DE3809173A1 - Vorrichtung zur untersuchung eines koerpers mit hilfe der kernmagnetischen resonanz - Google Patents
Vorrichtung zur untersuchung eines koerpers mit hilfe der kernmagnetischen resonanzInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung
eines Körpers (oder eines Objektes) mit Hilfe der kern
magnetischen Resonanz (NMR)
unter Anwendung langsamer und schneller Methoden. Die er
findungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere zur Unter
suchung der Oberflächenschicht dieses Körpers.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Erzeugung
eines magnetischen Feldgradienten für eine derartige Vor
richtung und die Verwendung dieser Vorrichtung zur Erzeugung
eines optischen Abbildes der Haut des menschlichen Körpers.
Eine derartige Vorrichtung besitzt Mittel zur Erzeugung
eines homogenen statischen Hauptmagnetfeles, das entlang
einer vorherbestimmten Richtung orientiert ist, wobei der
Körper in diesem statischen Feld plaziert ist; Einrichtungen
zur Erzeugung von Gradienten des Magnetfeldes entsprechend
den drei Richtungen des Raumes in einem zu untersuchenden
Volumenbereich des Körpers; Anregungsmittel mit Radio
frequenz und Mittel zur Detektion kernmagnetischer Resonanz
signale, die von dem zu untersuchenden Körper produziert
werden.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur
Untersuchung der Oberflächenschicht des Körpers mit Hilfe
der kernmagnetischen Resonanz und insbesondere zur Unter
suchung der Haut eines menschlichen Körpers, um ein Abbild
der Haut mit Hilfe des NMR zu erhalten. Diese Art der An
wendung scheint von stärkstem Interesse zu sein. Die Er
findung betrifft jedoch nicht ausschließlich diese Anwendung.
Bekanntlich kann man mit einer Vorrichtung zur Erzeugung
eines Abbildes mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz
Bilder vom Inneren des menschlichen Körpers erzeugen. Die
Auflösung liegt dabei in der Größenordnung von 1 mm. Die räum
liche Lokalisation in dem zu untersuchenden Volumenbereich
des Körpers erzielt man dadurch, daß man das statische
Hauptfeld, das im allgemeinen in Richtung der Achse Z aus
gerichtet ist, mit Gradienten des Magnetfeles über
lagert.
Die derzeit bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung eines
Abbildes mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz weisen
Einrichtungen zur Erzeugung der Gradienten des Magnet
feldes in den drei Richtungen des Raumes auf. Diese Ein
richtungen besitzen im allgemeinen eine zylindrische Form,
deren Abmessungen so bemessen sind, daß der gesamte Körper
und insbesondere der menschliche Körper ins Innere dieser
Einrichtungen gelangen können. Deratige Vorrichtungen er
möglichen die Untersuchung von Zonen, die sich an irgen
einem Ort des Körpers befinden. Dazu ist es ausreichend,
diesen Körper derart in der Vorrichtung zu plazieren, aß die
gewünschte Zone untersucht werden kann.
Man kann somit sagen, daß es mit diesen Vorrichtungen
möglich ist, den "gesamten Körper" zu untersuchen. Dies
stellt einen wesentlichen Vorteil dar.
Bedingt durch die großen geometrischen Abmessungen dieser
Vorrichtungen (bestehen im allgemeinen aus elektromagnetischen
Spulen), die zur Erzeugung der Gradienten des Magnet
feldes dienen, ist die zur Anwendung gebrachte elektrische
Leistung beträchtlich. So ist beispielsweise die zur Er
zeugung eines Gradienten mit gegebener Itensität erforder
liche elektrische Leistung im wesentlichen der 5. Potenz der
Abmessung (im allgemeinen der Durchmesser) der zur Erzeugung
des Gradienten dienenden elektromagnetischen Spule
proportional.
Es ist auch wünschenswert, zur Verbesserung der Bildauf
lösung, insbesondere bei einem Bild der Oberfläche, eine
höhere Intensität des Gardienten und/oder eine reduzierte
Schaltzeit (oder eine reduzierte Zeit zur Etablierung des
Gradienten) zu erhalten. Bedingt durch die großen geometrischen
Abmessungen der Spulen ist es zur Verbesserung der Auf
lösung erforderlich - wie bereits oben ausgeführt - eine
zu hohe elektrische Leistung zur Anwendung zu bringen. Man
könnte auch ins Auge fassen, die Abmessungen (Durchmesser)
der Gradientenspulen zu reduzieren. Dies würde jedoch die
Einführung des Körpers in das Innere dieser Spulen schwieriger
gestalten. Auch könnte es sein, daß dann diese Vorrichtung
nur noch zur Untersuchung bestimmter Partien des Körpers
und nicht mehr zur Untersuchung des gesamten Körpers einge
setzt werden kann.
Dies stellt einen wesentlichen Nachteil der bekannten Vor
richtungen dar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine
Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mit Hilfe der
kernmagnetischen Resonanz und insbesondere zur Untersuchung
der Oberflächenschicht dieses Körpers bereitzustellen, die
den Anforderungen der Praxis besser entspricht und die ins
besondere die oben geschilderten Nachteile nicht aufweist.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung soll insbesondere einen
guten Zugang zu dem zu untersuchenden Volumenbereich möglich
machen und es erlauben, eine hohe räumliche Auflösung zu
erzielen, ohne daß es dabei erforderlich ist, die elektrische
Leistung zur Speisung der zur Erzeugung der Gradienten des
Magnetfeldes dienenden Einrichtungen beträchtlich zu erhöhen.
