DE4325059A1

DE4325059A1 - Gerät zum Messen von Magnetquellen

Info

Publication number: DE4325059A1
Application number: DE4325059A
Authority: DE
Inventors: Youichi Takada
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-07-24
Filing date: 1993-07-26
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2013-07-27
Also published as: JPH0638941A; DE4325059C2; US5437276A; JP3204542B2

Description

Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Messen von Magnetfeldquellen und insbesondere auf ein Gerät mit einem Quanteninterferometer (SQUID=Superconducting Quantum Interference Device = Supraleitender Quanten-Interferometrischer Detektor) zum Erfassen von beispielsweise durch einen zu untersuchenden lebenden Körper erzeugtem Magnetismus.

Methoden zum empfindlichen Messen der Daten von Magnetfeldquellen sind ein wichtiger Faktor beispielsweise auf dem Gebiet der Messung von Biomagnetismus und der Suche nach Rohstoffvorkommen geworden. In einem zur Durchführung einer solchen Messung eingesetzten Meßgerät wird oftmals bevorzugt ein Quanteninterferometer (SQUID) als Magnetsensor verwendet.

Bekanntlich enthält ein Quanteninterferometer einen aus einem Supraleiter hergestellten supraleitenden Ring mit in seinem Pfad eingefügten Josephson-Übergängen und kann Magnetflüsse bis herab zu dem 10^-5 bis 10^-6-fachen eines Fluxoid- bzw. Fluxquants Φ₀ 2,07×10^-15 (Wb) erfassen. Daher können schwache Magnetflüsse, die durch zwischen Nervenzellen fließende Impulsströme verursacht werden, erfaßt werden. Insbesondere wird ein mit einem Quanteninterferometer ausgestattetes Meßgerät bevorzugt bei der Unter suchung von Nervenaktivitäten von Gehirnen eingesetzt, die beispielsweise durch Licht und Schall stimuliert wurden.

Ein herkömmliches Gerät zum Messen von Magnetfeldquellen umfaßt einen Teil zum Erfassen eines durch Magnetquellen in einem lebenden, zu untersuchenden Körper erzeug ten Magnetflusses und einen Teil zum Bestimmen von Positionen der Quellen unter Heranziehung des erfaßten Magnetflusses. Der Erfassungsteil besitzt in typischer Ausge staltung Aufnehmerspulen, die den von den Quellen erzeugten Magnetfluß aufnehmen, und Quanteninterferometer (SQUIDs), die den aufgenommenen Magnetfluß erfassen. Die Anzahl der Aufnehmerspulen beträgt beispielsweise 122 Kanäle, die um einen lebenden Körper herum angeordnet sind, so daß auch die Anzahl der SQUIDs gleichgroß ist.

Andererseits empfängt der Bestimmungsteil von den SQUIDs Daten betreffend den jeweiligen Magnetfluß an den Positionen der Aufnehmerspulen und kann die Positionen der Magnetquellen unter Heranziehung der Magnetflußdaten berechnen.

Bei einem herkömmlichen Verfahren zur Berechnung der Positionen von Magnetquellen wird eine Verteilungskarte des Magnetfelds auf der Basis der durch eine Mehrzahl von Aufnehmerspulen aufgenommenen Magnetflußdaten erstellt und die Positionen der Magnet quellen auf der Verteilungskarte werden geschätzt.

Ein die Verteilungskarten betreffendes Verfahren ist in Fig. 17 gezeigt. Gemäß dieser Figur kann eine Magnetquelle (d. h. ein Strom-Dipol) als auf dem Mittelpunkt einer Linie (Abstand=L) angeordnet geschätzt werden, die die beiden Spitzenwertpositionen der entgegengesetzten, auf ihr aufgetragenen Polaritäten N und S verbindet. Die Tiefe der Quelle kann beim Mittelpunkt auf L/2¹² geschätzt werden.

Wenn die Positionen von Quellen auf der Verteilungskarte geschätzt werden, bewirken Unterschiede in Positionen und Größen der Aufnehmerspulen manchmal einen Fehler, der als "lokales Minimum" bezeichnet wird.

Ein weiteres Verfahren besteht im Einsatz einer Ausführungs- bzw. Wirksamkeitsfunktion. Anders ausgedrückt werden zunächst die Positionen der Magnetquellen geschätzt, wonach eine Ausführungs- bzw. Wirksamkeitsfunktion zwischen der Magnetfeldverteilung aufgrund der Magnetquellen an den geschätzen Positionen und der gemessenen Magnetfeldverteilung bestimmt wird. Danach werden die Positionen, Größe und Richtung der Magnetquellen derart bestimmt, daß der kleinste quadratische Fehler der Ausführungsfunktion minimiert ist.

Allerdings existiert beim Messen von Magnetquellen in dem Kopf eines Patienten in großem Umfang eine Vielzahl von Nervenimpulsströmen, die als Vielzahl von Quellen wirken und jeweils einen Magnetfluß erzeugen. Die Vielzahl von Quellen und ihre Aus dehnung erschweren die vorstehend angegebenen Schätzverfahren aufgrund der komplexen Berechnung erheblich, was zu einer langen Berechnungszeitdauer führt.

Weiterhin sind bei einem herkömmlich eingesetzten Meßgerät eine Mehrzahl von Auf nehmerspulen derart angeordnet, daß ihre Achsenrichtungen parallel zueinander verlaufen. Aufnehmerspulen können einen Magnetfluß erfassen, der durch sie entlang ihrer axialen Richtung hindurch verläuft. Wenn jedoch die Richtung der Ströme dieselbe ist wie die axiale Richtung der Aufnehmerspulen, ist es nicht möglich, die Positionen von Magnet quellen zu messen.

Zusätzlich ist, wie in Fig. 18 gezeigt ist, die axiale Richtung einer Aufnehmerspule 2 mit einer in Richtung der Tiefe eines zu untersuchenden Objekts 1 führenden Richtung ausge richtet. Dies bedeutet, daß die Richtung des erzeugten Magnetflusses sich um so mehr einer rechtwinklig zur axialen Richtung verlaufenden Richtung, das heißt einer zu einer Abnahme der Meßempfindlichkeit der Aufnehmerspule 2 führenden Richtung, annähert, je tiefer sich die Magnetquelle befindet.

Wie aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich ist, besitzt das herkömmliche Meßge rät begrenzte Meßtiefe. Beispielsweise ist es bei einem Kopf möglich, dessen oberflächen nahen Bereich, wie etwa den Gehirn-Kortex zu messen, während seine tieferen Abschnitte, wie etwa der Thalamus usw. nicht meßbar sind.

Demgemäß ist es eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zum Messen von Magnetquellen bzw. magnetischen Quellen zu schaffen, das zur dreidimensio nalen Messung der Daten einer Vielzahl von Magnetquellen mit höherer Empfindlichkeit und Genauigkeit imstande ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Daten von Magnetquellen mit geringerem Rechenumfang und Rechenzeit als bei einem unter Einsatz von Ausführungs funktionen arbeitenden Verfahren zu messen.

Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung steht in der Schaffung eines Meßgeräts, dessen Empfindlichkeit in Richtung der Tiefe eines zu messenden Objekts erhöht ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Meßgeräts, das zur Messung von Magnetquellen imstande ist, selbst wenn diese in beliebi ger Richtung angeordnet sind.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Vermeidung des Fehlers des "lokalen Minimums".

Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Anzahl von Magnet sensoren, verglichen mit einem herkömmlichen Gerät, zu verringern.

Diese und weitere Zielsetzungen lassen sich gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dadurch erreichen, daß ein Gerät zum Messen einer Magnetquelle, die in einem zu untersuchenden Objekt vorhanden ist und ein aus dem Objekt herausdringendes Magnet feld erzeugt, geschaffen wird, das ein Element bzw. eine Einrichtung zum Erfassen des Magnetfelds, das bzw. die einen nahe bei dem Objekt angeordneten Erfassungsabschnitt enthält und dazu ausgelegt ist, eine Beobachtungsebene zu enthalten bzw. auszuwerten, und aus einer Vielzahl von Erfassungsblöcken besteht, die jeweils zumindest drei Erfas sungsebenen, an denen jeweils ein Magnetsensor angebracht ist, enthalten, wobei die Normaleinrichtungen der Erfassungsebenen sich voneinander unterscheiden, ein Element bzw. eine Einrichtung zum dreidimensionalen Bewerten einer Intensität eines weiteren Magnetfelds an einer gegebenen Bewertungsposition auf der Grundlage eines durch das Erfassungselement bzw. die Erfassungseinrichtung ermittelten Werts des Magnetfelds, und ein Element bzw. eine Einrichtung zur Bildung von Daten betreffend die Magnetquelle auf der Grundlage der durch das Bewertungselement bzw. die Bewertungseinrichtung bewerte ten Intensität des weiteren Magnetfelds aufweist.

