NL8402380A - Kernspin resonantie apparaat met een zend-meetspoel voor hoge frequenties. - Google Patents

Description

f £- 4- EHN 11.108 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Kernspin resonantie apparaat net een zend-meetspoel voor hoge frequenties.

De uitvinding heeft betrekking op een kernspin resonantie apparaat net een magneetstelsel voor het opwekken van een homogeen hoofdmagneetveld en met een radiofrequent magneetspoel voor het opwekken van kernspin resonantie signalen in een te onderzoeken object.

5 Een dergelijk apparaat, in het bijzonder ingericht voor het uitvoeren van fonografische beeldvorming is bekend uit Locher Philips Technical Review, Vol. 41, nr. 3, 1983/1984, pp 73-88. Indian in een dergelijk apparaat wordt gewerkt met een sterk homogeen magneetveld, bijvoorbeeld hoger dan 1 Tesla, hetgeen vooral ook gewenst is voor het 10 uitvoeren van spectroscopische metingen in biologischs objecten, worden problemen ondervonden doordat de radiofrequentspoel reeds bij lagere dan de gewenste meetfrequenties in resonantie komt. Dit wordt vooral veroorzaakt door de steeds aanwezige parasitaire capaciteiten van de radiofrequentspoel en toevoerleidingen daarvan. De spoel wordt daardoor 15 voor hogere frequenties onbruikbaar.

De uitvinding beoogt deze beperkingen op te heffen en daartoe heeft een kernspin resonantie apparaat van de in de aanhef genoemde soort volgens de uitvinding tot kenmerk, dat de radiofrequentspoel in meerdere delen opgesplitst wordt gevoed dan wel wordt uitgelezen, 20 Doordat in een kernspin resonantie apparaat volgens de uit vinding de radiofrequent spoel in meerdere delen opgesplitst wordt gevoed dan wel wordt uitgelezen, wordt het spanningsverloop over de spoelwindingen evenredig met het aantal opdelingen verlaagd. Daarmede wordt de invloed van de parasitaire capaciteiten op de resonantie 25 frequentie van de radiofrequentspoel gereduceerd.

In een voorkeursuitvoering is een radiofrequentspoel door middenverbindingen en aansluitcpeningen in meerdere delen opgedeeld.

Het aantal spoeldelen waarin de spoel hierdoor wordt cpgedeeld kan, aan de omstandigheden en de aard van de spoel zijn aangepast. Voor een 30 body spoel is bijvoorbeeld een vierdeling, voer een hoofdspoel bijvoorbeeld een tweedeling toepasselijk.

In een verdere uitvoering zijn twee middenaansluitingen onderling verbonden met een electrische geleider die als een vertragingslijn 8402380 * % PHN 11.108 2 werkt, in het navolgende ook wel een halm verbinding te noemen. Een dergelijke vertragingslijn bestaat bijvoorbeeld uit een coaxiaal kabel waarvan de lengte zodanig is gekozen dat voor de te gebruiken frequentie een electrische vertraging van ½ Pi ontstaat.

5 In een verdere uitvoeringsvorm is de verbinding tussen midden punten van de radiofrequentspoel gerealiseerd met een hoogfrequent transformator, bij voorkeur in de vorm van een zogenaamde strip-line trafo.

Aan de hand van de tekening zullen in het navolgende enkele voorkeursuitvoeringen volgens de uitvinding nader worden beschreven.

10 in de tekening toont : figuur 1 een kernspin resonantie apparaat volgens de uitvinding, figuur 2 een aantal schetsmatig weergegeven configuraties voor een radiofrequentspoel, 15 figuur 3 een radiofrequentspoel met een ½ A middenpunts- ver binding, figuur 4 een spoel als volgens figuur 2 maar in eert andere uitvoering, en figuur 5 een radiofrequentspoel met een hoogfrequent trafo 20 . als middenpuntsverbinding.

