DE3809173C2 - Kernmagnetische Resonanzvorrichtung, Einrichtung zur Erzeugung eines Gradienten und deren Verwendung - Google Patents

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 erfindungsgemäße Vorrichtung dient insbesondere zur Untersuchung 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 Hauptmagnetfeldes, 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 Hochfrequenz und Mittel zur Detektion kernmagnetischer Resonanzsignale, die von dem zu untersuchenden Körper produziert werden. Eine solche Vorrichtung wird beispielsweise in EP 0 212 716 A2, EP 0 108 421 A2 und in GB 2 156 079 A beschrieben.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Untersuchung der Oberflächenschicht des Körpers mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz und insbesondere zur Untersuchung der Haut eines menschlichen Körpers, um ein Abbild der Haut mit Hilfe des NMR zu erhalten. Diese Art der Anwendung scheint von stärkstem Interesse zu sein. Die Erfindung 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 räumliche Lokalisation in dem zu untersuchenden Volumenbereich des Körpers erzielt man dadurch, daß man das statische Hauptfeld, das im allgemeinen in Richtung der Achse Z ausgerichtet ist, mit Gradienten des Magnetfeldes überlagert.

Die derzeit bekannten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Abbildes mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz weisen Einrichtungen zur Erzeugung der Gradienten des Magnetfeldes in den drei Richtungen des Raumes auf. Diese Einrichtungen 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. Derartige Vorrichtungen er­ möglichen die Untersuchung von Zonen, die sich an irgendeinem Ort des Körpers befinden. Dazu ist es ausreichend, diesen Körper derart in der Vorrichtung zu plazieren, daß 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 im allgemeinen aus elektromagnetischen Spulen gebildeten Vorrichtungen, 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 Intensität erforder­ liche elektrische Leistung im wesentlichen der 5. Potenz der Abmessung (im allgemeinen des Durchmessers) 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 Gradienten und/oder eine reduzierte Schaltzeit (oder eine reduzierte Zeit zur Erzeugung des Gradienten) zu erhalten. Bedingt durch die großen geometrische Abmessungen der Spulen ist es zur Verbesserung der Auflösung erforderlich - wie bereits oben ausgeführt - eine 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 eingesetzt werden kann.

Dies stellt einen wesentlichen Nachteil der bekannten Vor­ richtungen dar.

Die in EP 0 212 716 A2 beschriebe Vorrichtung zur NMR- Bildgebung weist eine als Empfangsantenne dienende Oberflächenspule auf, die auf ein abzubildendes Körpergebiet gelegt werden kann. Die Gradientenspulen sind bei dieser Vorrichtung symmetrisch. Bei der in EP 0 108 421 A2 beschrieben Vorrichtung sind ebenfalls symmetrische Gradientenspulen vorgesehen, die zusätzliche asymmetrische Sattelspulen zur Verschiebung der Bildebene aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, 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.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Untersuchung eines Körpers mit Hilfe der kernmagnetischen Resonanz (NMR) und insbesondere zur Untersuchung der Oberflächenschicht dieses Körpers mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 bereitgestellt.

Der in Anspruch 1 verwendete 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 befindet. Somit ist der zu untersuchende Körper oder der zu untersuchende Teil des Körpers nicht in das auf einer Seite angeordnete (unilaterale) System eingeführt, sondern liegt dagegen an.

Eine derartige offene Fläche kann im einfachsten Fall 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 Hauptfeldes 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 bzw. einen halben Öffnungswinkel, der derart gewählt ist, daß der Ausdruck ∂Bz/∂x bei der Entwicklung des durch diese Bogenwindung erzeugten Feldes maximal wird. Dieser Öffnungshalbwinkel kann gleich π/2 sein.

Die Mittel zu Detektions 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 Frequenzverschiebung 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 einer 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 Magnetfeldes 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 als einseitiges System auf einer Seite dieser Platte befestigt ist und daß diejenige Seite der Platte, die der Gradientenspule gegenüberliegt, eine Auflagefläche für den zu untersuchenden Körper bildet.

Die Gradientenspule besitzt zwei Wicklungen, die bezüglich einer zur Platte und zu ihrer Längserstreckung orthogonalen Ebene symmetrisch zueinander sind, wobei diese beiden Wicklungen in Reihe oder parallel geschaltet sind.

