NL8620300A - Magnetische resonantie-analyse van stoffen in monsters die verstrooiend materiaal bevatten. - Google Patents

Description

:8 62 0 3jT' N.0. 34402 1

Magnetische resonantie-analyse van stoffen in monsters die verstrooiend ; 1 materiaal bevatten.

Achtergrond van de uitvinding i

Deze uitvinding heeft betrekking op het gebruik van magnetische resonantietechnieken, in het bijzonder elektronspinresonantie (ESR), voor het analyseren van stoffen in monsters van het type die verstrooi -5 end materiaal bevatten, bijvoorbeeld dierlijk weefsel. | ESR is spectroscopisch gebruikt voor het bepalen van de aanwezigheid en de concentratie van bepaalde stoffen in een te analyseren monster. Kenmerkend wordt een zeer klein monster onderworpen aan een vast hoogfrequent veld in de zogenoemde X band (b.v. 9,5 Gigaherz) en aan 10 een in de tijd variërend homogeen magnetisch veld. Het resulterende ab- : , i sorptiespectrum wordt gedetecteerd als een indicatie van de aanwezigheid en de concentratie binnen het monster van stoffen waarvan de elek-tronspinresonanties corresponderen met magnetische veldintensiteiten die vallen binnen het gedetecteerde spectrum voor de bepaalde gebruikte 15 vaste radiofrequentie. Kenmerkend is het magnetische veld in de orde van enkele duizenden Gauss en wordt verschaft door het plaatsen van het I monster tussen de polen van een elektromagneet. De tijdsvariatie in het | magnetische veld wordt verkregen door de stroom in een paar zwaai spoelen, geposiotioneerd respectievelijk tussen elke pool van de elektro-20 magneet en het monster, te variëren.

Kort overzicht van de uitvinding

Een algemeen kenmerk van de uitvinding ligt in het afleiden van data die representatief is voor een beeld van de verdeling van een stof binnen een monster door het realiseren van een magnetisch veld binnen 25 een monster gebruikmakend van een paar spoelen die respectievelijk aan tegenoverstaande zijden van het monster zijn gepositioneerd en ten opzichte van elkaar schuin staan teneinde een magnetische veldgradient te genereren langs een as van het monster, het stimuleren van de magnetisch resonantie binnen het monster teneinde een magnetische resonan-30 tiesignaal te produceren dat een indicatie vormt van de verdeling van de vooraf bepaalde stof, en het detecteren van het resonantiesignaal en het afleiden van de data die representatief is voor het beeld van het ; resonantiesignaal.

Voorkeursuitvoeringsvormen omvatten de volgende kenmerken. De 35 spoelen zijn gerangschikt in een Helmholtz-configuratie en hebben centra die liggen op een gemeenschappelijke as die er tussendoor loopt en het monster snijdt en de spoelen zijn, indien ze schuinstand vertonen, ί% A Λ η Τ Λ Λ

5 Ο έ Ü ύ U II

. 1 ' 2 zodanig ten opzichte van de assen georienteerd dat de hoeken dezelfde i ; grootte hebben maar tegengestelde oriëntaties. De middelpunten van de spoelen liggen beiden op een cirkel die ligt in een vlak dat loodrecht staat op de beide vlakken waarin de spoelen liggen, en elk spoelvlak 5 raakt aan de cirkel in een punt van het spoelvlak waar het middelpunt van de spoel zich bevindt. De straal van de schuinstandscirkel bedraagt de helft van de straal van de spoel. Een vedere gradient wordt in het magnetische veld opgewekt door het toevoeren van verschillende stroom-niveau's aan de respectievelijke spoelen, waarbij de verdere gradient 10 verloopt langs een as die een hoek maakt (bijvoorbeeld loodrecht staat op) met de as van de magnetische veldgradient die wordt opgewekt door de schuinstand van de spoelen. De schuinstandshoek wordt aangepast via een reeks van stappen vanaf een minimum hoek naar een maximum hoek corresponderend met een maximum niveau van de magnetische veldgradient, er 15 wordt voor gezorgd dat de verschillende stroomniveau's verschillen met opeenvolgend grotere hoeveelheden corresponderend met de schuinstands-hoeken, en de grootten van de stroomniveau's worden voor elke combinatie van schuinstandshoek en stroomniveauverschil gezwaaid. Er zijn middelen die het monster gevoelig maken voor resonantie in slechts een en-20 kele geselecteerde doorsnedeplak van het monster, b.v. twee geleidende Tussen rond de spoelen en bekrachtigd door stromen die respectievelijk tegengesteld zijn gericht en een verschillend niveau hebben.

| Een ander algemeen kenmerk van de uitvinding ligt in het afleiden van data die representatief is voor de aanwqezigheid van een vooraf be-: 25 paalde stof binnen een monster van dierlijk weefsel door het opbouwen van een magnetisch veld binnen het monster, het aanbieden van hoogfre- I quente energie aan het monster terwijl het magnetische veld is opge bouwd, met een frequentie die voldoende laag is om in alle lokaties I binnen het dierlijke weefsel te penetreren teneinde een elektronspinre- j ! 3Ó sonantiesignaal te produceren dat een indicatie vormt van de aanwezig- ; I ! heid van de vooraf bepaalde stof, en het detecteren van het elektron-spinresonantiesignaal en het afleiden van data uit het signaal.