Vorzugsweise ist das Objekt ein Körper eines menschlichen Patienten, bei dem die Tiefen richtung spezifiziert ist und die Magnetquelle durch eine Vielzahl von Strom-Dipolen in dem Körper gebildet ist.

Vorzugsweise sind die Erfassungsebenen jedes Erfassungsblocks an ihren Seiten mitein ander gekoppelt, um angenähert eine Pyramide zu bilden, und die Vielzahl von Erfas sungsblöcken sind miteinander derart gekoppelt, daß sie eine dem Objekt zugewandte Beobachtungsebene bilden, die eine zweidimensionale, nichtebene Gestalt mit einer Vielzahl von durch Koppeln der Seiten der Erfassungsebenen gebildeten Scheiteln bzw. Spitzen enthält.

Vorzugsweise beträgt die Anzahl der in jedem Erfassungsblock enthaltenen Erfassungs ebenen drei oder vier. Jede der Erfassungsebenen besitzt quadratische oder dreieckförmige Gestalt. Die Pyramide ist im wesentlichen eine umgekehrte Dreieck-Pyramide, im wesent lichen eine umgekehrte Viereck-Pyramide oder eine vierseitige Pyramide, jeweils bezogen auf das Objekt.

Weiterhin ist vorzugsweise die Beobachtungsebene durch eine Basisplatte gebildet. In bevorzugter Ausführungsform ist der Magnetsensor eine Aufnehmerspule, die auf indukti vem Weg das durch die Strom-Dipole erzeugte Magnetfeld erfaßt. Weiterhin enthält der Erfassungsabschnitt vorzugsweise eine supraleitende quanten-interferometrische Detektor einrichtung für den Empfang eines durch die Aufnehmerspule aufgenommenen Signals, wobei die supraleitende quanten-interferometrische Detektoreinrichtung ein Magnetometer bildet. Vorzugsweise ist der Magnetsensor ein supraleitender Quanteninterferometer.

Ferner ist bevorzugt, daß das Bildungs- bzw. Ermittlungselement einen Teil zum Bestim men angenommener Positionen der Strom-Dipole in einem gegebenen dreidimensionalen Bereich des Körpers, einen Abschnitt zum Bestimmen einer Beziehungsfunktion bzw.- Gleichung zwischen jeder gerichteten Komponente des Strom-Dipols an jeder angenom menen Position und jeder gerichteten Komponente des weiteren, an der Bewertungsposition erzeugten Magnetfelds und einen Abschnitt zum Berechnen jeder der gerichteten Kom ponenten der Strom-Dipole an den angenommenen Positionen auf der Basis der mittels des Bewertungselements bewerteten Intensität des weiteren Magnetfelds und der Beziehungs funktion aufweist.

Vorzugsweise besteht die Bewertungsposition aus einer Vielzahl von Schnittpunkten an Enden der Seiten der Erfassungsebenen. Die Schnittpunkte bzw. Schnittstellen sind beispielsweise der Scheitel. Das Bewertungselement enthält eine Vorrichtung zum Bewer ten der Intensität des weiteren Magnetfelds an zumindest zwei der Schnittstellen unter Heranziehung desselben, durch das Erfassungselement bzw. die Erfassungseinrichtung aus derselben Erfassungsebene erfaßten Magnetfelds.

Desweiteren ist vorzugsweise die Beobachtungsebene durch eine Vielzahl von Basisplatten gebildet, die in der Tiefenrichtung gestapelt sind. Die Meßempfindlichkeit der Magnetsen soren, die an den Erfassungsebenen der Mehrzahl von Basisplatten montiert sind, verändert sich vorzugsweise bei jeder Basisplatte.

Ferner ist vorzugsweise die Beobachtungsebene übereinstimmend mit einer Krümmung einer Oberfläche des Körpers gekrümmt.

Darüber hinaus ist ein einziger Magnetsensor vorzugsweise an jeder der Erfassungsebenen oder es ist eine Vielzahl der Magnetsensoren an jeder der Erfassungsebenen angebracht.

In den Zeichnungen, die hiermit in den Offenbarungsgehalt der Beschreibung und Anmeldung mit einbezogen werden, sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßgeräts,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Erfassungsabschnitts des Meßgeräts gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2B eine Draufsicht auf den Erfassungsabschnitt,

Fig. 2C eine Querschnittsansicht, gesehen entlang einer Linie IIC-IIC in Fig. 2B,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines SQUIDs und einer Treiberschaltung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Datenverarbeitungsschaltung,

Fig. 5 ein Ablaufdiagramm, das durch einen Computer beim ersten Ausführungsbei spiel abgearbeitet wird,

Fig. 6 eine geometrische Beziehung eines Erfassungsblocks in einem orthogonalen Koordinatensystem,

Fig. 7 eine geometrische Beziehung zwischen einem Strom-Dipol und seinem Magnet feld,

Fig. 8 eine geometrische Beziehung zwischen einem Strom-Dipol und seinem Magnet feld gemäß der Grundlage vorliegender Erfindung,

Fig. 9 einen gekrümmten Erfassungsabschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbei spiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 10 einen Erfassungsbereich gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung,

Fig. 11 eine Ansicht einer weiteren Abänderung eines Erfassungsabschnitts bei der vorliegenden Erfindung,

Fig. 12 einen Erfassungsabschnitt gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung,

Fig. 13 einen Erfassungsabschnitt eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 14 eine Ansicht zur Erläuterung der Anordnung einer Vielzahl von Erfassungs abschnitten bei dem fünften Ausführungsbeispiel,

Fig. 15 ein Ablaufdiagramm, das durch einen Computer beim fünften Ausführungsbei spiel abgearbeitet wird,

Fig. 16 eine Ansicht einer weiteren Abänderung eines Erfassungsabschnitts bei vor liegender Erfindung,

Fig. 17 eine erläuternde Ansicht zur Veranschaulichung des Einsatzes einer Vertei lungskarte von Magnetquellen, und

Fig. 18 ebenfalls eine erläuternde Darstellung einer herkömmlichen Anordnung einer Aufnehmerspule.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In Fig. 1 ist ein Gerät 10 zum Messen von Magnetquellen gemäß dem ersten Ausführungs beispiel gezeigt. Das Meßgerät 10 dient zur Messung von biomagnetischen Quellen in einem als Untersuchungsobjekt dienenden menschlichen Körper 11. Ein rechtwinkliges Koordinatensystem (x-, y-, z-Achsen) wird festgelegt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, wobei in diesem Fall die x-, y-Ebene (im folgenden als Meßebene bezeichnet) der Oberfläche des Körpers 11 zugeordnet ist.

Das Meßgerät 10 enthält eine Erfassungseinheit 20 zum Erfassen von durch biomagneti sche Quellen, d. h. Strom-Dipole, im Körper 11 erzeugten Magnetfeldern. Die Erfassungs einheit 20 ist in einem, bei Tiefsttemperaturen zu betreibenden, Flüssighelium-Kryostat 21 enthalten.

In der Erfassungseinheit 20 befindet sich ein Erfassungsabschnitt 22 mit einem als eine Basisplatte der vorliegenden Erfindung dienenden Substrat 23. Das Substrat 23 ist durch eine gedruckte Schaltplatine bzw. Leiterplatte hergestellt und besitzt eine unebene Gestalt mit einem zerhackungswellenförmigen bzw. sägezahnförmigen Querschnitt. Zusätzlich ist es möglich, eine aus Glas oder aus Keramik hergestellte Platte als die Basisplatte ein zusetzen. Insgesamt ist das Substrat 23 so angeordnet, daß es der x-y-Meßebene zugewandt ist.

Wie in den Fig. 2A bis 2C im einzelnen gezeigt ist, ist das Substrat 23 regelmäßig und kontinuierlich so wellenförmig ausgelegt, daß es im Querschnitt den Zustand einer zer hackten Welle bzw. Dreiecks- oder Sägezahnwelle (Chopping-wave) in zwei senkrecht zueinander stehenden x- und y-Achsenrichtungen besitzt. Als Ergebnis sind an der oberen Seite (eine Seite hinter dem Körper 11) des Substrats 23, die eine Beobachtungsebene gemäß der vorliegenden Erfindung bildet, eine Vielzahl von schrägen und quadratischen Erfassungsebenen 23a-1, 23b-1, . . . , 23c-4, 23d-4 in der x-y-Ebene durch die Welligkeit gebildet. Die Erfassungsebenen 23a-1, 23b-1, . . . , 23c-4, 23d-4 sind bei diesem Aus führungsbeispiel in vier Gruppen, nämlich in vier Sensorblöcke SB1 bis SB4 unterteilt.

