DE69320360T2 - Kernspinresonanzgerät mit einer RF Spulenanordnung zur Erzeugung eines homogenen RF-Feldes in einem Arbeitsvolumen ausserhalb des Geräts - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Kernmagnetresonanz-Vorrichtung mit einer Magnetanordnung, die in einem zu der Magnetanordnung externen Arbeitsbereich ein Magnetfeld mit einer Gleichmäßigkeit erzeugt, die zum Ausführen einer NMR-Untersuchung geeignet ist, und mit einer ein oszillierendes Magnetfeld erzeugenden Anordnung.
• Magnetanordnungen dieser Art wurden in den letzten Jahren zur Untersuchung von Bohrlöchern auf Ölführende Gesteine entwikkelt. Ein typisches Beispiel einer derartigen Anordnung wird in US-A-4 350 955 beschrieben, in der ein Paar Permanentmagneten mit Abstand voneinander vorgesehen ist, bei denen die Nord/Süd- Achsen miteinander ausgerichtet und gleichnamige Pole einander zugewendet sind. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die vorzusehende das oszillierende Magnetfeld erzeugende Anordnung aus einer HF-Spule bestehen kann, die in den Raum zwischen den Magneten eingesetzt ist. In jüngster Zeit ist eine abgewandelte Form dieser Anordnung in WO92/07279 beschrieben worden. Ein anderes Beispiel ist in US-A-4 714 881 beschrieben.
• Eines der Probleme, die bei der Verwendung dieser Anordnungen entdeckt wurden, besteht darin, daß eine bedeutsame Variation in dem durch die das oszillierende Magnetfeld erzeugende Anordnung erzeugten (üblicherweise als das B&sub1;-Feld bekannten) Magnetfeld über dem Arbeitsbereich vorhanden ist. Das wird besonders bedeutsam, wenn das radiale Ausmaß des Arbeitsbereiches vergrößert wird. Das besitzt zwei Auswirkungen auf die NMR-Messung.
• Die erste Auswirkung ist die ungleichförmige Spin-Anregung. Das bedeutet, daß bei einer typischen Spin-Echomessung 90º-, 180º- usw. Impulse nicht definiert sind, und so keine optimale Anregung über das gesamte Volumen erzielt werden kann. Dadurch wird sowohl die Signalstärke reduziert als auch die Deutung durcheinandergebracht.
• Die zweite Auswirkung besteht darin, daß das Signal, das durch die HF-Spule aufgenommen wird, zu Gunsten der näheren Teile des Ansprechvolumens gewichtet wird. Auch dadurch wird wiederum die Deutung der Daten durcheinandergebracht.
• Diese beiden ungünstigen Effekte können prinzipiell durch komplizierte Impulsfolgen überwunden werden, jedoch sind diese schwierig auszulegen und auszurichten, und können den Bereich von durchzuführenden Messungen begrenzen.
• Erfindungsgemäß umfaßt eine Kernmagnet-Resonanzvorrichtung eine Magnetanordnung, die ein statisches Haupt-Magnetfeld in einem zu der Magnetanordnung extern liegendenen Arbeitsbereich mit einer Gleichförmigkeit von mindestens 100 Teilen pro Million erzeugt, die zum Ausführen einer NMR-Untersuchung geeignet ist; und eine ein oszillierendes Magnetfeld erzeugenden Anordnung innerhalb der Magnetanordnung, die einen Satz von axial ausgerichteten, zum Erzeugen eines HF-Magnetfeldes in dem Arbeitsbereich an einer oszillierenden Stromquelle angeschlossenen elektrischen Spulen umfaßt, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die ein oszillierendes Magnetfeld erzeugende Anordnung zwei Paare von im wesentlichen koaxialen Spulen umfaßt, von denen die axial inneren Spulen um einen Mittelpunkt zwischen den axial äußeren Spulen angeordnet sind und benachbarte Spulen jedes Paares in umgekehrtem Sinn gewickelt und in Reihe miteinander verbunden sind, um so Magnetfelder zu erzeugen, welche einander zur Erzeugung eines zum Magneten und der oszillierenden Felderzeugungsanordnung externen HF-Magnetfeldes zu überlagern, das innerhalb des Arbeitsbereiches ausreichend gleichmäßig zum Durchführen einer NMR-Untersuchung ist, wobei die relativen Positionen der Spulen so sind, daß die Veränderung erster Ordnung des Magnetfeldes mit dem Abstand innerhalb des Arbeitsbereiches im wesentlichen Null ist.