Een kernspin resonantie apparaat zoals weergegeven in figuur 1 bevat een magneetstelsel 2 voor het opwekken van een stationair homogeen magneetveld H, een magneetstelsel 4 voor het opwekken van magnetische gradientvelden, voedingsbronnen 6 en 8 respectievelijk voor 25 het magneetstelsel 2 en het magneetstelsel 4. Een radiofrequentmagneet-spoel 10 dient voor het opwekken van een radiofrequent magnetisch wisselveld en is daartoe aangesloten op een radiofrequentbron 12.

Voor detectie van door het radiofrequente zendveld in een te onderzoeken object opgewekte kernspin resonantie signalen kan eveneens gebruik 30 gemaakt worden van de radiofrequentspoel 10 waartoe deze is verbonden met een signaalversterker 14. De signaalversterker 14 is verbonden met een fasegevoelige gelijkrichter 16 die met een centrale besturings-inrichting 18 is verbonden. De centrale besturingsinrichting 18 stuurt verder een modulator 20 voor de radiofrequente bron 12, de voedingsbron 35 8 voor de gradientspoelen en een monitor 22 voor beeldweergave. Een hoogfrequent oscillator 24 stuurt zowel de modulator 20 als de meet-signalen verwerkende fasegevoelige gelijkrichter 16. Voor eventuele koeling van de magneetspoelen 2 voor het hoofdveld dient een koelin- $ λ ö2 3 8 0 « % PHN 11.108 3 richting 26 met kcelleidingen 27. Een dergelijke koelinrichting kan uitgevoerd zijn als waterkoeling voor weerstandsspoelen of zoals voor de hier gewenste hoge veldsterkte bijvoorbeeld als vloeibare beliumt-koeling voor supergeleidende magneetspoelen. De binnen de magneetstelsels 5. 2 en 4 geplaatste zendspoel 10 omsluit een meetruimte 28 die bij een apparaat voor medische diagnostische metingen ruim genoeg is voor het omvatten van te onderzoeken patiënten. In de meetruimte 28 zijn aldus een homogeen magneetveld H, doorsneden van het object selecterende gradientvelden en een ruimtelijk homogeen radiofrequent wisselveld op 10 te wekken. De radiofrequentspoel 10 wordt hier gedacht de functie van zendspoel en meetspoel te combineren. Voor beide functies kan ook met verschillende spoelen worden gewerkt, bijvoorbeeld met oppervlakte spoelen als meetspoelen. Volgens de uitvinding wordt de radiofrequentspoel 10 als zendspoel opgedeeld aangestuurd en als meetspoel opgedeeld worden 15 uitgelezen hetgeen overigens in figuur 1 niet als zodanig is aangegeven.

In het vervolg zal veelal slechts over de spoel 10 als zendspoel worden gesproken. Voor de spoel als meetspoel gelden volgens het reprociteits-theorama gelijke overwegingen. Het cpgedeeld aansturen zal%aan de hand van figuur 2 nader worden beschreven.

20 Figuur 2-a toont een voer een kemspin resonantie apparaat gebruikelijke zadelspoel 30. Een zadelspoel combineert een relatief hoge gevoeligheid, een goede homogeniteit en een compacte geometrie en vindt als radiofrequentzendspoel en als meetspoel veel toepassing. Een dergelijke spoel 30 bevat twee spoelwindingen 32 en 34 die in een appa-25 raat een onderzoekruimte cmsluiten. Bij voorkeur strekt elk van de spoelhelften zich uit over een hoek van bij voorkeur 120°. Aansluit-klemmen 36 en 38 dienen bijvoorbeeld naast voedingsklenmen voer het aktiveren van de spoel ook als ireetklenmen voor het afvoeren van in de spoel opgewekte kemspin resonantie signalen. Voor de eenvoud van de 30 beschrijving zal in het navolgende slechts over een van de spoelwindingen worden gesproken. Vanwege de symmetrie van de spoel geldt het volgende gelijkelijk voor de tweede spoelwinding. Uit hoofde van het hier geldende reprociteitstheorama gelden de navolgende beschouwingen ook voor het gebruik van de spoel als meetspoel voor de kemspin resonantie signa-35 len, dat zijn de door de kemspinnen uitgezonden signalen indien deze na excitatie door de radiofrequentspoel weer terugkeren tot de evenwichts-situatie in het hoofdmagneetveld. In figuur 2-b is de spoelhelft 32 geschematiseerd als een rechthoekige geleider met de aansluitklemmen 36 14 0 2 38 0 'S' ·4 PHN 11.108 4 en 38 weergegeven.

