FI83819C - Spol- och kopplingsarrangemang. - Google Patents

Description

1 83819

Kela- ja kytkentäjärjestely. - Spol- och kopplings-arrangemang.

Keksinnön kohteena on mm. magneettikuvaukseen ja magneettiseen resonanssiin perustuvissa laitteistoissa käytettävä kela - ja siihen liittyvät kytkentävälineet.

Magneettikuvaus (MRI) on menetelmä, joka käyttää hyväksi ydin-magneettista resonanssi-ilmiötä (NMR) kohteen ydintiheys ja ytimeen liittyvien NMR ominaisuuksien tai niihin vaikuttavien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien paikallisten jakautumien selvittämiseen. Mainittuja NMR ominaisuuksia ovat mm.: pitkittäinen relaksaatio (karakterisoi pitkittäinen relaksaatioaika Tl), poikittainen relaksaatio (karakterisoi poikittainen relaksaatioaika T2), relaksaatio pyörivässä koordinaatistossa (karakterisoi relaksaatioaika Tlrho), kemiallinen siirtymä, kytkentäkertoimet ytimien välillä. NMR ominaisuuksiin vaikuttavat fysikaaliset ilmiöt mm.: virtaus, diffuusio, paramagneettiset ainekset, ferromagneettiset ainekset, viskositeetti ja lämpötila. Magneettisen resonanssin ja magneettikuvauksen menetelmiä ja sovellutuksia on käsitelty lukuisissa viitteissä: Wehrli FW, Shaw D, Kneeland BJ: : : Biomedical Magnetic Resonance imaging, VCH Publishers, Inc.,

New York 1988, Stark DD and Bradley WG: Magnetic resonance imaging, C. V. Mosby Comp., St. Louis 1988, Gadian DG: Nuclear magnetic resonance and its applications to living systems, Oxford Univ. Press, London 1982, Shaw D: Fourier transform NMR spectroscopy, Elsevier, Amsterdam, 1984, Battocletti JH: NMR proton imaging, CRC Crit. Rev. Biomed. Eng. vol. 11, pp. 313 -356, 1984, Mansfield P and Morris PG: NMR imaging in biomedicine, Adv. in magnetic resonance. Academic Press, New York 1982, Abragam A: The principles of nuclear magnetism. Clarendon press, Oxford 1961, Lasker SE and Milvy P (eds.): Electron spin resonance and nuclear magnetic resonance in ____ biology and medicine and magnetic resonance in biological 2 83819 systems, Annals of New York Academy of Sciences vol. 222, New York Academy of Sciences, New York 1973, Sepponen RE: Discrimination and characterization of biological tissues with magnetic resonance imaging: A study on methods for ΤΙ, T2,

Tlrho and chemical shift imaging, Acta polytechnica scandinavica EL-56, Helsinki 1986, Fukushima E and Roeder SB: Experimental pulse NMR, Addison Wesley, London 1981, Thomas SR and Dixon RL (eds.) NMR in medicine: The instrumentation and clinical applications, Medical Physics Monograph No. 14, American Institute of Physics, New York 1986.

Anderson WA et al: US Pat 3,475,680, Ernst RR: US Pat 3,501,691, Tomlinson BL et al: US Pat 4,034,191, Ernst RR: US Pat 3,873,909, Ernst RR: US Pat 4,070,611, Bertrand RD et al: US Pat 4,345,207, Young IR: US Pat 4,563,647, Hofer DC et al: US Pat 4,110,681, Savelainen MK: Magnetic resonance imaging at 0.02 T: Design and evaluation of radio frequency coils with wave winding, Acta Polytechnica Scandinavica Ph 158, Helsinki 1988, Sepponen RE: US Pat 4,743,850, Sepponen RE: US Pat 4,654,595, Savelainen MK: US Pat 4,712,068, Sepponen RE: US Pat 4,587,493, Savelainen MK: 4,644,281 ja Kupiainen J: US Pat 4,668,904.

Dynaamista ydinpolarisaatiota on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Lepley AR and Closs GL: Chemically induced magnetic polarization, Wiley, New York 1973, Potenza J: Measurement and Applications of dynamic nuclear polarization. Adv. Mol. Relaxation Processes vol. 4, Elsevier, Amsterdam 1972, pp.

229 - 354, Ettinger KV: US Pat 4,719,425.

DNP on magneettinen kaksoisresonanssimenetelmä, joka siten edellyttää kahta erillistä spinpopulaatiota. Tällaisia spin-populaatioita ovat esimerkiksi elektronien ja protonien spinit.