• Die Erfinder haben zum ersten Mal die das oszillierende Magnetfeld erzeugende Anordnung in Hinblick auf das Magnetfeld in Betracht gezogen, das sie erzeugt, und haben realisiert, daß die vorher angeführten Probleme dadurch überwunden werden können, daß diese Anordnung so ausgelegt wird, daß das von ihr innerhalb des Arbeitsbereiches erzeugte Magnetfeld ausreichend gleichförmig zum Ausführen einer NMR-Untersuchung ist.
• Das Ausmaß der Gleichförmigkeit, die für das durch die das oszillierende Magnetfeld erzeugende Anordnung hervorgerufene Feld erforderlich ist, ist viel geringer als das normalerweise für die Magnetanordnung erforderliche. So ist ein oszillierendes Magnetfeld mit einer Gleichförmigkeit in der Größenordnung von 25% über den Arbeitsbereich akzeptabel, während die Gleichförmigkeit des durch die Magnetanordnung erzeugten Hauptmagnetfeldes üblicherweise in der Größenordnung von Teilen pro Million (ppm) liegt, z.B. 100 ppm oder besser.
• Der Satz elektrischer Spulen ist so angeordnet, daß mindestens die Anderung erster Ordnung des HF-Magnetfeldes mit dem Abstand im wesentlichen Null ist.
• Unter manchen Bedingungen kann ein Problem mit dieser Geometrie entstehen, insbesondere bei Benutzung von voneinander mit Abstand angeordneten elektrischen Spulen, nämlich, daß die Spulen Rauschsignale aufnehmen können. Vorzugsweise sind deshalb die elektrischen Spulen in einer Resonanzschaltung miteinander verbunden, die ein Stromsteuergerät enthält, welches einen Stromfluß in der Resonanzschaltung verhindert, wenn die Potentialdifferenz über das Stromsteuergerät nicht einen Schwellwert überschreitet.
• Das entkoppelt die das oszillierende Magnetfeld erzeugende Anordnung wirksam von der Aufnahme von Rauschsignalen.
• Die Erfindung ist auf eine große Vielzahl von Feldern anwendbar, einschließlich der Magnetresonanz-Abbildung eines Menschen- oder Tierkörpers, ist jedoch besonders geeignet zum Einsatz in Bohrloch-Anwendungen. In diesem Fall ist jedoch der Raum begrenzt und die normale Anordnung von üblichen MRI (Magnetresonanz-Anordnungen), bei denen separate Sende- und Empfangsspulen vorgesehen sind, ist nicht möglich. Es ist deswegen allgemeine Praxis, die gleiche Spule sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von Signalen zu benutzen. Das führt jedoch zu schlechten Signal/Rausch-Verhältniswerten.
• Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung weiter eine von der HF- Magnetfeld-Erzeugungsanordnung separate Magnetfeld-Erfassungsanordnung zum Erfassen eines in dem Arbeitsbereich entstehenden HF-Magnetfeldes, welche Erfassungsanordnung eine erste elektrische Spule enthält, die elektrisch in einer Resonanzschaltung angeschlossen ist und einen elektrischen Strom in der Schaltung erzeugt, wenn sie einem HF-Magnetfeld unterworfen wird; und eine mit der ersten elektrischen Spule gleichartige zweite elektrische Spule, die parallel und gegensinnig zu der ersten elektrischen Spule über Stromsteuermittel angeschlossen ist, wobei das Steuermittel Stromfluß durch die zweite elektrische Spule nur dann zuläßt, wenn die Potentialdifferenz über dem Stromsteuermittel einen Schwellwert überschreitet.