Die Empfangsspule kann ebenfalls auf der Platte auf derselben Seite wie die Gradientenspule, insbesondere im Zentrum dieser Spule fixiert sein.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung oder Einrichtung zur, vorzugsweise schnellen, Abbildung der Haut des menschlichen Körpers.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der bevorzugte Aus­ führungsformen darstellenden Figuren näher erläutert. Von den Figuren zeigen:

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 Unterarm 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 H0, 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 H0 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 H0 (in Richtung Oz zeigend) senkrechten Ebene angeordnet sind. Die Bogenwindungen der Einrichtung 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 E mit Hochfrequenz und Detektionsmittel R für die durch den Körper 2 produzierten kernmagnetischen Resonanzsignale sind 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 Hochfrequenz 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 dargestellt 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 einer "offenen" Fläche - wie bereits oben geschildert - eine Fläche bzw. Oberfläche verstanden, 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 H0 verläuft, und zwar auf der Seite der Ebene P, auf der sich der zu untersuchende 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 xOz ist in schematischer Weise die Veränderung der Vektoren B des entlang der Achse Ox durch die Vorrichtung Dx erzeugten Magnetfeldes dargestellt. Die Intensität des Gradienten des Magnetfeldes 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 befindlichen 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 H0 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 7a, 7b von Bogenwindungen, die in einer zur Richtung des statischen Feldes H0 orthogonalen Ebene angeordnet sind. Die Gruppen 7a, 7b 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 7a und zwei weitere Bögen 11, 12 für die Gruppe 7b 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 7a, 7b, vorgesehen.

Die Bogenwindungen sind durch Stränge (elektrische Leiter), wie Stränge 13, 14, 15, verbunden, die parallel zur Richtung des statischen Feldes H0 verlaufen und sich in der Nähe der Ebene P befinden.

Genauer betrachtet, wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist, ist das Ende der Bogenwindung 11, das sich vor 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 verbunden, 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 8a, 8b von Bogenwindungen, die symmetrisch zu den Gruppen 7a, 7b bezüglich der Ebene xOy sind. Diese Gruppen weisen dieselbe Zahl von Bogenwindungen wie die Gruppen 7a, 7b 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 für jede Gruppe 8a, 8b 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 Verbindungsteil 29 gebildet wird.

Die Ebene xOz stellt eine Symmetrieebene für die Wicklungen 7 und 8 dar. 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 ein- und derselben Gruppe und in entgegengesetzte Richtungen in einer anderen Gruppe. Der Strom zirkuliert in dieselbe Richtung bei den benachbarten Strängen, wie 13, 14 und in entgegengesetzte Richtungen bei beabstandeten 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 7b und 8b, 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 7b (oder 8b) und dem Punkt 0 ist mit z1 bezeichnet, während der Abstand zwischen der Gruppe 7a (oder 8a) und demselben Punkt mit z2 bezeichnet ist.

Mit g ist das Zentrum einer Bogenwindung, der Bogen 9 im Falle der Fig. 1, bezeichnet. Mit θ ist der Halböffnungs­ winkel dieses Bogens bezeichnet. Dieser Halbwinkel ist der gleiche für alle Bögen der beiden Wicklungen 7 und 8.

Die Abstände z1, z2 und der Halböffnungswinkel sind derart festgelegt, daß der Ausdruck ∂Bz/∂x bei der Reihenentwicklung der Intensität des durch die Einrichtung Dx erzeugten Feldes B maximal wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel steht θ 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 Bogenwin­ dung, dann erhält man einen guten Kompromiß zwischen den An­ forderungen der Intensität des Gradienten und der Linearität für Werte mit z1 = 0,56 r und z2 = 1,5 r.

Bei dieser Lösung befinden sich die Bogenwindungen auf einem Halbzylinder.

Weitere Lösungen mit θ = π/2 sind möglich für verschiedene Werte von z1 und z2. Es ist auch möglich, daß der Wert für θ verschieden von π/2 ist.

