FI65365C - Spolanordning - Google Patents

Description

6 5 3 6 5

KELAJÄRJESTELY - SPOLANORDNING

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukaisen ydinspindiagnostiikkalaitteiston lähetin/vastaanotin-kelajär jestely.

5 Ydinspinkuvaus on uusi materiaa rikkomaton tutkimusmenetelmä, jonka eräänä tärkeimpänä sovellutusalueena on lääketieteellinen diagnostiikka. Ydinspinkuvauksen periaatteen esitti P. Lauterbur vuonna 1973.

(Lauterbur: Nature voi. 242, March 16, 1973, s.

1° L90...191). Tätä aikaisemmin oli R. Damadian esittänyt eräänlaisen NMR (NMR =Nuclear Magnetic Resonance; ydinmagneettinen resonanssi) ilmiöön perustuvan tutkimuslaitteiston toiminta-ajatuksen. (Damadian: US. PAT. 3,789,832). Ydinspinkuvausmenetelmiä on kehitetty 15 monia, joita on kuvattu mm. viitteissä Ernst: US. PAT. 4,070,611, Garroway et ai: US. PAT. 4,021,726 ja Moore et ai: US. PAT. 4,015,196.

Ydinspinkuvaus, samoin kuin muut NMR-tutkimusmenetel-20 mät, perustuvat siihen, että eräiden alkuaineiden ytimillä on magneettinen momentti. Tällaisia alkuaineita ovat mm. vety, fluori, hiili ja fosfori, joiden tietyillä isotoopeilla on ydinmagneettinen momentti. Tarkastellaan esimerkiksi vetyatomin ydintä eli proto-25 nia, joka on positiivisesti varautunut alkeishiukkanen. Protoni pyörii oman akselinsa ympäri eli sillä on tietty spin. Pyöriminen synnyttää protonin magneettisen momentin ja myös pyörimisakselin suuntaisen huima- momentin.

30

Jos joukko vetyatomeja asetetaan ulkoiseen magneettikenttään B0, enemmistö ytimien magneettisista momenteista asettuu ulkoisen kentän B0 suuntaiseksi ja siten vetyatomijoukkoon syntyy nettomagnetisaatio Mn, 35 joka on suoraan verrannollinen ulkoiseen magneetti- 2 65365 kenttään B0. Kohteena olevan atomijoukon lämpötila vaikuttaa kuitenkin siihen, miten suuri nettomagnetisäätiön synnyttävä enemmistö on verrattuna koko ydinjoukon suuruuteen. Kohteen ollessa esimerkiksi ihmiskehon lämpö-5 tilassa ydinjoukon enemmistön ja vähemmistön osuuksien määrällinen erotus on vain noin miljoonasosa kaikkien ytimien lukumäärästä. Jos kohteen lämpötilaa voitaisiin alentaa, nettomagnetisaatio kasvaisi kääntäen verrannollisena kohteen absoluuttiseen lämpötilaan.

10

Pulssi-NMR-tutkimuksissa poikkeutetaan syntynyt netto-magnetisaatio Mn voimakkaalla radiotaajuisella magneetti-pulssilla 90° ulkopuolisen magneettikentän B0 suunnasta. Ytimien spinin synnyttämien huimamomentin sekä magneet-15 ti sen momentin ja ulkoisen kentän vuorovaikutuksesta johtuen joutuu syntynyt nettomagnetisaatio prekeseioliikkeeseen. Prekessoivan magneettisen momentin kulmanopeus on suoraan verrannollinen ulkoiseen magneettikenttään kaavan 1 osoittamalla tavalla 20 (1) WG = γ B0 missä y on gyromagneettinen suhde B0 on ulkoisen magneettikentän voimakkuus 25 M0 on nk. Larmor-taajuus

Jos kohteen ulkopuolelle asetetaan induktiokela ja kondensaattori, jotka muodostavat resonanssipiirin, indusoi prekessoiva magnetisaatio resonanssipiirin napoihin sig-30 naalijännitteen. Signaalijännitteen Vs amplitudi on suoraan verrannollinen resonanssipiirin Q-arvoon eli hyvyys-lukuun .

