DE4104079C2 - Probenkopf für die NMR-Tomographie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Probenkopf für die NMR-Tomographie, mit mindestens einem hohlzylindrischen Gehäuse, dessen äußerer, zylindrischer Mantel aus im wesentlichen durchgehendem, elek­ trisch leitendem Material besteht, und dessen innerer, zylin­ drischer, einen Probenraum umgebender Mantel mit mehreren parallelen und axial verlaufenden elektrischen Leitern versehen ist, und mit mindestens einer Koppelanordnung zum Erzeugen hochfrequenter elektrischer Ströme in den Leitern.

Ein Probenkopf der vorstehend genannten Art ist aus der DE-OS 35 22 401 bekannt.

Der bekannte Probenkopf ist für Kernresonanz-Tomographen vorgesehen, deren Meßfrequenz in der Größenordnung von 100 MHz liegt. Durch die vorstehend genannte Anordnung wird erreicht, daß sich im Probenraum des Probenkopfes eine Verteilung des hochfrequenten Magnetfeldes ausbildet, bei der die Feldlinien im wesentlichen parallel zueinander und in einer Radialebene verlaufen. Die Homogenität des hochfrequenten Magnetfeldes ist daher sehr gut. Dadurch, daß die Feldlinien sämtlich in einer Radialebene verlaufen, ist auch sichergestellt, daß das hochfrequente Magnetfeld senkrecht zur Achse des Probenkopfes verläuft, so daß der Probenkopf koaxial zu einer Solenoidspule angeordnet werden kann, die das magnetische Konstantfeld erzeugt, das zur Anregung von Kernresonanz erforderlich ist.

Im Bereich der Kernresonanz-Tomographen geht nun eine allgemeine Entwicklungsrichtung dahin, Tomographen für immer höhere Meßfrequenzen, beispielsweise für Meßfrequenzen von 300 MHz oder noch darüber zu entwickeln.

In diesem Frequenzbereich stößt jedoch der eingangs geschilderte bekannte Probenkopf an technische Grenzen. So erhöhen sich bei hohen Frequenzen vor allem die Streufelder, was zu einer Verminderung der Güte führt. Außerdem nimmt bei langgestreckten Probenköpfen der eingangs genannten Art die Intensität des hochfrequenten Magnetfeldes in Achsrichtung von der Mitte nach außen ab, so daß bei volumenselektiven Messungen die unter­ schiedliche Amplitude des hochfrequenten Magnetfeldes bei Variation der axialen Lage des Meßvolumens berücksichtigt werden muß.

Aus der EP-OS 03 42 745 ist ein Kernspinuntersuchungsgerät mit einer Hochfrequenzspulenanordnung bekannt. Bei diesem bekannten Gerät soll eine Erhöhung von Güte und Empfindlichkeit dadurch erreicht werden, daß die Spule aus einzelnen, auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmten, Resonatoren besteht, die lediglich induktiv miteinander gekoppelt aber nicht gal­ vanisch miteinander verbunden sind.

Bei diesem bekannten Gerät wird die Feldverzerrung in axialer Entfernung von einer zentralen Spule dadurch kompensiert, daß Zusatzspulen im axialen Abstand zur mittleren Spule angeordnet werden, diese Zusatzspulen jedoch als passive Schwingkreise geschaltet sind. Diese passiven Schwingkreise nehmen dann das von der mittleren, aktiven Spule erzeugte Magnetfeld auf und "verlängern" es in axialer Richtung, so daß die aus der mitt­ leren, aktiven Spule in axialer Richtung austretenden Feldlinien linearer verlaufen, als dies bei Abwesenheit der zusätzlichen passiven Spulenschwingkreise möglich ist.

Das bekannte Gerät ist jedoch lediglich für relativ niedrige Meßfrequenzen geeignet, die in der genannten EP-OS mit 8,5 MHz angegeben sind. Nur bei diesen relativ niedrigen Meßfrequenzen können kreisförmige Spulenanordnungen zum Erzeugen des gewünsch­ ten hochfrequenten Magnetfeldes verwendet werden. Bei höheren Meßfrequenzen von z. B. 50 MHz oder mehr sind derartige Spulen­ anordnungen nicht mehr einsetzbar.

Ferner hat das bekannte Gerät den Nachteil, daß die passiven Spulenschwingkreise jeweils einzeln auf die aktuelle Resonanz­ frequenz der mittleren, aktiven Schwingkreisanordnung abgestimmt werden müssen. Dies ist mit einem sehr hohen Aufwand verbunden, der andererseits aber erforderlich ist, weil bei nicht exakter Abstimmung der beispielsweise vier oder acht zusätzlichen Spulenanordnungen ansonsten Inhomogenitäten anstelle einer Homogenitätsverbesserung eintreten würden.