In einem aus vier quadratischen Sensorebenen 23a-1, 23b-1, 23c-1, 23d-1 gebildeten Erfassungsblock SB1 ist ein Paar 23a-1 und 23c-1 einander mit einem gewissen, dazwi schen gebildeten Elevationswinkel zugewandt und auch das andere Paar 23b-1 und 23d-1 ist sich unter demselben, dazwischen ausgebildeten Elevationswinkel zugewandt. Insgesamt sind die Sensorebenen 23a-1, 23b-1, 23c-1, 23d-1 so zusammen gefaßt, daß sie eine ungefähre, invertierte vierseitige Pyramide bilden. Die übrigen drei Sensorblöcke SB2 bis SB4 besitzen dieselbe, vorstehend erläuterte, Konstruktion.

Bei den vier Erfassungsblöcken SB1 bis SB4 sind neun Schnittstellen bzw. Schnittpunkte Ea bis Ei vorhanden, an denen sich die Seiten von vier benachbarten Sensorebenen kreuzen. Diese Schnittstellen Ea bis Ei sind Bewertungspositionen für Magnetfelder, wie nachstehend noch näher erläutert wird.

An allen Erfassungsebenen 23a-1, 23b-1, . . . , 23c-4, 23d-4 ist die jeweils einzeln eine Erfassungsspule 24 angebracht. Somit besitzt jeder der Erfassungsblöcke SB1 bis SB4 vier Erfassungsspulen 24, . . . 24, die einander schräg in zwei x- und y-Richtungen zugewandt sind. Die Aufnehmerspule 24 ist durch eine Dünnfilm-Spule aus supraleitenden Materialien gebildet. Vorzugsweise ist die Aufnehmerspule 24 mit Hilfe eines Sputter- oder Dampf abscheidungsverfahrens unter Einsatz von Materialien, wie etwa NbTi, aufgebracht. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt und es kann auch ein aus einem supraleitenden Draht hergestelltes Magnetometer oder Gradiometer (Neigungsmesser) angesetzt werden. Im Fall des Einsatzes eines Magnetometers als Aufnehmerspule ist es wünschenswert, eine magnetische Abschirmung zur Abschirmung des Meßgeräts gegenüber den Umgebungs-Meßfeldern einzusetzen.

Weiterhin ist bei der Erfassungseinheit 20 jede der Aufnehmerspulen 24, . . . 24 jeweils magnetisch mit einer supraleitenden quanten-interferometrischen Detektoreinrichtung 25 (bzw. Quanteninterferometer = SQUID) gekoppelt. Das bedeutet, daß die SQUIDs 25, . . . 25 in gleicher Anzahl wie die Aufnehmerspulen 24, . . . 24 an diesen angeordnet sind.

Das Quanteninterferometer 25 ist bei diesem Ausführungsbeispiel vom Gleichstrom-Typ, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Das Quanteninterferometer 25 des Gleichstromtyps besitzt einen supraleitenden Ring 30, in dessen Pfad zwei Josephson-Übergänge 31a und 31b enthalten sind und der im Betrieb einen Vorspannungs-Gleichstrom Ib erhält. Ein durch die Auf nehmerspule 24 erfaßter Magnetfluß wird über eine Eingangsspule 32 an das Quanteninter ferometer 25 angelegt. Die Quanteninterferometer 25, . . . 25 sind zusammen mit dem vorstehend beschriebenden Erfassungsabschnitt 22 in flüssigem Helium im Kryostat 21 untergetaucht, so daß sie in diesem bei einer Temperatur von 4,2 K gehalten werden. Als Ergebnis erzeugt das Quanteninterferometer 25 an seinen Ausgangsanschlüssen ein Span nungssignal Vs, das sich mit der Stärke der durch die Aufnehmerspule 24 erfaßten Ma gnetflüsse verändert.

Die Ausgangssignale Vs, . . . Vs der Quanteninterferometer 25, . . . 25 werden dann jeweils an eine Mehrzahl von Treiberschaltungen 35, . . . 35 angelegt, die außerhalb des Kryostaten 21 vorgesehen sind. Jeder Treiberschaltung 40, . . . 40 ist derart aufgebaut, daß sie in einer Betriebsart arbeitet, die als "Flußregelschleifenbetrieb" ("flux locked loop (FLL) opera tion") bekannt ist. Dies bedeutet, daß, wie in Fig. 3 gezeigt ist, ein Phasenschieber 36, ein Vorverstärker 37, ein Multiplizierer 38, ein Integrator 39 (ein integrierender Verstärker 39a, ein integrierender Kondensator 39b und ein Integratorschalter 39c) und ein Rückkopp lungswiderstand 41a vorhanden sind. Ein Oszillator 41 ist vorgesehen, der ein Modula tionssignal für die Signaldetektion an die Quanteninterferometer 25, . . . 25 und ein Refe renzsignal an die Treiberschaltung 35, . . . 35 abgibt. Das Modulationssignal wird an den supraleitenden Ring 30 über eine Modulations-Rückkopplungsspule 42 im Quanteninter ferometer 25 angelegt.

Weiterhin ist in jeder Treiberschaltung 35 eine Gleichstromquelle 43 zum Zuführen des vorstehend erwähnten Vorspann-Gleichstroms Ib zu dem jeweiligen Quanteninterferometer 25 enthalten.

Der Flußregelkreisbetrieb bzw. flußstarre Regelbetrieb ermöglicht den Treiberschaltungen 35, . . . 35 die Abgabe eines Spannungssignals Vout, das proportional ist zur Stärke der durch die Aufnehmerspule 24 erfaßten Magnetflüsse. Die in dieser Weise erhaltenen Spannungssignale Vout, . . . Vout werden einer Datenverarbeitungsschaltung 45 zugeführt.

Wie in Fig. 4 gezeigt ist, enthält die Datenverarbeitungsschaltung 45 Verstärker 46a, . . . 46n, Analog/Digital-Wandler 47a, . . . 47n, Filter 48a, . . . 48n und einen Computer 49. Die Verstärker 46a, . . . 46n, die Analog/Digital-Wandler 47a, . . . 47n und die Filter 48a, . . . 48n sind in einer 1 : 1-Entsprechung mit den Quanteninterferometern 25, . . . 25 angeord net. Somit wird jedes Signal Vout über einen Verstärker 46a ( . . . 46n), einen Analog/- Digital-Wandler 47a ( . . . 47n) und ein Filter 48a ( . . . 48n) an den Computer 49 angelegt. Mit dem Computer 49 ist eine Eingabeeinrichtung 50, wie etwa eine Tastatur, und eine Ausgabeeinrichtung wie etwa eine Kathodenstrahlröhre (CRT) verbunden.

Der vorstehend angegebene Computer 49 ist mit einer Zentraleinheit CPU (central proces sing unit) 49A zur Berechnung der Positionen und Größen der Strom-Dipole in einem menschlichen Körper 11 auf der Grundlage der eingegebenen Signale Vout versehen. Diese Berechnung sollte allgemein in zwei Stufen erfolgen, wobei eine Stufe zur Bewertung bzw. Abschätzung von Magnetfeldern an gegebenen Bewertungspositionen an bzw. bezüglich der erhaltenen Spannungssignale Vout, . . . Vout und die andere Stufe zur Berechnung der vorstehend angegebenen Positionen und Größen unter Heranziehung der Schätzergebnisse dient.

Bei diesem Ausführungsbeispiel bilden die Erfassungseinheit 20 und die Treiberschaltungen 35, . . . 35 die Erfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung und die Datenverarbei tungsschaltung 45 bildet die Bewertungs- und Datenermittlungseinrichtung.

Um die vorstehend angegebene Berechnung zu bewerkstelligen, führt die Zentraleinheit 49A des Computers 49 die in Fig. 5 gezeigte Verarbeitung aus, die vorab bestimmt und in seinem nicht gezeigten Speicher gespeichert ist.

In Fig. 5 entspricht die Verarbeitung gemäß den Schritten S1 und S3 der Bewertungsein richtung der Erfindung und die Verarbeitung gemäß den Schritten S4 bis S9 entspricht der Datenermittlungseinrichtung der vorliegenden Erfindung.

Zur Messung ist die Erfassungseinheit 20 nahe bei der Oberfläche des Körpers 11 angeord net. Wenn der Körper bzw. Untersuchungsgegenstand 11 beispielsweise der Kopf ist, wird die Erfassungseinheit 20 hinsichtlich ihrer Lage derart justiert, daß ihre Achse z entlang der radialen Richtung der Kopfs ausgerichtet ist (d. h. in einer von der inneren Kopfmitte zu dessen Oberfläche führenden Richtung). Der Erfassungsabschnitt 22 einschließlich der Aufnehmerspulen 24, . . . 24 und der Quanteninterferometer 25, . . . 25 sind bis auf eine Temperatur herabgekühlt, bei denen ihre supraleitenden Zustände erhalten bleiben.

