DE3500456C2 - Spulenanordnung für ein NMR-Untersuchungsgerät - Google Patents

Spulenanordnung für ein NMR-Untersuchungsgerät

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Description

Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung für ein NMR-Unter­ suchungsgerät.
NMR-Untersuchungsgeräte verfügen nach dem Stand der Technik über eine Sender- und eine Empfängerspule, wobei sowohl die Anordnung separater Spulen (GB-PS 2116326) als auch die Anordnung einer einzigen Spule bekannt sind. Bei der NMR- Darstellung wird das Untersuchungsobjekt gewöhnlich innerhalb der Empfängerspule in einer Fläche plaziert, in der das HF- Feld möglichst homogen ist, um alle Abschnitte in gleicher Weise abbilden zu können.
Vielfach soll ein kleiner Abschnitt eines größeren Untersuchungsgegenstandes abgebildet werden. Typische Beispiele hierfür sind die Umgebungsbereiche von Auge bzw. Ohr und deren äußere Schichten, bspw. bei der Messung chemischer Veränderungen. Bevorzugt wird demgemäß der Gebrauch einer Empfängerspule, die auch auf ein Signal empfindlich reagiert, welches von diesen speziellen Abschnitten des Untersuchungs­ gegenstandes ausgeht. Da das induzierte Signal dem Abstand der Empfängerspule von der Quelle des Signals indirekt proportional ist, sollte die Empfängerspule möglichst dicht am Untersuchungsgegenstand angeordnet sein. Derartige Spulen sind nach dem Stand der Technik als Oberflächenspulen ausgebildet und können sowohl als Sender und Empfänger benutzt werden, als auch nur als Empfänger. Im letzteren Fall erfolgt die Anregung der Atomkerne durch eine größere Senderspule, welche ein homogenes HF-Feld erzeugt.
Oberflächenspulen werden auch in NMR-Darstellungssystemen benutzt, welche der Darstellung des gesamten Körpers oder des Kopfes dienen. In diesem Fall erfordert die Veränderung einer Oberflächenspule mindestens folgende Schritte:
  • (1) Die Oberflächenspule muß mit der Empfängerelektronik des Systems verbunden werden.
  • (2) Falls die Senderspule gleichzeitig auch die Empfänger­ spule des Systems ist, dann muß deren Verbindung zur Oberflächenspule innerhalb der Signaldetektionsperiode verhindert werden.
  • (3) Wenn die Oberflächenspule auch als Senderspule dient, muß sie mit der Senderelektronik des Systems verbunden werden.
Die Verbindung einer Oberflächenspule zur Empfängerelektronik wird im allgemeinen derart realisiert, daß die Oberflächen­ spule mit einem eigenen Vorverstärker versehen wird; die Ausschaltung äußerer Störungen bei der NMR-Darstellung ist hierbei außerordentlich schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige HF- Spulenanordnung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile überwindet und in einem für Ganzkörperuntersuchungen vorgesehenen NMR-Darstellungsgerät eingesetzt werden kann. Das erfindungsgemäße System kann für NMR-Darstellungen bspw. des Auges, des Ohrs oder anderer Teilbereiche eines größeren Abschnitts benutzt werden, oder für Messungen chemischer Veränderungen etc.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Spulenanordnung für ein NMR-Untersuchungsgerät mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst. Weitere ausgestaltende Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Danach besteht die Spulenanordnung des NMR- Untersuchungsgerätes aus einer ersten Spulenanordnung, die sowohl der Anregung der Atomkerne des Untersuchungs­ gegenstandes, als auch dem Empfang des vom Untersuchungsgegenstand emittierten Signals dient. Weiterhin ist eine zweite Spulenanordnung vorgesehen, die zwar galvanisch getrennt, jedoch magnetisch gekoppelt zur ersten Spulenanordnung in unmittelbarer Nähe des zu untersuchenden und eingegrenzten Zielabschnitts angeordnet ist; durch das Vorhandensein der zweiten Spulenanordnung wird eine Signalverstärkung erreicht, die den relativen Signalpegel vergrößert.
Die erfindungsgemäße Spulenanordnung wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt schematisch
Fig. 1 eine typische NMR-Darstellungsanordnung nach der Erfindung;
Fig. 2a ein Feld in einer Sender-/Empfängerspule während des Empfangs;
Fig. 2b ein Feld in einer Sender-/Empfängerspule während der Sendung;
Fig. 3a, b verschiedene Möglichkeiten zur Reduzierung der Stö­ rungen eines HF-Feldes während der Sendephase;
Fig. 4a die elektrische Kopplung für eine HF-Spulenanord­ nung;