Een derde algemeen kenmerk van de uitvinding ligt in het afleiden van data die representatief is voor een beeld van een monster van het 35 type dat verstrooiend materiaal bevat, gebruikmakend van een frequentie : die voldoende laag is om te penetreren in alle lokaties binnen het monster en een signaal te detecteren en uit het signaal data af te leiden die representatief is voor het beeld.

Voorkeursuitvoeringsvormen omvatten de volgende kenmerken. De fre-| 40 quentie is lager dan 1 Gigahertz, b.v. 260 Megahertz. Het monster is 86 2 0 3 0 0 "Λ 3 ; levend weefsel. De vooraf bepaalde stof Is zuurstof.

Door schuinstand van de monsters kan eenvoudig een lineaire magnetische veldgradient worden opgebouwd langs een as die niet samenvalt met de as tussen de spoelen. Als resultaat daarvan kunnen tweedimensio-5 nale beelden worden verkregen met een enkel paar spoelen. Het gebruik van een radiofrequent signaal met lage frequentie voor het stimuleren van de resonantie maakt het mogelijk het signaal te penetreren in levend weefsel, niettegenstaande het aanzienlijke vloei stofgehalte ervan, : en laat het gebruik toe van laag Gaussische magnetische structuren i 10 waardoor het apparaat wordt vereenvoudigd.

Andere voordelen en kenmerken zullen duidelijk worden uit de volgende beschrijving van de voorkeursuitvoeringsvorm en uit de conclu- j j i ï sies.

j I

Beschrijving van de voorkeursuitvoeringsvorm 15 We zullen eerst kort de tekeningen beschrijven.

Tekeningen

Figuur 1 is een schematisch isometrisch aanzicht, gedeeltelijk opengewerkt, van een resonatorholte met bijbehorende spoelen en apparaten.

! i 2Ö Figuur 2 is een doorsneden aanzicht, gedeeltelijk opengewerkt, volgens 2-2 in figuur 1.

Figuur 3 is een diagram van een schakeling behorend bij het apparaat uit figuur 1.

| i ! | Figuur 4 is een isometrisch aanzicht, gedeeltelijk opengewerkt, I 25 van een behuizing voor de grote Helmholtz-spoelen van figuur 1.

; Figuur 5 is een bovenaanzicht van het schuinstandsaandrijvingsme- ! ' chanisme voor de grote Helmholtz-spoelen.

| Figuur 6 toont een representatieve plak van een monster.

Figuur 7 is een blokschema van een stuurschakeling.

; 30 Figuur 8 is een stroomschema van de werkwijze voor het genereren van een monsterbeeld.

Structuur en gebruik

Verwijzend naar de figuren 1, 2 is een poot van een levende (niet getoonde) muis met gezwelweefsel (dat geanalyseerd moet worden om beel- : 35 den te produceren van de zuurstofconcentratie in een array van kleine volumes, b.v. elk 1/2 cc, van het gezwelweefsel) geplaatst binnen een resonatorholte 8 van een striplijnontwerp soortgelijk aan het ontwerp dat beschreven is in DeCorps et Fric, "Un spectrometre basse frequence a haute sensibilite pour Vetude de la resonance des spins electroni-40 ques", Journal de Physique E 5:337, 1972, dat hier als referentie wordt ; i /¾ w»

Cl t) i y f.f 0 \ 4 opgenomen. De resonatorholte 8 omvat een enkele, holle aan het uiteinde open cilinder 10 die vervaardigd is uit een blok van zeer zuiver koper.

De cilinder 10 is 1,126 inch (2,86 cm) lang, heeft een straal van 0,508 inch (1,29 cm) bij een wanddikte van 1/16 inch (0,15875 cm) en heeft 5 een sleuf 12 die aan een zijde over de lengte van de cilinder verloopt.

i :

Twee platen met nauwe tussenruimte 0,010 inch (0,0254 cm) van een enke-le condensator 14 zijn resp. verbonden met de twee randen van de cilinder 10 welke de sleuf 12 definiëren. De cilinder 10 en de condensator 14 vormen dus een parallel L-C resonantiecircuit. Dit verschaft een ho- 10 mogeen magnetisch veld binnen de cilinder 10 en verwijdert het grootste deel van het elektrische veld in het L-C stelsel binnen de cilinder waardoor het verslechterende effect van het dielektrische waterige weefsel van de muistumor op de kwaliteitsfactor (Q) van de resonator wordt geminimaliseerd. De resonatorholte (omvattende de cilinder 10, de j 15 platen 24, 25 en het vel 27 zijn nauwsluitend vastgezet binnen een 5/8 1 inch (1,5875 cm) D-vormige uit helder acryl vervaardigde afstandsele-ment 16 dat zelf nauwsluitend past binnen een hoogfrequente afschermci-linder 18 van 1.8 inch (4,572 cm) diameter. Een uiteinde van de cilinder 18 heeft een kap 20 (figuur 1) met een toegangsopening 22 met een 20 straal van 0,75 inch (1,905 cm) om het inbrengen van de muis in de cilinder 10 mogelijk te maken. Het andere uiteinde van de cilinder 18 (niet getoond in figuur 1) is volledig afgesloten.

