearbeitet wird. Die theoretische Behandlung der Wirkung der relevanten Folgen von zusammengesetzten Impulsen zeigt, daß am Ende der Folge der Zustand der interferierenden Kernspins derart ist, als wenn die Kopplung zwischen ihnen und den zu beobachtenden Kernspins erheblich verringert wäre, und je größer die Länge der Folge ist, desto stärker nähert sich diese verringerte Wechselwirkung dem Wert Null.
  • In der Praxis ist es jedoch erwünscht, daß während der Dauer der Folge eine möglichst gute Entkopplung erzielt wird. Ein Grund hierfür besteht in dem weiter oben genannten Erfordernis, die freien Induktionsabklingsignale mit einer Geschwindigkeit abzutasten, die erheblich höher ist als die Folgewiederholungsgeschwindigkeit selbst dann, wenn kürzere Folgen verwendet werden und wenh mit relativ hohen Werten der Entkopplungsleistung gearbeitet wird. Dies erfordert die Gewinnung von Daten in Zeitpunkten, die innerhalb jeder Folge und nicht nur an ihren Enden liegen, so daß in dem Spektrum sogenannte Artefakte auftreten, deren Intensität gering ist, wenn über den ganzen Bereich eine gute Entkopplung erzielt wird. Ein weiterer Grund besteht darin, daß eine Anzahl irreversibler Prozesse mit der durch die Folge bewirkten Kompensation interferiert; als Beispiele seien eine Spinrelaxation und eine molekulare Diffusion genannt; der in Frage kommende Hauptrelaxationsprozeß wird wahrscheinlich eine Protonenquerrelaxation sein, die bei typischen Proben eine Zeitkonstante im Bereich von etwa 0,1 bis 1 sec hat. Solche irreversiblen Prozesse bewirken eine Vergrößerung der Breite der entkoppelten Spektrallinie auf Kosten ihrer Höhe.
  • Sowohl die Betrachtung der Abtastung als auch die Betrachtung der irreversiblen Prozesse gewinnt eine um so größere Bedeutung, je größer die tatsächliche Dauer der Folge ist, was natürlich bedeutet, daß bei einer gegebenen Anzahl der in der Folge enthaltenen Impulse ihre Bedeutung um so größer wird, je niedriger die angewendete Entkopplungsleistung ist.
  • Ferner gewinnt der an zweiter Stelle genannte Gesichtspunkt eine besondere Bedeutung für Folgen, die mehr als 16 zusammengesetzte Impulse enthalten. Dies ergibt sich daraus, daß man zwar bei Befolgung der Regeln zum Aufbauen der erweiterten Folgen eine Folge mit 16 Impulsen vollständig aus Teilfolgen mit je vier Impulsen aufbauten kann, die als solche eine gute Entkopplungswirkung liefern, daß dies jedoch nicht für Folgen mit 32 Impulsen oder Folgen noch höherer Ordnung gilt.
  • Berücksichtigt man diese Faktoren, kann man den Schluß ziehen, daß im allgemeinen die Verwendung einer geeigneten Folge mit 16 Impulsen stets zu Ergebnissen führt, die besser sind als bei der Verwendung von Folgen mit vier oder acht Impulsen, daß jedoch die Verwendung längerer Folgen nicht in allen Fällen zu einer Verbesserung der Gesamtleistung führt.
  • Dies läßt sich durch versuchsmäßige Beobachtungen veranschaulichen, die bei einer bestimmten Probe durchgeführt wurden, wobei zusammengesetzte Impulse verwendet wurden, bei denen vo den Wert 1800 hatte. Bei einer 8 kHz entsprechenden Stärke des Entkopplungsfeldes B2 zeigte es sich, daß sich die Entkopplungsleistung drastisch verbesserte, wenn man anstelle einer Folge mit vier Impulsen eine Folge mit 16 Impulsen verwendete, und daß die Verwendung von Folgen mit 32, 64, 128 und 256 Impulsen zu weiteren kleinen Verbesserungen führte. Bei einer 1,5 kHz entsprechenden Feldstärke lieferte jedoch die Folge mit 64 Impulsen eine Leistung, die geringfügig besser war als die Leistung, die bei Folgen mit 16 bzw. 256 Impulsen erzielt wurde, während bei einer 1 kHz entsprechenden Feldstärke die beste Gesamtentkopplungsleistung bei Verwendung einer Folge mit 16 Impulsen erreicht wurde.