Diese Vorrichtung soll außerdem eine Untersuchung des
gesamten Körpers möglich machen.
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Untersuchung eines
Körpers mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz (NMR) und
insbesondere zur Untersuchung der Oberflächenschicht dieses
Körpers bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
mindestens eine der Einrichtungen zur Erzeugung von
Gradienten aus einem auf einer Seite angeordneten System
besteht, in dem die Mittel zur Erzeugung des Gradienten des
Magnetfeldes entsprechend einer Richtung des Raumes voll
ständig auf derselben Seite einer "offenen" Fläche angeordnet
sind, während der zu untersuchende Körper auf derjenigen
Seite dieser Fläche plaziert ist, die derjenigen gegen
überliegt, wo sich die genannten Mittel befinden, welche
in der Lage sind, mindestens einen Gradienten quer zur
Richtung des statischen Hauptfeldes auf der Seite der Fläche
zu erzeugen, auf der sich der zu untersuchende Körper be
findet.
Der Ausdruck "offene" Fläche bezeichnet eine Fläche, auf der
man keine geschlossene Kontur finden kann, welche den Körper
oder den Teil des zu untersuchenden Körpers völlig umgeben
kann, wenn sich letzterer an dem ihm zugedachten Platz be
findet. Somit ist der zu untersuchende Körper oder der zu
untersuchende Teil des Körpers nicht in das auf einer Seite ange
ordnete (unilaterale) System eingeführt, sondern liegt dagegen an.
Eine derartige "offene" Fläche kann in einfacher Weise aus
einer Ebene bestehen. Es sind auch weitere Arten derartiger
Flächen bzw. Oberflächen möglich, beispielsweise zum Körper
konkave Flächen, Flächen mit bogenförmigem Querschnitt oder
Flächen, die der Form des zu untersuchenden Körpers oder
dem zu untersuchenden Abschnitt des Körpers angepaßt sind.
Die Mittel zur Erzeugung des Gradienten des Magnetfeldes
bestehen vorteilhafterweise aus einer Spule, die zwei
Wicklungen aufweist, welche bezüglich einer zur Richtung des
statischen Hauptfeldes orthogonalen Ebene symmetrisch zuein
ander angeordnet sind. Diese beiden Wicklungen können hinter
einander oder parallel geschaltet sein.
Jede Wicklung besitzt vorzugsweise mindestens zwei Bogen
windungen oder Gruppen von Bogenwindungen, die in einer zur
Richtung des statischen Hauptfeles orthogonalen Ebene an
geordnet und in dieser Richtung voneinander beabstandet sind,
wobei diese Bogenwindungen miteinander verbunden sind.
Jede in einer zur Richtung des statischen Feldes orthogonalen
Ebene angeordnete Bogenwindung besitzt einen Öffnungshalb
winkel (demi-angle d'ouverture) bzw. einen halben Öffnungs
winkel, der derart gewählt ist, daß der Ausdruck δ Bz/δ x
bei der Entwicklung des durch diese Bogenwindung erzeugten
Feldes maximal wird. Dieser Öffnungswinkel kann gleich
Π/2 sein.
Die Detektionsmittel können eine flache Empfangsspule be
sitzen, die in einer zur Richtung des statischen Feldes
parallelen und zur Richtung des durch diese Einrichtung
erzeugten Gradienten orthogonalen Ebene angeordnet ist.
Diese Empfangsspule befindet sich insbesondere im Zentrum
der Einrichtung. Die Vorrichtung besitzt vorteilhafterweise
Mittel, um eine Translation der Frequenz des Spektrometers
während des Empfanges des NMR-Signals herbeizuführen, um
eine Frequenzverschiebung zu korrigieren, die auf dem Feld
beruht, welches durch die Gradientenspule im Bereich der
Empfangsspule erzeugt wird.
Das unilaterale System zur Erzeugung des Gradienten des
Magnetfeldes kann eine Trägerplatte besitzen, auf der auf
eine Seite die Gradientenspule fixiert ist, wobei Mittel
zum elektrischen Anschluß für die Gradientenspule vorge
sehen sind, um die Montage und Demontage der Einrichtung zu
erleichtern. Der zu untersuchende Körper wird auf die Träger
platte gelegt, und zwar auf diejenige Seite, welche der
Gradientenspule gegenüberliegt.
Das unilaterale System kann auch eine flache Empfangsspule
besitzen, die auf der Trägerplatte auf derselben Seite wie
die Gradientenspule befestigt ist, wobei Mittel zum
elektrischen Anschluß für diese Empfangsspule gleichfalls
vorgesehen sind.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung (unilaterales
System) zur Erzeugung eines Gradienten des Magnetfeldes, wo
bei diese Einrichtung eine unabhängige Untereinheit dar
stellen kann, die mit einer Vorrichtung zur Untersuchung
mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz kombiniert werden
kann.