De bodemplaat 24 van de condensator 14 is onder een rechte hoek gebogen op het platte oppervlak van het afstandselement 16 teneinde een 25 oppervlak 26 (0,5 inch x 1,26 inch) (1,27 x 3,2 cm) te vormen dat zich bevindt tegenover een enkele koperplaat 28 van gelijke afmeting en een dikte van 1/16 inch (0,15875 cm). Het vel 27 is gebogen teneinde een flap 29 te vormen die de plaat 26 bedekt en beschermt. De flap 29 is in | het afstandselement 16 geschroefd. Er wordt verbinding gemaakt met de 30 afschermcilinder 18 door de stijve buitenste metalen mantel 30 van een afgeschermde kabel 32. Een centrale geleider 34 van de kabel 32 ver-! loopt door een open gat 35 in de cilinder 18 en zijn uiteinde is bevestigd aan en draagt de plaat 28. Het L-C circuit van cilinder 10 en condensator 14 is dus capacitief gekoppeld, door de condensator gevormd 35 door de platen 26, 28, met een hoogfrequent vermogenssignaal dat wordt geleverd via de geleider 34.

De geleider 34 kan axiaal naar binnen en naar buiten (als aangegeven met de pijlen in figuur 2) worden bewogen voor het instellen van de tussenafstand tussen de platen 26, 28 teneinde ruwweg de impedantie van 40 de resonatorholtestructuur aan te passen aan de impedantie van een fI si / 11 1 v' t-i? t.„-, v w 1 ! 5 schakeling die het hoogfrequente vermogenssignaal levert.

De plaat 25 van condensator 14 is via een koperen band 31 (figuur 2) verbonden met cilinder 18, die geaard is. De band 31 is geperst tussen het bovenoppervlak van de plaat 25 en het afstandselement 16 en 5 verloopt langs het platte oppervlak van het afstandselement 16 naar cilinder 18 waar zijn andere uiteinde wordt vastgehouden tussen het afstandselement 16 en cilinder 18. De condensator, gevormd door plaat 28 en de afschermende cilinder 18, en de condensator gevormd door de platen 26, 28 zijn in serie geschakeld teneinde een capacitieve deler te 10 vormen voor het aanpassen van de impedanties en voor het veroorzaken van een getrapte spanningsovergang vanaf de geleider 34 naar de plaat 26, gerepresenteerd door de verhouding van de twee capaciteiten. Een fijnafregeling van de capaciteitsverhouding (en derhalve van de impe-dantieaanpassing) wordt verschaft door een elektronisch gestuurde va- I i 15 ractordiode (figuur 3) aangesloten tussen de geleider 34 en de afscherming 18. Omdat de impedantie-aanpassing uitsluitend capacitief is, is deze onafhankelijk van fasevariatie-effecten. |

Een magnetisch veld van ongeveer 93 Gauss wordt opgewekt in het | monster door een paar ringvormige Helmholtz spoelen 40, 42, elk met een ! 20 diameter van 0,3 meter, welke worden bekrachtigd door 6 ampere bij 35 volt vanuit een geschikte voedingsspanningseenheid 220 (Kepco ATE 75-15) (figuur 6). De spoelen 40, 42 zijn elk gewikkeld uit 400 windingen van #10 koperdraad. Het magnetische veld, geproduceerd door de spoelen is homogeen tot 1 op de 10^ delen in de ruimte binnen de ci-25 Under 10. Het magnetische veld van de spoelen 40, 42 wordt gemoduleerd met een audiofrequentie door een paar parallelle Helmholtz-spoelen 44, 46 met kleinere diameter, elk met een diameter van 0,14 meter. Elke spoel 44, 46 is gewikkeld uit 184 windingen van #10 koperdraad. De spoelen 44, 46 zijn in serie geschakeld en worden op de in het onder-30 staande beschreven wijze gestuurd.

De twee spoelen 40, 42 zijn omgeven door een paar rechthoekige lusvormige geleiders 48, 50 resp. boven en onder de afscherming 18. Er wordt voor gezorgd dat de twee lussen 48, 50 resp. twee verschillende tegengesteld gerichte oscillerende stromen voeren bij een frequentie 35 die verschilt van de frequentie die wordt gebruikt in de spoelen 44, 46 voor het moduleren van het magnetische veld. Het doel daarvan is het gevoelig maken van het stelsel voor resonanties alleen binnen een gese- i lecteerd horizontaal vlak van het monster binnen de cilinder 10 zodat ! een analyse van opeenvolgende horizontale plakken in het monster moge- | 40 lijk is als beschreven is in Henshaw, Moore en anderen, J. Appl. Phys. | fs β β π t n r% isb d. fi ^ y il 6 47:3709 (1976), dat hier als referentie wordt opgenomen.