In figuur 2-c is een situatie gescbets waarin met een spanningsbron 40, in de praktijk een radiofrequent spanningsbron, de spoel 32 wordt geactiveerd. Door de spoel loopt nu een radiofrequent gepulseerde 5 stroom I. Eenzelfde radiofrequent gepulseerde stroom kan in de winding 32 ook worden opgewekt door meerdere over de kring verdeeld opgestelde radiofrequent voedingsbronnen bijvoorbeeld vier bronnen 40-1, 40-2, 40-3 en 40-4 zoals in figuur 2-d is aangegeven. De fase van elk van de bronnen is daarbij aan de positie daarvan in de kring aangepast. Bij 10 deze configuratie behoeft voor de impedantie slechts de impedantie tussen telkens twee opvolgende bronnen in aanmerking te worden genomen. De parasitaire capaciteit zal daarbij lager zijn waardoor de zelfinductie lager wordt, waardoor de resonantie frequentie van de kring hoger wordt.

Op overeenkomstige wijze is in figuur 2-f een configuratie aangegeven 15 met twee signaalbronnen 41 en 42. Indien de signaalhronnen 41 en 42 elk gelijk zijn aan de signaalbron 40 van figuur 2-c zal door elk van de spoelhelften een radiofrequent'gepulseerde stroom met een stroomsterkte gelijk aan 21 lopen. Door elk van de signaalbronnen 41 en 42 op te delen in twee gelijke deelbronnen respectievelijk 41-1 en 41-2 en 42-1 . 20 en 42-2 ontstaat met middenaansluitingen 43 en 44 de configuratie van figuur 2-g. Door de middenaansluitingen verandert de bekrachtiging van de spoel niet. Onder behoud van de middenaansluitingen 43 en 44 kunnen nu de signaalbronnen van elk paar weer worden samengevoegd hetgeen tot de configuratie van figuur 2-h leidt. Ook bij deze overgang treedt geen 25 verandering in de bekrachtiging van de spoel op. Vergelijken, we nu figuur 2-h met figuur 2-c dan is een gelijke spanning over de helft van de spoel 32 aanwezig en zal, zoals reeds is aangegeven, een stroom 21 door de kring lopen. Met deze configuratie is door de syirmetrische aansturing door de twee binnen en de middenaansluitingen 43 en 44 30 de effectieve impedantie van de spoel met een factor twee verlaagd.

Op overeenkomstige, wij ze kan elk van de spoelhelften in meer dan twee deelkringen opgedeeld worden. Een winst van een factor twee voor de impedantie en daarmee een factor 'ΉΓvoor de resonantie frequentie van de spoel zal evenwel voor vele toepassingen reeds voldoende zijn. In 35 het bijzonder voor spectronetrische metingen met een bodyspoel kan een vierdeling en daarmede een verhoging met een factor twee voor de resonantie frequentie wenselijk zijn.

Een praktische opbouw van een spoel met twee signaalbronnen S4 02 3 8 0 PHN 11.108 5

-S

als voedingsbronnen,overeenkomstig de configuratie in figuur 2-f is in figuur 3 geschetst. De twee spoelhelften 32 en 34 zijn hier, via ndddenaansluitingen 50 en 51 voor de spoelhelft 32, middenaansluitingen 52 en 53 voor de spoelhelft 34 en een deze middenaansluitingen ver-5 bindende balm verbinding 54 aangesloten aan een signaalbron 55. Aan de signaalbron is een tuning circuit 56 en een matching circuit 57 toegevoegd. Voor elk van de spoelhelften is aldus de impedantie tot de helft gereduceerd en daarmede de resonantie frequentie van de spoel overeenkomstig verhoogd.