Tärkeämpi suure kuin signaalijännite on signaali/ 35 kohinasuhde SNR, ydinspinkuvaus samoin kuin muutkin NMR-tutkimukset riippuvat saavutettavasta signaali/ kohina-suhteesta. Jätettäessä tutkittavan kohteen 65365 sähköiset häviöt huomiotta saadaan signaali/kohina-suhteeksi: (2) SNR * kNAf(QW|/LB)l/2 5 missä k on kentästä riippumaton vakio N on detektiokelan kierrosluku A on kelan poikkipinta-ala f on täyttösuhde Q on kelan hyvyysluku Ί0 WQ on Larmor-taajuus L on kelan induktanssi B on käytetty kaistaleveys

Jos kelan ja kohteen häviöt otetaan huomioon voidaan 15 signaali/kohinasuhteelle johtaa lauseke (3) viitteessä Hoult et ai: Journal of Magnetic Resonance voi. 34, 199, s. 425...433 esitetyllä tavalla.

20 (3) SNR* p^h*y>*.

fr = resonanssitaajuus * W0/2Tt c* = vakio, joka riippuu kelan rakenteesta /3 * vakio, joka riippuu kelan rakenteesta b = kohteen halkaisija 25 a = kelan halkaisija

Kuten kaavasta (3) havaitaan on edullista minimoida kelan halkaisijan suhde näytteen halkaisijaan, täten maksimoidaan kelan täyttösuhde. Täyttösuhteen riip-30 puvuus kelan halkaisijasta on ydinspinkuvauslaitteissa tyypillisesti verrannollinen kelan säteen kolmanteen potenssiin, koska kelan säteen kasvaessa on myös kelan pituuden kasvettava homogeenisuuden säilyttämiseksi.

Sen sijaan kohteen halkaisijan kasvaessa kuvausviipa-35 leen paksuus ei muutu.

Tunnetun tekniikan’mukaisesti esimerkiksi suoritet- 65365 taessa lääketieteellistä diagnostiikkaa ydinspin-kuvauslaitteella vaihdetaan signaalikelasto riippuen kuvattavasta kehonosasta. Esimerkiksi eräässä koelaitteistossa päänkuvauksiin tarkoitetun kelan hal-5 kaisija on 25 cm ja muun vartalon kuvauksiin tarkoitetun kelan halkaisija on 55 cm. (Crooks et ai: Radiology, 143, April 1982, s. 169...174). Rutiini-diagnostiikassa kelaston vaihtaminen kuvausten välillä on hankalaa ja kuluttaa kuvauslaitteiston ja hoito-10 henkilökunnan aikaa. Lisäksi on varsin oletettavaa, ettei tavanomainen hoitohenkilökunta pysty suorittamaan signaalikelaston vaihtamiseen liittyviä toimenpiteitä, vaan vaihdon suorittavat teknillisen koulutuksen ja hyvän laitetuntemuksen omaavat asiantuntijat.

15

Keksinnön tarkoituksena on eliminoida tunnetussa tekniikassa ilmenevät puutteet ja luoda kelajärjestely, jonka avulla voidaan ydinspindiagnoosilaitteiston signaalikelaa soveltaa erikokoisille kuvauskohteille 20 siten, että esimerkiksi signaalikelan kentän homogeenisuus kuvausalueella ja täyttösuhde voidaan optimoida kohteen koon mukaan. Keksinnön tavoitteena on lisäksi luoda yksinkertainen ja toimintavarma laitteisto, jonka käyttö ei vaadi teknillisesti erikois-25 koulutettua henkilökuntaa.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan patenttivaatimuksessa 1 ja alivaatimuksisea tarkemmin esitetyllä tavalla. Keksinnön mukaisella järjestelyllä saavutetaan ydin-30 spinkuvauslaitteiston signaalikelajärjestely, joka sallii signaalikelaston halkaisijan muuttamisen kohteen halkaisijan suhteen siten, että signaalikelan kentän homogeenisuus kuvausalueella ja täyttösuhde optimoi tuu. Keksinnön mukaisella järjestelyllä signaalikelan 35 halkaisijan muuttaminen voidaan suorittaa ilman erikoiskoulutettua henkilökuntaa ja siten, että optimointi tapahtuu haluttaessa automaattisesti.