Bei einer solchen Vorbereitung können die Aufnehmerspulen 24, . . . 24 magnetisch die Magnetflüsse aufnehmen, die von den Strom-Dipolen in dem zu untersuchenden Körper 11 herrühren. Wenn die Magnetflüsse aufgenommen sind, geben die die aufgenommenen magnetischen Signale empfangenden Quanteninterferometer 25, . . . 25 Spannungssignale Vs, . . . Vs, die sich mit den Magnetflüssen verändert, jeweils an die Treiberschaltungen 35, . . . 35 ab. Daher führen die Treiberschaltungen 35, . . . 35 Spannungssignale Vout, . . . Vout, die proportional zu den Intensitäten der Magnetflüsse sind, dem Computer 49 zu. Diese Erfassung wird unabhängig voneinander durch jede Aufnehmerspule 24 durchgeführt.

Parallel mit dieser Detektion wird die in Fig. 5 gezeigte Verarbeitung durch die Zentral einheit 49A des Computers 49 durchgeführt.

In einem Schritt S1 in Fig. 5 empfängt die Zentraleinheit 49A Spannungssignale Vout, . . . Vout von den Treiberschaltungen 35, . . . 35 über die Verstärker 46a, . . . 46n, die Analog/- Digital-Wandler 47a, . . . 47n und die Filter 48a, . . . 48n.

Danach werden im Schritt S2 die jeweiligen Magnetflußdichten auf der Basis der den Intensitäten der Magnetflüsse an den Aufnehmerspulen 24, . . . 24 entsprechenden eingege benen Spannungssignale Vout, . . . Vout jeweils dadurch berechnet, daß die Intensitäten der Magnetflüsse durch die Flußaufnahmeflächen der Aufnehmerspulen 24, . . . 24 geteilt werden. Die berechneten Magnetflußdichten B, . . . B werden dann gemäß der Gleichung B = µH (µ = Permeabilität) in die Magnetfeldintensitäten H, . . . H umgewandelt.

Danach werden im Schritt S3 die Magnetfeldintensitäten an vorbestimmten Bewertungs positionen in dreidimensionaler Weise unter Heranziehung der in der vorstehend beschrie benen Weise berechneten Magnetfeldintensitäten bewertet. Der Ablauf der Bewertung wird nachstehend im einzelnen beschrieben.

Fig. 6 zeigt die Korrelation zwischen den Magnetfeldern H₁ und H₂ an Erfassungsebenen 23a-1 und 23c-1 und ihrer Aufnahmepositionen in Richtung der x-y-Meßebene. In Fig. 6 ist eine Bewertungsposition einer Schnittstelle Ea zugeordnet, an der sich die Seiten der vier Erfassungsebenen 23a-1, 23b-1, 23c-1, 23d-1 schneiden, d. h., die Bewertungsposition Ea stellt die Mitte eines Erfassungsblocks SB1 dar. Zwischen den Erfassungsebenen 23a-1 und 23c-1 und der x-y-Meßebene sind jeweils Winkel α und β vorhanden.

Die Aufnehmerspule 24 kann lediglich die Normalenkomponente eines durch die Spule 24 hindurchgehenden Magnetfelds H₀ erfassen. Im allgemeinen verläuft aber das Magnetfeld H₀ in einem gewissen Winkel zu der normalen Richtung der Aufnehmerspule 24. Diese Winkel der Aufnehmerspulen 24 und 24 bezüglich der Erfassungsebenen 23a-1 und 23c-1 sind jeweils R₁ und R₂, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Die Normalen- bzw. Senkrechtenkom ponenten der Magnetfelder H₀, H₀ bei den Erfassungsebenen 23a-1 und 23c-1 wurden bei der vorstehend angegebenen Bearbeitung gemäß dem Schritt S2 als H₁ und H₂ berechnet. Folglich ist, wie in Fig. 6 gezeigt ist, der Winkel R₁ zwischen H₀ und H₁ und der Winkel R₂ zwischen H₀ und H₂ vorhanden.

Daher werden bei einer gegebenen Bewertungsposition Ea die magnetische Komponente H_x von H₀ in x-Richtung und die magnetische Komponente Hz von H₀ in z-Richtung unter Heranziehung der bekannten Größen α, β, H₁, H₂ ausgedrückt und bewertet.

Dasselbe Bewertungsverfahren wird auch bei dem verbleibenden Paar der Erfassungs ebenen 23b-1 und 23d-1 angewendet, so daß die magnetischen Komponenten H_y und H_z in der y- und der z-Richtung bei derselben Bewertungsposition Ea berechnet werden. Damit können alle Komponenten H_x, H_y und H_z von H₀ an der Bewertungsposition Ea bestimmt werden.

Weiterhin werden für die übrigen zugeordneten Bewertungspositionen Eb bis Ei (siehe Fig. 2B) dieselben Berechnungen durchgeführt, so daß alle drei Komponenten H_x, H_y und H_z von H₀ jeweils bei diesen Positionen Eb bis Ei bestimmt werden.

Nachfolgend übernimmt die Zentraleinheit 49A im Schritt S4 die angenommene bzw. geschätzte Anzahl und die Positionen der Strom-Dipole innerhalb des Körpers 11. Bei spielsweise wird angenommen, daß die Anzahl in einem dreidimensionalen Bereich des Gehirn-Kortex im Patientenkopf n (ganze Zahl < als 1) beträgt.

Im Schritt S5 übernimmt die Zentraleinheit 49A dann die Anzahl und die dreidimensionale Position der vorbestimmten Bewertungspositionen. Beispielsweise beträgt die Anzahl m der Bewertungspositionen 9, wie in Fig. 2B gezeigt ist, und zwar von Ea bis Ei. Da der Abstand zwischen den Aufnehmerspulen 24 und 24 einen gewissen Minimalwert besitzt, ist es manchmal schwierig, so viele Aufnehmerspulen wie Strom-Dipole anzuordnen. In einem solchen Fall ist es möglich, Bewertungspositionen unter Einsatz bekannter Inter polationsverfahren zu vergrößern bzw. in ihrer Anzahl zu erhöhen.

Danach bildet die Zentraleinheit 49A in einem Schritt S6 Gleichungen für {I_x}, {I_y} und {I_z}, die die Korrelation zwischen Richtungskomponenten jedes Strom-Dipols (bzw. aktuellen Dipols) bei jeder angenommenen Position und Richtungskomponenten jedes an jeder Bewertungsposition durch die Richtungskomponenten jedes Strom-Dipols erzeugten Magnetfelds repräsentieren.

Die Bildung der Gleichungen für {I_x}, {I_y} und {I_z} wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert.

Zunächst sei angenommen, wie in Fig. 7 gezeigt ist, daß eine angenommene Position eines Strom-Dipols bei P_i und eine Bewertungsposition bei Q_k im dreidimensionalen orthogona len Koordinatensystem liegt. Bei dieser Situation sind Magnetfelder H_x, H_y und H_z zu ermitteln, die an der Position Q_k durch die Komponenten I_x, I_y und I_z eines an der Position P_i vorhandenen Strom-Dipols erzeugt werden.

Fig. 7 dient zum Erhalten einer Magnetkomponente H_x an der Position Q_k, die durch Komponenten I_y und I_z eines Strom-Dipols an der Position P_i erzeugt wird. Eine Strom komponente I_x trägt nicht zur Magnetkomponente H_x bei, so daß I_x hier nicht berücksich tigt wird.

Gemäß dem Biot-Savart′schen Gesetz ist die Magnetkomponente bzw. magnetische Komponente H_x aufgrund der Stromkomponenten I_y und I_z an der angenommenen Position P_i wie folgt gegeben:

H_x = (I_y/4 π r²) (d_y/r) cos R_y + (I_z/4 π r²) (d_z/r) sin R_z (1)

Wenn

eingesetzt wird ergibt sich:

H_x = g_xyI_y + g_xzI_z (3)

Nachfolgend werden für alle Strom-Dipole (bzw. aktuellen Dipole) und alle Bewertungs positionen g_xy und g_xz ebenfalls bestimmt und dann deren Matrizen [G_xy] und [G_xz] gebildet.