Eine derartige Einrichtung zur Erzeugung eines Gradienten
des Magnetfeles in einer Vorrichtung zur Untersuchung eines
Körpers oder eines Objektes mit Hilfe der kernmagnetischen
Resonanz ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Platte be
sitzt, die aus einem Material, das keine oder nur schwache
kernmagnetische Resonanzsignale liefert, und insbesondere aus
einem durchsichtigen Kunststoffmaterial besteht, daß die
Gradientenspule auf einer Seite dieser Platte befestigt ist
und daß der zu untersuchende Körper oder das zu unter
suchende Objekt auf diejenige Seite der Platte gelegt wird,
die der Gradientenspule gegenüberliegt.
Die Gradientenspule besitzt zwei Wicklungen, die bezüglich
einer zur Platte und zu ihrer großen Abmessung orthogonalen
Ebene symmetrisch zueinander sind, wobei diese beiden
Wicklungen in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Die Empfangsspule kann ebenfalls auf der Platte auf der
selben Seite wie die Gradientenspule, insbesondere im Zentrum
dieser Spule fixiert sein.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der bevorzugte Aus
führungsformen darstellenden Figuren näher erläutert.
Von den Figuren zeigt
Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 2 eine Aufsicht auf die Vorrichtung der Fig. 1,
wobei Abschnitte geschnitten sind.
In den Zeichnungen und insbesondere in der Fig. 1 ist eine
Vorrichtung 1 zur Untersuchung eines Körpers oder eines
Objektes mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz (NMR) und
insbesondere zur Untersuchung der Oberflächenschicht dieses
Körpers oder dieses Objektes gezeigt.
Bei dem in den Figuren gezeigten Anwendungsbeispiel dient die
Vorrichtung 1 zur in vivo-Untersuchung der Haut des mensch
lichen Körpers. So ist in der Figur insbesondere ein Unter
arm 2 einer Person (nicht gezeigt) dargestellt, von dem eine
Zone der Haut mit Hilfe des NMR's untersucht werden soll.
Die Vorrichtung 1 besitzt Mittel 3 zur Erzeugung eines
statischen Hauptmagnetfeldes H 0, das so homogen wie möglich
ist, in der Fig. 1 mit Hilfe eines Pfeils schematisch darge
stellt ist und entlang einer Richtung Oz orientiert ist. Die
Mittel 3 bestehen aus einer Gruppe von elektromagnetischen
Spulen 4, die schematisch gezeigt sind und in der Richtung
Oz angeordnet sind. Diese Spulen 4 besitzen eine geschlossene,
im allgemeinen kreisförmige Kontur, deren Mittelebene zur
Achse Oz orthogonal angeordnet ist. Diese Spulen 4 sind auf
der Achse Oz zentriert.
Der mit Hilfe des NMR zu untersuchende Körper oder das zu
untersuchende Objekt, im vorliegenden Fall der Unterarm 2
wird in den Innenraum der Spulen 4 derart eingeführt, daß
er (es) im statischen Feld H 0 plaziert wird.
Einrichtungen Dx, Dy, Dz sind vorgesehen, um Gradienten des
magnetischen Feldes in die drei Richtungen Ox, Oy, Oz des
Raumes (sie sind insbesondere orthogonal) in dem zu unter
suchenden Volumenbereich des Körpers zu erzeugen, wobei der
Punkt 0 im Zentrum der Spulen angeordnet ist.
Die Einrichtungen Dx, Dy zur Erzeugung der transversalen
Gradienten Gx, Gy in den zu Ox und Oy parallelen Richtungen
können aus einer Anordnung von halbkreisförmigen Bogen
windungen bestehen, die in einer zum Hauptfeld H 0 (in Richtung
Oz zeigend) senkrechten Ebene angeordnet sind. Die Bogen
windungen der Einrichtungen Dy sind bezüglich derjenigen der
Einrichtung Dx um einen geeigneten Wert winkelversetzt. Die
Bogenwindungen der Einrichtungen Dy und Dz sind in der Fig. 1
nicht gezeigt bzw. lediglich die Abschnitte der Kreise C, auf
denen sich die Mittellinien dieser Bogen befinden, sind
strichpunktiert dargestellt.
Erregungsmittel G mit Radiofrequenz und Detektionsmittel R
für die durch den Körper 2 produzierten kernmagnetischen
Resonanzsignale sin ebenfalls vorhanden. Die Erregungsmittel
E und die Detektionsmittel R können aus derselben Spule, wie
dies in der Fig. 1 gezeigt ist, oder aus unterschiedlichen
Spulen bestehen.
Die Prinzipien der kernmagnetischen Resonanz sind im Detail
in zahlreichen Artikeln, Büchern und Veröffentlichungen be
schrieben worden. Diese Resonanz beruht darauf, daß bestimmte
Kerne und insbesondere Protonen (Wasserstoffkerne) einen
Spin besitzen, der einem magnetischen Dipol entspricht, der
ausgerichtet werden kann, wenn er in ein äußeres Magnetfeld
plaziert wird. Diese Kerne produzieren, nachdem sie durch
eine Spule mit Radiofrequenz angeregt worden sind, Signale,
welche durch die Detektionsmittel R empfangen werden. Die
Feldgradienten dienen dazu, die Kerne, von denen die Signale
stammen, im Raum zu lokalisieren; man vergleiche beispiels
weise die Veröffentlichung "NMR imaging techniques and
applications: A review" von Paul A. Bottomley in Rev. Sci.