65365

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa - kuvio IA esittää yleistä satulakelamuotoa, jota käytetään etenkin suprajohdemagneettien yhteydessä, 5 - kuvio IB esittää erästä edullista signaalikelan rakennetta päästä katsottuna, - kuvio 2 esittää erästä keksinnön mukaista signaaliko kelaratkaisua ilman koon muutoksen suorittavia elimiä, - kuvio 3 esittää kuvion 2 signaalikelajärjestelyä solenoidimuotoisen magneetin sisään sijoitettuna, k5 - kuviot 4A ja 4B esittävät kuvioiden 2 ja 3 sovellus- muotoon kuuluvien kelan koon muutoksen aiheuttavien elinten toimintaa siten, että kuviossa 4Ά signaalikela on suurimmillaan ja kuviossa 4B signaalikela on pienimmillään, 20 - kuvio 5 esittää kelan koon muutoselinten erään vaihtoehtoisen toteutusmuodon.

Kuten kuvioista 1...5 käy ilmi keksinnön mukaiseen kela-25 järjestelyyn kuuluu signaalikelana toimiva johde 1, johteen ohjain- ja muototuet 2a ja 2b, ohjaimet 3, jotka liikkuvat ohjausurissa 3, puristusrullapari 4, signaalikelan kiristyselimet 5, suprajohde- tai konventionaalinen magneetti 6, johteen tuki- ja säätötanko 7, 30 tuki- ja säätötangon ripustuselimet 8, kierteellä varustetut ohjaimet 9, kiinnittimet 10 johteen ohjain- ja muototukeen 2, vaihteistot 11, askelmoottorit 12, johteen koon ohjaimet 13, johteen koon säätövarret 14 ja säätövarsien tuet 15. Lisäksi kuvion 5 esittämään 35 vaihtoehtoiseen ratkaisuun kuuluvat hydrauliset sylinterit 16 tai vastaavat voimasylinterit.

6 65365

Niinkutsuttu satulakäämi on yleinen signaalikelamuoto sellaisissa ydinspintutkimuslaitteissa, joissa magneettikentän suunta on yhdensuuntainen tutkittavan näytteen asetussunnan kanssa. Tällaisia laitteita ovat tyypilli-5 eesti suprajohdemagneetilla varustetut ydinspin- eli NMR-kuvauslaitteet. Satulakelan optimaalinen muoto on kuvattu kuviossa 1. Kelan johtimen materiaaliksi on syytä valita mahdollisimman hyvin johtava materiaali kuten esimerkiksi hopea. Esimerkkinä käsiteltävässä 10 keksinnön mukaisessa toteutusvaihtoehdossa voidaan johtimena käyttää ohutsäikeistä, punottua hopea- tai kuparijohdetta. Kuviossa 2 on mainitun kaltainen johde 1 sijoitettu ohjain- ja muototukien 2a ja 2b päälle siten, että ohjaimet 3 ja tuet 2 muodostavat mahdolli-15 simman hyvin kuvion 1 mukaisen satulakelan muotoisen signaalikelan johteesta 1. Tuet 2 on sijoitettu magneetin 6 sisään elinten Θ varaan ripustettujen kelan tuki- ja säätötankojen 7 varaan.

20 Säätötangoissa 7 on joukko eri suuntaisia kierteitä, joiden suhteen ohjaimet 9 on järjestetty parittain. Tankoa 7 kierrettäessä ohjaimet 9 liikkuvat tällöin siten, että kierrettäessä säätötankoa 7 myötäpäivään ohjaimet 9 lähestyvät toisiaan ja vastapäivään kierret-25 täessä taas etääntyvät toisistaan. Tukien 9 keskinäinen liike aiheuttaa johteen ohjain- ja muototukien 2a ja 2b keskinäisen liikkeen siten, että tukien 9 lähestyessä toisiaan tuet 2 lähestyvät toisiaan ja tukien 9 etääntyessä tuet 2 etääntyvät toisistaan.