Aus der EP-PS 01 07 238 ist ein Kernresonanz-Tomograph bekannt, bei dem Hochfrequenz-Sattelspulen zum Erzeugen des hochfrequenten Magnetfeldes verwendet werden.

Bei diesem bekannten Gerät ist alternativ vorgesehen, mehrere Sattel-Teilspulen axial hintereinander oder in Umfangsrichtung nebeneinander anzuordnen. Dabei ist auch die Möglichkeit vorgesehen, bei einer Anordnung mit mehreren axial benachbarten Sattelspulen die jeweiligen Einzelspulen aus einer gemeinsamen Hochfrequenz-Quelle in Parallelschaltung zu versorgen.

Auch für diese bekannte Anordnung gilt, daß sie lediglich für relativ niedrige Meßfrequenzen geeignet ist, die in der genannten EP-PS mit 9 MHz, maximal jedoch 20 MHz angegeben sind.

Bei diesem bekannten Tomographen wird zwar die gesamte Spulenanordnung infolge der Parallelschaltung der einzelnen Sattelspulen aktiv mit Hochfrequenz-Strom versorgt, dies kann jedoch zu Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Spulen führen, da diese eng miteinander verkoppelt sind.

Aus der EP-OS 03 74 994 ist eine Oberflächenspulen-Anordnung für die NMR-Tomographie bekannt. Die bekannte Anordnung umfaßt ein erstes Oberflächenspulen-System sowie mehrere zweite Oberflächenspulen-Systeme, die jeweils flach ausgebildet sind, wobei sich die zweiten Oberflächenspulen-Systeme dicht unterhalb des ersten Oberflächenspulen-Systems befinden.

Das erste Oberflächenspulen-System besteht seinerseits aus zwei langgestreckten, rechteckförmigen Spulen, die in Längsrichtung mit kleiner Überlappung nebeneinander angeordnet sind. Dieses erste System dient zur Herstellung von Übersichtsaufnahmen des Oberflächenbereiches des Patienten, auf dem sich das Gesamt-Spulensystem befindet. Demgegenüber haben die zweiten Systeme jeweils eine kreisringförmige Gestalt und die mehreren Kreisringe sind ebenfalls nebeneinander mit geringer Überlappung angeordnet, wobei sie im wesentlichen die Oberfläche des ersten Systems überdecken. Die zweiten Systeme dienen jeweils einzeln dazu, Detailaufnahmen eines bestimmten Oberflächenbereiches mit größerer Auflösung herzustellen. Hieraus folgt, daß das erste Spulensystem und die zweiten Spulensysteme nur jeweils getrennt und zeitlich nacheinander eingesetzt werden können, weil die Spulensysteme einander sonst stören würden.

Aus der US-PS 4,727,328 ist eine Patientenliege für einen NMR-Tomographen bekannt. Die Patientenliege besteht aus mehreren übereinander angeordneten Abschnitten, wobei der oberste Abschnitt die Patientenauflage bildet. Die Patientenauflage kann ihrerseits aus mehreren Modulen bestehen, die von ihrer Formgebung an die unterschiedlichen Körperabschnitte des Patienten, beispielsweise den Kopf und den Rumpf, angepaßt sein können. Die einzelnen Module können mit sattelförmigen Hochfrequenzspulen versehen sein. Über den Betrieb und die Beschaltung dieser Spulen ist nichts ausgesagt.