Instrum., Bd. 53 (Nr. 9), September 1982, Seiten 1319-1337).
Die Einrichtung Dx zur Erzeugung des magnetischen Feld
gradienten in der Richtung Ox besteht aus einem unilateralen
System, in dem die Mittel 6 zur Erzeugung des Feldgradienten
vollständig auf einer Seite einer "offenen Fläche P ange
ordnet sind, während sich der zu untersuchende Körper auf
derjenigen Seite dieser Fläche P befindet, die derjenigen
gegenüberliegt, wo sich die genannten Mittel 6 befinden.
Die Fläche P kann auf einer Ebene, wie dies in den Figuren
dagestellt ist, oder aus anderen Flächen, insbesondere zur
Seite des Körpers 2 konkaven Flächen, bestehen. Die Fläche P
kann an die zu untersuchende Partie des Körpers 2 angepaßt
sein.
Im Rahmen der vorliegenden Unterlagen wird unter eine
"offenen" Fläche - wie bereits oben geschildert - eine Fläche
bzw. Oberfläche verstanden werden, auf der man keine geschlossene
Kontur finden kann, welche den Körper 2 vollständig umgibt.
Gemäß der in den Figuren gezeigten Darstellung unterteilen
die Fläche P und die dazu gehörigen Verlängerungen den Raum
in zwei Regionen, nämlich in eine untere Region, in der sich
die Mittel 6 befinden, und in eine obere Region, in der sich
der Körper 2 befindet. Dieser Körper 2 ist nicht in die Ein
richtung oder das System Dx eingeführt, sondern liegt ledig
lich auf der Fläche P auf.
Diese Einrichtung Dx kann einen Gradienten erzeugen, der
quer zur Richtung Oz des statischen Feldes H 0 verläuft, und
zwar auf der Seite der Ebene P, auf der sich der zu unter
suchende Körper 2 befindet.
Nach der Darstellung in der Fig. 1 verläuft die Ebene P
horizontal. Die Achse Ox zeigt senkrecht nach oben, während
die Achse Oy orthogonal zur Ebene xOz verläuft. In dieser
Ebene yOz ist in schematischer Weise die Veränderung der
Vektoren B des entlang der Achse Ox durch die Vorrichtung
Dx ezeugten Magnetfeldes dargestellt. Die Intensität des
Gradienten des Magnetfeles in Richtung Ox, erzeugt durch Dx,
entspricht der Schräge der Linie 5 bezüglich der Achse Ox.
Diese Linie 5 verläuft durch die Enden der Vektoren B, deren
Ursprung sich auf der Achse Ox befindet. Ein Gradient mit
dem Wert 0 würde einer zu Ox parallelen Linie 5 entsprechen.
Die Einrichtung Dx wird derart angeordnet, daß diese Linie 5
in dem zu untersuchenden, in der Nähe des Punktes 0 befind
lichen Volumenbereich eine Gerade oder im wesentlichen eine
Gerade darstellt. Je höher der Gradient ist, d. h. je mehr
die Linie 5 bezüglich der Achse Ox geneigt ist, umso besser
ist das Auflösungsvermögen in der betrachteten Richtung Ox.
Die Mittel 6 bestehen aus einer Spule, die zwei Wicklungen
7, 8 besitzt, welche bezüglich der Ebene xOy, die orthogonal
zur Richtung des statischen Feldes H 0 verläuft, symmetrisch
zueinander angeordnet sind. Die beiden Wicklungen 7, 8 sind
in Reihe geschaltet. Sie können jedoch auch parallel ge
schaltet sein.
Die Wicklung 7 besitzt zwei Gruppen 7 a, 7 b von Bogenwindungen,
die in einer zur Richtung des statischen Feldes H 0 orthogonalen
Ebene angeordnet sind. Die Gruppen 7 a, 7 b sind voneinander in
Richtung Oz um einen mittleren Abstand L beab
standet. Aus Gründen der einfacheren Darstellung sind nur
zwei Bogenwindungen 9, 10 für die Gruppe 7 a und zwei weitere
Bögen 11, 12 für die Gruppe 7 b dargestellt. Es versteht
sich von selbst, daß die Zahl von Bogenwindungen größer als
2 sein kann. Bei einer Ausführungsform sind 49 Bogenwindungen
für jede Gruppe, wie 7 a, 7 b vorgesehen.
Die Bogenwindungen sind durch Stränge (elektrische Leiter),
wie Stränge 13, 14, 15, verbunden, die parallel zur Richtung
des statischen Feldes H 0 verlaufen und sich in der Nähe der
Ebene P befinden.
Genaue betrachtet, wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist,
ist das Ende der Bogenwindung 11, das sich hinter der Ebene
xOz befindet, über den Strang 13 mit dem Ende des Bogens
9 verbunden, das sich ebenfalls vor der Ebene xOz befindet.
Das andere Ende des Bogens 9 ist durch den Strang 15 mit dem
Ende des Bogens 12 verbunden, der sich hinter der Ebene xOz
befindet.