• Bei diesem Aspekt der Erfindung schaffen wir eine Erfassungsanordnung, die eine erste Spule zum Erfassen eines Magnetfeldes enthält und eine zweite Spule, die dazu parallel, jedoch im Gegensinn angeordnet ist, und durch welche Strom nur fließen kann, wenn die Potentialdifferenz einen Schwellwert übersteigt, um so die Aufnahme großer Signale auszulöschen, die jedoch die gewünschten kleinen Signale genau aufnimmt. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, daß sie die Verwendung einer von der ein oszillierendes Magnetfeld erzeugenden Anordnung getrennten Erfassungsanordnung innerhalb eines begrenzten Raumes erlaubt und Ergebnisse mit guten Signal/Rausch-Verhältniswerten erreicht.
• Typischerweise sind die Windungen der ersten und der zweiten Spule jeweils (verschachtelt) ineinandergelegt, und vorzugsweise sind die erste und die zweite Spule im wesentlichen koaxial.
• Einige Beispiele von eine Kernmagnet-Resonanzvorrichtung verkörpernden Anordnungen erfindungsgemäßer Art werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der in ein Bohrloch eingesetzten Vorrichtung ist;
• Fig. 2a die Sendespule mit mehr Einzelheiten darstellt;
• Fig. 2b ein Formteil für die Sendespulen darstellt;
• Fig. 3 ein Schaltbild der Sende-Resonanzschaltung ist;
• Fig. 4 eine Darstellung der Veränderung des Feldes über den Radius an unterschiedlichen axialen (Z-)Positionen eines Beispieles der Sendespule darstellt;
• Fig. 5 ein Schaltbild der Aufnehmerspulen-Resonanzschaltung ist; und
• Fig. 6 die Veränderung des Feldes an unterschiedlichen Axialpositionen eines Beispiels einer Aufnehmerspule darstellt.
• Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung basiert auf der in WO92/07279 beschriebenen und wird hier nur kurz beschrieben. Ein Paar erste Hauptmagneten 1, 2 ist koaxial so eingesetzt, daß ihre Nordpole einander zugewendet sind. Die Magneten 1, 2 sind durch nicht dargestellte Mittel an einem Träger 6' angebracht. Axial innerhalb der Magneten 1, 2 ist ein Paar zweiter Hilfsmagneten 3, 4 so angebracht, daß ihre Nord/Süd-Achsen mit der durch die Magneten 1, 2 bestimmten Achse koaxial liegen. Die Richtung und die Magnetisierungsstärke der Magnete 3, 4 ist gemäß der Kenntnis der Veränderung der unterschiedlichen Gradienten gewählt. Die Magneten 1-4 sind allgemein um eine zur Achse senkrechten Mittenebene symmetrisch positioniert. Vier HF-Sendespulen 5-8 sind koaxial zur Mittelachse in dem Raum zwischen den Magneten 3, 4 eingesetzt, und ein Paar Aufnehmespulen 9, 10 ist zentral zwischen den Sendespulen 6, 7 koaxial zur Mittelachse angeordnet.
• Im Gebrauch wird der Träger 6' mit einem (nicht gezeigten) Mechanismus gekoppelt, der die Anordnung durch ein Bohrungsloch 11 nach unten abläßt. Die Magneten 1-4 sind so positioniert und haben solche Feldstärken, daß ein toroidförmiges Arbeitsvolumen 12 in den das Bohrungsloch 11 umgebenden Gesteinsschichten erzeugt wird, wobei das Magnetfeld in dem Arbeitsvolumen 12 für die Ausführung einer NMR-Untersuchung ausreichend gleichförmig ist. Das wird mit mehr Einzelheiten in WO92/07279 beschrieben.