Aus der WO 91/00528 ist ein Probenkopf für die Kernresonanz- Ganzkörper-Tomographie bekannt. Bei einem Ausführungsbeispiel des bekannten Probenkopfes sind zwei Hochfrequenz-Spulen, die als Spaltringresonatoren ausgebildet sind, koaxial und nebeneinander angeordnet. Zwischen den beiden Hochfrequenz-Spulen besteht ein Zwischenraum von der Größenordnung der axialen Länge jeder Hochfrequenz-Spule. In diesem Zwischenraum ist das magnetische Hochfrequenz-Feld besonders homogen, das die beiden Hochfrequenz-Spulen axial durchsetzt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Probenkopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß bei wesentlich höheren Meßfrequenzen bis typischerweise 300 MHz oder mehr Tomographie-Messungen mit sehr konstantem hochfrequentem Magnetfeld bei hohem Füllfaktor möglich sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das hohlzylindrische Gehäuse aus mindestens zwei Teilgehäusen besteht, die in Achsrichtung mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind, wobei der axiale Abstand wesentlich kleiner als eine axiale Länge der Teilgehäuse ist, daß die Teilgehäuse jeweils mit den Leitern versehen sind, und daß die Teilgehäuse gleichzeitig von einem gemeinsamen Sender/Empfänger betrieben werden.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Durch Verwendung mehrerer axial nebeneinander angeordneter, aber koaxialer Teilgehäuse wird nämlich die Gesamthomogenität erhöht, weil der Randabfall des hochfrequenten Magnetfeldes innerhalb jedes Teilgehäuses kleiner ist als der Randabfall bei einem durchgehenden langgestreckten Gehäuse. Ferner wird durch die separate Einstellbarkeit der hochfrequenten Ströme erreicht, daß die bei den bekannten Anordnungen typischen Fehler eliminiert werden können. Hierzu gehören insbesondere die bei den bekannten Anordnungen unvermeidbaren Phasenfehler, beispielsweise durch unterschiedliche Belastung der einzelnen Spulen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß Probenköpfe der hier interessierenden Art entweder ganze menschliche Körper oder zumindest ganze Gliedmaßen menschlicher Körper aufnehmen sollen, also Meßobjekte, die sehr inhomogen sind. Nur dann, wenn erfindungsgemäß innerhalb der einzelnen Teilgehäuse hochfrequente Magnetfelder erzeugt werden können, die infolge der separaten Einstellbarkeit der hochfrequenten Ströme ebenfalls separat einstellbar sind, können derartige Inhomogenitäten ausgeglichen werden. Es brauchen dann bei größeren tomographischen Messungen, die über weite axiale Bereiche führen, keine Kompensationsmaßnahmen vorgenommen zu werden.

Vor allem aber gilt, daß bei Verwendung mehrerer Teilgehäuse durch Verringerung der elektrischen Streufelder die Gesamtgüte der Anordnung auch bei sehr hohen Meßfrequenzen weit höher ist als dies bei einer einheitlich durchgehenden Anordnung der Fall wäre.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die hochfrequenten Ströme in den Teilgehäusen unabhängig voneinander einstellbar. Insbesondere sollen die hochfrequenten Ströme während des Betriebes des Probenkopfes manuell oder automatisch einstellbar sein.

Diese Maßnahme, die z. B. dadurch realisiert werden kann, daß jedes Teilgehäuse eine eigene Einkoppelvorrichtung hat, hat den Vorteil, daß je nach Meßaufgabe die elektromagnetischen Schwingungen innerhalb der Probenräume der beiden Teilgehäuse individuell eingestellt werden können.

Es ist daher infolge der strengen Entkopplung beider Teil­ gehäuse möglich, unter Beibehaltung dieser geometrischen Entkopplung jedes einzelne Teilgehäuse individuell zu betreiben, um besondere Meßeffekte zu erzielen.

Dies wirkt sich auch in einer Erhöhung des Füllfaktors aus, weil das Verhältnis von Probenvolumen bzw. Meßvolumen bei volumenselektiven Messungen zum Volumen des jeweiligen Proben­ raumes günstiger wird, wenn zwei Teilräume isoliert betrachtet werden. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Probenkopf z. B. auch möglich, wahlweise nur eines der beiden Teilgehäuse aktiv zu betreiben und das andere jeweils abzuschalten, wenn nur Meßvolumina im Probenraum des einen Teilgehäuses von Interesse sind.

Obwohl im Rahmen der vorliegenden Erfindung prinzipiell die Anzahl, Art und Anordnung der Teilgehäuse frei gewählt werden könnte, sind Ausführungsformen bevorzugt, bei denen nur zwei Teilgehäuse vorgesehen sind und/oder bei denen die Teilgehäuse baugleich sind, und/oder bei denen die Teilgehäuse mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind und/oder der axiale Abstand wesentlich kleiner als eine axiale Länge der Teilgehäuse ist oder ganz verschwindet.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Probenkopfes zeichnet sich dadurch aus, daß die hochfrequenten elektrischen Ströme so einstellbar sind, daß in den von den Teilgehäusen umschlossenen Probenräumen hochfrequente mag­ netische Wechselfelder erzeugt werden, deren Feldlinien in jedem einzelnen Probenraum in einer Radialebene parallel zueinander verlaufen.

Vorzugsweise sind dabei die Feldlinien des Wechselfeldes in dem einen Probenraum orthogonal zu den Feldlinien des Wechsel­ feldes in dem jeweils axial benachbarten Probenraum gerichtet. Ferner ist dabei besonders bevorzugt, wenn in den von den Teilgehäusen umschlossenen Probenräumen hochfrequente zirkular polarisierte magnetische Wechselfelder erzeugt werden.