10 Een andere uitvoeringsvorm binnen hetzelfde principe is aange- gegeven in figuur 4. Hier is de signaalbron 55 centraal aangesloten of anders gezegd in het midden van een coaxiaalverbinding 60, 62. Elk van de twee spoelhelften 32 en 34 is aldus via een coaxiaal geleider respectievelijk 60 en 62 verbonden met de bron 55 die ook hier van een 15 tuning circuit 56 en een matching circuit 57 is voorzien. De afscherming van de coaxiaal geleider is ook ter plaatse van een aansluitpunt 64 niet onderbroken maar is daar voorzien van een geïsoleerde doorvoer voor het contact met de centrale geleider. Parasitaire capaciteiten 66 gevormd door de coaxiaal geleider en parasitaire capaciteiten 68 ^ 20 gevormd door de toevoerleidingen vormen hier bij voorkeur deel van het tuning circuit. Deze capaciteiten hebben in praktische gevallen waarden van bijvoorbeeld 15 pf voor de capaciteiten 66 en 5 pf voor de capaciteiten 68. De coaxiaal verbindingen 60 en 62 zijn onderling gelijk in lengte maar zijn afgezien daarvan, omdat deze verbindingen niet de 25 functie van ¾ ^ vertragingslijn hebben, in lengte en verdere uitvoering vrij te kiezen. De lengte en uitvoering kan daardoor aan de geometrie van de spoel worden aangepast.

Zoals reeds eerder werd opgemerkt kan vooral bij het gebruik van coaxiaal kabels zoals bij de aan de hand van figuur 4 beschreven 3Q uitvoeringsvorm de capaciteit van de coaxiaal kabel als tuning en/of matching capaciteit worden gebruikt. Het kan daarbij praktisch zijn bijvoorbeeld uiteinden van de coaxiaal kabel uit te voeren in de vorm van een regelbare condensator. Dit is in een voorkeursuitvoering gerealiseerd door de kerndraad van de kabel de vorm van een relatief stevig 35 staafje of pijpje te geven. Qn dit, bijvoorbeeld uit keper bestaande pijpje is een uit een geschikte elektrische isolator, bijvoorbeeld uit teflon gemaakte passende pijp geschoven waaromheen weer een koperen bus als afscherming is geschoven.

8402380 PHN 11.108 6

De laatste bas is zodanig uitgevoerd dat axiale verplaatsing over de isolerende pijp kan worden, gerealiseerd. Bij deze verplaatsing wordt het gedeelte van de kernpijp dat door de buitenste pijp wordt omvat gevarieerd waardoor een condensator afstemming is gerealiseerd.

5 Indien gewenst kan daarbij een buisverbinding tussen afscherming en centrale geleider van de coaxiaal kabel wordend doargevoerd. Deze variabele condensator kan op een meest geschikte plaats van de coaxiaal kabel, bijvoorbeeld bij de aansluiting aan de spoel worden gelocali-seerd. Bij voorkeur worden de aansluitingen aan de spoel nabij hoekpunten 10 daarvan gelegd. Hierdoor wordt eventuele veldverstoring in het meest essentiele deel van het meetveld voorkomen.

In figuur 5 is een uitvoeringsvorm van een r.f .spoel met een hoogfrequent trafo 70 ook vel een strip-line trafo genoemd als verbinding tussen beidé spoelbelften geschetst. De r.f. spoel is ook hier 15 voorzien van een voedingsbron 55 met een matching circuit 57 en een tuning circuit 72. Een coaxiaal kabel 74 verbindt de voedingsbron 55 met de strip-line trafo 70 terwijl de spoelbelften 32 en 34 van de spoel 30 via voedingsgeleiders 75 en 76 respectievelijk voedingsgeleiders 77 en 78 en via coaxiaal kabels 80, 82, 84 en 86 onderling en net de 20 strip-line trafo zijn verbonden. Door elk van de coaxiaal kabels 80 tot en met 86 een gelijke lengte te geven is een symmetrische aansturing voor elk van de spoelbelften ook hier gerealiseerd. Voor tuning en matching kan ook hier weer gebruik gemaakt worden van de instelbare condensators als onderdeel van de coaxiaal kabels.