Das Ende des Bogens 12, das sich vor der Ebene xOz befindet,
ist durch den Strang 14 mit dem Ende des Bogens 10 ver
bunden, das gleichfalls vor der Ebene xOz sich befindet. Das
andere Ende dieses Bogens 10 ist durch einen Strang 19, der
parallel zur Richtung Oz verläuft, mit der anderen Wicklung
8 verbunden. Es ist ersichtlich, daß die Bogenwindungen sowie
die benachbarten Stränge, die in der Fig. 1 beabstandet von
einander gezeichnet sind, damit man diese Figur leichter
interpretieren kann, nebeneinander verlegt, jedoch voneinander
elektrisch isoliert sind.
Die Wicklung 8 besitzt ebenfalls zwei Gruppen 8 a, 8 b von
Bogenwindungen, die symmetrisch zu den Gruppen
7 a, 7 b bezüglich der Ebene xOy sind. Diese Gruppen weisen die
selbe Zahl von Bogenwindungen wie die Gruppen 7 a, 7 b auf;
d. h. zwei Bögen 20, 21 und 22, 23 gemäß dem vereinfachten
Beispiel der Zeichnung. Wie bereits im Zusammenhang mit der
Wicklung 7 erläutert, kann diese Zahl wesentlich größer als
2 sein. Bei einem Ausführungsbeispiel sind 49 Bogenwindungen
fü jede Gruppe 8 a, 8 b vorgesehen.
Das Ende des Bogens 23, das hinter der Ebene xOz liegt, ist
mit dem Strang 19 verbunden. Das andere Ende dieses Bogens
23, das sich vor der Ebene xOz befindet, ist durch einen
Strang 24, der sich in der Nähe der Ebene P befindet, mit
einem Ende des Bogens 20 verbunden. Das andere Ende dieses
Bogens, das sich hinter der Ebene xOz befindet, ist über einen
Strang 25 mit dem Ende des Bogens 22 verbunden, das sich
gleichfalls hinter der Ebene xOz befindet. Das andere Ende
dieses Bogens 22 ist über einen Strang 26 mit dem Ende vor
dem Bogen 21 verbunden. Das andere Ende des Bogens 21 ist
mit einem Strang 27 verbunden, der sich mittels eines Ab
schnittes 28 verlängert, welcher einen Leiter zur Verbindung
mit dem anderen Pol der Quelle 16 darstellt. Der Leiter 28
ist mit einem Anschlußmittel ausgestattet, das durch
ein Vebindungsteil 29 gebildet wird.
Die Ebene xOz stellt eine Symmetrieebene für die Wicklungen
7 und 8 ar. Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß jede
Wicklung 7,8 im wesentlichen die Form eines "Pferdesattels"
besitzt, wobei die Gradientenspule 6 durch die Einheit aus
zwei "Pferdesätteln" 7,8 gebildet ist.
Jede Wicklung 7, 8 kann auch aus einer Zahl von Gruppen von
Bogenwindungen bestehen, die größer als 2 ist und insbe
sondere gleich 3 ist; die Gruppen von Bogenwindungen sind
voneinander in Richtung Oz beabstandet.
In der Figur ist mit Hilfe von Pfeilen eine mögliche
Zirkulationsrichtung des elektrischen Stroms in den Bögen und
Strängen gezeigt.
Innerhalb ein- und derselben Wicklung 7 oder 8 zirkuliert
der Strom in dieselbe Richtung bei den Bogenwindungen einer
selben Gruppe und in entgegengesetzte Richtungen von einer
Gruppe, wie 7 a, zu einer anderen, wie 7 b. Der Strom
zirkuliert in dieselbe Richtung bei den benachbarten Strängen,
wie 13, 14, und in entgegengesetzte Richtungen bei beab
standeten Strängen, wie 13 und 15.
Von einer Wicklung 7 zur anderen 8 findet man dieselbe
Zirkulationsrichtung des Stromes in den Gruppen von Bogen
windungen, beispielsweise 7 b und 8 b, die symmetrisch bezüg
lich xOz sind. Die Zirkulationsrichtungen sind entgegenge
setzt in den Strängen, wie 15, 19 und 25, 27, die
symmetrisch zu dieser Ebene xOz sind.
Der Abstand zwischen der Mittelebene der Gruppe 7 b (oder
8 b) und dem Punkt 0 ist mit z 1 bezeichnet, während der Ab
stand zwischen der Gruppe 7a (oder 8 a) und demselben Punkt 0
mit z 2 bezeichnet ist.
Mit g ist das Zentrum einer Bogenwindung, der Bogen 9 im
Falle der Fig. 1, bezeichnet. Mit 0 ist der Halböffnungs
winkel dieses Bogens bezeichnet. Dieser Halbwinkel ist der
gleiche für alle Bögen der beiden Wicklungen 7 und 8.
Die Abstände z 1, z 2 und der Halböffnungswinkel sind derart
festgelegt, daß der Ausdruck δ Bz/δ x bei der Reihenent
wicklung der Intensität des durch die Einrichtung Dx er
zeugten Feldes B maximal wird.
Bei einem Ausführungsbeispiel steht 0 für Π/2. Dadurch be
dingt befinden sich die Zentren, z. B. g der Bogenwindungen,
in der Ebene P. Bezeichnet man mit r den Radius der Bogenwindung,
dann erhält man einen guten Kompromiß zwischen den An
forderungen der Intensität des Gradienten und der Linearität
für Werte mit z 1 = 0,56 r und z 2 = 1,5 r.
Bei dieser Lösung befinden sich die Bogenwindungen auf einem
Halbzylinder.