Verwijzend naar figuur 3 is geleider 34 aangesloten via de A ingang van een 180° vorksplitser 100 (Olektron 0-H-30V-1) en vandaar via de somuitgang van de splitser 100 verbonden met een uitgang van een in 5 frequentie moduleerbare signaalgenerator 102 (Hewlett-Packard j HP-8654A). Een fijn afregelbare dummy impedantie 101 van 50 ohm is verbonden met de B aansluiting van de vorkschakeling 100. Het hoogfrequen-I te vermogen wordt met 260 Megahertz geleverd via de geleider 34 aan de holte 8 en ook aan de dummy 101, en een eventueel gereflecteerd vermo-! IQ genssignaal van de holte 8 wordt geretourneerd via de geleider 34. De door de holte 8 en door de dummy 101 gereflecteerde signalen doven elkaar uit behalve wanneer een onbalans, veroorzaakt door ESR absorptie i ! : of dispersie, de caviteitsimpedantie wijzigt. De verschil aansluiting van de vorkschakeling 100 levert een signaal dat representatief is voor ; 15 het verschil tussen de impedantie van de dummy (50,0 ohm) en dat van de holte 8 (getransformeerd door de capacitieve deler). Dit verschilsig-naal verloopt via een variabele verzwakker 104 naar een 60 dB verster- I 1

ker 106 (Trontech model *W500ef) met een ruisgetal van 1,5 dB. Dit ver-schi1 signaal wordt gedemoduleerd in drie trappen teneinde een signaal 20 af te leiden dat representatief is voor het ESR spectrum van het monster. I

De eerste demodulatietrap verwijdert de 260 Megahertz draaggolf en ; transformeert de spectrale ESR informatie in het verschil signaal om naar een 10 Megahertz draaggolfsignaal. Dit wordt uitgevoerd in een 25 quadrifase modulator 108 (Olektron 0-JPM-240) die wordt gedreven als zijbandsignaalmodulator. Een quadratuursplitser 110 levert de quadra-tuurcomponenten van een 10 Megahertz vermogenssignaal (geleverd door een signaalgenerator 111 — Hewlett Packard HP 606A) aan de modulator 108 voor het omtransformeren van het verschil signaal van 260 naar 270 30 Megahertz. Het uitgangssignaal van de modulator 108 wordt in een dubbele balansmengtrap 112 (Olektron 3002/A) gemengd met een tweede 260 Megahertz signaal (van generator 102) dat op dezelfde wijze als het oorspronkelijke vermogenssignaal (d.w.z. een aftakking van dezelfde fre- | quentiebron) in frequentie is gemoduleerd. Het resultaat wordt dan ge-j 35 filterd in een laag doorlatend Chebyshev filter 114 teneinde de 10 Megahertz draaggolf te produceren waarop de spectrale ESR informatie wordt opgedrukt.

In de tweede demodulatietrap wordt het 10 Megahertz signaal gesplitst in een splitser 116. Het wordt vervolgens gecombineerd in twee : 40 identieke dubbele balansmengtrappen 118, 120 (Minicircuits ZAD-1) resp.

'8620300 7 met de vertraagde in faseversie en de quadratuurversie van hetzelfde 10 Megahertz signaal dat wordt verschaft door de generator 111 aan de splitser 110. Beide 10 Megahertz signalen worden geleverd door een splitser 124. De quadratuurversies worden gegenereerd in een quadra-5 tuursplitser 122 gebaseerd op een van de 10 Megahertz signalen die ver- ; traagd is in een vertragingselement 126. De mengtrap 118 levert dan een ! signaal dat evenredig is met het imaginaire deel (fase) van het signaal gereflecteerd in de holte en de mengtrap 120 levert een tweede signaal dat evenredig is met het reele deel (amplitude) van het signaal gere-10 flecteerd in de holte. Het fasesignaal wordt via een laagdoorlatend filter 130 en een 741 operationele versterker 132 als terugkoppel signaal toegevoerd aan de frequentiemodulatie-ingang (FM) van de generator 102 teneinde de generator in frequentie te vergrendelen op de frequentie van het hol tesignaal.

15 Het caviteitamplitudesignaal wordt gesplitst in een splitser 134.

Een component van het gesplitste signaal wordt gebruikt om de impedan- i tie van het caviteitresonatorstelsel na te regelen zodanig dat het aangepast is aan de impedantie van de schakeling die het hoogfrequente vermogen levert. Deze component wordt via een laagdoorlatend filter 136 20 en een LC notch filter doorgegeven via een unipolaire operationele versterker 140 waarvan het uitgangssignaal een varactordiode 142 bestuurt. : De varactordiode regelt in op veranderingen in de caviteitsimpedantie veroorzaakt door microfonische ruis, dierbeweging en dergelijke. Zowel deze amplitudegevoelige terugkoppeling en de terugkoppeling van het fa- : j 25 sesignaal bij de generator 102 stabiliseren het stelsel ten opzichte van dierbewegingen.

In de derde demodulatietrap wordt de audiofrequentiemodulatie (b.v. 200 Hertz van het magnetische veld (opgedrukt op de spoelen 44, 46 door een audiofrequente generator 150 (Hewlett Packard HP 205 AG)

! 30 gedemoduleerd door de tweede component van het amplitudesignaal via een laagdoorlatend R-C filter 152 toe te voeren aan een vergrendelde versterker 154 (Princeton Applied Research Company PARC 5101). De andere ingang van de versterker 154 ontvangt van de generator 150 hetzelfde signaal dat gebruikt is voor het moduleren van het magnetische veld. i 35 Het uitgangssignaal 156 vertegenwoordigt het spectrum van het ESR

caviteitsignaal als functie van zowel de magnetische veldintensiteit in : het midden van het monster als van de magnetische veldgradienten die op | een in het onderstaande te beschrijven wijze worden opgedrukt. Het uit- ! gangssignaal kan dan worden geanalyseerd om de concentratie te bepalen 40 van paramagnetisch materiaal in het monster, of van stoffen waarvoor de 16J 0 3 0 0 \ 8 ESR spectra gevoelig zijn, het meest kenmerkend zuurstof.

