DE3500456A1

DE3500456A1 - Spulenanordnung fuer ein nmr-untersuchungsgeraet

Info

Publication number: DE3500456A1
Application number: DE19853500456
Authority: DE
Inventors: Jukka Dipl.-Ing. Espoo Tanttu
Original assignee: Instrumentarium Oyj
Current assignee: Philips Medical Systems MR Technologies Finland Oy
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1985-01-09
Publication date: 1985-07-25
Anticipated expiration: 2005-01-10
Also published as: FI840232A; FI840232A0; FI73320B; US4680549A; GB2153086A; FI73320C; JPH0616759B2; GB8501371D0; GB2153086B; JPS60209153A; DE3500456C2

Description

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Spulenanordnung für ein NMR-Untersuchungs^erät

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ^-Spulenanordnung für NMR-Untersuchungen gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Die nuklearmagnetische Resonanz (NMR = Nuclear Magnetic Resonance) ist eine Erscheinung, die einige Atomkerne zeigen und die bspw. stark ausgenutzt wird, bspw. bei Studien der Festkörperphysik, der Chemie und Biologie. Die jüngste Anwendung der NMR-Erscheinung ist die NMR-Darstellung, wobei die Verteilung von NMR-Parametern in einem zu untersuchenden Gegenstand (bspw. dem menschlichen Körper) in Form einer Karte bzw. Darstellung präsentiert wird, die bspw. in der Medizin benutzt werden kann.

Bei einer solchen NMR-Untersuchung wird ein rf-(= Radiofrequenz) Puls auf ein in einem statischen magnetischen Feld befindliches Muster emittiert, wobei die Frequenz des Pulses nahe bei der sogen. Resonanzfrequenz des zu untersuchenden Kernes liegt und dessen Richtung im wesentlichen orthogonal relativ zum statischen magnetischen Feld orientiert verläuft. Dieser Puls erregt die gewünschten Kerne und präzediert diese rund um das statische magnetische Feld. Diese Präzedierung induziert in einer Empfängerspule ein NMR-Signal, von dem die gewünschten Parameter berechnet werden können.

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Ein NMR-Untersuchungsgerät ist immer mit einer Senderund einer Empfängerspule ausgerüstet, die separate Spulen oder eine einzige Spule bilden können. Bei der NMR-Darstellung wird das zu untersuchende Muster gewöhnlich innerhalb der Empfängerspule in einer Fläche plaziert, in der das rf-Feld so homogen wie möglich ist, um alle Sektionen in der gleichen Weise hervorzuheben und ein verläßliches Bild zu erzeugen.

Bei dem interessierenden Objekt handelt es sich jedoch oft um einen kleinen Ausschnitt bzw. Teil eines größeren Gegenstandes. Typische Beispiele sind dafür die zum Auge oder zum Ohr gehörigen Bereiche des menschlichen Körpers oder dessen äußere Schichten, wenn bspw. chemische Veränderungen usw. gemessen werden sollen. Bevorzugt wird demgemäß der Gebrauch einer Empfängerspule, die auf ein Signal empfindlich reagiert, das von dieser speziellen Sektion ausgeht. Weil das induzierte Signal der Distanz des Leiters einer Empfängerspule umgekehrt proportional ist, wird dies durch eine kleine Empfängerspule erreicht, die dicht an den zu prüfenden Gegenstand herangebracht werden kann. Diese vorbekannte Lösung, bei der es sich um eine sogenannte Flächenspule handelt, kann sowohl als Sender und Empfänger oder nur als Empfänger benutzt werden, in welchem Falle die Erregung durch eine größere Senderspule bewirkt wird, die ein homogenes rf-Feld erzeugt.

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Eine Flächenspule wird in höherem Maße im allgemeinen in einem NMR-Darstellungssystem benutzt, das auch für die Darstellung des ganzen Körpers (oder des Kopfes) bestimmt ist. In diesem Fall erfordert die Einführung einer Flächenspule mindestens die folgenden Schritte:

(1) Die Flächenspule muß mit der Empfängerelektronik eines Systems verbunden werden.

(2) Falls die benutzte Senderspule die Sender-/ Empfängerspule des tatsächlichen Systems ist, so muß deren Verbindung zur Flächenspule für die Signaldedektionsperiode verhindert werden;.

(3) Wenn die Flächenspule auch als Senderspule dient, muß sie mit der Sendeelektronik des tatsächlichen Systems verbunden werden (auch in diesem Fall muß die Verbindung der Sender-/ Empfängerspule des tatsächlichen Systems verhindert werden) .