• Sobald die Anordnung korrekt eingesetzt wurde, werden die Sendespulen 5-8 entsprechend beaufschlagt, um die Nuklear-Spins innerhalb des Arbeitsvolumens zu erregen, und wenn die Spins relaxieren und entsprechende Signale erzeugen, werden diese Signale durch die Aufnehmerspulen 9, 10 aufgenommen und einer entsprechenden (nicht gezeigten) Erfassungsschaltung zugeführt, die von konventioneller Form ist.
• Wie vorstehend erklärt wurde, sind die Sendespulen so ausgelegt, daß sie ein im wesentlichen gleichförmiges Magnetfeld innerhalb des Arbeitsbereiches 12 erzeugen. Das wird erreicht mit Benutzung der vier Spulen 5-8, die in einer Ausgestaltung so ausgelegt sind, wie es in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben ist. In dieser Tabelle ist die übliche Bezeichnungsweise benutzt, wobei alle Abmessungen in m gegeben sind. a&sub1; und a&sub2; sind die Innen- bzw. Außenradien, und b&sub1; und b&sub2; die jeweiligen Axialversetzungen um einen Örtlichen Ursprung in der Mitte der Spule. Z bestimmt die Position des Örtlichen Ursprungs relativ zur Mitte der Anordnung. Der Strom wird in A angegeben. TABELLE 1
• Der Strom für 3 x 10&supmin;&sup4; T (3 Gauss) bei R = 125 mm beträgt 67 A.
• Wie in Fig. 2a zu sehen ist, sind die Sendespulen 5-8 jeweils in zwei Doppelscheiben von jeweils vier Windungen angeordnet (wenn auch in der Zeichnung jeweils drei Windungen dargestellt sind). Die Glieder jedes Paares 5,6; 7,8 sind in einander entgegengesetztem Sinn gewickelt und an den jeweiligen Innenradien miteinander verbunden. Die inneren Spulen 6,7 sind mit einem Verbinder 13 aneinander angeschlossen und die Spulenpaare 5,6; 7,8 sind durch jeweilige Verbinder 14,15 miteinander verbunden. Die Spule 5 und die Spule 8 sind jeweils über Verbinder 16 bzw. 17 mit einer entfernt liegenden (nicht gezeigten) Stromstreuer-Elektronik verbunden. Die Spulen 5-8 sind an einem Formteil 18 (Fig. 2b) angebracht. Die Spulen sind aus einem Kupferband mit 15 mm Breite x 0,5 mm Dicke mit 0,5 mm Abstand zwischen den Windungen gewickelt. Als Ringe ausgeführte scheibenförmige (nicht gezeigte) Abstandshalter aus PTFE sind zwischen die Spulen 5, 6 bzw. 7, 8 eingesetzt, um diese jeweils auf einem Abstand von 1 mm zu halten. Die Verbindungen 13,14, 15 können aus einem gleichartigen Band mit Silberlot angelötet sein, mit einer 0,5 mm PTFE- oder Kapton-Isolierung, um die Klemmenspannung von 5 kV auszuhalten.
• Fig. 3 stellt die elektrische Resonanzschaltung dar, die die Sendespulen 5-8 enthält. Wie zu sehen ist, sind die Sendespulen in Reihe mit einem veränderbaren Kondensator 20 und einem Steuergerät 21 geschaltet, das aus einem anti-parallel aneinander angeschlossenen Paar 60A-Schottky-Sperrdioden 22, 23 besteht.
• Die Kennwerte des Steuergerats 21 sind so gewählt, daß nur dann Strom in der Resonanzschaltung fließt, wenn die Spannung über dem Steuergerät 21 etwa 0,5 V übersteigt. Das verhindert das Erfassen von Rauschsignalen durch die Sendespulen. Die Resonanzschaltung ist über einen Anpaßkondensator 24 mit einer üblichen (nicht dargestellten) HF-Quelle verbunden.