Met verwijzing naar figuur 4 zijn de spoelen 40, 42 ondergebracht in twee rechthoekige doosframes 302, 304 en de frames 302 en 304 worden beiden vastgehouden in een behuizing 306 bestaande uit een paar paral -5 lelie aluminiumplaten 308, 310 elk van 17 x 17 x 1/2 inch (43,18 x 43,18 x 1.27 cm) samengehouden door vier opstaande stijlen 312. In het bovenvlak van de plaat 310 is een cirkel vormige groef 314 uitgefreesd die een half cirkelvormige dwarsdoorsnede heeft. Elk frame 302, 304 heeft een paar lagers 316, 318 (waarvan er slechts twee zijn getoond) 10 gemonteerd aan de tegenover liggende uiteinden aan de bodem van het frame, welke rollen in de groef 314. Een paar half cirkel vormige sleuven 320, 322 is uitgesneden in de bovenplaat 308. De frames 302, 304 zijn gemonteerd met vertikale stangen 324, 325, 326, 329 die verlopen door en worden geleid via de respectievelijke sleuven 320, 322. Op elke 15 stang 324, 325, 326, 329 is een driepuntskogellagereenheid, bijvoorbeeld 327, bevestigd die loopt over het bovenvlak van de plaat 308. De sleuven 320, 322 zijn gecentreerd op een punt dat ligt direct boven het middelpunt van de cirkel gedefinieerd door de groef 314. De cirkel 314, ; de sleuven 320, 320, en de punten waarop de lagers 316, 318 en de stan- | 20 gen 324, 325, 326, 329 zijn gemonteerd op de frames 302, 304 zijn zoda- ! nig gepositioneerd dat de middenvlakken van beide frames kunnen worden j geroteerd rond een cirkel met een straal gelijk aan 1/2 van de straal van elke spoel, waarbij de vlakken -van de spoelen blijven raken aan de | cirkel.

25 Met verwijzing naar figuur 5 zijn de bovenzijde van de stangen 324, 325, 326, 329 resp. ondergebracht in een paar draaitafels 202, 203 I die gemonteerd zijn boven de bovenplaat 308 en bestemd zijn om te rote- ; ren in tegengestelde richtingen rond een centrale as 204 zodanig dat indien de draaitafels 202, 203 roteren rond de as 204 de spoelen 40, 42 : 30 ook roteren rond de as 204 (als wordt gesuggereerd door de pijlen 205). Als de draaitafels 202, 203 roteren dan komen de spoelen 40, 42 ten opzichte van elkaar schuin te staan. De schuinstand kan worden vergroot door rotatie van de draaitafels 202, 203 totdat (bij een maximum positie, getoond met de stippellijnen 206, 207) de spoel 40 botst tegen de 35 spoel 42. De draaitafels 202, 203 hebben stralen van (1/2)r, waarin r ; : i de straal is van elke spoel 40, 42. De draaitafel 202 draagt een half cilindrische tandheugel 208 op zijn onderoppervlak. De draaitafel 203 draagt een soortgelijke tandheugel 209 op zijn bovenoppervlak. De tandheugels 208, 209 werken samen met een lang rondsel dat aangedreven 40 wordt door een stappenmotor 212 welke gemonteerd is op de plaat 308 op si h / I) 4 η n

'* w ^ V ij \J

> 9 een vaste positie ten opzichte van de draaitafels 202, 203. De stappen- motor 212 is gekoppeld via een leiding 214 met de stuurschakeling 216 die pulsen levert aan de stappenmotor voor het doen roteren van de draaitafels 202, 203 rond de as 204 in een reeks kleine stapjes naar 5 willekeurige gewenste posities.

Met verwijzing naar figuur 6 wordt door het schuin staan van de poelen 40, 42 in het magnetische veld, dat opgedrukt wordt op het monster, een gradient opgewekt langs een as (de X as in figuur 6) die horizontaal is en loodrecht staat op de as (Z as in figuur 6) 218 tussen 10 de middelpunten van de spoelen. Deze gradient is lineair met de verplaatsing (x) vanaf de as 218 in de orde van (x/r)^. In figuur 6 vertegenwoordigt de Y as de vertikale positie van elke horizontale plak van het monster (b.v. de plak 213 getoond in figuur 6). Het plaatsen van de motor 212 boven de plaat 308 helpt in het afschermen van de re-15 sonatorholte tegen door de motor gegenereerde elektrische ruis.