Die Verbindung einer Flächenspule zur Empfängerelektronik wird im allgemeinen derart bewirkt, daß die Flächenspule mit ihrem eigenen Vorverstärker versehen wird, und ein Signal wird in das Wirksystem zu einem späteren Zeitpunkt in die Verstärker/Misch-Sequenz gegeben. In dieser Hinsicht verlangt die Optimierung der Rauschcharakteristika eines Gerätes eine ziemlich hohe Genauigkeit, d.h. die Ausschaltung

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äußerer Störungen bei der NMR-Darstellung ist außerordentlich schwierig.

Die Sender- und Empfängerspulenanordnungen machen nahezu immer die Benutzung von erregten Kreisen notwendig. Im oben beschriebenen Fall ist zwischen der Flächenspule und der Sender-/Empfängerspule des Wirksystems eine Verbindung vorgesehen, die die Untersuchung stört. Um die Verbindung zu verhindern, kann die Flächenspule orthogonal relativ zur tatsächlichen Spule (empfindlich gegen Bewegungen) angeordnet werden oder die Wirkspule kann mit einer Kopplung für die Ausschaltung des Kreises für eine Signalempfangsperiode versehen werden. Die obigen Aspekte komplizieren also die Verwendung einer Flächenspule bei der NMR-Darstellung.

Demgemäß ist es ein Gegenstand der Erfindung eine neue rf-Spulenanordnung zu treffen, die diese Schwierigkeiten eliminiert und deren Verbindung mit einem sogar kompletten NMR-Darstellungsgerät sehr einfach ist. Dieses System kann für die NMR-Darstellung bspw. des Auges, des Ohres oder anderen Teilbereichen einer größeren Sektion, benutzt werden oder für die Messung chemischer Wechsel usw. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf typische Flächenspulenanwendungsfälle, sondern ein zu untersuchender Gegenstand kann auch insgesamt oder teilweise

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(bspw. ein Arm) innerhalb der Spule angeordnet werden .

Diese Aufgabe ist mit einer Spulenanordnung der eingangs genannten Art nach der Erfindung durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angeführten Merkmale gelöst, wonach zusätzlich zur Wirkempfängerspule ein weiterer Satz von Spulen verwendet wird, der absolut vom Rest des Systems getrennt und in unmittelbarer Nachbarschaft zum zu untersuchenden Gegenstand angeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Spulenanordnung wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt schematisch

Fig. 1 eine typische NMR-Darstellungsanordnung nach der Erfindung;

Fig. 2a ein Feld, erzeugt durch eine Sender-/

Empfängerspule und zwar nach Empfängerart;

Fig. 2b ein Feld, erzeugt durch eine Sender-/ Empfängerspule nach der Senderart;

Fig.3a,b verschiedene Möglichkeiten zur Reduzierung der Störungen eines rf-Feldes während der Sendephase;

Fig. 4a die elektrische Kopplung für eine re-Spulenanordnung;

Fig. 4b eine alternative Kopplung und

Fig. 5 eine mögliche erfindungsgemäße Spulenanordnung.

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Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung kann bei der Sendung und dem Empfang die gleichen Komponenten verwenden wie die des tatsächlichen Systems. Fig. 1 zeigt eine typische erfindungsgemäße Anordnung, wobei die Komponenten einen Magneten 1 umfassen, eine Sender-/Empfängerspule 2, einen Adapter bzw. Vorschaltkreis 3, einen rf-Kraftverstärker 4 und einen Vorverstärker 5. Die einzige Ausnahme zu einem normalen System bildet eine Hilfsspule 6, die in unmittelbarer Nachbarschaft zu einem zu prüfenden Gegenstand, in diesem Fall ein Auge, angeordnet ist.

Die Erfindung basiert auf der oben erwähnten gegenseitigen Verbindung von zwei Spulen. Dies kann auf der Basis untersucht werden, von welcher Art ein von der Empfängerspule erzeugtes rf-Feld ist, wenn darin eine Hilfsspule plaziert ist, die mit der gleichen Frequenz erregt wird. Diese Situation ist in Fig. 2a dargestellt. Der magnetische Fluß neigt dazu, seinen Weg durch die Hilfsspule zu nehmen und dies umsomehr, je höher der der Hilfsspule eigene Gütefaktor Q ist und je höher die magnetische Flußdichte D in der Nähe der Hilfsspule ist. Auf Basis des Reziprokprinzips ist ein NMR-Signal, induziert in der Empfängerspule, wie folgt:

L ( π- . μ ) (D

M die Kernmagnetisierung darstellt, produziert von präzessierten Kernen,

B, die magnetische Flußdichte darstellt, erzeugt im Gegenstandsbereich durch die Empfängerspule mit einem Einheitsstrom und worin

e die elektromotorische Kraft ist, erzeugt über den Abgängen der Empfängerspule.