Somit ergibt sich die Intensität des an m Bewertungspositionen durch die y- und z-Rich tungskomponenten {I_y} und {I_z} von n Strom-Dipolen erzeugten Magnetfelds {H_x} in der x-Richtungskomponente wie folgt

{H_x} = [G_xy] {I_y} + [G_xz] {I_z} (4)

Ebenso werden in derselben Weise [G_xy], [G_xz], [G_yx], [G_yz], [G_zx] und [G_zy] gebildet. Somit ergeben sich die nachstehenden Gleichungen:

{H_y} = [G_yx] {I_x} + [G_yz] {I_z} (5)

{H_z} = [G_zx] {I_x} + [G_zy] {I_y} (6)

Nachstehend wird eine relationale Beziehung bzw. eine Gleichung, bei der {I_x}, {I_y} und {I_z} auf der Basis von [G_xy], [G_xz], [G_yx], [G_yz], [G_zx] und [G_zy] und H_x, H_y und H_z berech net werden, unter Heranziehung der vorstehend angegebenen drei Gleichungen (4) bis (6) wie folgt gebildet:

{I_x} = [A]^-1 _x ([G_xy]^-1 [G_xz] [G_yz]^-1 {H_y} + [G_zy]^-1 {H_z} - [G_xy]^--1 {H_x}) (7)

wobei gilt:

[A]_x = [G_xy]^-1 [G_xz] [G_yz]^-1 [G_yx] + [G_zy]^-1 [G_zx] (8)

Dieselbe relationale Gleichung bzw. Beziehungsgleichung kann auch für {I_y} und {I_z} erhalten werden.

Es wird nun erneut auf den Verarbeitungsablauf gemäß Fig. 5 Bezug genommen. Im Schritt S7 werden die im Schritt S3 bewerteten {H_x}, {H_y} und {H_z} in die Zentraleinheit 49A aus deren internem Speicher übernommen. Dann werden in einem Schritt S8 die übernommenen Größen {H_x}, {H_y} und {H_z} in die Gleichung (7) zur Berechnung von {I_x} eingesetzt. In derselben Weise werden {H_x}, {H_y} und {H_z} in die nicht gezeigten Glei chungen zur Berechnung von {I_y} und {I_z} eingesetzt. Die in dieser Weise erhaltenen Größen {I_x}, {I_y} und {I_z} repräsentieren jede Richtungskomponente der Strom-Dipole.

Danach wird in einem Schritt S9 auf der Grundlage der in dieser Weise erhaltenen {I_x}, {I_y} und {I_z} der Vektorstrom bzw. Stromvektor jedes Strom-Dipols durch Vektorsynthese berechnet.

Wie vorstehend erläutert wurde, sind {I_x}, {I_j} und {I_z} die Stromkomponenten der Strom- Dipole an den angenommenen räumlichen Positionen innerhalb des Körpers 11. Falls aber ein Strom-Dipol tatsächlich nicht bei den angenommenen Positionen vorhanden ist, werden die Strom-Komponenten an den Positionen ungefähr zu 0, wohingegen die Strom-Kom ponenten, die einen gewissen Wert besitzen, an Positionen auftreten, an denen Strom- Dipole existieren. Daher ist es dem Meßgerät 10 bei Erhöhung der Anzahl von angenom menen Strom-Dipolen im Körper 11 oder durch Einstellung der Verteilung der Strom- Dipole möglich, die dreidimensionalen Positionen von tatsächlich in ihm vorhandenen Strom-Dipolen mit ausreichender Genauigkeit zu messen.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des Meßgeräts ist eine Vielzahl von Auf nehmerspulen 24, . . . 24 gegenüber der x-y-Beobachtungsebene mit einem gegenseitigen Elevationswinkel angeordnet. Durch diese Anordnung wird es ermöglicht, Magnetflüsse, die durch Magnetquellen innerhalb eines Körpers erzeugt werden, dreidimensional zu bewerten.

Im Gegensatz hierzu erfaßte, wie vorstehend erläutert, das herkömmliche Meßgerät lediglich Magnetflüsse entlang der normalen z-Richtung bei der x-y-Meßebene und konzentrierte sich hauptsächlich auf parallel zur x-y-Meßebene liegende Strom-Dipole. Bei dem Meßgerät gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist es jedoch möglich, Magnetflüsse von aktuellen Dipolen bzw. Strom-Dipolen, die in beliebiger Richtung gerichtet sind, zu detektieren.

Weiterhin werden durch die Quanteninterferometer 25, . . . 25 aufgenommene Magnetflüsse zur Bewertung von Magnetfeldern an einer Vielzahl von Bewertungspositionen herangezo gen. Wie aus Fig. 2B ersichtlich ist, ist es dann, wenn die Anzahl der Aufnehmerspulen 25, . . . 25 "N×N" beträgt (wobei N eine ganze Zahl <2 ist), möglich, sie an den Positionen von (oder in einer Anzahl von) "(N-1)×(N-1)" zu bewerten, wodurch sich eine höhere Dichte der Bewertung bei derselben Anzahl von Aufnehmerspulen wie beim herkömmlichen Gerät ergibt.

Hinsichtlich der Anzahl von angeordneten Aufnehmerspulen ist vorliegende Erfindung nicht auf die in den Fig. 2A bis 2C gezeigte Gestaltung mit "4×4" beschränkt. Es ist möglich, eine geeignete Anzahl von Aufnehmerspulenanordnungen bzw. Aufnehmerspulen in Verbindung mit der gewünschten Anzahl von Erfassungskanälen zu wählen.

Beim vorliegenden Meßgerät werden zunächst die Positionen der Strom-Dipole angenom men und danach die relationalen Gleichungen bzw. Beziehungsgleichungen zwischen jedem der angenommenen Strom-Dipole und den dreidimensionalen Magnetfeldintensitäten an Bewertungspositionen bestimmt, wonach die Magnetfeldintensitäten in die Beziehungs gleichungen eingesetzt werden. Durch diesen Ablauf der Berechnung ist es möglich, jede Komponente der Größe der Strom-Dipole an den angenommenen Positionen zu ermitteln. Dies ermöglicht folglich die Bestimmung der Positionen und Richtungen einer Vielzahl von Strom-Dipolen.

Da weiterhin die Aufnehmerspulen 25, . . . 25 schräg zu der x-y-Meßebene angeordnet sind, ist die Meßempfindlichkeit bezüglich der Magnetquellenposition in der z-Tiefenrichtung erheblich selbst dann verbessert, wenn derselbe Spulendurchmesser wie herkömmlich eingesetzt wird.

Es sei angemerkt, daß die Treiberschaltung 35 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel unter Einsatz einer Schaltung des sogenannten "Ketchen-Typs" aufgebaut ist. Statt dessen ist es auch möglich, Treiberschaltungen etwa gemäß dem "Drung-Typs" ohne Modula tionsrückkopplung, des "Relaxationsoszilierenden Tys" und des "Digitalen Typs" ein zusetzten.

Zusätzlich können bei der Erfassungseinheit 20 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei spiel die Aufnehmerspulen 24, . . . 24 entfallen, wobei die Quanteninterferomenter 25, . . . 25 derart aufgebaut sind, daß sie direkt den durch Storm-Dipole erzeugten Magnetfluß erfassen. In einem solchen Fall sind die Quanteninterferometer 25, . . . 25 mit derselben Konstruktion bzw. Anordnung wie die vorstehend angegebenen Aufnehmerspulen 24, . . . 24 angeordnet und es werden die durch die Quanteninterferometer 25, . . . 25 erfaßten Signale für die dreidimensionale Bewertung von Magnetfeldern angebenen Bewertungspositionen eingesetzt, wobei die bewerteten Magnetfelder dann für die Messung von Positionen von Magnetquellen herangezogen werden.

Um die Beziehung zwischen Strom-Dipolen und ihren Magnetfeldern, auf die sich die Berechnungsregel bei vorliegender Erfindung stützt, klar darzulegen, wird nachstehend gezeigt, daß ein durch I₁(I_x1, I_y1, I_z1) in Fig. 8 ausgedrückter Strom-Dipol als allgemeine Lösung gelöst werden kann. In Fig. 8 sind zwei Positionsvektoren an zwei Meßpunkten durch = (r_x1, r_y1, r_z1) und = (r_-x2, r_y2, r_z2) bezüglich der (nicht gezeigten) x-, y- und z-Achse ausdrückt.

Wenn die durch einen Strom-Dipol I₁(I_x1, I_y1, I_z1) an einer Position Q₁ erzeugten Magnet felder B₁ und B₂ an Positionen P₁ und P₂ gemessen werden, läßt sich die Beziehung zwischen I₁ und B₁ (B_x1, B_y1, B_z1), B₂ (B_x2, By₂, B_z2) durch die folgenden Gleichungen (11) und (12) ausdrücken:

hierbei sind [R₁], [R₂] Matrizen, die durch geometrische Beziehung in den Gleichungen (9) und (10) bestimmt sind, während K₁ und K₂ Konstanten bezeichnen.