  • Leerseite

Claims (8)

  1. Ansprüche i,)Veriahren zur heteronuklearen Entkopplung bei einem mit hoher Auf lösung arbeitenden gepulsten kernmagnetischen Resonanz-Spektroskopieverfahren, bei dem, während aus einer Probe Signale gewonnen werden, die von der Resonanz einer zu beobachtenden Kernart herrühren, die Probe mit hochfrequenter Energie im wesentlichen bei der Resonanzfrequen einer interferierenden Kernart bestrahlt wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Bestrahlung mit Hilfe einer Reihe zusammengesetzter Impulse erfolgt, von denen jeder eine mindestens angenäherte Inversion der Längsmagnetisierung in bezug auf die interferierende Kernart bewirkt, wobei zusammengesetzte Impulse von zwei Typen verwendet werden, die sich nur dadurch unterscheiden, daß die Hochfrequenzphase bei dem einen Typ derjenigen des anderen Typs entgegengesetzt ist, wobei die Reihe die Form einer sich wiederholenden Folge hat, welche aus 2N Impulsen jedes Typs besteht, wobei N eine positive ganze Zahl bezeichnet, wobei sich die Folge aus einer Grundfolge ableiten läßt, die aus zwei der zusammengesetzten impulse besteht, wobei diese Ableitung durch einen logischen Erweiterungsprozeß erfolgt, der mindestens einen Schritt umfaßt, welcher dazu dient, eine Folge einer höheren Ordnung aus einer Folge einer niedrigeren Ordnung abzuleiten, so daß die Folge der höheren Ordnung eine zyklische Permutation einer zusammengesetzten Folge darstellt, die sich aus M verschiedenen Teilfolgen zusammensetzt, wobei M eine gerade Zahl ist, die nicht größer ist als 4, wobei jede der Teilfolgen in einer Beziehung zu der Folge der niedrigeren Ordnung steht, welche gewählt ist aus (a) der zyklischen Permutation einer geraden Zahl von Impulsen, (b) der zyklischen Permutation einer ungeraden Zahl von Impulsen, (c) der zyklischen Permutation einer geraden Zahl von Impulsen in Kombination mit einem Wechsel zwischen den beiden Impulstypen sowie (d) der zyklischen Permutation einer ungeraden Zahl von Impulsen in Kombination mit einem Wechsel zwischen den beiden Impulstypen, -wobei diese Wahl den Bedingungen unterliegt, daß (A) wenn M = 4 ist, die vier Beziehungsarten (a), (b), (c) und (d) jeweils für die vier Teilfolgen gelten, welche die zusammengesetzte Folge bilden, und daß (B) dann, wenn M = 2 ist, die vier Beziehungsarten (a), (b), (c) und (d) jeweils für die vier Teilfolgen gelten, welche eine gedachte Folge bilden, die sich zusammensetzt aus der genannten zusammengesetzten Folge und einer zusammengesetzten Folge einer ähnlichen Art, die mit der genannten zusammengesetzten Folge durch die zyklische Permutation einer geraden Anzahl von Impulsen in Beziehung steht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Erweiterungsprozeß nicht mehr als fünf Schritte umfaßt, wobei für jeden Schritt M gleich 2 ist und wobei N gleich der Anzahl der Schritte ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, da durch gekennzeichnet, daß N gleich 1 ist.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß N gleich 3 ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet9 daß die sich wiederholende Folge durch vier verschiedene aufeinanderfolgende Teilfolgen gebildet wird, von denen jede aus zwei Impulsen jedes Typs besteht, wobei zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen weniger als drei Wechsel zwischen den Typen durchgeführt werden.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der zusammengesetzten Impulse aus drei Einzelimpulsen besteht, zwischen denen vernachlässigbare Intervalle vorhanden sind, wobei der erste und der dritte Impuls die gleiche Hochfrequenzphase haben und jeweils die Nenndauer F/2y B2 aufweisen und wobei der zweite Impuls eine Hochfrequenzphse hat, die sich um 900 von derjenigen des ersten und des dritten Impulses unterscheidet, wobei der zweite Impuls eine Nenndauer zwischen T/y B2 und 3 T/2 FB2 aufweist, wobei B2 die der Hochfrequenzbestrahlung zugeordnete Magnetflußdichte und y das gyromagnetische Verhältnis der interferierenden Kernart bezeichnet.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nenndauer des zweiten Einzelimpulses 4 /3 zB2 beträgt.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der genannten zusammengesetzten Impulse aus zwei Einzelimpulsen besteht, welche die gleiche Hochfrequenzphase haben und jeweils die gleiche Nenndauer 3 t/2 gB2 aufweisen, wobei diese Impulse durch eine Zwischenperiode getrennt sind, deren Dauer etwa 2/yB2 beträgt, wobei B2 die der Hochfrequenzbestrahlung zugeordnete Magnetflußdichte und \> das gyromagnetische Verhältnis der interferierenden Kernart bezeichnet.
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