Kaksoisresonanssimenetelmässä toisen spinpopulaation jakautumaa eri energiatasoille muutetaan ja toista spinpopulaatiota havainnoidaan. Tiettyjen ehtojen täyttyessä tarkkailtavan spin- 3 83819 populaation resonanssisignaali kasvaa. Vahvistuneen signaalin amplitudi voi olla useita satoja kertoja suurempi kuin vahvistamaton signaali. Vahvistuskerroin voi olla positiivinen tai negatiivinen. Vahvistunut signaali on ominaisuuksi1 taan erittäin herkkä spinympäristön fysikokemial1isi11 e ominaisuuksille ja reaktioille, joten sen käyttö materiaalin kemiallisten ominaisuuksien tutkimiseen on ilmeinen. Viittessä Ettinger KV: US Pat 4,719,425 on sovellutuksina esitetty paramagneettisten ainesosien pitoisuuksien kartoitus ja aivojen hermosolujen aktiviteetin kartoitus. Viitteissä Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton Electron Douple Resonance Imaging: A new method for imaging free radicals, Proc. S.M.R.M. Fifth Annual Meeting, 1987, New York, p. 24 ja Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton-Electron Douple Magnetic Resonance Imaging of free radical solutions, J. Magn. Reson., vol. 76, 1988, pp. 366 - 370 on esitetty vapaiden radikaaliryhmien, nitroksidi radikaalien ja hapetusasteen kartoitukset mahdollisina sovellutuksina.

Tunnetun tekniikan tason mukaisesti viitaten kuvaan 1 tutkittava kohde P sijoitetaan mahdollisimman homogeeniseen magneettikenttään Bo (nk. polarisoiva magneettikenttä), laitteistoon ·:· kuuluu lisäksi signaalikela C NMR signaalin detektoimiseksi , joka on liitetty NMR spektrometriin L, resonaattorijärjestely R, joka säteilyttää kohdetta elektronispin resonanssin (ESR) taajuisella magneettikentällä, järjestelyyn R on liitetty oskillattori ja tehovahvistin-järjestely S, paikkainformaation koodaamiseksi on laitteistossa gradienttikelajärjestely G, joiden vaatimaa virtaa tuottaa spektrometrin ohjaamat gradient-tivirtalähteet GC.

Tunnetussa tekniikassa elektronispin systeemiä saturoidaan ·'... sätei 1 yttämällä kohdetta taajuudella, joka vastaa ESR-taajuutta “ kentässä B0 ja detektoimalla NMR signaali taajuudella, joka vastaa kenttävoimakkuutta Bo. Täten esimerkiksi em. viitteissä 4 83819 käytettyä Βσ:η voimakkuutta 0.04T vastaavat ESR-taajuus 1.12 GHz ja NMR-taajuus 1.7 MHz.

Tunnettua on myös suorittaa elektronispin systeemin saturointi eri kentässä kuin ydinmagneettisen resonanssisignaalin havainnointi. Kohteen halkaisijan ollessa suuri säteilyn aallonpituuteen nähden kuten on tilanne tutkittaessa esim. ihmiskehoa saavutetaan kentän vaihtelemisella huomattavia turvallisuus ja teknisiä etuja. Mainittu ratkaisu ja sen edut on kuvattu viitteissä Sepponen RE: FI Pat Appi 883153 ja Lurie DJ, Hutchison JMS, Bell LH, Nicholson I, Bussel DM, Mallard JR: Field-Cycled Proton-electron Douple Resonance Imaging of Free Radicals in Large Aqueous Samples, J. Magn. Reson., vol. 84, pp. 431 - 437, 1989.

Tunnettua on käyttää sähköisesti tai optisesti ohjattuja puoli-johdekytkimiä sekä pneumaattisesti tai sähköisesti ohjattuja releitä tarvittavien radiotaajuista energiaa välittävien kelojen virityksen muuttamiseen kun kenttää muutettaessa resonans-sitaajuus muuttuu. Kuvatun kaltaiset kytkimet voivat sulkea osan kelaston sähköisestä piiristä siten, ettei mainittu osa : kytkeydy muuhun kelaston osaan ja kuormita sitä.

r'; Tunnetun tekniikan haittana on, että puolijohdekytkinten toi minta on epätäydellistä (päästöresistanssi on suhteellisen suuri ja estoresistanssi on suhteellisen pieni). Tarvittavien kytkentäpiirien välityksellä kytkeytyy signaalikelastoon kohinaa joten kytkimien määrää yritetään pitää mahdollisimman pienenä. Sähköisesti ohjattujen releiden haittana on, että ohjauspiiristä kytkeytyy kohinaa signaalikelastoihin. Pneumaattisesti ohjattujen kytkinten haittana on niiden hitaus ja järjestelyn tekninen monimutkaisuus. Monimutkaisuus lisääntyy, jos tarvittava taajuusmuutos on suuri kuten saattaa olla tilanne DNP ilmiötä hyväksikäytettäessä.

5 83819

Patenttivaatimusten mukaisen keksinnön avulla vältetään tunnetun tekniikan haitat ja mahdollistetaan kytkinten vapaa sijoittelu kelajärjestelyyn ilman, että tarvitaan ohjauspiirejä.