Weitere Lösungen mit 0 = Π/2 sind möglich für verschiedene
Werte von z 1 und z 2. Es ist auch möglich, daß der Wert für
0 verschieden von Π/2 ist.
Die Detektionsmittel R besitzen eine flache Empfangsspule
30, die auf dem Punkt 0 zentriert ist. Ihre Mittelebene ver
läuft parallel zur Ebene P und befindet sich in der Nähe
dieser Ebene auf derselben Seite wie die Spule 6. Die Enden
dieser Spule 30 sind über Verbindungsleiter 31, 32, die mit
Anschlußmitteln 33, 34, die Verbindungsteile, mit Mitteln
35 verbunden, welche zur Analyse der empfangenen Signale
dienen und ein Bild liefern. Diese Mittel 35 umfassen insbe
sondere ein Spektrometer.
Die Vorrichtung 1 besitzt Mittel 36, um eine Translation der
Frequenz des Spektrometers zur Analyse der Mittel 35 während
des Empfanges des NMR-Signals herbeizuführen, um eine
Frequenzverschiebung zu korrigieren, die auf dem Feld B 0
beruht (man vergleiche Fig. 1), das durch die Gradienten
spule 6 im Zentrum O, d. h. in Höhe der Empfangsspule 30 er
zeugt wird.
Diese Mittel 36 können aus einer Serie von Spezial
instruktionen bestehen, die zu den Analysemitteln 35 ge
schickt werden, damit die gewünschte Frequenztranslation
durchgeführt wird.
Die Einrichtung Dx besitzt eine Trägerplatte 37 mit recht
eckiger länglicher Form aus einem Material, das keine oder
nur geringe kernmagnetische Resonanzsignale liefert. Diese
Platte 37 kann aus einem Kunststoffmaterial und insbesondere
aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial gefertigt sein.
Die große Abmessung dieser Platte 37 ist parallel zur Richtung
Oz des statischen Feldes H 0 ausgerichtet.
Wie aus der Fig. 2 besser ersichtlich, sind die Wicklungen
7 und 8 der Spule 6 auf der Platte 37 (gemäß der Darstellung
dieser Figur) fixiert. Die Stränge, wie 13, 14, 15 . . . , können
auf die Platte 37 geklebt oder in das Material dieser Platte
eingebettet sein. Die Bögen 9, 10 . . . erstrecken sich senk
recht zur Ebene der Platte 37 unterhalb letzterer.
Die obere Fläche der Platte 37 stellt die Fläche P dar. Bei
dem in den Figuren gezeigten Beispiel ist die Platte 37 plan.
Wie zuvor erläutert, kann diese Platte auch eine andere Form
und insbesondere eine konkave obere Fläche besitzen.
Die Empfangsspule 30 ist unterhalb der Fläche P auf derselben
Seite wie die Spule 6 bezüglich P angeordnet. Die Spule 30
ist vorteilhafterweise unterhalb der Platte 37 fixiert, bei
spielsweise in einer kreisförmigen Ausnehmung, die in der
Dicke der Platte vorgesehen ist und lediglich nach unten offen
ist. Die Einrichtung Dx bildet so eine unabhängige
Untereinheit, die mit Hilfe von Verbindungsmitteln 18, 29
und 33, 34 angeschlossen und abgetrennt werden kann.
Ferner sind Mittel, die nicht gezeigt sind, vorgesehen, um
die Platte 37 derart zu halten, daß ihre obere Oberfläche
sich in einer Ebene befindet, die durch die geometrische Achse
der Spulen 6 verläuft, welche das statische Feld H 0 erzeugen.
Das Beobachtungsvolumen entspricht im wesentlichen einer
imaginären Halbsphäre 38 (Fig. 2), die um den Punkt 0 zentriert
ist und sich auf derjenigen Seite befindet, die der Spule 6
gegenüberliegt.
Zur Beobachtung des zu untersuchenden Körpers reicht es aus,
nachdem man die Einrichtung Dx in korrekter Weise in die
Gesamtheit der Spulen 4 plaziert hat, den zu untersuchenden
Abschnitt des Körpers 2 auf die zentrale Zone der Platte 37
aufzulegen, wo sich die Detektionsspule 30 befindet. Es ist
ersichtlich, daß der Zugang zu dieser Zone dadurch er
leichtert wird, daß die Spule 6 für den Gradienten des Feldes
sich auf derjenigen Seite befindet, die der Platte 37 gegen
überliegt. Dadurch wird der Zugang zu der oberen Fläche
dieser Platte 37 völlig freigelassen.
Die verhältnismäßig reduzierten Abmessungen der Bogen
windungen der Spule 6 ermöglichen es, die durch die Spule 6
gespeicherte magnetische Energie zu minimieren und kurze Über
gangszeiten (Zeit bis zur Etablierung des magnetischen Feld
gradienten) zu erhalten, die im allgemeinen kleiner oder
gleich 100 µSek. sind. Dadurch ist es möglich, Materialien
oder Gewebe zu untersuchen, deren Relaxationszeit T 2 im NMR
einige Millisekunden beträgt.
Auch wird eine gute Linearität des Gradienten in dem Beob
achtungsvolumen 38 sichergestellt.