Diese Maßnahme führt dazu, daß die hochfrequenten Magnetfelder beider Teilgehäuse geometrisch streng voneinander entkoppelt werden können, weil die jeweiligen Feldlinien um 90° aufein­ anderstehen.

Dies ist bei Probenköpfen der obengenannten Art möglich, weil nur mit derartigen Probenköpfen Schwingungsmoden erzeugt werden können, bei denen die räumliche Ausrichtung der elektrischen Feldlinien in der genannten Weise einstellbar ist.

Dies hat zur Folge, daß die beiden Teilgehäuse einerseits elektrisch voneinander entkoppelt sind, andererseits aber im Hinblick auf die Tomographie-Messungen im wesentlichen einem einstückigen Probenkopf gleichwertig bzw. sogar überlegen sind.

Weiterhin ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der die Leiter mit Ausnahme definierter Lücken auf gleich­ mäßig über einen Umfang der Teilgehäuse verteilten Positionen angeordnet sind, wobei sich die Lücken an mindestens zwei auf einem gemeinsamen Durchmesser einer Radialebene liegenden Positionen befinden.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Ausrichtung der Schwin­ gungsmoden innerhalb beider Teilgehäuse zusätzlich stabilisiert wird, weil die "Lücken" die Ausrichtung der Feldlinien bestim­ men.

Wenn, wie weiter oben erläutert, die Schwingungsmoden innerhalb beider Teilgehäuse orthogonal zueinander ausgerichtet werden sollen, so kann diese Orthogonalität dadurch unterstützt und stabilisiert werden, daß die Lückenpositionen innerhalb beider Teilgehäuse ebenfalls um 90° zueinander versetzt angeordnet werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, teilweise aufge­ brochen, durch einen Probenkopf nach dem Stande der Technik;

Fig. 2 eine ebenfalls perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Probenkopfes;

Fig. 3 eine Seitenansicht, äußerst schematisiert und im Längsschnitt, durch den Probenkopf gemäß Fig. 1;

Fig. 4 eine Darstellung, ähnlich Fig. 3, jedoch für den Probenkopf gemäß Fig. 2;

Fig. 5 eine weitere perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Probenkopfes, einschließlich eines Teils seiner elektrischen Beschaltung.

In Fig. 1 bezeichnet 1 insgesamt einen Probenkopf für die NMR-Tomographie. Die Längsachse des im wesentlichen zylindri­ schen Probenkopfes 1 ist mit 2 bezeichnet. Es ist bekannt, derartige Probenköpfe 1 für die NMR-Tomographie in einem statischen Magnetfeld hoher Feldstärke und Homogenität an­ zuordnen, dessen Richtung mit der Achse 2 des Probenkopfes 1 zusammenfällt.

Eine Probe, insbesondere eine lebende Probe, beispielsweise ein Kopf oder Gliedmaßen oder ein ganzer Körper eines Menschen oder eines Tieres, wird in einen Probenraum 10 des Proben­ kopfes 1 gebracht und dort einem magnetischen Hochfrequenz- Feld ausgesetzt, das im wesentlichen senkrecht zur Achse 2 des konstanten magnetischen Feldes verläuft. Probenköpfe 1 für die NMR-Tomographie dienen daher generell dazu, ein Hoch­ frequenz-Magnetfeld auf die Probe einzustrahlen, das senkrecht zur Richtung des Konstant-Magnetfeldes gerichtet und möglichst homogen ist.

Der Probenkopf 1 gemäß Fig. 1 ist von an sich bekannter Bauart. Einzelheiten zu dem Probenkopf 1 sind in der DE-OS 35 22 401 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt durch diese Bezugnahme auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.

Der Probenkopf 1 umfaßt ein hohlzylindrisches Gehäuse 11 mit einem äußeren Mantel 12 und einem inneren Mantel 13 sowie Stirnflächen 14, die den Zwischenraum 15 zwischen den Mänteln 12, 13 überbrücken.

Die Oberfläche 16 des äußeren Mantels 12 ist elektrisch leitend ausgebildet. Die Stirnflächen 14 sind radial unterteilt. Ein äußerer kreisbogenförmiger Bereich 18 verfügt über eine eben­ falls elektrisch leitfähige Oberfläche 19, die mit einer umlaufenden Lötstelle 20 mit der leitenden Oberfläche 16 des äußeren Mantels 12 verbunden ist. Ein innerer Bereich 21 der Stirnflächen 14 ist hingegen nicht leitend.