30 Säätötankojen 7 kiertäminen suoritetaan askelmoottorien 12 avulla vaihteistojen 11 välityksellä. Askelmoottorien ohjauksen voi suorittaa esimerkiksi mikroprosessori. Kelan halkaisijan lisäksi on optimaalisen kelageomet-35 rian saavuttamiseksi muutettava myös kelan pituutta. Tätä varten keksinnön mukaiseen ratkaisuun kuuluvat 65365 johteen koon ohjaimet 13, johteen koon säätövarret 14 sekä säätövarsien tuet 15. Nämä toimivat siten, että edellä kuvatulla tavalla tukien 2a ja 2b liikkuessa liikkuvat ohjaimet 13 säätövarsien 14 pakottamana 5 toisiinsa nähden. Jos tuet 2a ja 2b lähestyvät toisiaan tuet 13 lähestyvät myös toisiaan ja kelan pituus pienenee ja kelan muoto säilyy optimaalisena ohjainten 3 liikkuessa tukien 2 ohjainurissa 3'.

10 Luonnollisesti kelan koon muuttuessa muuttuu myös kelaan käytetyn johteen pituus. Tätä varten keksinnön mukaisessa ratkaisussa on kiristyselimet 5, esimerkiksi pyöritettävä rulla, sekä puristusrullapari 4. Kiristys-elimet 5 kelaavat kaiken ylimääräisen johteen, joka 15 vapautuu kelan koon pienetessä. Puristusrullapari 4 aiheuttaa sen, että kiristyselimiin 5 kelautuva kelan ylimääräinen johde ei ole kelan resonanssipiirin osa. Puristusrullapari on edullista tehdä sähköä hyvin johtavasta mutta ei-magnetoituvasta aineesta, kuten esi-20 merkiksi kuparista tai pronssista. Myös muut signaali-kelaan kuuluvat välineet on käytännössä välttämätöntä valita ei-magnetoituvasta materiaalista kohteen yli asetettavan magneettikentän homogeenisuuden varmistamiseksi.

25

Johteen koon ohjainten 13 liike voidaan suorittaa vaihtoehtoisesti hydraulisten, ei-magneettisesta aineesta valmistettujen sylinterien 16 avulla, kuten kuviossa 5 on esitetty.

30

Edellä on kuvattu keksinnön mukaisen laitteiston eräs perus-suoritusmuoto. Muita mahdollisia suoritusmuotoja on toteutettavissa solenoidi- ja Helmholz-tyyppisille kelarakenteille. Edellä kuvatussa suoritusmuodossa on 35 edullista valmistaa tuet 2a ja 2b siten, että ne muodostavat myös nk. staattisen suojan estämään kohteen kytkeytymisen kapasitiivisesti kelastoon. Kelan koon ja 8 65365 siis johteen pituuden muuttaminen johtaa myös reso-nanssitaajuuden muuttumiseen. Tästä syystä ylläolevan kelajärjestelyn lisäksi resonanssipiiriin on sijoitettava säätökondensaattori, jolla resonanssipiiri viritetään joko manuaalisesti tai automaattisesti.

5 Kelan koon muuttaminen vaikuttaa myös virittävän radiotaajuuspulssin pituuteen ja amplitudiin, koska kelan koon pienetessä kelan synnyttämä virittävä magneettikenttä kasvaa. Tällöin esimerkiksi netto-magnetisaation 90° poikkeuttavan pulssin pituus ja/tai 10 amplitudi pienenee. Kelajärjestelyyn voidaan sijoittaa havaintolaitteisto, esimerkiksi silmukka-antenni, kenttävoimakkuuden mittaamiseksi ja käyttää mittaustulosta pulssin amplitudin määräämiseksi automaattisesti* 15

Yllä mainitut signaalikelan koon muutosten edellyttämät ja niiden johdosta suoritettavat toimenpiteet voidaan helposti automaattisesti ottaa huomioon esimerkiksi käyttäen hyväksi mikroprosessorilla tapahtuvaa ohjausta 20 ja sopivaa ohjelmointia. Näin laitteiston käyttäminen on mahdollisimman yksinkertaista.