25 Mn de hand van figuur 6 kan worden aangetoond, dat een symmetrisch spoelcircuit zoals aangegeven in figuur 6-a met een eerste bron 90, een tveede bron 91 die in tegenfase met de eerste bron is geschakeld, bronweerstanden 93 en 94, matching condensatoren C1 en C2 en C'1 en C'2 een tuning respectievelijk parasitaire capaciteit C3, een 30 spoel L met een weerstand r, een van de bronnen 90 of 91 kan worden vervangen door een pseudo bron in de vorm van een condensator 95. Deze substitutie is alleen dan toegestaan indien de spoelkring een hoge Q waarde heeft en derhalve nagenoeg de gehele opgelegde spanning over de spoel L staat. Door deze substitutie gaat het symmetrische spoelcircuit 35 van figuur 6-a over in het pseudo symmetrische spoelcircuit van figuur 6-b. Geheel overeenkomstig kunnen in een spoel met meerdere over de spoelwinding verdeeld opgestelde voedingsbronnen, bijvoorbeeld zoals geschetst in figuur 3 alle voedingsbronnen op een na worden vervangen 8402380 ' » e FHN 11.108 7 door aangepaste capaciteiten. Deze substitutie resulteert bijvoorbeeld in een spoelhelft circuit 32 zoals aangegeven in figuur 6-c met een voedingsbron 55, matching condensatoren 68 en een tuning condensator 66. In de spoelleiding zijn nu naast de genoende bron 55 drie conden-5 satoren 96, 97 en 98 opgencmen die daar op te stellen bronnen of aansluitingen met de bron 55 vervangen. De condensatoren 96, 97 en 98 zijn bij voorkeur, eveneels de primaire bron 55 opgencmen in hoeken van de spoelhelft. Eventuele veMverstoringen door de condensatoren kan hierdoor worden gereduceerd. Elk van de condensatoren kan weer 10 zijn uitgevoerd als een variabele condensator zoals eerder beschreven.

15 * •Ί» 20 25 30 35 8402380

Claims (9)

1. Kernspin resonantie apparaat net een magneetstelsel (2) voor het opdekken van een homogeen hoofdmagneetveld (H) en met een radiofrequent magneetspoel (10, 30) voor het opdekken van kernspin resonantie signalen in een te onderzoeken object, net het kenmerk, dat de radio- 5 frequente magneetspoel (3) in meerdere delen opgesplitst wordt gevoed dan wel wordt uitgelezen.

2. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 1, net het kenmerk, dat elke spoelhelft (32, 34) van een radiofrequente magneetspoel (30) in twee symmetrische aanstuur- respectievelijk uitlees- 10 kringgedeelten is opgedeeld.

3. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat middenaansluitingen (50, 51) van elk van de spoelhelften (32, 34) door middel van een ½ > vertragingslijn (54) met elkaar zijn verbonden. 15

4, Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat middenaansluitingen van elk van de spoelhelften (32, 34) van de radiofrequentspoel twee middenaansluitingen met onderling gelijke coaxiaal kabels (75, 76, 77 en 78) via een strip-line trafo (70) met'een voedingsbron (55) zijn verbonden.

5. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat elk van de spoelhelften via coaxiaal kabels (60, 62. met een voedingsbron (55) respectievelijk een signaaldetector is verbonden en parasitaire capaciteiten (66, 68) van die kabels zijn opgenomen in een tuning circuit (56).

6. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat althans aansluitgedeelten van de coaxiaal kabels als instelbare parasitaire capaciteit zijn uitgevoerd.

7. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 6, net het kenmerk, dat de instelbare parasitaire capaciteit een om de kemgeleider 30 van de coaxiaal kabel passende electrisch isolerende kunststof cylinder en een daarover verschuifbare metalen bus als omhullende geleider be vat j

8. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de opdeling van elk van de spoelhelften (30, 34) is gereali- 35 seerd door het naast een enkele primaire voedingsbron qpnemen in de strocmgeleider van althans een pseudo voedingsbron in de vorm van een condensator.

9. Kernspin resonantie apparaat volgens conclusie 2, met het ken- 8402380 -¾ - « EHN 11.108 9 merk, dat elk van de spoelhelften een primaire bron en drie condensatoren als pseudo bronnen bevat, welke bronnen allen in hoeken van de spoel-belft zijn opgencmen. 5 10 15 20 25 30 8*02380 35