Die Detektionsmittel R besitzen eine flache Empfangsspule 30, die auf dem Punkt 0 zentriert ist. Ihre Mittelebene verläuft 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, wie Verbindungsteile, mit Mitteln 35 verbunden, welche zur Analyse der empfangenen Signale dienen und ein Bild liefern. Diese Mittel 35 umfassen insbesondere 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 B0 beruht (man vergleiche Fig. 1), das durch die Gradientenspule 6 im Zentrum O, d. h. in Höhe der Empfangsspule 30 erzeugt 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 Längserstreckung dieser Platte 37 ist parallel zur Richtung Oz des statischen Feldes H0 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 senkrecht 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 oder 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 H0 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 Übergangszeiten (Zeit bis zur Etablierung des magnetischen Feldgradienten) zu erhalten, die im allgemeinen kleiner oder gleich 100 µSek. sind. Dadurch ist es möglich, Materialien oder Gewebe zu untersuchen, deren Relaxationszeit T2 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 B0 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 Δf des Spektrometers, die durch die Mittel 36 hervorgerufen wird, während der Beobachtungszeit des Signales liegt in der Größenordnung von 230 Hz pro Gauss/m, um die Kompensation des Feldes B0 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 angeordnet 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 Einrichtung 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 bei einem erfindungsgemäßen 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 in einer bestimmten Richtung orientierten, homogenen statischen Hauptmagnetfeldes in dem Körper,
Einrichtungen zur Erzeugung von Gradienten des Magnetfeldes in einem zu untersuchenden Volumen des Körpers,
Mittel zur Anregung mit einer Hochfrequenz und
Mittel zur Detektion von in dem Körper erzeugten kernmagnetischen Resonanzsignalen,
dadurch gekennzeichnet, daß
mindestens eine der Einrichtungen zur Erzeugung der Gradienten (Dx) ausschließlich aus einem einseitigen System besteht, das Mittel (6) zur Erzeugung des Gradienten des Magnetfeldes entlang einer Richtung (Ox) des Raumes umfaßt, welche vollständig auf derselben Seite einer offenen Fläche (P) angeordnet sind, während sich der Körper (2) auf der gegenüberliegenden Seite dieser Fläche (P) befindet, wobei die Mittel (6) in der Lage sind, in dem Körper (2) mindestens einen bezüglich der Richtung des statischen Hauptfeldes quer verlaufenden Gradienten zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel der mindestens einen Einrichtung (Dx) zur Erzeugung des Gradienten des Magnetfeldes aus einer Spule (6) bestehen, die zwei Wicklungen (7, 8) aufweist, welche zu einer zur Richtung (Oz) des statischen Hauptfeldes (H0) 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 (7a, 7b; 8a, 8b) besitzt, die in einer zur Richtung (Oz) des statischen Hauptfeldes (H0) 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. Vorrichtung 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 Öffnungswinkel (θ) besitzt, der so gewählt ist, daß der Ausdruck ∂Bz/∂x bei der Entwicklung des durch diese Bogenwindung erzeugten Feldes maximal wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Öffnungswinkel (θ) π/2 entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder nach Anspruch 3 in Kombination mit Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge (13, 14, 15; 24, 25, 26) in der Nähe der Fläche (P) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zu Detektion (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) der mindestens einen Einrichtung (Dx) befindet, und daß die Empfangsspule (30) insbesondere im Zentrum (O) der mindestens einen Einrichtung (Dx) zur Erzeugung des Feldgradienten angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (36) besitzt, die eine Frequenzverschiebung des Spektrometers während des Empfanges des NMR-Signals hervorrufen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Einrichtung (Dx) zur Erzeugung des Gradienten des Magnetfeldes eine Trägerplatte (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 Empfangsspule (30) vorhanden sind und wobei die Trägerplatte (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 Trägerplatte (37) besitzt, die aus einem Material, das keine oder nur schwache kernmagnetische Resonanzsignale liefert und insbesondere aus einem Kunststoffmaterial besteht,
daß eine Gradientenspule (6) als einseitiges System auf einer Seite dieser Trägerplatte (37) befestigt ist, und
daß diejenige Seite der Trägerplatte (37) die der Gradienten­ spule (6) gegenüberliegt, eine Auflagefläche für den zu untersuchenden Körper (2) bildet.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Empfangsspule (30) besitzt, die auf der Trägerplatte (37) auf derselben Seite wie die Gradientenspule (6) angebracht ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenspule (6) zwei Wicklungen (7, 8) aufweist, die bezüglich einer zur Trägerplatte (37) und zu ihrer Längserstreckung 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) besitzt, die in einer zur Richtung der Längserstreckung der Trägerplatte (37) 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 Längserstreckung dieser Trägerplatte (37) verlaufen.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede Bogenwindung einen halben Öffnungswinkel (θ) besitzt, der so gewählt ist, daß der Ausdruck ∂Bz/∂x bei der Entwicklung des durch diese Bogenwindung erzeugten Feldes maximal wird.

15. Verwendung einer Vorrichtung oder einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Abbildung der Haut des menschlichen Körpers.

16. Verwendung einer Vorrichtung oder einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für eine schnelle Abbildung.