• Die in Tabelle 1 festgelegte Spulenanordnung wurde so ausgelegt, und es hat sich gezeigt, daß die Z-Komponente des Feldes von 100 mm bis 150 mm Radialabstand innerhalb von ± 20 mm in Vertikalrichtung auf 25% gleichmäßig ist. Die Induktivität beträgt 21,1 uH, was zu einer Abstimmkapazität von etwa 4,5 nF und einer Spitzenspannung von 4,5 kV führt. Die Kopplung mit der Umgebung (Innenradius 75 mm, Leitfähigkeit 8,7 Sm&supmin;¹) beträgt 1,57 Ohm. Der vorstehend beschriebene Aufbau sollte sicherstellen, daß der Widerstand der Spule selbst viel geringer als dieser Wert ist. Die entsprechende Leistungsabführung ist 5 kW effektiv, was ein Einschaltverhältnis 10:1 erforderlich macht. Wenn die Leitfähigkeit 3 Sm&supmin;¹ beträgt und ein Fluid höherer Leitfähigkeit ausgeschlossen ist, sollte ein Einschaltverhältniswert 4:1 bei 500 W Durchschnittsleistung unter Vernachlässigung anderer Verlustmechanismen erreichbar sein.
• Die Feldvariation über den Radius nach Fig. 4 wurde erhalten mit den in der nachstehenden Tabelle 2 gezeigten Daten unter Benutzung üblicher Aufzeichnungsarten. Z (in Metern) ist die axiale Position relativ zum Zentrum der Anordnung (Fig. 1), R (in Metern) der Radialabstand vom Ursprung und Θ (in Grad) ist der Winkelversatz in der Radialebene gegen eine Ursprungsrichtung. TABELLE 2
• Bei der vorliegenden Anmeldung wird eine separate Aufnehmerspule benutzt, obwohl das den Nachteil hat, daß eine Möglichkeit der Entkopplung derselben von den Sendespulen gefunden werden muß. Das klassische Verfahren von körperlich aufeinander senkrecht stehenden Spulen ist in diesem Falle zylindrischer Symmetrie nicht verfügbar. Deshalb wird eine doppelte Aufnehmerspule eingesetzt, die aus den Spulen 9, 10 (Fig. 1) besteht, wobei die beiden Teile in Gegen-Reihenschaltung über gekreuzte Dioden geschaltet sind, wie in Fig. 5 gezeigt. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, ist eine übliche Aufnehmerspule 9 in einer Resonanzschaltung mit einem veränderlichen Kondensator 25 angeschlossen, wobei die Resonanzschaltung über einen Anpaßkondensator 25 mit der (nicht gezeigten) üblichen Empfangselektronik verbunden ist. Zusätzlich ist die Resonanzschaltung mit einer zweiten Aufnehmerspule 10 verbunden, die im wesentlichen die gleichen Abmessungen und gleiche Windungszahl wie die Aufnehmerspule 9 hat, jedoch elektrisch entgegengesetzt über zwei Paare paralleler Schottky-Dioden 27, 28 angeschlossen ist. Mit dieser Anordnung kann bei niedrigen (Empfangs-)Signalpegeln kein Strom in der Spule 10 fließen und die Spule 9 wirkt als eine herkömmliche Aufnehmerspule, jedoch kann bei hohen Pegeln (z.B. während einer Sendefolge) Strom in der Spule 10 fließen, und die Schaltung ist im wesentlichen induktionsfrei und so ist die Gesamtkopplung mit der Sendespule fast Null.