Keksintö ei millään tavoin ole rajoitettu esitettyyn sovellusmuotoon, vaan useita keksinnön muunnelmia on 25 ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

30 35

Claims (9)

9 6 5 3 6 5

1. Järjestely ydinspin- eli NMR-tutkimuslaitteistoon kuuluvan, esimerkiksi solenoidi-, satula-, Helmholz-tyyppisen, yhden tai useamman johdekierroksen käsittävän signaalikelan sovittamiseksi eri kokoisille, kelan sisään S sijoitettaville tutkittaville kohteille, esimerkiksi potilaille tai potilaiden kehon osille, tunnettu siitä, että siihen kuuluu välineet (2, 9, 10, 11, 12) signaalikelan tilavuuden muuttamiseksi signaalikelan sisään sijoitetun, kulloisenkin tutkimuksen kohteen tilavuuden 10 mukaisesti suoritettavan tutkimuksen ja mittausten kannalta mahdollisimman optimaaliseen arvoon.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnet-t u siitä, että mainittuihin välineisiin kuuluu elimet 75" signaalikelan halkaisijan (2, 9, 10, 11, 12) ja kelajohteen (1) pituuden ja/tai muodon (3, 4, 5, 13, 14, 15) muuttamiseksi siten, että signaalikela on homogeenisuuden ja signaali/kohinasuhteen kannalta optimaalinen kaikilla eri halkaisijan ja tilavuuden arvoilla.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen järjestely, tunnet-t u siitä, että mainittuihin välineisiin kuuluu staattinen suoja estämään tutkittavan kohteen kytkeytymisen kapasi-tiivisesti NMR-tutkimuslaitteiston kelastoon, ja että l£ mainittu suoja on mieluimmin mainittujen elimien osa (2.).

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että signaalikelan koon muuttamiseksi mainitut elimet käsittävät johteen (1) ohjain- ja muoto- 30 tuet (2a, 2b), joihin kuuluu ainakin kaksi elementtiä tai elementtiryhmää, joihin mainittu kelajohde (1) on järjestetty tuettavaksi, ja että mainittujen elementtien tai elementtiryhmien keskinäinen etäisyys on järjestetty muutettavaksi. 10 65365

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitut johteen ohjain- ja muoto-tuet (2a, 2b) on varustettu ohjausurilla (f) ja näihin siirret-tävästi tuetuilla johteen ohjaimilla (3), jotka on järjes- ξ tetty siten, että mainittujen elementtien tai elementti- ryhmien etäisyyttä muutettaessa mainitut johteen ohjaimet (3) siirtyvät mainituissa ohjausurissa {3) muuttaen samalla signaalikelan johteen (1) pituutta ja/tai muotoa halutulla tavalla. 10

6. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että siinä on välineet (4, 5) signaalikelan halkaisijan ja/tai tilavuuden muutoksista aiheutuvan johteen (1) pituuden muutosten järjestämiseksi siten, /5* että ylimääräinen johteen (1) osa kerätään signaalikelapii-rietä pois ja toisaalta signaalikelapiiriin tarvittava lieäjohde syötetään mainittuun piiriin, ja että ylimääräinen johteen (1) osa on järjestetty sähköisesti poissuljettavaksi mainitusta signaalikelapiiristä esimerkiksi oikosul- 10 kemalla.

7. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että signaalikelaan on liitetty kondensaattori siten, että signaalikela ja mainittu Ί5 kondensaattori yhdessä muodostavat resonanssipiirin, ja että mainitun kondensaattorin kapasitanssi on järjestetty muutettavaksi signaalikelan induktanssin muutoksia vastaavasti.

8. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen jär jestely, tunnettu siitä, että mainitun signaali-kelan käsittäävään sähköiseen piiriin on liitetty välineet virittävän radiotaajuisen pulssin amplitudin säätämiseksi signaalikelan kokoa vastaavasti.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kela-järjestely, tunnettu siitä, että sen komponentit on valmistettu ei-magnetoituvista materiaaleista. 35- 11 65365