Die leitende Oberfläche 17 des inneren Mantels 13 ist nur in einer Richtung parallel zur Achse 2 des Gehäuses 11 elektrisch leitend, weil sie in axiale Leiter 22 unterteilt ist. Jeder der Leiter 22 ist mit einem radial verlaufenden, leitfähigen Streifen 23 auf dem inneren Bereich 21 der Stirnflächen 14 verbunden. Von den Streifen 23 führen Kondensatoren 24 zum äußeren, leitfähigen Bereich 18 der Stirnfläche 14.

Im Bereich der Stirnfläche 14 ist in den inneren Mantel 13 ein rohrförmiger, ebenfalls elektrisch leitender Abschnitt 25 eingeschoben, der in Richtung der Achse 2 verschiebbar ausge­ bildet ist.

Die vorstehende Schilderung bezog sich auf nur eine Stirnseite 26 des Probenkopfes 1, es versteht sich jedoch, daß auch die gegenüberliegende Stirnseite 26a, die in Fig. 1 nicht im einzelnen dargestellt ist, in entsprechender Weise ausgebildet ist, so daß der Probenkopf 1 insgesamt symmetrisch aufgebaut ist.

Um elektrische Energie in den Probenkopf 1 einzukoppeln, sind vier über den Umfang verteilte Koppelanordnungen vorgesehen, von denen nur eine mit 27 im einzelnen dargestellt ist. Zum Justieren der Koppelanordnungen 27 sind Stangen 28, 29 vor­ gesehen, die den Zwischenraum 15 parallel zur Achse 2 durch­ setzen. An einem Ende laufen die Stangen 28, 29 in Griffe 30, 31, 32, 33 aus, die in Richtung der eingezeichneten Doppel­ pfeile verdrehbar sind. Die entgegengesetzten Enden der Stangen 28, 29 ruhen in Lagern 34, 35, 36, 37 der gegenüberliegenden Stirnfläche 14, wobei die Lager 34, 35, 36, 37 gleichzeitig als Anschlüsse dienen, wie bei 38 und 39 angedeutet.

Von den Anschlüssen 38, 39 führt eine axiale Leitung 40 zu einer im wesentlichen in der axialen Mitte der Stangen 28, 29 angeordneten Schleifenantenne 41. Schließlich ist im äußeren Mantel 12 noch eine Beobachtungsöffnung 43 vorgesehen, durch die ein Blick in das Innere des Probenkopfes 1 und auch in den Probenraum 10 in Richtung eines Pfeiles 44 möglich ist.

Der Mantel 12 besteht bevorzugt aus einem Tragekörper, der mit einer Kupferkaschierung versehen ist. Der Tragekörper kann aus Glas, Keramik oder Kunststoff bestehen. Als besonders geeignet hat sich ein glasfaserverstärkter Kunststoff erwiesen, der eine Dielektrizitätszahl ε von 3,8 und einen Verlustfaktor tan α von 0,15 bei 50 MHz aufweist. Für den inneren Mantel 13 kann ebenfalls ein Tragekörper aus Glas, Keramik oder Kunststoff verwendet werden, als besonders geeignet hat sich ein Polyvinyl­ chlorid (PVC) erwiesen, das eine Dielektrizitätszahl ε von 3,5 und einen Verlustfaktor tan α von 0,03 bei 1 MHz aufweist.

Bei praktischen Ausführungsbeispielen des Probenkopfes 10 besteht die Kupferkaschierung des äußeren Mantels 12 aus einem Kupferblech von 0,3 mm Dicke, das auf die Außenseite des Tragekörpers aufgewickelt und entlang einer Mantellinie verlötet wurde. Als Kupferkaschierung des inneren Mantels 13 wurde bei einem praktischen Ausführungsbeispiel ein flexibles Leiter­ plattenmaterial verwendet, dessen leitfähige Oberfläche aus einer Kupferschicht von 35 µm Dicke bestand.

Auf diese Weise wurde ein Probenkopf gemäß Fig. 1 nach dem Stande der Technik von 250 mm Länge, einem Außendurchmesser von ca. 250 mm und einen Innendurchmesser von ca. 160 mm aufgebaut. Es wurden 120 äquidistante Leiter 22 auf den inneren Mantel 13 aufgebracht und jeweils mit einem Kondensator von 2, 7pF an beiden Seiten an die Stirnflächen angeschlossen, wobei der bekannte Probenkopf für eine Meßfrequenz von 100 MHz ausgelegt war.

Fig. 2 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Probenkopfes 50, der im Gegensatz zu dem bekannten Probenkopf 1 der Fig. 1 für wesentlich höhere Frequenzen von 300 MHz ein­ setzbar ist.