Keksintöä on kuvattu oheisissa piirroksissa, joissa

Kuva 1 esittää sinänsä tunnettua ratkaisua magneettiseen resonanssi-ilmiöön perustuvasta kuvauslaitteistosta, jossa polarisoivan magneettikentän voimakkuutta muutetaan .

Kuva 2 esittää erästä keksinnön mukaista kela järjestelyä

Kuva 3 esittää polarisoivan magneettikentän voimakkuuden ohjaaman kytkimen erästä toteutusratkaisua.

Kuvassa 1 on esitetty eräs magneettiseen resonanssiin perustuvan kuvauslaitteiston periaateratkaisu, jossa polarisoivan magneettikentän voimakkuutta muutetaan. Laitteiston toimintaa ohjaa tietokone C, joka ohjaa viritys- ja signaalinkeruutapah-tumia, signaalielektroniikan S sekä kelavälineiden R ja L toimintaa sekä gradienttitoimintoja kuten gradienttivirtalähdettä GC, joka syöttää virtaa gradienttikelastoon G sekä magneetti-virtalähdettä M1G joka syöttää virtaa magneettikelastoon Ml. Magneetti M synnyttää polarisoivan magneettikentän komponentin B0 ja Ml muuttuvan polarisoivan magneettikentän komponentin B o o ·

Keksinnön mukainen laitteisto viitaten kuvaan 2 on seuraava: Kela järjestely käsittää kelakäämit LI ja L2 sekä virityskon-densaattorit Cl ja C2. Laitteiston toimiessa matalalla taajuudella,' esimerkiksi havaittaessa YMR signaalia ovat kelat LI ja L2 kytketty sarjaan ja Cl ja C2 rinnan. Resonanssipiiri muodostuu induktanssista L1+L2 ja kapasitanssista C1+C2. Korkeammalla taajuudella toimittaessa, esimerkiksi lähetettäessä radiotaajuista energiaa elektronispinien saturoimiseksi kytketään kela- 6 83819 käämi LI kytkimien S2 ja S3 avulla ja kondensaattori Cl kytkimen SI avulla sähköisesti irti kuormittamasta muita kelaväli-neitä. Korkeammalla taajuudella LI ja Cl ovat resonanssissa. Kytkentätapahtumat suorittavat keksinnön mukaiset polarisoivan magneettikentän voimakkuuden ohjaamat kytkimet SI, S2 ja S3.

Kuvassa 3 on esitetty keksinnön mukainen magneettikentän voimakkuuden ohjaaman kytkimen eräs toteutus. Magnetoituvat, esimerkiksi meltorautaiset, kappaleet Ml ja M2 magnetoituvat ulkoisessa magneettikentässä ja niiden välille syntyy täten vetovaikutus. Jousi J vaikuttaa vastakkaiseen suuntaan kuin syntyvä magneettinen vetovoima. Kun magneettinen vetovoima ylittää jousivoiman kytkin vaihtaa tilansa. Jousivoimaa säätämällä voidaan valita se ulkoisen magneettikentän voimakkuus, jolla kytkentä tapahtuu.

Keksinnön ylläkuvatussa selostuksessa on esitetty vain jokin keksinnön mukainen suoritusmuoto. Esimerkiksi on tunnettua, että kelavälineiden kapasitanssit ovat säädettäviä, toteutettu kokonaan tai osittain esim. varaktoreilla eli kapasitanssidio-deilla ja hienoviritys tapahtuu esim. YMR signaalin ohjaamana. Muitakin mahdollisuuksia on ajateltavissa mm. polarisoivan magneettikentän voimakkuuden muutoksella ymmärretään myös sen suunnan muutosta.

Claims (3)

7 83819

1. Magneettiseen resonanssiin perustuva laitteisto, joka on järjestetty toimimaan useammalla kuin yhdellä polarisoivan magneettikentän voimakkuudella ja sisältäen tarvittavan kela-järjestelyn resonanssisignaalin synnyttämiseen ja havaitsemiseen sekä spinsysteemien energiatilojen muuttamiseen, tunnettu siitä, että mainitun kela järjestelyn toimintatilojen ja fysikaalisten ominaisuuksien, kuten esimerkiksi resonanssi-taajuuden, muuttamiseen käytetään kytkimiä, joiden tilaa ohjaa polarisoiva magneettikenttä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu kelajärjestely toimii toisella polarisoivan kentän voimakkuudella elektronispinsysteemiä saturoivan radiotaajuisen energian lähettimenä ja toisella polarisoivan magneettikentän voimakkuudella ydinmagneettisen resonanssisignaalin heräte- ja vastaanottovälineenä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että jotkin kelajärjestelyyn kuuluvat polarisoivan magneettikentän ohjaamat kytkimet kytkevät osan kelavä-lineistä pois kuormittamasta sähköisesti toiminnassa olevia kelavälineitä. 8 83819 P atentkrav