Met verwijzing naar figuur 7 is de stuurschakeling 216, die ook aangesloten is voor het leveren van pulsen aan de stappenmotor 212, aangesloten voor het verschaffen van stuursignalen aan een wissel -stroombron 218, die respectievelijke stromen levert aan de lussen 48, 20 50 met een frequentie verschillend van de audiofrequentie waarmee het magnetische veld wordt gemoduleerd. De stromen naar de lussen 48, 50 zijn tegengesteld gericht en zijn op verschillende niveau's. De lussen 48, 50 definiëren dus een geselecteerde gevoelige horizontale plak door het monster zodanig, dat met het functioneren van het terugkoppel stel- ; 25 sel van de schakeling uit figuur 3, een willekeurig deel van het cavi-teitsignaal gerelateerd aan delen van het monster buiten de horizontale plak worden geelimineerd. Door het afregel en van de relatieve niveau's van de stromen naar de lussen 48, 50 kan de vertikale positionering van ; de gevoelige plak worden veranderd. Door het instellen van de absolute I 30 niveau's van deze stromen kan de dikte van de plak worden gevarieerd.

| De door de stuurschakeling 216 aan de bron 218 geleverde stuursignalen specificeren de niveau's van de twee stromen, en specificeren daarmee de plaats en de dikte van de gevoelige plak.

De stuurschakeling 216 is ook aangesloten voor het verschaffen van 35 signalen aan een gelijkstroombron 220 teneinde gelijkstromen te verschaffen aan de spoelen 40, 42 op twee verschillende niveau's teneinde in het magnetische veld een gradient te creeren langs de as door de middelpunten van de twee spoelen en voor het besturen van de grootte van de gradient.

40 De stuurschakeling 216 bevat ook een A/D-omvormer 224 die het ana- d if’v f·) A Ί7 A 1%

ύ o 1if ύ 3II

no:/:.:/

V

10 loge uitgangssignaal 156 ontvangt en dit digitaliseert voor opslag en verwerking.

Tenslotte is de stuurschakeling 222 verbonden met een beeldgenera- ; tie-eenheid, zoals een printer of een kathodestraalbuis, voor het weer-5 geven van een tweedimensionaal beeld van de verdeling van de paramagne- tische materiaal concentratie in elke horizontale plak van het monster, of specifiek de verdeling van de zuurstofconcentratie die uit de spectra kan worden afgeleid op de wijze als beschreven in Lai en anderen "ESR studies of O2 uptake by Chinese hamster ovary cells during the 10 cell cycle", Proceedings Nat'l Acad. Sci. USA Vol. 79:1166-1170, 1982, die hier als referentie wordt opgenomen.

De stuurschakeling 216 is een microprocessor (met digitaal geheugen) geprogrammeerd voor het besturen van het genereren van de beelden op de volgende wijze.

15 Verwijzend naar figuur 8 wordt de poot van de muis geplaatst (400) in de cilinder 10. Voor het genereren van een beeld van een enkele horizontale plak worden signalen gezonden (402) naar stroombron 218 voor het instellen van de stroom in de lussen 48, 50 op de waarden waarmee die horizontale plak die het gevoelige deel van het monster is, zal 20 worden gedefinieerd. Vervolgens wordt de schakeling van figuur 3 ingeschakeld (406) voor het verschaffen van het HF vermogenssignaal via de geleider 34 voor het moduleren van het magnetische veld en voor het le- j veren van het resulterende uitgangssignaal 156. Het HF vermogenssignaal i wordt bij voorkeur continu geleverd en niet in impulsen. Vervolgens 25 worden stappenpulsen toegevoerd aan de motor 212 teneinde de spoelen 40, 42 te doen bewegen (408) naar een nieuwe schuinstandshoek en het verschil in de stromen, geleverd aan de spoelen 40, 42 wordt op een nieuwe waarde gebracht (410) waardoor twee magnetische veldgradienten worden gecreeerd, een steile gradient langs de as tussen de middelpun-3Ó ten van de spoelen 40, 42, en een andere kleine gradient onder een hoek | ; met deze as. Vervolgens worden de stromen in de twee spoelen 40, 42 | vergroot terwijl hetzelfde verschil ertussen wordt gehandhaafd zodat de : gemiddelde magnetische veldwaarde wordt gezwaaid door de grenzen van de j magnetische veldvariatie, opgedrukt door de gradiënten: terwijl de 35 spoelen worden gezwaaid wordt het uitgangssignaal gedigitaliseerd en worden de resulterende signaalmonsters opgeslagen (414). Als de maximale schuinstandshoek (corresponderend met de maximale veldgradient GmAX) n1'et is bereikt (416) dan wordt de spoel schuinstandshoek stapsgewijze vergroot (408) en worden de stappen 410, 412, 414 her-40 haald. Het proces wordt herhaald totdat de maximale veldgradient 862030®' 11 ; G^x is bereikt.

De opgeslagen digitale monsters worden vervolgens mathematisch geanalyseerd om het ESR spectrum, dat toepasbaar is op elk volume-element in de plak (b.v. element 215 in figuur 6) af te leiden. De ESR spectra ! 5 worden vervolgens geanalyseerd op een conventionele wijze (b.v. door I

Fourier-analyse voor het identificeren van pieken corresponderend met j de aanwezigheid van zuurstof, in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld, of door een kleinste kwadraten aanpassingstechniek) voor het vaststel-I len van de concentratie in elk volume-element van de plak. De resulte-! 10 rende concentratiewaarden worden dan georganiseerd in een matrix voor weergave, b.v. in de vorm van een topografisch beeld van de concentratie in de plak. Hetzelfde proces wordt herhaald voor een andere plak in I het monster, welke van belang kan zijn. Een driedimensionaal beeld van de concentratie in het monster kan dan worden afgeleid en weergegeven.

i 15 Andere uitvoeringsvormen liggen binnen de volgconclusies.