Der Probenkopf 50 gemäß Fig. 2 besteht aus zwei Teilgehäusen 51 und 52, die entlang einer gemeinsamen Achse 53 nebeneinander angeordnet sind. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungs­ beispiel haben die benachbarten Stirnseiten der Teilgehäuse 51, 52 einen axialen Abstand 54 zueinander, der vorzugsweise wesentlich geringer als die axiale Länge beider Teilgehäuse 51, 52 ist.

Mit 55 und 56 sind Leiterstäbe in den Teilgehäusen 51, 52 angedeutet. Diese Leiterstäbe 55, 56 haben die Funktion der axialen Leiter 22 beim bekannten Probenkopf 1 der Fig. 1. Im übrigen sind die Teilgehäuse 51, 52 prinzipiell so aufgebaut wie der bekannte Probenkopf 1 gemäß Fig. 1, so daß insoweit auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen werden kann.

Beim erfindungsgemäßen Probenkopf 50 gemäß Fig. 2 sind bevorzugt wesentlich weniger axiale Leiterstäbe 55, 56 über einen Umfang der Teilgehäuse 51 und 52 verteilt angeordnet.

Es wurde weiter oben erwähnt, daß bei einem Ausführungsbeispiel des bekannten Probenkopfes 1 gemäß Fig. 1 120 äquidistante axiale Leiter 22 eingesetzt wurden, diese Anzahl ist jedoch schon beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 nicht zwingend, es können nämlich auch wesentlich weniger Leiter 22 verwendet werden, im Extremfall sind nur zwei Leiter ausreichend.

Beim Ausführungsbeispiel des Probenkopfes 50 gemäß Fig. 2 sind jeweils zweiunddreißig Leiterstäbe 55 bzw. 56 eingetragen, es versteht sich jedoch, daß auch wesentlich weniger, beispielswei­ se acht oder sechzehn oder auch nur zwei Leiterstäbe 55, 56 eingesetzt werden können.

Aus Gründen, die weiter unten noch im einzelnen erläutert werden, ist ferner bevorzugt, wenn an jeweils zwei diametral gegenüberliegenden Positionen keine Leiterstäbe 55 bzw. 56 vorgesehen sind. Diese Positionen, die in Fig. 2 mit 55n und 55n′ für das Teilgehäuse 51 und mit 56n, 56n′ für das Teil­ gehäuse 52 bezeichnet sind, befinden sich somit jeweils auf einem gemeinsamen Durchmesser 57 bzw. 58, der jeweils in einer Radialebene der Teilgehäuse 51, 52 angeordnet ist. Die beiden gemeinsamen Durchmesser 57 und 58 der Teilgehäuse 51 und 52 stehen dabei vorzugsweise aufeinander senkrecht.

In Fig. 2 ist schließlich der Probenraum im linken Teilgehäuse 51 mit 60 und der Probenraum im rechten Teilgehäuse 52 mit 61 angedeutet.

In den Fig. 3 und 4 sind zum Vergleich die Verhältnisse in hochfrequenztechnischer Hinsicht bei dem vorbekannten Probenkopf 1 gemäß Fig. 1 in Fig. 3 und bei dem erfindungsgemäßen Proben­ kopf 50 gemäß Fig. 2 in Fig. 4 dargestellt. Die Darstellungen der Fig. 3 und 4 betreffen jeweils einen äußerst schematisierten Axialschnitt, wobei die dargestellten Elemente mit den selben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bzw. 2 versehen sind.

In Fig. 3 erkennt man, daß die axialen Leiter 22 von einem Hochfrequenzstrom I₁₀ durchflossen werden. Dieser Hochfre­ quenzstrom I₁₀ hat einen Verlauf H₁₀ des hochfrequenten mag­ netischen Wechselfeldes zur Folge, wobei der Verlauf H₁₀ jeweils die Amplitude über der Achse 2 darstellt. Gestrichelt ist mit U₁₀ der zugehörige Verlauf der Hochfrequenz-Spannung darge­ stellt.

Man erkennt aus Fig. 3, daß der Verlauf der Feldstärke H₁₀ zum axialen Rand des Probenkopfes 1 hin einen deutlichen Abfall aufweist. Dies bedeutet, daß bei volumenselektiven Messungen, d. h. bei Messungen von isolierten kleinen Probenvolumina am Rande des Probenkopfes 1 berücksichtigt werden muß, daß dort die Intensität des hochfrequenten Magnetfeldes, verglichen mit der Mitte des Probenkopfes 1, abgenommen hat.