Demgemäß ist im Falle der Fig. 2a ein NMR-Signal, ausgehend von der benachbarten Hilfsspule, stärker als es ohne Hilfsspule sein würde. Falls sich die Erregungen einer Empfängerspule und einer Hilfsspule einander nicht beeinflussen, werden B, und auch das Signal e durch den Q-Faktor verstärkt (Q = Gütefaktor der Hilfsspule): in der Praxis ist dies nicht der Fall, sondern die Verstärkung ist niedriger und hängt ab von der Systemgeometrie.

Um den Effekt einer Hilfsspule auf das rf-Feld während der Sendung zu eliminieren ist es möglich, die Dioden D, und D₂ kreuzweise parallel zu einer Hilfsspule zu verbinden, wie in Fig. 3a dargestellt. Bei verschiedenen NMR-Meßfolgen ist die Höhe eines rf-Pulses kritisch und dann ist es besser, eine Verbindung gemäß Fig. 3b zu benutzen. Während der Sendung eines rf-Pulses wird in einer Hilfsspule L, eine Spannung induziert, die beträchtlich höher ist als die Sperrspannung der Dioden D, und D«. Demgemäß er-

zeugen ein Kondensator C-, und eine Spule L₂, deren Induktanz gleich ist der der Spule L,, einen parallelen Resonanzkreis, der an den Enden der Spule L. als hohe Impedanz erscheint. Demgemäß ist ein Strom, der durch die Spule L, fließt niedrig und hat keinen wesentlichen Einfluß auf das Transmissionsfeld (Fig. 2b). Ein NMR-Signal ist immer viel niedriger als die Sperrspannung der Dioden, und in diesem Fall wird ein Parallelresonanzkreis von der Spule L, und dem Kondensator C-, erzeugt. Andererseits kann die Wirkung einer Hilfsspule auf das Transmissionsfeld auch zu einem Vorteil genutzt werden. Dies basiert auf der Tatsache, daß ein geeignetes inhomogenes Transmissionsfeld benutzt werden kann, um nur Atomkerne zu erregen, die sich innerhalb einer begrenzten Fläche befinden.

Fig. 4a stellt eine relative oder wechselseitige Verbindung zwischen zwei Resonanzkreisen dar. Die wechselseitige Induktanz der Spule L-, mit dem Gütefaktor Q₁ und der Spule L₂ mit dem Gütefaktor Q₂ wird sein:

M = k ~V L₁ L₂ (2)

k den Kopplungsfaktor zwischen den Spulen darstellt. Die Kondensatoren C, und C- parallele Resonanzkreise mit den Spulen L-, und L₂ auf. Die elektromotorische Kraft, induziert in der Spule L₁ ist e und die Frequenz ist fo.

Die Spannung am Kondensator C„ erreicht ihr Maxi-

2
mum, wenn k = l/Q-j-Q-, und beide Resonanzkreise werden mit der gleichen Frequenz fo erregt, wobei sich als Spannung ergibt

^V2"i

Wenn demgemäß die Kopplung niedriger ist, ist ein NMR-Signal, induziert in der Empfängerspule, von der gleichen Größenordnung wie ein Signal V = 0,e, erhalten durch die Verwendung einer normalen Fläch enspulen verbindung.

Eine ähnliche Untersuchung kann auch angestellt werden für den Fall, in dem gerade einer der Kreise der Fig. 4a einen Resonanzkreis erzeugt. Auch in diesem Fall wird ein Signal, in der Spule L, induziert, mit der Spule L„ verbunden, wenn das System ansonsten in Ordnung ist.