Monsters verschillend van dierlijk weefsel kunnen worden geanalyseerd op verschillende vooraf bepaalde stoffen verschillend van zuurstof. I

De spoelschuinstand kan beginnen bij een negatieve hoek (in plaats j 20 van bij 0) en kan stapsgewijze worden gevarieerd naar 0 of naar een po- ;· sitieve hoek.

Het HF vermogen kan worden geleverd bij frequenties verschillend van 260 Megahertz, bij voorkeur lager dan 1 Gigahertz, en in elk geval ; laag genoeg om te penetreren in alle delen van het monster zelfs als 25 dit verstrooiend materiaal kan bevatten.

i i | ; fiP A I fill y £ y ü Ιιυ

Claims (21)

1. Magnetische resonantie apparaat voor het afleiden van data die representatief is voor een beeld van de distributie van een vooraf be- i . i paalde stof binnen een monster, omvattende 5 middelen voor het opbouwen van een magnetisch veld binnen het ge noemde monster, middelen voor het stimuleren van de magnetische resonantie binnen het genoemde monster voor het produceren van een magnetisch resonantie-signaal dat een indicatie vormt van de genoemde verdeling van de ge- 10 noemde vooraf bepaalde stof, en middelen voor het detecteren van het genoemde resonantiesignaal en ; het afleiden van de genoemde data die representatief is voor het genoemde beeld van het genoemde resonantiesignaal, welke genoemde middelen voor het opbouwen van een magnetisch veld voorzien zijn van een 15 paar spoelen die respectievelijk gepositioneerd zijn aan tegenover gestelde zijden van het genoemde monster en ten opzichte van elkaar schuin staan teneinde een magnetische veldgradient te genereren langs de as van het genoemde monster.

2. Apparaat volgens conclusie 1, waarin de genoemde spoelen zijn 20 gerangschikt in een Helmholtz-configuratie. |

3. Apparaat volgens conclusie 1, waarin de genoemde spoelen middelpunten hebben die liggen op een gemeenschappelijke as die ertussen verloopt, welke as het genoemde monster snijdt, welke spoelen in de schuinstand zijn georienteerd onder hoeken met deze as die dezelfde 25 grootte maar tegengestelde oriëntatie hebben.

4. Apparaat volgens conclusie 1, waarin de genoemde spoelen middelpunten hebben die liggen op een gemeenschappelijke as die ertussen verloopt en waarbij de genoemde middelpunten, indien de spoelen schuin staan, beiden liggen op een cirkel die ligt in een vlak dat loodrecht 30 staat op de beide vlakken waarin de genoemde spoelen liggen, en elk genoemd spoel vlak raakt aan de genoemde cirkel op het punt waar het genoemde middelpunt van de genoemde spoel ligt.

5. Apparaat volgens conclusie 4, waarin de straal van de genoemde cirkel de helft is van de straal van de genoemde spoel.

6. Apparaat volgens conclusie 1, waarin de genoemde middelen voor het opbouwen van een magnetische veld verder voorzien zijn van middelen voor het opwekken van een verdere gradient in het genoemde magnetische veld door het leveren van verschillende stroomniveau's aan de genoemde respectievelijke spoelen, welke genoemde verdere gradient verloopt : 40 langs een as die een hoek maakt met de as van de genoemde magnetische 8620300 » veldgradient die wordt opgewekt door de schuinstand van de genoemde spoelen.

7. Apparaat volgens conclusie 6, waarin de genoemde as van de genoemde verdere gradient loodrecht staat op de genoemde as van de ge- 5 noemde magnetische veldgradient die wordt opgewekt door de schuinstand van de genoemde spoelen.

8. Apparaat volgens conclusie 6, verder omvattende een regel eenheid die ervoor zorgt dat de hoek van de genoemde schuinstand wordt veranderd door middel van een reeks van stappen vanaf een minimum hoek 10 naar een maximum hoek corresponderend met een maximum niveau van de ge- ; noemde magnetische veldgradient, en die zorgt dat de genoemde verschil- I lende stroomniveau's verschillen met opeenvolgend grotere hoeveelheden corresponderend met de genoemde schuinstandshoeken, en ervoor zorgt dat | de grootten van de genoemde stroomniveau's worden gezwaaid voor elke j 15 combinatie van schuinstandshoek en stroomniveauverschil.

9. Apparaat volgens conclusie 8, waarin de genoemde minimum hoek 0 i is.

10. Apparaat volgens conclusie 1, verder omvattende middelen voor het gevoelig maken van het monster voor resonantie in slechts een enke- | 20 le geselecteerde dwarsdoorsnedeplak van het genoemde monster.

11. Apparaat volgens conclusie 10, waarin de genoemde gevoelig makende middelen voorzien zijn van twee geleidende lussen, waarbij elke lus de beide genoemde spoelen omgeeft, en een voedingsspanningsbron voor het opwekken van stromen in de genoemde twee lussen die resp. te- 25 gengesteld gericht zijn en verschillende niveau's hebben.