Vergleicht man nun die Verhältnisse beim erfindungsgemäßen Probenkopf 50 gemäß Fig. 4, so erkennt man, daß die Leiterstäbe 55 in der linken Hälfte von einem Hochfrequenzstrom I₅₁ und die Leiterstäbe 56 der rechten Hälfte von einem Hochfrequenz­ strom I₅₂ durchströmt werden. Die Verläufe für das hochfrequente magnetische Wechselfeld sind mit H₅₁ und H₅₂, die Verläufe für das elektrische Streufeld sind mit E₅₁ und E₅₂ bezeichnet.

Man erkennt aus Fig. 4 deutlich, daß der Randabfall bei den Verläufen H₅₁ und H₅₂ wesentlich geringer ist als im Falle des Probenkopfes 1 gemäß Fig. 3; dies liegt daran, daß wegen der wesentlich kürzeren axialen Länge im Vergleich zur Hoch­ frequenz-Wellenlänge der Randabfall deutlich weniger in Er­ scheinung tritt.

Insgesamt bedeutet dies, daß eine größere Homogenität des hochfrequenten Magnetfeldes zu verzeichnen ist, so daß bei mehreren Messungen an unterschiedlichen axialen Punkten der Probe im Probenkopf 50 keine oder nur geringe Kompensations­ maßnahmen erforderlich sind.

Außerdem bringt es die Aufteilung des Probenkopfes 50 in zwei Teilgehäuse 51 und 52 mit sich, daß der sogenannte Füllfaktor, d. h. das Verhältnis des Probenvolumens zum Probenkopfvolumen günstiger ist, wenn man jeweils nur eine Hälfte des Probenkopfes 50 betreibt.

Fig. 5 zeigt nochmals das Ausführungsbeispiel des erfindungs­ gemäßen Probenkopfes 50, in äußerst schematisierter Darstellung.

Der Probenkopf 50 gemäß Fig. 5 wird mit seinen beiden Hälften aus einem gemeinsamen Sender 70 versorgt. Hierzu ist der Sender 70 an seinem Ausgang verzweigt und mit zwei Abschwächern 71, 72 verbunden. Die Abschwächer 71, 72 sind jeweils über Phasen­ schieber 73, 74 mit den elektrischen Leitern in den beiden Teilgehäusen 51 und 52 gekoppelt.

Durch die beiden Zweige mit den Abschwächern 71, 72 und Phasen­ schiebern 73, 74 ist es möglich, den Hochfrequenzstrom I₅₁ und I₅₂ in den Leiterstäben 55, 56 der Teilgehäuse 51, 52 separat nach Betrag und Phase einzustellen.

Der Probenkopf 50 ist ebenso wie der bekannte Probenkopf 1 gemäß Fig. 1 so ausgelegt, daß in ihm eine TEM-Dipolwelle ausbreitungsfähig ist. Die Feldverteilung des magnetischen Feldes ist dabei derart, daß die magnetischen Feldlinien den Probenraum in einer Weise durchsetzen, daß sie parallel zueinan­ der und in einer Radialebene verlaufen. Dies ist in Fig. 2 für das linke Teilgehäuse 51 dargestellt. Es kann in den Teilgehäusen 51, 52 jeweils eine zirkular polarisierte Welle angeregt werden, in diesem Falle ohne Leerstellen an Positionen 55n und 55n′ und im allgemeinen mit zwei phasenverschobenen Einkoppelstellen an jedem Teilgehäuse 51, 52. In vorteilhafter Weise sind die beiden zirkular polarisierten Wellen in den beiden Teilgehäusen 51, 52 um 90° phasenverschoben, d. h. die magnetischen Feldlinien im Probenraum des ersten Teilgehäuses 51 stehen jederzeit senkrecht auf denen im Probenraum des zweiten Teilgehäuses 52. Damit sind die entsprechenden Schwin­ gungen entkoppelt. Das Arbeiten mit zirkular polarisierten Wellen bringt theoretisch einen Faktor 1,4 im Signal-zu-Rausch- Verhältnis und bringt bei hohen Frequenzen eine homogenere Verteilung der magnetischen Komponente des Hochfrequenz-Feldes, ist aber praktisch schwerer zu beherrschen.

Alternativ können aber auch jeweils linear polarisierte Schwin­ gungen angeregt werden. In Fig. 2 erkennt man, daß die Leer­ stellen an den Positionen 55n und 55n′, d. h. diejenigen Stellen am Umfang des Teilgehäuses 51, an denen sich kein Leiterstab 55 befindet, die Ausrichtung der magnetischen Feldlinien bestimmen und stabilisieren.

Mit der Anordnung gemäß Fig. 5 stellen sich innerhalb der Probenräume 60, 61 Schwingungsmoden ein, die orthogonal zuein­ ander gerichtet sind, wie mit H₅₁ und H₅₂ in Fig. 5 angedeutet. Die Feldlinien dieser Schwingungsmoden stehen somit aufeinander senkrecht, wie oben rechts in Fig. 5 nochmals zur Verdeutlichung herausgezeichnet.