• Bei einem Beispiel umfaßt jede Spule 9, 10 zwölf Windungen in zwei Lagen (sechs Windungen pro Lage), und die beiden Spulen sind ineinandergesetzt (verschachtelt). Der Leiter ist jeweils ein rechteckiger Kupferdraht 2 mm x 1 mm, mit einem Wickelschritt von 3 mm und einem Zwischenlagenspalt von 1 mm. Die Spule besitzt dann eine Induktivität von 27,6 uH und erfordert etwa 400 pF zur Abstimmung. Die nachstehende Tabelle 3 zeigt eine typische Ausgestaltung für eine der Spulen 9, 10 (mit Bezeichnungsweise wie vorher), und Fig. 6 stellt graphisch die Feldveränderung über dem Radius aufgrund der in Tabelle 3 angegebenen Daten dar. TABELLE 3

Claims (10)

1. Kermagnetresonanz-Vorrichtung mit einer Magnetanordnung (1- 4), die ein statisches Haupt-Magnetfeld in einem zu der Magnetanordnung extern liegendenen Arbeitsbereich (12) mit einer Gleichförmigkeit von mindestens 100 Teilen pro Million erzeugt, die zum Ausführen einer NMR-Untersuchung geeignet ist; und mit einer ein oszillierendes Magnetfeld erzeugenden Anordnung innerhalb der Magnetanordnung, die einen Satz von axial ausgerichteten, zum Erzeugen eines HF- Magnetfeldes in dem Arbeitsbereich an einer oszillierenden Stromquelle angeschlossenen elektrischen Spulen (5-8) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die ein oszillierendes Magnetfeld erzeugende Anordnung zwei Paare von im wesentlichen koaxialen Spulen umfaßt, von denen die axial inneren Spulen um einen Mittelpunkt zwischen den axial äußeren Spulen (5,8) angeordnet sind und benachbarte Spulen (5,6; 7,8) jedes Paares in umgekehrtem Sinn gewickelt und in Reihe miteinander verbunden sind, um so Magnetfelder zu erzeugen, welche einander zur Erzeugung eines zum Magneten und der oszillierenden Felderzeugungsanordnung externen HF- Magnetfeldes zu überlagern, das innerhalb des Arbeitsbereiches ausreichend gleichmäßig zum Durchführen einer NMR- Untersuchung ist, wobei die relativen Positionen der Spulen so sind, daß die Veränderung erster Ordnung des Magnetfeldes mit dem Abstand innerhalb des Arbeitsbereiches im wesentlichen Null ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die elektrischen Spulen (5-8) in einer Resonanzschaltung verbunden sind, die ein Stromsteuergerät (21) enthält, welches Stromfluß in der Resonanzschaltung verhindert, solange eine Potentialdifferenz über dem Stromsteuergerät einen Schwellwert nicht überschreitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das Stromsteuergerät (21) ein Paar Dioden (22, 23) umfaßt, die im entgegengesetzten Sinn parallel geschaltet sind

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das HF-Magnetfeld eine Gleichmäßigkeit von 25% über dem Arbeitsbereich (12) besitzt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiter eine von der HF-Magnetfeld-Erzeugungsanordnung separate Magnetfeld-Erfassungsanordnung zum Erfassen eines in dem Arbeitsbereich entstehenden HF-Magnetfeldes umfaßt, welche Erfassungsanordnung eine erste elektrische Spule (9) enthält, die elektrisch in einer Resonanzschaltung angeschlossen ist und einen elektrischen Strom in der Schaltung erzeugt, wenn sie einem HF-Magnetfeld unterworfen wird; und eine mit der ersten elektrischen Spule gleichartige zweite elektrische Spule (10), die parallel und gegensinnig zu der ersten elektrischen Spule über Stromsteuermittel (27, 28) angeschlossen ist, wobei das Steuermittel Stromfluß durch die zweite elektrische Spule (10) nur dann zuläßt, wenn die Potentialdifferenz über dem Stromsteuermittel einen Schwellwert überschreitet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Windungen der ersten Spule (9) der Magnetfeld-Erfassungsanordnung mit den Windungen der zweiten Spule (10) der Magnetfeld-Erfassungsanordnung verschachtelt gewickelt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei der die Stromsteuermittel (27, 28) zwei Paare von Dioden umfassen, von denen jedes Diodenpaar gegensinnig parallel angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die erste und die zweite Spule (9, 10) der Magnetfeld-Erfassungsanordnung im wesentlichen koaxial sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die Spulen (5-10) der Erzeugungs- und der Erfassungsanordnung im wesentlichen koaxial sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Spulen (5-10) im wesentlichen mit einer Längsachse der Magnetanordnung koaxial sind.