Wenn [R₁] in der Gleichung (9)

ist allgemein die Determinante von [R₁]

| R₁ | = 0 (12)

Hierbei besitzt [R₁] keine inverse Matrix. Dies bedeutet, daß I₁(I_x1, I_y1, I_z1) keine all gemeine Lösung hat.

Jedoch ermöglicht das Heranziehen jedes Elements von [R₁], [R₂] in den Gleichungen (9) und (10) es, daß I₁(I_x1, I_y1, I_z1) eine allgemeine Lösung besitzt.

Beispielsweise läßt sich die Beziehung zwischen [I₁] und [B′] = B′(B_x1, B_y1, B_z1) wie folgt darstellen:

Anders ausgedrückt bedeutet dies:

Hierbei kann die Matrix [R′], die folgendermaßen aussieht:

ihre inverse Matrix haben, wenn r_z1 nicht gleich r_z2 ist.

Nachstehend ist ein praktisches Beispiel gezeigt. Wenn gilt:

sind B₁(B_x1, B_y1, B_z1) und B₂ (B_x2, B_y2, B_z2):

Somit gilt:

Daher gilt:

Offensichtlich stimmen die resultierenden Werte von I₁(I_x1, I_y1, I_z1) in der Gleichung (24) mit ihren gegebenen Werten in der Gleichung (16) überein. Dies bedeutet, daß das vorstehende Berechnungsverfahren bei der Bestimmung der allgemeinen Lösung effektiv ist und vorzugsweise bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Beim vorstehenden Beispiel wurde ein Strom-Dipol für die Erläuterung vorausgesetzt. Dieselbe Berechnungs methode kann selbstverständlich auch bei einer Mehrzahl von Strom-Dipolen angewendet werden.

Es wird nun wieder auf das vorliegende Ausführungsbeispiel Bezug genommen. Anstelle von supraleitenden Materialien, wie etwa NbTi, die für die Aufnehmerspulen und Quanten interferometer eingesetzt werden, können auch supraleitende Materialien eingesetzt werden, die bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff oder einer kalten Temperatur (Hochtemperatur) in den supraleitenden Zustand gelangen. Im Fall des Einsatzes von Hochtemperatur-supraleitenden Materialien besitzt der Kryostat als Kühlbehälter ein facheren Aufbau.

Weiterhin ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Datenverarbeitungsschaltung 45 derart hergestellt bzw. ausgelegt, daß Matrizen, die jeden Richtungskomponentenvektor von Strom-Dipolen bei angenommenen, innerhalb eines dreidimensionalen Bereichs eines Körpers eines Patienten bestimmten Positionen mit jedem Richtungskomponentenvektor von Magnetfeldintensitäten, die an gegebenen Bewertungspositionen durch jede Richtungs komponente der Strom-Dipole erzeugt werden, korrelieren, bestimmt werden, wonach die Matrizen und die aktuell an den gegebenen Bewertungspositionen bewerteten Magnetfeld intensitäten zur Gewinnung jedes Richtungskomponentenvektors der Strom-Dipole an den angenommenen Positionen eingesetzt werden. Jedoch kann bei einer derartigen Berechnungs auslegung eine Verteilung von magnetischen Kraftlinien bei den bewerteten Komponenten von Magnetfeldintensitäten gezeichnet werden und die Verteilung kann zur Ermittlung von Positionen von Strom-Dipolen bzw. aktuellen Dipolen eingesetzt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 9 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Der Erfassungsabschnitt 22 des ersten Ausführungsbeispiels besitzt insgesamt eine flache Beobachtungsebene, auch wenn auf ihr im Querschnitt gesehen Unregelmäßigkeiten in Form einer Zerhackungswelle bzw. Sägezahnwelle ausgebildet sind. Im Unterschied hierzu kann das gesamte Substrat 23 beim zweiten Ausführungsbeispiel unter Beibehaltung der zerhackungswellen- bzw. sägezahnwellenförmigen Gestalt in Übereinstimmung mit der Krümmung einer Oberfläche eines Patientenkörpers 11 gekrümmt werden, wie in Fig. 9 gezeigt ist.

Als Ergebnis ist der Erfassungsabschnitt 22 in geeigneter Weise an unterschiedliche diagnostische Bereiche eines Patientenkörpers angepaßt und es ist die Meßempfindlichkeit noch weiter erhöht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 10 wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Abänderung des Erfassungsabschnitts 22. Beim ersten Ausführungsbeispiel ist eine Konstruktion eingesetzt, bei der ein Erfassungsblock aus vier quadratischen Erfassungsebenen besteht und jede Erfassungsebene eine Aufnehmerspule besitzt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt und die geringste und einfache Anforderung besteht darin, daß drei Erfassungs ebenen vorhanden sind, deren drei Normalenrichtungen sich voneinander unterscheiden, wobei zumindest eine Aufnehmerspule auf jeder der drei Erfassungsebenen angebracht ist.

Fig. 10 zeigt den Erfassungsabschnitt 22 des dritten Ausführungsbeispiels, der mit einer Mehrzahl von Erfassungsblöcken SB1 bis SB4 versehen ist. Jeder Erfassungsblock SB1 bis SB4 ist aus drei quadratischen Erfassungsebenen 61a-1, 61b-1 und 61c-1 (. . . 61a-4, 61b-4 und 61c-4) zusammengesetzt, die orthogonal zueinander orientiert sind, um eine im wesentlichen dreieckförmige Pyramide zu bilden, wobei eine Aufnehmerspule 24 auf jeder der Erfassungsebenen 61a-1, 61b-1 und 61c-1 (. . . 61a-4, 61b-4 und 61c-4) angebracht ist. Weiterhin besitzt jeder Erfassungsblock SB1 bis SB4 eine Bewertungsposition E1 (. . . E4) an dem durch die drei Ebenen 61a-1, 61b-1 und 61c-1 (. . . 61a-4, 61b-4 und 61c-4) ausge bildeten Scheitelpunkt. In dieser Figur repräsentieren die gepunkteten Linien Täler, die Kanten von umgekehrten Dreieckspyramiden sind, die zwischen benachbarten Erfassungs blöcken gebildet sind.

Daher werden die Magnetfelder an den Bewertungspositionen E1 bis E4 unter Heranzie hung derselben Vorgehensweise wie beim ersten Ausführungsbeispiel dreidimensional jeweils anhand der Signale von den drei Aufnehmerspulen 24, . . . 24 im Erfassungsblock SB1 (. . . SB4) berechnet. Beispielsweise werden für die Bewertung an der Position E1 die Winkel α, β und λ (nicht gezeigt) der Erfassungsebenen 61a-1, 61b-1 und 61c-1 bezüglich der x-y-Meßebene eingesetzt und es werden dieselben Berechnungsvorgänge wie beim ersten Ausführungsbeispiel angewendet.

Am Erfassungsabschnitt 22 sind weitere Bewertungspositionen E5 und E6 an den umge kehrten Scheitelpunkten ausgebildet, wie in der Figur dargestellt ist. Die Magnetfelder für diese Bewertungspositionen E5 und E6 dreidimensional mit Hilfe der Signale von 3 Aufnehmerspulen 24, . . . 24 auf drei oder mehr benachbarten Erfassungsebenen berechnet. Im einzelnen werden die drei Aufnehmerspulen 24, . . . 24 an den drei Erfassungs ebenen 61c-1, 61b-2 und 6a-4 für die Bewertungsposition E5 eingesetzt, während die sechs Aufnehmerspulen 24, . . . 24 an den sechs Erfassungsebenen 61b-2, 61c-2, 61a-3, 61c-3, 61c-4 und 61a-4 für die Bewertungsposition E6 herangezogen werden.

Als weitere Abänderung des Erfassungsabschnitts 22 ist es auch möglich, die in Fig. 11 gezeigte Gestaltung einzusetzen. Bei dieser Abänderung ist eine Vielzahl von Erfassungs blöcken SB1 bis SBn vorhanden, die jeweils aus vier dreieckigen, eine rechtwinklige Pyramide bildenden Erfassungsebenen 62a bis 62d bestehen. Jede Erfassungsebene 62a bis 62d besitzt eine Aufnehmerspule 24. Im Erfassungsabschnitt 22 werden nicht nur die Scheitelpunkte E1 bis En, sondern auch Schnittstellen L1 bis Lm an deren Basis wirksam als Bewertungspositionen der vorliegenden Erfindung eingesetzt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 12 wird nun ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Dieses Ausführungsbeispiel bezieht sich auf die Anzahl von an einer Erfassungsebene angebrachten Aufnehmerspulen. Die Gestaltung der Erfassungsebenen gemäß Fig. 12 ist diesselbe wie bei Fig. 10, wobei jedoch zwei Aufnehmerspulen 24 und 24 jeweils an derselben Erfassungsebene angebracht sind.