Die Anregungsphasen der beiden linear polarisierten Schwingungen in den beiden Teilgehäusen 51 und 52 können identisch sein, grundsätzlich kann aber jede beliebige relative Phasenlage eingestellt werden. Insbesondere kann der Phasenunterschied 90° betragen. In diesem Fall überlagern sich die Beiträge der Anregungen der einzelnen Teilgehäuse 51, 52 im Übergangsbereich zwischen ihnen zu einer näherungsweise zirkular polarisierten Welle.

In Fig. 5 sind mit den Elementen 70 bis 74 lediglich Sender­ elemente dargestellt, es versteht sich jedoch, daß entsprechende Empfangselemente oder gekoppelte Sender/Empfangselemente vorgesehen sind, um die zu messenden Kernresonanzsignale zu erfassen und weiterzuverarbeiten. Insbesondere kann auch in Quadratur detektiert werden.

Es versteht sich, daß mehr als zwei Teilgehäuse in der beschriebenen Art kombiniert werden können, wobei in bevorzugter Weise die Schwingungsrichtungen benachbarter Teilgehäuse um 90° gegeneinander verschoben sind.

Claims (11)

1. Probenkopf für die NMR-Tomographie, mit mindestens einem hohlzylindrischen Gehäuse (11), dessen äußerer, zylindrischer Mantel (12) aus im wesentlichen durchgehendem, elektrisch leitendem Material besteht, und dessen innerer, zylindrischer, einen Probenraum (10; 60, 61) umgebender Mantel (13) mit mehreren parallelen und axial verlaufenden elektrischen Leitern (22; 55, 56) versehen ist, und mit mindestens einer Koppelanordnung (27) zum Erzeugen hochfrequenter elektrischer Ströme (I₁₀; I₅₁, I₅₂) in den Leitern (22; 55, 56), dadurch gekennzeichnet, daß das hohlzylindrische Gehäuse aus mindestens zwei Teilgehäusen (51, 52) besteht, die in Achsrichtung mit axialem Abstand (54) zueinander angeordnet sind, wobei der axiale Abstand (54) wesentlich kleiner als eine axiale Länge der Teilgehäuse (51, 52) ist, daß die Teilgehäuse (51, 52) jeweils mit den Leitern (55, 56) versehen sind, und daß die Teilgehäuse (51, 52) betrieben werden.

2. Probenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilgehäuse (51, 52) axial unmittelbar aneinander angrenzen.

3. Probenkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequenten Ströme (I₅₁, I₅₂) in den Teilgehäusen (51, 52) unabhängig voneinander einstellbar sind.

4. Probenkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequenten Ströme (I₅₁, I₅₂) während des Betriebes des Probenkopfes (50) manuell oder automatisch einstellbar sind.

5. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Teilgehäuse (51, 52) vorgesehen sind.

6. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilgehäuse (51, 52) im wesentlichen baugleich sind.

7. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die hochfrequenten elektrischen Ströme (I₅₁, I₅₂) so eingestellbar sind, daß in den von den Teilgehäusen (51, 52) umschlossenen Probenräumen (60, 61) hochfrequente magnetische Wechselfelder (H₅₁, H₅₂) erzeugt werden, deren Feldlinien in jedem einzelnen Probenraum (60, 61) in einer Radialebene parallel zueinander verlaufen.

8. Probenkopf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldlinien des Wechselfeldes (H₅₁) in dem einen Probenraum (60) orthogonal zu den Feldlinien des Wechselfeldes (H₅₂) in dem jeweils axial benachbarten Probenraum (61) gerichtet sind.

9. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den von den Teilgehäusen (51, 52) umschlossenen Probenräumen (60, 61) hochfrequente zirkular polarisierte magnetische Wechselfelder (H₅₁, H₅₂) erzeugt werden.

10. Probenkopf nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (55, 56) mit Ausnahme definierter Lücken auf gleichmäßig über einen Umfang der Teilgehäuse (51, 52) verteilten Positionen angeordnet sind, wobei sich die Lücken an mindestens zwei auf einem gemeinsamen Durchmesser (57, 58) einer Radialebene liegenden Positionen (55n, 55n′, 56n, 56n′) befinden.

11. Probenkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionen (55, 55n) der Lücken eines Teilgehäuses (51) gegenüber den Positionen (56, 56n) der Lücken des benachbarten Teilgehäuses (52) um 90° versetzt sind.