Fig. 4b das elektrische Ersatzschaltbild zu Fig. 4a und
Fig. 5 eine mögliche erfindungsgemäße Spulenanordnung.
Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung kann bei der Sendung und dem Empfang die gleichen Komponenten verwenden, wie sie bei NMR-Geräten nach dem Stand der Technik vorgesehen sind.
Fig. 1 zeigt eine typische erfindungsgemäße Anordnung, wobei das NMR-Gerät einen Magneten 1 umfaßt, eine Sender-/Empfänger­ spule 2, einen Adapter- bzw. Vorschaltkreis 3, einen HF- Leistungsverstärker 4 und einen Vorverstärker 5. Die einzige Ausnahme zu einem an sich bekannten System bildet eine Hilfsspule 6, die in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem abzubildenden Gegenstand, in diesem Fall ein Auge, angeordnet ist.
Die Erfindung basiert auf der Kopplung zweier Spulen, wie in Fig. 2a dargestellt ist. Der magnetische Fluß neigt dazu, seinen Weg durch die Hilfsspule 6 zu nehmen und dies um so mehr, je höher der der Hilfsspule 6 eigene Gütefaktor Q ist und je höher die magnetische Flußdichte D in der Nähe der Hilfsspule 6 ist. Auf der Basis des Reziprozitätsprinzips stellt sich ein NMR-Signal, induziert in der Empfängerspule, wie folgt dar:
worin
die Kernmaggnetisierung darstellt, produzziert von präzidierenden Kernen;
₁ die magnetische Flußdichte darstellt, erzeugt durch die Empfängerspule und worin
e die elektromotorische Kraft darstellt, an den Ausgängen der Empfängerspule.
Demgemäß ist im Falle der Fig. 2a das NMR-Signal mit Hilfsspule 6 stärker als es ohne Spule 6 sein würde.
Um den Effekt einer Hilfsspule 6 auf das HF-Feld während der Sendung zu eliminieren ist es möglich, Dioden D1 und D2 antiparallel zu einer Hilfsspule 6 zu verbinden, wie in Fig. 3a dargestellt. Bei verschiedenen NMR-Meßfolgen ist die Höhe eines HF-Impulses kritisch und dann ist es besser, eine Verbindung gemäß Fig. 3b zu benutzen. Während der Sendung eines HF-Impulses wird in einer Hilfsspule L1 eine Spannung induziert, die beträchtlich höher ist als die Sperrspannung der Dioden D1 und D2. Demgemäß erzeugen ein Kondensator C1 und eine Spule L2, deren Induktanz gleich ist der der Spule L1 einen parallelen Resonanzkreis, der an den Enden der Spule L1 als hohe Impedanz erscheint. Demgemäß ist ein Strom, der durch die Spule L1 fließt niedrig und hat keinen wesentlichen Einfluß auf das gesendete HF-Feld (Fig. 2b). Ein NMR-Signal ist immer viel niedriger als die Sperrspannung der Dioden, und in diesem Fall wird ein Parallelresonanzkreis von der Spule L1 und dem Kondensator C1 gebildet. Andererseits kann die Wirkung einer Hilfsspule auf das gesendete HF-Feld auch zu einem Vorteil genutzt werden. Dies basiert auf der Tatsache, daß ein geeignetes inhomogenes HF-Feld benutzt werden kann, um nur Atomkerne anzuregen, die sich innerhalb einer begrenzten Fläche befinden.
Fig. 4a stellt die Kopplung zweier Resonanzkreise dar. Die Gegeninduktivität der Spule L1 mit dem Gütefaktor Q1 und der Spule L2 mit dem Gütefaktor Q2 ergibt sich zu:
worin
k einen Koppelfaktor darstellt.
Die Kondensatoren C1 und C2 bilden parallele Resonanzkreise zusammen mit den Spulen L1 und L2. Die elektromotorische Kraft, induziert in der Spule L1 , ist e und die Frequenz ist fo.
Die Spannung am Kondensator C2 erreicht ihr Maximum, wenn
k2 = 1/Q1 * Q2
ist, wobei sich bei Anregung beider Resonanzkreise mit der gleichen Frequenz fo als Spannung ergibt
Wenn demgemäß die Kopplung niedrig ist, ist ein NMR-Signal, das in der Empfängerspule induziert wird, von der gleichen Größenordnung wie ein Signal V = Q1 * e.
Eine ähnliche Untersuchung kann auch angestellt werden für den Fall, in dem gerade einer der Kreise der Fig. 4a einen Resonanzkreis bildet.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Verwendung von nur einer Hilfsspule, sondern es kann auch eine Mehrzahl von diesen vorhanden sein, bspw. bei Messungen, bei denen die Größe eines Gegenstandes variiert.
Fig. 5 zeigt eine solche Anwendung. Zusätzlich zur Sender-/ Empfängerspule 2 eines NMR-Meßgerätes umfaßt das System andere Spulen. Diese sind im Beispiel zwei Spulen 6a und 6b und zwar auf jeder Seite eines zu untersuchenden Gegenstandes derart angeordnet, daß ein HF-Feld, erzeugt auf die gleiche Weise wie im Sinne der Fig. 2, innerhalb einer zu untersuchenden Fläche ausreichend homogen sein wird. Solch ein Gegenstand kann bspw. ein Arm, ein Bein, ein Kopf usw. sein.