Nachstehend sind charakteristische Werte eines Ausführungs
beispieles aufgeführt:
Intensität des Feldgradienten in Abhängigkeit von der Strom
stärke: 50 G/m (Gauss/Meter) pro A.
Feld B 0 erzeugt im Zentrum O durch die Einrichtung Dx: 0,3 G
Durchmesser des Kreises, zu dem die Bögen 9, 10 . . . gehören:
0,12 m.
Bei derartigen Werten entspricht das Beobachtungsvolumen 38
demjenigen einer Halbsphäre, deren Radius etwa 14 mm beträgt.
Die Linearität des Gradienten in der vollständigen Sphäre ist
gut und in der Größenordnung von 3% (eine perfekte
Linearität entspricht 0%).
Bei einem Gradienten = 220 G/m und einer Übergangszeit von
70 µSek. beträgt die für einen Übergang erforderliche Leistung
lediglich 350 W.
Die Frequenzverschiebung Δ f des Spektrometers, die durch die
Mittel 36 hervorgerufen wird, während der Beobachtungszeit
des Signals liegt in der Größenordnung von 230 Hz pro Gauss/m,
um die Kompensation des Feldes B 0 zu erzielen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung lassen sich
wie folgt zusammenfassen:
- - Der zu untersuchende Körper oder die zu untersuchende Probe läßt sich leicht in die Beobachtungszone bringen, da die Spule 6 bezüglich der Ebene P auf einer Seite ange ordnet ist;
- - Die Einrichtung hat reduzierte Abmessungen und bildet eine Untereinheit, welche die Gradientenspule 6 und die Empfangsspule 30 umfaßt;
- - Eine gute Linearität mit der Veränderung der Intensität des Feldes wird im Beobachtungsvolumen erzielt, dessen Radius etwa 14 mm beträgt;
- - Die Übergangszeit ist kurz; dies kommt einem schnellen Bild zugute;
- - Zur Erzielung eines intensiven Gradienten ist nur eine reduzierte Speiseleistung erforderlich.
Eine derartige Eirichtung Dx kann bei der Herstellung eines
Mini-Abbildes einer Oberfläche Anwendung finden und dient
insbesondere zur Herstellung eines in-vivo Abbildes der Haut
des menschlichen Körpers. Bedingt durch die reduzierte Über
gangszeit des Gradienten ist es möglich, sehr kurze
Sequenzen mit einem Intensitätsmaximum des Gradienten zur
Anwendung zu bringen. Die Auflösung zur Untersuchung der
Humanhaut kann auf 100 µm (Mikrometer) bei einem erfindungs
gemäßen Ausführungsbeispiel abgesenkt werden.
Die Verwendung einer derartigen Einrichtung für ein schnelles
Bild ist ebenfalls von Interesse.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mit Hilfe
der kernmagnetischen Resonanz (NMR), die umfaßt:
Mittel zur Erzeugung eines homogenen statischen Haupt magnetfeldes, das in einer bestimmten Richtung orientiert ist, wobei sich der Körper in diesem statischen Feld befindet,
Einrichtungen zur Erzeugung von Gradienten des Magnet feldes in einem zu untersuchenden Volumen des Körpers, Mittel zur Anregung mit einer Radiofrequenz und
Mittel zur Detektion von kernmagnetischen Resonanz signalen, die durch den zu untersuchenden Körper produziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine (Dx) der Einrichtungen zur Erzeugung der Gradienten aus einem einseitigen System besteht, in dem die Mittel (6) zur Erzeugung des Gradienten des Magnetfeles entlang einer Richtung (Ox) des Raumes vollständig auf derselben Seite einer "offenen" Fläche (P) angeordnet sind, während sich der zu untersuchende Körper (2) auf derjenigen Seite dieser Fläche (P) befindet, die derjenigen gegenüberliegt, wo sich diese Mittel (6) befinden, welche in der Lage sind, auf der Seite der Fläche, wo sich der zu unter suchende Körper befindet, mindestens einen bezüglich der Richtung des statischen Hauptfeldes quer ver laufenden Gradienten zu erzeugen.
Mittel zur Erzeugung eines homogenen statischen Haupt magnetfeldes, das in einer bestimmten Richtung orientiert ist, wobei sich der Körper in diesem statischen Feld befindet,
Einrichtungen zur Erzeugung von Gradienten des Magnet feldes in einem zu untersuchenden Volumen des Körpers, Mittel zur Anregung mit einer Radiofrequenz und
Mittel zur Detektion von kernmagnetischen Resonanz signalen, die durch den zu untersuchenden Körper produziert werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine (Dx) der Einrichtungen zur Erzeugung der Gradienten aus einem einseitigen System besteht, in dem die Mittel (6) zur Erzeugung des Gradienten des Magnetfeles entlang einer Richtung (Ox) des Raumes vollständig auf derselben Seite einer "offenen" Fläche (P) angeordnet sind, während sich der zu untersuchende Körper (2) auf derjenigen Seite dieser Fläche (P) befindet, die derjenigen gegenüberliegt, wo sich diese Mittel (6) befinden, welche in der Lage sind, auf der Seite der Fläche, wo sich der zu unter suchende Körper befindet, mindestens einen bezüglich der Richtung des statischen Hauptfeldes quer ver laufenden Gradienten zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittel der Einrichtung (Dx) zur Erzeugung des
Gradienten des Magnetfeldes aus eine Spule (6)
bestehen, die zwei Wicklungen (7, 8) aufweisen, welche
zu einer zur Richtung (Oz) des statischen Hauptfeldes
(H 0) orthogonalen Ebene symmetrisch sind und die in
Reihe geschaltet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Wicklung (7, 8) mindestens zwei Bögen oder
Gruppen von Bogenwindungen (7 a, 7 b; 8 a, 8 b) besitzt,
die in einer zur Richtung (Oz) des statischen Haupt
feldes (H 0) orthogonalen Ebene angeordnet sind und die
voneinander in dieser Richtung beabstandet sind, wobei
diese Bogenwindungen durch Stränge (13, 14, 15; 24, 25,
26) verbunden sind.