12. Elektronspinresonantie-apparaat voor het afleiden van data die I representatief is voor de aanwezigheid van een vooraf bepaalde stof binnen een monster van dierlijk weefsel, welk apparaat omvat I middelen voor het opwekken van een magnetisch veld binnen het ge-: 30 noemde monster, j middelen voor het stimuleren van de elektron spinresonantie binnen I het genoemde monster voor het produceren van een elektronspinresonan-tiesignaal dat een indicatie vormt voor de genoemde aanwezigheid van de ; genoemde vooraf bepaalde stof, en 35 middelen voor het detecteren van het genoemde elektronspinresonan-tiesignaal en voor het afleiden van de genoemde data uit het genoemde resonantiesignaal, welke middelen voor het stimuleren voorzien zijn van een hoogfrequente generator die een hoogfrequent signaal produceert met een fre- 40 quentie die voldoende laag is om te penetreren in alle lokaties binnen | 0. o η'τ ft ft ' ' ' t het genoemde dierlijke weefsel.

13. Elektronspinresonantie-apparaat voor het afleiden van data die representatief is voor een beeld van de verdeling van een vooraf bepaalde stof binnen het monster van het type dat verstrooiend materiaal 5 bevat, welk apparaat voorzien is van middelen voor het opbouwen van het magnetisch veld binnen het genoemde monster, middelen voor het stimuleren van de elektronspinresonantie binnen het genoemde monster voor het produceren van een elektronspinresonan-1Ö tiesignaal dat een indicatie vormt voor de genoemde verdeling van de genoemde vooraf bepaalde stof, en middelen voor het detecteren van het genoemde elektronspinresonan-tiesignaal en voor het afleiden van de genoemde data die representatief is voor het genoemde beeld uit het genoemde resonantiesignaal, 15 welke middelen voor het stimuleren voorzien zijn van een hoogfrequente generator die een hoogfrequent signaal produceert voor aflevering aan het genoemde monster, welk hoogfrequente signaal een frequentie heeft die voldoende laag is om te penetreren in alle lokaties binnen het genoemde monster.

14. Apparaat volgens conclusie 10 of 11, waarin de genoemde fre quentie lager is dan 1 Gigahertz.

15. Apparaat volgens conclusie 12, waarin de genoemde frequentie 260 Megahertz is.

16. Apparaat volgens conclusie 1, 10 of 11, waarin het genoemde 25 monster levend weefsel bevat.

17. Apparaat volgens conclusie 1, 10 of 11, waarin de genoemde vooraf bepaalde stof zuurstof bevat.

18. Apparaat volgens conclusie 1, waarin de genoemde magnetische resonantie elektronspinresonantie omvat.

19. Magnetische resonantiewerkwijze voor het afleiden van data die representatief is voor een beeld van de verdeling van een vooraf bepaalde stof binnen een monster, welke werkwijze omvat het opbouwen van een magnetische veld binnen het genoemde monster gebruikmakend van een paar spoelen die gepositioneerd zijn aan respec-: 35 tievelijke tegenover staande zijden van het genoemde monster en ten opzichte van elkaar schuin staan teneinde een magnetische veldgradient te genereren langs een as van het genoemde monster, het stimuleren van magnetische resonantie binnen het genoemde monster teneinde een magnetisch resonantiesignaal te produceren dat een 40 indicatie vormt voor de verdeling van de genoemde vooraf bepaalde stof, 8620300 > ! ’ eh' het detecteren van het genoemde resonanties!gnaal en het aflel den van de genoemde data die representatief is voor het genoemde beeld van het genoemde resonantiesignaal.

20. Elektronspinresonantiewerkwijze voor het afleiden van data die een representatie vormt voor de aanwezigheid van een vooraf bepaalde stof binnen het monster van dierlijk weefsel, welke werkwijze omvat: het opbouwen van een magnetisch veld binnen het genoemde monster, het aanbieden van hoogfrequente energie aan het genoemde monster, 10 terwijl het genoemde magnetische veld is opgebouwd, bij een frequentie die voldoende laag is om te penetreren in alle lokaties binnen het genoemde dierlijke weefsel teneinde een elektronspinresonantiesignaal te produceren dat een indicatie vormt voor de genoemde aanwezigheid van de genoemde vooraf bepaalde stof, en 15 het detecteren van het genoemde elektronspinresonantiesignaal en het afleiden van de genoemde data uit het genoemde signaal.

21. Elektronspinresonantiewerkwijze voor het afleiden van data die : representatief is voor een beeld van de verdeling van een vooraf bepaalde stof binnen een monster van een type dat dissiperend materiaal 20 bevat, welke werkwijze omvat: het opbouwen van een magnetisch veld binnen het genoemde monster, het aanbieden van hoogfrequente energie aan het genoemde monster terwijl het genoemde magnetische veld is opgebouwd, bij een frequentie die voldoende laag is om te penetreren in alle lokaties binnen het ge-25 noemde monster teneinde een elektronspinresonantiesignaal te produceren dat een indicatie vormt van de genoemde verdeling van de genoemde vooraf bepaalde stof, en het detecteren van het genoemde signaal en het uit dit genoemde signaal afleiden van de genoemde data die een representatie vormt van 30 het genoemde beeld. 'k'k'k'k'k'k'k'k'k'k 1020300 i .