Die oben angeführten Kreisuntersuchungen sind nicht komplett in Hinsicht auf eine NMR-Messung, sondern zeigen stattdessen nur eine generelle Linie. Bspw. berücksichtigen sie nicht die Auswirkung der Geometrie eines durch die Spulen erzeugten radiofrequenzmagnetischen Feldes. Dies hängt umgekehrt in höchst komplizierter Weise von einem Meßsystem ab. Zusätzlich ist eine wesentliche Quantität bei der NMR-

Messung nicht die Stärke eines Signals, sondern stattdessen das Signalrauschverhältnis.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die Verwendung nur gerade einer Hilfsspule, sondern es kann auch eine Mehrzahl von diesen vorhanden sein und ebenso separate oder unterschiedliche Komponenten des gleichen Erregerkreises. Bspw. bei den Messungen oder Tests, bei denen die Größen eines Gegenstandes variiert, kann die Verbindung zu einer festen Empfängerspule durch Hilfsspulen verbessert werden.

Fig. 5 zeigt eine solche evtl. Anwendung. Zusätzlich zur Sender-/Empfängerspule 2 eines NMR-Meßgerätes umfaßt das System andere Spulen. Diese sind im Beispiel zwei Spulen 6a und 6b und zwar auf jeder Seite eines zu untersuchenden Gegenstandes derart angeordnet, daß ein rf-Feld, erzeugt auf die gleiche Weise wie im Sinne der Fig. 2, innerhalb einer zu untersuchenden Fläche ausreichend homogen sein wird. Solch ein Gegenstand kann bspw. ein Arm, ein Bein, ein Kopf usw. sein.

Claims

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Patentansprüche: Dip..-ii._y Wolf j

An fl'3f Md.ui'ünke 6450

ι iJ Spulenanordnung für ein NMR-Untersuchungsgerät zur Sammlung von NMR-Informationen über einen zu untersuchenden Gegenstand, wobei die Anordnung erste Spulenelemente für die Erregung der Kerne einer Gegenstandsfläche und für den Empfang eines Signals, ausgesandt von den Kernen einer Gegenstandsfläche, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung weitere andere Spulenelemente enthält für die Erzielung der Amplutude eines Signals, ausgesandt von einem begrenzten Bereich des Gegenstandes und verbunden zu den ersten Spulenelementen, wobei die Gewinnung im Verhältnis zur Amplitude eines Signals steht, das aus anderen Bereichen eines Gegenstandes resultiert.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Spulenelemente einen Resonanzkreis enthalten, erregt mindestens für einige Zeit derart, daß das Verhältnis eines Signals, verbunden zu den ersten Spulenelementen der begrenzten Fläche eines Gegenstandes zum elektrischen Rauschen, erzeugt in einer Signalsammlungseinheit und in einem Gegenstand, so hoch wie möglich ist.

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3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Spulenelemente, um deren Wirkung auf ein rf-Feld, erzeugt durch die ersten Spulenelemente bei der Erregung der Atomkerne, zu reduzieren, verbunden sind mit speziellen Elementen für die Veränderung ihrer Resonanzfrequenz während der Erregung.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die speziellen Elemente eine passende Impedanz parallel verbunden zur Spule und eine Reihenkopplung bilden, wobei eine Charakteristik der Kopplung darin besteht, daß sie im wesentlichen nur nach einer in der Hilfsspule induzierten Spannung zu leiten beginnt, die einen vorgegebenen Sperrwert überschreitet.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung aus kreuzweise geschalteten Dioden besteht.
6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die passende Impedanz rein induktiv ist und gleich der Induktanz einer Spule, die einen Teil der zweiten Spulenelemente bildet.
7. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch ge-

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kennzeichnet, daß die zweiten Spulenelemente eine spezielle Kopplung für die Abschaltung des Resonanzkreises für die Sendeperiode umfassen.
8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule, die einen Teil der zweiten Spulenelemente bildet, elektrisch orthogonal relativ zu einer Spule geschaltet ist, die der Erregung der Atomkerne dient.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Spulenelemente eine Mehrzahl von Spulen enthalten, die separat zu den Komponenten des gleichen Kreises sind.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Spulenelemente zwei Spulen enthalten, die auf jeder Seite eines zu untersuchenden Gegenstandes, bspw. eines Armes, eines Beines oder Kopfes, derart angeordnet sind, daß die Schaltverbindung eines NMR-Signals zu den ersten Spulenelementen von unterschiedlichen Bereichen einer zu untersuchenden Fläche im wesentlichen gleich ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die relative Distanz von zwei Spulen, die Teile der zweiten Spulenelemente sind, flexibel einstellbar sind in bezug auf die Größe eines zu untersuchenden Gegenstandes.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Spulenelemente einen separaten Sende- und einen separaten Empfängerteil umfassen.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Spulenelemente eine Spule bilden, die sowohl als Sende- und Empfängerspule dient.