4. Vorrichtungen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Bogenwindung (9, 10, 11, 12; 20, 21; 22, 23),
die in einer zur Richtung (Oz) des statischen Feldes
orthogonalen Ebene angeordnet ist, einen halben Öffnungs
winkel (⊖) besitzt, der so gewählt ist, daß der Aus
druck δ Bz/δ x bei der Entwicklung des durch diese
Bogenwindungen erzeugten Feldes maximal wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der halbe Öffnungswinkel (⊖) Π/2 entspricht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder nach Anspruch 3 in
Kombination mit Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Stränge (13, 14, 15; 24, 25, 26) in
der Nähe der Oberfläche (P) angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionsmittel (R)
eine flache Empfangsspule (30) besitzen, die in einer
zur Richtung des statischen Feldes parallelen Ebene
auf derselben Seite der Fläche (P) angeordnet ist, auf
der sich auch die Gradientenspule (6) befindet, und daß
die Empfangsspule (30) insbesondere im Zentrum (O) der
Einrichtung (Dx) zur Erzeugung des Feldgradienten ange
ordnet ist.
8. Vorichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (36) besitzt,
die eine Translation der Frequenz des Spektrometers
während des Empfanges des NMR-Signals hervorrufen, um
eine durch das Feld (B 0) hervorgerufene Frequenzver
schiebung zu korrigieren, welches durch die Gradienten
spule (6) im Bereich der Empfangsspule (30) erzeugt
wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (Dx) zur
Erzeugung des Gradienten des Magnetfeldes eine Träger
platte (37) besitzt, auf deren einer Seite die
Gradientenspule (6) und die flache Empfangsspule (30)
fixiert sind, wobei elektrische Anschlußmittel
(18, 29; 33, 34) für die Gradientenspule (6) und die
Emfpangsspule (30) vorhanden sind und wobei die Platte
(37) aus einem Material besteht, das keine oder nur
schwache kernmagnetische Resonanzsignale liefert.
10. Einrichtung zur Erzeugung eines Gradienten eines
Magnetfeldes in einer Vorrichtung zur Untersuchung
eines Körpers oder eines Objektes mit Hilfe der kern
magnetischen Resonanz, dadurch gekennzeichnet, daß sie
eine Platte (37) besitzt, die aus einem Material, das
keine oder nur schwache kernmagnetische Resonanzsignale
liefert und insbesondere aus einem Kunststoffmaterial
besteht,
daß eine Gradientenspule (6) auf einer Seite dieser Platte (37) befestigt ist, und
daß der zu untersuchende Körper (2) auf diejenige Seite der Platte (37) gebracht werden soll, die der Gradienten spule (6) gegenüberliegt.
daß eine Gradientenspule (6) auf einer Seite dieser Platte (37) befestigt ist, und
daß der zu untersuchende Körper (2) auf diejenige Seite der Platte (37) gebracht werden soll, die der Gradienten spule (6) gegenüberliegt.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß sie eine Empfangsspule (30) besitzt, die auf der
Platte (37) auf derselben Seite wie die Gradienten
spule (6) angebracht ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gradientenspule (6) zwei Wicklungen
(7, 8) aufweist, die bezüglich einer zur Platte (37) und
zu ihrer großen Abmessung orthogonalen Ebene symmetrisch
zueinander sind, wobei diese beiden Wicklungen (7, 8)
in Reihe oder parallel geschaltet sein können.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Wicklung (7, 8) mindestens zwei Bögen oder
Gruppen von Bögen (9, 10; 11, 12; 20, 21; 22, 23) be
sitzt, die in einer zur Richtung der großen Abmessung
der Platte orthogonalen Ebene angeordnet und voneinander
in derjenigen Richtung beabstandet sind, die parallel
zur Richtung eines statischen Hauptfeldes verschoben
werden kann, wobei diese Bogenwindungen durch Stränge
(13, 14, 15; 24, 25, 26) verbunden sind, die parallel
zur Richtung der großen Abmessung dieser Platte ver
laufen.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Bogenwindung einen halben Öffnungswinkel (⊖)
besitzt, der so gewählt ist, daß der Ausdruck δ Bz/δ x
bei der Entwicklung des durch diese Bogenwindung er
zeugten Feldes maximal wird.
15. Verwendung einer Vorrichtung oder einer Einrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur optischen Ab
bildung der Haut des menschlichen Körpers.
16. Verwendung einer Vorrichtung oder einer Einrichtung
nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für eine schnelle
Abbildung.
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NL (1) | NL193915C (de) |
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