Wie in der Figur beispielhaft dargestellt ist, ist eine Mehrzahl von Aufnehmerspulen 24, . . . 24 an einer Erfassungsebene angebracht. Dies bedeutet, daß im Fall der Störung einer der Aufnehmerspulen 24, . . . 24 aufgrund von Unfällen bzw. Beschädigungen und der gleichen die übrigen Aufnehmerspulen als Ersatz benutzt werden können. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit des Meßgeräts beträchtlich verbessert.

Ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 13 bis 15 beschrieben.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Erfassungsabschnitt 22 durch Einsatz einer schichtförmigen bzw. gestapelten Gestaltung weiter verbessert.

Wie in Fig. 13 gezeigt ist, sind zwei Substrate 79 und 80 vorhanden und in z-Richtung in geeignetem Abstand voneinander beabstandet angeordnet, so daß sie einen gestapelten Aufbau bilden. Beide Substrate 79 und 80 besitzen jeweils zerhackungswellen- bzw. dreieckwellen- bzw. sägezahnförmige Gestalt, wie beim ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurde. Jedoch ist der Winkel gegenüber der x-y-Ebene und den Erfassungsebenen 79a, . . . 79a des einen Substrats 79 unterschiedlich gegenüber demjenigen der Erfassungs ebenen 80a, . . . 80a des anderen Substrats 80.

Es sind zwei Arten von Aufnehmerspulen 81, . . . 81 und 82, . . . 82 vorgesehen. Die eine Art von Aufnehmerspulen 81, . . . 81 ist hinsichtlich des Durchmessers einer Fläche, durch die magnetische Kraftlinien hindurchlaufen, größer als die andere Art von Aufnehmerspulen 82, . . . 82. Die Aufnehmerspulen 81, . . . 81 sind auf jeder der größeren Erfassungsebenen 79a, . . . 79a des Substrats 79 angebracht, während die Aufnehmerspulen 82, . . . 82 auf jeder der kleineren Erfassungsebnen 80a, . . . 80a des Substrats 80 angebracht sind.

Ein solcher Erfassungsabschnitt 22 ist an vier Stellen um einen Patientenkopf 91 herum angeordnet, wie in Fig. 14 gezeigt ist. Allgemein ist der Kopf 91 hinsichtlich des medizi nischen Interesses in zwei Regionen 92 und 93 unterteilt. Die eine Region 92 ist ein Bereich, der dem Gehirn-Kortex entspricht, während die andere Region 93 ein Bereich ist, der den Thalamus und die Basalganglien einschließt und tiefer liegt.

Jeder Durchmesser einer zur Aufnahme von magnetischen Kraftlinien dienenden Fläche der oberen Aufnehmerspulen 81, . . . 81 in einer Gruppe besitzt einen geeigneten Wert, der es ermöglicht, magnetische Kraftlinien zu erfassen, die nicht lediglich von der oberflächen nahen Region 92, sondern auch von der tieferen Region 93 ausgehen. Andererseits ist jeder Durchmesser der unteren Aufnehmerspulen 82, . . . 82 so bestimmt, daß er lediglich magnetische Kraftlinien erfassen kann, die von der oberflächennahen Region 92 ausgehen.

Die aufgenommenen Signale beider Arten von Aufnehmerspulen 81, . . . 81 und 82, . . . 82 werden dann über die Quanteninterferometer 25, . . . 25 und die Treiberschaltungen 35, . . . 35 an die Datenverarbeitungsschaltung 45 weitergeleitet.

Unter Heranziehung der von den Treiberschaltungen 35, . . . 35 abgegebenen Spannungs signale berechnet die Datenverarbeitungsschaltung 45 für jede Region, wie in Fig. 15 gezeigt ist, die Stromintensitäten und Positionen von Strom-Dipolen im Kopf 91.

Zunächst wird eine Mehrzahl von Positionen von Strom-Dipolen angenommen und für die Region 92 und 93 gegeben bzw. vorgegeben (siehe Schritt S10 in Fig. 15). Dann werden in derselben Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel relationale Gleichungen zwischen jeder Komponente jedes Strom-Dipols und der Magnetfeldintensitäten bei gegebenen Bewertungspositionen bestimmt (siehe Schritt S11). Bei der Bewertung für die Bewertungs positionen wird berücksichtigt, daß die oberen Aufnehmerspulen 81, . . . 81 magnetische Kraftlinien aus beiden Regionen 92 und 93 aufnehmen.

Hierbei werden gemäß demselben Ablauf wie beim ersten Ausführungsbeispiel die Strom- Komponenten und Positionen von Strom-Dipolen innerhalb der schmalen Region 92 mit Hilfe der Signale von den unteren Aufnehmerspulen 82, . . . 82 gemessen (Messung I: Schritt S11a). Dann werden Magnetfelder berechnet, die durch die oberen Aufnehmer spulen 81, . . . 81 erfaßt und durch die Strom-Dipole in der schmalen Region 92 erzeugt wurden, die im Schritt S11a gemessen wurden (Schritt S11b). Dann werden die berech neten Werte (für die schmale Region 92 bezüglich der Aufnehmerspulen 81, . . . 81) von den durch die oberen Aufnehmerspulen 81, . . . 81 aufgenommenen Magnetflüssen subtrahiert, so daß lediglich die von der tieferen Region 93 herrührenden Flüsse durch die oberen Aufnehmerspulen 81, . . . 81 erhalten werden (S11c). Schließlich werden unter Heranzie hung der subtrahierten Magnetflußwerte die Strom-Komponenten und Positionen von Strom-Dipolen in der tieferen Region 93 mit Hilfe derselben Berechnung wie beim ersten Ausführungsbeispiel gemessen bzw. ermittelt (Messung II: Schritt S11d).

Als Ergebnis wird bei den Messungen I und II die erwartete Information betreffend Strom- Dipole in dem Kopf 91 Region für Region entlang der Tiefenrichtung des Kopfes erhalten. Bei der Messung ermöglicht die Kombination aus den Aufnehmerspulen 81, . . . 81 und 82, . . . 82 eine höhere räumliche Auflösung bezüglich einer oberflächennaheren Untersuchungs region und ebenso eine angemessene räumliche Auflösung für eine tiefere Untersuchungs region.

Im Hinblick auf die stapelförmige Gestaltung ist vorliegende Erfindung nicht auf den vorstehend angegebenen doppelt gestapelten Aufbau beschränkt. Falls erforderlich, kann ein zu messendes Objekt in drei oder mehr Regionen in seiner Tiefenrichtung unterteilt werden und es kann die Anzahl von gestapelten Aufnehmerspulengruppen in einer 1 : 1- Entsprechung mit den unterteilten Regionen festgelegt werden. Entsprechend den unter teilten Regionen wird die vorstehend angegebene Subtraktionsmethode durchgeführt, so daß die Stromkomponenten und Positionen von Strom-Dipolen in den Regionen für jede Region erhalten werden.

Weiterhin ist es möglich, wie in Fig. 16 gezeigt ist, die oberen Substrate 79 und 80 jeweils nach unten gerichtet anzuordnen und sie in enger gegenseitiger Nähe zu stapeln, wobei nahezu kein Abstand zwischen ihnen vorhanden ist. Es ist auch akzeptierbar, die Positio nen der beiden Substrate 79 und 80 bezüglich der z-Richtung auszutauschen, so daß das Substrat 79 mit den größeren Aufnehmerspulen 81, . . . 81 näher bei einem Patientenkörper liegt und das Substrat 80 mit den kleineren Aufnehmerspulen 82, . . . 82 weiter vom Körper entfernt ist.

Ferner kann eine Verteilungskarte für die Magnetfelder eingesetzt werden. Auch wenn die Aufnehmerspulen schräg bezüglich der x-y-Meßebene angeordnet sind, können Aufnehmer spulen mit unterschiedlichen Durchmessern der flußaufnehmenden Fläche derart angeord net sein, daß ihre axialen Richtungen in Richtung zur Normalenrichtung der x-y-Meßebene gerichtet sind.

Folglich werden Magnetfelder, die von einer Mehrzahl von Regionen herrühren, die, wie beim fünften Ausführungsbeispiel gezeigt, unterteilt sind, für jede Region mit Hilfe der Magnetflüsse bewertet, die durch die Aufnehmerspulen mit unterschiedlichen Durch messern erfaßt werden. Danach werden die Verteilungskarten für die Magnetfelder jeweils für jeden Untersuchungsbereich auf der Basis der bewerteten Magnetfelder gezeichnet.