Claims (13)

1. Spulenanordnung für ein NMR-Untersuchungsgerät, welches über erste Spulenelemente (2) zur Anregung der Kerne des Untersuchungsgegenstandes und zum Empfang eines durch die angeregten Kerne des Untersuchungsgegenstandes emittierten Signals verfügt, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung zweite Spulenelemente (6) aufweist, die galvanisch getrennt jedoch magnetisch gekoppelt zu den ersten Spulenelementen (2) in der Nähe eines eingegrenzten Abschnitts des Untersuchungsgegenstandes angeordnet sind zur Vergrößerung des Signalpegels des emittierten Signals dieses Abschnitts des Untersuchungs­ gegenstandes.
2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den zweiten Spulenelementen (6) Resonanzschaltungselemente (C1, L2) zugeordnet sind, deren Resonanzfrequenz der des emittierten Signals des eingegrenzten Abschnitts des Untersuchungsgegenstandes entspricht.
3. Spulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung des Einflusses der zweiten Spulenelemente (6) auf die das HF-Feld zur Anregung der Atomkerne erzeugenden ersten Spulenelemente (2), diese zweiten Spulenelemente (6) mit elektrischen Schaltmitteln derart verbunden sind, daß die Resonanzfrequenz der Spulenanordnung in der Anregungsphase verschieden ist von der in der Phase der Signaldetektion.
4. Spulenanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzelemente Impedanzen (L1, L2) umfassen, die mit den zweiten Spulenelementen (6) verbunden sind sowie Stromsteuermittel, die den Impedanzen (L1, L2) zugeordnet sind und daß die Stromsteuermittel immer dann leitfähig sind, nachdem die in den zweiten Spulenelementen (6) induzierte Spannung einen zuvor festgelegten Wert überschreitet.
5. Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuermittel (D1, D2) antiparallel geschaltete Dioden umfassen.
6. Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen aus einer reinen Induktivität bestehen, deren Induktivitätswert gleich dem der zweiten Spulenelemente (6) ist.
7. Spulenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Spulenelemente (6) elektrische Schaltelemente zum Sperren des Resonanzkreis während der Zeitdauer der Signalübertragung umfassen.
8. Spulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Spulenelemente (6) orthogonal in bezug auf den Teil der ersten Spulenelemente (2) angeordnet sind, welche der Anregung der Kerne des Untersuchungsgegenstandes dienen.
9. Spulenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Spulenelemente (6) eine Vielzahl von Spulen umfassen.
10. Spulenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Spulenelemente (6) zwei Spulen (6a, 6b) umfassen, die in der Nähe verschiedener Abschnitte des Untersuchungsgegenstandes angeordnet sind derart, daß das empfangene NMR-Signal von den verschiedenen Abschnitten der ersten Spulenelemente (2) im wesentlichen homogen ist.
11. Spulenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen den zwei Spulen (6a, 6b) der zweiten Spulenelemente (6) einstellbar ist.
12. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Spulenelemente (2) separate Übertragungs- und Empfangsspulen umfassen.
13. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Spulenelemente (2) eine einzelne Spule umfassen, die sowohl als Sende- als auch als Empfangsspule dient.
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