Solche Verteilungskarten können zur Bestimmung der Positionen von Strom-Dipolen in jedem Untersuchungsbereich eingesetzt werden. Diese Technik ermöglicht die Messung von Magnetquellen in flachen bzw. oberflächlichen Regionen mit höherer Meßgenauigkeit und von denjenigen in tieferen Regionen mit bestimmter Meßgenauigkeit.

Das beschriebene Gerät zum Messen von Magnetquellen, die in einem Objekt vorhanden sind und aus dem Objekt herausdringende Magnetfelder erzeugen, umfaßt ein Element zum Erfassen der Magnetfelder mit einem Erfassungsabschnitt, der nahe dem Objekt angeordnet ist und eine Beobachtungsebene bildet. Die Beobachtungsebene besteht aus einer Mehrzahl von Sensorblöcken, die jeweils zumindest drei Sensorebenen enthalten. Auf jeder Sensor ebene ist ein Magnetsensor angebracht. Die normal zu den Sensorebenen verlaufenden Richtungen sind gegenseitig unterschiedlich. Das Gerät weist ferner ein Element zum dreidimensionalen Bewerten von Intensitäten eines weiteren Magnetfelds an gegebenen Bewertungspositionen auf der Grundlage von durch das Erfassungselement erfaßten Werten der Magnetfelder sowie ein Element zur Bildung von Daten für die Magnetquellen auf der Grundlage der durch das Bewertungselement bewerteten Intensitäten des weiteren Magnet felds auf.

Claims

1. Gerät zum Messen einer Magnetquelle, die in einem zu untersuchenden Objekt (11) vorhanden ist und ein Magnetfeld außerhalb des Objekts erzeugt, mit:
einer Einrichtung (21) zur Erfassung des Magnetfelds, die einen nahe beim Objekt angeordneten und zur Eingliederung bzw. Bildung einer Beobachtungsebene ausgelegten Erfassungsabschnitt (22) enthält, der aus einer Mehrzahl von Erfassungs blöcken (SB1-SB4) besteht, die jeweils zumindest drei Erfassungsebenen enthalten, an denen jeweils ein Magnetsensor (24) angebracht ist, wobei die normal zu den Sensor ebenen verlaufenden Richtungen gegenseitig unterschiedlich sind,
einer Bewertungseinrichtung (45) zur dreidimensionalen Bewertung einer Intensität eines weiteren Magnetfelds an einer gegebenen Bewertungsposition auf der Grundlage eines durch die Erfassungseinrichtung erfaßten Werts des Magnetfelds, und
einer Datenermittlungseinrichtung (45) zur Bildung von Daten betreffend die Magnetquelle auf der Grundlage der durch die Bewertungseinrichtung bewerteten Intensität des weiteren Magnetfelds.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (11) ein Körper eines menschlichen Patienten ist, in dem eine Tiefenrichtung bestimmt ist, und daß die Magnetquelle durch eine Vielzahl von Strom-Dipolen bzw. aktuellen Dipolen im Körper gebildet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsebenen jedes Erfassungsblocks (SB1-SB4) an ihren Seiten miteinander gekop pelt sind, um eine angenäherte Pyramide zu bilden, und daß die Mehrzahl von Erfassungs blöcken miteinander zur Bildung der dem Objekt zugewandten Beobachtungsebene gekop pelt sind, wobei die Beobachtungsebene eine zweidimensionale, nichtebene Gestalt besitzt, die eine Mehrzahl von Scheitelpunkten enthält, die durch Kopplung bzw. Verbindung der Seiten der Erfassungsebenen gebildet sind.

4. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Anzahl der in jedem Erfassungsblock enthaltenen Erfassungs ebenen drei ist.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Erfassungsebene quadratische Gestalt besitzt.

6. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit An spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyramide annäherungsweise eine umgekehrte dreiseitige Pyramide bezüglich des Objekts ist.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß jeder Erfassungsblock 4 Erfassungsebenen enthält.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Erfassungsebene quadratische Gestalt besitzt.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyramide näherungsweise eine umgekehrte vierseitige Pyramide bezüglich des Objekts ist.

10. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Erfassungsebene dreieckförmige Gestalt besitzt.

11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pyramide eine vierseitige Pyramide bezüglich des Objekts ist.

12. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungsebene durch eine Basisplatte (23) gebildet ist.

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetsensor (24) eine Aufnehmerspule ist, die induktiv das durch die Strom-Dipole erzeugte Magnetfeld erfaßt und an den Erfassungsebenen ausgebildet ist.

14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfassungsabschnitt eine supraleitende quanten-interferometrische Detektoreinrichtung (24) zum Empfangen eines durch die Aufnehmerspule aufgenommenen Signals enthält, wobei die supraleitende quanten-interferometrische Detektoreinrichtung ein Magnetometer bildet.

15. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetsensor eine supraleitende quanten-interferometrische Detektoreinrichtung ist, die induktiv das durch den Strom-Dipol erzeugte Magnetfeld erfaßt, wobei die supraleitende quanten-interferometrische Detektoreinrichtung an den Erfassungsebenen ausgebildet ist.

16. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Datenermittlungseinrichtung (45) einen Abschnitt zum Bestimmen angenommener Positionen der Strom-Dipole in einem gegebenen dreidimensionalen Bereich des Körpers, einen Abschnitt zum Bestimmen einer Beziehungsgleichung zwischen jeder Richtungskomponente des Strom-Dipols an jeder der angenommenen Positionen und jeder Richtungskomponente des weiteren, an der Bewertungsposition erzeugten Magnet felds, und einen Abschnitt zur Berechnung jeder der Richtungskomponenten der Strom- Dipole an den angenommenen Positionen auf der Grundlage der durch die Bewertungsein richtung bewerteten Intensität des weiteren Magnetfelds und der Beziehungsgleichung aufweist.

17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungsposition aus einer Vielzahl von Schnittstellen von Enden der Seiten der Erfas sungsebenen besteht.

18. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstellen der Scheitelpunkt sind.

19. Gerät nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertungseinrichtung eine Vorrichtung umfaßt zur Bewertung der Intensität des weiteren Magnetfelds an zumindest zwei der Schnittstellen unter Verwendung desselben, durch die Erfassungseinrichtung erfaßten Magnetfelds derselben Erfassungsebene.

20. Gerät nach Anspruch 3 oder einem der anderen Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungsebene durch eine Vielzahl von Basisplatten gebildet ist, die in der Tiefenrichtung gestapelt sind.

21. Gerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßempfindlichkeit der auf den Erfassungsebenen der Mehrzahl von Basisplatten ange brachten Magnetsensoren für jede Basisplatte unterschiedlich ist.

22. Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Basisplatten vorhanden sind.

23. Gerät nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekenn zeichnet, daß die Magnetsensoren eine Aufnehmerspule sind bzw. enthalten, die das Strom-Dipole erzeugte Magnetfeld induktiv erfaßt, wobei die Aufnehmerspulen auf den Erfassungsebenen gebildet sind.

24. Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeld-Aufnahmeflächen der Aufnehmerspulen für jede Basisplatte unterschiedlich sind.

25. Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenermittlungseinrichtung einen Abschnitt zum Bestimmen angenommener Positionen der Strom-Dipole in einer gegebenen dreidimensionalen Region des Körpers, einen Abschnitt zur Bestimmung einer Beziehungsgleichung zwischen jeder Richtungskom ponente des Strom-Dipols an jeder der angenommenen Positionen und jeder Richtungskom ponente des weiteren, an der Bewertungsposition erzeugten Magnetfelds, und einen Abschnitt zur Berechnung jeder der Richtungskomponenten der Strom-Dipole an den angenommenen Positionen auf der Grundlage der durch die Bewertungseinrichtung bewer teten Intensität des weiteren Magnetfelds und der Beziehungsgleichung aufweist.

26. Gerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Positions-Bestimmungsabschnitt eine Vorrichtung zur Bestimmung der angenommenen Positionen für jede Basisplatte enthält, daß der Beziehungsgleichungs-Bestimmungsab schnitt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Beziehungsgleichung für jede Basisplatte enthält, und daß der Berechnungsabschnitt eine Vorrichtung zur Berechnung jeder Rich tungskomponente der Strom-Dipole für jede Basisplatte aufweist.

27. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungsebene in Überein stimmung mit einer Krümmung einer Körperoberfläche gekrümmt ist.

28. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß auf jeder Erfassungsebene ein einzelner Magnetsensor angebracht ist.

29. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekenn zeichnet, daß auf jeder Erfassungsebene eine Mehrzahl von Magnetsensoren mon tiert ist.

30. Gerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Magnetsensoren zwei beträgt.